KR102255590B1

KR102255590B1 - 표시장치의 동적 범위 확장 방법 및 장치

Info

Publication number: KR102255590B1
Application number: KR1020140155677A
Authority: KR
Inventors: 권경준
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2014-11-10
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2021-05-26
Also published as: CN105590597B; US20160132999A1; US9489725B2; KR20160055629A; CN105590597A

Abstract

본 발명은 표시장치의 동적 범위 확장 방법 및 장치에 관한 것이다. 이 동적 범위 확장 장치는 RGBW 데이터가 기입되는 표시패널, 상기 표시패널의 화면을 다수의 로컬 영역으로 분할하여 바이래터럴 필터를 이용하여 입력 이미지의 데이터를 상기 로컬 영역으로 나뉘어진 로컬 적응 레벨을 계산하는 적응 레벨 계산부, 상위 계조와 하위 계조에서 상기 로컬 적응 레벨을 변조하여 변조된 로컬 적응 레벨에 의해 입력 계조와 출력 계조가 같은 기준 직선과의 교차점이 정해지는 전달 커브를 생성하는 전달 커브 생성부, 상기 전달 커브를 바탕으로 상기 입력 이미지의 RGB 데이터를 변조하는 데이터 스트레칭부, 데이터 스트레칭된 RGB 데이터를 상기 RGBW 데이터로 변환하는 RGBW 변환부, 및 상기 RGBW 데이터를 감마보정하여 상기 표시패널의 픽셀들에 기입하는 표시패널 구동부를 포함한다.

Description

표시장치의 동적 범위 확장 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR EXPANDING A DYNAMIC RANGE OF DISPLAY DEVICE}

본 발명은 RGBW 타입 픽셀 어레이를 이용하여 고 동적 범위(High Dynamic Range, 이하 "HDR"이라 함)를 실현한 표시장치의 동적 범위 확장 방법 및 장치에 관한 것이다.

액티브 매트릭스(Active Matrix) 타입의 액정표시장치는 스위칭 소자로서 박막트랜지스터(Thin Film Transistor : 이하 "TFT"라 함)를 이용하여 영상을 표시하고 있다. 액정표시장치는 표시패널과, 표시패널에 빛을 조사하는 백라이트 유닛(Back Light Unit)을 포함한다.

사람이 실제 장면(real scene)을 보는 느낌으로 표시장치에서 재현되는 이미지를 볼 수 있게 하는 HDR 표시장치에 대한 요구가 증가하고 있는 상황이다. HDR 표시장치는 수천 nits 수준의 광 조사(irradiation)를 표현할 수 있는 표시장치의 물리적 능력(capability)이 확보되어야 하며, 기존의 저 동적 범위(Low Dynamic Range, 이하 "LDR"이라 함) 콘텐츠(contents)를 HDR 표시장치에 맞게 변환하는 기술이 필요하다. 이러한 HDR 디스플레이에 대한 많은 연구가 있으나 상용화 수준의 기술이 아직 알려진 바 없다.

일 예로, 액정표시장치를 기반으로 고 동적 범위(High Dynamic Range, 이하 "HDR"라 함) 표시장치를 구현하려는 연구가 있으나 상용화되지 못하였다. 일 예로, 미국 특허 공개 2011/0279749 A1(2011. 11. 17.)에는 백라이트 유닛 위에 두 매의 액정패널을 적층하고 그 중 하나를 이미지를 표시하는 패널로 이용하고, 다른 하나의 패널을 국부적인 밝기 제어를 위한 디밍 패널로 이용하여 고 동적 범위를 도모한 기술이 제안된 바 있다. 그러나 이 기술은 액정패널을 두 매 사용하므로 비용과 두께 문제가 있을 뿐 아니라 밝은 영상의 밝기를 높이는 것이 아니라 어두운 이미지를 더 어둡게 하는 방법으로 콘트라스트를 높이기 때문에 진정한 의미의 HDR 표시장치를 실현할 수 없다.

단순한 로컬 디밍 방법(Local dimming method)으로 콘트라스트를 개선하는 방법은 휘도 특성이 선형적으로 증가하여 원치 않게 중간 계조의 휘도를 상승시킬 수 있다. 이로 인하여, 로컬 디밍 방법만으로 콘트라스트를 개선하면 관찰자는밝은 영상에서 눈부심을 느낄 수 있다.

본 발명은 저비용으로 HDR 표시장치를 구현할 수 있는 표시장치의 동적 범위 확장 방법 및 장치을 제공한다.

본 발명의 표시장치는 픽셀들이 적색, 녹색, 청색 및 백색 서브 픽셀로 나뉘어지는 RGBW 데이터가 기입되는 표시패널, 상기 표시패널의 화면을 다수의 로컬 영역으로 분할하여 바이래터럴 필터를 이용하여 입력 이미지의 데이터를 로컬 영역별로 나뉘어진 로컬 적응 레벨을 계산하는 적응 레벨 계산부, 상위 계조와 하위 계조에서 상기 로컬 적응 레벨을 변조하여 변조된 로컬 적응 레벨에 의해 입력 계조와 출력 계조가 같은 기준 직선과의 교차점이 정해지는 전달 커브를 생성하는 전달 커브 생성부, 상기 전달 커브를 바탕으로 상기 입력 이미지의 RGB 데이터를 변조하는 데이터 스트레칭부, 데이터 스트레칭된 RGB 데이터를 상기 RGBW 데이터로 변환하는 RGBW 변환부, 및 상기 RGBW 데이터를 감마보정하여 상기 표시패널의 픽셀들에 기입하는 표시패널 구동부를 포함한다.

