KR102554379B1 - 하이 다이나믹 레인지 영상 처리 방법 및 영상 처리 모듈과 그를 이용한 표시 장치 - Google Patents

하이 다이나믹 레인지 영상 처리 방법 및 영상 처리 모듈과 그를 이용한 표시 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 조도에 따라 시인성을 향상시킬 수 있는 영상 처리 방법 및 모듈과 표시 장치를 제공한다. 일 실시예의 영상 처리 방법 및 모듈은 조도 센서로부터 센싱된 조도 정보를 공급받아 PQ-EOTF를 조절하고, 조절된 PQ-EOTF를 이용하여 제1 HDR 영상의 계조 정보를 제2 HDR 영상의 휘도 정보로 변환한다. 일 실시예의 영상 처리 방법 및 모듈은 제2 HDR 영상의 휘도 정보를 분석하여 제2 HDR 영상내에서 표시 장치의 타겟 피크 휘도 이상의 픽셀들이 차지하는 고휘도 비율을 산출한다. 일 실시예의 영상 처리 방법 및 모듈은 고휘도 비율에 따라 서로 다른 맵핑 함수를 이용하여 제2 HDR 영상을 표시 장치에 맞는 제3 HDR 영상으로 휘도 맵핑한다.

Description

하이 다이나믹 레인지 영상 처리 방법 및 영상 처리 모듈과 그를 이용한 표시 장치 {IMAGE PROCESSING METHOD AND MODULE FOR HIGH DYNAMIC RANGE (HDR) AND DISPLAY DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 조도에 따라 시인성을 향상시킬 수 있는 하이 다이나믹 레인지(HDR) 영상 처리 방법 및 영상 처리 모듈과 그를 이용한 표시 장치에 관한 것이다.
사람은 실제 환경에서 대략 10-6 ~ 108니트(nits=cd/m2)의 넓은 밝기 범위를 인지할 수 있으며, 이를 고려한 하이 다이나믹 레인지(High Dynamic Range; 이하 HDR) 기술은 카메라 분야를 넘어 영상 제작 및 디스플레이 개발 등까지 확장되고 있다.
HDR 영상은 SMPTE(Society of Motion Picture and Television Engineers) ST.2084에 표준으로 규정된 지각적인 양자화 광학-전기 변환 함수(Perceptual Quantizer Optical-Electro Transfer Function; 이하 PQ-OETF)를 이용하여 인코딩된 것으로 0 ~ 10,000니트(nits) 범위의 하이 다이나믹 레인지를 갖는다.
표시 장치는 HDR 영상을 표시하기 위하여, SMPTE ST.2084에 표준으로 규정된 지각적인 양자화 전기-광학 변환 함수(Perceptual Quantizer Electro-Optical Transfer Function; 이하 PQ-EOTF)를 이용한 영상 처리 과정을 필요로 한다.
그러나, 표시 장치의 영상 처리 과정에서 이용되는 PQ-EOTF는 암실 환경에서 도출된 것으로 명실 환경에서의 인지 휘도 차이(JND)를 반영하지 못하는 취약점이 있다.
이로 인하여, 표시 장치가 PQ-EOTF를 이용한 영상 처리 과정을 거친 HDR 영상을 명실 환경에서 표시하는 경우 영상의 고휘도 영역이 뭉쳐 보이는 휘도 포화 현상이 발생하여 시인성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 HDR 영상의 시인성을 조도에 따라 적응적으로 향상시킬 수 있는 HDR 영상 처리 방법 및 영상 처리 모듈과 그를 이용한 표시 장치를 제공한다.
일 실시예의 영상 처리 방법 및 모듈은 조도 센서로부터 센싱된 조도 정보를 공급받아 PQ-EOTF를 조절하고, 조절된 PQ-EOTF를 이용하여 제1 HDR 영상의 계조 정보를 제2 HDR 영상의 휘도 정보로 변환한다.
일 실시예의 영상 처리 방법 및 모듈은 제2 HDR 영상의 휘도 정보를 분석하여 제2 HDR 영상내에서 표시 장치의 타겟 피크 휘도 이상의 픽셀들이 차지하는 고휘도 비율을 산출한다.
일 실시예의 영상 처리 방법 및 모듈은 고휘도 비율에 따라 서로 다른 맵핑 함수를 이용하여 제2 HDR 영상을 표시 장치에 맞는 제3 HDR 영상으로 휘도 맵핑한다.
일 실시예의 영상 처리 방법 및 모듈은 PQ-OETF를 이용하여 제3 HDR 영상의 휘도 정보를 제4 HDR 영상의 계조 정보로 변환하여 출력한다.
