KR101076449B1 - 글로벌 백라이트 디밍 방법과 이를 이용한 액정표시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 글로벌 백라이트 디밍 방법과 이를 이용한 액정표시장치에 관한 것으로, 입력 이미지의 히스토그램을 계산하는 단계; 상기 히스토그램의 누적 분포 함수(CDF) 또는 상보 누적 분포 함수(CCDF)를 계산하고, 상기 누적 분포 함수 또는 상기 상보 누적 분포 함수의 계조 레벨에 매칭되는 클리핑 후보값을 조정하면서 상기 누적 분포 함수 또는 상기 상보 누적 분포 함수에서 글로벌 백라이트 디밍시에 계조가 왜곡되는 픽셀 데이터들을 정의하는 에리어값을 계산하는 단계; 상기 에리어값을 룩업 테이블에 미리 설정된 에리어 문턱값과 비교하고, 상기 에리어 문턱값과 실질적으로 동일한 상기 에리어값에 대응하는 계조 레벨에 기초하여 동적 클리핑 포인트를 결정하는 단계; 액정표시패널에 조명되는 백라이트 휘도를 상기 동적 클리핑 포인트 이하로 제한하는 단계; 및 상기 액정표시패널에 표시될 픽셀 데이터를 변조하여 상기 액정표시패널의 투과율을 높여 상기 백라이트 휘도의 저하를 보상하는 단계를 포함한다.

Description

글로벌 백라이트 디밍 방법과 이를 이용한 액정표시장치{GLOBAL BACKLIGHT DIMMING METHOD AND LIQUID CRYSTAL DISPLAY USING THE SAME}

본 발명은 글로벌 백라이트 디밍 방법과 이를 이용한 액정표시장치에 관한 것이다.

액티브 매트릭스(Active Matrix) 타입의 액정표시장치는 스위칭 소자로서 박막트랜지스터(Thin Film Transistor : 이하 "TFT"라 함)를 이용하여 영상을 표시하고 있다. 액정표시장치는 음극선관(Cathode Ray Tube, CRT)에 비하여 소형화가 가능하여 휴대용 정보기기, 사무기기, 컴퓨터 등에서 표시기에 응용됨은 물론, 텔레비젼에도 응용되어 빠르게 음극선관을 대체하고 있다.

액정표시장치는 자발광소자가 아니기 때문에 액정표시패널에 빛을 조사하기 위한 백라이트 유닛을 필요로 한다. 액정표시장치는 휴대용 정보기기의 표시기기로 적용되고 있다. 휴대용 정보기기의 밧데리 수명을 연장하기 위해서는 액정표시장치의 소비전력을 줄여야 한다. 백라이트 유닛의 광원들과, 그 광원을 구동하기 위한 인버터 회로의 소비전력은 액정표시장치의 전체 소비전력에서 거의 절반에 해당한다. 따라서, 액정표시장치의 소비전력을 줄이기 위해서는 백라이트 유닛의 소비전력을 줄이는 방법이 효과적이다.

백라이트 유닛의 소비전력을 줄이기 위한 방법으로, 백라이트 디밍 방법이 가장 널리 이용되고 있다. 백라이트 디밍 방법은 표시면을 다수의 블록들로 분할하고 블록별로 백라이트 휘도를 개별 제어하는 로컬 백라이트 디밍 방법(Local dimming method)과, 표시면 전체의 백라이트 휘도를 일괄적으로 낮추는 글로벌 백라이트 디밍 방법(Global dimming method)으로 나뉘어질 수 있다. 로컬 백라이트 디밍 방법은 한 프레임기간 내에서 표시면의 휘도를 국부적으로 제어함으로써 정적 콘트라스트(Static contrast)를 개선할 수 있고, 소비전력을 줄일 수 있다. 로컬 백라이트 디밍 방법은 그 알고리즘과 하드웨어의 복잡도가 높고, 블록별 휘도 제어가 용이한 직하형 LED(Light Emitting Diode) 백라이트 유닛에만 적용될 수 있는 단점이 있다. 글로벌 백라이트 디밍 방법은 동적 콘트라스트(Dynamic contrast)를 개선할 수 있으며, 소비전력을 낮출 수 있다. 글로벌 백라이트 디밍 방법은 그 알고리즘과 하드웨어의 복잡도가 낮고 어떤 타입의 백라이트 유닛에도 적용될 수 있다.