상기 표시장치는 상기 표시패널에 빛을 조사하는 백라이트 유닛; 상기 표시패널의 화면을 다수의 로컬 디밍 블록으로 분할할 때 디밍 신호에 따라 상기 로컬 디밍 블록별로 백색광 밝기를 조절하는 광원 구동부; 상위 계조의 데이터 스트레칭이 발생된 로컬 디밍 블록에서 상기 백색광의 휘도를 낮추고, 상기 하위 계조의 데이터 스트레칭이 발생된 로컬 디밍 블록에서 상기 백색광의 휘도를 높이기 위한 제1 디밍값을 생성하는 제1 디밍값 생성부; 상기 RGBW 데이터의 W 데이터를 미리 설정된 문턱값과 비교하여 상기 문턱값 보다 높은 W 데이터를 검출하는 광조사 판정부; 상기 W 데이터가 높은 픽셀들이 많은 로컬 디밍 블록에서 상기 백색광의 밝기를 높이기 위한 제2 디밍값을 생성하는 제2 디밍값 생성부; 및 상기 제1 및 제2 디밍값을 곱하여 최종 디밍값을 생성하고 상기 최종 디밍값을 바탕으로 상기 디밍 신호를 발생하는 최종 디밍값 생성부를 더 포함한다.

상기 전달 커브는 상기 교차점 아래 위치하는 오목한 커브와 상기 교차점 위에 위치하는 볼록 커브로 나뉘어진다.

상기 변조된 로컬 적응 레벨은 중간 계조로부터 멀어질수록 상기 로컬 적응 레벨과의 거리가 멀어져 상위 계조와 하위 계조에서 데이터 스트레칭 강도를 강하게 한다.

상기 표시장치의 동적 범위 확장 방법은 상기 표시패널의 화면을 다수의 로컬 영역으로 분할하여 바이래터럴 필터를 이용하여 입력 이미지의 데이터를 상기 로컬 영역으로 나뉘어진 로컬 적응 레벨을 계산하는 단계, 상위 계조와 하위 계조에서 상기 로컬 적응 레벨을 변조하여 변조된 로컬 적응 레벨에 의해 입력 계조와 출력 계조가 같은 기준 직선과의 교차점이 정해지는 전달 커브를 생성하는 단계, 상기 전달 커브를 바탕으로 상기 입력 이미지의 RGB 데이터를 변조하여 데이터 스트레칭을 실시는 단계, 데이터 스트레칭된 RGB 데이터를 상기 RGBW 데이터로 변환하는 단계, 및 상기 RGBW 데이터를 감마보정하여 상기 표시패널의 픽셀들에 기입하는 단계를 포함한다.

상기 표시장치의 동적 범위 확장 장치는 상기 적응 레벨 계산부, 상기 전달 커브 생성부, 상기 데이터 스트레칭부, 및 상기 RGBW 변환부를 포함한다.

상기 표시장치의 동적 범위 확장 장치는 상기 표시패널의 화면을 다수의 로컬 디밍 블록으로 분할할 때 디밍 신호에 따라 상기 로컬 디밍 블록별로 상기 표시패널에 빛을 조사하는 백라이트의 백색광밝기를 조절하는 로컬 디밍 장치를 더 포함한다.

상기 로컬 디밍 장치는 상기 제1 디밍값 생성부, 상기 광조사 판정부, 상기 제2 디밍값 생성부, 및 상기 최종 디밍값 생성부를 포함한다.

본 발명은 RGBW 타입 표시장치를 이용하여 저비용으로 HDR 표시장치의 물리적 능력을 확보하고 데이터 스트레칭 방법과 백라이트의 로컬 디밍 방법을 HDR 이미지에 맞게 최적화한다. 그 결과, 본 발명은 저비용으로 HDR 표시장치를 구현할 수 있음은 물론 소비 전력을 저감할 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 동적 범위에서 상위 계조와 하위 계조의 데이터 스트레칭 비율을 높이고 RGBW 변환 후의 백색 데이터 분석을 통해 입력 이미지의 광 조사 영역을 분석하여 로컬 디밍을 최적화함으로써 백라이트의 평균 소비전력을 약 60% 정도 저감할 수 있다(IEC62087 기준).

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 표시장치를 보여 주는 블록도이다.
도 2는 픽셀 어레이의 컬러 배치를 보여 주는 도면이다.
도 3은 표시장치의 동적 범위 확장 장치를 보여 주는 블록도이다.
도 4는 로컬 블록별 평균 휘도를 보여 주는 도면이다.
도 5는 로컬 영역별 적응 레벨을 보여 주는 도면이다.
도 6 내지 도 10은 로컬 영역별 적응 레벨에 따라 가변되는 전달 커브들을 보여 주는 도면들이다.
도 11은 데이터 스트레칭 전후 이미지를 비교한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 로컬 디밍 방법을 보여 주는 도면이다.
도 13은 데이터 스트레칭 전 LDR 입력 이미지와, 데이터 스트레칭을 적용하고 로컬 디밍을 적용한 이미지를 비교하여 보여 주는 도면이다.

본 발명의 표시장치는 백색광을 조사하는 백색 서브 픽셀(이하 "W 서브 픽셀"이라 함)을 가지는 평판 표시장치 예를 들면, RGBW 타입의 액정표시장치로 구현될 수 있다.

본 발명은 RGBW 타입의 액정표시장치를 활용하여 밝은 이미지를 더 밝게 표현하여 상위 동적 범위(upper dynamic range)를 확장한다. 본 발명은 픽셀 데이터의 감마 특성을 조절하는 전달 함수 커브를 입력 이미지에 따라 로컬 영역(local area) 단위로 조절하여 로컬 영역의 콘트라스트(contrast)를 확장하고 이를 백라이트의 로컬 디밍 방법과 연계한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소자들을 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.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 표시장치는 표시패널(10), 표시패널 구동부, 백라이트 유닛(200), 광원 구동부(202) 등을 포함한다.

