确定一个显示图像的LCD面板的背光亮度值的方法

摘要

一个LCD面板的背光控制器有至少两种确定背光照明值的方法。控制器基于所示图像的特征在两种方法之间进行选择。图像特征包括其颜色和亮度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种确定显示图像的LCD面板的背光亮度值的方法。本发明也涉及一个背光设备，用来提供背光给一个显示视频图像的LCD面板，依照本方法根据视频图像来确定背光亮度值。

发明背景

液晶显示器(LCD)面板不是一个自发光设备。施加在LCD面板上的电压可以改变面板里液晶元件(像素)的透光率。LCD面板可以是反光的，从而在面板上产生的图像可以通过环境光反射而观看到。但是，对大尺寸或高对比度的LCD面板并不适用。

在用于诸如电视、计算机显示器和手持电子设备应用里时，LCD面板是从后面的背光而被照明。在大多数应用里，背光是一个均匀且恒定的光输出，显示图像的亮度上的变化是通过改变显示器面板内液晶元件的透光率而控制的。为了在较高环境光照度里产生良好的可视性，背光必须要有一个较高的亮度或强度级别。在这方面有许多缺点，包括高能耗和产生过热。恒定背光的另一个缺点是其导致LCD显示器的有限动态对比度，因为当像素处于较暗或关闭状态时穿过LCD面板的背光会出现漏光(1ightleakage)。漏光导致较暗区域有一个灰色表现，而不是一个完全黑色的表现。

一种意在改善LCD显示器的动态范围的技术是根据视频图像的亮度动态地调整整个背光亮度。如果图像是相对较高的亮度，那么背光控制使光源在较高亮度上运行。如果图像较暗，那么调暗背光输出以降低漏光，使图像变暗。这种背光技术的一个优点是降低背光能耗。尽管此技术能够改善LCD对比度范围，并稍微节省背光能耗，但其可能导致图像失真，并引起图像亮度波动。

发明概述

所以，本发明的目的是提供一个背光设备用来提供背光到液晶显示器面板以及一种控制液晶显示器面板亮度的方法，其能够克服或缓解上述问题。

在此披露了一个LCD面板背光的控制方法，其至少有两个方法确定背光照明值。控制器基于所示图像的特征在此两个方法之间进行选择。优选地，图像特征包括其颜色和亮度。如果颜色低于第一阈值或亮度高于第二阈值，则选择第一方法，否则选择第二方法。如果选择第一方法，则照明值是基于图像的一个亮度峰值。如果选择第二方法，则照明值是基于图像的一个平均亮度值。

优选地，本发明被实施在一个具有多个独立可控照明区的背光里。图像名义上被分成多个图像块，每个图像块对应一个背光照明区。一种确定每个背光照明区的照明值的方法包括：确定对应图像块的像素数目n是否满足特定标准，如果n个或更多像素满足标准，则使用第一种方法来确定背光照明值，否则使用第二种方法确定背光照明值。优选地，标准是颜色和亮度。对图像块内的至少n个像素，确定一个颜色饱和值和一个亮度值，并且其中如果n个像素的颜色饱和值低于第一阈值，或者n个像素的亮度值高于第二阈值，则使用第一种方法来确定照明值，否则使用第二种方法来确定亮度值。

在本发明的一个优选实施例里，确定照明值的第一种方法是基于图像块内像素的luma值，而确定照明值的第二种方法是基于图像块内像素的红色、绿色和蓝色的颜色值。

从以下结合范例的描述，本发明的其它方面将越发明显。

附图说明

现结合范例并参照附图，将描述本发明的典型实施例，其中：

图1是一个实施本发明方法和装置的LCD TV的总示意图；

图2是描述将在LCD TV上观看到的图像；

图3和4是图2图像中的两个子图或图像块A，B；

图5-10是描述确定LCD TV的背光颜色和亮度的第一种方法的示范图像；

图11-16是描述确定LCD TV的背光颜色和亮度的第二种方法的示范图像；和

图17是一个依照本发明确定背光颜色和亮度的自适应方法的流程图。

典型实施例描述

现详细参照本发明的一个典型实施例，其范例将在附图内描述，其中相同的参考号码表示相同的元件。

所述典型实施例描述本发明被实施在一个背光LCD显示器内，如LCDTV，其被用来显示包括多个连续帧的视频图像，每个连续帧是由多个像素组成。这不是意在限制本发明的使用范围或功能。本发明同样适用于在LCD屏幕上显示的增强静态图像。例如，许多公司、广告商、或艺人使用LCD屏幕来显示静态但周期性变化的信息、广告和/或艺术图片和图像。本发明同样能够被用来增强这种信息、广告和/或图像在屏幕上的表现。

