一种基于四场时序液晶显示器的色彩显示方法与流程

本发明属于显示色彩显示领域，具体的是一种基于四场(240Hz刷新率)时序液晶显示器(Field-Sequential Color LCD)的色彩显示方法。

背景技术：

液晶显示(LCD)技术近年来飞速发展，人们对于液晶显示器的要求也越来越高。低功耗，高分辨率的液晶显示器需求应运而生。液晶显示器混色的方法主要有两种：空间混色和时序混色。空间混色是以红绿蓝三基色单元为一个像素点，进行空间上的混色；而时序混色是利用人的视觉暂留特性，通过提高LED的刷新率，使得LED在一帧时间内显示红绿蓝三场画面，这样可实现时间上的混色。相比利用空间混色的传统液晶显示器，时序混色技术不需要滤色片，这样不仅可以提高3倍以上功效，而且还可以将显示器的分辨率扩大三倍，同时减小模组材料成本。该技术的局限性就是刷新率难以提高，但随着液晶材料响应速度的加快和TFT-LCD技术的成熟，提高刷新率不再成为时序混色技术的瓶颈。

然而，由于人眼在观看过程中的扫视、平滑追踪等现象，当被观看物体与眼球存在相对速度时，时序混色显示器多场内容。往往不能在视网膜上完全重合，即形成色分离现象(Color Breakup)。该现象会引起物体轮廓出现不规律的彩色线条，严重影响了时序混色显示器的显示效果。一般通过提高显示器刷新率并增加额外的基色场可以缓解色分离问题，因此本发明提出用四场时序混色代替三场时序混色的技术，这样可以更好地解决色分离的问题。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于四场时序液晶显示器的色彩显示方法，减小了色分离现象，提高了显示器画质。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于四场时序液晶显示器的色彩显示方法，包括以下步骤：

步骤1，根据液晶显示器背光分区方式，将原始图像对应分割为M×N个子区域；

步骤2，对每一个子区域内的各个像素的色坐标点进行计算与统计；

步骤3，区域基色去饱和化；在原始基色三角形内搜索合适的三个新基色用于子区域的4场时序背光；所选的4个新基色的基本要求是其在色度图上构成的四边形能完全覆盖子区域中的每一个色坐标值；

新基色通过背光原始红绿蓝LED颗粒产生，其三种颗粒驱动信号值可由下式计算：

其中，(d_R,j,d_G,j,d_B,j)表示新基色第j个色坐标P_j的RGB三个通道的背光驱动值；X_r，Y_r，Z_r，X_g，Y_g，Z_g，X_b，Y_b，Z_b为显示器原始背光红绿蓝基色的三刺激值；分别为新基色P_j的色坐标，j＝1,2,3,4；

得到的新基色的背光驱动值(d_R,j,d_G,j,d_B,j)以最大值做归一化，可以得到该新基色所能达到的最大亮度，结合local dimming原理，实际该子区域新基色驱动值需要乘以dimming系数，公式如下：

其中，GL_i表示第i个像素点的像素灰阶值,n表示子区域内像素点总数；

步骤4，液晶驱动信号计算；通过步骤3处理得到4场各自的背光驱动值，以复现原始图像内容为目标计算液晶驱动信号值；

以各个像素点原始输入信号为目标，四场液晶驱动信号LC₁，LC₂，LC₃，LC₄满足下式：

其中，为新基色第j个色坐标P_j在显示器原始背光红绿蓝基色的三刺激值，j＝1,2,3,4，C_new表示新基色的色彩转换矩阵，列向量包含的分量X，Y，Z为各个像素的三刺激值；

将上式进行优化，即可得到子场间液晶驱动分布的液晶驱动信号值。

所述步骤2中色坐标点进行计算的方法：

设某像素点p灰阶值为(GL_r,GL_g,GL_b)，则该像素在1931CIE-XYZ计色系统下色坐标点(x_p,y_p)计算公式入下：

其中，为液晶显示器伽马值，C为色彩转换矩阵，列向量包含的分量X，Y，Z为各个像素点根据其灰阶组合计算的三刺激值；

色彩转换矩阵C由显示器原始背光红绿蓝基色的三刺激值构成，显示器原始背光红绿蓝基色的三刺激值可通过亮度计测量并计算得到，

其中的元素分量X_r，Y_r，Z_r，X_g，Y_g，Z_g，X_b，Y_b，Z_b为显示器原始背光红绿蓝基色的三刺激值。

所述步骤3中新基色选取方法：

定义显示器原始三基色在1931CIE-XYZ计色系统下构成的三角形BGR中，RB色坐标点连线的斜率为k_megenta，BG色坐标点连线的斜率为k_cyan，GR色坐标点连线的斜率为k_yellow，将BG，GR两条边各自平行向三角形中心移动，BR分别从G和原始位置向三角形中心移动，直至4条边各自第一次与子区域色坐标分布中的点相交，停止移动，所构成的梯形的4个顶点P₁，P₂，P₃，P₄即为符合要求的一组新基色；

