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CN101019167A - 针对LCD视频/图形处理器的廉价运动模糊减小（eco－过激励） - Google Patents

针对LCD视频/图形处理器的廉价运动模糊减小（eco－过激励） Download PDF

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CN101019167A
CN101019167A CNA2005800290643A CN200580029064A CN101019167A CN 101019167 A CN101019167 A CN 101019167A CN A2005800290643 A CNA2005800290643 A CN A2005800290643A CN 200580029064 A CN200580029064 A CN 200580029064A CN 101019167 A CN101019167 A CN 101019167A
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罗伯特·托尔金
罗埃尔·万沃登博格
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Abstract

本发明涉及一种方法和一种系统，用于减小液晶显示单元中的运动模糊。本发明的基本思想在于，在LCD系统中处理图像帧的亮度分量(Y)以提供运动模糊减小，其中，仅向亮度分量应用过激励。首先，存储与第一图像帧相关的亮度分量。之后，获得后续图像帧的亮度分量。为了减小LCD中的运动模糊，基于后续帧的亮度分量的值与和第一帧相关的亮度分量的值之间的差来产生修改后的亮度分量(Y’)。因此，基于亮度分量的差值以及后续图像帧的颜色分量(U，V)，向LC单元施加驱动电压。

Description

针对LCD视频/图形处理器的廉价运动模糊减小（eco-过激励）
技术领域
本发明涉及一种方法和一种系统，用于减小液晶显示单元中的运动模糊。
背景技术
过激励(overdrive)是一种用于改进液晶显示(LCD)中的响应速度的技术。在这种技术中，增大LCD的驱动电压以加速液晶单元的转变。在不使用过激励的情况下，当前技术领域中的LCD面板典型地需要二十至几十个帧周期以便从一个灰度级转变为另一个灰度级，然而当应用过激励时，可以加速至响应周期为1帧。非即时转变导致了运动对象产生模糊。因此，对LC单元的转变进行加速导致LCD中出现更少的模糊。由于中间灰度级之间的转变速度取决于起始灰度级和期望灰度级，从之前帧的像素值和期望像素值中获得过激励驱动电平。由于所需的过激励电平通常不是线性地取决于这两个灰度级，因此通常从查找表(LUT)中检索过激励电平。这种对过去像素值的依赖需要帧存储器。
当前的方法使用存储有显示器所有像素的所有子像素值(即三个显示原色分量红(R)、绿(G)和蓝(B)中的每一个)的帧存储器。这导致了高成本的显示器。例如，对于8比特16∶9WXGA显示器来说，存储器需要3*1366*768＝3.15百万字节。另外，由于速度上的要求，需要相对较高的存储器带宽。此外，通常对于视频/显示处理链的末端(即LCD列驱动器的接口)执行处理，在该处可以使用亮度/驱动电平的精确值。在LCD中，由于显示器硬件的体系结构，LCD处理链中典型地难以在这个位置与存储器进行接口。
美国专利申请公开2003/0174110公开了一种液晶显示方法，该方法把亮度信息差值和色差信息差值中的每一个与增强系数相乘。在亮度信息(Y)中，已经把输入图像信息延迟了1个帧周期，而在色差信息(U，V)中，已经把输入图像信息延迟了1个帧周期，分别将亮度信息和与增强系数相乘后的亮度信息差值相加，以及将色差信息和与增强系数相乘后的色差信息差值相加，从而获得了增强的图像信息。
美国专利申请公开2003/0174110中存在的问题是：由于所公开的显示方法中使用了YUV彩色空间中所有的三个信号分量(Y、U和V)，因此需要相对较大的存储区域来存储图像信息。实际中，使用该方法的显示系统的成本将是用于存储图像信息(即信号分量)的存储区域大小的函数。因此，随着存储区域大小的增加，系统的成本也会增加。
