KR102438252B1 - 하이 다이나믹 레인지를 위한 4색 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 4색 표시 장치는 HDR 구동에 적합하고 순색 휘도 저하를 방지하기 위하여, HDR 영상의 3색 소스 데이터를 3색 휘도로 변환하고, 3색 휘도 각각을 해당 표시 장치의 4색 중 화이트를 제외한 나머지 3색의 조합의 최대 휘도로 정규화하고, 정규화한 3색 휘도를 4색 휘도로 변환하고, 4색 휘도를 감마 처리하여 4색 영상 데이터를 표시 패널의 구동 회로로 공급하는 영상 처리 모듈을 구비한다.

Description

하이 다이나믹 레인지를 위한 4색 표시 장치{DISPLAY DEVICE WITH 4-COLORS FOR HIGH DYNAMIC RANGE (HDR)}
본 발명은 하이 다이나믹 레인지(HDR) 구동에 적합하고 순색 휘도 저하를 방지할 수 있는 HDR을 위한 4색 표시 장치에 관한 것이다.
사람은 실제 환경에서 대략 10-4 ~ 108 cd/m2의 넓은 다이나믹 레인지를 갖고 있으며, 이를 고려한 하이 다이나믹 레인지(High Dynamic Range; HDR) 기술은 카메라 분야를 넘어 영상 제작 및 디스플레이 개발 등까지 확장되고 있다.
HDR 영상은 SMPTE(Society of Motion Picture and Television Engineers)에서 ST.2084로 표준화된 전기-광학 전달 함수(Electro-Optical Transfer Function; 이하 EOTF)의 역함수를 따라 인코딩된 것으로 0 ~ 10,000니트(nits.)의 하이 다이나믹 레인지를 갖는다. HDR 영상의 감마 ST.2084 EOTF를 지각적인 양자화(Perceptual Quantzer; 이하 PQ) EOTF라고 칭하기도 한다. 한편, 통상의 SDR(Standard Dynamic Rage) 영상은 2.2 감마 등의 역함수를 따라 인코딩된 것으로, 디스플레이에 따라 0 ~ 수백 니트의 좁은 다이나믹 레인지를 갖는다.
영상 표시 장치로는 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display; LCD), 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode; 이하 OLED) 표시 장치 등이 대표적이다.
일반적으로, 표시 장치는 도 1(a)에 나타낸 바와 같이 기본 픽셀을 구성하는 R(Red), G(Green), B(Blue) 서브픽셀의 조합으로 영상을 표시한다.
표시 장치는 W(White) 서브픽셀을 추가하여 고휘도를 표현하면서도 화질을 향상시키는 WRGB 표시 장치로 발전하고 있다.
예들 들면, WRGB 표시 장치는 고휘도 및 고해상도 구현이 유리하면서도 소비 전력 및 코스트를 감소시키기 위하여, 도 1(b)에 나타낸 바와 같이 각 픽셀이 WRGB 서브픽셀들 중 컬러 조합으로 화이트를 구현할 수 있는 3개 서브픽셀들을 포함하고, 인접한 픽셀과는 3개 서브픽셀들의 조합이 서로 다른 배열 구조를 갖는다.
그러나, 도 1(b)에 나타낸 WRGB 표시 장치는 도 1(a)에 나타낸 RGB 표시 장치와 대비하여, W 서브픽셀이 추가된 만큼 RGB 서브픽셀들의 수가 3/4으로 감소하여 RGB의 순색 휘도가 감소하는 단점이 있다.
또한, SDR 영상은 입력 계조에 대한 출력 휘도가 표시 장치의 최대 휘도에 비례하는 반면, HDR 영상은 입력 계조에 대한 출력 휘도가 표시 장치의 최대 휘도와 관계없이 절대값으로 결정되어 있다. 이로 인하여, HDR 영상을 표시 패널에 출력할 때 HDR의 PQ-EOTF를 표시 장치의 2.2 감마로 맵핑하는 과정이 요구된다.
이로 인하여, WRGB 표시 장치에 HDR 영상을 표시하는 경우 RGB to WRGB 변환 처리와, PQ-EOTF to 2.2 감마 맵핑으로 인하여 순색 휘도가 더욱 감소하여 화질이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 HDR 구동에 적합하고 순색 휘도 저하를 방지할 수 있는 HDR를 위한 4색 표시 장치를 제공한다.
한 실시예에 따른 4색 표시 장치는 HDR 영상의 3색 소스 데이터를 3색 휘도로 변환하고, 3색 휘도 각각을 해당 표시 장치의 4색 중 화이트를 제외한 나머지 3색의 조합의 최대 휘도로 정규화하고, 정규화한 3색 휘도를 4색 휘도로 변환하고, 4색 휘도를 감마 처리하여 4색 영상 데이터를 표시 패널의 구동 회로로 공급하는 영상 처리 모듈을 구비한다.
영상 처리 모듈은 HDR 영상의 3색 소스 데이터를 제1 디감마 처리하여 3색 휘도를 출력하는 제1 디감마 처리부와, 제1 디감마 처리부로부터 공급된 3색 휘도를 해당 표시 장치의 3색 조합의 최대 휘도로 정규화하는 휘도 맵핑부와, 휘도 맵핑부로부터 공급된 정규화한 3색 휘도를 4색 휘도로 변환하는 제1 4색 변환부와, 4색 변환부로부터 공급된 4색 휘도를 분석한 휘도 분포를 고려하여 4색 휘도를 적응적으로 롤-오프 처리하여 보정하는 롤-오프 처리부와, 롤-오프 처리부로부터 공급된 4색 휘도를 감마 처리하여 4색 영상 데이터를 출력하는 감마 처리부를 구비한다.