표시패널(10)의 픽셀 어레이는 데이터라인들(DL), 데이터라인들(DL)과 교차되는 게이트라인들(또는 스캔라인들, GL), 및 매트릭스 형태로 배치된 픽셀들을 포함하여 입력 이미지를 표시한다. 픽셀들 각각은 도 2와 같이 적색(R) 서브 픽셀, 녹색(G) 서브 픽셀, 청색(B) 서브 픽셀 및 백색(W) 서브 픽셀로 나뉘어진다. W 서브 픽셀에는 컬러 필터가 없다. R 서브 픽셀에는 R 데이터가 기입되고, G 서브 픽셀에는 G 데이터가 기입된다. B 서브 픽셀에는 B 데이터가 기입된다. W 서브 픽셀에는 W 데이터가 기입된다. 서브 픽셀들 각각은 액정셀(Clc), 스토리지 커패시터(Cst), TFT(Thin Film Transistor) 등을 포함한다. 액정셀은 TFT를 통해 데이터 전압이 인가되는 픽셀전극(1)과, 공통전압이 인가되는 공통전극(2) 간의 전계에 의해 구동되는 액정분자들을 이용하여 광의 위상을 지연시켜 데이터에 따라 투과율을 조정한다. 스토리지 커패시터는 액정셀의 전압을 1 프레임 기간 동안 유지시킨다. TFT는 게이트라인(GL)으로부터의 게이트펄스에 따라 턴-온(turn-on)되어 데이터라인(DL)으로부터의 데이터전압을 액정셀의 픽셀전극에 공급한다.

표시패널(10)는 TN(Twisted Nematic) 모드, VA(Vertical Alignment) 모드, IPS(In Plane Switching) 모드, FFS(Fringe Field Switching) 등 알려져 있는 어떠한 액정 모드로 구현될 수 있다. 액정표시장치는 투과형 액정표시장치, 반투과형 액정표시장치, 반사형 액정표시장치 등 다양한 형태로 구현될 수 있다. 투과형 액정표시장치나 반투과형 액정표시장치는 백라이트 유닛(200)과 광원 구동부(202)를 포함한다.

백라이트 유닛(200)은 에지형 백라이트 유닛 또는 직하형 백라이트 유닛으로 구현될 수 있다. 백라이트 유닛(200)은 표시패널(10)의 배면 아래에 배치되어 그 표시패널(10)에 빛을 조사한다. 광원 구동부(202)는 백라이트 유닛(200)의 광원들에 전류를 공급하여 그 광원들을 발광시킨다. 광원 구동부(202)는 타이밍 콘트롤러(300)로부터의 디밍 신호(DIM)에 따라 광원들에 인가되는 전류를 조절하여 광원들의 휘도를 조정한다. 디밍 신호(DIM)는 로컬 디밍 블록 단위로 광원들의 휘도를 독립적으로 제어한다. 광원들은 LED(Light Emitting Diode)로 구현될 수 있다.

표시패널 구동부는 표시패널(10)의 픽셀들에 데이터를 기입한다. 표시패널 구동부는 데이터 구동부(12), 게이트 구동부(14), 타이밍 콘트롤러(300) 등을 포하여 후술하는 데이터 스트레칭, RGBW 변환 그리고 감마 보정 과정을 거쳐 생성된 RGBW 데이터를 표시패널의 픽셀들에 기입한다.

데이터 구동부(12)는 타이밍 콘트롤러(300)로부터 입력 이미지의 디지털 비디오 데이터를 아날로그 감마보상전압으로 변환하여 데이터전압들을 발생하고 그 데이터전압을 표시패널(10)의 데이터라인들(DL)에 공급한다. 게이트 구동부(14)는 타이밍 콘트롤러(130)의 제어 하에 데이터라인들(DL)에 공급되는 데이터전압과 동기되는 게이트펄스를 게이트라인들(GL)에 공급하고, 그 게이트펄스를 순차적으로 시프트시킨다.

타이밍 콘트롤러(300)는 호스트 시스템(310)으로부터 수신되는 입력 이미지의 디지털 비디오 데이터를 데이터 구동부(12)로 전송한다. 타이밍 콘트롤러(300)는 화이트 게인 산출 알고리즘을 이용하여 스펙트럼 교환을 바탕으로 입력 영상의 RGB 데이터를 RGBW 데이터로 변환할 수 있다. 화이트 게인 산출 알고리즘은 공지의 어떠한 것도 가능하다. 예컨대, 본원 출원인에 의해 기출원된 대한민국 특허 출원 제10-2005-0039728(2005. 05. 12), 대한민국 특허 출원 제10-2005-0052906(2005. 06. 20), 대한민국 특허 출원 제10-2005-0066429(2007. 07. 21), 대한민국 특허 출원 제10-2006-0011292(2006. 02. 06) 등에서 제안된 화이트 게인 산출 알고리즘들이 적용 가능하다. W 서브 픽셀로부터 발생되는 백색광은 R 파장, G 파장 및 B 파장의 빛을 포함한다. 입력 RGB 데이터가 표시되는 RGB 서브 픽셀들의 빛과, 변환후 RGBW 데이터가 표시되는 RGBW 서브 픽셀들의 빛이 정확히 동일하여야 한다. 스펙트럼 교환 방식은 W 서브 픽셀에서 발생되는 RGB 파장의 광양 만큼 RGB 서브 픽셀들의 RGB 파장의 광양을 줄이기 위하여, W 서브 픽셀에 기입될 W 데이터를 생성하고 RGB 서브 픽셀들에 기입되는 RGB 데이터를 차감한다.

타이밍 콘트롤러(300)는 디지털 비디오 데이터와 동기되어 호스트 시스템(310)으로부터 수신된 수직 동기신호, 수평 동기신호, 데이터 인에이블 신호, 메인 클럭 등의 타이밍신호를 이용하여 데이터 구동부(12)와 게이트 구동부(14)의 동작 타이밍을 제어한다. 타이밍 콘트롤러(300)는 도 2와 같은 동적 범위 확장 장치를 포함한다.