글로벌 백라이트 디밍 방법은 백라이트 휘도(Backlight brightness)를 줄여 전력 소모를 줄이는 백라이트 변조(Backlight modulation) 처리와, 백라이트 휘도 저하를 이미지의 픽셀 데이터의 계조값으로 보상하는 이미지 보상(Image compensation) 처리를 포함한다. 그런데, 글로벌 백라이트 디밍 알고리즘은 백라이트 휘도 저하를 보상하기 위하여 픽셀 데이터의 계조 레벨(Gray level)을 높이는데, 픽셀 데이터의 계조 보상에 한계가 있다. 예를 들어, 8 bit 픽셀 데이터의 경우에 그 픽셀 데이터의 최대 계조 레벨은 255이므로 그 이상으로 조절될 수 없다. 따라서, 기존의 글로벌 백라이트 디밍 방법은 백라이트 휘도를 보상할 수 없을 만큼 백라이트 휘도를 줄이면 픽셀 데이터의 최대 계조 레벨 포화(Saturation)로 인하여 계조 레벨을 제대로 표현하지 못할 수 있다. 이를 해결하기 위하여, 기존의 글로벌 백라이트 디밍 방법은 입력 이미지의 전체 픽셀 데이터 개수에 대한 클립트 픽셀 데이터들(Clipped pixel data)의 비율인 클립트 레이트(Clipped rate)를 특정 값으로 고정시켜 백라이트의 최대 휘도를 결정한다. 클립트 픽셀 데이터들은 백라이트 휘도의 저하와 최대 계조값의 제한으로 인하여 표현할 수 있는 밝기를 넘어간 픽셀 데이터들을 의미한다. 클립트 레이트는 클립트 픽셀 개수를 입력 이미지의 전체 픽셀 개수로 나눈 백분율 값이다. 기존의 글로벌 디밍 백라이트 디밍 방법은 클립트 레이트를 결정한 후에 입력 이미지에 대한 RGB 히스토그램을 생성하여 해당 이미지에서 클립트될 계조 레벨인 최종 클립트 포인트(Final clipped point)를 결정한다. 최종 클립트 포인트를 넘는 픽셀 데이터들이 클립트 픽셀 데이터들이다.

기존의 글로벌 백라이트 디밍 방법은 클립트 포인트를 특정 값으로 고정시켜 백라이트 휘도의 최대 밝기를 결정한다. 따라서, 기존의 글로벌 백라이트 디밍 방법은 클립트 포인트를 작은 값으로 고정하는 경우에 높은 밝기의 픽셀 데이터 분포가 적은 입력 이미지에서 화질이 크게 열화될 수 있다. 반면에 기존의 글로벌 백라이트 디밍 방법은 클립트 포인트를 큰 값으로 고정하는 경우에 높은 밝기의 픽셀 데이터 비율이 상대적으로 높은 입력 이미지에서 화질 수준이 높지만 전력 소모 감소 비율이 매우 작아지게 되어 소비전력 저감 효과가 작아진다.

도 1 및 도 2는 누적 분포 함수(Cumulative Distribution Function, 이하 "CDF"라 함)가 다른 2 개의 원본 이미지에 대하여 클립트 레이트를 10%로 고정한 예이다. 도 1 및 도 2의 (a)에서 x축은 원본 이미지(b)에 대한 픽셀 데이터의 계조 레벨(또는 intensity level)이고 y축은 원본 이미지(b)의 전체 픽셀 데이터들의 누적 개수이다. (a)의 그래프는 CDF로 산출된 히스토그램이다. (a)에서, K는 클립트 포인트로서 2 개의 원본 이미지에 대하여 10%로 고정되었다. (c)는 클립트 포인트=10%를 이용한 기존의 글로벌 디밍 처리 결과를 보여 주는 이미지이다. 기존의 글로벌 백라이트 디밍 방법은 클립트 포인트를 10%로 고정할 때 도 1의 (b)와 같은 원본 이미지와 거의 같은 수준의 화질을 구현할 수 있지만 작은 소비전력 저감 효과를 얻을 수 있다. 반면에, 기존의 글로벌 백라이트 디밍 방법은 클립트 포인트를 10%로 고정할 때 도 2의 (b)와 같은 원본 이미지에서 소비 전력을 크게 낮출 수 있지만 화질이 크게 떨어뜨린다.

본 발명은 일정 수준 이상으로 화질을 유지하면서도 소비전력 저감 효과를 높일 수 있는 글로벌 백라이트 디밍 방법과 이를 이용한 액정표시장치를 제공한다.

본 발명의 글로벌 백라이트 디밍 방법은 입력 이미지의 히스토그램을 계산하는 단계; 상기 히스토그램의 누적 분포 함수(CDF) 또는 상보 누적 분포 함수(CCDF)를 계산하고, 상기 누적 분포 함수 또는 상기 상보 누적 분포 함수의 계조 레벨에 매칭되는 클리핑 후보값을 조정하면서 상기 누적 분포 함수 또는 상기 상보 누적 분포 함수에서 글로벌 백라이트 디밍시에 계조가 왜곡되는 픽셀 데이터들을 정의하는 에리어값을 계산하는 단계; 상기 에리어값을 룩업 테이블에 미리 설정된 에리어 문턱값과 비교하고, 상기 에리어 문턱값과 실질적으로 동일한 상기 에리어값에 대응하는 계조 레벨에 기초하여 동적 클리핑 포인트를 결정하는 단계; 액정표시패널에 조명되는 백라이트 휘도를 상기 동적 클리핑 포인트 이하로 제한하는 단계; 및 상기 액정표시패널에 표시될 픽셀 데이터를 변조하여 상기 액정표시패널의 투과율을 높여 상기 백라이트 휘도의 저하를 보상하는 단계를 포함한다.

상기 글로벌 백라이트 디밍 방법은 상기 히스토그램의 상보 누적 분포 함수를 계산하고, 상기 상보 누적 분포 함수의 클리핑 후보값을 점진적으로 증가시켜 상기 에리어값을 증가시킨다.

