TWI414859B - 應用於顯示器之控制裝置及控制方法 - Google Patents

Description

應用於顯示器之控制裝置及控制方法

本發明係指一種顯示面板的背光控制機制，尤指一種參考像素代表值來動態地調整背光亮度的控制裝置及相關控制方法。

目前使用於液晶顯示器中的背光源可分成兩種不同實作方式，其一為冷陰極管，另一則為發光二極體，雖然冷陰極管的技術目前已為業界所熟知，成本相對低廉，且普遍應用於各式電子顯示裝置中，但因以發光二極體作為背光源在達到同等級亮度時較冷陰極管來得省電，故目前已有設置發光二極體背光源的電子顯示裝置問市。話雖如此，目前技術並未對發光二極體背光源的亮度控制及相關運作進行更深入的探討。

因此，本發明之一目的在於提供一種可參考一輸入影像於一像素區域的代表值，以動態地調整不同背光單元之背光亮度的控制裝置及相關控制方法。該控制裝置可適當地減弱或增強不同背光單元的亮度，並於後續補償相對應之輸入影像的像素值，以呈現出理想的影像亮度，因此，本發明之控制裝置及控制方法具有省電及增強動態對比的兩大優點。

根據本發明的實施例，其係揭露一種應用於顯示裝置之控制裝置，顯示裝置具有一背光單元，其係對應於顯示裝置之一像素區域。該控制裝置包含有一參考值產生電路、一控制值產生電路與一補償電路。參考值產生電路，用以依據一輸入影像，產生對應該像素區域之一像素代表值。控制值產生電路，用以依據該像素代表值產生一背光控制值，以控制該背光單元之亮度。補償電路，用以根據該背光控制值調整該輸入影像對應於該像素區域之複數像素值。

根據本發明的實施例，其另揭露一種應用於顯示裝置之控制方法，顯示裝置具有一背光單元，其係對應於顯示裝置之一像素區域，該控制方法包含有：依據一輸入影像，產生對應該像素區域之一像素代表值；依據該像素代表值產生一背光控制值，以控制該背光單元之亮度；以及依據該背光控制值調整該輸入影像對應於該像素區域之複數像素值。

請參照第1圖，第1圖是本發明之實施例一顯示裝置100內多個發光二極體背光源與顯示面板的設置示意圖。如第1圖所示，圖中每一圓圈係代表一發光二極體背光源，而每一發光二極體背光源所重疊到的四個小正方形係為四個像素區域，該些像素區域可包含複數個像素，又或者該些像素區域可分別只包含單一像素，亦即每一像素區域係代表一單一像素；第1圖所示的每一發光二極體背光源係設計為發射背光至其所部分重疊到的四個像素區域，該些發光二極體背光源係以陣列方式排列，不同的發光二極體背光源可發射不同強度的背光亮度，而顯示裝置100控制該些發光二極體背光源亦可採用局部控制的方式，以節省控制電路的成本，例如，以相鄰的四個發光二極體背光源當作一背光單元，而將全部之發光二極體背光源分成多個背光單元，使每一背光單元接收同一組控制訊號，換言之，每一背光單元內之四個發光二極體背光源係產生相同強度的背光至顯示面板。然而，以上實施方式僅用以說明顯示裝置100的運作，不應為本發明的限制，其他實施變型皆可適用於顯示裝置100中。除了多個背光源與顯示面板外，本實施例的顯示裝置100另包含有用以控制該複數個背光源與顯示面板的一控制裝置200。