일 실시예의 영상 처리 방법 및 모듈은 고휘도 비율이 기준값을 초과하는 경우, 제2 HDR 영상에서 타겟 피크 휘도 이하의 제1 휘도 부분은 선형의 제1 맵핑 함수를 이용하고, 타겟 피크 휘도 이상의 제2 휘도 부분은 비선형의 제2 맵핑 함수를 이용하며, 고휘도 비율이 기준값 이하인 경우, 제1 맵핑 함수를 이용한다.
일 실시예의 영상 처리 방법 및 모듈은 고휘도 비율이 기준값을 초과하는 경우, 제2 HDR 영상에서 제2 휘도 부분을, 표시 장치의 상기 타겟 피크 휘도와 표시 장치의 최대 휘도 사이의 범위에서 제2 맵핑 함수를 따라 휘도 상승되게 하고, 휘도 비율이 기준값 이하인 경우, 제2 휘도 부분을 타겟 피크 휘도로 맵핑한다.
일 실시예의 표시 장치는 전술한 영상 처리 모듈을 이용한다.
본 발명의 일 실시예는 조도에 따라 PQ-EOTF 커브를 조절하여 HDR 영상의 휘도를 조절하고, 조절된 HDR 영상에서 고휘도 비율이 기준치 이상인 경우, 표시 장치의 타겟 피크 휘도 이상의 고휘도 부분에 대한 휘도 상승을 통해 HDR 영상의 계조 구분력이 증가하고 휘도 포화가 완화됨으로써 시인성 및 화질을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는 조도에 따라 조절된 HDR 영상에서 고휘도 비율이 기준치 미만인 경우, HDR 영상을 표시 장치의 타겟 피크 휘도 이하로 표시함으로써 시인성을 향상시키고 소비 전력을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 HDR 표시 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 HDR 영상 처리 방법을 단계적으로 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 HDR 영상 처리 모듈을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 휘도 맵핑 함수를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 HDR 표시 장치의 영상 처리 결과를 PQ-EOTF 커브를 이용하여 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 HDR 표시 장치에서 고휘도 비율이 기준값보다 큰 HDR 영상을 표시할 때 영상 처리 결과를 보여주는 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 HDR 표시 장치에서 고휘도 비율이 기준값보다 작은 HDR 영상을 표시할 때 영상 처리 효과를 보여주는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 HDR 표시 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 HDR 영상 처리 방법을 단계적으로 나타낸 흐름도이다.
도 1에 도시된 HDR 표시 장치는 영상 처리 모듈(500)을 갖는 타이밍 컨트롤러(100), 패널 구동부인 데이터 구동부(200) 및 게이트 구동부(300), 표시 패널(400), 영상 처리 모듈(500), 조도 센서(600), 전원부, 감마 전압 생성부 등을 포함한다.
표시 패널(400)은 픽셀들이 매트릭스 형태로 배열된 픽셀 어레이를 통해 영상을 표시한다. 기본 픽셀은 화이트(W), 레드(R), 그린(G), 블루(B) 서브픽셀들 중 컬러 혼합으로 화이트 표현이 가능한 적어도 3개 서브픽셀들(W/R/G, B/W/R, G/B/W, R/G/B, 또는 W/R/G/B)로 구성될 수 있다.
표시 패널(400)은 액정 표시(Liquid Crystal Display; LCD) 패널 또는 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode; OLED) 패널이 이용될 수 있으며, 이하에서는 표시 패널(400)이 OLED 패널인 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
표시 패널(400)이 OLED 패널인 경우 각 서브픽셀(SP)은 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이 고전위 전원(EVDD)의 공급 라인(PL1) 및 저전위 전원(EVSS)의 공급 라인(PL2) 사이에 접속된 OLED 소자와, OLED 소자를 독립적으로 구동하기 위하여 적어도 제1 및 제2 스위칭 TFT(ST1, ST2) 및 구동 TFT(DT)와 스토리지 커패시터(Cst)를 포함하는 픽셀 회로를 구비하며, 픽셀 회로 구성은 다양하므로 도 1의 구조로 한정되지 않는다.
OLED 소자는 구동 TFT(DT)와 접속된 애전극과, 저전위 전압(EVSS)의 공급 라인(PL2)과 접속된 캐소드와, 애노드 및 캐소드 사이의 발광층을 구비하여, 구동 TFT(DT)를 통해 공급된 전류량에 비례하는 광을 발생한다.
