CN101202023B

CN101202023B - 具有区域适应背光的液晶显示器

Info

Publication number: CN101202023B
Application number: CN 200710196106
Authority: CN
Inventors: 李峰; 冯晓帆
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2027-11-28
Also published as: CN101202023A; US20080129677A1; JP4796038B2; EP1927974A2; EP1927974A3; JP2008139871A; EP1927974B1; US8941580B2

Abstract

本发明提出了一种用于在液晶显示器上显示图像的方法，所述液晶显示器包括光阀和单独可控发光元件的背光阵列，所述方法包括：(a)接收图像；(b)修改所述图像以向所述光阀提供数据；(c)修改所述图像以向所述背光阵列提供数据；(d)其中提供给所述背光阵列的所述数据是基于维持以下约束条件的：(i)发光元件值大于相应的像素值；(ii)当小于显示器的泄漏值时，减小发光元件的值；(iii)当相应透射光的值增加时，通常减小发光元件的值。由此，背光显示器具有改进的显示特性。将图像显示在包括具有光阀的液晶材料的显示器上。所述显示器接收图像信号，并且针对背光阵列和液晶层来修改所述光。

Description

具有区域适应背光的液晶显示器

技术领域

本发明涉及一种背光显示器，更具体地，涉及一种具有改进性能特征的背光显示器。

背景技术

可以改变液晶显示器(LCD)面板或硅上液晶(LCOS)显示器的局部透射率，以调制从背光单元通过面板区域的光强度，从而产生可以按照可变强度显示的像素。通过光阀中的液晶分子的取向来确定来自光源的光是通过面板到达观看者还是被阻断。

因为液晶不会发光，可见显示器要求外部光源。小且便宜的LCD面板通常依靠通过面板之后反射回观看者的光。因为面板不是完全透明的，在光经过面板期间吸收了一部分光，并且除了在最佳的照明条件下，可能难以看见在这种类型的面板上显示的图像。另一方面，用于计算机显示器和视频屏幕的LCD面板典型地是利用内置到面板的侧面或背面的荧光管或发光二极管(LED)阵列从背后照亮。为了向显示器提供更均匀的光，在碰撞到控制相对于观看者的透射率的光阀上之前，典型地将来自这些点光源或线光源的光在漫射面板中散布。

通过在一对偏振器之间插入的液晶层来控制光阀的透射率。碰撞到第一偏振器上的来自光源的光包括在多个平面内振荡的电磁波。只有在偏振器的光轴平面内振荡的那部分光可以通过所述偏振器。在LCD中，将第一和第二偏振器的光轴配置为这样的角度：使得通过第一偏振器的光通常被阻止通过串联的第二偏振器。然而，可以控制液晶分子的物理取向层，并且可以旋转透过跨越所述层的分子列的光的振荡平面以与偏振器的光轴对齐或不对齐。应该理解的是可以同样地使用常白类型。

将形成单元间隙的壁的第一和第二偏振器的表面开槽，使得与单元间隙壁紧密相邻的液晶分子将与所述凹槽对齐，从而与相应偏振器的光轴对齐。分子力引起相邻液晶分子试图与它们的邻居对齐，结果是跨越所述单元间隙的所述列的分子取向在列长度上扭曲。同样地，透过所述列分子的光的振荡平面将从第一偏振器的光轴扭曲到第二偏振器的光轴。利用该取向中的液晶，来自光源的光可以通过半透明面板组件的串联偏振器，以产生当从面板前面观看时的显示器表面的照亮区域。应该理解的是在一些结构中可以省略凹槽。

为了使像素变暗并且产生图像，将典型地通过薄膜晶体管控制的电压施加到在单元间隙的一个壁上沉积的电极阵列中的电极上。通过所述电压产生的电场来吸引与电极相连的液晶分子，并且所述液晶分子旋转以与所述电场对齐。当通过电场旋转液晶分子时，液晶的列是“未扭曲的”，并且将与单元相邻的液晶的光轴旋转为不与相应偏振器的光轴对齐，逐渐减小光阀的局部透射率以及相应的显示像素的强度。通过针对组成显示像素的多个原色元件(典型地，红、绿、蓝)的每一个改变透射光的强度来产生彩色LCD显示器。

LCD可以产生明亮的高分辨率彩色图像，并且比阴极射线管(CRT)更薄、更轻且消耗更少的功率。结果，LCD的使用普遍深入到便携计算机、数字时钟和手表、家用电器、音频和视频装置和其他电子装置的显示器。另一方面，显示器的受限性能阻止了LCD在诸如视频和图形艺术之类的特定“高端市场”中的使用。

因此，所需要的是具有减小的模糊性的液晶显示器。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于在液晶显示器上显示具有减小的模糊性的图像的方法，所述液晶显示器包括光阀和单独可控发光元件的背光阵列。

为了实现上述目的，根据本发明，一种用于在液晶显示器上显示图像的方法包括：

(a)接收图像；

(b)修改所述图像以向所述光阀提供数据；

(c)修改所述图像以向所述背光阵列提供数据；

(d)其中提供给所述背光阵列的所述数据是基于维持以下约束条件的：

(i)发光元件值大于相应的像素值；

(ii)当小于显示器的泄漏值时，减小发光元件的值；

(iii)当相应透射光的值增加时，通常减小发光元件的值。

根据上述结构，所述方法使用在背光阵列和光阀二处均修改的图像，以便显示相应的图像。基于一组约束条件(i)、(ii)和(iii)来修改提供给背光阵列的数据。当将漫射屏幕用于串扰补偿时，所得到的背光图像可能倾向于是具有低对比度的、不精确的。这可能截除范围之外的驱动值，可能会导致不精确性。

