CN101536073B - 液晶显示***及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于依照从视频信号中导出的图像信息(10)产生图片的显示***(1)具有光调制设备(20)、照明设备(30)和用于驱动这两个设备的控制电路(40)。控制电路(40)中实施的算法在光调制设备(20)和照明设备(30)上分配图像信息(10)以便最小化所述显示***的功耗。

Description

液晶显示***及方法

技术领域

本发明涉及用于依照从视频信号中导出的图像信息产生图片的显示***，其包括光调制设备、用于照射该光调制设备的照明设备以及用于驱动所述光调制设备和照明设备二者的控制电路。这样的显示***特别地用在电视机、(便携式)计算机、车载导航***、医疗成像观察器中以及用于过程控制室中的数据图形显示器。

本发明还涉及最小化用于依照从视频信号中导出的图像信息产生图片的显示***的功耗的方法，该***包括光调制设备、用于照射该光调制设备的照明设备以及用于驱动所述光调制设备和照明设备二者的控制电路。

背景技术

所述类型的显示***是众所周知的。它们属于所谓的非发光显示器类型，其公知的实例是液晶显示设备。

在这些LCD设备中，所述光调制设备包括像素化(pixilated)面板，该面板包括用作可变透射滤波器的液晶(LC)基元(element)。所述照明设备(也称为背光单元)包括光源装置。通常，这些光源装置是低压汞蒸气放电灯。然而，近来，已经描述了基于LED的背光单元。

一般的电气设备以及特别是显示***面临的技术挑战之一是最小化该设备的总体功耗。

Seetzen等人在“High Dynamic Range Display Systems”(Proceedings ofACM SIGGRAPH conference 2004)中描述了一种基于以下基本思想的显示***：使用“第一显示器”(即LCD面板)作为具有可编程透明度的光学滤波器以便调制来自“第二显示器”的强度高但是分辨率低的图像。该“第二显示器”是LED阵列，其强度可以单独地进行编程。因此，他们的显示***依照从视频信号中导出的图像信息通过在所述“第一”和“第二”显示器上分配所述图像信息来产生图片。更精确地说，建议了最优的是在LCD光调制设备和LED照明设备上均匀地分配从视频信号中导出的图像信息。这种50％/50％分配的选择受到了有关舍入误差的考虑因素的启发。Seetzen等人描述的解决方案的缺陷在于，所述显示***的总体功耗仍然相对较高。因此，他们没有解决最小化所述类型的显示***的总体功耗这一技术挑战。

发明内容

本发明的目的是提供用于最小化包括背光单元和光调制设备的显示***的功耗的技术挑战的解决方案。这个目的是通过提供依照权利要求1的显示***以及依照权利要求5的方法来实现的。

依照第一方面，本发明提供了用于依照从视频信号中导出的图像信息产生图片的显示***，其包括具有大量透射性可变的像素的光调制设备、用于照射该光调制设备的照明设备、用于驱动所述光调制设备和照明设备二者的控制电路，所述光调制设备工作时具有至少一个区域(region)，其中像素P_{Lregionmax，i}表现出依照用于所述区域的图像信息的最大亮度，其特征在于，所述控制电路被设置成通过将像素P_{Lregionmax，i}的透射性设置为其最大值、依照像素P_{Lregionmax，i}的亮度设置所述区域之后的照明设备的亮度L_BL，i、依照所述图像信息和L_BL，i调节所述区域中其他像素的透射性来在所述光调制设备和照明设备上分配所述图像信息。

本发明的优点存在于以下事实：所述控制电路被设置成在所述光调制设备和照明设备上不相等地分配所述图像信息。如果正确选择的话，那么图像信息的不等分配可以使得所述光调制设备和照明设备的组合功耗低于相等分配的情况。本发明基于以下认识：Seetzen等人没有认识到，从总体***功耗的观点看，所述图像信息的均匀分配是次优的。

