TWI534784B - 用於在液晶顯示器上顯示的強化影像之方法、圖形處理單元及有形電腦可讀取媒體 - Google Patents

用於在液晶顯示器上顯示的強化影像之方法、圖形處理單元及有形電腦可讀取媒體 Download PDF

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Description

用於在液晶顯示器上顯示的強化影像之方法、圖形處理單元及有形 電腦可讀取媒體
本揭示案係關於顯示在液晶顯示器(liquid crystal displays;LCDs)上的強化影像。
液晶顯示器(LCDs)用於多種現代電子及計算設備，該等設備包括電腦監視器、膝上型電腦、智慧型電話、手持遊戲系統及媒體播放機(攜帶型音訊播放機、攜帶型視訊播放機等等)。LCD之廣泛採用係部分歸因於其相對於諸如陰極射線管(cathode ray tube;CRT)顯示器之其他類型之顯示器而言較小的尺寸、重量及功率消耗。
第1圖圖示簡化之習知液晶顯示器100之各層的透視展開圖。LCD 100包括背光110、水平偏振濾光器120及垂直偏振濾光器130、電極140層及電極150層及液晶層160。LCD 100包括個別可控制以顯示影像之多個圖像元素或像素(顯示像素)。LCD 100個別地控制每個像素以控制源光之量，該源光由通過水平偏振濾光器120及垂直偏振濾光器130兩者之背光110產生。
背光110可包括一或多個發光二極體(light emitting diode;LED)、電場發光面板或其他類型之光源，且可包括自光源漫射光之材料層。背光110能夠在不同強度級下產生源光，該源光用於LCD 100整體或在一些較新設計中用於LCD 100之不同區域。術語「背光級別」代表由背光110產生之源光之強度。
由背光110產生之源光通常為非偏振的。若光顯現為沿一軸延伸之波形，則光之偏振為該波形相對於該軸之定向(例如，水平，垂直或其他角度)。非偏振光為一堆不同偏振。水平偏振濾光器120允許水平偏振光通過但是阻擋其他光。垂直偏振濾光器130允許垂直偏振光通過但是阻擋其他光。在無液晶層160之情況下，該系列兩個偏振濾光器120及130將阻擋來自背光110之全部光。然而，在液晶層160中，於顯示像素之位置上之液晶分子「扭轉」通過之光，以使得在水平偏振光離開背光110時使水平偏振光變成垂直偏振。該垂直偏振光可然後通過垂直偏振濾光器130。
在LCD 100之顯示像素下水平至垂直偏振改變的程度可藉由改變在該顯示像素下流動於電極140與電極150之間的電流量來控制。對於每個顯示像素而言允許通過LCD 100之光的量因此係由在該像素下施加於電極140及電極150上之電流量來決定，其中所施加之電流量可取決於所要的像素值強度而受控制。通常，該像素值愈強或愈亮，相應顯示像素下允許通過LCD 100之源光的量愈多。舉例而言，在一種類型之習知LCD中，當向列分子處於不施加電流之「鬆弛」狀態時，該等向列分子將光自水平偏振扭轉至垂直偏振，此舉允許光通過垂直偏振濾光器130。然而，當在電極140及電極150上施加電流時，該等向列分子沿電流方向重新對準。重新對準之程度取決於電流之強度，此允許不同數量之光通過垂直偏振濾光器130。當施加足夠電流時，水平偏振光之偏振在液晶層160上未改變，以便由垂直偏振濾光器130阻擋光。
待顯示於LCD 100上之影像或圖框包括多個像素(影像像素)，該等像素具有一或多個像素值且在顯示處理期間與LCD 100上之多個顯示像素中相應像素相關聯。舉例而言，單個影像像素可具有分別與紅色、綠色及藍色強度相對應之三個像素值，且可為影像像素組合該三個像素值以形成大量色彩中之任何色彩。在LCD 100上，顯示像素可包括紅色、綠色及藍色子像素，由電極140及電極150個別地控制該等子像素以取決於影像像素之像素值而設定不同強度。
不同種類之LCD可使用不同機制來控制電極、不同種液晶及背光之不同類型的光源。雖然LCD比其他類型之顯示器消耗更少功率，但是其可佔計算設備所消耗之功率之極大一部分，且背光使用大量LCD消耗之功率。因此，尤其對於攜帶型電子設備而言，需要降低LCD功率消耗以延長電池壽命且亦節省能源。可藉由降低背光110產生之源光之強度來降低LCD功率消耗。然而，由於背光強度之降低，所顯示影像之亮度降低，此舉可導致細節丟失或另外損害影像品質(如觀察者所察覺)。觀察者所察覺之影像品質亦可在某些環境光條件中受損害。若環境光級別增加，則使用者更難觀察所顯示之影像，或者使用者可察覺該影像之更少細節。
因此，需要回應於背光級別及環境光級別之改變而強化待顯示於液晶顯示器上之影像之高效且有效的方法。
本發明揭示影像強化技術，該等影像強化技術在考慮背光級別、環境光級別及/或與LCD相關聯之其他光級別的情況下，強化待顯示於液晶顯示器(LCD)上之影像以達成增加之可視性。特定言之，所揭示之技術允許回應於LCD之背光級別的降低或在LCD周圍之環境光級別的改變而強化影像。
