专利名称：利用自相关函数的动态对比度控制装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种图像控制装置，具体地说是利用自相关函数的动态对比度控制装置及其方法。
背景技术：
用户收看图像显示装置的环境随着所收看的图像而变化，因此为了欣赏到最佳图像，需要按照这种发生变化的环境变更构成针对色温、色浓度、颜色、清晰度、亮度、明暗等的画质的针对各状态的画质设定信息。但是收看的环境每次发生变化用户就需要对画质设定信息进行变更，这是非常麻烦的。
画质设定信息中，表现图像的最亮的部分和最暗的部分的差异的就是对比度。人类所能感知的清晰度依存于表现同一画面的暗的领域时亮的部分保持多少亮度，因此图像显示装置根据图像状态自动调整对比度。这种功能称之为动态对比度(Dynamic Contrast Ratio)控制或适应性加强(Adaptive IntensifyAI)。
图1为基于传统技术的用于控制动态对比度的图像显示装置的构成图。基于传统技术的用于控制动态对比度的图像显示装置，参照图1可以看出，它由如下部分构成，即将图像信号的大小转换成适合显示在显示装置的大小的图像信号后输出的脉冲计数器110；对于图像信号补偿针对人眼睛的亮度识别度的非线性后输出的伽玛补正部120；计算图像的平均亮度值后输出的平均计算部140；输出与输入信号相对应的脉宽经调制的信号的PWM转换部150；以及输出具有与输入信号同步的电压和频率的信号的反相器160；输出与反相器的输出相对应的亮度的光的投影灯170；用于显示图像的LCD板130。
现在就具有上述结构的基于传统技术的用于控制动态对比度的图像显示装置的动作进行说明。
上述脉冲计数器110将所输入的图像信号转换成适合显示在显示装置的大小的图像信号后进行输出。
上述平均计算部140接收上述脉冲计数器110的输出图像信号后，对图像的像素，按照各块检测亮度，计算其平均亮度值后将计算结果以直流电压值(DC)输出。
上述PWM转换部150接收上述平均计算部140的输出后输出按照输出级别调制脉宽的信号PWM。
上述伽玛补正部120接收上述平均计算部140的输出图像信号和上述平均计算部140的输出电压后，将对图像信号补偿针对人眼睛的亮度识别度的非线性的图像数据输出到LCD板130。
上述反相器160生成具有与上述PWM转换部150输出的PWM输入同步的电压和频率的输出后向投影灯170输出。
LCD板130通过输出上述伽玛补正部120的经过补正的图像和输出与上述反相器160的输出级别相对应的亮度的图像，主动调整最终显示的图像的亮度。
上述动态对比度控制，即AI是一种分析输入图像的亮度信息后通过投影灯调制和数据伸展值(Data Stretch)动态地提高C/R的技术。上述AI作为为提高薄膜晶体管液晶显示屏(TFT-LCD)电视机的对比度而发明的技术，其功能是计算当前图像的数码信号的直方图(Histogram)，算出图像的亮度信息后，通过其信息调整驱动TFT-LCD的反相器的投影灯的亮度。
通过这种一系列的过程，亮度(luminance)高的图像中提供亮的光学照明，亮度低的图像信号中提供暗的光学照明，因而提高适应性的C/R向上的技术。这是在利用投影灯的光的投射型元件的TFT-LCD中，在由于生成在LCD的图像而产生的效果上追加调整光的亮度，因此，尤其在暗的画面中可以体现有效的图像。
上述AI功能在画面的场面变化不多，照明变化的比率低的图像中可通过慢慢调整投影灯的光向用户提供性能自然得到提升的图像，但在图像的变化率高的情况下，可导致不自然的结果。
这种缺点尤其在用于AI处理的直方图计算块及在处理过程中产生的延迟时间更成为问题。即，照明变化明显发生的频率高的图像时，照明变化之后，产生迟来的投影灯的亮度突然发生变化的问题。
因此，只通过用以积分技法为基础的直方图分析图像的亮度信息后计算图像整个的亮度信息的过程实现AI功能，反映了由实现过程中产生的问题引起的性能的界限。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种单纯地与当前图像的亮度信息一起反映针对在类似场面只发生急剧的照明变化，完整的场面的转换始点，图像的逐步变化等图像状态等的追加信息后实现适应性图像加强的利用自相关函数的动态对比度控制装置及其方法。
本发明的第二个目的还在于提供一种当急剧的照明变化频繁时，防止不自然的投影灯发生变化；在完整的场面的转换始点上，则为提高投影灯变化的可信度而将等待的时间降至最短，从而实现即时调整投影灯；而当图像逐步变化时，则可以立足于原有的处理过程实现适应性图像加强的利用自相关函数的动态对比度控制装置及其方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是利用自相关函数的动态对比度控制装置具有如下特征。即，它包括如下部分对于脉冲计数器输出的图像信号，补偿针对人眼睛的亮度识别度的非线性后输出的伽玛补正部；计算上述脉冲计数器输出图像的平均亮度值后输出的平均计算部；输出与上述平均计算部的输出信号相对应的脉宽经调制的信号的PWM转换部；分析上述脉冲计数器输出的图像帧前后的变化状态后输出的图像帧变更状态检测部；根据上述图像帧变更状态检测部的输出调整与上述PWM转换部的输出同步的频率的电压后输出的反相器；及将与上述反相器的输出相对应的亮度的光输出到LCD板的投影灯。