依照一个实施例，所述控制电路被设置成根据P_{Lregionmax，i}表现出的亮度水平L_{pic，regionmax，i}在所述光调制设备和照明设备上分配所述图像信息，如权利要求2中所限定的。因此，在一个实施例中，用于依照从视频信号中导出的图像信息产生图片的显示***包括具有大量透射性可变的像素的光调制设备、用于照射该光调制设备的照明设备、用于驱动所述光调制设备和照明设备二者的控制电路，所述光调制设备工作时具有至少一个其中像素P_{Lregionmax，i}表现出亮度L_{pic，regionmax，i}的区域并且具有表现出依照所述图像信息的所述显示***的最大亮度L_pic，max的像素P_Lmax，其特征在于，所述控制电路被设置成通过(i)根据亮度水平L_{pic，regionmax，i}从范围1/2＜a≤1中选择参数a，(ii)依照公式 $L_{\mathrm{BL},i}=L_{\mathrm{pic},\max }\×{\left[\frac{L_{\mathrm{pic},\mathrm{region}\max ,i}}{L_{\mathrm{pic},\max }}\right]}^a$ 设置所述至少一个区域之后的照明设备的亮度L_BL，i，(iii)依照所述图像信息以及L_BL，i调节所述区域中的其他像素的透射性，来在所述光调制设备和照明设备上分配所述图像信息。这个实施例对于最小化图片的非常暗的区块(area)中的舍入误差以及保护所述光调制设备的相邻区域边界处的无缝亮度匹配是有益的。

依照一个实施例，所述控制电路被设置成对于预定阈值以上的亮度水平L_{pic，regionmax，i}将P_{Lregionmax，i}的透射性保持在其最大值，如权利要求3中所限定的。

依照一个实施例，所述预定阈值水平被选择成处于所述显示***上可实现的最大值L_pic，max的2％-10％的范围内。

依照第二方面，本发明提供了最小化用于依照从视频信号中导出的图像信息产生图片的显示***的功耗的方法，该显示***包括具有大量透射性可变的像素的光调制设备、用于照射该光调制设备的照明设备、用于驱动所述光调制设备和照明设备二者的控制电路，所述方法包括通过：(i)将所述光调制设备划分成至少一个区域，(ii)对于所述至少一个区域中的每一个确定表现出最大亮度L_{pic，regionmax，i}的像素P_{Lregionmax，i}，(iii)将每个像素P_{Lregionmax，i}的透射性设置为其最大值，(iv)依照L_{pic，regionmax，i}设置所述区域中的每一个之后的照明设备的亮度L_BL，i，(v)依照所述图像信息和L_BL，i调节所述区域中的每一个中的其他像素的透射性，来在所述光调制设备和照明设备上分配所述图像信息的步骤。

本发明的这些和其他方面根据以下描述的实施例将是清楚明白的，并且将参照这些实施例进行阐述。

其他现有技术

在US20010035853中，公开了所述类型的组件，其中背光单元包括具有至少两种不同颜色的LED阵列。为了改善最终图片的对比度，公开了这些LED的强度可以在逐帧的基础上进行控制。尤其是可以以这种方式改善暗场景中的对比度，因为降低的背光亮度减少了通过LCD面板的光泄漏。虽然与非调暗的情况相比当LED在暗场景中变暗时所述设备的功耗将更低，但是US20010035853并没有教导解决不管所述类型的显示***要产生的图片的内容如何都最小化该显示***的功耗这一技术挑战。

此外，US20050184952公开了一种类似的设备，其中按单位(即按单独的多个光源分割区块的顺序)驱动背光单元并且依照从视频信号中导出的图像信息控制背光单元中这些区块的亮度。这种控制背光单元亮度的技术的一个目的是降低功耗。然而，US20050184952的主要目的在于公开一种维持图片的质量与降低功耗相结合并且实现能够拓宽显示器亮度范围以及提高对比度比值而不降低图片质量的视频显示设备。由于US20050184952中的教导显然着眼于当在背光单元和光调制设备上分配图像信息时维持良好的图片质量和对比度比值，它并没有教导有关可实现功耗降低的任何内容，更不用说US20050184952解决不管所述类型的显示***要产生的图片的内容如何都最小化该显示***的功耗这一技术挑战。

