显示器中的自动照度补偿的制作方法

专利名称：显示器中的自动照度补偿的制作方法
显示器中的自动照度补偿
本发明总体涉及在例如X射线成像系统中使用的显示屏幕中的自动照 度控制。
照度定义为入射到给定表面每单位面积上的光通量，并且以勒克斯度 量。提供关于用于X射线物理治疗设备(modality)中的显示器的某种形式 的自动亮度控制是公知的，例如，在补偿由环境光落到显示器上引起的照 度的企图中。
参照附图的

图1， 一种用于感测关于阴极射线管(CRT)显示器的环境 光的系统，包括位于显示屏幕中的平的透明窗口 104后的光敏感设备100 和感光(photoptic)滤光器102。通过自动亮度控制模块，由光敏感设备探 测的光的量用作落在显示器上的环境光的照度的度量，自动亮度控制模块 与测得的照度的对数成比例地调整显示器的对比度和/或亮度设置，以便补 偿将从显示器反射的光。
由上述控制模块使用的控制对数的通常形式为 <formula>formula see original document page 4</formula>亮度(定义为每单位立体角的发光强度)1=(A+B'V) 7，其中V是视 频输入信号并且传递函数A和B在附图的图2中图示地定义，其中传递函 数A表示减小的自动亮度控制(ABC)而传递函数B表示所谓的"标准" ABC。传统地使用的控制参数包括在给定的照度和显示"闪烁"感知下的 最大的舒服的观察亮度，该参数基于一系列观察者的感知测试。
然而，返回参照附图的图1，入射到光敏感设备100上的光在某种程度 上被准直并且该系统具有区别的视场106，其往往在30°至45。的量级。因 此，该系统往往测量来自某个目标的照度，例如外壳医生的外套，而不是 落在显示器上的环境光的照度。这意味着由调整显示器的对比度和/或亮度 设置的控制对数使用的照度测量未真实描绘将由显示器反射的光，而是受 到显示器附近的其它二级效应的影响。
在任何情况下，液晶显示器(LCD)具有与基于CRT的显示器完全不 同的显示器结构。当考虑自动照度控制的实施时，此结构中的不同具有数 个结果，如由Hartwig Blume等在"Practical aspects of grayscale calibration of display systems", Proceedings of SPIE Vol. 4323(2001)， pp.28-35中详细陈述 的。
关于LCD需要考虑的主要顾虑中的一个是需要符合"Digital Imaging and Communication in Medicine，，(DICOM) Display Function Standard,其是本
领域技术人员公知的。它是开发的以规定医疗成像设备的连接和通信协议 的标准。DICOM Display Function Standard数学地规定用于数字输入和图像 显示系统的亮度之间的关系的函数并且由此提供用于单色图像的可预测的 和可重复的灰度再现的客观方法，并且它促进在不同的显示设备之间的灰 度再现的客观类似，不依赖于它们的照度范围。此标准需要使用具有中心 测量场和固定背景的DICOM测试图案以合适地考虑显示器中的杂光 (veiling glare)。作为此因素的结果，除了其它的外，针对基于CRT的显 示器开发的上述自动照度技术被认为对于LCD不是理想的。
因此，本发明的目的是提供用于自动照度控制的一种系统和方法，其 能有效地在液晶显示设备中实施。
根据本发明，提供了一种装置，用于感测落在显示器上的环境光的照 度，所述装置包括光敏感设备，其位于所述显示器后，用于接收落到所 述显示器上的光并生成表示该光的电信号；及漫射体，其位于所述环境光 的源和所述光敏感设备之间。
当如现有技术中那样使用平的透明窗口，传感器相对于孔隙的物理位 置的几何结构和窗口的光学性质(衍射)是限制因素，因为得到的结果不 表示影响显示器的环境光的量并且存在对例如观察者的运动的直接在监控 器前面的小的变化的过度反应的趋势。
相反，通过使用漫射体代替根据现有技术的系统中使用的平的透明窗 口实现了上述目的，因为漫射体能够收集从完整的半球可用的光，满足测 量照度的需求。显示器后面的传感器不再受到任何特定光束的来到方向的 影响。以这种方式，测量将更接近地描述落在显示器上的光的量，并且依次更接近归因于要被校正的环境光的亮度量。