在一些實施例中，影像強化技術根據方程式將影像之選定像素值自初始值重映射至經重映射之值，其中該方程式將初始值增加至變性伽碼(gamma)值參數指數。此變性伽碼值參數係基於初始像素值以及當前背光級別及/或當前環境光級別。
舉例而言，強化影像之一部分。可由使用者繪製之定界框或使用者選擇或與執行於輸出影像至LCD之計算設備上之應用程式相對應的視窗來決定該影像部分。儘管與LCD相關聯之光級別改變，但是不與影像部分相對應之像素值仍保持未經強化。
可在影像強化期間或繼影像強化之後執行額外訊號處理操作。舉例而言，可將顫動訊號施加於經強化之影像以降低輪廓假影。如另一實例，可偵測到作為重映射結果之影像細節的丟失，且可銳化細節丟失之區域之對比度。
在其他實施例中，可以圖形處理單元(graphics processing unit；GPU)或位於輸出影像至LCD之計算設備中之其他硬體組件，或以LCD本身實施該等技術。
本發明之前述及其他目的、特徵及優點將自下文參閱附圖進行之詳細描述可更加明白。
本申請案描述用於當LCD之背光級別降低(例如)以降低功率消耗或對環境光級別之改變作出反應時調整像素值之技術及工具。藉由主動管理背光級別以及調整像素值，該等技術及工具可在保留顯示品質或賦能新的顯示特徵時降低功率消耗。舉例而言，使用本文所述之技術，計算設備可選擇性地強化影像內容、視訊內容或其他圖形內容之亮度以補償背光級別之降低。在決定調整哪些像素值以及應調整多少像素值時，計算設備可考慮所要的背光級別、當前環境光級別、待顯示之內容、使用者偏好或指令、應用設定及系統設定以及其他因素。如本申請案及申請專利範圍中所使用，除非本文另外清楚規定，否則單數形式「一」及「該」包括複數形式。另外，術語「包括」意謂「包含」。
本文所述之系統、裝置及方法不應視為以任何方式限制。實情為，本揭示案係針對各個所揭示之單獨以及在各個互相組合及次組合中之實施例的所有新穎且非明顯的特徵及態樣。該等所揭示之系統、方法及裝置既不限於任何特定態樣或特徵或其組合，亦不需要提供任何一或多個特定優點或解決任何一或多個問題。
雖然為方便描述而以特定及順序次序描述一些所揭示方法之操作，但是應理解，除非下文陳述之特定語言需要特定次序，否則該描述方式涵蓋重新排列。舉例而言，可在一些狀況下同時重新排列或執行順序描述之操作。此外，為了簡單起見，附圖不可能圖示可將所揭示之系統、方法及裝置與其他系統、方法及裝置結合使用之各個方法。另外，該描述有時使用如「產生」及「提供」之術語來描述所揭示之方法。該等術語為所執行之實際電腦操作之高階抽象化。與該等術語相對應之實際電腦操作將取決於特定實施而變化且容易由一般技術者辨別。
為更好理解且並非意欲為範疇之限制，已提供本文提出之關於本揭示案之裝置或方法的操作理論、科學原理或其他理論描述。附加申請專利範圍中之裝置及方法不限於以該等操作原理描述之方式起作用的彼等裝置及方法。
具有LCD及影像強化之計算設備
現轉向諸圖，第2圖圖示示例性計算系統200之方塊圖。計算系統200包括可以軟體或軟體及硬體之組合實施之硬體元件(圖示於矩形框中)及功能元件(以圓角圖示)。
對於硬體元件，系統200包括一液晶顯示器(LCD)210、一或多個處理單元230、記憶體240、一環境光感測器250及使用者輸入設備280。通常，處理單元230及記憶體240執行各別功能元件之軟體及/或實施具有專用硬體邏輯之功能元件之特徵。該記憶體可為揮發性記憶體(例如，暫存器，快取隨機存取記憶體(random access memory;RAM))、非揮發性記憶體(例如，唯讀記憶體(read only memory;ROM)，電子可抹除可程式化唯讀記憶體(electrically erasable programmable read only memory;EEPROM)，快閃記憶體，等等。)或兩者之某一組合。使用者輸入設備280可包括鍵盤、滑鼠、筆、軌跡球、觸控螢幕、語音輸入設備、掃描設備或提供輸入至系統200之另一設備。
系統200可以一計算設備實施，該計算設備與其外部之LCD 210通訊地耦合。舉例而言，系統200可包含一桌上型電腦，該桌上型電腦包含處理單元230及記憶體240，並經由有線或無線連接輸出影像資料至LCD 210。或者，系統200可以包括LCD 210之計算設備實施，諸如智慧型電話、攜帶型遊戲系統、媒體播放機或其他行動、攜帶型或手持計算設備。
計算系統200可具有作業系統260及執行於處理單元230上之一或多個應用程式270。記憶體可儲存作業系統260、應用程式270及實施本文所述之任何技術之軟體。
系統200之功能元件亦包括用於背光及顯示管理之LCD控制器220。LCD控制器220單獨或與內容分析及重映射模組222組合處理與待顯示於LCD 210上之影像相關聯之像素值。下文提供在示例性實施中重映射操作之細節。LCD控制器220亦產生用於控制LCD背光級別之訊號。顯示驅動器224緩衝用於輸出至LCD 210之重映射之結果，且另外緩衝用於輸出至LCD 210之影像資料。可自控制器220或經由背光控制驅動器226將控制LCD背光級別之訊號提供至LCD 210。在部分系統200進入休眠、候用或其他低功率狀態時，作業系統260可指示控制器220(系統控制)降低背光級別。在另一實例中，作業系統260(系統控制)或應用程式270(應用程式控制)可指示回應於背光級別之改變而強化影像之一部分。