附图说明

在以下结合附图的示例性和优选的实施例的描述中公开了本发明的另外的细节、特征和优点。

图1示意性地示出了所述类型的显示***。

图2示出了依照现有技术的用来确定背光单元和LC面板二者的驱动水平的视频处理算法。

图3示出了依照本发明的用来确定背光单元和LC面板二者的驱动水平的最优化视频处理算法的实施例。

图4示出了基于LED的LCD显示***的相对功耗与所实施的算法的函数关系。

具体实施方式

图1示意性地示出了用于依照从视频信号中导出的图像信息10产生图片的显示***1，其包括光调制设备20、用于照射该光调制设备的照明设备30以及用于驱动所述光调制设备和照明设备二者的控制电路40。这种显示***根据现有技术是已知的。

光调制设备20被方便地选择为具有大量透射性可变的像素21的液晶(LC)面板，而照明设备30被方便地配备有LED 31的阵列。该阵列中LED 31的数量取决于这些LED的功率特性以及设计者设定的关于显示***的要求。对于1W白色LED 31而言，该阵列典型地具有大约1-10cm的间距。根据要显示的图片内容，单独地控制LED 31的亮度。结果，由于可以通过调暗背光单元30的阵列中的相应LED 31来减少图片暗区中通常存在的光泄漏——即使在将面板20中的LC像素21设为“黑色”(即最小的透射性)时，来自背光源的光也不完全被阻挡——这一事实，可以实现具有高动态范围的显示***1。由于单独地控制LED31的亮度，因而必须调节到达LC面板20的信息，以便保护呈现给观察者的正确的图片内容。控制电路40通过图像信息分配器41来实现这一点，该图像信息分配器41将图像信息的一部分提供给背光控制器43并且将其余部分提供给LCD控制器42。这后两个控制器分别驱动背光单元30和LC面板20。

如图2中示意性所示，可以将Seetzen等人应用的算法描述成作用如下。将从视频信号中导出的图像信息的亮度定义为L_pic50。另外将显示屏前面的亮度定义为L_FoS，可以推断，可以将这表示为

L_FoS＝L_BL×T_LCD

式中L_BL为背光单元30中的LED的亮度，并且T_LCD为LC面板20中的基元的透射性。为了保护图片正确呈现给观察者，L_FoS应当等于如视频信号所定义的图片的亮度L_pic50。本领域技术人员应当清楚的是，这个关系应当对于显示器中的每一个像素都成立。

由于背光单元30的阵列中LED 31的数量远小于面板20中的像素21(即LC基元)的数量这一事实，因而单个LED与单个LC基元之间不存在一对一的对应关系。例如，Seetzen等人描述了一种显示***1，其包括在背光单元30中设置成六边形密堆积阵列的多达760个1W白色LumiLED Luxeon LED，而他们的18英寸LG-Philips LC面板20具有1280x1024的分辨率。这种设置得到非常高的动态范围的显示***，其在例如医疗成像观察器中是有利的。对于消费型应用，具有典型的1368x768的分辨率的32英寸LCD显示***1典型地包含～150个1W白色LED 31。

然而，可以在每个像素21及其最近的LED 31之间作出对应关系。结果，可以在光调制设备20中限定大量区域，其中第i个区域包含所有与第i个LED 31最近的像素21。应当指出的是，这些区域和LED的一一对应关系对于本发明不是必不可少的。因此，可替换地，可以在区域中的所有像素21与位于该区域之后的几个LED 31之间作出对应关系。因此，依照围绕相应LED的图片的第i个区域中存在的最大亮度水平L_{pic，regionmax，i}来选择LED驱动值。P_{Lregionmax，i}表示显示所述区域中的这个最大亮度水平的像素。这个最大亮度水平在所述算法的功能框61中确定，并且表示必须在所述图片的该特定区域中显示的光的最大量。因此，它也表示相应的LED的驱动值。应当指出的是，显然，存在至少一个表现出整个显示***的最大亮度水平L_pic，max的区域，其与像素P_Lmax相应。