在优选实施例中，所述装置布置并配置成基本符合余弦效应，由此所 述显示器上的照度随入射其上的光的角度的余弦变化。优选地，所述漫射 体安装在基本平面的结构中，所述光敏感设备位于基本平面的结构后。所
述漫射体可以安装为相对所述平面结构的表面高出(距离为s)，其中，优 选地，围绕所述光敏感设备以相对其s的高度设置基本环形的环。可选地，
所述漫射体可以相对所述平面的结构的表面基本齐平，或者，它可以位于
不透明管状结构内，使得关于光的入射角的照度测量(e) 二o基本为零。
优选地，所述漫射体和光敏感设备通常位于相对于所述显示器的视区 的中心处。
本发明延伸到一种用于关于显示器进行自动照度控制的系统，所述显
示器用于显示包括多个描绘像素灰度水平的值的图像，所述系统包括如 上限定的用于生成表示落在所述显示器上的环境光的照度的电信号的装 置，及用于调整所述显示器的灰度传递函数以便保持目标灰度传递函数的 校准的控制模块。
有益地，所述目标传递函数的所述校准由诸如DICOM的标准规定，并 且，所述灰度传递函数优选地是基本连续地调整的。
限定所述多个值的数字视频输入信号可以是数字的或模拟的。在优选 实施例中，通过调整模拟显示器中的一个或多个对比度和亮度来调整所述 灰度传递函数并且背光亮度和查找表格(LUT)是数字显示的。
显示器可以是基于CRT的显示器或液晶显示器。
本发明还延伸到一种显示设备，包括显示屏幕和如上限定的系统，并 延伸到一种图像处理器，用于与用于显示包括多个描绘像素灰度值的值的 图像的显示屏幕一起使用，所述图像处理器布置并配置成从如上限定的装 置接收表示落在所述显示屏幕上的环境光的照度的电信号，并且还包括控 制模块，用于调整所述显示屏幕的灰度传递函数以便保持目标灰度传递函 数的校准。
本发明的这些和其它方面将从于此描述的实施例变得明显并将被参照 那些实施例阐述。
现在将参照附图仅通过示例方式描述本发明的实施例，其中
图1是示例根据现有技术的用于感测落在显示器上的环境光的系统的
主要部件的示意图2图示地示例由根据现有技术的自动亮度控制系统的控制对数使用
的传递函数；
图3是示例根据本发明的实例实施例的照度传感器的主要部件的示意
图4是灰度传递函数(GTF)中环境光的效果的图示描绘； 图5是描绘20 lx和100 lx照度对AL/L的影响的图示； 图6是未校正的LCD传递函数的图示描绘；
图7是针对恒定的亮度对比度的JND对比度VS.亮度的变化的图示描
绘；
图8图示地描绘针对CRT显示器的对比度与黑色水平的关系；
图9是根据本发明的第一实例实施例的LCD系统的示意性框图；以及
图10是根据本发明的第二实例实施例的LCD系统的示意性框图。
如以上解释的，现有技术自动光亮控制系统中使用的照度传感器往往 对显示器前面的目标的亮度及落到显示器上的环境光的照度起反应。为了 克服此问题，及为了实现本发明的上述目标，在本发明的实例实施例中相 对于CRT系统改装了照度传感器，以便更象是照度计(而不是亮度传感器)。
参照附图的图3，根据本发明的实例实施例的用于感测照度的系统包括 通常中心地安置在玻璃框103后面的光敏感设备100和感光滤光器102，玻 璃框103简单地是监控器框架。玻璃框103内设置有漫射体110，在参照图 1描述的现有技术系统中使用的透明窗口的位置。该设计不必太精确，但是 应当符合合理地接近余弦效果，其规定表面上的照度随光的入射角的余弦 变化。
在示例的实例中，漫射体110稍微高出表面3的距离。在这种情况下， 期望围绕传感器100设置环形环(未示出)，相对其以与漫射体高出玻璃框 103的表面相同的高度S，以便确保在e二90。处的零结果。可选地，漫射体 110可以与玻璃框103的表面基本齐平，或位于不透明管内。
<formula>formula see original document page 8</formula> 其中
E=照度
L=面积A的遥远光源的亮度
r=传感器到光源的距离
theta=从传感器的法线轴的光源的角度
