液晶電視用影像處理晶片的設(shè)計(jì)

　　全球電視機(jī)市場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)入薄形平面化時(shí)代，雖然平面電視的顯示器液晶面板與電漿顯示器的影像顯示性能，已經(jīng)可以滿(mǎn)足家用電視的基本需求，不過(guò)平面電視的影像顯示方法、特性卻與傳統(tǒng)CRT不同，必需使用平面電視專(zhuān)用的影像處理引擎。此外隨著地表波數(shù)字電視的開(kāi)播，今后家用電視面對(duì)影像數(shù)字化與多頻道化，要求平面電視必需能夠支援多樣化影像內(nèi)容，提供觀視者舒適視覺(jué)特性的影像調(diào)整功能。

因此國(guó)外液晶電視機(jī)業(yè)者紛紛透過(guò)獨(dú)自的技術(shù)，整合電視影像處理電路系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)液晶電視影像處理用單晶片LSI。基本上電視影像處理晶片主要訴求是降低平面電視常見(jiàn)的三次元noise reducer，實(shí)現(xiàn)順暢鮮明的影像顯示。此外動(dòng)態(tài)強(qiáng)度擴(kuò)張器(Dynamic Level Expander)的追加，除了可以實(shí)現(xiàn)高畫(huà)質(zhì)影像之外，還可以對(duì)應(yīng)影像內(nèi)容的影像處理技術(shù)，配合觀視者視覺(jué)特性獲得亮度調(diào)整效果。

上述對(duì)觀視者眼睛非常柔和的亮度控制技術(shù)，是根據(jù)實(shí)際家庭環(huán)境實(shí)態(tài)調(diào)查結(jié)果，與測(cè)試被測(cè)者對(duì)刺眼感度上限輝度調(diào)查結(jié)果，追加年輕與高齡者視覺(jué)特性差異構(gòu)成的控制Algorithm，經(jīng)過(guò)反覆的實(shí)驗(yàn)證實(shí)它可以有效減緩觀視者得視覺(jué)疲勞。本文要探討液晶電視用影像處理LSI的設(shè)計(jì)技術(shù)。

開(kāi)發(fā)經(jīng)緯
圖1是液晶電視的影像處理用LSI方塊圖；圖2是新、舊型液晶電視影像處理基板比較。本影像處理專(zhuān)用LSI整合高畫(huà)質(zhì)三次元YC分離、三次元IP(Interlace Progressive)轉(zhuǎn)換，等高畫(huà)質(zhì)影像處理電路與Multi影像處理電路，再將三次元影像處理必要的存儲(chǔ)器利用SiP技術(shù)制成單晶片，因此可以獲得電視影像處理基板小型化，大幅降低EMI、消費(fèi)電力與制作成本等多重效益。此外高畫(huà)質(zhì)影像處理電路的三次元DNR(Digital Noise Reducer)與DLE(Dynamic Level Expander)精度的提升，內(nèi)建可以檢測(cè)亮度調(diào)整上必要的影像特徵等功能，可以實(shí)現(xiàn)順暢鮮明的影像顯示與柔和的亮度調(diào)整特性。

(a) 液晶電視的外觀

(b) 影像處理用LSI的外觀
　

(c) LSI(SiP)的內(nèi)部
　

圖1 液晶電視的影像處理用LSI方塊圖
　

圖2 液晶電視影像處理基板比較
　 影像處理技術(shù)
a. 三次元noise reducer
液晶顯示器與電漿顯示器的大畫(huà)面化的結(jié)果，造成以往小畫(huà)面不易辨識(shí)的噪音會(huì)清楚顯示在畫(huà)面上，此外液晶顯示器與電漿顯示器具備與CRT相異的 特性，則是造成噪音變得非常明顯的原因之一，因此影像高畫(huà)質(zhì)化處理作業(yè)上消除噪音成為重要的因素。

影像信號(hào)對(duì)時(shí)間方向具有很高的關(guān)連性，噪音成份對(duì)時(shí)間方向的關(guān)連性卻非常低，三次元Noise Reducer(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為3D-DNR)就是利用上述特性降低噪音成份。它是利用畫(huà)格記憶(Frame Memory)對(duì)原信號(hào)與一個(gè)畫(huà)格前的差分值乘上系數(shù)，接著從原信號(hào)減掉與時(shí)間方向無(wú)關(guān)連性的信號(hào)成份。使用一個(gè)畫(huà)格前的信號(hào)減掉噪音的信號(hào)，除了可以構(gòu)成巡迴型3D-DNR之外，還可以使噪音降低效果變大。不過(guò)，一旦執(zhí)行上述處理，同樣會(huì)對(duì)移動(dòng)物體會(huì)實(shí)施時(shí)間方向的過(guò)濾 (Filter) ，造成動(dòng)畫(huà)模煳、尾曳等弊害。3D-DNR可以透過(guò)特殊的圖案識(shí)別處理辨識(shí)動(dòng)態(tài)部位，不會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)部位實(shí)施時(shí)間方向的過(guò)濾。

