CN101290754A - Lcd背光调暗,lcd/图像信号补偿和控制lcd显示器的方法 - Google Patents

Abstract

一种在由背光设备照明的液晶显示器内降低能耗的方法包括，调暗背光并调整图像亮度来补偿调暗的背光。根据一个限幅点确定一个背光调暗因子，限幅点是根据图像信号的像素亮度分布确定的。根据调暗因子来调整图像亮度，其中使用第一图像信号映射函数来调整在亮度阈值以下的像素亮度，使用第二图像信号映射函数来调整在亮度阈值以上的像素亮度。

Description

LCD背光调暗，LCD/图像信号补偿和控制LCD显示器的方法

技术领域

本发明涉及使用背光源来照亮显示图像的液晶显示(LCD)设备。本发明特别涉及调暗背光源以降低能耗、并同时调整LCD透光值(transmittance value)或图像亮度值(image intensity value)以补偿调暗背光。

发明背景

各种液晶显示(LCD)设备使用一个光源以将图像投射到显示表面(如屏幕)上，或将光源放置在LCD面板后面以便直接观看到在LCD面板上产生的图像。降低能耗和增加LCD显示图像对比度(contrast of image)的期望已经催生了多种技术，来动态地改变光源和/或这种LCD设备背光的光亮度(light intensity)。通常这种光源亮度的变化会导致将显示图像整个变暗到能观看到的光亮度以下。

为了克服此问题，许多补偿技术已经被提出用于背光调暗。在授权给Fergasson的美国专利5,717,422、授权给Itoh的美国专利7,053,881、授权给Lew等的美国专利7,176,878以及美国专利申请2007/0092139中披露了各种技术范例。美国专利5,717,422提出一个基于图像信号平均亮度的背光调暗因子和简单地扩充LCD透光率，这会导致高亮度值的截断。美国专利7,053,881提出一个基于图像信号平均和最高亮度值的背光调暗因子，而不进行LCD补偿，这会导致显示图像的感知调暗。美国专利7,176,878提出一个LCD信号的线性振幅增长以补偿背光调暗，但没有讨论调暗方法。最后，美国专利申请2007/0092139提出了一个基于图像信号最高亮度值的背光调暗因子和简单地扩充LCD透光率，这会导致高亮度值截断。

发明概述

所以，本发明的一个目的是提供一种调暗LCD显示器背光源以降低能耗的方法。本发明的另一个目的是提供一种调整LCD透光值或图像亮度值以补偿背光调暗的方法。

在此披露了一种在调暗背光的液晶显示器上保持可视图像感知亮度的方法，本方法包括以下步骤：

根据一个调暗因子将液晶显示器的背光调暗，和

基于调暗因子调整图像像素的像素亮度分布，其中第一图像信号映射(tone mapping)函数被用来调整在亮度阈值以下的像素亮度，而第二图像信号映射函数被用来调整在亮度阈值以上的像素亮度。