전술한 영상 처리 모듈이 액정 표시 장치에 적용될 때, 제1 디감마 처리부로부터 공급된 3색 휘도를 프레임 단위로 분석하여 프레임 최대 휘도를 추출하는 최대 휘도 추출부와, 최대 휘도 추출부로부터 공급된 프레임 최대 휘도에 대응하는 글로벌 디밍 신호를 결정하여 출력하는 글로벌 디밍부와, 제1 디감마 처리부로부터 공급된 3색 휘도를 다수의 발광 블록에 각각 대응하는 다수의 블록으로 분할 분석하여 블록별 APL을 산출하는 APL 분석부와, APL 분석부로부터 공급된 블록별 APL에 대응하는 블록별 로컬 디밍 신호를 결정하고 글로벌 디밍 신호와 곱셈 연산하여 상기 출력 로컬 디밍 신호를 상기 백라이트 구동부로 출력하는 로컬 디밍부를 추가로 구비한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 HDR를 위한 4색 표시 장치는 HDR 영상에 적합한 EOTF 맵핑과 4색 변환 방법 및 롤-오프 처리를 이용함으로써 순색 휘도 저하를 방지함과 아울러 무채색의 계조 표현력을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 HDR를 위한 4색 액정 표시 장치는 HDR 영상을 표시할 때 프레임 최대 휘도에 따른 글로벌 디밍과 블록별 APL에 따른 로컬 디밍을 모두 적용하여 백라이트 휘도를 제어함으로써 소비 전력을 감소킬 수 있다.
도 1은 RGB 표시 장치와 WRGB 표시 장치의 서브픽셀 배치 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 WRGB 표시 장치의 영상 처리 모듈의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 휘도 맵핑과 롤-오프 처리를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 WRGB 표시 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 WRGB 액정 표시 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 처리 모듈의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 7은 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 글로벌 디밍 프로파일 및 로컬 디밍 프로파일을 예시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 WRGB 액정 표시 장치의 순색 휘도 저하 방지 효과를 보여주는 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 WRGB 액정 표시 장치의 계조 표현력 증가 효과를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 WRGB 표시 장치의 영상 처리 모듈의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2에 도시된 일 실시예의 영상 처리 모듈(50)은 영상 판단부(10), 제1 디감마 처리부(20), EOTF 맵핑부(22), 제1 4색 변환부(24), 롤-오프 처리부(26), 감마 처리부(28), 제2 디감마 처리부(30), 3색 보정부(32), 제2 4색 변환부(34)를 구비한다.
영상 처리 모듈(50)은 하드웨어를 의미하거나, 메모리에 저장된 소프트웨어의 영상 처리 모듈을 의미할 수 있다. 영상 처리 모듈(50)을 구성하는 "~부"는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 블록으로, 하드웨어를 의미하거나, 메모리에 저장된 소프트웨어의 영상 처리 모듈을 의미할 수 있다.
영상 판단부(10)는 입력 영상으로 HDR 영상 또는 SDR 영상을 공급받음과 아울러 HDR 또는 SDR를 지시하는 콘텐츠 정보를 공급받는다. 영상 판단부(10)는 콘덴츠 정보에 따라 입력 영상이 HDR 영상일 때 HDR 영상을 제1 디감마 처리부(20)로 출력한다. 영상 판단부(10)는 콘덴츠 정보에 따라 입력 영상이 SDR 영상일 때 SDR 영상을 제2 디감마 처리부(40)로 출력한다.
제1 디감마 처리부(20)는 영상 판단부(10)로부터 공급된 HDR 영상의 3색 소스 데이터를 각각 디감마 처리하여 선형화한다.
제1 디감마 처리부(20)는 아래 수학식 1로 정의된 PQ-EOTF의 선형화 함수를 이용하여 HDR 영상의 비선형 컬러값(N)을 선형 컬러값(L)으로 선형화한다.
<수학식 1>
Figure 112016052618766-pat00001
수학식 1에서 N은 비선형 컬러값을 정의한 것으로, 입력 컬러 계조값을 비트-뎁스로 정해지는 최대값(예를 들면, 10비트 일 때 1023)으로 나누어 0~1로 정규화한 계조값을 의미한다. L은 선형 컬러값을 정의한 것으로 0~1 범위의 값을 갖는 각 컬러의 정규화 휘도를 의미한다. m1~m3, c1~c3는 상수값이다. 예를 들면 m1 = 2610/4096×(1/4) = 0.1593017578125, m2 = 2523/4096×128 = 78.84375, c1 = 3424/4096 = 0.8359375 = c3-c2+1, c2 = 2413/4096×32 = 18.8515625, c3 = 2392/4096×32 = 18.6875이다.
제1 디감마 처리부(20)는 상기 수학식 1의 PQ-EOTF의 선형화 함수가 미리 계산된 LUT를 이용하여 HDR의 3색 소스 데이터에 각각 대응하는 3색 정규화 휘도를 선택하여 출력할 수 있다.
EOTF 맵핑부(22)는 제1 디감마 처리부(20)로부터 공급된 HDR의 3색 정규화 휘도를 각각 HDR의 절대 휘도(니트)로 스케일링(L×10000)한다. 한편, 정규화 휘도의 스케일링은 제1 디감마 처리부(20)에서 선형화와 함께 처리될 수 있다.
EOTF 맵핑부(22)는 스케일링된 3색 각각의 절대 휘도(Lpixel)를, 아래 수학식 2와 같은 EOTF 맵핑 함수를 이용하여, 해당 WRGB 표시 장치에서 W를 제외한 RGB의 조합(R+G+B)으로 표현할 수 있는 최대 휘도(Lmax_rgb)로 정규화한다.
