TWI444987B - 對比調變裝置及其方法 - Google Patents

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Description

對比調變裝置及其方法
本發明有關於影像顯示系統(image display system)，尤有關於一種對比調變(contrast control)裝置及其方法。
第1圖為傳統影像顯示系統之一架構圖。請參考第1圖，一影像顯示系統100包含一顯示控制單元102、一平均亮度(average brightness)偵測單元104、一峰值(peak)偵測單元106、一液晶顯示(liquid crystal display)裝置108、一背光源控制(backlight control)單元112及一背光源(backlight)110。
顯示控制單元102對一輸入影像(如一圖框(frame)或圖場(field))之影像訊號PIC進行控制處理後，產生一輸出訊號DRV以傳送至液晶顯示裝置108。平均亮度偵測單元104及峰值偵測單元106係分別偵測該輸入影像的平均亮度值AVE及亮度峰值PEK，而背光源控制單元112再根據平均亮度值AVE及亮度峰值PEK，以調整控制訊號CTL，進而控制背光源110之亮度。在此，背光源110係當作一光源(light source)，以提供該液晶顯示裝置108顯示時所須之亮度。
上述傳統方法中僅藉由調整背光源亮度來降低功率消耗(power consumption)，故觀眾有時會感覺到影像失真。為解決上述問題，因此提出本發明。
本發明之目的之一，在於提供一種對比調變裝置，以解決習知技術中的問題。
根據本發明之一實施例，係提供一種對比調變裝置，包含：一偵測單元，根據一目前影像，進行像素的平均值計算及最大值偵測，以產生一平均值及一最大值；一判斷單元，根據該平均值，產生一增益索引及一亮度索引；一背光源控制單元，根據該亮度索引，產生一背光源控制訊號；一增益產生單元，連接該偵測單元，根據該該增益索引、該平均值及該最大值，產生一第一對比增益值及一軟性嵌位增益值，再根據該目前影像之一輸入像素值，選擇該第一對比增益值及該軟性嵌位增益值之一輸出當作一第二對比增益值；以及，一對比增益處理器，根據該第二對比增益值及該輸入像素值，產生一輸出像素值。
根據本發明之一實施例，另揭露一種對比調變方法，係適用於一影像顯示系統，該方法包含以下步驟：根據一目前影像，進行像素的平均值計算及最大值偵測，以得到一平均值及一最大值；根據該平均值，決定一增益索引及一亮度索引；根據該亮度索引，產生一背光源控制訊號；根據該增益索引、該平均值及該最大值，得到一第一對比增益值及一軟性嵌位增益值；根據該目前影像之一輸入像素值，選擇該第一對比增益值及該軟性嵌位增益值之一當作一第二對比增益值；以及，根據該第二對比增益值及該輸入像素值，得到一輸出像素值。
以下之說明將舉出本發明之數個較佳的示範實施例。熟悉本領域者應可理解，本發明可採用各種可能的方式實施，並不限於下列示範之實施例或實施例中的特徵。另外，眾所知悉之細節不再重覆顯示或贅述，以避免模糊本發明之重點。
為了降低功率消耗，本發明在降低背光源(backlight source)亮度的同時，也補償對比增益(contrast gain)或增加畫面亮度，使觀眾不會感覺到畫面失真，而仍享受相同影像品質。由於背光源的功率消耗占了整體影像顯示裝置之功率消耗的主要部份，故本發明可大幅減少系統之功率消耗。
第2圖顯示根據本發明之對比調變裝置之一實施例的架構方塊圖。參考第2圖，本發明對比調變裝置200，係應用於一影像顯示系統(圖未示)，包含一平均值暨最大值偵測單元202、一增益(gain)判斷單元204、一亮度判斷單元208、一增益映射(gain mapping)單元210、一背光源控制(backlight source control)單元212及一對比增益處理器216。