圖3是3D-DNR的結(jié)構(gòu)，輸入的信號(hào)(A)會(huì)使已經(jīng)去除噪音成份的輸出信號(hào)(C 減掉與畫(huà)格已經(jīng)延遲的信號(hào)獲得畫(huà)格差分信號(hào)(B)，接著對(duì)畫(huà)格差分信號(hào)(B)實(shí)施振幅限制，再乘上1-K(0≦K<1)的系數(shù)，最后再對(duì)已經(jīng)作過(guò)延遲補(bǔ)償?shù)脑�信�?hào)進(jìn)行減算藉此降低噪音。利用噪音識(shí)別處理將辨識(shí)動(dòng)態(tài)部位與噪音成份辨識(shí)成動(dòng)態(tài)部位時(shí)，它會(huì)使 接近1，藉此防止時(shí)間方向的過(guò)濾。如圖4所示噪音辨識(shí)電路會(huì)去除畫(huà)格差分值為任意(random)的pattern，只會(huì)對(duì)經(jīng)過(guò)整合的pattern進(jìn)行抽出動(dòng)作。
　

圖3 3D-DNR的結(jié)構(gòu)

圖4 噪訊識(shí)別處理的結(jié)果
　

b. 動(dòng)態(tài)強(qiáng)度Expander
為彌補(bǔ)液晶面板的動(dòng)態(tài)范圍，必需依照影像內(nèi)容自動(dòng)控制亮度與對(duì)比，因此研究人員動(dòng)態(tài)強(qiáng)度Expander(DLE)技術(shù)。DLE可以將以往黑色場(chǎng)景(scene)黑色潰散的影像，與白色場(chǎng)景(scene)白色色潰散的影像當(dāng)作矩形圖(histogram)檢測(cè)，即時(shí)控制亮度與對(duì)比提高灰階的再現(xiàn)性(圖5)。

此外為了避免對(duì)比控制遷移狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生視覺(jué)性不協(xié)調(diào)感，因此刻意控制使它緩慢遷移具備時(shí)定數(shù)，不過(guò)面對(duì)場(chǎng)景改變的矩形圖急遽變化時(shí)，必需避免過(guò)度補(bǔ)正因此作場(chǎng)景改變的檢測(cè)，如此才能使遷移速度變快。除了矩形圖檢測(cè)之外，有關(guān)亮度與對(duì)比的控制則利用硬體方式封裝于LSI內(nèi)部，因此不需要微處理器的控制，就能夠輕易封裝在液晶電視機(jī)內(nèi)部。圖6是DLE的處理結(jié)果，由圖可知整體黑暗場(chǎng)景的對(duì)比提高，黑暗部位的灰階性也獲得大幅提升。
　

圖5 DLE的控制例
　

圖6 DLE的處理實(shí)例
　 液晶電視的亮度控制技術(shù)
影響影像觀視度的條件，分別是:
①顯示裝置的亮度、輝度對(duì)比等光學(xué)特性
②影像內(nèi)容與亮度
③觀視者的視覺(jué)特性(照明環(huán)境與年齡)
家庭模式必需考慮家庭照明環(huán)境下，高齡者與年輕人的視覺(jué)特性，依此控制液晶電視的亮度。

a. 家庭的照明環(huán)境
家庭照明環(huán)境比店舖照明環(huán)境更暗，根據(jù)電視機(jī)的觀視條件調(diào)查結(jié)果顯示家
庭的畫(huà)面照度為108 lx，店舖的畫(huà)面照度為1000 lx，兩者相差接近10倍左
右，因此家庭的畫(huà)質(zhì)調(diào)整必需設(shè)定成適合該亮度的環(huán)境。至于電視機(jī)的畫(huà)面
輝度要求條件，必需考慮觀視者的順應(yīng)輝度。 圖7是根據(jù)家庭的電視機(jī)觀視條件實(shí)態(tài)調(diào)查結(jié)果，繪制的電視畫(huà)面照度與觀視
者的視野輝度關(guān)系圖。此處假設(shè):