제1 스위칭 TFT(ST1)는 한 게이트 라인(GLa)의 게이트 신호에 의해 구동되어 해당 데이터 라인(DL)으로부터의 데이터 전압을 구동 TFT(DT)의 게이트 전극에 공급하고, 제2 스위칭 TFT(ST2)는 다른 게이트 라인(GLb)의 게이트 신호에 의해 구동되어 레퍼런스 라인(RL)으로부터의 레퍼런스 전압을 구동 TFT(DT)의 소스 전극에 공급한다. 제2 스위칭 TFT(ST2)는 센싱 모드에서 구동 TFT(DT)로부터의 전류를 레퍼런스 라인(RL)으로 출력하는 경로로 더 이용될 수 있다.
구동 TFT(DT)의 게이트 전극 및 소스 전극 사이에 접속된 스토리지 커패시터(Cst)는 제1 스위칭 TFT(ST1)를 통해 게이트 전극으로 공급된 데이터 전압과, 제2 스위칭 TFT(ST2)를 통해 소스 전극으로 공급된 레퍼런스 전압의 차전압을 충전하여 구동 TFT(DT)의 구동 전압으로 공급한다.
구동 TFT(DT)는 고전위 전원(EVDD)의 공급 라인(PL1)으로부터 공급되는 전류를 스토리지 커패시터(Cst)로부터 공급된 구동 전압에 따라 제어함으로써 구동 전압에 비례하는 전류를 OLED 소자로 공급하여 OLED 소자를 발광시킨다.
데이터 구동부(200)는 타이밍 컨트롤러(100)로부터 데이터 제어 신호 및 영상 데이터를 공급받는다. 데이터 구동부(200)는 데이터 제어 신호에 따라 구동되어, 감마 전압 생성부로부터 공급된 레퍼런스 감마 전압 세트를 계조 전압들로 세분화한 다음, 세분화된 계조 전압들을 이용하여 디지털 영상 데이터를 각각 아날로그 데이터 신호로 변환하고, 아날로그 데이터 신호를 표시 패널(400)의 각 데이터 라인에 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 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.
조도 센서(600)는 표시 장치에 장착되어 표시 장치의 외부 조도를 센싱하고, 센싱된 조도 정보를 영상 처리 모듈(500)로 공급한다.
타이밍 컨트롤러(100)는 외부 시스템으로부터 HDR 영상 데이터 및 타이밍 신호 등을 공급받는다. 타이밍 컨트롤러(100)는 입력된 타이밍 신호들을 이용하여 데이터 구동부(200) 및 게이트 구동부(300)의 구동 타이밍을 각각 제어한다. 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 있으며, 이 경우 타이밍 컨트롤러(100)는 도트 클럭에 따라 데이터 인에이블 신호를 카운트하여 수직 동기 신호 및 수평 동기 신호를 생성하여 이용할 수 있다. 데이터 구동부(200) 구동을 제어하는 데이터 제어 신호들은 소스 스타트 펄스, 소스 샘플링 클럭, 소스 출력 인에이블 신호 등을 포함할 수 있다. 게이트 구동부(300) 구동을 제어하는 게이트 제어 신호들은 게이트 스타트 펄스, 게이트 쉬프트 클럭, 게이트 출력 인에이블 신호 등을 포함할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(100)는 영상 처리 모듈(500)을 이용하여 HDR 영상 데이터에 대한 다양한 영상 처리를 수행하고 영상 처리된 데이터를 데이터 구동부(200)로 공급한다. 영상 처리 모듈(500)은 타이밍 컨트롤러(100) 내에 하드웨어도 구현되거나, 메모리에 저장된 소프트웨어의 영상 처리 모듈을 의미할 수 있다. 한편, 영상 처리 모듈(500)은 타이밍 컨트롤러(100)와 분리되어 별도의 IC로 구비될 수 있고, 이 경우 타이밍 컨트롤러(100)의 이전단에 위치할 수 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 영상 처리 모듈(500)의 영상 처리 방법을 설명한다.
영상 처리 모듈(500)은 조도에 따라 PQ-EOTF를 조절함으로써 HDR 영상의 휘도를 조절한다. (S2, S4) 다시 말하여, 영상 처리 모듈(500)은 PQ-EOTF를 이용하여 HDR 영상을 휘도 정보로 변환하고(S2), 조도에 따른 가중치를 적용하여 휘도 정보를 조절한다. (S4) 조도가 높을수록 가중치가 증가하여 HDR 영상의 휘도가 증가하게 되므로 표시 장치에 표시되는 HDR 영상의 시인성이 향상된다.