<수학식 2>
Lpixel_normalized = Lpixel/Lmax_rgb, (0≤ Lpixel_normalized ≤Nmax)
Lpixel_normalized는 표시 장치에 맞게 정규화된 3색의 각 휘도를 의미한다. Nmax는 해당 WRGB 표시 장치에서 RGB의 조합(R+G+B)으로 표현할 수 있는 최대 휘도(Lmax_rgb)를 결정하기 위한 값으로, WRGB 표시 장치의 R, G, B, W 서브픽셀의 면적과 픽셀수에 의해 달라질 수 있다. 예를 들어, 도 1(b)에 도시된 M+ WRGB 표시 장치의 경우 최대 휘도는 "R+G+B+W"이고, "R+G+B=W"이므로 Nmax는 2가 되며, RGB의 조합의 최대 휘도(Lmax_rgb)는 "(표시 장치의 최대 휘도)/2"가 된다.
다시 말하여, 도 1(b)에 도시된 M+ WRGB 표시 장치에서, RGB의 조합(R+G+B)으로 표현할 수 있는 최대 휘도(Lmax_rgb)는 해당 표시 장치의 최대 휘도의 1/2이 된다. 예를 들어, M+ WRGB 표시 장치의 최대 휘도가 1000 니트인 경우, W로 표현할 수 있는 최대 휘도가 500 니트, RGB 조합(R+G+B)으로 표현할 수 있는 최대 휘도(Lmax_rgb)는 500 니트이며, 이때 Nmax는 2가 된다. 이 결과, 3색 각각의 절대 휘도(Lpixel)가 "해당 표시 장치의 최대 휘도의 1/2"로 정규화된다. 3색 각각의 정규화 휘도(Lpixel_normalized)는 0~2의 범위를 갖고, 이후 4색 변환 과정에 의해 4색 정규화 휘도로 분배된다.
EOTF 맵핑부(22)는 수학식 2가 미리 계산된 LUT를 이용하여 제1 디감마 처리부(20)로부터 공급된 HDR의 3색 정규화 휘도에 각각 대응하는 표시 장치의 3색 정규화 휘도를 선택하여 출력할 수 있다.
제1 4색 변환부(24)는 EOTF 맵핑부(22)로부터 공급된 3색 데이터를 4색 데이터로 변환하여 출력한다. 다시 말하여, 제1 4색 변환부(24)는 EOTF 맵핑부(22)로부터 공급된 3색 정규화 휘도를 4색 정규화 휘도로 변환하여 출력한다. EOTF 맵핑부(22)로부터 공급된 3색(RGB) 정규화 휘도(Lpixel_normalized) 각각을 Lr, Lg, Lb로 표현한다. 제1 4색 변환부(24)는 RGB 정규화 휘도(Lr, Lg, Lb)를 아래 수학식 3을 이용하여 WRGB 정규화 휘도(Lw', Lr', Lg', Lb')로 변환한다.
<수학식 3>
Lw' = MIM (Lr, Lg, Lb)
Lr' = Lr-Lw
Lg' = Lg-Lw
Lb' = Lb-Lw
상기 수학식 3과 같이, 제1 4색 변환부(24)는 RGB 정규화 휘도(Lr, Lg, Lb) 중 공통값(즉, 최소값)을 W 정규화 휘도(Lw')로 결정하고, RGB 정규화 휘도(Lr, Lg, Lb) 각각에서 W 정규화 휘도(Lw')를 차감하여 RGB 정규화 휘도(Lr', Lg', Lb')를 결정한다.
이러한 4색 변환부(24) 역시 전술한 수학식 3이 미리 계산된 LUT로 대체되어 RGB 정규화 휘도(Lr, Lg, Lb)에 대응하는 WRGB 정규화 휘도(Lw', Lr', Lg', Lb')를 선택하여 출력할 수 있다.
롤-오프 처리부(26)는 제1 4색 변환부(24)로부터 공급된 4색 정규화 휘도를 각각 롤-오프(Roll-off)처리하여 롤-오프 구간의 휘도를 감소시킨다.
RGB 조합의 최대 휘도(Lmax_rgb)를 초과하는 절대 휘도(Lpixel)는, 전술한 EOTF 맵핑부(22)와 4색 변환부(24)의 처리에 의해, 도 3에 도시된 바와 같이 클립핑(Clipping)되어 휘도 포화나 휴 쉬프트(Hue Shift)되어 화질 열화가 발생할 수 있다.
이러한 화질 열화를 최소화하기 위하여, 롤-오프 처리부(26)는 표시 장치의 RGB 조합의 최대 휘도(Lmax_rgb)와, 4색 변환부(24)로부터 공급된 4색 정규화 휘도를 분석한 영상의 휘도 분포를 고려하여 적응적으로 롤-오프 포인트(Rp)와 클립핑 포인트(Cp)를 결정한다.
롤-오프 처리부(26)는 4색 변환부(24)를 통해 공급된 4색 정규화 휘도를 이용하여 RGB 조합의 최대 휘도(Lmax_rgb)를 초과하는 서브픽셀 수를 카운트하고, "전체 서브픽셀 수 대비 카운트된 Lmax_rgb 초과 서브픽셀 수의 비율"을 계산하고, 그 계산된 "Lmax_rgb 초과 비율"을 1에서 차감한 결과를 롤-오프 포인트(Rp)로 결정하므로, 0~1 범위에서 롤-오프 포인트(Rp)가 결정된다.