约束条件(i)强加了这样的限制：发光元件值大于相应的像素值。因此，所述系统选择比所需输出小的驱动值，这导致了范围之外的驱动值所产生的较小不精确性。

约束条件(ii)强加了这样的限制：当所述值接近显示器性能的低端时，减小发光元件的值。这样，有效地增加了显示器的对比度。

约束条件(iii)强加了这样的限制：通常将背光值维持在减小的电平，以节约功耗。

(a)接收图像；

(b)修改所述图像以向所述光阀提供数据；

(c)修改所述图像以向所述背光阵列提供数据；

(i)发光元件值是基于针对图像的相应部分的图像数据的实质最大值的；

(e)其中提供给与所述发光元件相对应的所述光阀的数据适合于提供针对所述图像的所需照明。

根据上述结构，所述方法使用在背光阵列和光阀二处均修改过的图像，以便显示相应的图像。基于约束条件(i)来修改提供给背光阵列的数据。实质最大值仿真了镜像图案的预期尺寸。

(a)接收图像；

(b)修改所述图像以向所述光阀提供数据；

(c)修改所述图像以向所述背光阵列提供数据；

(d)其中提供给所述背光阵列的所述数据是基于用于确定所需值的迭代方法的。

根据所述结构，所述迭代方法是在推导LED驱动信号以实现目标背光图像时的不适定去卷积方案。

(a)接收图像；

(b)修改所述图像以向所述光阀提供数据；

(c)修改所述图像以向所述背光阵列提供数据；

(d)其中提供给所述背光阵列的所述数据是基于用于确定所需值的时间滤波器的。

该结构减小了闪烁效应。

(a)接收图像；

(b)修改所述图像以向所述光阀提供数据；

(c)修改所述图像以向所述背光阵列提供数据；

(d)其中提供给所述背光阵列的所述数据是基于具有比单独的背光阵列元件更密集的值的、用于确定所需值的数据结构的。

该结构提供了更大的背光控制，并且辅助解决点扩展功能，并且减小闪烁。

为了全面理解本发明的本质和优点，结合附图作为参考以进行后续的详细描述。

附图说明

图1A和1B是液晶显示器(LCD)的示意图。

图2是用于调制背光的多个光源元件的照明的典型驱动器的示意图。

图3示出了典型LCD系统结构。

图4A示出了典型闪光背光方案。

图4B示出了减小显示的时间孔径、从而减小运动模糊的黑色数据插入技术。

图5示出了适应性黑色数据插入技术。

图6A和6B示出了转换场功能。

图7示出了典型的分段背光。

图8示出了典型的现有技术一帧缓冲过驱动。

图9示出了运动适应性黑色数据插入。

图10A-10D示出了用于场驱动值的查找表。

图11示出了图10的波形。

图12示出了图像处理技术。

图13示出了推导出的LED和LCD驱动值。

图14示出了LED PSF。

图15示出了用于推导出LED信号的另一种技术。

图16示出了LED逆伽马校正。

图17示出了LCD逆伽马校正。

具体实施方式

参考图1A，背光显示器20通常包括：背光22、漫射器24和光阀26(由大括号表示)，所述光阀26控制从背光22到观看在面板28的正面显示的图像的用户的光的透射率。典型地包括液晶设备的光阀被配置用于控制针对图片元素或像素的光的透射率。因为液晶不会发光，需要外部光源以产生可见的图像。用于小且便宜的LCD的光源，诸如在数字时钟或计算器中使用的那些LCD，可以是在经过面板之后从面板的背表面反射的光。同样，硅上的液晶(LCOS)器件依赖于从光阀的背面反射的光以照射显示器像素。然而，LCD吸收经过所述组件的大部分光，并且诸如包括荧光管或光源阵列30(例如，如图1A所示的发光二极管(LED)或如图1B所示的荧光管)的背光22之类的人造光源有利于产生用于高度可见的图像的足够强度的像素、或者有利于在较弱的照明条件下照射所述显示器。不可能存在用于显示器的每一个像素的光源30，因此典型地，通过漫射面板24散布来自普通点光源(例如LED)或普通线光源(例如荧光管)的光，使得面板28的正面表面的照明更加均匀。

从背光22的光源30辐射的光包括在随机的平面中振荡的电磁波。只有在偏振器的光轴平面s内振荡的那些光波可以通过所述偏振器。光阀26包括第一偏振器32和第二偏振器34，具有设置成一定角度的光轴，使得光通常不能通过该串联偏振器。因为可以电学地控制第一和第二偏振器32和34之间插入的液晶层36的局部区域，以相对于偏振器的光轴改变光振荡平面的对齐，从而调制与显示器像素阵列中的单个像素36相对应的面板的局部区域的透射率，图像是利用LCD可以显示的。

