Methods to ensure the visual quality of locally dimmed backlight systems

Die Anpassung der Hintergrundbeleuchtung (engl. backlight) von Flüssigkristallanzeigen (LCD) an den dargestellten Bildinhalt (Dimming) ist ein Mittel zur deutlichen Reduzierung der Leistungsaufnahme von Displays, um beispielsweise die Akkulaufzeit von mobilen Geräten zu verlängern. Gleichzeitig kann damit auch der statische Kontrast (Schwarzwert) und somit die visuelle Qualität verbessert werden. Mit Local Dimming Verfahren (mehrere separat ansteuerbare LED-­-Einheiten) können dabei höhere Leistungseinsparungen und eine höhere visuelle Qualität als mit Global Dimming erzielt werden. Die Entwicklung eines Local Dimming Algorithmus hoher Güte, das heißt hoher mittlerer Leistungseinsparung unter der Prämisse gleicher oder besserer visueller Qualität, ist jedoch ein deutlich komplexeres Problem. Basierend auf einem Optimierungskern hoher Güte für Einzelbilder werden in dieser Arbeit Methoden vorgestellt, um die visuelle Qualität solcher lokal gedimmter Systeme im Videobetrieb sicherzustellen bzw. zu verbessern. Neben Methoden zur Vermeidung von statischen (Clipping, Inhomogenitäten) und dynamischen Artefakten (Flicker, Backlight-­-Image-­-Delay) wird ein spezielles Verfahren für die Pixelkompensation vorgestellt. Hierbei bleibt die Display-­-Helligkeit trotz des gedimmten Backlights erhalten und der Kontrast erhöht, so dass eine zusätzliche Leistungseinsparung erzielt werden kann. Um einen breiten Einsatz dieser Local DimmingTechnologie zu ermöglichen, werden in dieser Arbeit die technischen Randbedingungen eingehalten, dass der Bilddatenstrom in einer Pixel-­-Pipeline abgearbeitet wird und die Hardware-­-Realisierung auch für Echtzeitbetrieb wie Video sehr effizient sein muss. Die neuen Funktionen können in bestehende Local Dimming Systeme additiv integriert werden und verbessern Leistungseinsparung und visuelle Qualität des gesamten Local Dimming Systems.The adaption of the backlight of liquid crystal displays (LCD) to image content (dimming) is a method to significantly reduce the power consumption of display units to for example improve the battery lifetime of mobile devices. At the same time the static contrast and hence the visual quality of the display can be improved. So called Local Dimming (several separately addressable LED strings) offers higher power saving potentials than global dimming (one LED string) techniques. It is obvious that the development of a local dimming algorithm of high quality (high power saving rates under the premis of high visual quality) is a more complex problem, compared to global dimming. Based on an optimization kernel for stil images, methods are presented to preserve or to improve the visual quality of such locally dimmed systems in video capable systems. Besides methods to avoid static (clipping, non-­‐uniformities) and dynamic (flicker, backlight-­‐image-­‐delay) artifacts, an improved process for pixel compensation is presented that allows higher power saving at same or better visual quality. With this approach the integral average display luminance is kept while the local contrast is preserved which allows for higher power saving rates. To be able to cover a wide range of display applications, the conditions of a line-­‐by-­‐line video data processing and the need for a very efficient HW design are fulfilled. The new approaches can easily be added to existing Local Dimming systems to improve the visual quality and increase power saving potential