由於液晶顯示器所呈現之影像畫面的亮度係由背光亮度與液晶分子之灰階數值(即透光率)所共同貢獻，所以為了省電，控制裝置200可藉由調降背光亮度並適時地補償控制液晶分子之灰階數值來維持顯示器所呈現之影像畫面的亮度。請參照第2A圖，其係繪示本發明第一實施例之控制裝置200的示意圖。控制裝置200耦接至一背光控制電路215，並包含有一參考值產生電路205、一控制值產生電路210及一補償電路220，每一背光單元可分別提供背光至顯示面板之一對應的像素區域，在實施上，每一背光單元可包含一個或多個發光二極體元件，因此，控制裝置200可分別控制該些背光單元，使其各自發射具有適當背光亮度之背光至顯示面板上其對應的像素區域，並對應地調整輸入影像V_IN對應於該些像素區域的像素值，來達到省電的功效。具體來說，對於一輸入影像V_IN之一像素區域R(如第1圖所示)與其所對應之一背光單元，參考值產生電路205係根據輸入影像V_IN對應於像素區域R的複數個像素值來產生對應像素區域R的一像素代表值P_R及一像素極值P_E。在另一實施例中，像素極值P_E可根據輸入影像V_IN對應於像素區域R及其鄰近像素區域的複數個像素值所產生。控制值產生電路210用以依據像素代表值P_R與像素極值P_E來產生對應於像素區域R之背光單元的一背光控制值V_C，背光控制電路215則用以根據背光控制值V_C產生一背光控制訊號BL_CTRL，以控制或調整該背光單元的背光亮度BL。補償電路220則根據背光控制值V_C調整輸入影像V_IN對應於像素區域R之像素值，以補償輸入影像V_IN於像素區域R的亮度。

請參考第2B圖，其係為第2A圖所示之參考值產生電路205的一實施例之方塊示意圖。參考值產生電路205包含有一代表值產生單元2051與一極值產生單元2052，其中代表值產生單元2051用以產生像素代表值P_R，而極值產生單元2052用以產生像素極值P_E。像素代表值P_R係足可代表輸入影像V_IN於像素區域R的整體像素值分布(亦即灰階分布)、整體像素值變化或整體像素值的資訊，而代表值產生單元2051可運用以下數種方式來計算像素代表值P_R。例如，在一實施例中，代表值產生單元2051可根據輸入影像V_IN於像素區域R內的複數個像素值，計算出該些像素值的一平均值，以作為像素代表值P_R。而在另一實施例中，代表值產生單元2051可根據輸入影像V_IN於像素區域R的一像素值分布以決定像素代表值P_R，舉例來說，當輸入影像V_IN於像素區域R之複數個像素值超過一參考值的比例高於一預設值時，代表值產生單元2051則產生一較大之像素代表值P_R，反之，當輸入影像V_IN於像素區域R之複數個像素值超過一參考值的比例低於一預設值時，代表值產生單元2051則產生一較小之像素代表值P_R。凡上述計算像素代表值P_R的方式及其相關變化，皆應落入本發明的範疇。另外，前述的像素極值P_E在本實施例中係被設計為包含有一像素極大值，極值產生單元2052可逐一比較輸入影像V_IN於像素區域R內的各個像素值，從中挑選具有極大值的像素值作為像素極大值。

人眼於像素區域R上所見的影像畫面亮度係由像素區域R本身液晶分子之透光率(即灰階值)以及相對應背光單元的背光亮度大小所共同貢獻的，因此，本實施例為了達到省電的功效，控制裝置200係設計成參考代表輸入影像V_IN於像素區域R之像素代表值P_R及像素極大值來控制背光單元，降低背光單元所發出的背光亮度，並相對應地調整或補償輸入影像V_IN於像素區域R的像素值，以達到省電的效果。參考像素極大值來控制背光單元的用意是避免將其所發出的背光調得過暗，而造成後續補償像素值的困擾，亦即，本實施例係利用像素極大值來限制向下調整的背光亮度範圍(即背光單元所能具有最小的背光亮度)，以避免補償電路220補償像素值時可能產生的資料溢位(Overflow)的問題。若像素極大值較小，則表示輸入影像V_IN於像素區域R之整體像素值分布的值較小，後續在補償像素值時可向上補償的範圍較大，因此能夠向下調整的背光亮度範圍亦可較大。反之，若像素極大值較大，則後續在補償像素值時可向上補償的範圍應較小，以避免發生資料溢位，因此能夠向下調整的背光亮度範圍亦較小。如此，控制值產生電路210藉由參考像素極大值適應性地限定背光控制值V_C調降背光單元之背光亮度的最大值，可避免後續發生資料溢位的現象。由上可知，本實施例中的像素極大值係與背光控制電路215所能往下調整之背光單元的背光亮度範圍具有負相關的數值關係。