液晶分子层36占据了单元间隙，所述单元间隙具有由第一和第二偏振器32和34形成的壁。摩擦所述单元间隙的壁以产生于与偏振器的光轴对齐的精微凹槽。所述凹槽引起与单元间隙的壁相邻的液晶分子层与相关联偏振器的光轴对齐。作为分子力的结果，跨越所述单元间隙的所述列分子中的每一个连续的分子试图与其邻居对齐。结果液晶层包括桥接所述单元间隙的液晶分子的无数扭曲的列。当发生于光源元件42并且穿过第一偏振器32的光40穿过液晶分子列的每一个半透明分子时，使其振荡平面扭曲，使得当所述光到达单元间隙的远侧时，其振荡平面将与第二偏振器34的光轴对齐。在第二偏振器34的光轴平面内振荡的光44可以穿过第二偏振器，以产生在显示器28的前表面处照亮的像素28。

为了使像素28变暗，将电压施加到在单元间隙的壁上沉积的矩形阵列的透明电极的空间相对应的电极上。所得到的电场引起与电极相邻的液晶分子旋转为与所述场对齐。结果是自动扭曲了所述的分子列，使得当场强增加以及光阀26的局部透射率减小时，光的振荡平面逐渐地旋转远离偏振器的光轴。当光阀26的透射率减小时，像素28逐渐地变暗，直到获得了来自光源42的光40的最大消光。通过针对组成显示器像素的多个三原色(典型地，红、绿和蓝)元件的每一个改变透射光的强度，来创建彩色LCD显示器。也可以使用其他方式的结构。

LCD使用晶体管作为针对每一个像素的选择开关，并且采用其中在一帧的时间段保持所显示的图像的显示方法(在下文中称作“保持型显示器”)。相反，CRT(在下文中称作“脉冲型显示器”)包括在选择像素之后立即变暗的选定像素。在如CRT那样的脉冲型显示器情况下，将变暗的图像显示在按照60Hz重写的运动图像的每一帧之间。即，在除了显示图像的时间段之外，显示变暗像素的黑色，并且将运动图像的一个帧分别作为独立的图像展示给观看者。因此，在脉冲型显示器中，将图像观看为清晰的运动图像。这样，LCD在图像显示时间轴保持特性上与CRT根本不同。因此，当将运动图像显示在LCD上时，引起诸如使图像模糊之类的图像退化。该模糊效应的基本原因源自于跟随运动图像的运动目标的观看者(当观看者的眼球运动是跟随运动时)，即使按照例如60Hz的离散步长重写所述图像。即使图像离散地按照“保持型”方式表达，眼球具有试图平滑地跟随运动目标的特性。

在保持型显示器中，将运动图像的一帧的显示图像保持一帧的时间段，并且在相应的时间段作为静止图像表达给观看者。因此，即使观看者的眼球平滑地跟随运动目标，所显示的图像仍然在一帧的时间段保持静止。因此，根据观看者视网膜上运动目标的速度来表达移动的图像。因此，由于眼睛的积分导致所述图像对于观看者表现为是模糊的。此外，因为在观看者的视网膜上表达的图像之间的变化随着更大的速度而增加，这种图像变得更加模糊。

在背光显示器20中，背光22包括局部可控的光源30的阵列。背光的单个光源30可以是发光二极管(LED)、荧光粉和透镜组结构、或其他合适的发光器件。此外，背光可以包括一组独立可控的光源，例如一个或更多个冷阴极射线管。发光二极管可以是“白光”发光二极管和/或分离的彩色发光二极管。背光阵列22的单个光源30是独立可控的，以输出与通过其他光源输出的光的亮度级别无关的亮度级别的光，使得可以响应于任意合适的信号来调制光源。类似地，可以将膜或材料覆盖在背光上以实现空间和/或时间光调制。参考图2，阵列22的光源30(所示的LED)典型地按矩形阵列的行和列排列，例如行50a和50b(由方括号表示)和列52a和52b(由方括号表示)。背光的光源30的输出由背光驱动器53控制。光源30由光源驱动器54来驱动，所述光源驱动器54通过激活列选择晶体管55来选择元件52a或52b的列、并且将选定列的选定光源30与地56相连来给元件加电。处理针对显示的图像的像素的数字值的数据处理单元58向光驱动器54提供信号，以选择与所显示的像素相对应的适当的光源30，并且以用功率电平驱动光源以产生光源照明的适当级别。

图3示出了液晶面板内的典型数据路径的方框图。可以从诸如电视广播、因特网、文件服务器、数字视频盘、计算机、视频点播或广播之类的任意合适的源提供视频数据100。将视频数据100提供给扫描和定时发生器102，其中将视频数据转换为合适的格式用于显示器上的表达。在许多情况下，将每一条线的数据提供给与帧缓冲器106结合的过驱动电路104，以补偿显示的慢时间响应。如果需要，过驱动本质上可以是模拟的。优选地，将来自过驱动电路104的信号转换为数据驱动器108中的电压值，将其输出给显示器的各个数据电极。发生器102也向栅极驱动器110提供时钟信号，从而一次选择一行，所述栅极驱动器110将电压数据存储在显示器的每一个像素的存储电容器上的数据电极上。发生器102还提供背光控制信号112以控制来自背光的亮度级别、和/或在空间非均匀背光(例如，基于图像内容和/或显示器的不同区域中的空间不同)的情况下提供的光的颜色或颜色平衡。