롤-오프 처리부(26)는 "(1+ "Lmax_rgb 초과 비율") *(1- "Lmax_rgb 초과 비율")"을 계산하여 "1~최대 클립핑 포인트"의 범위에서 클립핑 포인트(Cp)를 결정한다.
롤-오프 처리부(26)는 롤-오프 포인트(Rp)와 클립핑 포인트(Cp) 사이에 위치하는 해당 휘도를 롤-오프 처리하여 휘도를 보정한다.
감마 처리부(28)는 롤-오프 처리부(26)로부터 출력된 WRGB 정규화 휘도(Lw_out, Lr_out, Lg_out, Lb_out)을 아래 수학식 4와 같이 표시 장치의 감마(r=2.2) 및 비트-뎁스(예를 들면 10비트)을 이용한 비선형화 함수를 이용하여 WRGB 컬러값, 즉 WRGB 계조 데이터(Rout, Gout, Bout, Wout)로 비선형화하여 출력한다.
<수학식 4>
Rout = POWER(Lw_out, 1/2.2)*POWER(2, 10)-1
Gout = POWER(Lr_out, 1/2.2)*POWER(2, 10)-1
Bout = POWER(Lg_out, 1/2.2)*POWER(2, 10)-1
Wout = POWER(Lb_out, 1/2.2)*POWER(2, 10)-1
감마 처리부(28)는 전술한 수학식 4가 미리 계산된 감마 LUT를 이용하여 제1 4색 변환부(24)로부터 공급된 WRGB 정규화 휘도(Lw_out, Lr_out, Lg_out, Lb_out)에 대응하는 WRGB 계조 데이터(Rout, Gout, Bout, Wout)를 선택하여 출력한다.
제2 디감마 처리부(30)는 영상 판단부(10)로부터 공급된 SDR 영상을 감마 선형화 함수를 이용하여 디감마 처리하여 선형화한다. 제2 디감마 처리부(30)는 감마 선형화 함수에 따라 미리 설정된 LUT에서 SDR의 3색 소스 데이터에 각각 대응하는 SDR의 3색 정규화 휘도를 선택하여 출력한다.
3색 보정부(32)는 제2 디감마 처리부(30)로 공급된 SDR의 3색 정규화 휘도를 이용한 영상 분석을 통해 APL과 순색 비율 등과 같은 영상 특성에 따라 프레임 게인을 산출하고, 산출된 프레임 게인을 3색 정규화 휘도에 적용함으로써 프레임 게인에 따라 3색 정규화 휘도를 보정(증폭)하여 출력한다. 이에 따라, M+ WRGB 표시 장치에 SDR 영상을 표시할 때에도 영상 특성에 따라 순색 휘도를 향상시킬 수 있다
3색 보정부(32)는 제1 디감마 처리부(20)로부터 공급된 SDR의 3색 정규화 휘도를 프레임 단위로 분석하여 프레임 단위의 APL를 산출하고, 그 프레임에서 순색 비율 등을 검출한다. 순색 비율은 전체 픽셀수에서 3색 정규화 휘도 중 어느 하나가 0인 순색 픽셀이 차지하는 비율을 의미한다. 3색 보정부(32)는 APL 및 순색 비율 등에 따른 프레임 게인을 산출한다. 3색 보정부(32)는 프레임 게인을 3색 정규화 휘도에 적용하여 보정한다.
제2 4색 변환부(34)는 3색 보정부(32)로부터 공급된 3색 정규화 휘도를, 전술한 수학식 3과 같이 4색 정규화 휘도로 변환한다.
감마 처리부(28)는 전술한 수학식 4가 미리 계산된 감마 LUT를 이용하여 제2 4색 변환부(34)로부터 공급된 WRGB 정규화 휘도(Lw_out, Lr_out, Lg_out, Lb_out)에 대응하는 WRGB 계조 데이터(Rout, Gout, Bout, Wout)를 선택하여 출력한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 WRGB 표시 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 4에 도시된 WRGB 표시 장치는 타이밍 컨트롤러(100), 패널 구동부인 데이터 구동부(200) 및 게이트 구동부(300), 표시 패널(400), 감마 전압 생성부(500), 등을 포함한다.
표시 패널(400)은 픽셀들이 매트릭스 형태로 배열된 픽셀 어레이를 통해 영상을 표시한다. 표시 패널(400)로는 액정 패널 또는 OLED 패널이 적용될 수 있다.
표시 패널(400)에서, 각 픽셀은 WRGB 서브픽셀들 중 컬러 혼합으로 화이트 표현이 가능한 3개 서브픽셀들로 구성되고, 인접한 픽셀과는 3개 서브픽셀들의 컬러 조합이 서로 다르게 구성된다. 한 실시예에 따른 표시 패널(400)에서 제1 방향(예를 들면, 가로 방향)의 각 픽셀 라인은 WRGB 4개 서브픽셀들이 규칙적으로 반복되어 배열 되는 구조를 갖지만, 기본 픽셀은 WRGB 중 3개의 서브픽셀로만 구성한다.
