TWI435307B - 用於處理及顯示影像之高動態範圍顯示裝置 - Google Patents

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Description

用於處理及顯示影像之高動態範圍顯示裝置
本發明係在高動態範圍顯示器之技術領域中且係關於用於處理及顯示其中之圖像的方法。
本申請案主張2009年2月11日申請之美國臨時申請案第61/151,691號之權利。
高動態範圍(HDR)顯示器係可顯示具有很高對比度、很深黑色及很亮白色的圖像之顯示器。此等類型顯示器可藉由使用非均勻性背光顯示HDR圖像。特定言之,吾人可基於輸入影像調整螢幕之不同區域上之背光的強度。
此等顯示器之主要挑戰之一者為如何將輸入影像從三分量資料(例如,RGB、YCbCr)轉換成顯示器所需之四分量資料。此尤其適用於諸如該等具有一發光二極體背光層(LED層)(其提供以強度資訊為形式之一分量)及一LCD層(其提供強度及色彩資訊之三分量)之顯示器。
近幾年來,高動態範圍(HDR)顯示器作為數位成像之一替代性格式已受到很多的關注。傳統低動態範圍(LDR)影像格式係經設計用於符合國際電信聯盟建議書BT 709(ITU-R Recommendation BT 709)(又名Rec.709)之諸顯示器,其中僅可實現動態範圍之兩個數量級。然而,真實世界場景具有一更高之動態範圍(其在白天為大約10個數量級)。人類視覺系統(HVS)可感知5個數量級。
近幾年來,此等HDR顯示器已被引進市場且係基於所謂 的LED-LCD技術,其中習知LCD顯示器之均勻背光被一單獨控制的LED矩陣取代,其中每一LED僅照亮螢幕之一小區域。LED層中之LED數目比LCD層中之像素數目小很多,但是可在一很大範圍數值內調整每一LED之亮度。因此,該LED層提供一很高動態範圍、低解析度背光。正面LCD面板與一習知LCD顯示器相同,其中液晶單元控制每一像素之色彩且調整由該LED層提供之強度。
在HDR顯示器中,因為該影像與該顯示器之間不存在簡單的一對一對應,所以輸入影像之三分量轉換成四分量之轉換並非為一簡單的過程。而且,存在多重可能解決方案;同樣地,因為不同的解決方案產生不同的影像品質,所以應爭取找到最佳解決方案。
因為最近引進之HDR顯示器多數為原型(例如,BrightSide,加拿大溫哥華庫特奈街1310的BrightSide Technologies Inc.),所以關於驅動信號產生問題之研究極少。在關於HDR顯示器之原始文件(Seetzen,H.等人之High dynamic range display systems,ACM Press.,p.760-768,2004年)中,一簡單串擾方法經提議用以減少計算的複製性。圖1中顯示一簡單串擾方法論之一作業流程圖。在圖1中,方塊101對應於首先獲得具有強度特性I之一HRD影像,方塊102對應於決定背光之目標強度(其係關於該強度特性I之平方根),方塊103對應於對該背光之解析度進行減少取樣影像以獲得真實背光信號用於使用,及方塊104對應於獲得LCD信號(其使用一LCD回應函數以補償背光值及 目標強度)。此串擾方法係相當快,但顯示錯誤亦係非常大。其在大局部對比度下亦係行不通的。簡言之,因為LED層之較低解析度及LED之間之串擾使單獨控制每一像素之輸出變得不可能,所以在此等螢幕上顯示一HDR影像並非簡單。使用錯誤背光之結果為低影像品質及其甚至可導致諸如假輪廓及可見LED圖案之若干視覺假影。