상기 글로벌 백라이트 디밍 방법은 상기 에리어값이 상기 에리어 문턱값보다 커질 때까지 에리어값과 상기 에리어 문턱값을 비교하는 단계; 및 상기 에리어값이 상기 에리어 문턱값보다 커질 때 현재까지 누적된 상기 클리핑 후보값을 이용하여 상기 동적 클리핑 포인트를 결정하는 단계를 포함한다.

상기 클리핑 후보값을 MLD_i이라 하고, 상기 입력 이미지의 최대 계조 레벨을 MIL이라 할 때, 상기 동적 클리핑 포인트 MLD는, MLD = MIL - (MLD_i - 1)이다.

상기 에리어 문턱값은 다양한 테스트 이미지들에서 일정한 수준의 화질 지표를 만족하는 클리핑 포인트값으로 결정된다.

본 발명의 액정표시장치는 액정표시패널; 상기 액정표시패널에 백라이트를 조명하는 백라이트 유닛; 및 상기 액정표시패널의 화질이 일정 수준으로 유지하면서 상기 백라이트 유닛의 휘도를 낮추는 디밍 제어부를 구비한다.

본 발명은 글로벌 백라이트 디밍 시에 일정한 수준의 화질 지표를 만족하는 에리어 문턱값을 룩업 테이블로 설정하고, 입력 이미지의 누적 분포 함수(CDF) 또는 상보 누적 분포 함수(CCDF)에서 계조 왜곡 정도를 나타내는 에리어값을 계산하고 그 에리어값을 상기 에리어 문턱값과 비교하여 에리어 문턱값과 동일한 에리어값의 계조 레벨을 동적 클리핑 포인트로 결정한다. 그 결과, 본 발명은 글로벌 백라이트 디밍 시에 일정 수준 이상으로 화질을 유지하면서도 소비전력 저감 효과를 높일 수 있다.

도 1 및 도 2는 서로 다른 2 개의 원본 이미지들에 대한 기존의 글로벌 백라이트 디밍 방법의 처리 결과를 보여 주는 도면들이다.
도 3은 임의의 이미지에 대한 누적 분포 함수(CDF)를 보여 주는 그래프이다.
도 4는 도 3에 도시된 누적 분포 함수(CDF)를 상보 누적 분포 함수(CCDF)로 변환한 예를 보여 주는 그래프이다.
도 5는 다양한 테스트 이미지들에 대한 신호 대 잡음비(PSNR)를 만족하는 에리어의 문턱값을 보여 주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치를 보여 주는 블록도이다.
도 7은 도 6에 도시된 디밍 제어부를 상세히 보여 주는 블록도이다.
도 8은 도 7에 도시된 동적 클립트 포인트(MLD) 결정부의 제어 방법 수순을 단계적으로 보여 주는 흐름도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 효과를 검증하기 위한 실험에 사용된 이미지들을 나타내는 도면이다.
도 11 및 도 12는 기존의 글로벌 백라이트 디밍 방법과 본 발명의 비교 실험에서 PSNR과 소비전력의 측정치를 보여 주는 도면들이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 실시예에 따른 글로벌 백라이트 디밍 방법은 룩업 테이블과 후술하는 에리어(Area) 기반으로 동적(Dynamic) 클립트 포인트(이하, "MLD(Maximum level data)"이라 함)를 결정하여 어떠한 이미지에서도 화질을 일정 수준 이상으로 유지하면서 MLD를 기준으로 이미지 특성에 맞게 백라이트의 최대 휘도를 동적으로 결정한다. 이를 위하여, 본 발명은 입력 이미지의 히스토그램을 계산하고, 그 히스토그램의 CDF 또는 상보 누적 분포 함수(Complementary Cumulative Distribution Function, 이하 "CCDF"라 함)를 계산하고 그 결과를 바탕으로 하여 에리어를 계산한다.

도 3은 임의의 이미지에 대한 CDF를 보여 주는 그래프이다. 도 4는 도 3에 도시된 CDF를 CCDF로 변환한 예를 보여 주는 그래프이다.

도 3의 CDF x축의 최대 계조 레벨(Maximum intensity level, 이하 "MIL"이라 함)에서 입력 영상의 픽셀 데이터 값을 빼주는 방법으로 CDF를 도 4와 같은 CCDF로 변환할 수 있다. MIL은 8 bit 픽셀 데이터의 경우에 255이다. 도 3 및 도 4에서 에리어는 MLD 보다 큰 계조 레벨(또는 intgensity level)을 갖는 픽셀 데이터들을 포함한다. 에리어 내의 픽셀 데이터들은 글로벌 백라이트 디밍시에 계조 왜곡이 나타나는 픽셀 데이터들이다. 도 3 및 도 4에서 x축의 "intensity level"은 픽셀 데이터의 계조 레벨이며, y축은 입력 이미지의 픽셀 데이터 개수이다.

본 발명은 에리어 도출을 위한 계산량을 줄이기 위하여 CDF를 CCDF로 변환하지만, 에리어를 CCDF 기반으로 계산하는 것에 한정되는 것이 아니라, CDF 기반으로 에리어를 계산할 수도 있다. CDF와 CCDF는 i를 0 이상 MIL 이하의 양의 정수라 할 때 수학식 1 및 2로 나타낼 수 있다. CDF는 수학식 1과 같이 히스토그램을 오름 차순(Increasing order)으로 계산한 함수이고, CCDF는 수학식 2와 같이 히스토그램을 내림 차순(Decreasing order)으로 계산한 함수이다.