发明内容
本发明的目的是解决上文提出的问题，并以较低的成本提供运动模糊减小。
这个目的通过以下内容而实现：根据权利要求1所述的一种方法，用于减小液晶单元中的运动模糊；以及根据权利要求23所述的一种系统，用于减小液晶单元中的运动模糊。
本发明的基本思想是在LCD系统中对图像帧的亮度分量(Y)进行处理以提供运动模糊减小，其中过激励仅被应用于亮度分量。首先，把与第一图像帧相关的亮度分量存储在帧存储器中。之后，获得后续图像帧的亮度分量。为了减小LCD中的运动模糊，加快LC转变。由于从一个灰度级至另一个灰度级的转变速度同时取决于当前帧的灰度级和将要显示的期望帧的灰度级，因此产生了修改后的亮度分量(Y’)。这个修改后的亮度分量基于后续帧的亮度分量的值(即亮度值)与和第一帧相关的亮度分量的值之间的差。因此，基于亮度分量的差值(即关于修改后的亮度分量的值)以及后续图像帧的颜色分量(U，V)，把驱动电压施加到LC单元，其中对于后续图像帧来说，加快了液晶单元的响应。因此，基于亮度分量(Y)的存储和处理而提供了过激励效应。
由于人类的视觉系统对于亮度误差是敏感的，但是对于较小的颜色误差较不敏感，因而提供恰当的亮度是重要的。为了获得恰当的亮度，加快了LC单元中从从一个亮度等级转变到另一个亮度等级的转变速度。当过激励(即通过施加过度的驱动电压以加快转变速度)仅应用于亮度分量(Y)时，用于保持YUV信号分量的存储区域仅为当过激励施加到亮度分量以及颜色分量(U，V)时用于保持信号分量所需存储区域的三分之一，后者正是现有技术领域中所采用的方式。因此，可以提供较小花费的显示器。
根据本发明的实施例，通过向修改后的亮度分量赋予数值来产生修改后的亮度分量，这个数值基于与所述的差有关的函数。优选地，通过向修改后的亮度分量赋予数值来产生修改后的亮度分量，这个数值基于所述的差与过激励因子相乘的结果。存在用于产生修改后的亮度分量的多种不同算法。例如，还可以通过把所述第一图像帧的亮度分量的值相加来产生修改后的亮度分量的值。可选择地，还可以通过把所述后续图像帧的亮度分量的值相加来产生修改后的亮度分量的值。优选地，过激励因子是取决于所述差的大小或亮度分量之一的可变因子。这一点产生的效果是，对于不同的修改后亮度分量来说，过激励函数可能不同，因此过激励因子不是常数。可以从预定的查找表中获得每一个特定的修改后亮度分量的过激励因子。
根据本发明另一个实施例，在LCD处理链的早期对亮度分量施加过激励。优选地，可以在处理链中已能够使用之前帧的亮度分量值的块中执行这一步，例如时间噪声减小(TNR)块、运动检测块等，在这里对之前和当前的亮度值进行比较。如上文所述，由于运动模糊减小块还使用当前和之前的像素值来执行处理，所以时间噪声减小块(或运动检测块)和运动模糊减小块可以共享存储器访问，这为其它处理块留下了更多的可用带宽。
根据本发明另一个实施例，可以设置运动模糊检测的阈值，以确定是否把过激励施加到LC单元。如果当前帧的亮度分量的值与之前帧的亮度分量的值之间的差值小于阈值，那么不会向LC单元施加过度的驱动电压。如果差值超过了阈值，那么向LC单元施加过激励。
根据本发明另一个实施例，可以设置阈值以确定是否实现时间噪声减小。如果当前帧的亮度分量的值与之前帧的亮度分量的值之间的差值小于针对时间噪声减小的阈值，那么对所述差值执行噪声减小，例如通过低通滤波来执行。如果差值超过了阈值，那么不会采取噪声减小。
根据本发明另一个实施例，把针对运动模糊减小的阈值设置为与针对时间噪声减小的阈值相等。因此，可以把运动模糊减小处理和时间噪声减小处理组合到一个单个算法中。这一点在TNR为动态时(即噪声阈值取决于图像内容和/或像素的空间环境)尤其有利。这一点允许在图像具有很小的噪声时(例如具有运动灰斑点的图像，因而具有缓慢变化的亮度)使用非常小的运动模糊减小阈值(过激励阈值)。因此，对较小的亮度差进行过激励以达到期望的亮度值，而不是被限定为噪声。