作業系統260或應用程式270可指示控制器220回應於使用者輸入280(使用者控制)而降低背光級別或強化影像。舉例而言，使用者可配置降低LCD 210亮度(亦即，降低背光級別)之作業系統260及/或應用程式270參數或設定。藉由(例如)繪製一定界框、選擇顯示於LCD 210上之一或多個視窗或選擇將輸出顯示於LCD 210上之一或多個應用程式，使用者亦可指示將強化影像的哪個部分。
LCD控制器220可單獨或經由背光控制驅動器226來調整LCD背光級別，且單獨或與內容分析及重映射模組222組合來回應於自環境光感測器250接收之訊號而執行影像強化。環境光感測器250偵測LCD附近或入射於LCD之環境光之亮度，且產生其具代表性的一訊號，該訊號經傳輸至控制器220且由控制器220接收。感測器250可整合至與LCD 210相同的設備中或實施控制器220之單獨計算設備中。應控制器220之請求或當環境光級別改變一特定量時，感測器250可以週期性間隔提供環境光級別至控制器220。LCD控制器220可基於自感測器250接收之訊號監視環境光級別且相應地增加或降低LCD背光級別。舉例而言，隨著環境光級別之增加，控制器220可增加背光級別以使更容易在亮光條件下觀察到顯示於LCD上之影像。類似地，隨著環境光級別之降低，控制器220可降低背光級別以節省功率或避免對瞳孔已適應黑暗環境之使用者顯得過亮之LCD。
在不同的實施中，LCD控制器220可整合至一或多個處理單元230、圖形處理單元(GPU)(未圖示)或電腦系統200(例如，特殊應用積體電路(application specific integrated circuit；ASIC)，等等)之任何其他硬體組件或其次組件中。控制器220可位於含有LCD 210之計算設備、與LCD 210分離之計算設備中，或位於LCD 210本身中。舉例而言，若系統200為桌上型電腦系統，則LCD控制器220可位於個人電腦中或外部LCD 210中。可藉由或結合背光控制驅動器226、重映射模組222及/或顯示驅動器224來執行LCD控制器220之不同功能性，該等背光控制驅動器226、重映射模組222及/或顯示驅動器224中任何一者可位於計算設備中或單獨的LCD 210中。在一些實施中，控制器220之功能性分散於系統200之多個組件之間。舉例而言，LCD控制器220所執行之一些操作可由桌上型電腦之計算組件執行，且剩餘LCD控制器220功能性可由LCD 210執行。
顯示影像強化結果之示例性影像
下方附件1及附件2圖示本文所述之影像強化技術之應用以選擇性地增加顯示於具有降低之背光之LCD上的影像亮度。附件1圖示以完全背光(亦即，100%之背光級別)顯示於LCD上之影像300。附件2圖示以降低25%之背光級別(亦即，75%之背光級別)顯示於LCD上之同一螢幕單幅之影像400。在一視窗內，每個影像300及400包括戴一頭盔之男人的影像310及410。在附件2中，影像410之左半邊420根據本文所述之方法經強化以補償背光級別之降低。影像410之右半邊430未經強化。如圖可見，經強化之左半邊420比未經強化之右半邊410更亮且更接近地類似於以完全背光顯示之影像310之亮度。
特定言之，歸因於降低之背光級別之實體限制，在兩個半邊420及430之影像410之相對亮的區域(例如，頭盔)變得更昏暗，但是強化技術增加左半邊420之其他區域(例如，陰影，外套)之細節的亮度以更接近地匹配原始影像310。對於諸如影像顯現視窗或視訊顯現視窗之選定顯示區，此強化幫助保留相對較暗區域中細節之可見性，而非歸因於隨降低之背光級別變昏暗而丟失彼等細節。
示例性色調曲線及理論基礎
第3圖圖示附件1之影像310及附件2之影像410中之像素值的色調曲線510、色調曲線520及色調曲線530。每條色調曲線圖示亮度像素值與根據該像素值顯示之顯示像素之亮度之間的關係。在第3圖中，亮度像素值由最大像素值(例如，具有8位元色彩深度之影像為255，具有10位元色彩深度之影像為1023)正規化，且該亮度由以完全背光(100%背光級別)且根據最大像素值顯示之顯示像素的亮度正規化。或者，亮度可表現顯示像素之紅色、綠色或藍色子像素之強度，而非指示亮度像素值之整體亮度。
色調曲線510、色調曲線520及色調曲線530反映施加在顯示像素(其與關聯像素值相對應)之LCD之電極上的訊號與該顯示像素之相應亮度之間的非線性關係。顯示像素亮度與影像像素值之間的關係可由以下方程式表示：亮度=像素值 γ ，(Eq.1)，其中γ為與特定LCD顯示器相關聯之伽碼值。γ之值可根據所使用顯示器之類型變化。在第3圖中，色調曲線510、色調曲線520及色調曲線530與具有2.2之伽碼值或伽碼設定之顯示器相關 聯，2.2為習知陰極射線管及一些LCD之典型的伽碼值。LCD可具有除了2.2之外的伽碼值，且可具有不可由方程式1表示之像素值-亮度關係。當LCD產生施加於水平電極及垂直電極之訊號電壓時，具有該等關係之LCD可施加校正於像素值，以使得像素值-亮度關係可由方程式1表示。