여기서, Hist(0) 및 Hist(i)는 계조레벨이 0, i인 히스토그램이다.

도 3에서 빗금친 에리어는 수학식 3과 같이 계산될 수 있다.

여기서, M과 N은 1 프레임 분량의 입력 이미지에 포함된 가로행의 픽셀 데이터 개수와 세로행의 픽셀 데이터 개수를 나타낸다. i와 k는 시그마 계산을 위한 임의 매개 변수이다. Hist(k)는 계조(k)에 따른 픽셀 데이터의 분포를 나타내는 히스토그램이다. 따라서, CDF(MIL)은 항상 M×N이고, 에리어는 글로벌 백라이트 디밍시에 계조 왜곡 정도를 나타내는 척도이다. CDF에서 계조 레벨의 왜곡은 MLD 이상의 픽셀 데이터들이다. 계조 레벨이 왜곡되는 픽셀 데이터들만 고려하면, CCDF(도 4)를 기반으로 계조 레벨이 왜곡되는 픽셀 데이터들의 범위에 해당하는 에리어를 CDF보다 더 낮은 복잡도로 계산할 수 있다. 이를 수식으로 표현하면 수학식 4와 같다.

본 발명은 다양한 테스트 이미지 샘플들에 대하여 화질 지표가 일정 수준을 유지하는 값을 만족하는 MLD를 실험적으로 도출한다. 본원의 발명자들은 다양한 화질 지표들 중에서 신호 대 잡음비(Peak Signal-to-noise Ratio, 이하 "PSNR"이라 함)를 선택하고, 다양한 테스트 이미지 샘플들에 대하여 목표 PSNR(Target PSNR) 40dB를 만족하는 MLD를 실험적으로 도출하였다. 이를 상세히 하면, MLD 값이 작을수록 이미지의 계조 레벨 왜곡 정도가 커진다. 본원의 발명자들은 다양한 테스트 이미지 각각에 대하여 평균 에러(Mean square error, MSE)로 왜곡 정도를 계산하고 그에 따른 PSNR의 변화를 분석하였다. MLD값을 최초 MIL 즉, 255 에서 시작하여 그 값을 점진적으로 감소시키면서 왜곡 즉, MSE가 커지고 왜곡이 심해질수록 PSNR이 작아지게 된다. 결국, 본원 발명자들은 다양한 테스트 이미지 각각에 대하여 실험적으로 계산된 PSNR이 목표 PNSR 40dB 보다 작아지기 시작할 때의 MLD를 백라이트의 최대 휘도를 제한하는 최종 MLD값으로 결정한다. 수학식 5 및 6은 MSE와 PSNR을 나타낸다.

여기서, N은 이미지 전체의 픽셀 데이터 개수, x는 랜덤 변수, y는 추정값(Estimate)이다.

본 발명은 위와 같은 계산량을 줄이기 위하여, MLD 값의 변화에 따른 PSNR을 실시간으로 계산하는 것이 아니라, 입력 이미지에 대하여 CDF 또는 CCDF 기반으로 에리어를 계산하고, 계산된 에리어를 미리 구현한 룩업 테이블(Look-up table)에 등재된 문턱값과 비교하여 최종 MLD 값을 결정한다. 문턱값은 다양한 테스트 이미지들에 대하여 목표 PSNR을 만족하는 에리어 값으로부터 결정될 수 있다.

도 5는 다양한 테스트 이미지들에 대한 목표 PSNR을 만족하는 에리어의 문턱값을 보여 주는 그래프이다.

도 5를 참조하면, 본 발명은 다양한 이미지 특성을 갖는 100 개의 테스트 이미지들 각각에 대하여 목표 PSNR 40dB를 만족하는 MLD 값을 실험적으로 도출한다. 본 발명은 수학식 3 또는 4에 근거하여 목표 PSNR 40 dB를 만족하는 CDF 또는 CCDF의 에리어를 계산하고 그 에리어 값을 MLD 값과 매칭(Matching) 시켜 에리어 문턱값의 특성 곡선을 도출한다. 도 5에서, "×"는 테스트 이미지들 각각에서 목표 PSNR 40dB를 만족하는 에리어 값과 MLD 값이 교차하는 교점들을 나타낸다. 그리고 본 발명은 에리어 문턱값의 특성 곡선을 룩업 테이블로 구현한다. 이 룩업 테이블은 입력 이미지의 에리어 값이 문턱값과 커지기 시작할 때 그 직전의 에리어값과 매칭되는 MLD 값을 출력한다. 룩업 테이블에 설정된 에리어 문턱값은 일정 수준의 화질을 보장하기 위한 기준값으로서, 최종 MLD 값을 결정한다. 따라서, 본 발명은 임의의 이미지가 입력되면 그 이미지의 클리핑 후보값(MLD_i)을 변화시켜 가면서 에리어를 계산하고 계산된 에리어를 룩업 테이블의 에리어 문턱값과 비교하여, 그 문턱값보다 입력 이미지로부터 계산된 에리어가 클 때 그 직전의 MLD 값을 바탕으로 하여 최종 MLD 값을 결정한다. 여기서, MLD_i는 도 4에서 x축의 계조 레벨에 매칭되는 클리핑 후보값으로서, MLDi = MIL-MLD 이다. 따라서, MLD는 어떠한 이미지 특성에서도 원하는 화질 지표 수준 예를 들어, 목표 PSNR을 만족하도록 입력 이미지 특성에 따라 동적으로 조절된다.