영상 처리 모듈(500)은 조도에 따라 휘도가 조절된 HDR 영상을 분석하여 표시 장치의 타겟 피크(Target Peak) 이상의 고휘도 부분이 영상내에서 차지하는 고휘도 비율을 산출한다. (S6)
통상적으로, OLED 표시 장치는 색온도를 맞추기 위하여 4색(W/R/G/B)의 서브픽셀들 중 3색의 서브픽셀들(W/R/G, B/W/R, G/B/W, R/G/B)을 이용하여 최대 휘도(실력치)보다 낮은 타겟 피크 휘도로 화이트를 구현한다. 예를 들어, OLED 표시 장치가 표현 가능한 최대 휘도가 800니트일 때, 타겟 피크 휘도는 540니트로 설정될 수 있다.
영상 처리 모듈(500)은 HDR 영상의 다이나믹 레인지를 표시 장치의 다이나믹 레인지로 휘도 맵핑할 때, 타겟 피크 이하의 제1 휘도 부분은 제1 맵핑 함수를 이용하고, 타겟 피크 이상의 제2 휘도 부분은 HDR 영상의 고휘도 비율에 따라 휘도 상승을 위한 제2 맵핑 함수를 선택적으로 이용한다. (S8~S12)
구체적으로, 영상 처리 모듈(500)은 HDR 영상의 고휘도 비율이 기준값을 초과하는 경우(S8, Y), 타겟 피크 이하의 제1 휘도 부분은 제1 맵핑 함수를 이용하여 맵핑하고, 타겟 피크 이상의 제2 휘도 부분(고휘도 부분)은 비선형의 제2 맵핑 함수를 이용하여 표시 장치의 실력치인 최대 휘도까지 휘도를 상승시킨다.(S10) 이에 따라, 고휘도 부분의 계조 구분력이 증가하고 휘도 포화가 완화됨으로써 HDR 영상의 화질을 향상시킬 수 있다.
반면에, 영상 처리 모듈(500)은 HDR 영상의 고휘도 비율이 기준값 미만인 경우, 타겟 피크 이하의 제1 휘도 부분은 제1 맵핑 함수를 이용하여 맵핑하고, 타겟 피크 이상의 제2 휘도 부분(고휘도 부분)은 제2 맵핑 함수를 이용하지 않고 타겟 피크 휘도로 클립핑한다.(S12) 이에 따라, HDR 영상을 타겟 피크 휘도 이하로 표시함으로써 소비 전력을 유지할 수 있다.
영상 처리 모듈(500)은 표시 장치의 다이나믹 레인지로 맵핑된 HDR 영상의 휘도 정보를 PQ-EOTF의 역함수인 PQ-OETF를 통해 계조 정보로 변환하여 데이터 구동부(200)로 공급한다.(S16)
한편, 영상 처리 모듈(500)은 전술한 영상 처리 과정 이전에 HDR 영상의 3색(RGB) 데이터를 4색(WRGB) 데이터로 변환하는 등의 필요한 영상 전처리 과정을 더 수행할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는 조도에 따라 HDR 영상의 휘도를 조절하고, 조절된 HDR 영상에서 고휘도 비율이 기준치 이상인 경우, 고휘도 부분의 휘도 상승을 통해 HDR 영상의 계조 구분력이 증가하고 휘도 포화가 완화됨으로써 시인성 및 화질을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는 조도에 따라 조절된 HDR 영상에서 고휘도 비율이 기준치 미만인 경우, HDR 영상을 타겟 휘도 이하로 표시함으로써 시인성을 향상시키고 소비 전력을 유지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 처리 모듈의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 휘도 맵핑 함수를 나타낸 그래프이다.
도 3에 도시된 영상 처리 모듈(500)은 EOTF 처리부(502), 휘도 분석부(504), 휘도 맵핑부(506), OETF 처리부(508)를 구비한다. 영상 처리 모듈(505)을 구성하는 "~부"는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 블록으로, 하드웨어를 의미하거나, 메모리에 저장된 소프트웨어의 영상 처리 모듈을 의미할 수 있다.
EOTF 처리부(502)는 공급된 HDR 영상의 계조 정보를 아래 수학식 1, 2를 포함하는 PQ-EOTF를 이용하여 휘도 정보로 변환하고, 조도 센서(600)로부터 공급된 조도 정보에 따른 가중치를 적용하여 휘도 정보를 조절한다.
<수학식 1>
Figure 112016106368016-pat00001
<수학식 2>
C = 10000L
수학식 1에서 N은 비선형 컬러값으로, 각 서브픽셀의 컬러 계조값을 비트-뎁스(bit-depth)로 정해지는 최대값(예를 들면, 10비트 일 때 1023)으로 나누어 0~1로 정규화한 값을 의미하고, L은 0~1 범위의 선형 컬러값을 의미한다. m1~m2, 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.