过驱动电路104的使用倾向于减小运动模糊，但是在帧时间期间保持图像静止的同时跟踪运动的眼睛的图像模糊效果仍然引起在视网膜上被感知为运动模糊的相对运动。用于减小所感知的运动模糊的一种技术是减小显示图像帧的时间。图4A示出了只在一部分帧期间闪现背光的效果。水平轴表示在帧期间流逝的时间，而垂直轴表示在帧期间LCD的归一化响应。优选地，在一部分帧期间将背光级别设定为0，或者设定为显著减小的级别。优选的是背光的闪现朝向帧的末端，其中液晶材料的透射率已经到达或者接近目标水平。例如，优选地，闪现背光的主要持续时间是在帧时间段的最后三分之一期间。尽管按照某种方式调制背光减小了所感知的运动模糊，可以通过按照更高的速率闪现来进一步地减小所感知的运动模糊。

图4B示出了减小显示的时间孔径、从而减小运动模糊的黑色数据插入技术。将每一个帧分为两个场，其中第一场包含显示数据，而将第二场驱动为黑色。因此，显示器只针对约帧的一半是“接通”的。

参考图5，将输入帧100提供给扫描定时发生器175。定时发生器175使用诸如一维查找表之类的查找表181将输入帧转换为两个场177和179。然后，将这两个场177和179提供给过驱动电路183。参考图6，查找表181可以采取一对函数的形式。如图6A所示，将第一场177设定为与输入相同，而将第二场设定为0(例如，黑色)。图6A中所示的实施例实现了图像中显著的黑色点插入。该技术导致显著的亮度减小，并且具有高亮度的模糊。如图6B所示，可以将第一场177设定为输入数据的两倍，直到其达到所需级别(例如最大值，255)为止，然后第二字长开始从例如0的低值增加到例如最大值255的所需级别。图6B所示的技术比图6A所示技术增加了亮度，同时缓解了可能在高亮度时发生的运动蓝移。

参考图7，示出了显示器的矩形背光结构，所述背光可以是由多个不同区域构成。例如，背光可以是近似200像素(例如，50-400个像素)宽，并且延伸显示器的宽度。对于具有近似800个像素的显示器，例如，背光可以由四个不同的背光区组成。在诸如发光二极管阵列之类的其他实施例中，背光通常可以由一个或更多行的二极管和/或一个或更多列的二极管和/或不同区域组成。

传统过驱动(0D)技术的典型实现结构如图8所示。所述实现包括一个帧缓冲器400和过驱动模块402。帧缓冲器存储驱动周期n-1的前一个目标显示值x_n-1。取当前目标显示值x_n和前一个显示值x_n-1作为输入的过驱动模块推导出当前驱动值z_n以使实际显示值d_n与目标显示值x_n相同。

在LCD面板中，优选地当前显示值d_n不但通过当前驱动值z_n来确定，而且通过前一个显示值d_n-1确定。数学地，

d_n＝f_d(z_n，d_n-1) (1)

为了使显示值d_n达到目标值x_n，应该通过使d_n是目标值x_n来从等式(1)中推导出过驱动值z_n。在该示例中，过驱动值z_n是通过两个变量确定的：前一个显示值d_n-1和当前驱动值x_n，通过以下函数数学地表示：

z_n＝f_z(x_n，d_n-1) (2)

等式(2)示出了将两种类型的变量目标值和显示值用于推导当前驱动值。然而在许多实现中，显示值不是直接可用的。代替地，所述的一帧缓冲器非递归过驱动结构假定过驱动每次都可以将显示值d_n推导为目标值x_n。因此，容易地将等式(2)简化为：

z_n＝f_z(x_n，x_n-1) (3)

在等式(3)中，推导当前驱动值只需要一种类型的变量：目标值，并且该变量是无需任何计算直接可用的。结果，等式(3)比等式(2)更易于实现。

尽管黑色点插入倾向于减小运动模糊，其还倾向于作为人为结果引入闪烁。尽管可以通过增加刷新率来减小人为闪烁，这对于基于电视的内容(例如，帧或基于场的内容)是有问题的。对于基于电视的内容，增加刷新率可能要求运动补偿帧的速率转换，这在计算上是昂贵的并且倾向于附加的人为影响。

在对运动模糊和闪烁的人感知进行了透彻研究之后，确定了针对黑色数据插入技术的闪烁倾向于在明亮的、低空间频率的非运动区域中是更可见的。此外，针对黑色数据插入技术的运动模糊倾向于在高空间频率、运动区域中是主要可见的。基于人类视觉系统的这些特征，用于视频的处理技术应该是运动适用性的技术，以减小运动模糊而无需实质上增加闪烁。将视频序列中的每一个帧分为多个区域，并且针对连续帧(或场)中的每一个相应区域执行运动检测。将每一个区域分类为运动区域或非运动区域。将黑色数据插入应用于运动区域以减小运动模糊，而不将黑色数据插入应用于非运动区域以减小闪烁。此外，可以将时间转换帧用于消除黑色数据插入和非黑色数据插入之间的强度波动。