色調曲線510與以完全背光顯示之影像310相對應，且對於以降低25%之背光顯示之影像410，色調曲線520及色調曲線530分別與影像半邊420及影像半邊430相對應。色調曲線530與未經強化之影像半邊430相對應，且等於比例為0.75(表現降低25%之背光)之色調曲線510。與經強化之影像半邊420相對應之色調曲線520圖示對於全範圍的像素值之大部分而言經強化之影像半邊420之像素值具有比未經強化之影像半邊430之同一像素值更大的亮度。當影像經強化時，相對於與完全背光影像310相對應之色調曲線510，色調曲線520圖示經強化之影像半邊420之像素值在小像素值下具有相似的亮度，從而指示該影像之較暗區域顯示於與當以完全背光或降低之背光顯示時相似的亮度。相反，如色調曲線530所示，未經強化之影像半邊430之像素值甚至在小像素值下按比例降低。在較高像素值下，色調曲線520及色調曲線530收斂，從而指示經強化及未經強化之影像之較亮區域顯示於大致相同的亮度級。
示例性影像強化技術
第4圖圖示用於強化待顯示於液晶顯示器上之影像之一般化方法600的流程圖。可例如由膝上型電腦執行方法600，由於低環境光條件，該膝上型電腦之系統設定已由使用者配置以降低外部LCD顯示器之亮度。更大體而言，諸如參閱第2圖所述之電腦系 統200之系統執行方法600。
在610，系統決定與LCD相關聯之光級別。該光級別慮及背光級別及/或環境光級別。舉例而言，該光級別為已相對於先前背光級別降低或增加之當前背光級別。或者，該光級別為相對於先前環境光級別降低或增加之當前環境光級別。在膝上型電腦實施中，膝上型電腦可例如經由與LCD顯示器通訊或藉由存取系統變數或參數來決定當前背光級別。膝上型電腦可經由與環境光感測器通訊或藉由存取系統變數或參數來決定當前環境光級別。可將該等當前光級別與由電腦系統可存取之儲存於記憶體中之先前光級別作比較。
在620，系統強化待顯示於LCD上之影像。可強化完整影像或影像之一部分。亦即，可選擇性地強化該影像。通常，系統將該影像之至少一些像素值自初始值重映射至經重映射之值。通常，經重映射之像素值為亮度-色度色空間(諸如YUV)內之亮度值，且色度值未經重映射。
舉例而言，在一些實施中，強化包含根據下列方程式將每個待重映射像素值自初始值重映射至經重映射之值： 其中γ ratio 為變性伽碼值比率，且初始像素值(init_pixel_value)經正規化在0至1之範圍內。或者，藉由增加初始像素值至另一類型之變性伽碼值參數來重映射初始像素值，該類型之變性伽碼值參數選擇性地增加亮度以補償所決定光級別之變化。
對於本文提供之方程式2及其他方程式，實施方程式之操作細節可取決於實施變化而仍「根據」該方程式。舉例而言，可用查找表儲存預先計算之輸入值與輸出值之間的關聯之操作來實施 方程式，或者可使用該方程式即時自輸入值計算輸出值。如另一實例，可僅使用方程式中所示之操作、使用等效操作或使用額外操作來實施方程式。如另一實例，可與值之其他變換分離或結合來實施方程式。用由方程式所示或所暗示之次序之操作來實施方程式，或者以相同效應重新排列操作。
方程式2中之變性伽碼值比率γ ratio 至少部分基於所決定光級別且至少部分基於初始值。舉例而言，變性伽碼值比率γ ratio 可表示為： 其中γ LCD 為特定LCD之伽碼設定(諸如，1.8或2.2)，且γ adjustment 為伽碼調整。
當重映射用於補償背光級別之改變時，方程式3之伽碼調整γ adjustment 可表示為：
其中為取決於背光級別之伽碼偏移值。下文提供不同背光級別之伽碼偏移值之示例性值。
方程式4得到伽碼調整值γ adjustment 自低階像素值(在初始像素值0下γ adjustment =γ LCD )下之γ LCD 至高階像素值(在最大初始像素值1下)下之的平滑轉變。初始像素值之平方根被用作項(γ offset_bl -γ LCD )之比例係數，因為其對於初始像素值0評估為0且對於最大像素值1評估為1，且具有介於初始像素值0和1之間的理想曲線。因此，方程式4假定經正規化之初始像素值。可修改方程式4以適應未經正規化之像素值。
在方程式4之變化中，除外之表達式能用作項(γ offset_bl -γ LCD )之比例係數以增加、降低或以其他方式修改影像之強 化。舉例而言，該比例係數可為一函數，其為給定初始像素值產生更大或更少的強化量值(亦即，初始像素值重映射更大或更少量)。
可依所決定光級別所需計算偏移伽碼值、自儲存於電腦系統之記憶體中之查找表擷取該偏移伽碼值，或者將該值決定為擷取與計算之某一組合。繼續膝上型電腦實例，查找表可儲存於膝上型電腦之常駐記憶體中。表1圖示示例性查找表之若干項目，該查找表含有具有γ LCD 為2.2之LCD的值。