考虑舍入误差应当最小，Seetzen等人在50％/50％的基础上在LC面板20和LED背光单元30上分配图像信息。功能框62通过使用以下公式实现这种分配以便获得第i个区域之后的背光单元30中与该区域相应的LED的亮度L_BL，i 51：

$L_{\mathrm{BL},i}=L_{\mathrm{pic},\max }\×\sqrt{\left[\frac{L_{\mathrm{pic},\mathrm{region}\max ,i}}{L_{\mathrm{pic},\max }}\right]}$

该算法依赖于LC面板20以便补偿目标图片的亮度L_pic，i和L_BL，i 51之间的任何差别。为了导出面板20中LC基元的驱动值，必须考虑一一对应关系的缺乏。因此，在功能框63中执行2D卷积以便得到总体背光单元亮度分布(profile)L_BL。基本上，计算每个LCD像素位置处的背光的亮度。随后，从原始图片的亮度分布中除以L_BL(功能框64)以便获得LC面板20(中所有像素)的透射特性T_LCD 52。为了校正所述显示***的非线性特性，应用了解伽玛60(degamma)和伽玛65功能。显示***的(解)伽玛功能利用控制电路40的存储器中的查找表来方便地实现。这些功能的应用保证了可以在线性亮度域中执行确定LC基元的透射特性的计算。本领域技术人员应当理解，LED的光输出线性依赖于电流，并且因而在算法的该部分不必应用伽玛功能。最后，应当指出的是，算法的第一部分——即图2中上面的功能框61、62——是在LED分辨率的基础上应用的，而算法的第二部分——即下面的功能框64、65——是在LCD像素分辨率的基础上应用的。

同样地，应当强调的是，Seetzen等人应用的平方根函数基本上相等地在所述照明设备和光调制设备上分配图像信息。该解决方案的缺陷在于，显示***的总体功耗仍然相对较高。结果，他们没有解决最小化所述类型的显示***的总体功耗这一技术挑战。

应当认识到，Seetzen等人受到有关舍入误差的考虑因素的启发。然而，最终的舍入误差可以通过本领域中已知的适当信号处理算法进行补偿，所述信号处理算法例如抖动或者误差扩散。

本发明提供了用于最小化包括背光单元和光调制设备的显示***的功耗的技术挑战的解决方案。这个目的是通过提供用于依照从视频信号中导出的图像信息10产生图片的显示***1来实现的，所述显示***1包括光调制设备20、用于照射该光调制设备的照明设备30、用于驱动所述光调制设备和照明设备二者的控制电路40，其中控制电路40被设置成在光调制设备20和照明设备30上分配图像信息10，使得所述显示***的总体功耗最小化。

应当认识到，显示***1中几乎所有的功率都是在背光单元30中消耗的。与此相比，LC面板20的功耗相对较小。例如，在来自LG-Philips的商业上可获得的30英寸LCD模块中，LC面板20消耗大约5W，而基于TL的背光单元30消耗大约100W。此外，LC面板的功耗基本上与其透明度无关。而且，公知的是，即使在LC面板20切换到“白色”(即最大的透射性)时，绝对透明度也限于大约3-8％。因此，从功耗效率的观点看，优选的是只要可能则将LC面板的透明度维持在其最大水平。

在依照本发明的一个实施例中，实现了如图3所示的最优化视频处理算法。除了图像信息的分配现在在功能框82中使用下列公式来实现外，该算法沿着图2所述的相同路线运行：

$L_{\mathrm{BL},i}=L_{\mathrm{pic},\max }\×{\left[\frac{L_{\mathrm{pic},\mathrm{region}\max ,i}}{L_{\mathrm{pic},\max }}\right]}^a$

其中1/2＜a≤1。甚至更一般地，0≤a≤1。该算法在a等于1/2的情况下简化为Seetzen等人的算法。此外，在a等于0的情况下，它简化为没有图像信息被引导到背光单元30的经典情况。