동적 범위 확장 장치는 표시패널(10)의 화면을 다수의 로컬 영역으로 분할하여 로컬 영역 각각에서 HVS(Human visual system)의 로컬 적응 레벨(ALx,y)을 분석한다. 로컬 적응 레벨(ALx,y)은 로컬 영역별로 나뉘어진다. 그리고 동적 범위 확장 장치는 로컬 적응 레벨(ALx,y)의 분석 결과를 바탕으로 전달 커브(transfer curve)를 생성하여 그 전달 커브를 이용하여 데이터를 변조한다. 또한, 타이밍 콘트롤러(300)는 백라이트의 휘도를 제어하기 위한 디밍 신호(DIM)를 발생한다.

호스트 시스템(310)은 TV(Television) 시스템, 셋톱박스, 네비게이션 시스템, DVD 플레이어, 블루레이 플레이어, 개인용 컴퓨터(PC), 홈 시어터 시스템, 폰 시스템(Phone system) 중 어느 하나일 수 있다. 호스트 시스템(310)은 스케일러(scaler)를 이용하여 입력 이미지의 해상도를 표시패널(10)의 해상도에 맞게 변환하여 타이밍 신호와 함께 타이밍 콘트롤러(300)로 전송한다.

RGBW 타입 액정표시장치의 표시패널 투과율은 대략 7%이다. 로컬 디밍이 가능한 백라이트 유닛(200)의 휘도가 14,000 nits일 때, RGB 타입 액정표시장치의 최대 휘도는 1,000 nits 이다. 이에 비하여, RGBW 타입 액정표시장치에서 표시패널(10)의 투과율은 대략 10.5%이다. 로컬 디밍이 가능한 백라이트 유닛(200)의 휘도가 14,000 nits일 때, RGBW 타입 액정표시장치의 최대 휘도는 1,500 nits 이다. 따라서, 본 발명은 추가 액정패널이나 고휘도 백라이트 유닛 필요 없이 RGBW 표시패널을 이용하여 저비용으로 HDR 표시장치의 물리적 능력(capability)을 확보한다.

도 3은 표시장치의 동적 범위 확장 장치를 보여 주는 블록도이다. 도 4는 로컬 블록별 평균 휘도를 보여 주는 도면이다. 도 5는 로컬 영역별 적응 레벨(ALx,y)을 보여 주는 도면이다. 도 6 내지 도 10은 로컬 영역별 적응 레벨에 따라 가변되는 전달 커브들을 보여 주는 도면들이다.

도 3을 참조하면, 동적 범위 확장 장치는 디감마 보정부(101), 적응 레벨 계산부(이하, "AL 계산부"라 함)(102), 전달 커브 생성부(103), 데이터 스트레칭부(104), RGBW 변환부(107), 감마 보정부(110), 스트레칭 판정부(105), 제1 디밍값 생성부(106), 광조사 판정부(108), 제2 디밍값 생성부(109), 및 최종 디밍값 생성부(111)를 포함한다.

디감마 보정부(101)는 입력 이미지의 RGB 데이터를 수신한다. 입력 이미지의 RGB 데이터는 카메라를 통해 감마 보정된 데이터이다. 디감마 보정부(101)는 디지털 신호 처리가 용이하도록 입력 이미지의 데이터를 디감마(De-gamma) 보정한다.

AL 계산부(102)는 픽셀 어레이를 도 4와 같은 다수의 로컬 블록들(BL)로 가상 분할하고 로컬 블록들(BL) 각각의 평균 휘도(Y11~Y56)를 계산한다. 로컬 블록들(BL)은 2×2 픽셀 사이즈 이상의 크기로 설정될 수 있다.

AL 계산부(102)는 도 5와 같이 소정 크기의 로컬 영역(WND)를 설정하고, 로컬 영역들(WND) 각각에서 관찰자가 느끼는 밝기를 정의한 로컬 적응 레벨(ALx,y)을 출력한다. 로컬 영역(WND)은 2×2 로컬 블록 이상 3×3 로컬 블록 사이즈로 설정될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. AL 계산부(102)는 바이래터럴 필터(Bilateral filter)를 이용하여 로컬 적응 레벨(ALx,y)을 쉽게 계산할 수 있다. 바이래터럴 필터는 픽셀(PXL) 주변의 밝기 분포와 유사도(similarity)에 가중치를 설정하여 로컬 영역(WND) 내에서 픽셀(PXL)의 주변 밝기와 픽셀들 간의 유사도에 따라 값이 정해지는 로컬 적응 레벨(ALx,y)을 출력한다.

로컬 적응 레벨(ALx,y)은 로컬 영역 내에서 관찰자의 적응도를 고려한 픽셀의 밝기를 정의한다. 로컬 적응 레벨(ALx,y)이 높으면 로컬 영역 내에서 관찰자가 밝은 주변 환경에서 해당 픽셀을 보고 있는 것을 의미한다. 반대로, 로컬 적응 레벨(ALx,y)이 낮으면 로컬 영역 내에서 관찰자가 어두운 주변 환경에서 해당 픽셀을 보고 있는 것을 의미한다.

로컬 적응 레벨(ALx,y)은 인간의 밝기 적응 특성을 반영하여 주변 픽셀들의 밝기와 유사도에 따라 로컬 영역(WND) 별로 평균 밝기를 조정한다. 로컬 적응 레벨(ALx,y)은 해당 픽셀 주변에 밝은 픽셀이 많을수록 더 높은 값을 갖는다. 반면에, 로컬 영역(WND)의 적응 레벨(ALx,y)은 해당 픽셀 주변에 어두운 픽셀이 많을수록 더 낮은 값으로 계산된다. 단 , 이 때 헤일로 아티팩트(Halo artifact)를 방지하기 위해서 주변에 해당 픽셀과 유사한 픽셀들 만으로 로컬 영역의 적응 레벨을 계산할 수 있도록 유사도에 가중치를 설정한다.