예를 들면, 표시 패널(400)은 도 4와 같이 제1 서브픽셀 세트(WRG)를 갖는 제1 픽셀, 제2 서브픽셀 세트(BWR)를 갖는 제2 픽셀, 제3 서브픽셀 세트(GBW)를 갖는 제3 픽셀, 제4 서브픽셀 세트(RGB)를 갖는 제4 픽셀을 포함한다. 제1 픽셀 라인은 제1 픽셀(WRG), 제2 픽셀(BWR), 제3 픽셀(GBW), 제4 픽셀(RGB)의 순서로 배열된 제1 픽셀 세트가 제1 방향(예를 들면, 가로 방향)으로 규칙적으로 반복되어 배열된 구조를 갖을 수 있다. 제1 픽셀 라인과 인접한 제2 픽셀 라인은 제3 픽셀(GBW), 제4 픽셀(RGB), 제1 픽셀(WRG), 제2 픽셀(BWR)의 순서로 배열된 제2 픽셀 세트가 제1 방향으로 규치적으로 반복되어 배열된 구조를 갖을 수 있다. 이러한 제1 픽셀 라인과 제2 픽셀 라인이 제2 방향(예를 들면, 세로 방향)으로 교번하면서 반복적으로 배열되어 픽셀 어레이를 구성한다.
데이터 구동부(200)는 타이밍 컨트롤러(100)로부터의 데이터 제어 신호 및 영상 데이터를 공급받는다. 데이터 구동부(200)는 데이터 제어 신호에 따라 구동되어, 감마 전압 생성부(500)로부터 공급된 레퍼런스 감마 전압 세트를 데이터의 계조값에 각각 대응하는 계조 전압들로 세분화한 다음, 세분화된 계조 전압들을 이용하여 디지털 영상 데이터를 아날로그 영상 데이터 신호로 변환한다. 데이터 구동부(200)는 영상 데이터 신호를 표시 패널(400)의 데이터 라인들에 각각 공급한다.
데이터 구동부(200)는 표시 패널(400)의 데이터 라인들을 분할 구동하는 다수의 데이터 드라이브 IC로 구성되고, 각 데이터 드라이브 IC는 TCP(Tape Carrier Package), COF(Chip On Film), FPC(Flexible Print Circuit) 등과 같은 회로 필름에 실장되어 표시 패널(400)에 TAB(Tape Automatic Bonding) 방식으로 부착되거나, COG(Chip On Glass) 방식으로 표시 패널(400) 상에 실장될 수 있다.
게이트 구동부(300)는 타이밍 컨트롤러(100)로부터 공급된 게이트 제어 신호를 이용하여 표시 패널(400)의 다수의 게이트 라인을 각각 구동한다. 게이트 구동부(300)는 게이트 제어 신호에 응답하여 각 게이트 라인에 해당 스캔 기간에서 게이트 온 전압의 스캔 펄스를 공급하고, 나머지 기간에서는 게이트 오프 전압을 공급한다. 게이트 구동부(300)는 타이밍 컨트롤러(100)로부터 게이트 제어 신호를 공급받거나, 타이밍 컨트롤러(100)로부터 데이터 구동부(200)를 경유하여 게이트 제어 신호를 공급받을 수 있다. 게이트 구동부(300)는 적어도 하나의 게이트 IC로 구성되고 TCP, COF, FPC 등과 같은 회로 필름에 실장되어 표시 패널(400)에 TAB 방식으로 부착되거나, COG 방식으로 표시 패널(400) 상에 실장될 수 있다. 이와 달리, 게이트 구동부(300)는 표시 패널(400)의 픽셀 어레이를 구성하는 박막 트랜지스터 어레이와 함께 박막 트랜지스터 기판에 형성됨으로써 표시 패널(400)의 비표시 영역에 내장된 GIP(Gate In Panel) 타입으로 구비될 수 있다.
타이밍 컨트롤러(100)는 호스트 시스템으로부터 영상 데이터 및 타이밍 신호 등을 공급받는다. 타이밍 컨트롤러(100)는 입력 타이밍 신호들을 이용하여 데이터 구동부(200) 및 게이트 구동부(300)의 구동 타이밍을 각각 제어하는 데이터 제어 신호 및 게이트 제어 신호를 생성하여 데이터 구동부(200) 및 게이트 구동부(300)로 각각 출력한다. 입력 타이밍 신호는 도트 클럭, 데이터 인에이블 신호, 수직 동기 신호, 수평 동기 신호를 포함하지만, 여기서 수직 동기 신호 및 수평 동기 신호는 생략될 수 있다. 수직 동기 신호 및 수평 동기 신호가 생략되는 경우 타이밍 컨트롤러(100)는 도트 클럭에 따라 데이터 인에이블 신호를 카운트하여 수직 동기 신호 및 수평 동기 신호를 생성하여 이용할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(100)로부터 데이터 구동부(200)로 공급되는 데이터 제어 신호들은 소스 스타트 펄스, 소스 샘플링 클럭, 극성 제어 신호, 소스 출력 인에이블 신호 등을 포함한다. 타이밍 컨트롤러(100)로부터 게이트 구동부(300)로 공급되는 게이트 제어 신호들은 게이트 스타트 펄스, 게이트 쉬프트 클럭, 게이트 출력 인에이블 신호 등을 포함한다.
타이밍 컨트롤러(101)는 도 2에 도시된 영상 처리 모듈(50)을 내장할 수 있다. 이와 달리, 영상 처리 모듈(50)은 타이밍 컨트롤러(101)와 분리되어 별도의 IC로 구비될 수 있으며, 타이밍 컨트롤러(101)의 이전단에 위치할 수 있다.
영상 처리 모듈(50)은 HDR 영상 또는 SDR 영상을 공급받는다. 영상 처리 모듈(50)은 HDR 영상이 공급되면, 공급된 HDR 영상을 제1 디감마 처리(de-gamma correction)하여 선형화하고 HDR 영상의 절대 휘도로 스케일링한다. 영상 처리 모듈(50)는 HDR 영상의 절대 휘도를 표시 장치의 RGB 조합의 최대 휘도로 정규화하여 WRGB 정규화 휘도로 변환한 후 롤-오프 처리하고 감마 처리(gamma correction)하여 비선형화된 WRGB 영상 데이터를 공급한다.
