TWI672534B - 適用於顯示器背光的區域調光系統與方法 - Google Patents

適用於顯示器背光的區域調光系統與方法 Download PDF

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Abstract

一種適用於顯示器背光的區域調光系統，包含光形模擬單元，其接收脈寬調變值，其係根據影像內容所產生，該光形模擬單元根據脈寬調變值以產生光度增益；及像素補償單元，其根據光度增益以執行影像的像素補償，因而產生補償影像。光形模擬單元執行的光形模擬計算包含將輪廓資料與相應脈寬調變值予以相乘，再將乘積予以相加以形成光形。

Description

適用於顯示器背光的區域調光系統與方法
本發明係有關一種背光的調光，特別是關於一種適用於液晶顯示器的發光二極體背光的區域調光系統與方法。
液晶顯示器(LCD)本身不會發光，需要使用背光(backlight)以提供照射光給液晶顯示器。背光的光源可包含發光二極體(LED)。
為增進對比(contrast)，使用背光調光(dimming)技術以動態控制背光的光度(luminance)。全域(global)調光是背光調光的其中一種技術，其係同時控制整個顯示面板的光度。全域調光可增進相鄰圖框(frame)間的動態對比(dynamic contrast)。區域(local)調光是另一種背光調光技術，其係控制單一圖框的顯示面板一部分的光度。區域調光可增進靜態對比(static contrast)。
傳統調光方法(特別是區域調光方法)存在有光度不均勻(luminance unevenness)與閃爍(flicker)的問題。更重要的是，傳統區域調光方法無法有效降低功率消耗。因此亟需提出一種新穎機制以克服傳統區域調光方法的缺點。
鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種適用於液晶顯示器的發光二極體背光的區域調光系統與方法，可有效降低功率消耗。在一實施例中，區域調光系統可調整調光速度並可避免閃爍。
根據本發明實施例，適用於顯示器背光的區域調光系統包含光形模擬單元及像素補償單元。光形模擬單元接收脈寬調變值，其係根據影像內容所產生，且光形模擬單元根據脈寬調變值以產生光度增益。像素補償單元根據光度增益以執行影像的像素補償，因而產生補償影像。光形模擬單元執行的光形模擬計算包含將輪廓資料與相應脈寬調變值予以相乘，再將乘積予以相加以形成光形。
第一圖顯示本發明實施例之適用於液晶顯示器的發光二極體背光的區域調光系統100的方塊圖。區域調光系統100的方塊可使用硬體(例如數位影像處理器)、軟體或其組合來實施。
在本實施例中，區域調光系統100可包含平均估算單元11，其接收影像並估算其平均值。根據本實施例的特徵之一，平均值可根據影像的直方圖(histogram)來估算。平均估算單元11可包含最大亮度(brightness)單元111，用以決定影像每一像素的最大亮度，但不分顏色(例如紅色、綠色及藍色)。第二圖的示意圖例示決定影像每一像素的最大亮度。如第二圖所例示，決定每一像素的最大亮度(例如像素0的v0、像素1的v1等)，顯示如右手邊的長條圖。藉此，可得到算術平均值(arithmetic mean value)HGL mean如下： 其中floor代表取整函數(floor function)，其輸出小於或等於輸入的最大整數。
平均估算單元11可包含直方圖單元112，其根據影像的直方圖以產生直方圖平均值。第三圖的示意圖例示根據影像的直方圖以產生直方圖平均值。如第三圖所例示，將影像分割為複數區塊，以其灰階建構如右手邊的直方圖。該些區塊可相應於背光的發光二極體。接著，從最大灰階往最低灰階方向，累計灰階的計數值，當達到預設臨界值時，相應灰階設為直方圖平均值HGL­ high，其可表示如下： 若S31+S30+…+Sn≧臨界值 則HGL high=n
平均估算單元11可包含權重控制單元113，用以產生平均值。在本實施例中，平均值係根據算術平均值HGL mean與直方圖平均值HGL high來產生。在一例子中，平均值HGL out可表示如下： 其中max函數輸出二個輸入當中的最大值，w 1、w 2代表權重。
本實施例之區域調光系統100可包含脈寬調變(PWM)增益控制單元12，其根據(平均估算單元11的)平均值以產生脈寬調變增益值。脈寬調變增益值用以控制提供給發光二極體背光的功率。脈寬調變增益值愈大，提供給發光二極體背光的總功率愈高。第四A圖例示脈寬調變增益值與平均值的關係曲線。在這個例子中，脈寬調變增益值與平均值呈線性關係。第四B圖例示脈寬調變增益值與平均值的另一關係曲線。在這個例子中，脈寬調變增益值與平均值也呈線性關係，但是在高平均值處為平緩上升。第四C圖例示脈寬調變增益值與平均值的又一關係曲線。在這個例子中，脈寬調變增益值與平均值呈伽瑪(gamma)校正的非線性關係。在本實施例中，脈寬調變增益值可根據事先產生的查表(lookup table)來產生，以節省計算時間。
本實施例之區域調光系統100可包含空間濾波器(spatial filter)13，其於空間域處理平均值HGL，以增強脈寬調變增益值，因而產生增強(enhanced)脈寬調變增益值。第五A圖例示脈寬調變增益值，第五B圖例示空間濾波器的要素，其相應於第五A圖的脈寬調變增益值。在一例子中，空間濾波器執行第五A圖及第五B圖所示例子以產生增強脈寬調變增益值HGL’的操作如下： 若HGL’_tmp1≧255 則HGL’_temp1=255 HGL’_tmp2=Max(HGL0, HGL1, … HGL98) 若HGL’_tmp＜HGL 則HGL’=HGL 否則HGL’=HGL’_tmp