同样，本发明被实施在一个背光LCD显示器内并不是意在限制本发明的使用范围或功能。本发明同样能够被实施在任何显示器装置内，其使用一个光源将图像投射到一个投影表面或一个使用背光来显示图像的直接观看的平板显示面上。这种显示器包括数字微镜设备显示器(DMDs)、硅基液晶(LCoS)显示器和LCD显示器。

在早期的美国专利申请11/707,517里，其内容通过引用被结合到本文，申请者描述了一个具有背光的LCD显示器设备，背光被分割成多个单独可控照明区。每个照明区的亮度是根据LCD显示器对应区域的视频信号特征进行控制的。如果所示图像区域是明亮的，或有一个较高的亮度，则对应的背光照明区有较高的亮度，如果图像区域是暗的，则对应的背光照明区没有或具有较低的亮度。通过依照所示图像一个对应部分的特征动态地控制每个背光照明区的亮度，可以改善所示图像的对比度和动态范围。另外，每个独立可控的背光照明区可以包括可变颜色光源，如一群单独可控的红色、绿色和蓝色(RGB)LED，从而可以控制照明区的颜色从色谱的黑色到白色。背光亮度和颜色可以依照所示图像一个对应部分的特征动态地控制，从而改善对比度和颜色动态范围。

在美国专利申请11/707,517内，背光LED是单独控制的，所以背光亮度不是统一的，会随着图像而发生变化。此系统的另一个优点是整个背光亮度通常比现有的恒定背光系统更暗。这是因为显示图像的浅色或较高亮度的区域的背光将处于其最大值，其通常可能与现有的恒定背光系统具有相同的亮度，但是大部分图像具有较低的亮度，因此背光会更暗。结果，与现有的恒定背光相比，或与整个背光基于所示图像亮度特征被动态地统一调暗相比，具有多个独立可控照明区的背光具有平均更低能耗。

参照图1，显示一个背光LCD显示器的总示意图，如在美国专利申请11/707,517内讨论的LCD TV类型。显示器包括一个位于背光2前端的LCD面板1。背光2被分成多个独立可控的照明区域。在所述实施例里，为便于描述，只有个区域。在本发明的优选实施例里，每个区域包括一组红色3、绿色4和蓝色5LED，从而区域的光输出可以是从色谱的黑色到白色。但对本发明而言不是必需的，在其它实施例里，背光区可以只包括白色LED或其它光源。LCD面板名义上而不是物理上被分成多个显示区6。TV转换器7通过模拟或数字接口从各种视频源如PC、DVD播放器、有线TV等接收图像信号。在处理输入信号之后，TV转换器产生RGB格式的视频信号8，并传递视频信号8到一个亮度控制器9。亮度控制器9分析输入视频信号8，并提供驱动信号10到背光2每个照明区的LED驱动器。LED驱动信号10包括颜色和亮度信息给背光2的每个照明区。为了优化背光调暗，进而节省能耗，同时保持或最大化图像对比度和质量，使用一种方法分析LCD图像信号8，来确定LED的驱动信号10。选择用来分析LCD图像信号8的方法是依照占用显示区的各个图像块内的像素特征而适应性地确定。

图2显示一个在LCD面板1上显示的图像。为了便于复制的目的，所有图像都被灰度级显示，但实际上是RGB格式的颜色图像。可以看到，图像大部分是均匀的颜色，只有图像的中央左部分具有不同颜色区域的特征，与图像主要颜色相比具有一个较高的对比度。在图2的图像上方显示有网格，在网格里的每个图像块表示对应LCD面板1的一个名义块，并对应背光2的一个独立可控的照明区。基于图像块的图像特征，在每个图像块后面的背光区在颜色和光强度(亮度)方面是独立可控的。图3和4分别是图像块A和B的放大图。可以发现在块B内图像颜色在整个块内大体是均匀的，然而在块A内图像颜色大体是均匀的，除了在顶端左上角的两个白色或浅色点。块A和B在选择一个合适的背光颜色和亮度时会引起不同的问题。在本发明里，会使用不同标准来分析这种不同块，以便获得最佳的最终图片质量。确定合适标准的理由和方法在下文进行描述。