在Feng Li、Xiaofan Feng、Ibrahim Sezan、Scott Daly之Deriving LED Driving Signal for Area-Adaptive LED Backlight in HDR,SID Symposium Digest of Technical Papers,38 #1,1794-1797(2007年)之檔案中,設計了兩種方法用於處理此問題。第一種方法未考慮顯示特性與人類視覺系統。第二種方法要求背光總是亮於期望輸出位準且利用一線性最佳化器來解決該問題。其具有很高複雜性且該等設想可能不切實際。
根據以上提及之若干問題,有必要開發高動態範圍顯示器及與處理及顯示其中之圖像有關的方法以確保符合國際電信聯盟建議書BT 709標準之諸HDR顯示器係與HVS相稱,且不要求及/或使用計算過度複雜的信號處理。
一種顯示裝置包括:一背光單元,其具有一光產生元件矩陣;一前端單元,其具有被分組為一重複配置之複數個光快門,該複數個光快門包含至少兩個不同快門,每一快門衰減不同色彩的光;一信號處置系統,其用於接收影像信號且具有一演算法,該演算法用以處理該等影像信號及 導出該背光單元之最終背光驅動信號與該前端單元之最終前端驅動信號,其中該演算法可為反覆式梯度下降演算法。該演算法可利用至少一差值減小反覆法以導出該等最終驅動信號且至少一反覆法可回應於一顯示目標影像亮度值(I )、與中間驅動信號之至少一集合相關之至少一經投影之影像亮度值(O )、及該等亮度值之差。該演算法可包含:該背光單元之一點擴散函數與諸背光驅動信號之間之一捲積,其中該等背光驅動信號可被量化;該演算法可產生或存取:針對該背光單元具有對應於該等光產生元件之M列×N行之諸背光驅動信號之一背光矩陣L ;及對應於該點擴散函數之一點擴散矩陣P ;及LP 之一乘積,其得出一全解析度背光亮度矩陣B ;及該演算法可經調適以回應於該亮度矩陣與一色彩p之一正規化前端驅動信號之一乘積而產生該色彩p之該等最終前端驅動信號。一給定色彩p之顯示輸出亮度O p 之至少一項係表示成該亮度矩陣B 、該色彩p之一輸入高動態範圍影像I p 、及該色彩p之一前端驅動信號D p (其可被正規化)之一函數。該顯示裝置可藉由使該演算法執行該色彩p之該輸入高動態範圍影像與該顯示輸出亮度之差計算的最小平方及最小化該等最小平方最佳化該等最終驅動信號。該演算法可進一步經調適使得輸出誤差得以產生並用於決定一色彩p之該等最終前端驅動信號且該輸出誤差併入至少一項Jp (其係該色彩p之一輸入高動態範圍影像亮度I p 、該色彩p之一正規化前端驅動信號D p 、一顯示輸出亮度O p 、及LP 之一乘積之一函數)。該演算法 可進一步決定及/或回應於最佳化最終驅動信號中之裁剪誤差及量化誤差。該演算法可進一步決定及減少併入至少一項(其中,該等I分別為三種色彩r、g及b之一輸入高動態範圍影像亮度,及該等O 分別為該三種色彩之一顯示輸出亮度)之集體輸出誤差,且該演算法可將該等集體輸出誤差用於決定至少三種色彩之最終前端驅動信號。
一種操作一高動態範圍顯示裝置之方法,其包括下列步驟:存取一影像信號;回應於該影像信號產生一背光單元之若干個別背光元件之一中間背光驅動信號;捲積該等中間背光驅動信號與該背光單元之一點擴散函數;回應於該捲積步驟導出至少一新背光驅動信號;決定與具有若干個別光快門之一前端單元之複數個可用光快門信號相關聯且與該至少一新背光驅動信號相關聯的顯示錯誤,該前端單元具有比該背光單元更高的解析度;使用諸快門信號與新背光驅動信號之一組合來驅動該顯示裝置,相對於其他產生之中間背光驅動信號及其他可用光快門信號,該組合引起顯示錯誤的減少。