EOTF 처리부(502)는 수학식 1을 이용하여 각 서브픽셀의 계조 정보를 선형 컬러값(L)으로 변환하고, 수학식 2를 이용하여 선형 컬러값(L)을 HDR 0~10000nits 범위의 절대 휘도(C)로 스케일링함으로써, 각 서브픽셀의 계조 정보를 휘도 정보로 변환한다.
EOTF 처리부(502)는 각 서브픽셀의 휘도 정보에 조도 정보에 따른 가중치를 곱하여 조절한다. 영상 처리 모듈(500)이 이용하는 메모리에는 조도 센서(600)로부터 공급되는 조도 구간 정보에 따라 서로 다른 가중치가 룩업 테이블(Look-up table; LUT)로 저장되어 있다. EOTF 처리부(502)는 LUT에서 조도 구간 정보에 따른 가중치를 선택하고, 선택된 가중치를 각 서브픽셀의 휘도 정보에 곱하여 휘도 정보를 조도에 따라 조절한다. 조도가 높을수록 가중치가 증가하여 휘도가 상승되므로 조도가 높은 경우에도 시인성이 향상된다.
휘도 분석부(504)는 EOTF 처리부(502)로부터 공급된 HDR 영상의 휘도 정보를 분석하여 표시 장치의 타겟 피크 휘도 이상의 고휘도 부분이 HDR 영상내에서 차지하는 고휘도 비율을 산출한다. 휘도 분석부(504)는 HDR 영상의 휘도 정보를 적어도 프레임 단위로 분석하여 영상내에서 타겟 피크 휘도 이상을 갖는 고휘도 픽셀들의 빈도수를 카운트한다. 휘도 분석부(504)는 전체 픽셀수에 대한 고휘도 픽셀들의 빈도수 비율을 산출하여 고휘도 비율로 출력한다. 휘도 분석부(504)는 각 픽셀내 서브픽셀들의 휘도값들 중 최대값을 각 픽셀의 대표값으로 검출하고, 각 픽셀의 대표값을 타겟 피크 휘도와 비교하여, 각 픽셀의 대표값이 타겟 피크 휘도 이상인 픽셀을 고휘도 픽셀로 카운트할 수 있다.
휘도 맵핑부(506)는 휘도 분석부(504)로부터 공급된 HDR 영상 및 고휘도 비율을 공급받는다. 휘도 맵핑부(506)는 고휘도 비율에 따라 HDR 영상의 휘도 정보를 표시 장치의 다이나믹 레인지로 휘도 맵핑한다.
구체적으로, 휘도 맵핑부(506)는 휘도 맵핑 이전에 입력 휘도(Yin)인 HDR 영상의 절대 휘도를, 표시 장치의 최대 휘도(Ymax_display)로 나누어 정규화 휘도(상대 휘도)Ypq)로 변환한다. 휘도 맵핑부(506)는 고휘도 비율에 따라 서로 다른 맵핑 함수를 이용하여 HDR 영상의 정규화 휘도(Ypq)에 대응하는 입력 휘도(Yin)를, 표시 장치의 정규화 휘도(Ydisplay)에 대응하는 출력 휘도(Yout)로 맵핑한다. 예를 들어, 표시 장치의 최대 휘도가 800니트인 경우, HDR 영상의 정규화 휘도(Ypq)는 0~12.5의 범위를 갖고, 표시 장치의 정규화 휘도(Ydisplay)는 0~1의 범위를 갖는다.
휘도 맵핑부(506)는 도 4에 도시된 맵핑 함수를 이용하여 HDR 영상의 입력 휘도(Yin)를 표시 장치의 출력 휘도(Yout)로 맵핑한다. 맵핑 함수는 표시 장치의 타겟 피크 휘도(Ytp)를 기준으로 구분되는 제1 및 제2 맵핑 함수(MF1, MF2)를 포함한다. 휘도 맵핑부(506)는 고휘도 비율에 따라 제2 맵핑 함수(MF2)를 선택적으로 적용한다.
예를 들어, 표시 장치의 최대 휘도가 800니트이고, 타겟 피크가 540니트인 경우, 도 4에 도시된 맵핑 함수에서 타겟 피크 포인트(Ytp)는 540/800=0.675가 될 수 있다.
휘도 맵핑부(506)는 고휘도 비율이 기준값(TH)을 초과하는지 여부에 따라 제1 및 제2 맵핑 함수(MF1, MF2)를 이용하여 입력 휘도(Yin)를 출력 휘도(Yout)로 맵핑하거나, 제1 맵핑 함수(MF2)를 이용하여 입력 휘도(Yin)를 출력 휘도(Yout)로 맵핑한다.