도 5에서 MLD(x)에 따른 에리어 문턱값의 특성 곡선은 약간의 오차가 있을 수 있지만

으로 표현될 수 있다. 도 5의 특성 곡선은 100 개의 테스트 이미지들 각각에 대하여 목표 PSNR 40 dB를 만족하는 에리어 값과, 그와 매칭되는 MLD 값을 계산하고 그 결과들을 근사화 방법으로 도출되었다. 원하는 화질 지표 수준을 다르게 설정하면, 예컨대, 목표 PSNR값을 다르게 설정하면 에리어 문턱값이 변경된 목표 PSNR에 따라 조정된다.

본 발명은 CCDF 기반으로 에리어를 계산하는 경우에, MLD_i의 초기값을 '0'으로 설정하고 그 때의 에리어 값을 계산하고 그 에리어값을 MLD 값이 MIL 즉, 255일 때의 에리어 문턱값과 비교하기 시작한다. MLD_i는 255-MLD이므로 MLD_i가 0이면 MLD는 255이다. 본 발명은 도 8과 같이 입력 이미지로부터 구해낸 에리어값이 룩업 테이블의 에리어 문턱값보다 작으면 MLD_i 값을 1씩 증가시켜 동일한 과정을 반복하게 되고 입력 이미지의 에리어 값이 룩업 테이블의 에리어 문턱값보다 커지기 시작할 때까지 위 과정을 반복하여 최종 MLD 값을 결정한다. 최종 MLD 값은 룩업 테이블에 미리 등재된 에리어 문턱값의 MLD값과 동일한 값으로 선택된다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치를 나타낸다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 액정표시장치는 액정표시패널(10), 액정표시패널(10)의 데이터라인들(14)을 구동하기 위한 소스 구동부(12), 액정표시패널(10)의 게이트라인들(15)을 구동하기 위한 게이트 구동부(13), 소스 구동부(12)와 게이트 구동부(13)를 제어하는 타이밍 콘트롤러(11), 액정표시패널(10)에 빛을 조사하는 백라이트 유닛(20), 백라이트 유닛(20)의 광원들을 구동하기 위한 광원 구동부(21), 및 글로벌 디밍을 제어하기 위한 디밍 제어부(100)를 구비한다.

액정표시패널(10)은 두 장의 유리기판 사이에 액정층이 형성된다. 액정표시패널(10)의 하부 유리기판은 다수의 데이터라인들(14), 데이터라인들(14)과 교차되는 다수의 게이트라인들(15), 데이터라인들(14)과 게이트라인들(15)의 교차부에 형성된 TFT들, TFT들에 1 : 1로 접속된 화소전극, 및 스토리지 커패시터(Storage Capacitor, Cst) 등을 포함한다. 데이터라인들(14)과 게이트라인들(15)의 교차 구조에 의해 액정표시패널(10)에는 픽셀들이 매트릭스 형태로 배치된다.

액정표시패널(10)의 상부 유리기판은 블랙매트릭스, 컬러필터 및 공통전극 등을 포함한다. 공통전극은 TN(Twisted Nematic) 모드와 VA(Vertical Alignment) 모드와 같은 수직전계 구동방식에서 상부 유리기판 상에 형성되며, IPS(In Plane Switching) 모드와 FFS(Fringe Field Switching) 모드와 같은 수평전계 구동방식에서 화소전극과 함께 하부 유리기판 상에 형성된다. 액정표시패널(10)의 상부 유리기판과 하부 유리기판 각각에는 편광판이 부착되고 액정과 접하는 내면에 액정의 프리틸트각을 설정하기 위한 배향막이 형성된다.

타이밍 콘트롤러(11)는 외부의 시스템 보드로부터 타이밍신호들(Vsync, Hsync, DE, DCLK)과, 입력 이미지의 디지털 비디오 데이터(RGB)를 입력 받는다. 타이밍신호들(Vsync, Hsync, DE, DCLK)은 수직 동기신호(Vsync), 수평 동기신호(Hsync), 데이터 인에이블신호(DE), 도트 클럭신호(DCLK) 등을 포함한다. 타이밍 콘트롤러(11)는 외부 시스템 보드로부터의 타이밍신호들(Vsync, Hsync, DE, DCLK)에 기초하여 소스 구동부(12)와 게이트 구동부(13)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 타이밍 제어신호들(DDC, GDC)을 발생한다. 시스템 보드 또는 타이밍 콘트롤러(11)는 60Hz의 프레임 주파수로 입력되는 입력 영상 신호의 프레임들 사이에 보간 프레임을 삽입하고 소스 타이밍 제어신호(DDC)와 게이트 타이밍 제어신호(GDC)를 체배하여 60×N(N은 2 이상의 양의 정수)Hz의 프레임 주파수로 소스 구동부(12)와 게이트 구동부(13)의 동작을 제어할 수 있다.