通常，所有的显示器反射来自环境的光到观察者。情况总是这样，甚 至在全黑的房间里，因为在那种情况下，显示器的自亮度被从房间的墙壁 及从衣服和皮肤被反射回。
其效果是提高了观察者能够看见的显示器的有效黑色水平，减小了显 示器的黑暗区域中的局部对比度AL/L。考虑下面实例
显示器具有0.01cd/m2/Lx的环境反射率p并且显示器已被校准为在黑 暗条件下符合已知的DICOM 3.14灰度传递函数。
图4的图示示出了环境反射率对传递函数的影响。
假定
黑色水平Lbd设置为0.5 cd/m2 白色水平稳固于500 cd/m2 显示器由Ia=100LUX的漫射光源照明 这样，有效黑色水平Lbe为 Lbe=p'Ia+Lbd=1.5cd/m2
由标记为'W'的曲线示出了没有来自环境光的任何影响的GTF (灰 度传递函数)。标记为'X'的曲线示出了具有100LUX照度的实际GFT。
标记为<Y'的曲线示出了20LUX的非常适中的照度的影响。
建议通过观看局部对比度(AL/L)而不是亮度来评估灰度传递函数。 这本质上是亮度曲线的第一微分。对于一等设备，对所需的目标GFT的符 合在±10%内。
图5的图示示出了 201x和1001x对AL/L的影响。
相对于"校准的"目标曲线'Z'的士10%的公差线描绘建议的对1等 设备的公差。能够看到，环境光的非常适度的变化会导致监控器不再在校 准状态。再次，标记为'X'的曲线描绘100LUX的照度，而标记为
的曲线描绘20LUX的照度。
这里的结果基于0.007的屏幕环境反射率因子Pa， 0.007对LCD显示器
是典型的。
此影响是公知的并且是包括环境条件在显示器校准中的当然原因。 除了实施来自现有技术CRT设计的ABC方案，优选地，针对本发明 的实例实施例调整显示器传递函数，使得不管照度的变化而保持校准。 对于LCD，潜在地可用于控制的变量是 背光亮度； LUT (查找表格)。
通过控制背光亮度，控制显示器的黑色亮度和白色亮度是可能的，记
住
<formula>formula see original document page 9</formula>针对LCD的最大对比率经常是不可调整的。 利用LUT，控制灰度传递函数和动态范围是可能的。
假定已知针对显示器的下述特征
LUT线性地设置(数据输入=数据输出)的LCD的透射率； 背光亮度；
环境反射率因子Pa;
针对未校正的情况计算显示器亮度传递函数是可能的。 LCD的传递函数是任意函数并且不适于数学建模。必须对设备进行测 量并将透射率结果存储为表格。为方便，于此将使用下述表达式
<formula>formula see original document page 9</formula>
其中，fled=LCD的任意函数
D二显示器数据值(显示器数据是主系统中在显示器LUT的输出处的 输出数据)。
如果背光亮度为Lb,，则
当显示器环境中的照度为IJ寸
<formula>formula see original document page 9</formula>
得到的对于给定数据输入D的显示的亮度是明显的
Ld = Lbi.flcd (D) +Ia-Pa
图6中示出了未校正的LCD传递函数的实例。
曲线C-DICOM
D-未校正的面板
E-照度为La的面板
用于校准到已知的DICOM3.14亮度传递函数的处理是相对直接的。 "刚好能察觉的差异"(JND)描绘在给定的观察条件下普通人类观察 者刚好能够感知的给定目标的亮度差异。
首先确定针对黑色和白色亮度的包括环境的影响的JND值
JNDmjn= ("I. (Tc/ 0) +Ia'Pa) .1=>腳
及
励鹏=(Lbl. (Tlc/=(2n-')) +Ia-Pa) .fL =>JND 其中P，此输入数据描述值0至2(I^
然后能够在JNDmin和JNDmax之间针对2"个P值确定所需的亮度传递函
数
对于此实例，背光亮度Lw固定，使得
(Lbl. (Tlcdp=(255))) =500 cd/m2 描绘值的范围为0至255并且显示器数据在3Dmax/Pmax以上的位深的范 围为0至765。
通过从765个值中选择255个值来校正显示器。
为了实施自动亮度校正，Ia&Lbl是应当被连续地监控的变量。显示器 LUT应当连续地更新，确保当环境照度变化时，显示器被连续地校准。