优选地，调暗液晶显示器背光的方法包括以下步骤：

基于图像信号的像素亮度分布确定一个限幅点(clipping point)，

基于限幅点确定一个背光调暗因子，和

在确定的调暗因子上照亮背光。

优选地，限幅点是在像素亮度分布的60％和99％百分点之间。

优选地，像素亮度分布是基于图像信号内像素的无色亮度(achromaticintensity)。

优选地，像素亮度分布是基于图像信号内像素的红色、绿色和蓝色通道亮度的最大值。

优选地，调暗因子是由以下等式确定：

$\mathrm{BLdim}={\left(\frac{\mathrm{CP}}{I\max }\right)}^P$

其中CP是限幅点值，Imax是像素亮度的最大值，p是一个不小于1的常数。p值是依照LCD输入输出特征确定，通常接近显示器的gamma值。

优选地，亮度阈值小于限幅点。

优选地，阈值是由以下等式确定：|FP-CP|＝|CP-Imax|。其中FP是阈值，CP是限幅点，Imax是像素亮度的最大值。

优选地，第一和第二图像信号映射函数中的一个函数是非线性的。

优选地，第二映射函数是一个非线性映射函数。

优选地，非线性第二图像信号映射函数是根据像素亮度分布产生的。

附图说明

现通过范例并参考附图，描述本发明的一个典型实施方式，其中：

图1是依照本发明描述背光调暗和LCD/图像信号补偿的模块图；

图2是一个LCD或图像、信号的亮度直方图，用于描述确定背光调暗的限幅点。

图3是一个信号亮度直方图，用于描述信号亮度范围的扩展以补偿背光调暗。

图4图解说明在图2原始信号亮度范围和图3扩展亮度范围之间的图像信号映射，和

图5图解说明依照本发明的图像信号映射以改善更高亮度值的截断。

典型实施例详述

现在将详细参考本发明的一个典型实施例，其范例将在相应的附图内进行描述。

依照本发明，一种控制LCD显示设备如LCD电视的亮度的方法，包括调暗背光同时提高LCD面板上的像素透光率，从而保持或改善显示图像的原始视觉亮度特征。本发明包括两个方面。第一方面是一种基于图像亮度特征确定一个背光调暗因子、并特别进行图像信号亮度分布分析的适应性方法。本发明的第二方面是一种适应性地调整LCD透光率、或同样调整图像信号的亮度值以补偿在背光亮度上的降低从而看见的图像的亮度不会因背光调暗而改变的方法。在第二方面，基于背光调暗因子确定一个补偿范围。找出在补偿范围内的一个阈值(Fidelity Point)，然后使用不同的图像信号映射算法在阈值以上和以下的补偿范围映射，增强显示图像的亮度特征。当本发明的这两个方面被用于背光LCD显示设备时，本发明会有更低的能耗，但没有损害显示图像的可视亮度。

现在将详细说明本发明的方法。在描述时，术语亮度(brightness)、亮度(luminance)和信号强度(intensity)是可以互换的，是指从图像、或每个图像像素发出的相对数量的可视光，其在人观看图像时能够感觉到。图像内每个像素的亮度值是由图像信号的luma通道提供。在一个LCD显示器内，luma通道值确定LCD像素的透光率。本发明的第二方面由LCD透光补偿阐明，但是这不是旨在限制本发明的范围或功能。本领域技术人员将会理解，通过直接补偿LCD驱动信号或通过补偿图像信号内的luma值，可以实施本发明。图像的感知亮度(B)、背光亮度(L)和LCD透光率(T)之间的关系是B＝L×T。

本发明一个优选实施例的主要步骤如图1所示。一个输入LCD信号输入给亮度分布分析2以找出信号亮度直方图10。在本发明的背光控制方面，在亮度直方图内确定一个限幅点(Clipping Point)，然后根据限幅点确定一个调暗因子4。在本发明的LCD控制(如图像补偿)方面，首先步骤5是确定一个LCD(或图像)信号的补偿范围和一个阈值。接着步骤6、7确定各自图像信号映射曲线，用来将原始LCD信号范围映射到阈值以上和以下的补偿信号范围。这两个图像信号映射曲线被结合到步骤8，以形成一个最终的图像信号映射曲线，其产生输出LCD信号9。

图2描述一种利用输入LCD信号1的亮度直方图10找出限幅点和背光调暗因子的优选方法。在图2所示的图像直方图内，X或水平轴表示从最小值(Imin)到最大值(Imax)的原始信号亮度值(如图像的白色灰度-Y通道代码值)。Y或垂直轴表示信号1内具有那个亮度值的像素数目。一幅图像中像素亮度的峰值，Ip，是等于或小于Imax的；在本图中Ip小于Imax.在一个典型8-比特的信号内，最小亮度值Imin是0，最大亮度值Imax是255。对本发明而言，这些具体值不是必需的，也可以是任意值表示最小和最大亮度水平。

为了便于解释本发明，发明人引入了一个限幅点11(Clipping Point)的概念。限幅点11位于亮度分布范围的95％百分点，在其之上仅有5％像素落在信号直方图11内。5％这个值是发明人找出的以提供最佳的结果，但对本发明不是本质的。通常，限幅点将位于亮度分布范围的60％和99％百分点之间，但根据特定的图像类型，更高或更低的值可能产生更好或同样可接受的结果。限幅点11的一个重要特征是：对一个较暗的图像，限幅点11将是一个低值(low value)，因为大多数像素会有一个低亮度值，但对一个明亮的图像，限幅点11将是一个高值，因为更多像素会有更高的亮度值。本领域技术人员应该理解，在视频图像里限幅点11的位置将逐帧动态地变化。

