Quality Improvement for Motion Pictures in Multimedia Liquid-Crystal Displays(LCDs)

摘 要 Gamma-Correction原理指出人眼所能分辨的亮差層次是以對數方式分佈，而非以線性方式分佈。由於Gamma曲線的特性，Gamma-Correction不會影響影像的濃度域(最黑與最白兩階是固定的)，而只是影響濃度的分布亮化（當珈瑪值大於1）；亮部被擴展而暗部被壓縮。暗化（當珈瑪值小於1）影像；亮部會被壓縮而暗部被擴展。 隨著顯示科技日益進步，其對每一個微小畫素上的影像色彩呈現要求也更加的挑剔。目前有許多新的影像科技與調校技術，Dynamic Gamma Correction(DGC)，又稱為Dynamic Gamma Control，使顯示影像色彩的暗度與對比提升，增加黑暗背景層次的豐富感，還原更鮮活亮麗的真實色彩，使其呈現出高亮度、高對比，展現了明亮、清澈的高畫質影像品質。 第三章首先運用影像8灰階分佈統計直方圖(histogram)與即時動態珈瑪電壓修正來達成動態畫質提升。因為所選用的TFT-LCD顯示模組，其珈瑪電壓僅有五組，只能就顯示畫面做大致的調整，其所能得到的畫質雖然比未調整前有很大的改善，但先天上仍有其限制。 第四章則運用32灰階分佈統計直方圖與一種結合影像資料處理的Dynamic Gamma Correction來達成多媒體液晶顯示器之動態畫質提升。針對32灰階來做影像資料的統計，然後搭配外部Gamma Voltage的電壓調整，最後再將原始影像資料以軟體方式做修正處理，形成一條新的珈瑪曲線，使多媒體液晶顯示器呈現出高亮度、高對比，展現了明亮、清澈的高畫質影像品質 在本篇論文有一些問題點存在，所以在第五章結論處提出了一個完整的架構，以使本研究目標“動態影像顯示品質改善”得以改善，並達到盡善盡美的境界。Abstract The principle of gamma correction, which is based on brightness levels distinguishable by the human eye, have a logarithmic type distribution and not a non-linear distribution. Gamma correction does not affect density range (The levels of black and white are fixed.) due to the characteristics of the gamma curve. It only lightens density range distribution (when gamma is greater than 1). Bright areas are expanded and dark areas are compressed. For darkened (when gamma is less than 1) images, light areas are compressed and dark areas are expanded. As display technology advances, more stringent demands are placed on every tiny pixel. There are currently many new image and tuning technologies. Dynamic gamma correction (DGC), also called dynamic gamma control (DGC), improves image darkness and contrast, and then more accurately displays fine images. It achieves higher brightness and contrast and shows clear, crisp high definition image. As described in chapter 3, an 8-grayscale histogram of dynamic image was construct and immediate gamma voltages were adjusted to improve the image quality of moving pictures on multimedia liquid crystal displays. Since the gamma voltages used on TFT-LCD modules are only 5 externally voltages, it makes rough adjustment to the display. Although, the better image quality is achieved than the before adjustment, but the congenital performance is limited. Chapter 4 introduces a new dynamic gamma correction method using 32 grayscale histogram and image data processing to improve contrast of moving images on LCDs. First, to statistic the 32 grayscale histograms, then arrange the