Realizacja funkcji ściemniania podświetlenia LED w TV LCD firmy Samsung o wysokim kontraście

Transkrypt

1 Realizacja funkcji ściemniania podświetlenia LED w TV LCD firmy Samsung o wysokim kontraście Opracowano na podstawie materiałów informacyjnych producenta Pojęcie dimming (dosłownie: making less bright) w potocznym języku angielskim oznacza ściemnianie, przyciemnianie, zmniejszanie jasności. Pojęcie to stosowane w technice podświetlania tylnego ekranów paneli wyświetlaczy LCD telewizorów i monitorów oznacza nie tylko ściemnianie, ale i rozjaśnianie podświetlenia ekranu, czyli ogólniej mówiąc regulację intensywności podświetlenia panelu wyświetlacza w zależności od różnych czynników wewnętrznych i zewnętrznych (m.in. treści wizyjnej, warunków oświetlenia pomieszczenia, w którym oglądany jest ekran wyświetlacza, itp.). O ile w telewizorach LCD starszej generacji, w których podświetlenie tylne realizowane było na bazie lamp fluorescencyjnych CCFL funkcja regulacji natężenia oświetlenia była dość prymitywna i ograniczała się do całego ekranu, o tyle w rozwiązaniach opartych na podświetlaniu za pomocą diod LED, powstały nowe możliwości regulacji jasności podświetlania obrazu, jak chociażby lokalna zmiana jasności obrazu (miejscowa, ograniczona tylko do pewnego obszaru), związana z treścią wizyjną obrazu. Zabiegi te nie mają nic wspólnego z regulacją jasności (jaskrawości) czy kontrastu obrazu, a służą poprawie jakości czerni (głębi, odcienia, itp.). Do tego celu sterowania intensywnością podświetlania konieczne są specjalne mechanizmy realizacji. Temu tematowi poświęcony jest niniejszy artykuł. Uwaga: Pomimo że dimming w szerszym rozumieniu oznacza regulację intensywności podświetlenia tylnego, w artykule podobnie jak w szeregu publikowanych już materiałach na temat telewizorów LCD i LED najczęściej posługiwać się będziemy określeniem ściemnianie, mając jednakże na uwadze pełne znaczenie i rolę tej funkcji i tego określenia. Zadaniem opracowanego algorytmu sterowania (regulacji intensywności) lokalnym podświetleniem tylnym jest osiągnięcie wysokiego kontrastu statycznego, bo ponad 10000:1 dla telewizora LCD, w którym podświetlenie tylne zrealizowane jest w postaci matrycy diod LED. Dzięki temu algorytmowi na ciemnym obszarze obrazu, podświetlenie jest przyciemnione w celu zmniejszenia prześwitów światła i uzyskania głębokiej czerni. Opracowany algorytm może zapobiec lub znacznie zmniejszyć takie denerwujące lokalne (ciemne) artefakty związane z podświetleniem jak, spadek luminancji, niejednorodności tła czy migotania ekranu w wyświetlanych sekwencjach wizyjnych. Artefakty to wady odtwarzania obrazu będące skutkami ubocznymi zastosowania poszczególnych algorytmów w procesach obróbki sygnału wizyjnego. Objawiają się one w postaci przekłamań w kształcie, kolorze jasności i kontraście obiektów oraz jako kolorowe linie i pola na ekranie. Artefakty mogą przyjmować najróżniejsze postaci, np: mosquito noise (dosłownie: szum komara) widzialne jako mrowienie wokół krawędzi (np. budynków czy człowieka), block noise szumy blokowe w postaci wiązek pikseli, MPEG noise efekt najczęściej objawiający się w postaci śniegu (małych kropek na jednolitym obrazie), banding fałszywe kontury, utrata barw tonalnych, szumy cyfrowe, motion noise szum powstający podczas szybkiej zmiany pozycji obiektów, jaggies noise ząbkowanie krawędzi wzdłuż zakrzywionych linii, posteryzacja efekt zbyt niskiej głębi kolorów niwelowany przez dithering (rozsiewanie, zamierzony efekt zastosowania szumu w celu zniwelowania błędu kwantyzacji), pikselizacja widoczne na obrazie duże wiązki pikseli spowodowane zbyt niską rozdzielczością lub zbyt niskim strumieniem bitów w stosunku do rozmiaru ekranu. Wprowadzenie Konwencjonalny panel z wyświetlaczem ciekłokrystalicznym LCD (Liquid Crystal Display) składa się ze stałego (jeśli chodzi o stopień jasności) i jednolitego systemu podświetlenia tylnego i właściwego ekranu TFT-LCD. Blok podświetlenia tylnego