該方法可包含:自該影像信號存取該等個別快門之目標顯示輸出;使用包含該目標顯示輸出之一平方根之一因數,以獲得該產生步驟中之中間背光驅動信號,其中該目標顯示輸出可被正規化。該方法可進一步包含:產生具有對應於該等背光元件之M列×N行之一背光矩陣L ;至少部分自矩陣L 與矩陣P 產生一全解析度背光亮度矩陣B ;比較該全解析度背光亮度矩陣B 與該影像信 號;及產生具有分別對應於sign(I-PL * )及sign(PL * -I )之對角元素之對角矩陣U 與矩陣V ,其中矩陣L* 表示新背光驅動信號之反覆(itevation)及I表示該影像信號之該目標顯示輸出,其中該比較步驟及產生對角矩陣步驟可重複η次(其中η為一預定反覆次數)。在最後一次反覆之後可使用該矩陣L * 以決定一最終全解析度背光。可以回應於該最終全解析度背光之一方式予以決定使用一最終光快門信號。該方法可進一步包含:決定裁剪誤差及量化誤差,其中該裁剪誤差係由與不足亮度相關聯之該背光單元之中間驅動信號引起且為該不足亮度與該目標顯示輸出之差,及該量化誤差係該前端單元之一亮度量化位準與該目標顯示輸出之差;及將該裁剪誤差及/或量化誤差應用於一成本函數且將該成本函數用作為決定該顯示錯誤之一因數。該方法亦可包括:比較該全解析度背光亮度矩陣B與該影像信號;及將該比較步驟中之該比較用於決定該顯示錯誤且選擇諸快門信號與諸新背光驅動信號之若干組合。
現在,本發明將參考隨附圖式以實例之方式予以描述。
本文揭示一種方法以產生驅動基於LED-LCD(發光二極體與液晶顯示器)技術之HDR顯示器所需之視訊信號。該提議之方法依靠描繪HDR影像及顯示之一數學模型。對於每一輸入HDR影像,使用一顯示器特性模型對LED值及LCD值進行共同最佳化以便最小化輸入影像(即,理想輸出)與顯示輸出之間之差異。在該最佳化問題中亦可考慮 人類視覺系統(HVS)。在一繪示性第一實施例中,該最佳化係藉由使用一反覆的方法得以解決。
在另一繪示性實施例中,提議一種具有經減少之複雜性及相似品質之簡化方案。
根據本發明之若干原理,提議一反覆方法用以解決LED/LCD最佳化問題。一LCD之回應曲線可經模型化成為一指數函數且一LED之回應曲線可經模型化成為一線性函數。顯示器之LED層之輸出可經模型化成為諸LED值與一點擴散函數之捲積。一失真函數可經定義以提供期望輸出與真實輸出之差之一量測,其中在此失真函數中可考慮HVS之特性。藉由最小化該失真函數(例如,使用一反覆式梯度下降演算法)可獲得LED及LCD信號。
所提議之演算法之一簡化形式包含用於在維持相似品質水準的同時,減少複雜性之僅若干反覆。
對於根據本發明之HDR裝置,指出該顯示器具有一像素化LCD前端面板係重要的。正面LCD面板的每個像素可根據其之驅動信號阻擋光。在一HDR顯示器之情況下,該正面LCD面板可與一典型LCD顯示器中之正面LCD面板相同。然而,背光係非均勻性且具有高對比度及高亮度。該背光係由若干LED之一經規律配置之矩陣提供。一LED之回應在實驗上可藉由開啟一個別LED及使用一光度計量測其周圍之光強度予以獲得。該經量測之強度矩陣通常被稱為成像應用中之點擴散函數。該背光之一一般模型為該等LED值(驅動LED層之諸量化值)與該等LED之該點擴散函 數之間之捲積。為方便起見,此模型可寫成如下之矩陣形式:B=PL (1)
LCD面板之像素配置為M列×N行,其中BL 係大小為MN×1之向量。P 係大小為MN×MN之點擴散函數矩陣。L 係LED矩陣,其中若L 之每一元素相應於一LED之位置,則其等於該經正規化之LED值,或否則其為0。矩陣B 為在每一像素位置之背光強度。應注意的是此等矩陣係為更容易的公式制定而建立;實際上不需要構建此等矩陣。如下將顯示,僅螢幕大小M×N之該等矩陣係用於一更有效計算。