circuits of combined external gamma voltage adjustment with image data processing by software technology. It will become a new gamma curve, thus more accurately display fine images that have higher contrast and show clear, crisp high definition image quality on multimedia LCDs. There are still some problems that exist in this work, so a complete framework is proposed in chapter 5 to take the “improvement of moving image quality” research goal to an advance video system.目 錄 中文摘要…………………………………….………...……….…..…….……i Abstract……………………………………………..…………...………..…iii 誌謝…………………………………...….………………….....……….…...v 目錄………………………..…………….…………….………..…………...vii 圖目錄……………………………………………...………………..……….ix 表目錄………………………………….…………..…..……………………xii 第一章 緒論…………………………………..…………..………..………1 1-1 Gamma Correction原理……………………..….……….…..….1 1-1-1人眼對色彩的特性…………………………..….……….1 1-1-2 Gamma Curve………………….……………...………2 1-2用Gamma曲線調整影像的辦法………………………...………3 1-3 Gamma Correction 與Color Space 的關係…………...……..5 1-4 File Gamma………………………………...………..…..…..…..7 1-5 System Gamma………………………..……………......…..…..8 1-6 為何最佳Gamma值是2.2 ?………..…………………..…….12 1-7 LCD穿透率與電壓之Gamma曲線關係…………..………….13 第二章 習用相關架構……………………………………………….……14 2-1傳統用以產生Gamma電位之電阻串…………………………14 2-2 Gamma查表法(Lookup Table，LUT)…………………....……17 2-3 設計一顯示器之Look-up talbe 之Gamma 值…….………..19 2-4 Gamma Adjustment Function…………………..………..……22 2-5 實際檢驗一顯示器之Gamma 值…………….…….…………25 第三章 Dynamic Gamma Correction 理論與實現………….…......….31 3.1 Dynamic Gamma Correction目的………………..…..……….31 3-2 由外部Gamma參考電壓來調整Gamma曲線…..…….……32 3-3 8灰階統計分佈直方圖………………………………….…….36 3-4 外部Gamma參考電壓自動調整…………………...……...….39 3-5 灰階分佈與預設Gamma曲線連結……………….…….…….41 3-6 灰階分佈與Gamma曲線成一比例動態調整………..……….44 第四章 多媒體液晶顯示器之動態畫質改善……….……..………….....52 4-1 32灰階分佈統計直方圖……………………………………...…52 4-2結合影像資料處理的Dynamic Gamma Correction……….…56 4-3 如何處理灰階統計出現雙峰的問題? …………….……..……61 第五章 結論與未來工作目標…………………..………...………….…68 5-1結論………………………..……………...…..……….…………68 5-2未來工作目標……………………………………….……..….…71 參考文獻………………………………..…………… 圖目錄 圖1-1 Gamma Curve…………………..………………….…….....……..…..……….2 圖1-2 不同Gamma Curve…..………………………………..……....…..….…..…..3 圖1-3 原圖gamma=1……………………………………….……….……..….…...….4 圖1-4 gamma=0.5………………………..………………….....….….….…..….……4 圖1-5 gamma=2.……………………………………..…….….…..…..…....….……..4 圖1-6 原圖gamma=1…………………………………………..……….……….…….4 圖1-7 gamma=0.5……………………………………….…….….…...….……...……4 圖1-8 gamma=2.…………………………………………….….…..……..…....……..4 圖1-9 (R、G、B)=(51、204、51)Gamma=1……………………...…...….……..……5 圖1-10 (R、G、B)=(133、233、133)Gamma=2.5……………….….….