dostarcza stałego źródła światła i komórki LC matrycy ekranu TFT-LCD pracują jako przełączniki sterujące jasnością odpowiadających im pikseli. Taka architektura panelu wyświetlacza obarczona jest wrodzona wadą w postaci wycieku (przedostawania się) światła z komórek LC. Wyciek światła oznacza, że światło nie może zostać całkowicie zasłonięte (w pełni wyciemnione), nawet jeśli przełącznik jest wyłączony. To oznacza, że piksel nie wygląda na to, że jest w pełni ciemny (czarny), nawet jeśli wartość piksela jest zerowa. Inne bardzo ciemne poziomy (odcienie) szarości też nie wyglądają na wystarczająco ciemne z powodu lekkiego przedostawania się (przepuszczania) światła. Problem wycieku światła powoduje znaczne obniżenie kontrastu ekranu telewizora LCD. Jasność przepuszczanego (wyciekającego) światła wynosi około 0.5 nita, gdy wartość szczytowa przechodzącego przez komórkę LC dla 100-procentowej bieli generalnie w telewizorach LCD wynosi 500 nitów. To oznacza, że kontrast wynosi tylko około 1000:1. Dlatego pożądane były nowe rozwiązania (technologie). które umożliwiłyby zmniejszenie wyciekającego światła dla zwiększenia kontrastu ekranów LCD telewizorów i monitorów. Odnosząc się do kontrastu ekranów wyświetlaczy LCD, wartości dynamicznego kontrastu i kontrastu statycznego powinny być zróżnicowane (różnić się).

2 Realizacja funkcji ściemniania podświetlenia LED w TV LCD firmy Samsung Pojęciem kontrastu dynamicznego określa się stosunek maksymalnej jasności piksela jednej ramki obrazu (kadru) do minimalnej jasności piksela w tej samej ramce lub jakiejkolwiek innej, czyli różnicę pomiędzy jasnością najjaśniejszego i najciemniejszego punktu na wyświetlaczu. Statyczny kontrast oznacza kontrast pomiędzy maksymalną i minimalną jasnością piksela w tej samej ramce (w tym samym kadrze). Znacznie trudniejszy do poprawienia jest kontrast statyczny niż dynamiczny. W dalszej części artykułu pisząc o kontraście należy pod tym pojęciem rozumieć kontrast statyczny, gdyż poprawa jego wartości jest przedmiotem opisywanych zabiegów. Jasność piksela ekranu LCD postrzegana przez użytkownika jest iloczynem natężenia (intensywności) podświetlania tylnego i przepuszczalności panelu. Tak więc poprawa tych dwóch parametrów może być przeprowadzona do zmniejszenia wycieku światła. Pierwszym z nich jest poprawa architektury (struktury) komórki LC w celu zmniejszenia przepuszczalności ciemnych pikseli. Stopień poprawy tą metodą jak na razie nie jest zbyt wielki. Drugim sposobem jest słabsze (przygaszone) podświetlenie na ciemnym obszarze obrazu. Zależność pomiędzy natężeniem (intensywnością) podświetlenia tylnego i postrzeganą luminancją panelu LCD jest prawie liniowa. Tak więc, mniejsze natężenie (intensywność) podświetlenie tylnego prowadzi do mniejszego przepuszczania światła. W artykule skupiono się właśnie na omówieniu metody ściemniania (zmniejszania intensywności) podświetlenia tylnego dla zredukowania wycieku światła i zwiększenia kontrastu panelu telewizyjnego LCD. Pewne działania zmierzające do zmniejszenia wycieku światła i zwiększenia kontrastu poprzez przyciemnienie podświetlenia zostały podjęte już na przełomie XX i XXI wieku. Adaptacyjna metoda wzmocnienia jasności przyciemnia natężenie światła podświetlenia tylnego równomiernie poprzez współczynnik k (tak przyjęto we wzorach opisywanych algorytmów, a których w artykule przytaczać nie będziemy) i kompensuje sygnały obrazu przez odwrotność współczynnika 1/k, aby utrzymać niezmienną (stałą) jasność pikseli. Ta metoda jednolitego (równomiernego) ściemniania podświetlenia tylnego może zredukować w pewnym stopniu wyciek światła, ale jest to działanie zbyt zachowawcze (zbyt małe) na drodze redukcji przepuszczania światła, ponieważ ten współczynnik (k) jest znacznie ograniczony przez jasne obszary obrazu. Zbyt duży współczynnik k może doprowadzić do przekroczenia wartości piksela przy kompensacji sygnału obrazu. Potencjalnie większy współczynnik k i większa redukcja wycieku