隨著背光級別降低，值增加，此趨向於因更大級別之背光降低引起更大量之影像強化。表1亦圖示值通常隨著背光值降低而單調增加。
當重映射用於補償環境光級別之改變時，方程式2及方程式4之經重映射之像素值及伽碼調整γ adjustment 可表示為： 其中為取決於環境光級別之伽碼偏移值，且a為比例參數，a可表示為： 其中b為用於低階像素值之環境光級別或目標亮度。不同環境光級別之伽碼偏移值之示例性值在表2中提供如下。使用該伽碼調整γ adjustment ，經重映射之像素值remapped_pixel_value係至少部分基於所決定光級別且至少部分基於初始像素值。
方程式5-方程式7得到經重映射之像素值(remapped_pixel_value)自低階像素值(在初始像素值0下及)下之非0值至高階像素值下之1.0的平滑轉變。因此，回應於環境光之增加，方法600可操作以主要強化影像之較暗區域、使中階亮度區域比較暗區域增加更少量，以及將高階亮度區域維持在與未經強化之影像大致相同的亮度上。
在方程式5-方程式7之變化中，隨著remapping_pixel_value之像素值增加，不同的表達式提供自非0值至1.0之平滑轉變。可依所決定光級別所需計算偏移伽碼值、自儲存於電腦系統之記憶體中之查找表擷取該偏移伽碼值，或者將該值決定為擷取與計算之某一組合。此外，繼續膝上型電腦實例，查找表可儲存於膝上型電腦之常駐記憶體中。
表2圖示示例性查找表之若干項目，該查找表含有具有γ LCD 為2.2之LCD的值。雖然重映射僅針對非0環境光值b發生，但是除非系統處於完全黑暗中，否則此狀況並非意謂使用本文描述之方法之系統將總是強化影像。可指定環境光照明地板。若環境光級別低於該所指定地板，則將認為環境光值b為0.0，且將無重映射或影像強化發生。
在表2中所示之示例性映射中，在環境光值自0.03至0.05至0.1改變時，先降低再增加。因此，γ offset (例如，或γ ↓(offset ↓ amb)))查找表可含有少量項目且需要少量記憶體。使用線性內插法或另一形式之內插法，可將與在查找表中無相應項目之背光或環境光值相對應的伽碼偏移值自現有項目中內插。或者，在由在電腦系統上執行之軟體或位於電腦系統中之硬體(亦即，GPU)之重映射處理期間，可即時計算及。
類似地，繼已決定伽碼偏移值後，如程序方塊620中發生，在重映射期間可計算每個像素值之伽碼調整值γ adjustment 。或者，可繼決定伽碼偏移值後計算每個可能像素值之γ adjustment 之可能值，且可將所得γ adjustment 值儲存於查找表或由初始像素值索引之其他資料結構中。因此，重映射可包含自影像中之任何給定初始像素值之資料結構中擷取γ adjustment 值，進而避免在重映射期間必須重新計算γ adjustment 值。可類似地即時計算或預先計算經重映射之像素值(remapped_pixel_value)且將其儲存於查找表或其他資料結構中。
此外，取決於背光級別及環境光級別兩者之γ adjustment 及/或remapped_pixel_value的方程式亦可用於像素值重映射。作為另一 替代方法，重映射可考慮例如環繞待強化像素值之鄰域內之其他像素值，而不是在考慮單個初始像素值情況下計算伽碼調整γ adjustment 及/或remapped_pixel_value，以藉由強化暗像素值來增加暗區域內之對比度，但不調整暗像素值至與該等暗像素值被亮像素值圍繞時相同的程度。
回到第4圖，繼在620強化影像後，在630系統輸出經強化之影像至LCD。輸出經強化之影像至LCD可包含例如計算設備發送經重映射之像素值至外部LCD，或LCD控制器或計算設備之其他組件發送經強化之影像資料至整合於該設備中之LCD。
像素值之示例性重映射
第5圖為曲線710及曲線720之繪圖700，該等曲線圖示對於當前背光級別自先前完全背光級別降低25%及對於具有伽碼為2.2之LCD(γ LCD =2.2)，初始像素值與經重映射之像素值之間的關係。對於0.7及0.8(分別降低30%及20%)之經正規化之背光級別，伽碼偏移值為2.70()，其線性地內插自表1中所示之值2.571及2.832。
曲線720為參考曲線，其在初始像素值與經重映射之像素值之間不進行修改(亦即，經重映射之像素值與初始像素值相同)。曲線710圖示回應於背光級別降低而將初始像素值重映射至更大的經重映射之像素值，其中中階像素值比低階或高階像素值重映射更大量。
返回參看第3圖，曲線520為附件2之經強化之影像半邊420的色調曲線。經重映射之像素值之亮度可藉由將方程式2代入方程式1中來表示：
如上文論述，色調曲線520指示經強化之影像半邊420之暗區域，經強化之影像半邊420以降低背光顯示且具有經察覺與以完全背光顯示之未經強化之影像310相似的亮度。同時，隨著背光之降低，經強化之影像半邊420之中階(及較高階)像素值比未經強化之影像半邊430更亮(或一樣亮)，但是明顯比以完全背光顯示之未經強化之影像310的相應像素值更昏暗。