平均值暨最大值偵測單元202接收一張輸入影像(如一圖框或圖場)後，根據該輸入影像中之像素(pixel)I的亮度(luma)或/及色度(chroma)，計算一平均值AVE及一最大值PEK。增益判斷單元204再根據平均值AVE產生一相對應的增益索引(gain index)GI，而亮度判斷單元208則根據平均值AVE，產生一相對應的亮度索引(brightness index)BI。背光源控制單元212再根據亮度索引BI，產生一控制訊號CTL至一背光源(位於液晶顯示裝置218內部，圖未示)。較佳地，背光源控制單元212係根據亮度索引BI，調降一脈波寬度調變(PWM)訊號的工作週期(duty cycle)，來減少該背光源亮度。而本技術領域者由該PWM訊號的工作週期，即可計算出背光源的功耗大小。
另一方面，增益映射單元210根據增益索引GI產生一相對應之對比增益值CG(即第3圖中的斜率g，且g>1)，而對比增益處理器216再根據輸入像素值I(例如亮度或色度)及對比增益值CG，產生輸出像素值P。本實施例中，對比增益處理器216係以一乘法器(multiplier)實施，但本發明不以此為限。乘法器216將輸入像素值I(例如亮度或色度)乘以上述對比增益值CG後，產生輸出像素值P。
本實施例之對比調變裝置會根據不同的平均值AVE，產生相對應的亮度索引BI來調降背光源亮度，同時增益判斷單元204亦產生相對應的增益索引GI來加強畫面亮度，以達到降低功率消耗的功效，同時，使觀眾並不會感覺到最後呈現的畫面品質有落差。基於硬體成本考量，系統通常僅提供有限組數的AVE-PEK-GI-BI參數(例如20組參數)。
然而，輸入像素值I經過乘法器216處理後，產生之輸出像素值P可能大於一臨界值而飽和於高亮度區(或高色度區)。以8位元像素之亮度值為例，輸入像素值I經過乘法器216處理後，產生之輸出像素值P可能會大於255而使得高亮度區皆飽和於255。如第3圖所示，當對比增益值CG等於g(即斜率=g，且g>1)時，對應於輸入像素值Max/g至Max的輸出像素值P均呈現飽和現象(即輸出像素值P均等於Max)，而產生輸出像素值P無法區分的問題。
有鑒於此，本發明另提供一實施例，說明如下。
第4圖顯示本發明對比調變裝置之另一實施例的架構方塊圖。參考第4圖，本發明對比調變裝置400，係應用於一影像顯示系統，除了包含對比調變裝置200之所有元件之外，另包含一步進變化(step change)判斷單元406及一飽和補償單元416。
本發明提供之步進變化判斷單元406係適用於影像場景快速改變之應用。當顯示的影像有頻繁的場景變化時，因為亮度增益BI及對比增益GI也隨著影像內容而頻繁調整，故有時螢幕會產生閃爍(flicker)現象。步進變化判斷單元406係接收平均值暨最大值偵測單元202所產生之平均值AVE，根據目前影像AVE值及上一張影像AVE值之間的差距，產生一參考索引RI至增益判斷單元204及亮度判斷單元208。在此，須注意的是，一張影像一般只能調整背光源的亮度一次。當輸入影像的場景有大改變時(例如：根據目前影像AVE值及上一張影像AVE值之間的差距比較大時)，步進變化判斷單元406並不會將參考索引RI一次調到目標值，而是逐步(step by step)調整參考索引RI，使得亮度增益BI及對比增益GI亦進行逐步調整。例如，當輸入影像的場景有大改變時，(1)可以連續多張影像、每張影像以小幅度方式調整RI，直到將參考索引RI調到目標值為止，或者，(2)可以每次間隔n(n為正整數)張影像以較大幅度方式調整RI，直到將參考索引RI調到目標值為止。由於步進變化判斷單元406是逐步調整背光源亮度，所以觀眾不會感覺到螢幕有閃爍現象。