światła mogą być uzyskane przez pionowe izolowanie lamp podświetlenia w kilku grupach przez zastosowanie izolatorów i przyjęcie innego współczynnika k dla każdej grupy lamp. Jednakże, metoda ta może nieść z sobą wady w postaci mniejszej jednorodności podświetlenia tylnego w każdej grupie i blokowanie artefaktów wokół granicy dwóch sąsiednich grup z powodów obecności izolatorów. Ponadto, obie te metody koncentrują się na obrazach statycznych. Film (obrazy ruchome) są bardziej wymagające dla realizacji przyciemniania podświetlenia tylnego. Firma Samsung opracowała nowy system lokalnego ściemniania podświetlenia w celu zmniejszenia przepuszczania światła na ciemnych obszarach obrazu i osiągnięcia wysokiego kontrastu statycznego przy wyświetlaniu filmów (obrazów ruchomych) na ekranie LCD telewizorów. Podświetlanie tylne jest zgrupowane w bloki i intensywność tych bloków w ciemnych obszarach obrazu jest przyciemniona dla zredukowania wycieku światła i uzyskanie głębokiej czerni. W artykule opisano algorytm lokalnego ściemniania podświetlenia tylnego w szczegółach. Proponowany algorytm ściemniania może pozwolić na osiągnięcie kontrast ponad 10000:1 i uniknąć irytujących artefaktów wizualnych nawet podczas wyświetlania ekstremalnie trudnych pod względem ruchu scen wideo. W drugiej części niniejszego opracowania, wyjaśniona została struktura lokalnego ściemniania podświetlenia tylnego oraz artefakty, które mogą powstać na lokalnym ściemnieniu. Szczegóły proponowanego algorytmu ściemniania są opisane w rozdziale trzecim. Czwarty rozdział przedstawia niektóre wyniki badań proponowanego systemu. System lokalnego ściemniania podświetlenia tylnego Przyciemnianie podświetlenia tylnego może być zrealizowane przez układy sterujące intensywnością światła podświetlenia tylnego, co jest ekonomiczne i praktyczne. Kilka rodzajów technologii przyciemniania podświetlenia tylnego zostało opracowanych w celu poprawy jakości obrazu i sprawności energetycznej telewizorów z ekranem LCD. Metoda ogólnego, globalnego (dotycząca całego ekranu) przyciemniania podświetlenia tylnego ściemnia całość podświetlenia tylnego o uniwersalny współczynnik w każdej ramce (w każdym obrazie) rys. 1a. Ta metoda stosowana jest głównie w celu zmniejszenia zużycia energii lub poprawienia kontrastu dynamicznego. Metoda lokalnego zmniejszania podświetlenia tylnego przyciemnia różne regiony podświetlenia przez różne współczynniki, w zależności od treści obrazu odpowiadających obszarów, rysunek 1b. Obraz Podœwietlenie + + Rys. 1. Porównanie ściemniania globalnego i lokalnego W kategorii wyświetlaczy z wysokim zakresem dynamiki odtwarzania obrazu, system realizacji wyświetlacza z lokalnym ściemnianiem intensywności podświetlenia tylnego zrealizowany na diodach LED jest systemem

3 najbardziej predystynowanym do zastosowania w wyświetlaczach przeznaczonych do odtwarzania obrazów o dużym kontraście. Ich sygnałem źródłowym jest obraz o bardzo szerokim zakresie dynamiki i koszt sterowania jest bardzo wysoki, ponieważ każdy element (dioda LED) jest sterowany niezależnie od pozostałych. Firma Samsung opracowała wyświetlacz LCD do TV o bardzo wysokim kontraście, którego podświetlenie tylne może być przyciemniane lokalnie (miejscowo) w zależności od zawartości treści wizyjnej obrazu. Dla celów podświetlania tylnego została zastosowana matryca diod LED RGB. Matryca taka posiada szeroką gamę kolorów, szybki czas reakcji i liniowe sterowanie wielkością (odsetkiem) luminancji PWM (modulacja szerokości impulsu), a diody LED mogą być wygodnie łączone w bloki. Matryca diod LED może być podzielona na kilka prostokątnych bloków, jak pokazano na rysunku 2. Rys. 2. System ściemniania lokalnego bloki obrazu bloki diod LED Odpowiednio do podziału systemu podświetlenia na bloki diod LED, obraz jest również podzielony na podobne niezachodzące na siebie bloki obszarowe. Intensywność luminancji każdego bloku diod LED jest szacowana na podstawie odpowiadającego mu bloku