图9示出了用于运动适应性黑色数据插入的技术。接收数据输入帧700。优选地，将输入帧700模糊并且子采样为低分辨率图像710以减小计算复杂度。低分辨率图像710中的每一个图像与输入帧700中的区域相对应。将低分辨率图像710中的每一个像素与在子采样的图像缓冲器720中存储的前一个帧进行比较以检测运动730。如果这两个像素之间的差别大于阈值(例如总范围的5％)，那么将所述像素分类为运动像素740。在其余或选定像素上执行该运动确定。这样，可以将每一个像素辨别为运动、非运动。如果需要，该系统可以包括多种程度的运动。可以在运动映射740上执行形态学扩张操作，以将与运动像素相邻的非运动像素分组为运动像素，以形成具有类似运动特性的运动像素。可以利用低通滤波器和随后的阈值类型操作来近似扩张操作。可以将根据扩张操作所得到的数据存储在运动映射缓冲器750中。将没有运动或有限运动的区域用0表示，而将显著运动的区域用3来表示。可以存在有限运动区域和显著运动区域之间的转换，或者反之亦然。从非显著运动到显著运动的变化(或反之亦然)，系统可以使用一组转换帧以便避免所得到的图像上的人为影响或其他不需要的效果。在转换期间，运动映射缓冲器750可以用其他指示剂表示运动中的这种变化，例如用1表示的“有限运动”区域(朝向0或朝向2)，以及由2表示的“更多运动”区域(朝向1或朝向3)。例如，可以通过针对帧的1、针对下一个帧的2以及针对随后帧的3的一组指示剂来进行从非运动到显著运动的转换(与针对从显著运动到非运动的转换类似)。如果需要，同样地可以使用其他指示以表示附加的转换帧和运动的附加程度。应该理解的是可以将任意类型的决定用于确定包括一个或更多帧之间的足够或不足够运动的图像的那些区域和/或像素。该系统可以检测不够的运动和足够的运动，并且这样使用一组一个或更多转换帧来从一个状态转换为另一个状态。在这种情况下，系统不必需要量化运动的中间状态。如果需要，所述系统可以确定与需要或不需要转换帧一起使用的运动的中间级别。将采样的图像存储在用于随后帧的子采样图像缓冲器720中，可以将运动映射缓冲器750中的图像上采样为输入图像700的大小。

将查找表770用于基于上采样760运动映射缓冲器750数据来确定针对帧的场(典型地一帧中两个场)的场驱动值(参见图5)。通常可以看到适应性黑色数据插入技术针对高运动的那些区域使用强黑色数据插入，并且针对低运动那些区域使用无或非黑色数据插入。可以将一对(或更多)查找表用于根据估计的运动来推导针对多个场的值。参考图10，针对不同帧和转换帧示出了针对查找表770的几个输入值对驱动值表。在典型技术中，如果运动映射值具有值0，那么表示非运动，并且因此使用非运动查找表(参见图10A)。在典型技术中，如果运动映射值具有值1，那么表示转换并且使用不同的查找表(参见图10B)。在典型技术中，如果运动映射值具有值2，那么表示转换并且使用不同的查找表(参见图10C)。在典型技术中，如果运动映射值具有值3，那么表示显著的运动并且使用显著运动查找表(参见图10D)。

将各个查找表应用于第一场780和第二场790。将第一场780和第二场790的输出提供给过驱动800。如果需要，可以使用任意合适的过驱动技术。过驱动800包括针对各个第一场780和第二场790的查找表810和820。针对第一场780的查找表810的输出是基于来自缓冲器2830的前一个场的输出(前一个帧的第二场)。针对第二场790的查找表820的输出是基于来自缓冲器1840的前一个场的输出(相同帧的第一场)。基于液晶显示器850的模型、前一个帧的第二场790和查找表820的输出来确定针对第一场780的前一个帧(从缓冲器2830输入)的状态。基于液晶显示器860的模型、前一个帧的第一场780和查找表810的输出来确定针对第二场790的前一个帧(从缓冲器1840输入)的状态。因此，可以按照过驱动方案使用前一个场。图11示出了针对图10中所示驱动方案的一般所得到的波形。

同样地，可以基于诸如低和高空间频率之类的图像区域的空间频率，将类似技术应用于过驱动系统。此外，可以基于诸如低亮度和高亮度之类的图像区域的亮度，将类似技术应用于过驱动系统。还可以组合地或基于相互的(例如空间、亮度和/或运动)来应用这些过驱动技术。可以通过将空间修改应用于显示器的LCD层来适应所述适应性技术。同样，可以通过向诸如LED阵列之类的背光施加空间频率来适应转换帧。此外，可以通过LCD层和背光层的组合来适应所述技术。

由于偏振器的消光比和液晶材料的缺陷，液晶显示器具有有限的动态范围。为了显示高的动态图像，可以将低分辨率发光二极管(LED)背光系统用于调制馈送到液晶材料中的光。通过LED和LCD的组合，可以实现非常高的动态范围显示。由于成本的原因，LED典型地具有比LCD更低的空间分辨率。由于低分辨率的LED，基于该技术的高动态范围显示器不能显示高空间分辨率的高动态图案。但是可以同时显示非常明亮的图像(＞2000cd/m²)和非常暗的图像(＜0.5cd/m²)。因为人眼在局部区域中具有有限的动态范围，不能显示高空间分辨率的高动态范围不是严重的问题，并且利用视觉掩蔽，人眼几乎不会察觉高空间频率内容的有限动态范围。

图12示出了一种现有技术，用于将高空间分辨率高动态范围(HDR)图像转换为低分辨率发光二极管(LED)图像和高分辨率液晶显示器图像。从HDR图像中提取亮度。然后，对所提取的亮度进行低通滤波，并且子采样为LED阵列的分辨率。可以对已滤波和子采样的图像进行处理，以减小串扰效应。可以将已校正串扰的图像发送至光栅解码器，并且显示在HDR显示器的LED层上。