第4圖之飽和補償單元416具有一軟性嵌位機制(soft-clamping mechanism)，用以降低高亮度區或高色度區的對比增益值CG。在本實施例中，最後的對比增益值CG’係取決於平均值AVE且由飽和補償單元416所箝制。第5圖顯示本發明軟性嵌位機制。當輸入像素值I大於N，對比增益值CG’被飽和補償單元416箝制於k(即軟性嵌位增益SG=k，而且0<k<1)。據此，經過乘法器216處理後，在高亮度區或高色度區(輸入像素值大於N)即可以分辨出不同的輸出像素值P，且輸出像素值P可維持線性(linearity)。在此請注意，無論g值或k值的大小皆非固定，係取決於每一張輸入影像之像素值I之平均值AVE。詳而言之，利用平均值AVE先決定g值，若根據斜率g值及最大值PEK，飽和補償單元416判斷輸出像素值P在高亮度區(或高色度區)會呈現飽和時(例如輸入像素值I的最大值PEK大於Max/g)，高亮度區(或高色度區)再採用軟性嵌位增益SG，即飽和補償單元416根據平均值AVE再決定一適當的k值。當然，斜率g及k確定後就能決定第5圖中N及M的位置。
此外，飽和補償單元416內建之軟性嵌位機制更包含一適應性嵌位增益調整機制。飽和補償單元416根據平均值AVE及最大值PEK，適應性地調整軟性嵌位增益SG。例如，當影像內容較明亮時(如陽光畫面)，就進一步調整軟性嵌位增益值SG，以進一步加強高亮度區或色度區的影像對比。飽和補償單元416是否進行適應性嵌位增益調整的判斷標準如下：
第6圖顯示本發明適應性嵌位增益調整機制。當影像內容較明亮(即平均值AVE大於THAVE 且最大值PEK大於THMax )時，根據該適應性嵌位增益調整機制，飽和補償單元416將軟性嵌位增益SG調整為m×k(其中，0<m<1，m值亦取決於平均值AVE或/及最大值PEK的大小)，以進一步加強高亮度區或高色度區的影像對比。否則，飽和補償單元416仍將軟性嵌位增益SG設為k。最後，根據一輸入像素值I，飽和補償單元416選擇g值及軟性嵌位增益SG之其一輸出當作對比增益值CG’。乘法器216再將該輸入像素值I及對比增益值CG’相乘，以產生輸出像素值P。請參考第6圖，一實施例中，當輸入像素值I大於或等於h時，飽和補償單元416選擇軟性嵌位增益SG當作對比增益值CG’；否則，飽和補償單元416選擇g值當作對比增益值CG’。
第7圖為本發明對比調變方法之流程圖。請參考第7圖，本發明對比調變方法可應用於一影像顯示系統，例如：一液晶顯示系統，但本發明不以此為限。以下詳細說明本發明各步驟。
步驟S702：根據一輸入影像中像素的亮度或色度，計算一平均值AVE及一最大值PEK。
步驟S704：根據平均值AVE，決定相對應的亮度索引BI及增益索引GI。如上所述，根據平均值AVE，亮度判斷單元208產生不同之亮度索引BI以調降不等的背光源亮度，同時增益判斷單元204產生不等的增益索引GI以加強畫面亮度，使觀眾享受相同畫面品質又能節省功耗。附帶一提的是，決定增益索引GI時，亦可同時決定斜率g值。
步驟S706：判斷輸出像素值P於高亮度區或高色度區是否會飽和。例如，飽和補償單元416根據斜率g值及最大值PEK，即可判斷輸出像素值P於高亮度區或高色度區是否會飽和。若飽和，跳到步驟S708；否則，跳到步驟S714。
步驟S708：判斷平均值AVE是否大於THAVE ，以及最大值PEK是否大於THMax 。若同時符合，跳到步驟S712；否則，跳到步驟S710。
步驟S710：根據平均值AVE，決定k值。同時，設定軟性嵌位增益SG=k，並跳到步驟S714。
步驟S712：根據平均值AVE或/及最大值PEK，決定m及k值。同時，設定軟性嵌位增益SG=m×k。其中，0<m,k<1。
步驟S714：根據亮度索引BI，產生一控制訊號CTL以調整一背光源亮度；同時，根據一輸入像素值I，選擇g值及軟性嵌位增益SG之其一輸出當作對比增益值CG’。最後，再將該輸入像素值I及對比增益值CG’相乘，以產生輸出像素值P。
以上雖以實施例說明本發明，但並不因此限定本發明之範圍，只要不脫離本發明之要旨，該行業者可進行各種變形或變更。