利用LCD显示器，如果限制背光亮度的话，存在潜在的寿命好处。利 用非常高光亮的显示器(可以高达1500 cd/m2)，计算需要多少光来保持最 佳性能是有趣的。可能会具有太多的光吗？
假定我们使用LCD的所有可利用的输入数据范围。不考虑背光亮度， 按亮度的对比率(contrastratio)恒定。这不是CRT的情况，对于CRT,黑 色水平设置对对比率具有大的影响。
但是由于DICOM曲线的精确形状，针对给定对比率的可供利用的JND
的数量不恒定。
曲线7示出了针对具有500: 1的固定对比率和归因于lcd/m2Wla 的反射的亮度的LCD的状况，假定针对DICOM灰度函数校正显示并且假 定这是如上述的连续地校正的。
这里，将每位的JND的数量对白亮度绘图，假定8位的位深(bitdepth)。
考虑下述
在Lw=500 cd/m2， JND/位的数量减小到2.1 ，记住我们刚以4的因子 提高了照度，这事实上不可怕。
我们必须考虑的另一个约束是黑色水平必须总是高于反射的环境数个 JND，以使得能够看见第一灰色水平。那么，那必须多亮呢？
归因于环境照度从显示器反射的亮度是4cd/n^的情况。如果将这转换 为JND尺度，这将是JND数量146。为使在反射的环境影响JND 147 = 4.06cd/m2以上看见黑色水平，需要至少1 JND。
即使利用200cd/r^的白色水平，LCD (CR=500)也将具有二0.4cd/m2。 在此水平，人们将清楚地看见黑色水平。实际上，如果我们具有黑暗的房 间〈30LUX并且假定Lw二500cd/m2的亮度，则反射的环境和"之间的间隙 将是约50JND，这大得足够产生抱怨，因为尤其在传统地具有大的"黑色" 背景区域的模态图像上，此黑色背景水平经常被感知为太亮。
所以，利用LCD显示器，通常会基于所需的对黑色水平以上的JND的 数量来选择控制Lw (白色亮度)。可能不必控制黑色水平，除非LCD开始 制造为>1000:1的对比率。控制白色亮度似乎也不是必须的，除非显示器能 够生成许多光。
注意，相反，CRT的对比率不固定。考虑对于CRT伽玛函数的通常公
式
L=(ko+kgD)7
在此公式中，k。本质上描绘"光亮"控制，而kg与对比度控制相关， 而D描绘数据输入。如果需要最大对比度，则必须设置ko的值，使得黑色 水平设置为在归因于环境照度(La)的反射的亮度以上刚好可见。
图8的曲线图示出了调整黑色水平和对比率之间的关系，假定增益因 子kg保持恒定。应当以最低可能的值k。使用CRT。因此应当控制CRT显 示器，使得黑色水平保持在La以上固定的JND数量处。仅应当控制增益以
促进一起使用的多于一个的监控器的亮度的匹配。
使得能够实施自动补偿的基本需求是工作中调整显示器的査找表格的
能力。显示系统还必须有从控制数据连续地重计算LUT的能力。
显示器LUT能够位于主机中或显示器中。但是为了避免量子化误差， 必须避免位深瓶颈。
参照附图的图9，其示意性地示例自包含LCD的实施。
在此情况下，监控器10是自包含自校准的DICOM兼容的系统，独立 于主机20运行。位深的瓶颈是图像数据到监控器10的过渡(transition)。 所有的处理200包含在监控器10中。
这样，来自主机20的数字视频输入信号由接收器12接收并且然后经 由査找表格(LUT) 14馈入LCD面板16。来自LCD面板的背光亮度18 和对环境光传感器22的照度测量馈入处理器200，其附加地使用面板透射 率校准数据24执行期望的ABC调整。
参照附图的图IO，示出了主机受控的LCD实施。
主机20中的图像处理模块30馈入图像数据到LUT 14 (也在主机20 中)并且来自那里的子像素数据32馈入到监控器10。主机20中设置有ABC 处理模块200a，在ABC处理模块200a和监控器10中的处理器200之间设 置有串联集线器36。再次，处理器200使用背光亮度18、从环境光传感器 22的照度测量和面板透射率校准数据24，以生成控制信号，其经由串联连 接36馈入主机20中的ABC处理模块200a以执行所需的调整。