构造等价数学模型，在子区域像素色坐标分布中选取斜率分别满足k_megenta，k_cyan，k_yellow的平移直线方程簇极值处的值作为新基色梯形4条边的直线方程表达式，计算4条线交点为新基色坐标值；

其中，n表示子区域内像素点总数，(x_i,y_i)表示子区域内像素点色坐标；分别为新基色P₁，P₂，P₃，P₄的色坐标。

所述子场间液晶驱动分布的液晶驱动信号值的优化方法如下：以LC₄为未知数，其余场的液晶驱动值全部用LC₄表示，如下式：

k＝X₁(Y₂Z₃-Y₃Z₂)-Y₁(X₂Z₃-X₃Z₂)

+Z₁(X₂Y₃-X₃Y₂)

由于液晶驱动表征了液晶的透过率，所以LC₁，LC₂，LC₃，LC₄均处于区间[0,1]内，将上式代入区间，可求得LC₄的范围，记为[LC_4min,LC_4max]；利用方差公式，记S为四场液晶驱动方差，公式如下：

LC_ave＝(LC₁+LC₂+LC₃+LC₄)/4

S＝(LC₁-LC_ave)²+(LC₂-LC_ave)²

+(LC₃-LC_ave)²+(LC₄-LC_ave)²

将上面各个子场的表达式代入四场液晶驱动方差表达式的方差计算中，最终转化为一个关于未知数LC₄在区间[LC_4min,LC_4max]上二次函数最小值的问题，利用二次函数抛物线特性求解，可得满足方差S最小时四场液晶驱动信号LC₁，LC₂，LC₃，LC₄的解。

时序混色液晶显示器的刷新率至少为240Hz，具有直下式分区背光单元；其中，背光分区有M×N个，每个背光分区内的LED颗粒包含至少红绿蓝3种基色并可调。

有益效果：本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明在240Hz刷新率驱动的液晶面板条件下，充分利用背光区域调制，通过对每一块背光分区内所包含的色彩范围进行基色去饱和化(Local Primary Desaturation)处理，放弃原有红绿蓝背光基色，根据区域色彩分布重新计算4场基色色坐标并尽量缩小新基色四边形的尺寸，使得构成一帧的相邻4子场图像色差减小，有效抑制了传统红绿蓝基色时序液晶显示器的色分离现象(Color Breakup)，提高了时序液晶显示器的图像质量并降低了液晶显示器的整机功耗。

附图说明

图1为液晶显示器直下式分区背光单元示意图；

图2为图像分割示意图；

图3为某子区域内像素点色坐标分布示意图，其中图3a为子区域内容及所在位置；图3b为色坐标分布(三角形为基色坐标)；

图4为区域基色去饱和化算法示意图，其中图4a为显示器原始三基色在1931CIE-XYZ计色系统下构成的三角形示意图；图4b为搜索到符合要求的一组新基色示意图；

图5为全局整体图像三场背光驱动示意图；

图6为实际背光光强的分布示意图；

图7为3场液晶驱动值示意图；

图8为示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种基于四场时序液晶显示器的色彩显示方法，通过对每一块局部背光区域所包含的色彩范围进行基色去饱和化(Local Primary Desaturation)处理，在保证原始图像色彩完全复现的前提下，合理搜索色差最小的4场基色进行混色，有效抑制了传统红绿蓝基色时序液晶显示器的色分离现象(Color Breakup)，提高了时序液晶显示器的图像质量，同时由于基色去饱和化过程充分利用了液晶显示器分区背光，在收缩基色范围的同时实现了区域背光调节(Local Dimming)，有效的降低了液晶显示器的整机功耗，具体包括以下步骤：

一、时序混色显示器配置

如图1所示，本实施例对时序混色液晶显示器的基本要求为：刷新率240Hz，直下式分区背光单元。设一共分为M×N个背光分区，每个区域内的LED颗粒包含至少红绿蓝3种基色并可调。

二、区域基色去饱和化

由于背光区域调制的特性，本实施例中基色去饱和化处理是针对每块分区进行的，如图8所示，具体流程如下：

1.图像分割

根据液晶显示器背光分区方式，将原始图像对应分割为M×N个子区域，如图2所示。

2.子区域图像统计

对每一个子区域内的各个像素的色坐标点进行计算与统计。

设某像素点p灰阶值为(GL_r,GL_g,GL_b)，则该像素在1931CIE-XYZ计色系统下色坐标点(x_p,y_p)计算公式入下：

式(1)中，为液晶显示器伽马值，C为色彩转换矩阵，列向量包含的分量X，Y，Z为各个像素点根据其灰阶组合计算的三刺激值；

色彩转换矩阵C由显示器原始背光红绿蓝基色的三刺激值构成，显示器原始背光红绿蓝基色的三刺激值可通过亮度计测量并计算得到。

其中的元素分量X_r，Y_r，Z_r，X_g，Y_g，Z_g，X_b，Y_b，Z_b为显示器原始背光红绿蓝基色的三刺激值。

统计子区域内所有像素点色坐标，其分布如图3所示。

步骤3，区域基色去饱和化；

从步骤2所统计的色坐标分布可以看出，在一个子区域内像素色坐标的分布往往非常集中。本实施例在原始基色三角形内搜索合适的三个新基色用于子区域的4场时序背光。由于新基色均处于原有基色三角形内部，色差相对减少，对时序液晶显示器的色分离现象有明显的抑制作用。为了正确复现子区域中所有像素点的内容，所选的4个新基色的基本要求是其在色度图上构成的四边形能完全覆盖子区域中的每一个色坐标值。符合要求一组新基色选取方法不唯一，但均属区域基色去饱和化的方法，属于权利要求范围内。下面提出一种方案为例；