100．．．影像顯示系統100
102．．．顯示控制單元102
104．．．平均亮度偵測單元
106．．．峰值偵測單元
108．．．液晶顯示裝置
110．．．背光源
112．．．背光源控制單元
200、400．．．對比調變裝置
202．．．平均值暨最大值偵測單元
204．．．增益判斷單元
208．．．亮度判斷單元
210．．．增益映射單元
212．．．背光源控制
216．．．對比增益處理器
218．．．液晶顯示裝置
406．．．步進變化判斷單元
416．．．飽和補償單元
第1圖為傳統影像顯示系統之一架構圖。
第2圖顯示本發明對比調變裝置之一實施例的架構方塊圖。
第3圖顯示輸出像素值P在高亮度區或高色度區呈現飽和現象。
第4圖顯示本發明對比調變裝置之另一實施例的架構方塊圖。
第5圖顯示本發明軟性嵌位機制。
第6圖顯示本發明適應性嵌位增益調整機制。
第7圖為本發明對比調變方法之流程圖。
400．．．對比調變裝置
202．．．平均值暨最大值偵測單元
204．．．增益判斷單元
208．．．亮度判斷單元
210．．．增益映射單元
212．．．背光源控制
216．．．對比增益處理器
218．．．液晶顯示裝置
406．．．步進變化判斷單元
416．．．飽和補償單元

Claims (12)

  1. 一種對比調變裝置，包含：一偵測單元，用以根據一目前影像來進行像素的平均值計算及最大值偵測，以產生一平均值及一最大值；一判斷單元，用以根據該平均值，來產生一增益索引及一亮度索引；一背光源控制單元，用以根據該亮度索引，來產生一背光源控制訊號；一增益產生單元，耦接該偵測單元，用以根據該增益索引、該平均值及該最大值，產生一第一對比增益值及一軟性嵌位增益值，再根據該目前影像之一輸入像素值，選擇該第一對比增益值及該軟性嵌位增益值之一輸出當作一第二對比增益值；以及一對比增益處理器，根據該第二對比增益值及該輸入像素值，產生一輸出像素值；其中該增益產生單元包含：一增益映射單元，根據該增益索引，產生該第一對比增益值，其中，該第一對比增益值大於1；以及一飽和補償單元，耦接該增益映射單元，當該平均值大於一第一臨界值以及該最大值大於一第二臨界值時，該飽和補償單元係設定該軟性嵌位增益值等於m×k，否則，設定該軟性嵌位增益值等於k，並根據該輸入像素值，選擇該第一對比增益值及該軟性嵌位增益值之一輸出當作該第二對比增益值，其中，0<m,k<1，且m值及k值係取決於該平均值及 該最大值之至少其中之一。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載之裝置，其中該偵測單元係依據該目前影像中像素的亮度值及色度值之至少其中之一，進行平均值計算及最大值偵測，以產生該平均值及該最大值。
  3. 如申請專利範圍第1項所記載之裝置，其中當該飽和補償單元根據該第一對比增益值及該最大值，判斷不會產生飽和現象時，係選擇該第一對比增益值輸出當作該第二對比增益值。
  4. 一種對比調變裝置，包含：一偵測單元，用以根據一目前影像來進行像素的平均值計算及最大值偵測，以產生一平均值及一最大值；一判斷單元，用以根據該平均值，來產生一增益索引及一亮度索引；一背光源控制單元，用以根據該亮度索引，來產生一背光源控制訊號；一增益產生單元，耦接該偵測單元，用以根據該增益索引、該平均值及該最大值，產生一第一對比增益值及一軟性嵌位增益值，再根據該目前影像之一輸入像素值，選擇該第一對比增益值及該軟性嵌位增益值之一輸出當作一第二對比增益值；以及一對比增益處理器，根據該第二對比增益值及該輸入像素值，產生一輸出像素值；其中當該增益產生單元根據該第一對比增益值及該最大值，判斷不會產生飽和現象時，係選擇該第一對比增益值輸出當作該第二對比增益值。