HDR 영상내 고휘도 비율이 기준값(TH) 이하인 경우, 휘도 맵핑부(506)는 제1 맵핑 함수(MF1: Yout = kYin)를 입력 휘도(Yin)를 출력 휘도(Yout)로 맵핑한다. 제1 맵핑 함수(MF1)에서 기울기(k)가 1로 설정된 경우, 타겟 피크 휘도(Ytp) 이하에 속하는 서브픽셀의 입력 휘도(Yin)가 맵핑되는 표시 장치의 출력 휘도(Yout)는 입력 휘도(Yin)와 동일함을 알 수 있다. 휘도 맵핑부(506)는 타겟 피크 휘도(Ytp)를 초과하는 서브픽셀의 입력 휘도(Yin)는 모두 표시 장치의 타겟 피크 휘도(Ytp)로 맵핑한다. 이에 따라, HDR 영상에서 타겟 피크 이상의 휘도는 모두 표시 장치의 타겟 피크 휘도로 클립핑되어 표시되므로 소비 전력을 유지할 수 있다.
HDR 영상내 고휘도 비율이 기준값(TH)을 초과하는 경우, 휘도 맵핑부(506)는 제1 및 제2 맵핑 함수(MF1, MF2)를 이용하여 입력 휘도(Yin)를 출력 휘도(Yout)로 맵핑한다. 휘도 맵핑부(506)는 타겟 피크 휘도(Ytp) 이하에 속하는 서브픽셀의 입력 휘도(Yin)를, 전술한 바와 같이 선형의 제1 맵핑 함수(MF1: Yout = kYin)를 이용하여 출력 휘도(Yout)로 맵핑한다.
휘도 맵핑부(506)는 타겟 피크 휘도(Ytp)와 최대 휘도(Ymax) 사이의 고휘도 부분에 속하는 서브픽셀의 입력 휘도(Yin)를, 비선형의 제2 맵핑 함수(MF2)를 이용하여 표시 장치의 타겟 피크 휘도(Ytp)와 최대 휘도(Ymax) 사이의 범위에서 점진적으로 휘도가 상승되는 출력 휘도(Yout)로 맵핑한다. 이에 따라, HDR 영상에서 타겟 피크 휘도(Ytp)와 최대 휘도(Ymax) 사이의 고휘도 부분이 포화되지 않고 계조 구분이 가능하게 휘도가 상승됨으로써 HDR 영상의 화질을 향상시킬 수 있다.
도 4에 도시된 비선형의 제2 맵핑 함수(MF2)는 아래 수학식 3으로 정의될 수 있다.
<수학식 3>
Figure 112016106368016-pat00002
수학식 3에서 Ytp는 표시 장치의 정규화된 타겟 피크 휘도이고, Ycp는 입력 휘도(Yin)의 정규화된 클립핑(Clipping) 휘도이며, b는 상수로써 b값이 작을수록 커브가 완만해지므로 실험을 통해 자연스러운 커브가 만들어지는 값으로 설정된다. 입력 휘도(Yin)의 클립핑 휘도(Ycp)는 HDR 영상의 최대 휘도를 표시 장치의 최대 휘도로 나누어 정규화한 휘도이다. HDR 영상의 최대 휘도는 10000니트이나 표시 장치가 표시 가능한 휘도 한계치를 고려하여 컨텐츠 제작 업체에서 마스터링(mastering)할 때 통상 이용하는 4000니트를 표시 장치의 최대 휘도(예를 들면, 800니트)로 나누어 정규화하면 클립핑 휘도(Ycp)는 4000/8000=5로 설정될 수 있다. 한편, 입력 휘도(Yin)의 클립핑 휘도(Ycp)는 표시 장치의 최대 휘도(Ymax)로 설정될 수 있다. 클립핑 휘도(Ycp) 또는 최대 휘도(Ymax) 보다 큰 입력 휘도(Yin)는 모두 표시 장치의 최대 휘도(Ymax)로 맵핑된다.