전달 커브 생성부(103)는 로컬 적응 레벨을 바탕으로 픽셀 별로 데이터 스트레칭 강도(data stretching intensity)를 조절한다. 데이터 스트레칭 강도는 로컬 적응 레벨(ALx,y)에 따라 기울기가 가변되는 전달 커브(transfer curve, 도 6 ~ 도 10)를 바탕으로 조절될 수 있다. 도 6 내지 도 10에서 x 축은 입력 이미지의 계조이고, y축은 출력 계조를 나타낸다. 전달 커브 상에서 입력 계조와 만나는 출력 계조로 입력 이미지의 데이터가 변조된다. 전달 커브는 입력 계조와 출력 계조가 같은 기울기 1의 기준 직선과 교차하는 교차점을 갖는다. 전달 커브는 교차점 아래 위치하는 오목한 커브와, 교차점 위에 위치하는 볼록 커브로 나뉘어진다. 교차점은 변조된 로컬 적응 레벨(MALx,y)에 의해 정해진다. 로컬 적응 레벨(ALx,y)이 상위 계조와 하위 계조에서 스트레칭 비율(stretching rate)을 높게 하기 위하여, 로컬 적응 레벨(ALx,y)은 변조된 로컬 적응 레벨(MALx,y)으로 변한다. 스트레칭 비율은 데이터의 계조 변조량을 정의한 전달 커브의 기울기에 비례한다. 변조된 로컬 적응 레벨(MALx,y)은 수학식 1로 정의될 수 있다. 로컬 적응 레벨(ALx,y)에서 변조된 로컬 적응 레벨(MALx,y)로 전달 커브와 기준 직선의 교차점이 시프트(shift)되면, 로컬 적응 레벨(ALx,y)의 주변에서 상위 계조와 하위 계조가 더 잘 복원되는 방향으로 입력 이미지의 데이터가 변조된다.

변조된 로컬 적응 레벨(MALx,y)은 수학식 1과 같이 정의된다.

여기서, AL(x,y)는 로컬 적응 레벨(Local adaptation level)이고, MALx,y은 변조된 로컬 적응 레벨(Modified local adaptation level)이다. α는 스트레칭 세기 조절을 위한 상수값이다. β는 중간 계조 예를 들어, 8 bit depth에서 '128'이다.

변조된 로컬 적응 레벨(MALx,y)은 도 6 내지 도 8과 같이 중간 계조(β)로부터 멀어질수록 로컬 적응 레벨(ALx,y)과의 거리가 멀어져 상위 계조와 하위 계조에서 데이터 스트레칭 강도를 강하게 한다. 변조된 로컬 적응 레벨(MALx,y)이 도 6과 같이 하위 계조에 위치하면 전달 커브가 올라가 하위 계조의 데이터 스트레칭 강도가 커진다. 상위 계조가 더 높은 계조로 변조되고 하위 계조가 더 낮은 계조로 변조될 때, 스트레칭 강도가 높다는 것은 그 변조량이 크다는 것을 의미한다. 변조된 로컬 적응 레벨(MALx,y)이 도 7과 같이 상위 계조에 위치하면 전달 커브가 낮아져 상위 계조에서 데이터 스트레칭 강도가 커진다. 도 8은 중간 계조로부터 멀어질수록 변조된 로컬 적응 레벨(MALx,y)와 로컬 적응 레벨(ALx,y) 사이의 거리가 증가하는 예를 보여 준다. 도 9는 MALx,y = 0 일 때의 전달 커브이다. 도 9는 MALx,y = 255 일 때의 전달 커브이다. 이러한 데이터 스트레칭 강도 조절 방법은 LDR 영상의 상위 동적 범위(upper dynamic range)와 하위 동적 범위(lower dynamic range)를 압축 전의 동적 범위 수준으로 복원하여 LDR 이미지를 HDR 이미지로 변환한다. 전달 커브는 로컬 적응 레벨에 따라 로컬 영역 별로 독립적으로 조절된다.

LDR 이미지를 얻는 방법은 크게 두가지로 나뉘어질 수 있다. 그 중 하나는 HDR 영상을 톤 맵핑(tone mapping) 과정을 통해 상위 동적 범위와 하위 동적 범위를 압축하여 LDR 이미지를 얻는 방법이다. 다른 하나는 카메라로부터 이미지를 얻는 단계에서 상위 동적 범위와 하위 동적 범위를 압축하여 LDR 이미지를 얻는 방법이다. 따라서, 어느 경우이든지 LDR 이미지의 상위 및 하위 동적 범위는 실제 사물을 보는 이미지의 동적 범위에 비하여 압축되어 있다.

데이터 스트레칭부(104)는 전달 커브를 바탕으로 입력 이미지의 RGB 데이터변조하여 데이터 스트레칭을 실시한다. AL 계산부(102)와 전달 커브 생성부(104) 및 데이터 스트레칭부(104)는 인간의 밝기 적응 특성을 고려하여 로컬 영역 별로 상위 계조와 하위 계조에서 데이터 스트레칭 강도를 더 강하게 조절함으로써 HDR 이미지를 얻는다. 도 11에서 (A)는 상위 계조와 하위 계조의 동적 범위가 압축된 입력 LDR 이미지이다. 도 11에서 (B)는 데이터 스트레칭부(104)에 의해 데이터 스트레칭된 이미지이다.