第6圖為曲線810及曲線820之繪圖800，該等曲線圖示對於當前環境光級別為0.1(b=0.1)及具有伽碼為2.2之LCD(γ LCD =2.2)，初始像素值與經重映射之像素值之間的關係。伽碼偏移值為1.75()。曲線810為參考曲線，其在初始像素值與經重映射之像素值之間不進行修改(亦即，經重映射之像素值與初始像素值相同)。曲線820圖示回應於當b=0.1時環境光級別增加而將初始像素值重映射至更大的經重映射之像素值。(若可能的話)由於亮度之增加量隨著像素值增加而降低且高階像素值之亮度僅增加少量，所以低階像素值的亮度比中階及高階值之亮度增加更大量。
第7圖為以完全LCD背光顯示之影像之色調曲線910及色調曲線920的繪圖900，其中由於環境光級別之增加，(曲線920)具有影像強化且(曲線910)不具有影像強化。曲線910為未經強化之影像或顯示於低環境光條件(亦即，環境光級別，b=0)下之影像的色調曲線。色調曲線920指示影像之暗區域係在增加之環境光條件下得到強化(明顯更亮)，且指示中階及較高階像素值亦得到強化，但比低階像素值強化更少的量。經強化之影像中較高階像素值之亮度與未經強化之影像中較高階像素值的亮度收斂。
使用情況及替代方法
雖然已在一實例之上下文中描述一般化影像強化方法600，在該實例中將初始像素值重映射至較大的像素值以選擇性地增加影像亮度，但是影像強化亦包括回應於背光級別之增加而將初始像素值重映射至較低像素值。舉例而言，若回應於環境光級別之增加或作業系統自低功率模式(亦即，休眠，候用，等等)至正常模式之轉變而增加背光級別，則方法600可將初始像素值重映射至較低像素值以防止影像變得過亮。
此外，強化影像可包含應用數位訊號處理(digital signal processing；DSP)技術來作為重映射訊號值之補充或作為重映射訊號值之一部分。舉例而言，可將高頻顫動訊號施加於一影像，強化該影像以減輕或避免可能由於重映射操作或背光降低而出現之輪廓或條帶假影的引入。舉例而言，當用少數像素值取代廣泛範圍之初始像素值且用明顯邊界取代影像中像素值之漸變時，可能出現條帶假影或輪廓。繼已重映射像素值後，使用添加至全部影像或僅添加至已重映射像素值所在之經強化區域的圖樣可將顫動訊號添加至該影像。該等圖樣可在顯示前預先產生或即時產生。舉例而言，顫動訊號擾動取樣值較小量，諸如，根據環繞0之高斯分佈之-0.5至0.5。
亦可包括作為影像強化之一部分之其他DSP操作。舉例而言，影像強化可包括偵測影像之一或多個區域內之細節丟失，該細節丟失為重映射及彼等區域內對比度銳化的結果。甚至繼重映射後，亮區域內之細節可能因背光級別之降低而丟失，而該對比度調整可幫助保留此細節。相反地，暗區域內之重映射可能疏忽地導致暗區域失真變得更明顯，而DSP操作可識別並平滑此失真。
在一些情況中，根據使用者偏好、根據應用設定或根據系統 設定，回應於使用者指令而直接降低當前背光級別。在其他情況中，考慮到實際背光級別、當前環境光級別及影像內容，系統可在降低背光級別時，例如當顯示內容大部分為黑暗時主動調整像素值而不導致對觀察者而言明顯的改變。
甚至當目標並非為降低功率消耗時，本文所述之影像強化技術可用於達成醒目之效果。舉例而言，以降低之背光級別顯示之影像中，與影像選定部分相關聯之像素值可得到強化以使得該部分之亮度經察覺與當該影像以完全背光顯示時相同。可由使用者、作業系統或執行於計算設備上之應用程式選擇醒目影像部分作為區別顯示之其他無效區之有效區。藉由維持背光在降低之級別且允許更多源光通過與影像部分相關聯之顯示像素，該醒目特徵可降低LCD功率消耗。
在另一使用情況中，本文所述之影像強化技術應用於正規化顯示於與單個電腦系統聯用之多個監視器上的內容亮度。
在「雲端」計算實施(其中相對簡單的終端使用者計算設備經由網路連接至一或多個伺服器電腦)中，終端使用者設備可將其背光級別或關於其環境光條件之資訊傳達至伺服器電腦。伺服器電腦可基於連接至該雲端之終端使用者設備之背光級別或環境光條件調整媒體內容。經強化之內容可然後經遞送至終端使用者設備以供顯示。本文所述之方法可自動賦能或由使用者選擇賦能。在一些實施例中，併入環境光感測器之計算設備或LCD監視器可自動地降低背光級別且回應於環境光級別之降低強化影像。在其他實施例中，使用者可配置系統設定(例如，作業系統設定，應用設定)，該等系統設定控制是否在降低之背光級別條件下使用本文揭示之影像強化技術。
可以軟體或硬體或軟體與硬體之組合實施本文描述之方法。舉例而言，可以作業系統、GPU韌體或執行於連接至LCD之計算設備上之應用程式或者藉由執行於位於LCD中之處理器上之韌體實施該等方法，或功能性可在該等組件之間分離。或者，可以位於中央處理單元、圖形處理單元或輸出影像資料至LCD之計算設備之任何其他硬體組件上的電路或以LCD來實施部分或所有該等方法。
另外，雖然應用中的實例已主要集中於亮度像素值之重映射，但是本文所述之方法可重映射任何色空間內之像素值。舉例而言，可藉由重映射表現於YUV(例如，YPbPr，YCbCr)色空間中之影像之亮度(Y’)像素值而非色度像素值(U,V)或藉由重映射表現於RGB色空間中之影像之紅色、綠色及藍色子像素值來強化影像。