OETF 처리부(508)는 휘도 맵핑부(506)로부터 공급된 각 서브픽셀의 휘도 정보(Yout)를 전술한 PQ-EOTF의 역함수인 PQ-OETF를 이용하여 계조 정보로 변환한 후 출력한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 HDR 표시 장치의 영상 처리 결과를 PQ-EOTF 커브를 이용하여 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, HDR 표시 장치는 기본 PQ-EOTF 커브를 따라 입력 계조에 대한 출력 휘도를 표시하고, 표시 장치에서 설정된 타겟 피크 휘도까지의 계조를 표현할 수 있다. 조도에 따른 가중치를 적용하여 PQ-EOTF 커브를 조절하는 경우 조도에 따른 가중치가 증가할수록 PQ-EOTF 커브는 좌측으로 쉬프트되고, 조도 가중치에 따라 쉬프트된 PQ-EOTF1 커브에서는 기본 PQ-EOTF 커브와 대비하여 계조 대비 출력 휘도가 상승함을 알 수 있다. HDR 영상내에서 표시 장치의 타겟 피크 휘도(예를 들면, 540니트)를 초과하는 픽셀이 차지하는 고휘도 비율이 기준값(TH)을 초과하는 경우, 타겟 피크 휘도 이상의 고휘도에 대응하는 고계조 부분이 포화되지 않고 롤-오프 커브를 따라 타겟 피크 휘도로부터 최대 휘도까지 점진적으로 상승함으로써, HDR 영상의 계조 구분력이 증가하고 휘도 포화가 완화됨을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 HDR 표시 장치에서 고휘도 비율이 기준값보다 큰 HDR 영상을 표시할 때 영상 처리 결과를 보여주는 것이다.
도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 HDR 표시 장치에서 HDR 원본 영상(a)을 조도 가중치 적용없이 야외의 밝은 조도 환경에서 표시하는 경우(b) 시인성이 저하되지만, 조도 가중치를 적용하여 PQ-EOTF 커브를 조절한 결과(c) 야외의 밝은 조도 환경에서 시인성이 향상되었음을 알 수 있다. 또한, 표시 장치의 타겟 피크 휘도(540니트)를 초과하는 픽셀들이 영상내에서 차지하는 고휘도 비율(2%, 27%)이 기준값(TH=1.5%)을 초과하여, 표시 장치의 타겟 피크 휘도로부터 최대 휘도까지의 고휘도(고계조) 부분의 휘도를 상승시키는 영상 처리를 수행한 결과(d), 시인성이 향상되고 계조 뭉침이 완화되어 화질이 향상되었음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 HDR 표시 장치에서 고휘도 비율이 기준값보다 작은 영상을 영상을 표시할 때 영상 처리 효과를 보여주는 것이다.
도 7을 참조하면, 일 실시예에 따른 HDR 표시 장치에서 HDR 원본 영상(a)을 조도 가중치 적용없이 야외의 밝은 조도 환경에서 표시하는 경우(b) 시인성이 저하되지만, 조도 가중치를 적용하여 PQ-EOTF 커브를 조절한 결과(c) 야외의 밝은 조도 환경에서 시인성이 향상되었음을 알 수 있으며, 영상내의 고휘도 비율(0.5%)이 기준값(TH=1.5%) 이하임에 따라 휘도 상승을 위한 영상 처리는 수행되지 않은 결과임을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예는 조도에 따라 PQ-EOTF 커브를 조절하여 HDR 영상의 휘도를 조절하고, 조절된 HDR 영상에서 고휘도 비율이 기준치 이상인 경우, 표시 장치의 타겟 피크 휘도 이상의 고휘도 부분에 대한 휘도 상승을 통해 HDR 영상의 계조 구분력이 증가하고 휘도 포화가 완화됨으로써 시인성 및 화질을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는 조도에 따라 조절된 HDR 영상에서 고휘도 비율이 기준치 미만인 경우, HDR 영상을 표시 장치의 타겟 피크 휘도 이하로 표시함으로써 시인성을 향상시키고 소비 전력을 유지할 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: 영상 처리 모듈 600: 조도 센서
502: EOTF 처리부 504: 휘도 분석부
506: 휘도 맵핑부 508: OETF 처리부

Claims (8)

  1. EOTF(Electro-Optical Transfer Function, 전기-광학 전달 함수) 처리부에서 조도 센서를 통해 센싱된 조도 정보를 공급받는 단계와;
    상기 EOTF 처리부에서 상기 조도 정보에 따라 PQ-EOTF(지각적인 양자화 전기-광학 전달 함수)를 조절하고, 조절된 PQ-EOTF를 이용하여 제1 HDR 영상의 계조 정보를 제2 HDR 영상의 휘도 정보로 변환하는 단계와,