  5. 一種對比調變裝置，包含：一偵測單元，用以根據一目前影像來進行像素的平均值計算及最大值偵測，以產生一平均值及一最大值；一判斷單元，用以根據該平均值，來產生一增益索引及一亮度索引；一背光源控制單元，用以根據該亮度索引，來產生一背光源控制訊號；一增益產生單元，耦接該偵測單元，用以根據該增益索引、該平均值及該最大值，產生一第一對比增益值及一軟性嵌位增益值，再根據該目前影像之一輸入像素值，選擇該第一對比增益值及該軟性嵌位增益值之一輸出當作一第二對比增益值；以及一對比增益處理器，根據該第二對比增益值及該輸入像素值，產生一輸出像素值；其中該判斷單元包含：一步進變化判斷單元，連接該偵測單元，根據該目前影像之平均值及上一張影像之平均值間的差距，逐步調整一參考索引；一增益判斷單元，根據該參考索引，產生該增益索引；以及一亮度判斷單元，根據該參考索引，產生該亮度索引。
  6. 如申請專利範圍第5項所記載之裝置，其中該背光源控制訊號為一脈波寬度調變(PWM)訊號；其中，該背光源控制單元係根據該亮度索引，調整該脈波寬度調變訊號的工作週期。
  7. 如申請專利範圍第5項所記載之裝置，其中該對比增益處理器係利用一乘法器來實施。
  8. 一種對比調變方法，係適用於一影像顯示系統，包含：根據一目前影像，進行像素的平均值計算及最大值偵測，以得到一平均值及一最大值；根據該平均值，決定一增益索引及一亮度索引；根據該亮度索引，產生一背光源控制訊號；根據該該增益索引、該平均值及該最大值，得到一第一對比增益值及一軟性嵌位增益值；根據該目前影像之一輸入像素值，選擇該第一對比增益值及該軟性嵌位增益值之一當作一第二對比增益值；以及根據該第二對比增益值及該輸入像素值，得到一輸出像素值；其中該決定該增益索引及該亮度索引步驟包含：根據該目前影像之平均值及上一張影像之平均值間的差距，逐步調整一參考索引；以及根據該參考索引，產生該增益索引及該亮度索引。
  9. 一種對比調變方法，係適用於一影像顯示系統，包含：根據一目前影像，進行像素的平均值計算及最大值偵測，以得到一平均值及一最大值；根據該平均值，決定一增益索引及一亮度索引；根據該亮度索引，產生一背光源控制訊號；根據該增益索引、該平均值及該最大值，得到一第一對比增益值及一軟性嵌位增益值；根據該目前影像之一輸入像素值，選擇該第一對比增益值及該軟性嵌位增益值之一當作一第二對比增益值；以及根據該第二對比增益值及該輸入像素值，得到一輸出像素值； 其中該得到該第一對比增益值及該軟性嵌位增益值步驟包含：根據該增益索引，決定該第一對比增益值，其中，該第一對比增益值大於1；根據該第一對比增益值及該最大值，判斷該輸出像素值是否會飽和；以及當該輸出像素值會飽和且該平均值大於一第一臨界值及該最大值大於一第二臨界值時，設定該軟性嵌位增益值等於m×k，否則，設定該軟性嵌位增益值等於k；其中，0<m,k<1且m值及k值均取決於該平均值及該最大值之至少其中之一。
  10. 如申請專利範圍第9項所記載之方法，其中該偵測步驟中係依據該目前影像中像素的亮度值及色度值之至少其中之一，進行平均值計算及最大值偵測，以產生該平均值及該最大值。
  11. 如申請專利範圍第9項所記載之方法，其中該背光源控制訊號為一脈波寬度調變(PWM)訊號；其中，該產生該背光源控制訊號步驟中係根據該亮度索引，調整該脈波寬度調變訊號的工作週期。
  12. 一種對比調變方法，係適用於一影像顯示系統，包含：根據一目前影像，進行像素的平均值計算及最大值偵測，以得到一平均值及一最大值；根據該平均值，決定一增益索引及一亮度索引；根據該亮度索引，產生一背光源控制訊號； 根據該增益索引、該平均值及該最大值，得到一第一對比增益值及一軟性嵌位增益值；根據該目前影像之一輸入像素值，選擇該第一對比增益值及該軟性嵌位增益值之一當作一第二對比增益值；以及根據該第二對比增益值及該輸入像素值，得到一輸出像素值；其中該得到該輸出像素值步驟中，係將該第二對比增益值及該輸入像素值相乘，以產生該輸出像素值。
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