本實施例之區域調光系統100可包含場景改變偵測(scene change detection)單元14，其根據(直方圖單元112的)直方圖平均值以偵測場景改變。
本實施例之區域調光系統100可包含時域濾波器(temporal filter)15，其根據(空間濾波器13的)增強脈寬調變增益值及(場景改變偵測單元14的)場景改變偵測結果，於時間域執行以調整調光速度並防止閃爍(flicker)，因而產生脈寬調變值。
根據本實施例的另一特徵，時域濾波器15可提供功率限制(constraint)模式，使得脈寬調變值可受限於最大值。在本實施例中，可根據脈寬調變值的總和以限制脈寬調變值，其中該些脈寬調變值分別相應於背光的發光二極體。
本實施例之區域調光系統100可包含光形模擬(light shape imitation)單元16，其根據(時域濾波器15的)脈寬調變值以產生光度(luminance)增益。區域調光系統100還可包含像素補償單元17，其根據(光形模擬單元16的)光度增益以執行影像的像素補償，因而產生補償影像。光度增益可表示如下： 光度增益 = (光度) (-1/r)其中r代表伽瑪(gamma)值。
在一實施例中，於高峰(peaking)模式，對脈寬調變值進行加權(weighting)後再饋至光形模擬單元16。假設於正常(或原始)模式的電流為原始_I，於高峰模式的電流為高峰_I，於正常模式的脈寬調變值為原始_PWM，則於高峰模式的脈寬調變值為高峰_PWM，可表示如下: 其中(高峰_I/原始_I)代表高峰權重。
本實施例之區域調光系統100可包含誤差擴散(error diffusion)單元18，用以對補償影像執行誤差擴散。誤差擴散可藉由刪除(truncate)至少一個最低有效位元(LSB)來達成，例如將14位元的補償影像經位元刪除後成為12位元。藉此，可有效降低輪廓(contour)效應以增進影像品質。
第六圖顯示本發明實施例之光形模擬單元16(第一圖)執行光形模擬的流程圖。首先，提供(時域濾波器15產生的)脈寬調變值與輪廓(profile)資料。在本說明書中，輪廓資料係指一個背光的發光二極體的照射光。
於步驟61，對脈寬調變值與輪廓資料進行光形模擬計算。其中，輪廓資料乘以相應脈寬調變值，再將其乘積予以相加以形成光形。第七圖例示光形模擬計算(步驟61)。如第七圖所例示，輪廓資料1為第一列第一個發光二極體的照射光，輪廓資料2為第一列第二個發光二極體的照射光，餘此類推。值得注意的是，照射光會擴展或擴散至相鄰區塊。
對於硬體的實施，(步驟61的)光形模擬計算可進行取樣率降低(down sample)。此外，光形可限制於預設區域，而非整個背光。第八圖例示光形模擬計算執行取樣率降低並將光形限制於預設區域。在一實施例中，光形的限制可使用濾波器來達成。
回到第六圖，於步驟62，步驟61所計算得到的光形進行內插(interpolation)，例如雙立方(bicubic)內插，因而形成內插光形。最後，於步驟63，內插光形進行伽瑪映射(gamma mapping)，因而形成模擬光形(imitated light shape)。
第九圖顯示本發明實施例之光形模擬單元16(第一圖)的方塊圖。方塊91係用以執行光形模擬計算(步驟61)，且方塊92係用以執行內插(步驟62)(例如雙立方(bicubic)內插)及伽瑪映射(步驟63)。
關於前述的光形限制，相應的輪廓可能因為該限制而改變。第十A圖例示原始輪廓與光形限制所形成的新輪廓的示意圖。為了回復原始輪廓，可使用第十B圖所例示的輪廓分組(grouping)機制。在本實施例中，輪廓分組可由線性方程式(linear equations)來執行。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
100‧‧‧區域調光系統
11‧‧‧平均估算單元
111‧‧‧最大亮度單元
112‧‧‧直方圖單元
113‧‧‧權重控制單元
12‧‧‧脈寬調變增益控制單元
13‧‧‧空間濾波器
14‧‧‧場景改變偵測單元
15‧‧‧時域濾波器
16‧‧‧光形模擬單元
17‧‧‧像素補償單元
18‧‧‧誤差擴散單元
61‧‧‧光形模擬計算
62‧‧‧內插
63‧‧‧伽瑪映射
91‧‧‧光形模擬計算
92‧‧‧內插及伽瑪映射
HGL‧‧‧直方圖灰階
Mean‧‧‧平均值
第一圖顯示本發明實施例之適用於液晶顯示器的發光二極體背光的區域調光系統的方塊圖。 第二圖的示意圖例示決定影像每一像素的最大亮度。 第三圖的示意圖例示根據影像的直方圖以產生直方圖平均值。 第四A圖至第四C圖例示脈寬調變增益值與平均值的關係曲線。 第五A圖例示脈寬調變增益值。 第五B圖例示空間濾波器的要素，其相應於第五A圖的脈寬調變增益值。 第六圖顯示本發明實施例之(第一圖)光形模擬單元執行光形模擬的流程圖。 第七圖例示光形模擬計算。 第八圖例示光形模擬計算執行取樣率降低並將光形限制於預設區域。 第九圖顯示本發明實施例之光形模擬單元(第一圖)的方塊圖。 第十A圖例示原始輪廓與光形限制所形成的新輪廓的示意圖。 第十B圖例示用以回復原始輪廓的輪廓分組機制的示意圖。