    휘도 분석부에서 상기 제2 HDR 영상의 휘도 정보를 분석하여 상기 제2 HDR 영상내에서 표시 장치의 타겟 피크 휘도 이상의 픽셀들이 차지하는 고휘도 비율을 산출하는 단계와,
    휘도 맵핑부에서 상기 고휘도 비율에 따라 서로 다른 맵핑 함수를 이용하여 상기 제2 HDR 영상을 상기 표시 장치에 맞는 제3 HDR 영상으로 휘도 맵핑하는 단계와,
    OETF(Optical-Electro Transfer Function, 광학-전기 전달 함수) 처리부에서 PQ-OETF(지각적인 양자화 광학-전기 전달 함수)를 이용하여 상기 제3 HDR 영상의 휘도 정보를 제4 HDR 영상의 계조 정보로 변환하여 출력하는 단계를 포함하는 영상 처리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 휘도 맵핑하는 단계는
    상기 고휘도 비율이 기준값을 초과하는 경우, 상기 제2 HDR 영상에서 상기 타겟 피크 휘도 이하의 제1 휘도 부분은 선형의 제1 맵핑 함수를 이용하고, 상기 타겟 피크 휘도 이상의 제2 휘도 부분은 비선형의 제2 맵핑 함수를 이용하고,
    상기 고휘도 비율이 상기 기준값 이하인 경우, 상기 제1 맵핑 함수를 이용하는 영상 처리 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 고휘도 비율이 기준값을 초과하는 경우, 상기 제2 HDR 영상에서 상기 제2 휘도 부분은, 상기 표시 장치의 상기 타겟 피크 휘도와 상기 표시 장치의 최대 휘도 사이의 범위에서 상기 제2 맵핑 함수를 따라 휘도 상승되고,
    상기 고휘도 비율이 기준값 이하인 경우, 상기 제2 HDR 영상에서 상기 제2 휘도 부분은 상기 타겟 피크 휘도로 맵핑되는 영상 처리 방법.
  4. 조도 센서로부터 센싱된 조도 정보를 공급받아 PQ-EOTF를 조절하고, 조절된 PQ-EOTF를 이용하여 제1 HDR 영상의 계조 정보를 제2 HDR 영상의 휘도 정보로 변환하는 EOTF 처리부와,
    상기 제2 HDR 영상의 휘도 정보를 분석하여 상기 제2 HDR 영상내에서 표시 장치의 타겟 피크 휘도 이상의 픽셀들이 차지하는 고휘도 비율을 산출하는 휘도 분석부와,
    상기 고휘도 비율에 따라 서로 다른 맵핑 함수를 이용하여 상기 제2 HDR 영상을 상기 표시 장치에 맞는 제3 HDR 영상으로 휘도 맵핑하는 휘도 맵핑부,
    PQ-OETF를 이용하여 상기 제3 HDR 영상의 휘도 정보를 제4 HDR 영상의 계조 정보로 변환하여 출력하는 OETF 처리부를 구비하는 영상 처리 모듈.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 휘도 맵핑부는
    상기 고휘도 비율이 기준값을 초과하는 경우, 상기 제2 HDR 영상에서 상기 타겟 피크 휘도 이하의 제1 휘도 부분은 선형의 제1 맵핑 함수를 이용하고, 상기 타겟 피크 휘도 이상의 제2 휘도 부분은 비선형의 제2 맵핑 함수를 이용하고,
    상기 고휘도 비율이 상기 기준값 이하인 경우, 상기 제1 맵핑 함수를 이용하는 영상 처리 모듈.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 휘도 맵핑부는
    상기 고휘도 비율이 기준값을 초과하는 경우, 상기 제2 HDR 영상에서 상기 제2 휘도 부분을, 상기 표시 장치의 상기 타겟 피크 휘도와 상기 표시 장치의 최대 휘도 사이의 범위에서 상기 제2 맵핑 함수를 따라 휘도 상승되게 하고,
    상기 고휘도 비율이 기준값 이하인 경우, 상기 제2 HDR 영상에서 상기 제2 휘도 부분을 상기 타겟 피크 휘도로 맵핑하는 영상 처리 모듈.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 휘도 맵핑부는
    상기 제2 HDR 영상을 상기 제3 HDR 영상으로 휘도 맵핑하기 이전에, 상기 제2 HDR 영상의 휘도 정보를 상기 표시 장치의 최대 휘도로 나누어 정규화된 입력 휘도로 변환하고,
    상기 제1 또는 제2 맵핑 함수를 이용하여 상기 입력 휘도를 상기 표시 장치의 정규화된 출력 휘도로 맵핑하는 영상 처리 모듈.
  8. 표시 패널과,
    청구항 4 내지 청구항 7 중 어느 한 청구항에 기재된 영상 처리 모듈과,
    상기 영상 처리 모듈로부터 공급된 HDR 영상이 표시되도록 상기 표시 패널을 구동하는 표시 패널 구동부를 구비하는 표시 장치.
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