当考虑分别以a＝0、a＝1/2和a～1为特征的3种显示***时，效率的提高变得显而易见(参见表1)。第一种显示***是其中没有图像信息被引导到背光单元30的经典情况。该背光单元因而以固定额定值(rating)操作，所述固定额定值基本上通过可由显示***1实现的峰值视亮度(brightness)以及LC面板20的最大透明度设置决定。配备有16个6.25W窄直径荧光管的典型商用30英寸LCD电视是这种***的一个实例。这些管典型地具有60lm/W的效能，并且背光单元整体上典型地具有10000尼特(Nit)的亮度，实现典型地为125尼特的屏幕前亮度。LC面板20的(平均)透明度于是约为1.25％，等效于最大透明度的大约25％。当背光单元30配备了在这种情况(即a＝0)下不单独地寻址的LED时，可以获得类似的性能。应当指出的是，目前，商业上可获得的1W白色LED具有大约30lm/W的效能。然而，考虑到LED制造商的宣布的技术/产品路线图，60lm/W白色LED不久将变得可用。在讨论与其他两种显示***相比的能量效率的提高时，假设它们配备了这些在后的(更加有效的)LED。

以a＝1/2为特征的第二种显示***是Seetzen等人提出的显示***。为了实现125尼特的相同平均FoS(屏幕前)亮度，背光单元30只需产生50％的光量，因为LC面板20的(平均)透明度平均增大到2.5％。相对于经典的情况，获得了50W或者大约48％的总体功耗的降低。

然而，这并不是图像信息分配的最为能量有效的实现方式。当从视频信号中导出的图像信息被分配成使得在可能的情况下LC面板20的透明度在图片的目标亮度分布L_pic50内保持在其最大值(即在a＝1的情况下)时，可以甚至进一步降低背光单元30的功耗。同样地，考虑125尼特的平均屏幕前亮度L_FoS，结合LC面板20的平均5％的透明度可以将平均背光单元亮度L_BL降低到大约2500尼特。这导致30W的总体功耗，从而实现了惊人的71％的降低。

尽管上面表明了舍入误差可以通过像抖动或误差扩散那样的适当信号处理算法进行补偿，但是仍然可能的是，非常暗的图像区块，即包含接近“黑色”的驱动水平的区块可能造成问题。这些问题的主要原因在于以下事实：对于这样的区块而言，LED 31的亮度非常低，而LC基元21的透射性接近最大值。舍入误差于是作为噪声而可见，而同时输入视频信号中一直存在的噪声水平得到放大。这样的舍入误差通常对于a接近0或接近1时最大。

因此，在本发明的一个实施例中，在光调制设备20和照明设备30上的图像信息的分配，即分配因子a，取决于图片的亮度水平L_pic 50。换言之，因子a对于每个区域将是不同的，并且可以例如由L_{pic，regionmax，i}确定。在最小化这些残余舍入误差的努力中，已经发现，有利的是，对于预定阈值以上的L_pic 50亮度水平，选择分配因子a接近相等，并且优选地等于1，而对于该阈值以下的亮度水平，a优选地被选择为更小。表2中给出了分配因子a的这种依赖于亮度水平的选择的一个实例。这里，L_pic 50以8位值为特征，取值从0(“黑色”)到255(“白色”)。应当指出的是，由于显示***的非线性特性的原因，阈值L_pic＝10(最大可实现值的～4％)事实上与该***可实现的最大值的大约20％的屏幕前相应。

依照本发明的显示***1已经被建造，并且已经测量了可达到的功耗降低与背光单元30中存在的单独寻址的LED 31的数量和所实施的算法二者的函数关系。结果示于图4中。这里，显示的相对功耗基于分别具有电视和DVD质量的图像集合的统计分析。暗的正方形和实线100代表电视图像与Seetzen等人描述的算法(即其中分配因子a＝1/2)的结合。空的正方形和点线110代表电视图像与最小化显示***1的功耗的依照本发明的最优算法(其中分配因子a依照表2来选择)的结合。类似地，暗的三角形和实线120代表DVD图像与Seetzen算法的结合；而空的三角形和点线130代表DVD图像与依照本发明的最优算法的结合。电视和DVD数据二者都表明，当LED数量增加时，功耗明显降低。本领域技术人员应当理解，存在与LED和LC单元之间的一对一关系的情形等效的饱和水平。在这种极限下，将无需LC面板30，因为背光单元20能够提供所有的图像信息。