Claims (20)

  1. 一種適用於顯示器背光的區域調光系統，包含：一平均估算單元，其接收一影像並估算其平均值；一脈寬調變增益控制單元，其根據該平均值以產生一脈寬調變增益值；一空間濾波器，其於空間域處理複數該平均值，以增強複數該脈寬調變增益值，因而產生增強脈寬調變增益值；一場景改變偵測單元，其根據該平均估算單元所產生之一直方圖平均值，以偵測場景改變；一時域濾波器，其根據該增強脈寬調變增益值及該偵測場景改變的結果，於時間域執行以產生脈寬調變值；一光形模擬單元，根據該脈寬調變值以產生光度增益；及一像素補償單元，其根據該光度增益以執行該影像的像素補償，因而產生一補償影像；其中該光形模擬單元執行的光形模擬計算包含將輪廓資料與相應該脈寬調變值予以相乘，再將乘積予以相加以形成一光形。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述適用於顯示器背光的區域調光系統，其中該光形模擬單元更執行以下步驟：對該光形進行內插，以形成一內插光形。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述適用於顯示器背光的區域調光系統，其中該內插包含雙立方(bicubic)內插。
  4. 根據申請專利範圍第2項所述適用於顯示器背光的區域調光系統，其中該光形模擬單元更執行以下步驟： 對該內插光形進行伽瑪映射，以形成一模擬光形。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述適用於顯示器背光的區域調光系統，其中該背光包含發光二極體背光。
  6. 根據申請專利範圍第5項所述適用於顯示器背光的區域調光系統，其中該輪廓資料係指該背光的一個發光二極體的照射光。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述適用於顯示器背光的區域調光系統，其中該光形模擬計算進行取樣率降低。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述適用於顯示器背光的區域調光系統，其中該光形限制於一預設區域，而非整個該背光。
  9. 根據申請專利範圍第8項所述適用於顯示器背光的區域調光系統，其中該光形的限制使用一濾波器來達成。
  10. 根據申請專利範圍第1項所述適用於顯示器背光的區域調光系統，其中該顯示器包含一液晶顯示器。
  11. 一種適用於顯示器背光的區域調光方法，包含：接收一影像並估算其平均值並產生一直方圖平均值；根據該平均值以產生一脈寬調變增益值；於空間域處理複數該平均值，以增強複數該脈寬調變增益值，因而產生增強脈寬調變增益值； 根據該直方圖平均值，以偵測場景改變；根據該增強脈寬調變增益值及該偵測場景改變的結果，於時間域執行以產生脈寬調變值；根據該脈寬調變值執行光形模擬計算以產生一光度增益；及根據該光度增益以執行該影像的像素補償，因而產生一補償影像；其中該光形模擬計算包含將輪廓資料與相應該脈寬調變值予以相乘，再將乘積予以相加以形成一光形。
  12. 根據申請專利範圍第11項所述適用於顯示器背光的區域調光方法，更包含：對該光形進行內插，以形成一內插光形。
  13. 根據申請專利範圍第12項所述適用於顯示器背光的區域調光方法，其中該內插包含雙立方(bicubic)內插。
  14. 根據申請專利範圍第12項所述適用於顯示器背光的區域調光方法，更包含：對該內插光形進行伽瑪映射，以形成一模擬光形。
  15. 根據申請專利範圍第11項所述適用於顯示器背光的區域調光方法，其中該背光包含發光二極體背光。
  16. 根據申請專利範圍第15項所述適用於顯示器背光的區域調光方法，其中該輪廓資料係指該背光的一個發光二極體的照射光。
  17. 根據申請專利範圍第11項所述適用於顯示器背光的區域調光方法，其中該光形模擬計算進行取樣率降低。
  18. 根據申請專利範圍第11項所述適用於顯示器背光的區域調光方法，其中該光形限制於一預設區域，而非整個該背光。
  19. 根據申請專利範圍第18項所述適用於顯示器背光的區域調光方法，其中該光形的限制使用一濾波器來達成。
  20. 根據申請專利範圍第11項所述適用於顯示器背光的區域調光方法，其中該顯示器包含一液晶顯示器。
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