考慮到光線的擴散特性，鄰近像素區域的背光單元亦可能影響到像素區域R的整體亮度，因此，在另一實施例中，對於像素極大值的計算亦需考慮到鄰近的像素區域，參考值產生電路205係先計算或選出像素區域R及其鄰近像素區域的多個最大像素，再由該些最大像素中選取出一極大值作為像素極大值，換言之，若一鄰近背光單元所發出的背光亮度係為全亮而提高像素區域R的亮度時，藉由參考鄰近像素區域的最大像素，參考值產生電路205可提高像素極大值的數值，使得背光單元向下調整的背光亮度範圍較小，此一設計因同時符合光線擴散的物理特性而可增加避免發生資料溢位的機率。鄰近像素區域的選擇可以是像素區域R鄰近3×3的九個像素區域，當然此非本發明的限制，任何鄰近像素區域的選擇設計皆落入本發明的範疇。

在一般情況下，顯示裝置100之各個背光單元均是以全亮的狀態進行照明，當控制裝置200用於省電之用途時，對背光亮度的調整機制來說，此時控制值產生電路210均降低其所產生之背光控制值V_C(較背光全亮時所對應的背光控制值低)，而背光控制電路215則依據背光控制值V_C產生背光控制訊號BL_CTRL來降低或減弱該背光單元的背光亮度BL，不同的是，控制值產生電路210係依據像素代表值P_R之數值大小來產生不同大小的背光控制值V_C，以決定背光亮度BL的調降程度，亦即，根據輸入影像V_IN於像素區域R的整體灰階資訊(明暗資訊)來決定背光亮度BL的調降程度。當像素代表值P_R較小時，表示輸入影像V_IN於像素區域R中大部分的像素值或灰階值較小(亦即輸入影像V_IN於像素區域R內的影像亮度可能較暗)，控制值產生電路210係產生對應於較大背光調整量(調降)的背光控制值V_C，而背光控制電路215則根據此時的背光控制值V_C產生背光控制訊號BL_CTRL以降低該背光單元的背光亮度BL，此時對應於較大背光調整量(調降)的背光控制值V_C係使該背光單元的背光亮度BL大幅減弱。另一方面，當像素代表值P_R較大時，表示輸入影像V_IN於像素區域R中大部分的像素值或灰階值較大(亦即輸入影像V_IN於像素區域R內的影像亮度可能較亮)，控制值產生電路210係產生對應於較小背光調整量(調降)的背光控制值V_C，而背光控制電路215則參考此時的背光控制值V_C產生背光控制訊號BL_CTRL以降低該背光單元的背光亮度BL，此時對應於較小背光調整量(調降)的背光控制值V_C則使該背光單元的背光亮度BL微幅減弱。由上所述可知，本實施例中的像素代表值P_R係與背光控制值V_C具有負相關的數值關係。

補償電路220對於輸入影像V_IN之像素值補償，可利用方程式(1)表示之：

Y' ×BL_P=Y×BL_full　方程式(1)

其中Y’是補償後的像素值，BL_P是調降後的背光亮度，Y是補償前的像素值，以及BL_full是調降前的背光亮度(在此假設調降前的背光亮度為全亮)，上述方程式(1)係表示：補償後的像素值Y’及調降後的背光亮度BL_P需共同貢獻與補償前的像素值Y及調降前的背光亮度BL_full相同等級的亮度，使人眼觀賞時不易察知畫面異狀。因此，根據方程式(1)，補償單元220可得出補償後的像素值Y’：