………….…..5 圖1-11 顯示系統之Gamma參數關係………………………..….……….……..…...10 圖1-12 以實例說明γRGB相關Gamma係數的轉換……………….….….…..…..11 圖1-13 穿透率與電壓之曲線圖……………………………………..………..…...…..13 圖1-14 畫素上板與下板之跨電壓與光穿透率之Gamma曲線關係圖…..…………13 圖2-1 傳統用以產生Gamma電位之電阻串…………………….…………..…..….14 圖2-2 畫素資料與Gamma電壓之Gamma曲線關係圖…………………….….….15 圖2-4 輸出非線性數位類比轉換電路之Gamma電壓與畫素液晶分子之光穿透之Gamma曲線關係圖…………………………………………….…….…..…...16 圖2-5 畫素資料與液晶分子之光穿透率之關係圖………..…….……….….…...….16 圖2-6 Lookup Table的設定值與目標Gamma值……………………………….…18 圖2-7 32灰階之look-up table 設定值曲線……………………..…..……….….….19 圖2-8 32灰階之look-up table 設定值曲線…………………….……….…..…..…20 圖2-9 16灰階之視覺效果…………………….……………………..……..…..….…21 圖2-10 32灰階之視覺效果……………………….………………..……...…………21 圖2-11 Grayscale control……………….………………….…….…….……...….…..22 圖2-12 Structure of grayscale amplifier……………………….….…….....…...…...23 圖2-13 The operation of adjusting register………………………..……………..….24 圖2-14 運算式之針斜率值方程式圖………………………………..……...…..….….26 圖2-15 Test pattern 1………………………………….…………….….….….………26 圖2-16 Test pattern 2……………………………………..….……….…..…….……..26 圖2-17 Test pattern 3………………………………………..……..……..…….…….26 圖2-18 16灰階各階之輝度值……………………………………..…...….………….27 圖2-19 之關係式繪製成一曲線圖………………………..…..…….….…28 圖2-20 理想Gamma=1.8652的曲線與實測輝度Gamma 曲線……………….…29 圖2-21 顯示器之視覺效果……………………………………..……..…...……….…30 圖3-1 TFT-LCD 外部電壓接腳圖…….………………………..…...…….…………32 圖3-2 顯示器之方塊圖……………………………………..……………....…..….…34 圖3-3 8灰階統計流程圖…………….….………………………………..…………..36 圖3-4 測試圖-a………………..…………………………………...…...….….….…..37 圖3-5 測試圖-a之灰階分佈圖……………………………………....…….….….…..37 圖3-6 測試圖-a經測試顯示狀況………………………………….………….….…..37 圖3-7 測試圖-a之灰階分佈圖…………………………………….….….…….…….37 圖3-8 測試圖-b……………………………………………….…….…..…..…………38 圖3-9 測試圖-b之灰階分佈圖…………………………………….……..........….…38 圖3-10 測試圖-b經測試顯示狀況……………….………………..………..….....…..38 圖3-11 測試圖-b之灰階分佈圖……………..……………………….…..…....….…..38 圖3-12 測試圖-c………………….…………………………………..……..…......…..38 圖3-13 測試圖-c之灰階分佈圖…………………………….……...…………..….…..38 圖3-14 測試圖-c經測試顯示狀況……………………………….….…..…..….…….38 圖3-15 測試圖-c之灰階分佈圖…………………………………………..…..………38 圖3-16 DAC IC(AD5308) 方塊圖………………………………………...……….…39 圖3-17 測試圖-D……….….………………………………………….…..……….…..42 圖3-18 測試圖-d 改善後視覺效果……………………………………….……….…..43 圖3-19 測試圖-d 改善前視覺效果………………………………………..…....…….43 圖3-20 測試圖-d 八灰階統計直方圖……………………………….………...….…..45 圖3-21 測試圖-d Gamma Curve 改善前後示意圖…………………..……......…....46 圖3-22 測試圖-d 改善後視覺效果…………………………………….….…..….…..47 圖3-23 測試圖-d 改善前視覺效果………………………………..…….…...……….47 圖3-24 測試圖-e……….….……………………………………..………...….…..…..48 圖3-25 測試圖-d八灰階統計直方圖…………………………….....……...….….…..48 圖3-26 測試圖-e Gamma Curve 改善前後示意圖……………………...