타이밍 콘트롤러(11)는 외부의 시스템 보드로부터 입력되는 입력 이미지의 디지털 비디오 데이터(RGB)를 디밍 제어부(100)에 공급하고, 로컬 디밍 제어부(100)에 의해 변조된 디지털 비디오 데이터들(R'G'B')을 소스 구동부(12)로 전달한다.

소스 구동부(12)는 타이밍 콘트롤러(11)의 제어 하에 디지털 비디오 데이터(R'G'B')를 래치한다. 그리고 소스 구동부(12)는 정극성/부극성 감마보상전압을 이용하여 디지털 비디오 데이터(R'G'B')를 정극성/부극성 아날로그 데이터전압으로 변환하여 데이터라인들(14)에 공급한다.

게이트 구동부(13)는 데이터가 기입될 픽셀들을 선택하기 위한 게이트펄스(또는 스캔펄스들)을 순차적으로 출력한다. 게이트 펄스는 데이터라인들(14)에 공급되는 데이터전압에 동기되어 게이트라인들(15)에 순차적으로 공급된다.

백라이트 유닛(20)은 액정표시패널(10)의 아래에 배치되어 액정표시패널(10)에 백라이트를 조사한다. 백라이트 유닛(20)은 다수의 광원들을 포함하고, 직하형(direct type) 백라이트 유닛 또는, 에지형(edge type) 백라이트 유닛으로 구현될 수 있다. 백라이트 유닛(20)의 광원은 HCFL(Hot Cathode Fluorescent Lamp), CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp), EEFL(External Electrode Fluorescent Lamp), LED(Light Emitting Diode) 중 어느 하나 또는 두 종류 이상의 광원을 포함할 수 있다.

광원 구동부(21)는 디밍 제어부(100)로부터 입력되는 디밍값(DIM)에 따라 듀티비가 가변되는 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM)로 백라이트 유닛(20)의 광원들의 휘도를 제어한다. 펄스폭 변조 신호(PWM)는 광원들의 점등 및 소등의 비율을 제어하며, 그 듀티비(duty ratio %)는 디밍 제어부(100)로부터 입력되는 디밍값(DIM)에 따라 결정된다.

디밍 제어부(100)는 입력 이미지의 디지털 비디오 데이터들(RGB) 즉, 픽셀 데이터를 입력받아, 그 입력 이미지의 히스토그램을 계산하고 수학식 1 또는 2에 기초하여 CDF 또는 CCDF를 계산한다. 그리고 디밍 제어부(100)는 CDF 또는 CCDF에 기반하여 입력 이미지의 에리어를 계산하고 그 에리어값을 룩업 테이블에 미리 설정된 에리어 문턱값과 비교하여 일정 수준 이상의 화질 지표를 만족하는 최종 MLD 값을 결정한다. 그리고 디밍 제어부(100)는 최종 MLD값 이하로 백라이트 휘도를 제어하기 위한 디밍값(DIM)을 생성한다. 또한, 디밍 제어부(100)는 백라이트 휘도 저하에 따른 액정표시패널(20)의 투과율을 보상하기 위하여 입력 이미지의 픽셀 데이터를 미리 설정된 보상 알고리즘으로 보상하여 변조 데이터(R'G'B')를 생성하고, 그 데이터(R'G'B')를 타이밍 콘트롤러(11)에 공급한다. 디밍 제어부(100)는 타이밍 콘트롤러(11)에 내장될 수 있다.

도 7은 디밍 제어부(100)를 상세히 나타내는 블록도이다.

도 7을 참조하면, 디밍 제어부(100)는 MLD 결정부(101), 백라이트 휘도 제어부(103), 및 이미지 보상부(102)를 구비한다.

MLD 결정부(101)는 입력 이미지의 픽셀 데이터들(RGB)을 입력받는다. 그리고 MLD 결정부(101)는 입력 이미지의 히스토그램을 계산하고, 그 히스토그램의 CDF 또는 CCDF를 바탕으로 하여 MLD_i를 증가시키면서 에리어를 계산하고 그 에리어값을 룩업 테이블에 미리 설정된 에리어 문턱값과 비교하여 일정 수준 이상의 화질 지표를 만족하는 최종 MLD 값을 결정한다.

백라이트 휘도 제어부(103)는 백라이트 구동부(21)를 제어하여 최종 MLD값의 클립트 포인트를 K라 할 때 백라이트 휘도를 K/MIL(=255) 만큼 낮춘다. 이미지 보상부(102)는 입력 이미지의 픽셀 데이터들(RGB)을 MIL(=255)/K 만큼 높여 백라이트 휘도 저하를 액정표시패널(10)의 투과율 상승으로 보상한다.

도 8은 MLD 결정 방법을 상세히 설명하는 흐름도이다. MLD 결정부(101)는 도 8의 MLD 결정 방법 제어 수순을 따라 최종 MLD를 결정한다.