可以通过将已上采样的LED图像与LED的点扩展函数进行卷积来预测所需的背光图像。通过划分具有预定的背光图像的原始HDR图像以获得仿真的背光。因为最终显示的图像是LED背光图像与LCD透射率的乘积，该方法再现了原始HDR图像。不幸的是，使用该技术所得到的显示图像倾向于具有在空间范围内受限的明亮的镜像(specular)加亮区。因此，许多HDR图像包括非常明亮但是在空间范围中非常小的镜像加亮区，这可能不能充分地再现显示。

确定低通滤波过程抹去引起相应的LED具有较低值的镜像加亮区。传统地，将认为可以在划分操作中恢复在低通滤波过程中的任意空间细节损失。尽管可以经由划分操作在LCD图像中理论上地恢复滤波步骤中的任意空间细节损失，但是由于其有限的范围(透射率不能超过1)，LCD不能恢复明亮的镜像加亮区。这样，尽管HDR能够显示明亮的加亮区，在最终显示的图像中损失了镜像加亮区。

还确定了地低通滤波对于不是在明亮和暗淡的极端处的图像区域工作良好。因此，可以将另一种标准用于解决其中低通滤波不是特别有效的那些区域。除了使用低通滤波的图像以得出LED图像之外，所述系统还可以使用最大图像(或与其中存在有效值的区域相关联的一些值)，所述最大图像是在通过LCD的最大透射率划分的HDR图像中的局部最大。将最终的LED图像选择为是低通滤波图像和最大图像的较大者。

此外，确定LED点扩展函数(PSF)中的较宽扩展导致降低了图像潜在的对比度，并且还不能使显示器的功耗最小化。为了改善对比度，可以使用迭代方法来推导LED驱动值，以在背光图像中实现更高的对比度。与高分辨率LCD图像相结合的所得到的高对比度背光图像可以产生待显示的更高动态图像，并且还减小了LED背光的功耗。

在进一步研究时，移动图像倾向于比所期待的(即显示器输出的波动)更加闪烁。在考虑显示器的具体结构之后，即与LED阵列结合的LCD，确定LCD层的时间响应按照可能导致闪烁的方式与LED阵列不同。通常，LED具有比LCD层更快的时间响应。此外，导致闪烁的这些误差可以是由于点扩展函数近似中的不精确性，所述不精确性在显示器之间、或Led之间可能变化。此外，LED阵列的行为本质上倾向于导致LED值的行为选择，通常是通或断。为了减小显示器上的闪烁，可以使用时间低通滤波器以及针对最近的LED选定的值的精细控制。此外，可以将伽马校正用于解决LED驱动电路固有的量化误差。

图1示出了具有LED层作为LCD背光的HDR显示器的示意图。来自LED阵列的光穿过漫射层并且照射LCD。背光图像如下给出：

bl(x，y)＝LED(i，j)*psf(x，y) (4)

其中LED(i，j)是每一个LED的LED输出级别，psf(x，y)是漫射层的点扩展函数。*表示卷积操作。背光图像通过LCD进一步地调制。

所显示的图像是LED背光和LCD透射率T_LCD(x，y)的乘积。

img(x，y)＝bl(x，y)T_LCD(x，y)＝(led(i，j)*psf(x，y)T_LCD(x，y) (5)

通过组合LED和LCD，显示器的动态范围是LED和LCD的动态范围的乘积。为了简化起见，符号可以使用限制在0和1之间的归一化LCD和LED输出。

图13示出了一种典型技术，用于将HDR图像900转换为低分辨率LED图像902和高分辨率LCD图像904。LCD分辨率是m×n像素，范围从0至1，其中0是黑色，1是最大透射率。LED分辨率是M×N，其中M＜m并且N＜n。为了简化起见，可以假设HDR图像具有与LCD相同的分辨率。如果HDR图像是不同分辨率的，可以采用缩放或剪切步骤，将HDR图像转换为LCD图像分辨率。

将HDR图像通过漫射屏幕的点扩展函数(或其他函数)进行低通滤波906，并且子采样908(下采样)为中间分辨率(M1×N1)。中间分辨率的一个示例是LED分辨率的两倍(2M×2N)。将子采样图像的额外分辨率用于减小将作为在一系列视频帧上移动物体的结果出现的闪烁。LED矩阵中的附加数据点允许当在视频图像中出现移动时对LED值的转换的平滑。这促进了一个LED随着相邻LED逐渐增加值而逐渐降低至，这减小了如果变化更突然时将导致的图像闪烁。

相同的HDR图像900再次通过小滤波器内核(例如5×5)进行低通滤波910，以对镜像图案的期望大小进行仿真。将已低通滤波的图像910分为M1×N1个块，每一个块与其中一些在每一个块之间交迭的中间分辨率相对应，即块尺寸是(1+k)*(m/M×n/N)，其中k是交迭因子。对于每一个块，将块最大值(或其他合适的值)用于形成LEDmax图像(M×N)912，优选地使用k＝0.25。应该理解的是可以使用任意合适的技术来基于像素位置、区域和/或邻居区域来限定针对每一个像素位置的最大值。