特定言之，為簡化實施，對於視訊或影像內容而言，本文所述之方法可應用於自視訊或影像解碼輸出之重建亮度像素值。在負責視訊解碼及顯示之視訊卡或GPU中，視訊顯現模組可恰好繼解碼之後執行重映射操作，而視訊或影像內容之像素值仍在8位元或10位元之整數表示及亮度/色度色空間內。
本文所提供之技術可在電腦可執行指令(諸如包括於程式模組內之彼等電腦可執行指令)之大體上下文中來描述，或者當該等技術在計算系統中目標真實或虛擬處理器上被執行時，可被描述為包含系統之「引擎」。通常，程式模組包括執行特定任務或者實施特定抽象資料類型之常式、程式、程式庫、物件、軟體組件、組件、資料結構，等等。可視各個實施例中所需在程式模組之間組合或分離程式模組之功能性。可在局部或分散式計算系統或環 境內執行用於程式模組之電腦可執行指令。
可由一或多個電腦可讀取媒體(例如，電腦可讀取儲存媒體或其他有形媒體)中之電腦可執行指令實施本文所描述之任何方法。該等指令可引起電腦系統執行所述方法。本文所述之技術可以各種程式設計語言實施。
在已說明及描述說明性實施例之原理後，可在忠於如上所述概念時在各種配置中修改該等實施例。鑒於可應用所揭示發明之原理之許多可能實施例，應意識到，該等說明性實施例僅為本發明之較佳實例而不應視為限制本發明之範疇。實情為，本發明之範疇由下列申請專利範圍界定。吾人因此主張本發明全部在該等申請專利範圍之範疇及精神的範圍內。
100‧‧‧液晶顯示器/LCD
110‧‧‧背光
120‧‧‧水平偏振濾光器
130‧‧‧垂直偏振濾光器
140‧‧‧電極
150‧‧‧電極
160‧‧‧液晶層
200‧‧‧計算系統/電腦系統
210‧‧‧液晶顯示器/LCD
220‧‧‧LCD控制器
222‧‧‧內容分析及重映射模組
224‧‧‧顯示驅動器
226‧‧‧背光控制驅動器
230‧‧‧處理單元
240‧‧‧記憶體
250‧‧‧環境光感測器
260‧‧‧作業系統
270‧‧‧應用程式
280‧‧‧使用者輸入設備/使用者輸入
300‧‧‧影像
400‧‧‧影像
310‧‧‧影像
420‧‧‧經強化之影像半邊
410‧‧‧影像
510‧‧‧色調曲線
430‧‧‧未經強化之影像半邊
530‧‧‧色調曲線
520‧‧‧色調曲線
610‧‧‧步驟
600‧‧‧方法
630‧‧‧步驟
620‧‧‧步驟
710‧‧‧曲線
700‧‧‧繪圖
800‧‧‧繪圖
720‧‧‧曲線
820‧‧‧曲線
810‧‧‧曲線
910‧‧‧色調曲線
900‧‧‧繪圖
920‧‧‧色調曲線
第1圖為根據先前技術之簡化的習知LCD之若干層的透視展開圖。
第2圖為包含LCD之示例性計算系統的方塊圖，在該計算系統中實施所描述之影像強化技術。
第3圖為圖示以完全背光級別、具有影像強化之重映射之降低的背光級別及不具有重映射之降低的背光級別顯示之影像之示例性色調曲線的繪圖。
第4圖為強化輸出於LCD上之影像之一般化方法的流程圖。
第5圖為圖示與背光級別之降低相對應之像素值的示例性重映射之繪圖。
第6圖為圖示與環境光級別之增加相對應之像素值的示例性重映射之繪圖。
第7圖為圖示由於環境光級別之增加而在強化及未強化情況下顯示影像之示例性色調曲線的繪圖。
300．．．影像
310．．．影像

Claims (20)

  1. 一種加強影像以用於在一液晶顯示器上顯示的方法，該方法在包括一處理器及記憶體之一計算設備中，該方法包含以下步驟：決定與該液晶顯示器相關聯之一光級別，該所決定光級別慮及(account for)一背光級別及一環境光級別中之至少一者；強化待顯示於該液晶顯示器上之一影像，該影像包含複數個像素值，該強化包含根據將一初始值增加至一變性伽碼值參數的一方程式將該等像素值之至少一像素值中之每者自該初始值重映射至一經重映射之值，該變性伽碼值參數至少部分基於該所決定光級別及該初始值；以及輸出用於顯示在該液晶顯示器上之該經強化之影像。
  2. 如請求項1所述之方法，其中：該背光級別為已相對於一先前背光級別降低之一當前背光級別，且該重映射選擇性地增加該影像之亮度；或者該環境光級別為已相對於一先前環境光級別降低之一當前環境光級別，且該重映射選擇性地降低該影像之該亮度；或者該環境光級別為已相對於該先前環境光級別增加之一當前環境光級別，且該重映射選擇性地增加該影像之該亮度。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該等經重映射之像素值與待顯示之該影像之一部分相關聯，且其中不與該部分相關聯之像素值未經重映射。
  4. 如請求項3所述之方法，其中該背光級別為已相對於一先前背光級別降低之一當前背光級別，且該重映射增加與該影像之該部分相關聯之該等像素的該亮度，以使得以該當前背光級別顯示之影像之該部分係以一亮度顯示，該亮度在感知上與當以該先前背光級別顯示該影像之該部分時之一亮度相同。
  5. 如請求項3所述之方法，其中該部分對應於該影像中之一或多個視窗。