도 8을 참조하면, 입력 이미지의 픽셀 데이터들이 MLD 결정부(101)에 입력되면, MLD 결정부(101)는 클리핑 후보값(MLD_i)과 에리어값을 0으로 초기화하여 CCDF 기반으로 입력 이미지의 에리어 값을 계산하고(Area = Area + CCDF(MLD_i)), MLD 값이 MIL(=255)일 때의 에리어 문턱값과 비교한다.(S4) MLD 결정부(101)는 MLD_i 값을 룩업 테이블에 x값(=MLD) 어드레스로 입력하여 에리어 문턱값을 도출할 수 있다. MLD 결정부(101)는 입력 이미지로부터 계산된 에리어값이 룩업 테이블에 등재된 에리어 문턱값보다 커질 때까지 MLD_i 값을 1씩 증가(MLD_i = MLD_i + 1)시키면서 S2에서 S4까지의 과정을 반복한다. MLD 결정부(101)는 입력 이미지로부터 계산된 에리어값이 에리어 문턱값보다 커질 때, MIL에서 MLD_i 값 이전의 MLD_i값(MLD_i-1)을 뺀 값으로 최종 MLD 값을 결정한다(S5).

MLD 결정부(101)는 CDF 기반으로 입력 이미지의 에리어값을 계산할 수 있다. 이 경우, 에리어 값과 MLD_i의 초기값은 MIL(=255)로 설정되고, MIL_i는 1씩 감소되면서 에리어 문턱값과 비교된다. MLD 결정부(101)는 CDF 기반으로 계산된 에리어 값이 룩업 테이블의 에리어 문턱값보다 작아지기 시작할 때, MIL에서 MLD_i 값 이전의 MLD_i값(MLD_i+1)을 뺀 값으로 최종 MLD 값을 결정한다.

도 9 및 도 10은 본 발명의 효과를 검증하기 위한 실험에 사용된 이미지들을 나타내는 도면이다. 실험에서 사용된 액정표시장치는 LG Display(구 LG. Philips LCD)의 CCFL 투과형 TFT-LCD LP064V1이며 그 소비전력을 측정하기 위한 파워 모델은 A. Iranli, H. Fatemi, and M. Pedram, “HEBS: Histogram Equalization for Backlight Scaling,” Proceedings of the conference on Design, Automation and Test in Europe, pp.346-351, March 2005 에서 제안된 파워 모델이 사용되었다.

도 9에서, (a)는 원본 이미지(original image)이다. (b)는 기존의 글로벌 백라이트 디밍 방법에서 clipped rate = 5%로 백라이트 휘도를 낮춘 경우의 이미지로서, PSNR과 소비전력은 각각 PSNR = 35.4194 dB, power = 0.3292 W 이다. (c)는 기존의 글로벌 백라이트 디밍 방법에서 clipped rate = 10%로 백라이트 휘도를 낮춘 경우의 이미지로서, PSNR과 소비전력은 각각 PSNR = 31.4889 dB, power = 0.264 W 이다. (d)는 기존의 글로벌 백라이트 디밍 방법에서 clipped rate = 20%로 백라이트 휘도를 낮춘 경우의 이미지로서, PSNR과 소비전력은 각각 PSNR = 27.7165 dB, power = 0.215 W 이다. (e)는 본 발명의 글로벌 디밍 방법에서 입력 이미지의 에리어값으로부터 동적으로 결정되는 MLD 값으로 백라이트 휘도를 낮춘 경우의 이미지로서, PSNR과 소비전력은 각각 PSNR = 39.6136 dB, power = 0.4215 W 이다.

도 10에서, (a)는 원본 이미지이다. (b)는 기존의 글로벌 백라이트 디밍 방법에서 clipped rate = 5%로 백라이트 휘도를 낮춘 경우의 이미지로서, PSNR과 소비전력은 각각 PSNR = 51.4942 dB, power = 2.3365 W 이다. (c)는 기존의 글로벌 백라이트 디밍 방법에서 clipped rate = 10%로 백라이트 휘도를 낮춘 경우의 이미지로서, PSNR과 소비전력은 각각 PSNR = 44.8729 dB, power = 2.1064 W 이다. (d)는 기존의 글로벌 백라이트 디밍 방법에서 clipped rate = 20%로 백라이트 휘도를 낮춘 경우의 이미지로서, PSNR과 소비전력은 각각 PSNR = 36.3733 dB, power = 1.6199 W 이다. (e)는 본 발명의 글로벌 디밍 방법에서 입력 이미지의 에리어값으로부터 동적으로 결정되는 MLD 값으로 백라이트 휘도를 낮춘 경우의 이미지로서, PSNR과 소비전력은 각각 PSNR = 41.1923 dB, power = 1.9264 W 이다.

도 11 및 도 12는 기존의 글로벌 백라이트 디밍 방법과 본 발명의 비교 실험에서 PSNR과 소비전력의 측정치를 보여 주는 도면들이다.

도 11 및 도 12에서 사용된 액정표시장치와 파워 모델은 도 9 및 도 10의 실험에서 사용된 그것들과 동일하다. 도 11의 실험에서 사용된 영상은 640×480 크기의 4000개의 테스트 이미지들(BBC JAPAN)이 사용되었다.