正如本领域那些技术人员所熟知的，RGB图像信号有三个通道，即红色、绿色和蓝色，其可以被看作是三个重叠的灰度图像，各自存储图像内每个像素相应的红色、绿色和蓝色颜色部分的亮度值。亮度值由一个n-比特整数表示。对一个普通的8-比特图像，整数范围是从0到255内。0值表示该值对应的像素的颜色部分是“关”。255值表示该值对应的像素的颜色部分是最大亮度地“开”。确定背光LED颜色和亮度的第一种方法是找出每个颜色通道内像素的平均亮度值。图像块被分成红色、绿色和蓝色颜色通道，每个通道内所有像素的亮度值进行加总，然后除以该通道图像块内的像素数目以找出平均亮度值。这显示图像块内每个颜色部分红色、绿色和蓝色的平均亮度。背光的每个照明区是由红色、绿色和蓝色LED的组群照明，从而背光区能够提供有颜色的背光到所示图像的对应图像块。三个平均亮度值被用来确定背光设备对应照明区内各个红色、绿色和蓝色LED的驱动信号值。期望的背光颜色和亮度是三个平均值。因为每个LED的驱动信号范围可能不对应驱动信号范围，均值可以另外被标准化。

图5和8是灰度显示块，表示当依照以上方法进行确定时的背光颜色和亮度。图3块A和图4块B的各个颜色通道平均亮度值是R＝155，G＝217，B＝158和R＝151，G＝216，B＝123。通过找出三个通道值的平均值占最大亮度255的百分比，能够估计背光功率所占百分比。对图5，是((155+217+158)/3)/255或近似70％。对图8，近似是64％。图5模块的较高功率是由图像顶端左边角上的两个浅色点引起。图6、7和9、10是灰度表示，描述通过RGB均值方法确定背光颜色和亮度的效果。图6和9显示当分别由图5和8显示的颜色和亮度背光照明时初始图像块在LCD显示器上将看到的景象。图7和10是初始图像，用于比较。在图6内能够容易发现，在顶端左边角上的两个浅色点的亮度和对比度因为背光效果而减少。因为降低背光亮度到70％，所以能够实现节能，但需要付出图像质量和对比度的代价。与图9进行比较，能够发现图像未被改变，因为背光调暗甚至有所增强，从而能够实现节能，而不会降低图像质量甚至可能有所改善。所以，确定背光颜色和亮度的RGB均值方法适合于类似块B的部分图像，但不适合于具有高对比度的块A类型的部分图像。

确定背光LED亮度的第二种方法是一个Y-峰值方法。在YUV颜色模型里，一个图像的颜色信息与luma信息分开。Luma是指图像亮度，即图像的黑色或白色度。每个像素的数据有三个整数表示。第一或Y整数是luma或亮度部分，而第二和第三或U和V整数是色度或颜色部分。在Y-峰值方法里，RGB图像块被转换成YUV颜色空间，LED驱动信号是基于图像块内所有像素的峰值Y。同一驱动信号被用于所有红色、绿色和蓝色LED，从而对应的背光照明区没有颜色，仅在白光里控制其亮度。图11和14是灰度显示块，分别显示当依照Y-峰值方法进行确定时图像块A和B的背光亮度。对图11，浅色点有最大的亮度，从而背光有近似100％功率的最大亮度。对图14，功率大概是84％。图12、13和15、16是灰度表示，描述通过Y-峰值方法确定背光亮度的效果。图12和15描述当分别由图11和14显示的背光亮度背光照明时初始图像块如何在LCD显示器上看到的景象。图13和16是初始图像块，用作比较。在图12、13和15、16可以容易看到，图像没有改变，因为此方法计算的背光亮度甚至有所增强。但是，背光亮度和功率比通过RGB均值方法的更高，所以，虽保持图像对比度和质量，但是增加能耗。

因此，在本发明里，采用一个自适应调暗方案，根据照明区照明的名义图像块的特征，选择RGB均值方法或Y峰值方法来确定背光的各个照明区的背光颜色和/或亮度。在自适应方案里，如果图像块内的浅色或高亮度像素的数目超出一个预定阈值T3，则对那个图像块使用Y-峰值方法确定背光亮度，否则使用RGB均值方法。

一个浅色像素是白色的或具有较少颜色并接近白色的像素。如果颜色饱和度或色彩度低于阈值T1，像素被分类成浅色。每个像素是由三个n-比特整数表示其红色、绿色和蓝色部分的亮度。在本发明里，通过将最大和最小亮度值之间的差值除以三个亮度值的和，来确定一个像素的颜色饱和度，具体如以下等式所示：