obrazu. Natężenie luminancji (świecenia) diod LED jest przyciemniona tylko dla ciemnych bloków obrazu i ograniczona do wartości szczytowej dla jasnych bloków obrazu, ponieważ ilość przechodzącego (wyciekającego) światła jest niewielka w porównaniu ze szczytową jasnością bieli, a wyciek światła wpływa na jakość obrazu głównie na ciemnych obszarach obrazu. Kanały RGB są przyciemniane jednocześnie w tym samym stosunku. Metoda lokalnego ściemniania charakteryzuje się bardziej elastycznym sterowaniem podświetleniem tylnym i pozwala uzyskać dużo większą poprawę kontrastu statycznego niż metoda globalnego przyciemniania. Jednakże, istnieje kilka kluczowych (krytycznych) problemów z miejscowym ściemnianiem, które powinny zostać rozwiązane. Problemy te mogą prowadzić do poważnego wizualnego pogorszenia jakości obrazu (artefaktów), jeśli algorytm ściemniania nie jest umiejętnie zaprojektowany. Pierwszy krytyczny problem związany z lokalnym ściemnianiem dotyczy podjęcia decyzji w sprawie intensywności podświetlenia w każdym bloku diod LED w zależności od zawartości obrazu. Najprostszą (ale i najbardziej naiwną ) metodą jest obliczenie natężenia świecenia diod LED w oparciu o średni poziom szarości każdego bloku obrazu. Ta metoda może prowadzić do poważnego spadku jasności artefaktów. Na przykład, biorąc pod uwagę scenę nocnego nieba z jasnymi gwiazdami, średni poziom szarości sceny jest bardzo ciemny. Jeśli intensywność podświetlenia tylnego jest bardzo mała, jasne gwiazdy mogą wyglądać zbyt ciemno. Jeśli intensywność świecenia diod LED jest określana na podstawie maksymalnego poziomu szarości każdego bloku obrazu, jest ona zbyt wrażliwa na szum. Konieczny jest jakiś kompromisowy algorytm do zrównoważenia większościowego i maksymalnego poziomu szarości w każdym bloku. Innym ukrytym problemem lokalnego ściemniania jest niejednorodny artefakt. W systemie lokalnego ściemniania, każdy blok diod LED jest sterowany niezależnie. Dyfuzor pomiędzy podświetleniem tylnym i wyświetlaczem TFT LCD zapewnia płynne rozproszenie światła i pozwala uniknąć blokowania artefaktów między dwoma blokami diod LED, ale wyrównany strumień światła może powodować niejednorodności. Na przykład, w obrazie na czarnym tle jest jeden biały blok. Wartości pikseli są takie same w środku tego białego bloku, ale ich jasności są różne, ponieważ podświetlenie tylne nie jest jednolite. Krawędź białego bloku może wyglądać o wiele ciemniejszy niż środek tego bloku. Rysunek 3 ilustruje przykład niejednorodności. Generalnie liniowy filtr dolnoprzepustowy może być zaimplementowany przestrzennie do diod LED, aby uzyskać płynne pole światła i złagodzić nierównomierności artefaktu, ale jasność na jasnym obszarze może być zmniejszona, a kontrast obniżony. Dane obrazu Podœwietlenie Wyœwietlacz + Nierównomiernoœæ Pozycja Pozycja Pozycja Rys. 3. Problem niejednolitości Innym irytującym artefaktem mogącym być spowodowanym przez lokalne przyciemnianie jest migotanie ekranu. Gdy zawartość obrazu sekwencji wideo zmienia się lub porusza bardzo szybko i często, obliczona intensywność świecenia diod LED może również zmieniać się bardzo szybko i często. Częsta zmiana podświetlenia przynosi potencjalne problemy związane z migotaniem ekranu. Gdy intensywność podświetlenia tylnego zmienia się bardziej niż wartości pikseli, migotanie artefaktu będzie bardziej oczywiste (widoczne). W opisywanym systemie ściemniania lokalnego, każdy blok diod LED podświetla nie tylko odpowiadający mu blok obrazu, ale również inne bloki obrazu na skutek struktury dyfuzora światła i reflektora wewnątrz panelu LCD, chociaż natężenie światła każdego bloku diod LED jest obliczona głównie dla odpowiadającego bloku obrazu. Jeżeli tylko część obrazu zmienia się szybko w danym czasie, a inne partie obrazu są nieruchome, intensywność świecenia diod LED