背光调暗因子(BLdim)是一个调暗的背光亮度关于一个限幅点值的函数，即：

$\mathrm{BLdim}={\left(\frac{\mathrm{CP}}{I\max }\right)}^P$

其中CP是限幅点值，Imax是最大像素亮度值，p是一个不小于1的常数。p值是依照LCD输入输出特征确定，通常接近显示器的gamma(伽马)值。

在优选实施例里，背光调暗因子(BLdim)被限制在上限和下限之间。最大调暗因子，即最小量的调暗，是85％，而最小调暗因子，即最大量的调暗，是55％。如果背光调暗因子高于上限，则背光调暗因子即变成上限或85％。如果调暗因子低于下限，则调暗因子即变成下限或55％。这种界限可以由以下等式表示。

如果BLdim＞85％，则BLdim＝85％

如果BLdim＜55％，则BLdim＝55％

背光调暗因子的上限和下限不是用来限制本发明的范围或功能。发明人相信55％和85％的界限可以在依照本发明的方法里产生最好的结果。但是，也可以找出其它界限来提供同样可接受的或可能甚至更好的结果。在本发明的一个特定实施例里，这种界限可以由观众来调整，以便满足个人主观观看而产生最好结果的那个值。

为了避免在图像感知亮度上的总体调暗，必须在显示图像之前调整LCD透光值、或图像亮度值。但是，这对本发明的第一方面不是最关键的，确定一个背光调暗因子的方法可以用在LCD显示器内，而不需要补偿LCD或图像信号而允许背光调暗。确定背光调暗水平的方法是动态的，并考虑图像信号的亮度特征，因此这是在此使用的背光调暗方法的一个改进。

LCD信号输入1的补偿由图3的直方图12所示，其中图像亮度范围从Ip扩展到Imax/(BLdim)^1/p。另一种范围扩展的方法是拉长图像直方图12，使限幅点11移动到Imax，从而图像内的5％像素的亮度大于Imax。

图4仅被用作说明，其显示图3内描述的补偿图像信号映射。水平X轴表示LCD信号的原始亮度范围，而垂直Y轴表示信号的最新或目标亮度范围。虚线15表示一个1对1的映射，其中原始范围不发生变化。点线16表示一个从原始亮度范围到最新亮度范围的线性映射，而实线17表示一个从原始亮度范围到最新亮度范围的非线性映射。本发明内使用的映射类型不是最重要的，可以使用本领域熟知的任何线性或非线性图像信号映射算法。本领域技术人员都会证明，实际上不可能将图像亮度范围扩展到Imax值以上，因为高于Imax的亮度值将被显示器硬件截断。为了克服此问题，本发明引入一个阈值概念，在阈值以下，通过第一图像信号映射函数扩展信号的亮度范围，从而提高LCD晶的透光率以补偿背光调暗。在阈值以上，使用第二图像信号映射函数压缩信号的亮度范围，以便将图像亮度值限制在实际的最大亮度值Imax内。

图5描述一种将图像信号映射限制在阈值18以上以最小化较高亮度值截断的方法。在一个低于限幅点11的合适亮度值上选择阈值18。在优选实施例里，阈值是依照等式|FP-CP|＝|CP-Imax|进行选择，但是，这对本发明而言不是本质的，本领域技术人员会认识到，选择一个合适阈值的各种方法将产生合适的结果。在阈值以下，使用第一线性或非线性图像信号映射函数来将信号映射到最新亮度范围。第一图像信号映射函数是由实线19表示。这样确保在阈值以下，LCD透光率或图像信号亮度增加以补偿背光调暗。但是，在阈值以上，一个不同的图像信号映射函数被用来限制亮度值，使得最大亮度值不会超过Imax，即亮度的实际最大值。第二图像信号映射函数是由线20所示。实际上，是在阈值以下扩展图像信号的亮度范围以补偿背光调暗，并在阈值以上限制图像信号的亮度范围以避免截断。

以上已经描述了本发明的一个例子和典型实施例。这不是旨在限制本发明的使用范围或功能。应该理解，对本领域技术人员显而易见的修正和改变不应被看作超出本发明的范围之外。

Claims (26)

1.一种在由背光设备照亮的液晶显示器上降低能耗的方法，本方法包括以下步骤：

确定将被显示在液晶显示器上的图像信号的像素亮度分布，

基于该图像信号的像素亮度分布确定一个限幅点，

基于该限幅点确定一个背光调暗因子，并依照该调暗因子调整背光亮度，

基于该调暗因子调整图像像素的像素亮度分布，其中使用第一图像信号映射函数来调整在亮度阈值以下的像素亮度，而使用第二图像信号映射函数来调整在亮度阈值以上的像素亮度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中限幅点是在像素亮度分布的60％和99％百分点之间。