RGBW 변환부(107)는 데이터 스트레칭부(104)로부터 변조된 RGB 데이터를 입력 받아 그 RGB 데이터를 스펙트럼 교환을 바탕으로 RGBW 데이터로 변환한다. 입력 RGB 데이터가 표시되는 RGB 서브 픽셀들의 빛과, 변환후 RGBW 데이터가 표시되는 RGBW 서브 픽셀들의 빛이 정확히 동일하여야 한다. 스펙트럼 교환 방식은 W 서브 픽셀에서 발생되는 RGB 파장의 광양 만큼 RGB 서브 픽셀들의 RGB 파장의 광양을 줄이기 위하여, W 서브 픽셀에 기입될 W 데이터를 생성하고 RGB 서브 픽셀들에 기입되는 RGB 데이터를 차감한다. 이러한 RGBW 데이터 생성 방법은 공지된 어떠한 방법도 적용 가능한다. 예컨대, 본원 출원인에 의해 기출원된 대한민국 특허 출원 제10-2005-0039728(2005. 05. 12), 대한민국 특허 출원 제10-2005-0052906(2005. 06. 20), 대한민국 특허 출원 제10-2005-0066429(2007. 07. 21), 대한민국 특허 출원 제10-2006-0011292(2006. 02. 06) 등에서 제안된 화이트 게인 산출 알고리즘들이 적용될 수 있다.

RGBW 변환부(107)로부터 출력된 RGBW 데이터는 감마 보정부(110)에 의해 감마 보정된 후에 데이터 구동부(12)로 전송된다.

적응 레벨(APx,y)에 따른 로컬 영역별 데이터 스트레칭에 의해 상위 동적 범위와 하위 동적 범위에서 데이터 스트레칭이 강하게 발생된다. 이 데이터 스트레칭에 의해 상위 계조를 정의하는 전달 커브의 상단은 아래로 내려가고, 하위 계조를 정의하는 전달 커브의 하단은 위로 올라가면서 전달 커브의 중간 계조 영역도 변한다. 스트레칭 판정부(105)는 로컬 영역 별 전달 커브를 분석하여 스트레칭된 상위 계조와 하위 계조에 겹치는 중간 계조를 계산한다.

본 발명의 로컬 디밍 방법은 기존의 백라이트 디밍 방법과 마찬가지로, 화면을 다수의 로컬 디밍 블록(Local dimming block)으로 분할하고 로컬 디밍 블록별로 백라이트의 백색광 밝기를 독립적으로 제어한다. 본 발명의 로컬 디밍 방법에서 종래 기술과 다른 특징은 HDR 이미지를 얻기 위하여 상위 계조와 하위 계조에서 데이터 스트레칭이 강하게 되면서 원치 않는 중간 계조의 변화를 백라이트의 백색광 밝기로 보상하는 것이다. 또한, 본 발명의 로컬 디밍 방법은 RGBW 변환 후의 W 데이터 분석 결과를 바탕으로 HDR 이미지에서 광 조사가 집중되는 영역의 피크 픽셀의 백색광 밝기를 더 높인다.

제1 디밍값 생성부(106)는 데이터 스트레칭으로 인하여 하위 계조의 어두운 밝기 영역이나 상위 계조의 밝은 영역의 데이터들이 중간 밝기 영역으로 침범하는 것을 로컬 디밍으로 보상한다. 제1 디밍값 생성부(106)는 로컬 영역별 제1 디밍값을 조절하여 데이터 스트레칭에 의해 밝기가 향상된 로컬 영역의 백라이트 디밍을 낮추어 해당 영역에서 중간 계조 영역을 침범한 픽셀의 밝기를 재조정하고, 데이터 스트레칭에 의해 데이터의 밝기가 낮아진 로컬 영역의 백라이트 디밍을 높여 해당 영역에서 중간 계조 영역을 침범한 밝기를 재조정한다. 제1 디밍값 생성부(106)에 의해 생성된 제1 디밍값은 수학식 2와 같이 로컬 영역별 디밍값을 정의한다. 제1 디밍값은 상위 계조의 데이터 스트레칭이 강하게 일어난 로컬 디밍 블록(Local dimming block)에서 높은 값으로 생성되어 해당 로컬 디밍 블록의 백색광 밝기를 높이는 반면, 하위 계조의 데이터 스트레칭이 강하게 일어난 로컬 디밍 블록에서 낮은 값으로 생성되어 해당 로컬 디밍 블록의 백색광 밝기를 낮춘다.

여기서, LDBi,j는 (i,j) 번째 로컬 디밍 블록(Local dimming block)이다. 로컬 디밍 블록은 백라이트의 백색광 밝기가 로컬 디밍값에 따라 독립적으로 제어되는 단위 블록이다. 로컬 디밍 블록은 픽셀 어레이에서 전술한 로컬 블록(BL)이나 로컬 영역(WND)과 같은 크기로 설정될 수 있으나 다른 크기로 설정될 수 있다.

LDi,j는 동적 범위 확장(dynamic range expansion)을 위한 (i,j) 번째 로컬 디밍 값이다. Px,y는 (x,y) 위치의 픽셀의 밝기이다. mp_x _,y는 (x,y) 위치의 픽셀의 변조된 밝기이다. Gain_x _,y는 (x,y) 위치의 픽셀 밝기의 스트레칭 비율(stretching rate)이다.

HDR 이미지를 얻기 위한 다음 단계는 LDR 이미지에서 가장 많은 양의 동적 범위가 업축되어 있는 광 조사(irradiation)을 복원하는 일이다. 광 조사의 대부분은 백색광이고, HVS의 적응 특성 상 전체가 아닌 이미지의 일부분에 광 조사가 집중될 때 광 조사의 피크(peak) 효과가 극대화된다.

광조사 판정부(108)는 RGBW 변환후 각 픽셀별로 W 데이터를 미리 설정된 문턱값과 비교하여 문턱값 보다 높은 W 데이터를 갖는 피크 픽셀(peak pixel)을 광 조사가 집중되는 광 조사 픽셀(irradiation pixel)로서 검출한다. 광조사 픽셀들은 입력 이미지에서 백색광 비율이 높고 밝기가 밝은 픽셀들을 의미한다.