4 Kalkulacja R, G, B L Sterowanie intensywnoœci init Wzmocnienie L ben Filtr L SF Filtr L TF przestrzenny tylnym podœwietleniem œwiecenia ciemnych scen czasowy diod LED Rys. 4. Struktura algorytmu ściemniania lokalnego P³yta T-CON w zmieniającym się obszarze obrazu może zmieniać się w sposób przybliżony. Po rozproszeniu światła na statycznych obszarach obrazu, migające artefakty w tych statycznych rejonach będą bardziej widoczne. Algorytm lokalnego ściemniania W opisywanym opracowanym przez firmę Samsung systemie podświetlenia tylnego odbiorników telewizyjnych LCD, algorytm lokalnego ściemniania podświetlenia tylnego jest tak umiejętnie zaprojektowany, aby uzyskać wysoki kontrast i uniknąć wymienionych wcześniej irytujących i uciążliwych artefaktów lokalnego podświetlenia. Proponowany algorytm zawiera cztery, pracujące szeregowo segmenty, które pokazano na rysunku 4. Są to: kalkulator obliczający intensywność świecenia diod LED, segment poprawiający jakość ciemnych scen, filtr przestrzenny i filtr czasowy do intensywności świecenia diod LED. W części obliczeniowej intensywności diod LED, średnia ważona histogramu każdego bloku obrazu obliczana jest dla podjęcia decyzji dotyczącej początkowego natężenia światła odpowiednich bloków diod LED. W segmencie poprawiania jakości ciemnych scen, początkowa intensywność świecenia diod LED jest zwiększana w przypadku bardzo ciemnych scen. Jeśli w bardzo ciemnej scenie znajdują się jakieś obiekty, to mogą one być postrzegane jako bardzo ciemne, ponieważ średnia intensywność podświetlenia jest bardzo mała po lokalnym ściemnieniu. W proponowanym algorytmie, te intensywności diod LED powyżej średniej intensywności są wzmacniane w celu poprawy jasności obiektów na ciemnym tle i zwiększenia kontrastu. W bloku filtru przestrzennego nieliniowy filtr dolnoprzepustowy wartości jasności diod LED jest przeznaczony do zmniejszenia niejednorodnych artefaktów. Ogólne filtr dolnoprzepustowy, taki jak filtr Gaussa, może też wygładzać strumień światła i zmniejszać niejednorodność artefaktów ale może też zmniejszać jasność obiektów poprzez tego rodzaju liniowy filtr dolnoprzepustowy, gdy istnieje tylko kilka jasnych bloków diod LED bloków na ciemnym tle, co widać na rysunku 5. Ta nieliniowość filtru dolnoprzepustowego pozwala dość dobrze utrzymać intensywność świecenia każdego bloku diod LED, jak pokazano fig. 5 (c). W części czasowej filtru, scena adaptacyjna IIR filtru czasowego stosowana jest do wygładzania zmian intensywności świecenia diod LED i zmian podświetlenia tylnego, a także eliminowania artefaktów migotania ekranu. Wyniki eksperymentalne Firma Samsung wdrożyła proponowany algorytm w chipie w obudowie FPGA i opracowała 32-calowy telewizor LCD, którego podświetlenie LED jest sterowane przez układ FPGA elementów RGB LED zostało zamontowanych w panelu TFT LCD Samsung o rozdzielczości i pogrupowanych w bloki M N podświetlenia tylnego. Proponowany algorytm jest zgodny z różnymi numerami bloków. Rysunek 6 pokazuje 6 obrazów testowych użytych do oceny jakości algorytmu ściemniania. Dla każdego obrazu dla oceny kontrastu były mierzone dwa punkty testowe, jeden punkt w jasnym obszarze i drugi w ciemnym rejonie, przedstawione jako szare kropki na rysunku 6. (c) (d) (c) Rys. 5. FIltr dolnoprzepustowy intensywności świecenia diod LED (e) (f) Rys. 6. Obrazy testowe Wykres na rysunku 7 pokazuje kontrasty sześciu ob-

5 razów testowych pokazanych na rysunku 6, na którym przerywana krzywa jest wynikiem globalnego ściemniania, linia ciągła pokazuje wynik ściemniania lokalnego. Numery 1 ~ 6 na osi X na rysunku 7 odpowiadają sześciu obrazom testowym z rysunku 6. Wyniki badań pokazują, że kontrast może być znacznie lepszy w proponowanym algorytmie lokalnego ściemniania w porównaniu z podświetleniem globalnym. Kontrast z testu 6 wynosi około 20000:1, ponieważ mierzona była w obszarze głębokiej czerni. Zbadano również wiele bardzo rygorystycznych filmów, w które był szybki ruch i gwałtowne zmiany przestrzenne i czasowe jasności. Nie zaobserwowano widocznych artefaktów w proponowanym systemie Œciemnianie lokalne Brak œciemniania lokalnego