한편, 영상 처리 모듈(50)은 SDR 영상이 공급되면 기존과 동일한 영상 처리를 통해 3색 데이터를 4색 데이터로 출력한다. 예를 들면, 영상 처리 모듈(50)은 공급된 SDR 영상을 제2 디감마 처리하여 선형화하고, 영상 특성에 따른 프레임 게인에 의해 3색 휘도를 보정한 후 4색 휘도로 변환한 다음 4색 휘도를 감마 처리하여 비선형화된 WRGB 데이터를 공급한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 HDR를 위한 4색 표시 장치는 HDR 영상에 적합한 EOTF 맵핑과 4색 변환 방법 및 롤-오프 처리를 이용함으로써 순색 휘도 저하를 방지함과 아울러 무채색의 계조 표현력을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 WRGB 액정 표시 장치를 나타낸 블록도이다.
도 5에 도시된 WRGB 액정 표시 장치는 도 4에 도시된 WRGB 표시 장치와 대비하여, 표시 패널(400)이 액정 패널인 경우, 백라이트 유닛(600), 백라이트 구동부(700)를 더 구비하고, 영상 처리 모듈(150)이 백라이트 구동부(700)의 로컬 디밍 구동을 제어하는 기능을 더 포함한다는 점에서 차이가 있으므로, 도 4와 중복되는 구성에 대한 설명은 생략한다.
영상 처리 모듈(150)은 HDR 영상이 공급되면, 전술한 바와 같은 영상 처리를 통해 HDR의 RGB 데이터를 표시 장치의 WRGB 데이터로 변환하여 데이터 구동부(200)로 출력한다. 이 SDR 영상이 공급되면 기존과 동일하게 영상을 처리함과 아울러 로컬 디밍 신호를 생성하여 출력한다.
또한, 영상 처리 모듈(50)은 HDR 영상에서 프레임 최대 휘도를 추출하고, 미리 설정된 해당 LUT를 이용하여 프레임 최대 휘도에 따른 글로벌 디밍 신호를 결정한다. 영상 처리 모듈(50)은 HDR 영상을 로컬 디밍을 위한 다수의 블록들로 분할하고, 다수의 블록들 각각의 APL을 분석하여 블록별 APL을 검출한다. 영상 처리 모듈(50)은 미리 설정된 해당 LUT를 이용하여 블록별 APL에 따른 로컬 디밍 신호를 결정한다. 영상 처리 모듈(50)은 로컬 디밍 신호와 글로벌 디밍 신호를 곱셈 연산함으로써 최종 로컬 디밍 신호를 결정하여 백라이트 구동부(700)로 출력한다.
영상 처리 모듈(150)은 SDR 영상이 공급되면, 전술한 바와 같은 영상 처리를 통해 SDR의 RGB 데이터를 표시 장치의 WRGB 데이터로 변환하여 데이터 구동부(200)로 출력한다. 영상 처리 모듈(150)은 SDR 영상에 대한 다수의 블록들 각각의 APL을 분석하고, 블록별 APL에 따른 로컬 디밍 신호를 결정하여 생성하여 백라이트 구동부(700)로 출력한다.
백라이트 유닛(600)은 직하형 또는 에지형 LED 백라이트를 이용하고, 로컬 디밍을 위해 LED 백라이트는 다수의 발광 블록으로 분할 구동되어 표시 패널(400)에 광을 공급한다. 직하형 LED 백라이트에서는 LED 어레이가 표시 패널(400)의 배면과 대면하도록 표시 영역 전체에 배치되고, 다수의 발광 블록으로 분할 구동된다. 에지형 LED 백라이트에서는 표시 패널(400)의 배면과 대면하는 도광판의 적어도 1개의 에지와 마주하도록 LED 어레이가 배치되고, 다수의 발광 블록으로 분할 구동된다.
백라이트 구동부(700)는 타이밍 컨트롤러(100)로부터의 공급된 블록별 로컬 디밍 신호에 따라 백라이트 유닛(600)의 발광 블록별로 구동함으로써 발광 블록별로 백라이트 유닛(600)의 휘도를 제어한다. 백라이트 구동부(700)는 로컬 디밍 신호에 대응하는 듀티비를 갖는 펄스폭변조(Pulse Width Modulation; PWM) 신호를 블록별로 생성하고, 블록별 PWM 신호에 따라 백라이트 유닛(600)을 발광 블록별로 구동한다.
도 6은 도 5에 도시된 영상 처리 모듈(150)을 구성을 나타낸 블록도이다.
도 6에 도시된 영상 처리 모듈(150)은 도 2에 도시된 영상 처리 모듈(50)과 대비하여, 백라이트 제어를 위한 최대 휘도 추출부(36), 글로벌 디밍부(38), APL 분석부(42), 로컬 디밍부(44)를 추가로 구비하는 점에 차이가 있으므로, 도 2와 중복되는 구성들에 대한 설명은 생략한다.
최대 휘도 추출부(36)는 제1 디감마 처리부(20)로부터 공급된 HDR 영상의 3색 정규화 휘도들 중 최대값을 프레임 최대 휘도로 추출하여 출력한다. 최대 휘도 추출부(36)는 제1 디감마 처리부(20)로부터 공급된 출력 휘도를 프레임 단위로 분석하여, 각 픽셀의 RGB 휘도들 중 최대값을 각 픽셀의 대표 휘도로 검출하고, 픽셀의 대표 휘도들 중 최대값을 프레임 최대 휘도로 추출하여 출력한다.