定义显示器原始三基色在1931CIE-XYZ计色系统下构成的三角形BGR中，RB(红蓝)色坐标点连线的斜率为k_megenta，BG(蓝绿)色坐标点连线的斜率为k_cyan，GR(绿红)色坐标点连线的斜率为k_yellow，如图4(a)所示。将BG，GR两条边各自平行向三角形中心移动，BR分别从G和原始位置向三角形中心移动，直至4条边各自第一次与子区域色坐标分布中的点相交，停止移动，所构成的梯形的4个顶点P₁，P₂，P₃，P₄即为符合要求的一组新基色；如图4(b)。该梯形的腰分别平行于原始基色三角形边BG，GR，上下底均平行于边BR。

构造等价数学模型，在即为子区域像素色坐标分布中选取斜率分别满足k_megenta，k_cyan，k_yellow的平移直线方程簇极值处的值作为新基色梯形4条边的直线方程表达式，计算4条线交点为新基色坐标值，具体公式如下：

其中，n表示子区域内像素点总数，(x_i,y_i)表示子区域内像素点色坐标；分别为新基色P₁，P₂，P₃，P₄的色坐标。

新基色通过背光原始红绿蓝LED颗粒产生，其三种颗粒驱动信号值可由下式计算：

其中，(d_R,j,d_G,j,d_B,j)表示新基色第j个色坐标P_j的RGB三个通道的背光驱动值；X_r，Y_r，Z_r，X_g，Y_g，Z_g，X_b，Y_b，Z_b为显示器原始背光红绿蓝基色的三刺激值；分别为新基色P_j的色坐标，j＝1,2,3,4；

式(4)中得到的新基色的背光驱动值(d_R,j,d_G,j,d_B,j)以最大值做归一化，可以得到该新基色所能达到的最大亮度，结合local dimming原理，实际该子区域新基色驱动值需要乘以dimming系数，公式如下：

其中，GL_i表示第i个像素点的像素灰阶值,n表示子区域内像素点总数。

通过步骤3得到各个子区域的4场背光驱动，最终可合成为全局整体图像的4场背光驱动，如图5。从图中可见，由于使用了去饱和化处理，相较于传统红绿蓝时序的混色方式，本发明所提出的方案使得4场之间背光的色差很小，有效减轻了色分离现象。

4.液晶驱动信号计算

通过步骤3处理得到4场各自的背光驱动值，以复现原始图像内容为目标计算液晶驱动信号值；由于液晶电视中匀光膜、扩散膜等器件的作用，背光光强的实际分布无法直接使用图5中的背光驱动值，而是需要先将背光驱动值与液晶面板实际的点扩散函数卷积而成，结果如图6。

以各个像素点原始输入信号为目标，结合式(1)，四场液晶驱动信号LC₁，LC₂，LC₃，LC₄满足下式：

其中，为新基色第j个色坐标P_j在显示器原始背光红绿蓝基色的三刺激值，j＝1,2,3,4，C_new表示新基色的色彩转换矩阵，列向量包含的分量X，Y，Z为各个像素的三刺激值，与式(1)中含义相同。4场液晶驱动为4个未知数，在式(6)中仅包含3个等式条件，为不定方程。理论上式(6)存在的解不唯一。将上式进行优化，即可得到子场间液晶驱动分布的液晶驱动信号值。

考虑到240Hz的高帧频对液晶响应速度带来巨大的要求，在计算4场液晶驱动时，应该尽避免子场之间的液晶驱动值产生剧烈变化。

本实施例提出一种子场间液晶驱动分布的液晶驱动信号值的优化方法如下：

变换式(6)，以LC₄为未知数，其余场的液晶驱动值全部用LC₄表示，如下式：

k＝X₁(Y₂Z₃-Y₃Z₂)-Y₁(X₂Z₃-X₃Z₂)

+Z₁(X₂Y₃-X₃Y₂)

由于液晶驱动表征了液晶的透过率，所以LC₁，LC₂，LC₃，LC₄均处于区间[0,1]内，将式(7)代入区间，可求得LC₄的范围，记为[LC_4min,LC_4max]；为了保证子场间液晶驱动值分布均匀，利用方差公式，记S为四场液晶驱动方差，公式如下：

将上面式(7)各个子场的表达式代入式(8)四场液晶驱动方差表达式的方差计算中，最终转化为一个关于未知数LC₄在区间[LC_4min,LC_4max]上二次函数最小值的问题，利用二次函数抛物线特性求解，可得满足方差S最小时四场液晶驱动信号LC₁，LC₂，LC₃，LC₄的解。最终4场的液晶驱动值如图7。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。