根據方程式(2)，補償電路220可計算出輸入影像V_IN於像素區域R內之像素值在被補償調整後的實際數值，因此，可對應地調整輸入影像V_IN於像素區域R之原像素值來補償其在像素區域R的亮度。

詳細而言，補償電路220包含有一計算單元225與一調整單元230。考慮到光線的擴散特性，鄰近像素區域的背光單元亦可能影響到像素區域R的整體亮度，補償電路220內的計算單元225係根據背光控制值V_C的大小及該背光單元之鄰近複數個背光單元所對應的複數背光控制值，來估計像素區域R內每一像素所分別對應的背光亮度BL_P，接著再由補償電路220內的調整單元230根據各別的背光亮度BL_P，利用方程式(2)來調整輸入影像V_IN對應於像素區域R的每個像素值，以補償顯示器於顯示輸入影像V_IN對應於像素區域R之各個像素值的亮度。前述之說明中，僅是藉由像素區域R來說明本發明之精神，實施上，顯示裝置100中每個背光單元之背光亮度與其所對應之輸入影像V_IN之每一像素值，皆可藉由控制裝置200進行控制及調整，使得顯示裝置之每一像素與背光單元搭配之下可共同呈現出輸入影像V_IN應有之亮度。

此外，在本發明之另一應用實施例中，為了達到動態對比的效果以增加影像亮暗程度的區別性，控制裝置200可藉由適當地控制各背光單元的背光亮度，使畫面中較暗的影像更暗，以及使畫面中較亮的影像更亮，達到增加整體畫面之亮度對比的效果，例如像素區域R本身之液晶分子具有10位元的灰階(亦即灰階階數有1024級)，而背光單元之背光亮度有10位元的調整幅度(即背光亮度有1024級)，藉由適當地控制背光單元之背光亮度及調整輸入影像V_IN之像素值，則人眼可見到具有20位元亮度對比的影像。控制裝置200此時被設計為提高或降低背光單元的背光亮度並相對應地調整像素區域R內的像素值，因此，前述的像素極值P_E在本實施例中係包含像素極大值與一像素極小值，以限定背光單元之最大亮度及最小亮度。產生像素極小值的方式係與前述產生像素極大值的方式相似，參考值產生電路205係逐一比較輸入影像V_IN於像素區域R內的各個像素值，從中挑選具有極小值的像素值作為像素極小值，又或者考慮到光線擴散的物理特性，由像素區域R及其鄰近像素區域的各最小像素中選取出一極小值作為像素極小值，凡依此設計之變化皆符合本發明的精神。在此實施例中，參考像素極小值來控制背光單元之背光亮度的用意是避免將其所發出的背光調得過亮，而造成後續補償像素值的困擾，亦即，本實施例係利用像素極小值來限制向上調整的背光亮度範圍，以避免將背光亮度調得過亮時相對地降低像素值仍無法使影像畫面具有顯著差異的問題。控制值產生電路210藉由參考像素極大值與像素極小值適應性地限定背光控制值V_C的最小值與最大值，可避免將背光亮度調得過暗或過亮的問題。

在提高動態對比之應用下，控制值產生電路210係依據參考值產生電路205所產的像素代表值P_R及像素極值P_E來產生背光控制值V_C，詳細來說，控制值產生電路210係依據像素代表值P_R來評估輸入影像V_IN於像素區域R整體的亮度值，以對應地產生適當的背光控制值V_C，例如，當輸入影像V_IN於像素區域R整體的亮度值較高時，控制值產生電路210所產生的背光控制值V_C則使該背光單元具有較大的背光亮度，反之，當輸入影像V_IN於像素區域R整體的亮度值較低時，控制值產生電路210所產生的背光控制值V_C則使該背光單元具有較低的背光亮度。而補償電路220可利用方程式(3)來求得或計算出輸入影像V_IN於像素區域R內之各像素值在被補償調整後的實際數值，而方程式(3)可表示為：