根据本发明另一个实施例，按照比完整面板分辨率低的空间分辨率在帧存储器中存储亮度分量，优选地按照视频源分辨率。由于在缩减的空间分辨率的情况下帧存储器可以更小，所以与以LCD面板分辨率存储亮度分量相比，以视频源分辨率存储亮度分量是有利的。例如，当接收到包括720×576/2个像素的交织PAL信号时，可以对这些像素进行存储，而不是以面板分辨率数目1366×768进行存储。这导致了亮度分量的帧存储器的大小可以是原来以面板分辨率进行存储时的大小的(720×576/2)/(1366×768)＝20％。对于包括720×576个像素的解交织后的PAL信号(例如由高品质DVD播放器传递)来说，帧存储器仍减小至40％。由于较慢的LC响应，必须对图像中对象的错误RGB值进行补偿。无论这个对象覆盖了一个像素还是多个像素，所造成的差别不大。然而，从视频源分辨率缩放至面板分辨率将“抹去”多个像素上任意的原始对象。
根据本发明另一个实施例，具有扫描背光的LCD-TV系统的实施方式是有利的。在具有扫描背光的LCD-TV系统中，以段的方式操作背光。这些段不会在完整的帧周期中被激活，而仅在完整的帧周期的一部分(例如25％)中被激活。这减小了从完整的帧周期至完整周期的一部分的采样-保持时间，因此减小了运动模糊。然而，由于背光发出闪光(即背光激活/停止)，所以较慢的响应使重影图像对LC响应进行“采样”。这样，对重影信号幅度的任何抑制都是非常重要的。与需要过激励的运动模糊相比，这是另一种察觉到的图像失真(尽管它是由相同的现象-较慢的LC响应所引起)，足够快的LC响应是执行扫描背光操作而不产生假像的基本条件。
注意的是，本发明还可以应用于使用RGB彩色空间以外的彩色空间的显示器，例如基于RGB彩色空间的彩色空间。当前，对包含更多原色的显示器展开了研究，例如除了R、G和B之外还有白色和黄色。使用这些“扩展的”彩色空间的显示器处于所附权利要求限定的本发明的范围之内。
当研究所附权利要求和下文的描述时，本发明的优点和其它特征将会变得明显。本领域的技术人员可以理解，可以把本发明的不同特征进行组合，以产生除了下文所描述的实施例之外的实施例。
附图说明
将参考附图对本发明的优选实施例进行更加详细的描述，附图中：
图1示出了未把过激励电压施加到LC单元时LC单元的响应；
图2示出了把过激励电压施加到LC单元时LC单元的响应；
图3示出了根据本发明实施例的体系结构的原理框图，其中所述体系结构用于提高LCD系统中LC单元的响应速度；
图4示出了典型LCD系统处理链的示例性框图；
图5示出了根据本发明实施例的LCD系统处理链的示例性框图；
图6示出了根据本发明另一实施例的LCD系统处理链的示例性框图；
图7示出了根据本发明实施例用于向LC单元提供过激励的示例性前向馈送方法；
图8示出了根据本发明实施例用于向LC单元提供过激励的另一个示例性前向馈送方法；
图9示出了根据本发明实施例用于向LC单元提供过激励的示例性反馈方法；以及
图10示出了根据本发明实施例用于向LC单元提供过激励的另一个示例性反馈方法。
具体实施方式
图1示出了未把过激励电压施加到LC单元时LC单元的响应。把LCD驱动电压101施加到LC单元，从而使该单元从当前的灰度级转变为期望的灰度级。从图1的示例性图示中可以看出，LC响应102的速度有些缓慢，在帧n+2结束之前没有达到期望的灰度级。通常在LCD显示系统中，非常不希望出现这种延迟。
图2示出了把过激励电压施加到LC单元时LC单元的响应。把LCD驱动电压101施加到LC单元，从而使该单元从当前的灰度级转变为期望的灰度级。在与帧n相关的帧周期中，施加了过激励电压。从图2的示例性图示中可以看出，LC响应202的速度得以提高，而且在从帧n至帧n+1的转变中(优选地为1个帧周期内)达到了期望的灰度级。
图3示出了根据本发明实施例的体系结构301的原理框图，其中所述体系结构用于提高LCD系统中LC单元的响应速度。把第一图像帧的RGB颜色分量提供给转换器302，以便从RGB彩色空间转换至YUV彩色空间。第一帧中的亮度分量Y[t-n]存储在帧存储器303中，这里n表示帧编号。如果第一帧与后续帧之间的帧差是1，那么n＝1，如果差是两个帧，那么n＝2，等等。在下文中，为了进行说明，假定差为1个帧，因此n＝1。对于欧洲(PAL)TV，下面的关系式用于RGB至YUV的转换：