最小颜色饱和度是针对一个白色像素，其中所有三个红色、绿色和蓝色亮度值是相等的，从而以上等式里的分子是0。因此，对一个白色像素s是0。最大颜色饱和度是针对这样一个像素，其仅包括一个主要颜色，如RGB值是255∶0∶0，从而s是1。在本发明的优选实施例里，阈值T1是0.1，因此如果s低于0.1，则像素被看作是浅色的。确定像素是否是浅色的颜色饱和度方法不是意在限制本发明的使用范围或功能。技术人员将能够理解，这只是一个确定像素颜色以及像素是否是浅色的方法，其它同样有效的方法也是适用的。例如，可以将像素转换成YUV颜色空间，并从U和V部分确定颜色。

如果一个像素的确定亮度值高于第二阈值T2，此像素被分类具有高亮度。在本发明的优选实施例里，一个像素的亮度值是像素的两个最高亮度值的均值。所以，在一个具有RGB亮度值如R＝150，G＝250，B＝180的像素里，亮度值是215(即(250+180)/2)。在本发明的上下文里，高是一个相对术语，像素是否具有高亮度取决于图像或图像块内的其它像素的亮度。为了考虑这种情况，在本发明的优选实施例里，第二阈值T2是一个动态值，等于被评估像素的图像或图像块内的所有像素的平均亮度。如果一个像素内两个最高RGB亮度值的均值高于图像块内所有像素的均值亮度，则此像素被看作具有一个高亮度。这种确定像素是否具有高亮度的方法不是意在限制本发明的使用范围或功能。技术人员将能够理解，这只是一个确定像素是否具有高亮度的方法，其它方法也是可行的。例如，一个简单的方法是比较三个RGB亮度值的平均亮度和一个0-255亮度范围的预定值，比如说200。

图17是自适应调暗方案的流程图，用来确定哪个方案应该被用来从对应的图像块特征确定一个照明区背光的合适背光特征。首先，在准备模块20里调用决策模块时，两个变量i和n被设置为0。变量i表示当前被评估的图像像素，而变量n是一个计数器，被用来记录图像块内浅色和高亮度像素的数目。行进到处理模块21，像素计数器i被逐1递增，当前分析是在当前图像块内的像素数目1上进行。行进到处理模块22，本方法的这一个步骤是计算当前像素i的颜色饱和度，由s表示。在决策模块23，颜色饱和度s与第一阈值T1进行比较。如果颜色饱和度低于阈值T1，分类为浅色像素，本方法行进到下一步骤处理模块24，否则本方法返回到处理模块21，逐1递增像素计数器，并对图像块内的下一个像素重复过程22。

在处理模块24，计算当前像素i的RGB均值，由a表示。通过将像素信号分成单个红色、绿色和蓝色通道、确定每个通道的颜色值、求和各个值并将总和除以3(颜色通道数目)，可以确定RGB均值。在决策模块24，RGB均值a与第二阈值T2进行比较。如果值a高于阈值T2，分类为高亮度像素，然后本方法行进到处理模块26，否则其返回到处理模块21，逐1递增像素计数器i的值，并重复步骤。

在处理模块26，本方法递增计数器n，其记录图象模块内浅色和高亮度像素的数目，即具有一个低于T1的颜色饱和度s和一个高于T2的RGB均值的像素。本方法行进到决策模块27，其比较像素计数器i和图像块内像素的最大数目i-max。如果像素计数器i还没有达到最大值，意味着模块内不是所有的像素都已经被分析，本方法返回到处理模块21，其递增像素计数器i，并一直继续下去。

如果像素计数器i已经达到最大像素值，则没有像素用来进行分析，从而过程进行到决策模块28，其比较计数器n和第三阈值T3。如果n大于阈值T3，显示图像块内浅色和高亮度的像素数目已经超出阈值，本发明行进到处理模块29，其调用Y-峰值方法来确定背光颜色和亮度。如果计数器n低于阈值T3，本方法行进到处理模块30，其调用RGB均值方法来确定背光颜色和亮度。

因此，依照本发明，使用一个自适应解决方法从图像块内的单个像素特征确定背光颜色和亮度的方法，从而可以为背光的每个背光区选择最佳颜色和亮度。这样可以产生图像质量和节省能耗的最佳解决方法。