Y" ×BL_P=L　方程式(3)

其中Y”是輸入影像V_IN對應於像素區域R之一特定像素之一補償後的像素值，BL_P是照射到該特定像素的背光亮度，而L是顯示裝置於該特定像素所欲顯示的亮度，亦即，輸入影像V_IN於該特定像素所欲呈現的亮度，L係可利用輸入影像V_IN對應於該特定像素之未經補償的原始像素值Y得到。在得知欲顯示之亮度L的條件下，補償電路220內的計算單元225係根據背光控制值V_C及該背光單元之鄰近複數個背光單元所對應的複數背光控制值，來估計像素區域R內每一像素所分別對應的背光亮度BL_P，接著再由補償電路220內的調整單元230根據各別的背光亮度BL_P，利用方程式(3)來調整輸入影像V_IN對應於像素區域R的每個像素值，因此，補償電路220可調整輸入影像V_IN於像素區域R之原像素值，使最後顯示裝置100呈現出輸入影像V_IN所欲呈現的亮度。再者，在另一實施例中，如第4圖所示，控制裝置500亦可包含有背光控制電路215，換言之，用以控制背光單元的背光控制電路215亦可實作於控制裝置500中。凡此操作變化皆符合本發明的精神。

第3圖係繪示上述控制裝置200在省電應用上的操作流程圖。倘若大體上可達到相同的結果，並不需要一定照第3圖所示之流程中的步驟順序來進行，且第3圖所示之步驟不一定要連續進行，亦即其他步驟亦可插入其中；其步驟說明描述於下：步驟300：開始；步驟305：參考值產生電路205根據輸入影像V_IN於像素區域R的複數像素值，產生像素代表值P_R及像素極大值；步驟310：控制值產生電路210根據像素極大值決定背光控制值V_C的最小值，並根據像素代表值P_R來決定背光控制值V_C；步驟315：背光控制電路215根據所接收到的背光控制值V_C產生背光控制訊號BL_CTRL以調降背光單元的背光亮度BL；步驟320：補償電路220根據所接收到的背光控制值V_C，增加輸入影像V_IN於像素區域R內的像素值，以補償像素區域R的亮度；以及步驟325：結束。

綜上所述，本發明之控制裝置可動態地調整顯示裝置各個背光單元之背光亮度，並於補償相對應之輸入影像的像素值，進而達到省電及增強動態對比的兩大優點。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100．．．顯示裝置

200、500．．．控制裝置

205．．．參考值產生電路

210．．．控制值產生電路

215．．．背光控制電路

220．．．補償電路

225．．．計算單元

230．．．調整單元

第1圖為本發明之實施例一顯示裝置內多個發光二極體背光源與顯示面板的設置示意圖。

第2A圖為用以控制第1圖所示之背光源與顯示面板之控制裝置的方塊示意圖。

第2B圖為第2A圖所示之參考值產生電路的方塊示意圖。

第3圖為第2A圖所示之控制裝置於降低背光亮度BL時的操作流程圖。

第4圖為本發明另一實施例之控制裝置的方塊示意圖。

200．．．控制裝置

205．．．參考值產生電路

210．．．控制值產生電路

215．．．背光控制電路

220．．．補償電路

225．．．計算單元

230．．．調整單元

Claims (14)