Ei(lx): 畫(huà)面照度
La(cd/m2): 視野的平均輝度

如此一來(lái)家庭環(huán)境下的順應(yīng)輝度環(huán)境，可以用下式表示:

La=0.1×Ei------------------------------(1)

利用式(1)可以從設(shè)置在畫(huà)面的照度感測(cè)器求出背面領(lǐng)域的輝度(順應(yīng)輝度)
　

圖7 畫(huà)面照度與觀視者1800視野的平均輝度
　

b. 白色強(qiáng)度的上限輝度與家庭畫(huà)質(zhì)模式
最近液晶電視機(jī)的峰值輝度普遍都超過(guò)500 cd/m2(白色輝度)，不過(guò)該峰值輝度隨著顯示面積與順應(yīng)輝度的不同，造成觀視者經(jīng)常曝露在必要以上的刺眼感觀視環(huán)境下。圖8是將開(kāi)始感到刺眼的輝度，當(dāng)作要求電視影像的顯示輝度上限值，再以高齡者年輕者為對(duì)象，將順應(yīng)輝度與視角size當(dāng)作實(shí)驗(yàn)變數(shù)數(shù)進(jìn)行主觀評(píng)鑑實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。如圖8所示針對(duì)順應(yīng)輝度的亮度改變感到刺眼的亮度時(shí)，高齡者與年輕人的視覺(jué)特性出現(xiàn)明顯差異，在大視角size高齡者與年輕人的刺眼感差異卻很小，在小視角size低輝度時(shí)年輕人會(huì)感到刺眼感。
此處假設(shè):

a: 刺眼感依存數(shù)
Lw: 白色輝度
La: 順應(yīng)輝度
k: 定數(shù)

如此一來(lái)刺眼感與順應(yīng)輝度的關(guān)系可以用下式表示:

Lw=k×Laa-----------------------------(2)

適合年輕人的視角size a=0.35~0.43，適合高齡者的視角size a=0.26~0.35，如果將視角size視為影像的平均輝度，依照觀視者的視覺(jué)特性與影像的平均輝度，設(shè)定成k值與a值時(shí)，理論上可以作最適宜的亮度表示。
　

圖8 順應(yīng)輝度與開(kāi)始感到刺眼的輝度
　

家庭模式主要是作亮度控制，調(diào)整該適時(shí)視覺(jué)特性的影像平均輝度，如圖9所示在刺眼感改善輝度領(lǐng)域，由于年輕人從低平均輝度開(kāi)始感到刺眼感，因此有關(guān)影像的平均輝度，採(cǎi)用比高齡者更低的條件開(kāi)始控制，藉此使顯示輝度降低。
　

圖9 表示輝度與平均輝度
　

c. 利用亮度控制降低疲勞的效果
未作亮度控制的液晶電視，高平均輝度的影像容易產(chǎn)生刺眼感，相較之下內(nèi)建家庭畫(huà)質(zhì)模式的液晶電視，即使影像的APL(Average Picture Level)很高時(shí)，也能夠使平均輝度會(huì)降低，因此可以減輕視覺(jué)疲勞。圖10是透過(guò)電視視聽(tīng)進(jìn)行眼睛疲勞的主觀評(píng)鑑實(shí)驗(yàn)獲得的驗(yàn)結(jié)果，圖上方是時(shí)間進(jìn)度(time schedule)，每位被測(cè)者合計(jì)視聽(tīng)90分鐘的電視，接著根據(jù)4階段的評(píng)定尺度，進(jìn)行圖中①～⑤的5個(gè)時(shí)點(diǎn)有關(guān)眼睛疲勞癥狀的主觀評(píng)鑑。主觀評(píng)鑑各進(jìn)行15名，雖然圖中的座標(biāo)表示平均值與標(biāo)準(zhǔn)誤差，不過(guò)卻也證實(shí)利用亮度控制可以獲得疲勞降低的效果。
　

圖10 眼睛疲勞的主觀評(píng)鑑實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　 結(jié)語(yǔ)
隨著電視機(jī)的面板平面化與數(shù)字播放等大環(huán)境的變化與進(jìn)步，一般認(rèn)為未來(lái)消費(fèi)者對(duì)高畫(huà)質(zhì)液晶電視的需求越來(lái)越嚴(yán)苛，因此未來(lái)平面電視必需具備支援多樣化影像內(nèi)容，提供觀視者高畫(huà)質(zhì)、舒適視覺(jué)特性等影像功能等特性，這意味著液晶電視用影像處理LSI會(huì)受到重視。

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文章來(lái)源：52RD硬件研發(fā)