도 11 및 도 12에서, CR은 Clipped rate이고, CR = 0.05, 0.1, 0.2 각각은 클립트 레이트가 전체 픽셀 데이터 개수의 5%, 10%, 20%인 경우를 나타낸다. 도 12에서 Std는 "standard deviation"으로서 평균값(mean)으로 벗어난 정도를 보여준다. 도 11 및 도 12에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 클립트 레이트가 고정된 기존의 글로벌 백라이트 디밍 방법에 비하여 PSNR을 일정 수준으로 유지하고 소비전력도 비교적 낮은 수준을 유지하였다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

10 : 액정표시패널 11 : 타이밍 콘트롤러
12 : 소스 구동부 13 : 게이트 구동부
20 : 백라이트 유닛 21 : 광원 구동부
100 : 디밍 제어부 101 : MLD 결정부
102 : 이미지 보상부 103 : 백라이트 휘도 제어부

Claims (8)

1. (a) 입력 이미지의 히스토그램을 계산하는 단계;
   (b) 상기 히스토그램의 누적 분포 함수(CDF) 또는 상보 누적 분포 함수(CCDF)를 계산하고, 상기 누적 분포 함수 또는 상기 상보 누적 분포 함수의 계조 레벨에 매칭되는 클리핑 후보값을 조정하면서 상기 누적 분포 함수 또는 상기 상보 누적 분포 함수에서 글로벌 백라이트 디밍시에 계조가 왜곡되는 픽셀 데이터들을 정의하는 에리어값을 계산하는 단계;
   (c) 상기 에리어값을 룩업 테이블에 미리 설정된 에리어 문턱값과 비교하고, 상기 에리어 문턱값과 실질적으로 동일한 상기 에리어값에 대응하는 계조 레벨에 기초하여 동적 클리핑 포인트를 결정하는 단계;
   (d) 액정표시패널에 조명되는 백라이트 휘도를 상기 동적 클리핑 포인트 이하로 제한하는 단계; 및
   (e) 상기 액정표시패널에 표시될 픽셀 데이터를 변조하여 상기 액정표시패널의 투과율을 높여 상기 백라이트 휘도의 저하를 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 글로벌 백라이트 디밍 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 (b) 단계는,
   상기 히스토그램의 상보 누적 분포 함수를 계산하고, 상기 상보 누적 분포 함수의 클리핑 후보값을 점진적으로 증가시켜 상기 에리어값을 증가시키는 것을 특징으로 하는 글로벌 백라이트 디밍 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 (c) 단계는,
   상기 에리어값이 상기 에리어 문턱값보다 커질 때까지 에리어값과 상기 에리어 문턱값을 비교하는 단계; 및
   상기 에리어값이 상기 에리어 문턱값보다 커질 때 현재까지 누적된 상기 클리핑 후보값을 이용하여 상기 동적 클리핑 포인트를 결정하는 단계를 포함하고,
   상기 클리핑 후보값을 MLD_i이라 하고, 상기 입력 이미지의 최대 계조 레벨을 MIL이라 할 때, 상기 동적 클리핑 포인트 MLD는,
   MLD = MIL - (MLD_i - 1)인 것을 특징으로 하는 글로벌 백라이트 디밍 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 에리어 문턱값은 다양한 테스트 이미지들에서 일정한 수준의 화질 지표를 만족하는 클리핑 포인트값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 글로벌 백라이트 디밍 방법.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 에리어 문턱값은 다양한 테스트 이미지들에서 신호 대 잡음비(PSNR) 40dB를 만족하는 클리핑 포인트값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 글로벌 백라이트 디밍 방법.
6. 액정표시패널;
   상기 액정표시패널에 백라이트를 조명하는 백라이트 유닛; 및
   상기 액정표시패널의 화질이 일정 수준으로 유지하면서 상기 백라이트 유닛의 휘도를 낮추는 디밍 제어부를 구비하고,
   상기 디밍 제어부는,
   입력 이미지의 히스토그램을 계산하고, 상기 히스토그램의 누적 분포 함수(CDF) 또는 상보 누적 분포 함수(CCDF)를 계산하고, 상기 누적 분포 함수 또는 상기 상보 누적 분포 함수의 계조 레벨에 매칭되는 클리핑 후보값을 조정하면서 상기 누적 분포 함수 또는 상기 상보 누적 분포 함수에서 글로벌 백라이트 디밍시에 계조가 왜곡되는 픽셀 데이터들을 정의하는 에리어값을 계산하며,
   상기 에리어값을 룩업 테이블에 미리 설정된 에리어 문턱값과 비교하고, 상기 에리어 문턱값과 실질적으로 동일한 상기 에리어값에 대응하는 계조 레벨에 기초하여 동적 클리핑 포인트를 결정하여 상기 동적 클리핑 포인트 이하로 상기 백라이트 휘도를 제한하고,
   상기 액정표시패널에 표시될 픽셀 데이터를 변조하여 상기 액정표시패널의 투과율을 높여 상기 백라이트 휘도의 저하를 보상하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 디밍 제어부는,
   상기 히스토그램의 상보 누적 분포 함수를 계산하고, 상기 상보 누적 분포 함수의 클리핑 후보값을 점진적으로 증가시켜 상기 에리어값을 증가시키는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 디밍 제어부는,
   상기 에리어값이 상기 에리어 문턱값보다 커질 때까지 에리어값과 상기 에리어 문턱값을 비교하고,
   상기 에리어값이 상기 에리어 문턱값보다 커질 때 현재까지 누적된 상기 클리핑 후보값을 이용하여 상기 동적 클리핑 포인트를 결정하는 단계를 포함하고,
   상기 클리핑 후보값을 MLD_i이라 하고, 상기 입력 이미지의 최대 계조 레벨을 MIL이라 할 때, 상기 동적 클리핑 포인트 MLD는,
   MLD = MIL - (MLD_i - 1)인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.

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