3.根据权利要求1所述的方法，其中像素亮度分布是基于图像信号内像素的白色灰度亮度值。

4.根据权利要求1所述的方法，其中像素亮度分布是基于图像信号内像素的红色、绿色和蓝色通道亮度的最大值。

5.根据权利要求1所述的方法，其中调暗因子是由以下等式确定：

$\mathrm{BLdim}={\left(\frac{\mathrm{CP}}{I\max }\right)}^P$

其中CP是限幅点值，Imax是像素亮度的最大值，p是一个不小于1的常数，p值是依照LCD输入输出特征确定，通常接近显示器的gamma值。

6.根据权利要求1所述的方法，其中亮度阈值小于限幅点。

7.根据权利要求6所述的方法，其中阈值是由以下等式确定：

|FP-CP|＝|CP-Imax|

其中FP是阈值，CP是限幅点，Imax是像素亮度的最大值。

8.根据权利要求1所述的方法，其中第一和第二图像信号映射函数中的一个函数是非线性的。

9.根据权利要求1所述的方法，其中第二映射函数是一个非线性映射函数。

10.根据权利要求9所述的方法，其中非线性第二图像信号映射函数是根据像素亮度分布产生的。

11.一种控制LCD显示器背光照明的方法，本方法包括以下步骤：

基于图像信号的像素亮度分布确定一个限幅点，

基于限幅点确定一个背光调暗因子，和

在确定的调暗因子上照亮背光。

12.根据权利要求11所述的方法，其中限幅点是在像素亮度分布的60％和99％百分点之间。

13.根据权利要求11所述的方法，其中像素亮度分布是基于图像信号内像素的无色亮度。

14.根据权利要求11所述的方法，其中像素亮度分布是基于图像信号内像素的红色、绿色和蓝色通道亮度的最大值。

15.根据权利要求11所述的方法，其中调暗因子是由以下等式确定：

$\mathrm{BLdim}={\left(\frac{\mathrm{CP}}{I\max }\right)}^P$

其中CP是限幅点值，Imax是像素亮度的最大值，p是一个不小于1的常数，p值是根据LCD输入输出特征确定，通常接近显示器的gamma值。

16.一种在调暗背光的液晶显示器上保持图像可视感知亮度的方法，本方法包括以下步骤：

通过一个调暗因子调暗液晶显示器的背光，和

基于调暗因子调整图像像素的像素亮度分布，其中第一图像信号映射函数被用来调整在亮度阈值以下的像素亮度，而第二图像信号映射函数被用来调整在亮度阈值以上的像素亮度。

17.根据权利要求16所述的方法，其中调暗液晶显示器的背光包括以下步骤：

基于图像信号的像素亮度分布确定一个限幅点，

基于限幅点确定一个背光调暗因子，和

在确定的调暗因子上照亮背光。

18.根据权利要求17所述的方法，其中限幅点是在像素亮度分布的60％和99％百分点之间。

19.根据权利要求17所述的方法，其中像素亮度分布是基于图像信号内像素的无色亮度。

20.根据权利要求17所述的方法，其中像素亮度分布是基于图像信号内像素的红色、绿色和蓝色通道亮度的最大值。

21.根据权利要求17所述的方法，其中调暗因子是由以下等式确定：

$\mathrm{BLdim}={\left(\frac{\mathrm{CP}}{I\max }\right)}^P$

其中CP是限幅点值，Imax是像素亮度的最大值，p是一个不小于1的常数，p值是根据LCD输入输出特征确定，通常接近显示器的gamma值。

22.根据权利要求18所述的方法，其中亮度阈值小于限幅点。

23.根据权利要求18所述的方法，其中阈值是由以下等式确定：

|FP-CP|＝|CP-Imax|

其中FP是阈值，CP是限幅点，Imax是像素亮度的最大值。

24.根据权利要求18所述的方法，其中第一和第二图像信号映射函数中的一个函数是非线性的。

25.根据权利要求18所述的方法，其中第二映射函数是一个非线性的映射函数。

26.根据权利要求25所述的方法，其中非线性第二图像信号映射函数是依照像素亮度分布产生的。

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