최대 휘도 추출부(36)는 추출된 프레임 최대 휘도가 표시 장치의 최대 휘도를 초과할 경우 표시 장치의 최대 휘도를 프레임 최대 휘도로 출력한다.
글로벌 디밍부(38)는 최대 휘도 추출부(36)로부터 공급된 프레임 최대 휘도에 대응하는 로컬 디밍 신호를 결정하여 출력한다. 글로벌 디밍부(38)는 도 7(a)에 예를 들어 나타낸 글로벌 디밍 프로파일에 따라 미리 설정된 LUT에서 프레임 최대 휘도(Lmax)에 대응하는 디밍 신호를 선택하여 글로벌 디밍 신호로 출력한다. 글로벌 디밍 프로파일은 표시 장치의 최대 휘도에 따라 달라질 수 있다.
APL 분석부(42)는 제1 디감마 처리부(20)로부터 공급된 HDR 영상의 3색 정규화 휘도를 로컬 디밍을 위한 다수의 블록으로 분할하고, 다수의 블록들 각각의 APL을 분석하여, 블록별 APL을 검출한다.
로컬 디밍부(44)는 APL 분석부(42)로부터 공급된 블록별 APL에 대응하는 블록별 로컬 디밍 신호를 결정하고, 글로벌 디밍부(38)로부터 공급된 글로벌 디밍 신호를 적용하여 백라이트 구동부(700)로 출력할 최종 로컬 디밍 신호를 결정한다. 로컬 디밍부(44)는 도 7(b)에 예를 들어 나타낸 로컬 디밍 프로파일을 따라 미리 설정된 LUT에서 블록별 APL에 대응하는 로컬 디밍 신호를 선택한다. 로컬 디밍부(44)는 블록별 로컬 디밍 신호를 글로벌 디밍부(38)로부터 공급된 글로벌 디밍 신호와 곱셈 연산함으로써 글로벌 디밍 신호에 따라 조정된 로컬 디밍 신호를 백라이트 구동부(700)로 출력한다.
APL 분석부(42)는 제2 디감마 처리부(40)로부터 공급된 SDR 영상의 3색 정규화 휘도를 블록별로 분석하여 블록별 APL을 검출하고, 로컬 디밍부(44)는 전술한 바와 같이 블록별 APL에 따른 로컬 디밍 신호를 선택하여 백라이트 구동부(700)로 출력한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 HDR를 위한 4색 표시 장치는 HDR 영상에 적합한 EOTF 맵핑과 4색 변환 방법 및 롤-오프 처리를 이용함으로써 순색 휘도 저하를 방지함과 아울러 무채색의 계조 표현력을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 HDR를 위한 4색 액정 표시 장치는 HDR 영상을 표시할 때 프레임 최대 휘도에 따른 글로벌 디밍과 블록별 APL에 따른 로컬 디밍을 모두 적용하여 백라이트 휘도를 제어함으로써 소비 전력을 감소킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 HDR 액정 표시 장치는 프레임 최대 휘도를 이용한 글로벌 디밍과, 블록별 APL을 이용한 로컬 디밍을 모두 적용하여 백라이트 휘도를 제어한다. HDR 프리미엄 인증을 위한 이미지 시그널 블랙 패턴(Image Signal Black Pattern)을 표시할 때 로컬 디밍에 의한 블록별 휘도가, 글로벌 디밍에 의해 전체적으로 더욱 감소하여 블랙 휘도 0.1 니트를 달성할 수 있으므로 HDR 표준을 만족시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 HDR 액정 표시 장치는 SDR 영상을 표시할 때 기존과 동일한 영상 처리 과정을 수행하므로 SDR 영상과 HDR 영상의 호환이 가능하다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 WRGB 액정 표시 장치의 순색 휘도 저하 방지 효과를 보여주는 것이다.
도 8을 참조하면, 선행 기술의 M+ WRGB 액정 표시 장치에서는 영상 특징(APL 등)에 따른 프레임 게인에 의해 HDR 영상의 3색 데이터를 보정한 후 4색 데이터로 변환하는 과정에서, 배경 영상의 밝기가 증가하면 R, G, B, W 패치의 휘도가 50% 정도 저하되는 문제점이 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 M+ WRGB 액정 표시 장치에서는 프레임 게인에 의한 HDR 영상의 3색 데이터의 보정없이 표시 장치의 RGB 조합의 최대 휘도로 정규화한 후 WRGB 데이터로 변환하고 롤-오프 처리함으로써 배경에 상관없이 R, G, B, W 패치의 휘도가 유지됨을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 M+ WRGB 표시 장치에서 저계조 표현력 증가 효과를 보여주는 그래프이다.
도 9를 참조하면, HDR 영상의 PQ-EOTF를 전술한 바와 같이 표시 장치에 맞게 EOTF 맵핑했을 때, 휘도가 1니트에서 2니트로 변하는 동안 RGB 표시 장치(500니트, 8비트)는 8개의 계조 스텝을 갖고, 선행의 M+ WRGB 표시 장치(500니트, 8비트)는 9개의 계조 스텝을 갖는 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 M+ WRGB 표시 장치(500니트, 8비트, Bypass)는 12개의 계조 스텝을 갖게 됨을 알 수 있다. 따라서, 동일 휘도 범위에서 본 발명의 일 실시예에 따른 M+ WRGB 표시 장치가 RGB 대비 세밀한 계조 표현이 가능하여 저계조 표현력이 증가함을 알 수 있다.