Y＝0.299*R+0.587*G+0.114*B，
U＝-0.147*R-0.289*G+0.436*B，
V＝0.615*R-0.515*G-0.100*B，范围被重定为0-255。
注意这个具体转换仅是示例性的，对于其它颜色系统(例如HDTV或sRGB)的转换，本领域技术人员可以容易地实现。
在此之后需要后续图像帧的亮度分量Y[t]。由于将要施加到LC单元的所需过激励电平通常不是线性地取决于第一灰度级和后续期望的灰度级，通常基于第一灰度级与后续期望的灰度级之间的差来从查找表(LUT)304中检索用于提供过激励电平的过激励因子α(可能有第二过激励因子β)。因此产生了修改后的亮度分量Y’[t]，其中修改后的分量的值基于第一亮度分量Y[t-n]与后续期望的灰度级之间的差。可以使用多种不同的方式来产生这个修改后的亮度分量Y’[t]，如下面的等式(1)-(3)所示：
Y’[t]＝Y[t-n]+α(Y[t]-Y[t-n])对于α≥1；     (1)
Y’[t]＝Y[t]+α(Y[t]-Y[t-n])对于0＜α＜1；    (2)
也可以使用更高阶的等式：
Y’[t]＝Y[t]+α(Y[t]-Y[t-n])+β(Y[t-n]/Ymax)
(Y[t]-Y[t-n])                                 (3)
其中对于8比特，α和β近似是1/16且Ymax＝255。因此，修改后的亮度分量Y’[t]与本发明这个特定实施例一致，即基于第一亮度分量Y[t-n]与后续期望的亮度分量Y[t]之间的差，其中把这个差与可变的过激励因子α相乘。
在产生了修改后的亮度分量Y’[t]之后，把它提供给YUV至RGB转换器305。再一次，对于欧洲(PAL)TV，应用下面的关系式：
Ro＝Y’+0.000*U+1.140*V，
Go＝Y’-0.396*U-0.581*V，
Bo＝Y’+2.029*U+0.000*V。
最后，使用过激励值Ro、Go和Bo向LC单元提供过激励电压。注意的是，在把修改后的亮度分量Y’[t]转换为RGB之前，还可以对其进行其它处理。例如，可以把修改后的亮度分量Y’[t]在空间上缩放至另一个分辨率。
图4示出了典型LCD系统处理链的示例性框图。不会对所包括的组件进行详细描述，这些组件仅用于提出本发明的原理。示例性处理链包括：视频输入块401、存储器接口402、第一存储器403、噪声减小块404、缩放块405、YUV至RGB转换器406、伽马校正块407、过激励块408(为了清楚起见，用虚线表示)、第二帧存储器409、面板接口410和显示驱动器411。由于过激励相对较晚地施加到图4所示现有技术领域中的处理链，存储在帧存储器409中的数据具有完整面板分辨率，这要求相对较大的存储量。
图5示出了根据本发明实施例的LCD系统处理链的示例性框图。处理链包括：视频输入块501、存储器接口502、帧存储器503、噪声减小块504、过激励块505、缩放块506、YUV至RGB转换器507、伽马校正块508、面板接口509和显示驱动器510。与图4所示现有技术领域中的处理链相比，由于过激励较早地施加到图5所示本发明中的处理链，存储在帧存储器503中的数据具有视频源分辨率，如上文所示，这要求较少的存储量。
图6示出了根据本发明另一实施例的LCD系统处理链的示例性框图。处理链包括：视频输入块601、存储器接口602、帧存储器603、组合的噪声减小和过激励块604、缩放块605、YUV至RGB转换器606、伽马校正块607、面板接口608和显示驱动器609。如上文所述，通过把运动模糊减小的阈值设置为与时间噪声减小的阈值相等，可以把运动模糊减小处理和时间噪声减小处理组合在一个单个算法(块)中。这一点在TNR为动态时(即噪声阈值取决于图像内容和/或像素的空间环境)尤其有利。这一点允许在图像具有很小的噪声时(例如具有运动灰斑点的图像，因而具有缓慢变化的亮度)使用非常小的运动模糊减小阈值(过激励阈值)。因此，对较小的亮度差进行过激励以达到期望的亮度值，而不是被限定为噪声。注意的是，过激励可以与处理链中任意其它适合的块(其中之前帧的亮度分量的值已经可用)进行组合，例如对之前和当前的亮度值进行比较的运动检测块(未示出)等。