这样，在这种情况下，子像素数据直接传输到LCD像素，没有任何LUT 动作，仅有足够的航行(sailing)以促进"启动"实践。所有的显示控制将 经由串联连接在主机20内完成。处理仅必须提供控制数据，诸如背光亮度 和校准数据。校准数据是面板相关的，所以应当与面板一起存储。
利用图10中示例的系统，利用供给显示器的模拟视频，模拟的(CRT) 实施是可能的。
应当注意，上述实施例示例而不是限制本发明，并且本领域技术人员 能够不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围设计许多替代实施例。在 权利要求中，置于括号中的任何参考标记不应视为限制权利要求。词语"包 括"等不排斥任何权利要求或说明书整体中所列的那些以外的元件或步骤
的出现。元件的单数引用不排斥该元件的复数引用，并且反之亦然。本发 明可以通过包括数个区别的元件的硬件，和通过合适地编程的计算机实施。 在列举数个构件的设备权利要求中，数个这些构件可以由硬件的相同项来 实施。某些措施在相互不同的从属权利要求中被详述的纯粹的事实不表示 不能有益地使用这些措施的组合。
权利要求
1、一种装置，用于感测落在显示器上的环境光(112)的照度，所述装置包括光敏感设备(100)，其位于所述显示器后，用于接收落在所述显示器上的光并生成表示该光的电信号；及漫射体(110)，其位于所述环境光的源(112)和所述光敏感设备(100)之间。
2、 根据权利要求1所述的装置，布置并配置成基本符合余弦效应，由此所述显示器上的照度随入射其上的光的角度的余弦变化。
3、 根据权利要求1所述的装置，其中，所述漫射体(110)安装在基 本平面的结构(103)中，所述光敏感设备(100)位于所述基本平面的结 构后。
4、 根据权利要求3所述的装置，其中，所述漫射体(110)安装成相 对所述平面的结构(103)的表面高出(距离为5)。
5、 根据权利要求4所述的装置， 以相对其的高度S设置基本环形的环。
6、 根据权利要求3所述的装置， 平面的结构(103)的表面基本齐平。
7、 根据权利要求1所述的装置， 明管状结构内。
8、 根据权利要求1所述的装置， 相对于所述显示器的视区的中心处。其中，围绕所述光敏感设备(100) 其中，所述漫射体(110)相对所述 其中，所述漫射体(110)位于不透 其中，所述漫射体(110)通常位于
9、 一种用于关于显示器进行自动照度控制的系统，所述显示器用于显示包括多个描绘像素灰度水平的值的图像，所述系统包括根据权利要求l 所述的用于生成表示落在所述显示器上的环境光(112)的照度的电信号的 装置，及用于调整所述显示器的灰度传递函数以便保持目标灰度传递函数的校准的控制模块(200a、 200)。
10、 根据权利要求9所述的系统，其中，所述灰度传递函数是基本连 续地调整的。
11、 根据权利要求9所述的系统，包括用于接收限定所述多个值的数 字视频输入信号的构件，并且通过调整一个或多个背光亮度和数字显示器 的査找表格(LUT)来调整所述灰度传递函数。
12、 一种显示设备，包括显示屏幕和根据权利要求9所述的系统。
13、 根据权利要求12所述的显示设备，包括液晶显示(LCD)设备。
14、 一种图像处理器，用于与用于显示包括多个描绘像素灰度值的值 的图像的显示屏幕一起使用，所述图像处理器(200)布置并配置成从根据 权利要求1所述的装置接收表示落在所述显示屏幕上的环境光(112)的照 度的电信号，并且还包括控制模块，用于调整所述显示屏幕的灰度传递函 数以便保持目标灰度传递函数的校准。
全文摘要
一种传感器，用于连续地测量落在显示器上的环境光(112)的照度。所述传感器包括光敏感设备(100)和漫射体(110)，并且符合合理地接近余弦效应。提出的传感器如同照度计那样操作并且提供照度测量，用于连续地调整显示器的灰度传递函数以保持将其校准到目标传递函数并由此补偿上述照度。
文档编号G09G3/36GK101341527SQ200680047842
公开日2009年1月7日 申请日期2006年12月13日 优先权日2005年12月22日
发明者R·C·佩林 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司