根据这两个LED图像，选择2*LEDIp和LEDmax的较大者914，即LED1＝min(max(LEDIp*2，LEDmax)，1)。该较大值有助于解决低通滤波倾向于降低动态范围的事实，所述动态范围已经在显示器上进行了表现。将min操作用于限制LED值从0至1。此外，考虑局部最大有助于保持镜像加亮区。同样，在非镜像加亮区域中，所述系统可以将LED1设定为小于LEDIp的两倍，以确保操作朝向最大的LCD操作范围。LCD操作范围的增加导致所需要的背光照明的光的减少，因此减小了功率要求。该技术可以更好地将区域与高动态范围和高空间频率两者相适应。

LED1是M1×N1大小的，并且范围从0至1。因为典型地，漫射屏幕的PSF大于LED间隔以提供更均匀的背光图像，倾向于在位于彼此靠近的LED元件之间存在需要考虑的串扰。图14示出了具有表示LED之间边界的黑线的典型LED PSF。明显的是，PSF延伸超出了具体LED的边界。

由于漫射屏幕的PSF的原因，任意LED对于其整个邻居LED有贡献。尽管可以将等式(5)用于计算背光，如果给出LED驱动信号，推导出LED驱动信号以实现目标背光图像是相反的问题。该问题导致不适定去卷积问题。传统地，用于推导LED驱动信号的卷积内核如等式(6)所示。串扰校正内核系数(c₁和c₂)是负的，以补偿来自邻居LED的串扰。

crosstalk = |\begin{matrix} c_{2} & c_{1} & c_{2} \\ c_{1} & c_{0} & c_{1} \\ c_{2} & c_{1} & c_{2} \end{matrix}| - - - (6)

串扰校正矩阵不会减小来自其直接邻居的串扰效应，但是所得到的背光图像仍然是低对比度不精确的。另一个问题是产生了许多范围之外的驱动值，所述值已经进行了截取，这可能导致更多误差。

因为LCD输出不大于1，推导出LED驱动值，使得背光大于目标亮度，即

led(i，j)：{led(i，j)*psf(x，y)≥I(x，y)} (7)

句法使用“：”来表示实现大括号中的函数的所需LED值的限制。由于泄漏导致的有限对比度(CR)，LCD(x，y)通常不再达到0。解决方案是当目标值小于LCD泄漏时，减小LED值以再现暗淡的亮度。

led(i，j)：{led(i，j)

psf(x，y)＜I(x，y)·CR} (8)

另一个特征是节能，使得总的LED输出应该最小化或者减小。

led (i, j) : {\min \underset{i, j}{Σ} led (i, j)} - - - (9)

闪烁至少部分地是由于LED的非静态响应，所述非静态响应与LCD和LED之间的失配相结合。失配可以是空间的或是时间的。当点物体移动通过LED格点时，可以通过减小总的LED输出波动来减小闪烁。

led (i, j) : {\min (\underset{i, j}{Σ} led (i, j) - \underset{i . j}{Σ} led (i - x_{0}, j - y_{0}))} - - - (10)

其中x₀和y₀是相距LED中心的距离。可以通过时间IIR滤波进一步地减小闪烁。对等式(7)至(10)进行组合，产生了下面的等式(11)。

led (i . j) : \{\begin{matrix} led (i, j) * psf (x, y) &GreaterEqual; I (x, y) \\ led (i, j) * psf (x, y) < I (x, y) \cdot CR \\ \min \underset{i . j}{Σ} led (i . j) \\ \min (\underset{i, j}{Σ} led (i, j) - \underset{i, j}{Σ} led (i - x_{0}, j - y_{0})) \end{matrix}\} - - - (11)

图15示出了使用受限制的优化过程来推导LED值916的技术。首先将目标LED图像I(M1×N1)转换为大小MN2＝M1*N1的列向量。可以将等式(4)转换为矩阵形式：

[\begin{matrix} I_{1} \\ I_{2} \\ I_{3} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ I_{MN 2} \end{matrix}] = [\begin{matrix} {psf}_{1,1} & {psf}_{1,2} & {psf}_{1,3} & \cdot \cdot \cdot & {psf}_{1, MN} \\ {psf}_{2,1} & {psf}_{2,2} & {psf}_{2,3} & \cdot \cdot \cdot & {psf}_{2, MN} \\ {psf}_{3,1} & {psf}_{3,2} & {psf}_{3,3} & \cdot \cdot \cdot & {psf}_{3, MN} \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ {psf}_{MN 2,1} & {psf}_{MN 2,2} & {psf}_{MN 2,2} & \cdot \cdot \cdot & {psf}_{MN 2, MN} \end{matrix}] [\begin{matrix} {LED}_{1} \\ {LED}_{2} \\ {LED}_{3} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ {LED}_{MN} \end{matrix}] - - - (12)

其中LED是向量形式的驱动值。NM是等于M*N的LED的总个数。背光是LED向量与大小为MN×MN2的串扰矩阵的矩阵乘积，其中MN2＞＝NM。串扰矩阵psfi，j是从第i个LED到第j个背光位置的串扰系数，可以从所测量的PSF函数推导出。

用于推导LED图像918的技术开始于βPg的初始猜想；然后基于公式f_k+1＝f_k+βP(g-Hf_k)来推导每一个连续的LED驱动值，其中H是如等式(12)所示的串扰矩阵，g是向量形式的目标LED，以及P是MN×NM2的掩蔽矩阵，其中1是在LED位置，0是在其他位置。因为LED驱动值受限于0和1之间，将其截取到0和1之间。将新推导的LED值与前一个LED值相比较以计算变化率。如果变化率大于阈值，重复所述过程直到变化率小于阈值或超过最大重复次数为止。