  6. 如請求項5所述之方法，其中該一或多個視窗由一使用者選擇。
  7. 如請求項5所述之方法，其中該一或多個視窗與在該計算設備上執行之一或多個應用程式相關聯。
  8. 如請求項1所述之方法，其中該變性伽碼值參數係基於由該所決定光級別索引之一或多個伽碼偏移值。
  9. 如請求項1所述之方法，其中該強化之步驟進一步包含以下步驟：計算複數個變性伽碼值參數，每個變性伽碼值參數係基於該所決定光級別及一可能像素值；以及儲存該等變性伽碼值參數於該記憶體中，該等變性伽碼值參 數由相應可能像素值索引；其中該重映射該等像素值中之至少一者包含基於經重映射之該像素值之該初始值，自該記憶體擷取該等變性伽碼值參數中之一者。
  10. 如請求項1所述之方法，其中該變性伽碼值參數為根據γ LCD /γ adjustment 設定之一比率，其中γ LCD 為該液晶顯示器之一伽碼設定，且其中γ adjustment 為一伽碼調整。
  11. 如請求項10所述之方法，其中該伽碼調整係根據以下方程式設定：γ adjustment =γ LCD +(γ offset -γ LCD )×scale pixel_value ，其中γ offset 為決定為該背光級別之一函數之一伽碼偏移值，且其中scale pixel_value 為取決於經重映射之該像素值之該初始值的一比例因數。
  12. 如請求項10所述之方法，其中該伽碼調整係根據以下方程式設定：γ adjustment =γ LCD +(γ offset -γ LCD )×scale pixel_value ，其中γ offset 為決定為環境光級別之一函數之一伽碼偏移值，且其中scale pixel_value 為取決於經重映射之該像素值之該初始值的一比例因數。
  13. 如請求項10所述之方法，其中該伽碼調整係根據以下 方程式設定：γ adjustment =γ LCD +(γ offset -γ LCD )×scale pixel_value ，其中γ offset 為決定為該背光級別及該環境光級別之一函數之一伽碼偏移值，且其中scale pixel_value 為取決於經重映射之該像素值之該初始值的一比例因數。
  14. 如請求項1所述之方法，其中該強化之步驟包含以下步驟：選擇性地為該影像之亮度取樣而非為該影像之色度取樣執行該重映射。
  15. 如請求項1所述之方法，其進一步包含以下步驟：接收與該液晶顯示器之伽碼特性相關聯之元資料，該變性伽碼值參數係進一步基於源自該所接收元資料之一伽碼設定。
  16. 如請求項1所述之方法，其中該強化之步驟進一步包含以下步驟：施加一顫動訊號於待顯示之該影像，其中該顫動訊號繼該重映射後施加於待顯示之該影像。
  17. 如請求項1所述之方法，其中一伺服器電腦藉由自包括該液晶顯示器之一終端使用者計算設備接收指示該光級別之資訊來執行該決定該光級別，其中該伺服器電腦執行該強化步驟，且其中該輸出該經強化之影像包含以下步驟：自該伺服器電腦發送該經強化之影像至該終端使用者設備。
  18. 如請求項1所述之方法，其中該強化之步驟進一步包含以下步驟：偵測該影像之一或多個部分，其中由於該重映射，該影像之細節已丟失；以及選擇性地銳化所偵測之該一或多個部分內的對比度。
  19. 一種由經程式化以執行一方法的圖形處理單元，該方法包含以下步驟：接收與一液晶顯示器相關聯之一光級別，該所接收光級別慮及一當前背光級別，該當前背光級別已相對於一先前背光級別降低；強化待顯示於該液晶顯示器上之一影像，該影像包含複數個像素值，該強化包含根據將一初始值增加至一變性伽碼值參數的一方程式將該等像素值之至少一像素值中之每者自該初始值重映射至一經重映射之值，其中：該變性伽碼值參數為根據γ LCD /γ adjustment 設定之一比率，γ LCD 為該液晶顯示器之一伽碼設定，以及γ adjustment 為根據γ adjustment =γ LCD +(γ offset -γ LCD )×scale pixel_value 設定之一伽碼調整，γ offset 為一伽碼偏移值，其決定為該當前背光級別之一函數，以及scale pixel_value 為一比例因數，其取決於經重映射之該像素值之該初始值；以及輸出用於顯示在該液晶顯示器上之該經強化之影像。
  20. 一種有形電腦可讀取媒體，儲存電腦可執行指令用於致使一計算設備執行一方法，該方法包含：決定與一液晶顯示器相關聯之一光級別，該所決定光級別慮及一背光級別及一環境光級別中之至少一者；強化待顯示於該液晶顯示器上之一影像，該影像包含複數個像素值，該強化包含根據將一初始值增加至一變性伽碼值參數的一方程式將該等像素值之至少一像素值中之每者自該初始值重映射至一經重映射之值，該變性伽碼值參數至少部分基於該所決定光級別及該初始值；以及輸出用於顯示在該液晶顯示器上之該經強化之影像。
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