图7-10示出了根据本发明实施例用于提供过激励的示例性方法。图7示出了一种用于图3所描述的体系结构中的前向馈送方法。第一帧的亮度分量Y[t-1]存储在帧存储器701中。在此之后，获得后续图像帧的亮度分量Y[t]。由于将要施加到LC单元的所需过激励电压通常不是线性地取决于第一灰度级和后续期望的灰度级，通常基于第一灰度级与后续期望的灰度级之间的差来从查找表(LUT)702中检索用于提供过激励电压的可变过激励因子α。因此产生了修改后的亮度分量Y’[t]，其中修改后的分量的值基于第一亮度分量Y[t-n]与后续期望的亮度分量Y[t]之间的差。施加到LC单元的过激励电压基于修改后的亮度分量Y’。
图8示出了另一个前向馈送过激励方法。第一帧的亮度分量Y[t-1]存储在帧存储器801中。在此之后，获得后续图像帧的亮度分量Y[t]。基于第一灰度级与后续期望的灰度级之间的差，从查找表(LUT)802中获得用于提供过激励电压的可变过激励因子α。在这个示例性方法中，产生了修改后的亮度分量Y’，修改后的分量的值基于第一亮度分量Y[t-1]与后续期望的亮度分量Y[t]之间的差，其中把这个差与后续亮度分量Y[t]的值相加。然后，修改后的亮度分量Y’用于向LC单元提供过激励电压。
图9示出了一种反馈过激励方法。获得期望的图像帧的亮度分量Y[t]。在此之后，基于期望的灰度级与之前的修改后灰度级之间的差，从查找表(LUT)902中获取用于提供过激励电压的可变过激励因子α，其中之前的修改后灰度级存储在帧存储器901中。因此，产生了修改后的亮度分量Y’，修改后的分量的值基于期望的亮度分量Y[t]与之前的修改后亮度分量Y’[t-1]之间的差。然后，修改后的亮度分量Y’用于向LC单元提供过激励电压。
图10示出了另一种反馈过激励方法。获得期望的图像帧的亮度分量Y[t]。在此之后，基于期望的灰度级与之前的修改后灰度级之间的差，从查找表(LUT)1002中获取用于提供过激励电压的可变过激励因子α，其中之前的修改后灰度级存储在帧存储器1001中。因此，产生了修改后的亮度分量Y’，修改后分量的值基于期望的亮度分量Y[t]与之前的修改后亮度分量Y’[t-1]之间的差，其中把这个差与期望的亮度分量Y[t]相加。然后，修改后的亮度分量Y’用于向LC单元提供过激励电压。
从图7-10中可以看出，没有使用过激励因子α向LC单元提供过激励电压，而是LUT基于输入到该LUT的亮度分量而直接返回修改后的亮度分量。可以明确地理解，施加过激励电压的两种方法都是可用的，即如所附权利要求中提出的使用过激励因子α或直接获得修改后的亮度分量。
尽管已经参考本发明的示例性实施例对本发明进行了描述，多种不同的变更、修改等对于本领域的技术人员而言是明显的。因此，所述实施例不会限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求而限定。

Claims (23)

1.一种用于减小液晶单元中的运动模糊的方法，所述方法包括步骤：
存储与第一图像帧相关的亮度分量(Y[t-n]，Y’[t-n])；
针对后续图像帧产生修改后的亮度分量(Y’[t])，修改后的亮度分量的值基于：包括在所述后续图像帧中的亮度分量(Y[t])的值与和所述第一图像帧相关的存储的亮度分量(Y[t-n]，Y’[t-n])的值之间的差；以及
基于所述修改后的亮度分量(Y’[t])的值和包括在后续图像帧中的颜色分量(U，V)，向液晶单元施加驱动电压。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：
在获得亮度分量(Y)之前，把图像帧从基于RGB的彩色空间转换至YUV彩色空间；以及
在向单元施加驱动信号之前，把修改后的亮度分量(Y’)和颜色分量(U，V)转换至基于RGB的彩色空间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中通过向修改后的亮度分量赋予数值来产生修改后的亮度分量(Y’[t])，所述数值基于和所述差相关的函数。