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 청구 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
100: 타이밍 컨트롤러 200: 데이터 구동부
300: 게이트 구동부 400: 액정 패널
500: 감마 전압 생성부 600: 백라이트 유닛
700: 백라이트 구동부 50, 150: 영상 처리 모듈
10: 영상 판단부 20: 제1 디감마 처리부
22: EOFT 맵핑부 24: 제1 4색 변환부
26: 롤-오프 처리 28: 감마 처리부
30: 제2 디감마 처리부 32: 3색 보정부
34: 제2 4색 변환부 36: 최대 휘도 추출부
38: 글로벌 디밍 42: APL 분석부
44: 로컬 디밍부

Claims (7)

  1. 4색 서브픽셀을 구비하는 표시 패널과,
    상기 표시 패널을 구동하는 구동 회로와,
    HDR 영상의 3색 소스 데이터를 3색 휘도로 변환하고, 상기 3색 휘도 각각을 해당 표시 장치의 4색 중 화이트를 제외한 나머지 3색의 조합의 최대 휘도로 정규화하고, 정규화한 3색 휘도를 4색 휘도로 변환하고, 상기 4색 휘도를 감마 처리하여 4색 영상 데이터를 상기 구동 회로로 공급하는 영상 처리 모듈을 포함하고,
    상기 영상 처리 모듈은
    상기 HDR 영상의 3색 소스 데이터를 제1 디감마 처리하여 상기 3색 휘도를 출력하는 제1 디감마 처리부와,
    상기 제1 디감마 처리부로부터 공급된 상기 3색 휘도를 상기 해당 표시 장치의 3색 조합의 최대 휘도로 정규화하는 휘도 맵핑부와,
    상기 휘도 맵핑부로부터 공급된 상기 정규화한 3색 휘도를 상기 4색 휘도로 변환하는 제1 4색 변환부와,
    상기 4색 변환부로부터 공급된 상기 4색 휘도를 분석한 휘도 분포를 고려하여 상기 4색 휘도를 적응적으로 롤-오프 처리하여 보정하는 롤-오프 처리부와,
    상기 롤-오프 처리부로부터 공급된 상기 보정된 4색 휘도를 감마 처리하여 상기 4색 영상 데이터를 상기 구동 회로로 출력하는 감마 처리부를 포함하고,
    상기 롤-오프 처리부는
    상기 4색 휘도를 분석하여, 상기 표시 패널에서 상기 3색 조합의 최대 휘도를 초과하는 서브픽셀 수의 비율을 계산하고, 그 계산 결과에 따라 롤-오프 포인트와 클립핑 포인트를 결정하고, 상기 롤-오프 포인트와 상기 클립핑 포인트 사이에 포함되는 해당 휘도를 롤-오프 처리하여 보정하는 4색 표시 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 표시 패널은 액정 패널이고,
    다수의 발광 블록을 포함하는 백라이트 유닛과,
    상기 영상 처리 모듈로부터 공급되는 출력 로컬 디밍 신호에 따라 상기 다수의 발광 블록을 개별적으로 구동하는 백라이트 구동부를 추가로 구비하고,
    상기 영상 처리 모듈은
    상기 제1 디감마 처리부로부터 공급된 상기 3색 휘도를 프레임 단위로 분석하여 프레임 최대 휘도를 추출하는 최대 휘도 추출부와,
    상기 최대 휘도 추출부로부터 공급된 프레임 최대 휘도에 대응하는 글로벌 디밍 신호를 결정하여 출력하는 글로벌 디밍부와,
    상기 제1 디감마 처리부로부터 공급된 상기 3색 휘도를 상기 다수의 발광 블록에 각각 대응하는 상기 다수의 블록으로 분할 분석하여 블록별 APL을 산출하는 APL 분석부와,
    상기 APL 분석부로부터 공급된 블록별 APL에 대응하는 블록별 로컬 디밍 신호를 결정하고 상기 글로벌 디밍 신호와 곱셈 연산하여 상기 출력 로컬 디밍 신호를 상기 백라이트 구동부로 출력하는 로컬 디밍부를 추가로 구비하는 4색 표시 장치.
  5. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 영상 처리 모듈은
    콘텐츠 정보에 따라, 상기 HDR 영상과 SDR 영상의 출력단을 구분하여 공급하는 영상 판단부와,
    상기 영상 판단부로부터 공급된 SDR 영상을 제2 디감마 처리하여 SDR의 3색 휘도를 출력하는 제2 디감마 처리부와,
    상기 제2 디감마 처리부로터 공급된 상기 SDR의 3색 휘도를 분석한 영상 특성에 따른 프레임 게인으로 상기 3색 휘도를 보정하는 3색 보정부와,
    상기 3색 보정부로부터 공급된 상기 보정된 3색 휘도를 제2 4색 휘도로 변환하여 상기 감마 처리부로 공급하는 제2 4색 변환부를 추가로 구비하는 4색 표시 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 APL 분석부는 상기 제2 디감마 처리부로부터 공급된 상기 SDR의 3색 휘도를 상기 다수의 블록으로 분할 분석하여 상기 블록별 APL을 산출하고,
    상기 로컬 디밍부는 상기 APL 분석부로부터 공급된 블록별 APL에 대응하는 상기 블록별 로컬 디밍 신호를 결정하여 상기 출력 로컬 디밍 신호로 출력하는 4색 표시 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 롤-오프 처리부는 "(1+ "Lmax_rgb 초과 비율") *(1- "Lmax_rgb 초과 비율")"을 계산하여 1 ~ 최대 클립핑 포인트의 범위에서 상기 클립핑 포인트를 결정하고, 상기 Lmax_rgb 는 상기 4색 중 화이트를 제외한 상기 나머지 3색의 조합의 최대 휘도를 의미하는 4색 표시 장치.
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