尽管已经参照上述实施例阐述了本发明，但是显然的是，可替换地可以使用其他的实施例来实现相同的目的。因此，本发明的范围并不限于上述实施例，而是也可以适用于任何其他的显示设备，例如其中所述算法应用到背光单元中的LED的子集或者时间上连续的视频帧的子集。可替换地，当背光单元20中使用红色、绿色和蓝色LED而不是磷光体涂敷的白色LED时，所述算法可以单独地应用于每种颜色。结果，在该后一种情况下，将单独地调节每种颜色。

还应当指出的是，本说明书中，包括权利要求书中，动词“包括/包含”及其变体的使用应当被理解为规定陈述的特征、整体、步骤或部件的存在，但是并没有排除一个或多个其他的特征、整体、步骤、部件或者其组的存在或附加。还应当指出的是，权利要求中元件之前的不定冠词“一”并没有排除存在多个这样的元件。而且，任何附图标记并没有限制权利要求的范围；本发明可以借助于硬件和软件来实现，并且若干“装置”可以由相同的硬件项来表示。此外，本发明存在于每一种新颖特征或者特征的组合之中。

Claims (5)

1.一种用于依照从视频信号中导出的图像信息(10)产生图片的显示***(1)，包括：

-具有大量透射性可变的像素(21)的光调制设备(20)，

-用于照射该光调制设备的照明设备(30)，

-用于驱动所述光调制设备和照明设备二者的控制电路(40)，

-所述光调制设备工作时具有至少一个区域i，其中的像素P_{Lregionmax，i}表现出区域i的最大亮度L_{pic，regionmax，i}，并且具有表现出显示***(1)的最大亮度L_pic，max的像素P_Lmax，二者都依照图像信息(10)，

其特征在于，

-所述控制电路被设置成通过

-根据所述至少一个亮度水平L_{pic，regionmax，i}从范围1/2＜a_i≤1中选择参数a_i，

-依照公式

设置所述至少一个区域i之后的照明设备(30)的亮度L_BL，i，

-依照图像信息(10)以及L_BL，i调节所述区域i中的其他像素(21)的透射性，

来在所述光调制设备和照明设备上分配所述图像信息。

2.依照权利要求1的显示***，其中控制电路(40)被设置成对于预定阈值以上的亮度水平L_{pic，regionmax，i}选择参数a_i＝1。

3.依照权利要求2的显示***，其中所述预定阈值水平被选择成处于所述显示***上可实现的最大值L_pic，max的2％-10％的范围内。

4.一种最小化用于依照从视频信号中导出的图像信息(10)产生图片的显示***(1)的功耗的方法，该显示***包括：

-具有大量透射性可变的像素(21)的光调制设备(20)，

-用于照射该光调制设备的照明设备(30)，

-用于驱动所述光调制设备和照明设备二者的控制电路(40)，

-所述方法包括通过：

-将光调制设备(20)划分成至少一个区域i，

-对于所述至少一个区域i中的每一个确定表现出该区域i的最大亮度L_{pic，regionmax，i}的像素P_{Lregionmax，i}，

-确定表现出显示***(1)的最大亮度L_pic，max的像素P_Lmax，二者都依照图像信息(10)

-根据至少一个亮度水平L_{pic，regionmax，i}从范围1/2＜a_i≤1中选择参数a_i，

-依照公式

设置所述至少一个区域之后的照明设备(30)的亮度L_BL，i，

-依照图像信息(10)以及L_BL，i调节所述区域中的其他像素(21)的透射性，

来在光调制设备(20)和照明设备(30)上分配图像信息(10)的步骤。

5.依照权利要求4的方法，还包括步骤：

-对于预定阈值以上的亮度水平L_{pic，regionmax，i}设置参数a_i＝1。

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