4.根据权利要求3所述的方法，其中通过向修改后的亮度分量赋予数值来产生修改后的亮度分量(Y’[t])，所述数值基于所述差与过激励因子(α)的乘积。
5.根据权利要求4所述的方法，其中通过进一步与所述第一图像帧的亮度分量(Y[t-n])的值相加来产生修改后的亮度分量(Y’[t])的值。
6.根据权利要求4所述的方法，其中通过进一步与所述后续图像帧的亮度分量(Y[t])的值相加来产生修改后的亮度分量(Y’[t])的值。
7.根据权利要求4至6中任意一项所述的方法，其中过激励因子(α)是取决于所述差的大小的可变因子。
8.根据权利要求4至6中任意一项所述的方法，其中过激励因子(α)是取决于亮度分量大小的可变因子。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中从预定的查找表(304)中获得过激励因子(α)。
10.根据权利要求3所述的方法，其中通过向修改后的亮度分量赋予数值来产生修改后的亮度分量(Y’[t])，所述数值是从预定的查找表(304)中直接获得的。
11.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其中每一个图像帧的亮度分量存储在帧存储器(303)中。
12.根据权利要求11所述的方法，其中运动模糊减小处理(505)与任意其它的视频处理(504)共享对帧存储器(503)的访问，所述任意其它的视频处理需要之前的(Y[t-1]，Y’[t-1])和当前的(Y[t])亮度分量。
13.根据权利要求12所述的方法，其中需要之前的(Y[t-1]，Y’[t-1])和当前的(Y[t])亮度分量的所述任意其它的视频处理包括时间噪声减小处理(504)。
14.根据权利要求12所述的方法，其中需要之前的(Y[t-1]，Y’[t-1])和当前的(Y[t])亮度分量的所述任意其它的视频处理包括运动检测处理。
15.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，还包括步骤：
设置针对运动模糊减小的阈值，其中如果所述差值超过阈值，则向液晶单元施加驱动电压。
16.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，还包括步骤：
设置针对时间噪声减小的阈值，其中如果所述差值小于时间噪声减小的阈值，则关于所述的差来执行噪声减小。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中把针对运动模糊减小的阈值设置为与针对时间噪声减小的阈值相等。
18.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其中以低于完整面板分辨率的分辨率来存储亮度分量(Y’[t])。
19.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其中存储的亮度分量(Y[t-n]，Y’[t-n])包括第一图像帧的亮度分量(Y[t-n])。
20.根据权利要求1至18中任意一项所述的方法，其中存储的亮度分量(Y[t-n]，Y’[t-n])包括第一图像帧的修改后的亮度分量(Y’[t-n])。
21.一种包括计算机可执行组件的计算机程序，用于：当所述计算机可执行成分运行在包括在设备中的处理单元上时，使该设备执行权利要求1至20中任意一项所述的步骤。
22.一种用于减小液晶单元中的运动模糊的系统，所述系统包括：
用于存储与第一图像帧相关的亮度分量(Y[t-n]，Y’[t-n])的装置(303)；
用于针对后续图像帧产生修改后的亮度分量(Y’[t])的装置(304)，修改后的亮度分量的值基于：包括在所述后续图像帧中的亮度分量(Y[t])的值与和所述第一图像帧相关的存储的亮度分量(Y[t-n]，Y’[t-n])的值之间的差；以及
用于基于所述修改后的亮度分量(Y’[t])的值和包括在后续图像帧中的颜色分量(U，V)来向液晶单元施加驱动电压的装置(305)。
23.根据权利要求22所述的系统，所述系统被设置在扫描背光系统中。
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