一旦計算背光,LCD層必需經調整使得輸出儘可能接近於輸入的HDR影像。為了實現該目標,產生了描述來自先前計算的背光及輸入HDR影像之顯示輸出之一公式且如下予以呈現:
這裡,O g I g D g 分別為顯示輸出(綠色通道)、輸入的HDR影像(綠色通道)及經正規化之LCD信號(綠色通道)。(應注意的是,根據本發明之LCD面板可具有用於彩色顯示器之紅色、綠色及藍色通道。然而,為方便起見,使用了綠色(green)「g」分量,但是相同的公式可用於紅色及藍色)。此等皆係大小為MN×1之辭典順序向量。應注意的是輸入信號與輸出信號兩者係線性的,非伽馬校正。「」表示逐元素(element-wise)的乘法運算。sign( )函數 表示該逐元素的正負號函數,定義如下:
接著,產生一輸出誤差。其量測理想輸出(即,輸入的影像)與實際輸出(即,所顯示影像)之差。基於先前LED及LCD輸出模型,下列公式經提議用於計算該輸入的HDR影像與該顯示輸出之差之平方:
此等式可如下予以理解:對於每一像素,若背光為高於期望輸出值(即,對於一特定像素,PL>I g ),則該像素之誤差為LCD層量化誤差(即,I g -PL_D g )。(在此等式及其他等式中之T為用於置換一矩陣之符號。)。若背光為低於期望輸出值(即,PL<I g ),則輸出影像被裁剪且LCD不能提高亮度。在此情況下,該誤差為理想輸出與裁剪值之差(即,I g -PL )。
在以上公式中,向量L 與向量D 被正規化,其意味著其等之諸元素之各者為0與1之間之一實數。然而,在數位系統中,必需量化LDL *D * 被定義為對LD 實施線性量化與反量化的結果。接著,等式(4)成為:
如等式(2),等式(4)與等式(5)可應用於紅色「r」色彩分量及藍色「b」色彩分量。
將最佳化問題定義為矩陣L * 與矩陣D * ,其等分別代表經量化之LED向量及LCD向量。此等需要經最佳化以最小化輸入HDR影像與顯示輸出之差之平方。直接解決此最佳化問題係非常困難的。一簡化方法藉由首先減少變量數目予以開始。考慮到sign(PL * -Ig )及sign(I g -PL * )係互補的,所以等式(5)可改寫為: 這裡定義逐元素的絕對函數。在等式(5)中,若量化誤差為均勻分佈,則該量化誤差|PL * D g -I g |可藉由PL * /4q予以近似計算,其中q為該LCD面板之量化位準數目。已發現的是此設想對於自然HDR影像係充分成立的。接著,可看出的是在下列等式中目標函數現僅取決於L *
為了最佳化J,在一梯度下降方法中可獲得及使用J對L * 的偏導數以在下列等式中以一反覆方式解決最佳化。(在下面將不表明色彩分量以反映該等等式係適用於所有色彩分量。)
等式(7)的右側為非連續函數,因此在一些地方未能定義J的導數。為解決該問題,選擇一小λ使得在一反覆期間不改變sign(I-PL * )及sign(PL * -I )或僅稍微改變。因此,L *(n) 可變成sign(I-PL * )及sign(PL * -I )以獲取一常數向量且簡化該問題。接著該等式(7)成為:J n+1 (L * )=(U (I-PL * )+VPL * /4q ) T (U (I-PL * )+VPL * /4q ) (9)
這裏UV 為具有分別等於sign(I-PL * )及sign(PL * -I )之其等之對角元素之對角矩陣。此幫助消除逐元素的乘法運算且使得偏導數的計算更加簡單。在每一反覆中,更新目標函數且接著根據等式(8)計算諸偏導數。可將等式(8)之延伸形式寫為如下:
以上等式描述了如何在每一反覆中更新L * 。圖2顯示計算L *D * 之程序且該程序為下列步驟:
步驟1. 在方塊201,首先獲得具有強度特性I 之一HDR影像。
步驟2. 在方塊202,獲得若干背光值或LED值L* 之初始猜測值或估計值。獲得初始估計值之方法為首先考慮給定前端元件(像素)之最近背光元件或LED元件或類似物所需之光之強度。總之,此估計可為圖1中之該方法。此處,此 可將該估計值設定為相應於經正規化之輸出影像強度或類似物之平方根之一值。
步驟3. 在方塊203中,執行諸背光值或LED值與該背光單元之一點擴散函數特性之一捲積以獲取全解析度背光,B=PL * (n)。
步驟4. 在方塊204中,比較該全解析度背光與輸入HDR影像且計算矩陣U 與矩陣V
步驟5. 在方塊205中,用等式(10)決定諸背光值或LED值L
步驟6. 在方塊206中,籍由量化L 獲得背光值或LED值L * 。圖中之反量化為從離散值或數位化值到連續值之過程。
步驟7. 在方塊207中,n被設定為n+1。若(n>預設_η),則該過程前進至步驟8。若未到達η之預設值,則執行方塊203至方塊207之進一步處理直至到達預設值。
步驟8. 在方塊208中,在已知及確定L* 之情況下,計算最終全解析度背光PL * 。對於每一像素i,若背光PL * i 大於輸入HDR影像I i ,則將該LCD前端之D * i 設定為其之最大值。若該背光PL * i 不大於輸入HDR影像I i ,則選擇最佳D * i 以最小化差值。應注意的是此適用於所有色彩分量。
步驟9. 在方塊209中,利用最後結果的D * i 及背光。
本發明之一些主要特徵包含成本函數(即,等式4)。這裏取決於背光是否大於輸入影像而將諸像素分成兩組群。在成本函數中考慮量化誤差與裁剪誤差兩者。此外,存在 籍由使用量化(即,等式6)之近似值之成本函數的簡化。但是該成本函數之簡化假定在一反覆期間(即,等式9),諸正負號向量保持不變。
本發明之若干實施例包含最佳化多於一種色彩分量之諸LED值。若使用該三種色彩分量,等式(4)將成為: 在該成本函數中,可使用範數L p 代替範數L 2 這裏,該範數L p 可定義為: L 1 範數特別受關注,因為其具有一封閉解且通常較穩定及可表示為如下: 在此情況之下,可如下更新L *
在該成本函數中,可藉由考慮相對誤差而非絕對誤差加以考慮人類視覺系統。吾人可定義大小為MN×MN之對角矩陣F ,其之諸對角元素等於向量I 之元素的倒數,如:
接著,可將該成本函數改寫為如下:J g (L * )=(FU (I-PL * )+FVPL * /4q ) T (FU (I-PL * )+FVPL * /4q ) (16)此成本函數可以如等式(9)之一相似方式予以最佳化。
根據本發明之諸原理,本文揭示一種HDR顯示系統。此大體上顯示於圖3中,其中該系統包含一視訊信號產生器301,其接受諸輸入影像且產生用於驅動一HDR顯示器303之如上所述之若干視訊或驅動信號302。該HDR顯示器可包含一LED背光單元;然而,本發明確實包含且可適用於具有帶有若干其他類型光產生源之陣列之若干背光單元之諸顯示器。此外,該HDR顯示器可包含一LCD前端;然而,本發明確實包含且可適用於具有帶有若干其他類型光快門或衰減元件之陣列之若干前端單元之諸顯示器。
鑑於上述情況,以上所述僅繪示本發明之諸原理且因此熟練此項技術者應瞭解可設計實施本發明之諸原理之許多替代性配置(雖然本文未明確描述)且其係在本發明之精神與範圍內。