제2 디밍값 생성부(109)는 광조사 판정부(108)로부터의 광 조사 픽셀의 위치와 백색광 밝기 정보를 입력 받아 로컬 디밍 블록별로 광 조사 픽셀들의 평균을 계산하고, 그 평균값을 바탕으로 로컬 디밍 영역 별로 광 조사 픽셀들의 백색광 밝기를 더 높이기 위한 제2 디밍값을 생성한다. 제2 디밍값은 로컬 디밍 블록 내의 W 데이터가 높은 픽셀들이 많을수록 높은 값으로 생성되어 해당 로컬 디밍 블록의 백색광 밝기를 높인다.

광조사 판정부(108)와 제2 디밍값 생성부(109)를 통해 얻어진 제2 디밍값은 수학식 3과 같다.

여기서, Wx,y는 (x,y)위치에 있는 픽셀의 RGBW 변환 후 문턱값을 넘는 W 데이터 값이다. |...|는 로컬 디밍 블록(LDBi,j) 내의 원소수(cadinality)로서 픽셀 개수를 의미한다. δ는 광조사양의 피크 정도를 조절할 수 있도록 하는 사용자 정의 상수값 이다.

최종 디밍값 생성부(111)는 도 12와 같이 제1 디밍값과 제2 디밍값을 곱하여 최종 디밍값을 생성하고, 최종 디밍값을 생성한다. 최종 디밍값은 디밍 신호(DIM)로서 인코딩되어 도 1과 같이 광원 구동부(202)로 전송된다. 광원 구동부(202)는 디밍 신호(DIM)의 디밍값에 따라 로컬 디밍 블록 별로 광원들의 밝기를 조절한다.

도 12는 입력 이미지가 도 11의 (B)와 같이 스트레칭될 때 로컬 디밍 방법을 보여 준다. 도 12에서, (A)는 제1 디밍값 생성부(106)에 의해 생성된 제1 디밍값만으로 백라이트의 광원들을 점등한 예이다. (B)는 제2 디밍값 생성부(109)에 의해 생성된 제2 디밍값만으로 백라이트의 광원들을 점등한 예이다. (C)는 제1 디밍값과 제2 디밍값이 곱해진 최종 디밍값으로 백라이트의 광원들을 점등한 예이다.

도 13은 데이터 스트레칭 전 LDR 입력 이미지(A)와, 본 발명의 데이터 스트레칭을 적용하고 로컬 디밍을 적용한 HDR 이미지(B)를 비교하여 보여 주는 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 표시장치는 액정표시장치에 한정되지 않는다는 것에 주의하여야 한다. 예컨대, RGB 타입 유기 발광 다이오드 표시장치(OLED 표시장치)에 본 발명의 데이터 스트레칭 방법과 백색광량 제어 방법을 적용하여 HDR 이미지 재현 효과를 얻을 수 있을 것이다.

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 : 표시패널 12 : 데이터 구동부
14 : 게이트 구동부 101 : 디감마 보정부
102 : AL 계산부 103 : 전달 커브 생성부
104 : 데이터 스트레칭부 105 : 스트레칭 판정부
106 : 제1 디밍값 생성부 107 : RGBW 변환부
109 : 제2 디밍값 생성부 110: 감마 보정부
200 : 백라이트 유닛 202 : 광원 구동부
300 : 타이밍 콘트롤러