因为LED输出相对于驱动值是非线性的，并且驱动值是整数，执行逆伽马校正和量化以确定LED驱动值。图16示出了用于LED的逆伽马校正902的过程。对已量化的驱动值再次进行伽马校正，这是对于LED驱动器电路920的实际LED输出。

下一个步骤是预测来自LED的背光图像922。将LED图像902进行伽马校正924，上采样到LCD分辨率(m×n)926，并且与漫射屏幕的PSF卷积928。

可以通过下式给出LCD透射率930：

T_LCD(x，y)＝img(x，y)/bl(x，y)

再次，如图17所示地执行逆伽马校正，以校正LCD的非线性响应，并且将其提供给LCD驱动器电路932。

为了减小闪烁效应，将时间低通滤波器918用于平滑突然的时间波动。

{led}_{n} (i, j) = \{\begin{matrix} k_{up} f (i, j) + (1 - k_{up}) {led}_{n - 1} (i, j) & f (i . j) > {led}_{n - 1} (i, j) \\ k_{down} f (i, j) + (1 - k_{down}) {led}_{n - 1} (i, j) & else \end{matrix} - - - (13)

其中选择k_up为比k_down高以满足等式(7)。典型地，k_up＝0.5而k_down＝0.25。这样，将LED背光限制为在多个帧上按照一个或更多增量从一个值变化为另一个值。例如，背光可以从0变化到200，并且在第一帧是0，在第二帧是100，以及在第三帧是200。优选地，允许LED上升比允许LED下降更快。

将引用的全部参考文献结合在此作为参考。

使用在前述说明书中采用的术语和表达式作为描述的术语，并且不局限于此，目的不是使用这些术语和表达式来排除所示和所述特征的等价物或其一部分，应该理解的是本发明的范围仅由所附权利要求限定和限制。

Claims

1.一种用于在液晶显示器上显示图像的方法，所述液晶显示器包括光阀和单独可控发光元件的背光阵列，所述方法包括：

(a)接收图像；

(b)修改所述图像以向所述光阀提供数据；

(c)修改所述图像以向所述背光阵列提供数据；

(i)发光元件值大于相应的像素值；

(ii)当发光元件值小于显示器的泄漏值时，减小发光元件值；

(iii)当相应透射光的值增加时，减小发光元件值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述约束条件约束光阀具有不超过1的透射率。

3.根据权利要求1所述的方法，其中基于图像数据和显示器的对比度来确定所述泄漏值。

4.根据权利要求1所述的方法，其中发光元件值的减小是基于节能标准的。

5.一种用于在液晶显示器上显示图像的方法，所述液晶显示器包括光阀和单独可控发光元件的背光阵列，所述方法包括：

(a)接收图像；

(b)修改所述图像以向所述光阀提供数据；

(c)修改所述图像以向所述背光阵列提供数据；

(e)其中提供给与所述发光元件相对应的所述光阀的数据适合于提供针对所述图像的所需照明，

其中提供给所述背光阵列的所述数据还是基于维持以下约束条件的：

(i)发光元件值大于相应的像素值；

(ii)当发光元件值小于显示器的泄漏值时，减小发光元件值；

(iii)当相应透射光的值增加时，减小发光元件值。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述发光元件值还基于针对图像的相应部分的已低通滤波的图像数据。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述发光元件值是基于所述低通滤波的图像数据和所述实质最大值之间的选择值的。

8.一种用于在液晶显示器上显示图像的方法，所述液晶显示器包括光阀和单独可控发光元件的背光阵列，所述方法包括：

(a)接收图像；

(b)修改所述图像以向所述光阀提供数据；

(c)修改所述图像以向所述背光阵列提供数据；

(d)其中提供给所述背光阵列的所述数据是基于用于确定所需值的迭代方法的，

(i)发光元件值大于相应的像素值；

(ii)当发光元件值小于显示器的泄漏值时，减小发光元件值；

(iii)当相应透射光的值增加时，减小发光元件值。

9.一种用于在液晶显示器上显示图像的方法，所述液晶显示器包括光阀和单独可控发光元件的背光阵列，所述方法包括：

(a)接收图像；

(b)修改所述图像以向所述光阀提供数据；

(c)修改所述图像以向所述背光阵列提供数据；

(d)其中提供给所述背光阵列的所述数据是基于用于确定所需值的时间滤波器的，

(i)发光元件值大于相应的像素值；

(ii)当发光元件值小于显示器的泄漏值时，减小发光元件值；

(iii)当相应透射光的值增加时，减小发光元件值。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述时间滤波器是低通的。

11.一种用于在液晶显示器上显示图像的方法，所述液晶显示器包括光阀和单独可控发光元件的背光阵列，所述方法包括：

(a)接收图像；

(b)修改所述图像以向所述光阀提供数据；

(c)修改所述图像以向所述背光阵列提供数据；

(d)其中提供给所述背光阵列的所述数据是基于具有比单独的背光阵列元件更密集的值的、用于确定所需值的数据结构的，

(i)发光元件值大于相应的像素值；

(ii)当发光元件值小于显示器的泄漏值时，减小发光元件值；

(iii)当相应透射光的值增加时，减小发光元件值。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述数据结构具有所述背光阵列元件的两倍密度。