1. 一種控制裝置，應用於一顯示裝置，該顯示裝置具有一背光單元，其對應於該顯示裝置之一像素區域，該控制裝置包含有：一參考值產生電路，用以依據一輸入影像，產生對應該像素區域之一像素代表值；一控制值產生電路，用以依據該像素代表值產生一背光控制值，以控制該背光單元之亮度；以及一補償電路，用以根據該背光控制值調整該輸入影像對應於該像素區域之複數像素值；其中該參考值產生電路另產生該像素區域所對應之一像素極值，以及該控制值產生電路係依據該像素代表值與該像素極值來產生該背光控制值；以及，該像素極值係包含一像素極大值，而該背光控制值使該背光單元所能具有最小之亮度係相關於該像素極大值，以及該像素極值係根據該輸入影像所包含之該像素區域的極值而產生。
2. 如申請專利範圍第1項所述之控制裝置，其另包含有：一背光控制電路，用以根據該背光控制值產生一背光控制訊號，以控制該背光單元。
3. 如申請專利範圍第1項所述之控制裝置，其中該參考值產生電路係計算對應該像素區域之該些像素值之一平均值，作為該像素代 表值。
4. 如申請專利範圍第1項所述之控制裝置，其中該參考值產生電路係根據對應該像素區域之該些像素值之像素值分布，決定該像素代表值。
5. 如申請專利範圍第1項所述之控制裝置，其中當該背光控制值用以調降該背光單元之亮度時，該補償電路根據該背光控制值調降該背光單元之亮度之幅度對應地調高該輸入影像對應於該像素區域之該些像素值。
6. 如申請專利範圍第1項所述之控制裝置，其中該補償電路包含有：一計算單元，用以根據該背光控制值與鄰近該背光單元之複數鄰近背光單元所對應的複數鄰近背光控制值，估計該像素區域內一特定像素所對應的一特定背光亮度；以及一調整單元，用以根據該特定背光亮度，調整該輸入影像對應於該特定像素的像素值。
7. 如申請專利範圍第1項所述之控制裝置，其中當該背光控制值用以調降該背光單元之亮度時，該像素代表值與該背光控制值調降該背光單元之亮度之幅度具有負相關之關係。
8. 如申請專利範圍第1項所述之控制裝置，其中該顯示裝置為一液 晶顯示器，該背光單元包含一發光二極體。
9. 一種控制方法，應用於一顯示裝置，該顯示裝置具有一背光單元，其對應於該顯示裝置之一像素區域，該控制方法包含有：依據一輸入影像，產生對應該像素區域之一像素代表值；依據該輸入影像所包含之該像素區域的極值產生對應該像素區域之一像素極值；依據該像素代表值與該像素極值產生一背光控制值，以控制該背光單元之亮度；以及依據該背光控制值調整該輸入影像對應於該像素區域之複數像素值；其中該像素極值係包含一像素極大值，而該背光控制值使該背光單元所能具有最小之亮度係相關於該像素極大值。
10. 如申請專利範圍第9項所述之控制方法，其中產生對應該像素區域之該像素代表值之步驟包含有：計算對應該像素區域之該些像素值之一平均值，作為該像素代表值。
11. 如申請專利範圍第9項所述之控制方法，其中產生對應該像素區域之該像素代表值之步驟包含有：根據對應該像素區域之該些像素值之一像素值分布，決定該像素代表值。
12. 如申請專利範圍第9項所述之控制方法，其中當該背光控制值係用以調降該背光單元之亮度時，則依據該背光控制值調整該輸入影像對應於該像素區域之該些像素值之步驟包含：根據該背光控制值調降該背光單元之亮度之幅度對應地調高該輸入影像對應於該像素區域之該些像素值。
13. 如申請專利範圍第9項所述之控制方法，其中依據該背光控制值調整該輸入影像對應於該像素區域之該些像素值之步驟包含有：根據該背光控制值與鄰近該背光單元之複數鄰近背光單元所對應的複數鄰近背光控制值，估計該像素區域內一特定像素所對應的一特定背光亮度；以及根據該特定背光亮度，調整該輸入影像對應於該特定像素的像素值。
14. 如申請專利範圍第9項所述之控制方法，其中當該背光控制值用以調降該背光單元之亮度時，該像素代表值與該背光控制值調降該背光單元之亮度之幅度具有負相關之關係。