301‧‧‧視訊信號產生器
302‧‧‧信號
303‧‧‧高動態範圍顯示器
圖1係根據先前技術之一HDR顯示器之處理HDR信號之一方法之一方塊圖;圖2係根據本發明之一方法之一方塊圖;及 圖3係根據本發明之一HDR系統之一方塊圖。
301‧‧‧視訊信號產生器
302‧‧‧信號
303‧‧‧高動態範圍顯示器

Claims (10)

  1. 一種高動態範圍顯示裝置,其包括:一背光單元,其具有一光產生元件矩陣;一前端單元,其具有被分組成一重複配置之複數個光快門,該等光快門包含至少兩個不同快門,每一快門衰減不同色彩光;一信號處置系統,其用於接收影像信號且具有一演算法,該演算法用於處理該等影像信號及導出該背光單元之最終背光驅動信號與該前端單元之最終前端驅動信號,其中該演算法採用至少一差值減小反覆法(difference reduction iteration)以導出該等最終驅動信號,該至少一差值減小反覆法係回應於一顯示目標影像亮度值(I);與中間背光驅動信號及中間前端驅動信號之至少一集合相關之至少一經投影之影像亮度值(O);及該等亮度值之差。
  2. 如請求項1之高動態範圍顯示裝置,其中該演算法為一反覆式梯度下降演算法。
  3. 如請求項1之高動態範圍顯示裝置,其中該演算法採用該背光單元之一點擴散函數與經量化之背光驅動信號之間之一捲積(convolution)。
  4. 如請求項3之高動態範圍顯示裝置,其中該演算法經調適以產生或存取:針對該背光單元具有對應於該等光產生元件之M列×N 行之該等經量化背光驅動信號之一背光矩陣L,及對應於該點擴散函數之一點擴散函數矩陣P;及L與P之一乘積,其得出一全解析度背光亮度矩陣B,其中M及N為大於0之整數。
  5. 如請求項4之高動態範圍顯示裝置,其中該演算法經調適以回應於該亮度矩陣與一色彩p之一經正規化前端驅動信號的一乘積而產生該色彩p之該等最終前端驅動信號。
  6. 如請求項5之高動態範圍顯示裝置,其中該色彩p之顯示輸出亮度Op 之至少一項被表示為: 其中,Ip 與Dp 分別為該色彩p之一輸入高動態範圍影像與該色彩p之該經正規化前端驅動信號。
  7. 如請求項6之高動態範圍顯示裝置,其中該演算法經調適以產生該色彩p之該輸入高動態範圍影像與該顯示輸出亮度之差值之一最小平方值且該演算法減小該最小平方值。
  8. 如請求項4之高動態範圍顯示裝置,其中該演算法經調適使得輸出誤差得以產生並用於決定一色彩p之該等最終前端驅動信號,該輸出誤差併入至少一項,表示為如下: 其中,Ip 、Dp 及Op 分別為該色彩p之一輸入高動態範圍影像、該色彩p之一經正規化前端驅動信號,及一顯示輸出亮度。
  9. 如請求項5之高動態範圍顯示裝置,其中該演算法經調適以回應於裁剪誤差及量化誤差,其中:該裁剪誤差為一不足亮度與該顯示目標影像亮度值之差,其中該不足亮度係由不足夠大以製造該顯示目標影像亮度值(I)的中間前端驅動信號及一些中間背光驅動信號所造成,及其中該量化誤差係該前端單元之一亮度量化位準與該顯示目標影像亮度值之差。
  10. 如請求項4之高動態範圍顯示裝置,其中該演算法經調適使得一集體輸出誤差J得以產生並用於決定至少三種色彩之該等最終前端驅動信號,該集體輸出誤差藉由該演算法予以減少且併入至少一項,表示為如下: 其中I rI gI b 分別為三種色彩r、g及b之一輸入高動態範圍影像亮度且O rO gO b 分別為該三種色彩之一顯示輸出亮度。
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