…....…..49 圖3-27 測試圖-e 改善後視覺效果之一……………………………...…..…………..50 圖3-28 測試圖-e 改善前視覺效果之二….………………………..……......………..50 圖3-29 測試圖-e 改善後視覺效果之二…………………………..…..….…...….…..51 圖3-30 測試圖-e 改善前視覺效果之二……………………………..…..…....….…..51 圖4-1 32階直方圖之灰階統計分佈放大圖……………….…………………….…..53 圖4-2 32階直方圖之灰階統計分佈放大圖…….………………………………..….54 圖4-3 32階直方圖之灰階分佈圖一……………………………..………...…….…..55 圖4-4 32階直方圖之灰階分佈圖二.…………………………………..…..…….…..55 圖4-5 32階直方圖之灰階分佈圖三………………………………………....…..…..55 圖4-6 32階直方圖之灰階分佈圖四……………………………………..…...….…..55 圖4-7 測試圖(f) 原圖……………………………………..…….…….………….…..56 圖4-8 測試圖(f) 32灰階直方圖………………………………….…..…...…....…….57 圖4-9 測試圖(f) Gamma Curve 動態調整圖………..……………...…..…..….…..57 圖4-10 測試圖(f) 連續左移動畫圖之一……………………….….………......….…..58 圖4-11 測試圖(f) 連續左移動畫圖之二…………………………….………...….…..59 圖4-12 測試圖(f) 連續左移動畫圖之三………………………….….……..…..…….59 圖4-13 測試圖(f) 連續左移動畫圖之四…….………………………………….…….59 圖4-14 測試圖(f) 連續左移動畫圖之五………..……………………..…...….….…..60 圖4-15 測試圖(g) 原圖…………….…………………………………..……....….…..61 圖4-16 測試圖(g) 32灰階直方圖………………………………………....…..….…..61 圖4-17 測試圖(g) 32階直方圖之灰階統計分佈放大圖…….………………...……..62 圖4-18 測試圖(f) Gamma Curve 動態調整圖………………………..……...….…..63 圖4-19 測試圖(g) 連續左移動畫圖之一……………………………..….……..…….64 圖4-20 測試圖(g) 連續左移動畫圖之二………………………..………..….……….65 圖4-21 測試圖(g) 連續左移動畫圖之三………..……..………..……….…..…..…..65 圖4-22 測試圖(g) 連續左移動畫圖之四…………………………..……..…...….…..65 圖4-23 測試圖(g) 連續左移動畫圖之五………………………..……..….…..….…..66 圖4-24 測試圖(g) 連續左移動畫圖之六…….…………………..……..……..…..….66 圖4-25 測試圖(g) 連續左移動畫圖之七…………………………………..…...…….66 圖4-26 測試圖(g) 連續左移動畫圖之八…….……………………...….……..…..….67 圖5-1 成品圖之一………..………………………………….....…………..…….…..69 圖5-2 成品圖之二…………………………….…..………………………..….….…..69 圖5-3 成品圖之三……………………..…………………………...…..…..…….…..70 圖5-4 測試圖(f) 原圖………..………………………………….....……….…….…..71 圖5-5 測試圖(f) 連續左移動畫圖之一…………………………….…..…….….…..72 圖5-6 測試圖(f) 連續左移動畫圖之二……………………..……..…..…..…….…..72 圖5-7 Gamma-correction Power-supply Circuit….……………..…..….…..….….73 圖5-8 Input Data and Gamma-correction power supply Circuit…….…..……….74 圖5-9 TFT模組方塊圖….………………………………………..…….…...……….75 圖5-10 動態VCD影像播放與立即Gamma-correction系統 表 目 錄 表1-1 感光細胞主要功能…..…………………….…………………………………….1 表1-2 輸入影像的γ值……..……………………….…………………………………..8 表2-1 Lookup Table…………………………………………………….….…………..17 表2-2 Look-up table 之設定值……………………………………………………….19 表2-3 16灰階各階輝度值之運算表……………….………………………….………27 表2-4 理想Gamma=1.8652與實測輝度Gamma 為比較………………………….29 表3-1 RGB之組成數位碼……………………………………………………………..35 表3-2 5 組Gamma 設定………………………………………………………….….41 表3-3 Gamma Voltage 的比較………………………………...………………..……46 表3-4 Gamma Voltage 的比較…………………………………………..……..…….5