Claims

픽셀들이 적색, 녹색, 청색 및 백색 서브 픽셀로 나뉘어지는 RGBW 데이터가 기입되는 표시패널;
상기 표시패널의 화면을 다수의 로컬 영역으로 분할하여 바이래터럴 필터를 이용하여 입력 이미지의 데이터를 로컬 영역별로 나뉘어진 로컬 적응 레벨을 계산하는 적응 레벨 계산부;
상위 계조와 하위 계조에서 상기 로컬 적응 레벨을 변조하여 변조된 로컬 적응 레벨에 의해 입력 계조와 출력 계조가 같은 기준 직선과의 교차점이 정해지는 전달 커브를 생성하는 전달 커브 생성부;
상기 전달 커브를 바탕으로 상기 입력 이미지의 RGB 데이터를 변조하는 데이터 스트레칭부;
데이터 스트레칭된 RGB 데이터를 상기 RGBW 데이터로 변환하는 RGBW 변환부; 및
상기 RGBW 데이터를 감마보정하여 상기 표시패널의 픽셀들에 기입하는 표시패널 구동부를 포함하는 표시장치.
제 1 항에 있어서,
상기 표시패널에 빛을 조사하는 백라이트 유닛;
상기 표시패널의 화면을 다수의 로컬 디밍 블록으로 분할할 때 디밍 신호에 따라 상기 로컬 디밍 블록별로 백색광 밝기를 조절하는 광원 구동부;
상위 계조의 데이터 스트레칭이 발생된 로컬 디밍 블록에서 상기 백색광의 휘도를 높이고, 상기 하위 계조의 데이터 스트레칭이 발생된 로컬 디밍 블록에서 상기 백색광의 휘도를 낮추기 위한 제1 디밍값을 생성하는 제1 디밍값 생성부;
상기 RGBW 데이터의 W 데이터를 미리 설정된 문턱값과 비교하여 상기 문턱값 보다 높은 W 데이터를 검출하는 광조사 판정부;
상기 W 데이터가 높은 픽셀들을 갖는 로컬 디밍 블록에서 상기 백색광의 밝기를 높이기 위한 제2 디밍값을 생성하는 제2 디밍값 생성부; 및
상기 제1 및 제2 디밍값을 곱하여 최종 디밍값을 생성하고 상기 최종 디밍값을 바탕으로 상기 디밍 신호를 발생하는 최종 디밍값 생성부를 더 포함하고,
상기 제2 디밍값은 상기 W 데이터가 높은 픽셀들이 많을수록 높게 형성되는 표시장치.
제 1 항에 있어서,
상기 전달 커브는 상기 교차점 아래 위치하는 오목한 커브와 상기 교차점 위에 위치하는 볼록 커브로 나뉘어지고,
상기 변조된 로컬 적응 레벨은 중간 계조로부터 멀어질수록 상기 로컬 적응 레벨과의 거리가 멀어져 상위 계조와 하위 계조에서 데이터 스트레칭 강도를 강하게 하는 표시장치.
픽셀들이 적색, 녹색, 청색 및 백색 서브 픽셀로 나뉘어지는 RGBW 데이터가 기입되는 표시패널을 포함한 표시장치의 동적 범위 확장 방법에 있어서,
상기 표시패널의 화면을 다수의 로컬 영역으로 분할하여 바이래터럴 필터를 이용하여 입력 이미지의 데이터를 상기 로컬 영역으로 나뉘어진 로컬 적응 레벨을 계산하는 단계;
상위 계조와 하위 계조에서 상기 로컬 적응 레벨을 변조하여 변조된 로컬 적응 레벨에 의해 입력 계조와 출력 계조가 같은 기준 직선과의 교차점이 정해지는 전달 커브를 생성하는 단계;
상기 전달 커브를 바탕으로 상기 입력 이미지의 RGB 데이터를 변조하여 데이터 스트레칭을 실시는 단계;
데이터 스트레칭된 RGB 데이터를 상기 RGBW 데이터로 변환하는 단계; 및
상기 RGBW 데이터를 감마보정하여 상기 표시패널의 픽셀들에 기입하는 단계를 포함하는 표시장치의 동적 범위 확장 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 표시패널의 화면을 다수의 로컬 디밍 블록으로 분할할 때 디밍 신호에 따라 상기 로컬 디밍 블록별로 상기 표시패널에 빛을 조사하는 백라이트의 백색광밝기를 조절하는 로컬 디밍 단계를 더 포함하고,
상기 로컬 디밍 단계는,
상위 계조의 데이터 스트레칭이 발생된 로컬 디밍 블록에서 상기 백색광의 휘도를 높이고, 상기 하위 계조의 데이터 스트레칭이 발생된 로컬 디밍 블록에서 상기 백색광의 휘도를 낮추기 위한 제1 디밍값을 생성하는 단계;
상기 RGBW 데이터의 W 데이터를 미리 설정된 문턱값과 비교하여 상기 문턱값 보다 높은 W 데이터를 검출하는 단계;
상기 W 데이터가 높은 픽셀들을 갖는 로컬 디밍 블록에서 상기 백색광의 밝기를 높이기 위한 제2 디밍값을 생성하는 단계; 및
상기 제1 및 제2 디밍값을 곱하여 최종 디밍값을 생성하고 상기 최종 디밍값을 바탕으로 상기 디밍 신호를 발생하는 단계를 포함하고,
상기 제2 디밍값은 상기 W 데이터가 높은 픽셀들이 많을수록 높게 형성되는 표시장치의 동적 범위 확장 방법.
픽셀들이 적색, 녹색, 청색 및 백색 서브 픽셀로 나뉘어지는 RGBW 데이터가 기입되는 표시패널을 포함한 표시장치의 동적 범위 확장 장치에 있어서,
상기 표시패널의 화면을 다수의 로컬 영역으로 분할하여 바이래터럴 필터를 이용하여 입력 이미지의 데이터를 상기 로컬 영역으로 나뉘어진 로컬 적응 레벨을 계산하는 적응 레벨 계산부;
상위 계조와 하위 계조에서 상기 로컬 적응 레벨을 변조하여 변조된 로컬 적응 레벨에 의해 입력 계조와 출력 계조가 같은 기준 직선과의 교차점이 정해지는 전달 커브를 생성하는 전달 커브 생성부;
상기 전달 커브를 바탕으로 상기 입력 이미지의 RGB 데이터를 변조하는 데이터 스트레칭부; 및
데이터 스트레칭된 RGB 데이터를 상기 표시패널에 기입될 RGBW 데이터로 변환하는 RGBW 변환부를 포함하는 표시장치의 동적 범위 확장 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 표시패널의 화면을 다수의 로컬 디밍 블록으로 분할할 때 디밍 신호에 따라 상기 로컬 디밍 블록별로 상기 표시패널에 빛을 조사하는 백라이트의 백색광밝기를 조절하는 로컬 디밍 장치를 더 포함하고,
상기 로컬 디밍 장치는,
상위 계조의 데이터 스트레칭이 발생된 로컬 디밍 블록에서 상기 백색광의 휘도를 높이고, 상기 하위 계조의 데이터 스트레칭이 발생된 로컬 디밍 블록에서 상기 백색광의 휘도를 낮추기 위한 제1 디밍값을 생성하는 제1 디밍값 생성부;
상기 RGBW 데이터의 W 데이터를 미리 설정된 문턱값과 비교하여 상기 문턱값 보다 높은 W 데이터를 검출하는 광조사 판정부;
상기 W 데이터가 높은 픽셀들을 갖는 로컬 디밍 블록에서 상기 백색광의 밝기를 높이기 위한 제2 디밍값을 생성하는 제2 디밍값 생성부; 및
상기 제1 및 제2 디밍값을 곱하여 최종 디밍값을 생성하고 상기 최종 디밍값을 바탕으로 상기 디밍 신호를 발생하는 최종 디밍값 생성부를 포함하고,
상기 제2 디밍값은 상기 W 데이터가 높은 픽셀들이 많을수록 높게 형성되는 표시장치의 동적 범위 확장 장치.