为实现上述目的的基于本发明的另外一个侧面的利用自相关函数的动态对比度控制方法的特征是，同时利用当前图像的亮度信息和发生变化的前后图像的特性信息来执行适应性图像加强。
还有一个特征是，上述发生变化的前后图像的特性信息包括在类似场面只有急剧的照明变化的图像状态和完整的场面的转换始点的图像状态及图像逐步的变化状态信息等。
为实现上述目的的基于本发明的利用自相关函数的动态对比度控制方法具有如下特征。即，它包括如下阶段比较图像帧之间亮度成分的直方图差异和自动相关系数后判断是否为场面转换状态的第一个判断阶段；上述判断结果，如果不是场面转换，则利用连续的帧之间的熵差异，判断是否为循序渐进的场面变化状态的第二个判断阶段；上述判断结果，如果不是循序渐进的场面变化，则利用直方图变化量的差异判断是否为急剧的照明变化状态的第三个判断阶段；以及根据依据上述判断结果的各图像状态，对控制投影灯的输出的反相器的输出方式进行控制的阶段。
还有一个特征是，在上述第三个判断阶段，如果不是急剧的照明变化状态，则判断为一般活动图像画面，因而适用一般的动态对比度控制方式。
值得一提的特征是，如果判断是场面转换，则对当前直方图值即刻生成VBR输出，在反相器电路上适用即时变更的投影灯驱动电压。
值得一提的特征是，如果判断是循序渐进的场面变化状态，则按照AI可信度保障算法启动电路，并将VBR输出的应答速度设定为慢速。
值得一提的特征是，如果判断是急剧的照明变化持续的状态，则为使逐渐改变有关动态对比度控制功能的VBR输出级别而将插值应答系数设定为最大。
依据具有上述结构的基于本发明的利用自相关函数的动态对比度控制装置及其方法，由于将投影灯的亮度调整速度和应答时间按照当前图像，适应性地处理，因此可以有效地实现AI功能。由于性能据此提升的AI功能得以实现，因此可以得到动态对比度提高的优点的同时还可以得到自然的图像处理的效果。
本发明具有以下有益效果及优点1.依据基于本发明的利用自相关函数的动态对比度控制装置及其方法，通过将投影灯的亮度调整速度和应答时间按照当前图像进行适应性地处理，因此可以实现有效的AI功能。
2.由于据此性能得到提升的AI功能得以实现，因此得到动态对比度提高的优点，并具有可以得到自然的图像处理效果的优点。
图1为基于传统技术的用于控制动态对比度的图像显示装置的结构图；图2为用于说明基于本发明的利用自相关函数的动态对比度控制装置的结构图；图3为图示在基于本发明的利用自相关函数的动态对比度控制方法中，检测发生变化的前后图像的特性信息的过程的流程图。
其中110为脉冲计数器；120为伽玛补正部；130为LCD板；140为平均计算部；150为PWM转换部；160为反相器；170为投影灯；200为图像帧变更状态检测部。
具体实施例方式
下面，就基于本发明的利用自相关函数的动态对比度控制装置及其方法，列举实施例参照附图详细说明。
图2为用于说明基于本发明的利用自相关函数的动态对比度控制装置的附图，图3为图示基于本发明的利用自相关函数的动态对比度控制方法中，检测发生变化的前后图像的特性信息的过程的流程图。
参照图2可以看出，基于本发明的利用自相关函数的动态对比度控制装置由如下部分构成，即对于脉冲计数器110输出的图像信号，补偿针对人眼睛的亮度识别度的非线性后输出的伽玛补正部120；计算上述脉冲计数器110输出图像的平均亮度值后输出的平均计算部140；输出与上述平均计算部140的输出信号相对应的、脉宽经过调制的信号的PWM转换部150；分析上述脉冲计数器110输出的图像帧的前后变化状态后输出的图像帧变更状态检测部200；将与上述PWM转换部的输出同步的频率的电压按照上述图像帧变更状态检测部200的输出进行调整后输出的反相器160；以及将与上述反相器160的输出相对应的亮度的光输出到LCD板的投影灯170。
上述脉冲计数器110将所输入的数码图像信号的大小转换成适合显示在显示装置LCD板130的大小的图像信号后输出，上述用作显示装置的LCD板130只是一个事例，也可以使用等离子显示板PDP等其他图像显示装置。
上述平均计算部140将上述脉冲计数器110的输出图像帧按照划分成局部领域的各块进行搜索后，检测针对图像帧的平均亮度值后输出用于调整图像亮度的信号。
上述PWM转换部150接收上述平均计算部140的输出后输出按照输入级别脉宽经过调制的信号PWM。
上述伽玛补正部120接收上述平均计算部140的输出后，将对于上述脉冲计数器110输出的图像信号补偿针对人眼睛的亮度识别度的非线性的图像数据输出到LCD板130。
上述图像帧变更状态检测部200分析上述脉冲计数器110输出的图像信号的帧前后的变化状态后，输出根据图像帧变化状态控制反相器的输出的信号。
上述反相器160将与上述PWM转换部150的输出相对应的固定频率的电压按照上述图像帧变更状态检测部200的控制输出后调整LCD板130的亮度，因此最终输出图像适应图像帧变化状态实现图像加强，因而可输出自然状态的画面。
在上述基于本发明的利用自相关函数的动态对比度控制装置中，就适用基于本发明的利用自相关函数的动态对比度控制方法的实施事例参照图3进行说明。
如图3所示，当图像显示装置开始工作时，为执行基于本发明的利用自相关函数的动态对比度控制方法，首先，比较图像帧之间亮度成分的直方图差异和自动相关系数后，判断是否为场面转换状态。
为此，R、G、B格式的图像信号转换成YCbCr格式的图像信号(S311)。接着，从转换成YCbCr格式的图像信号中比较亮度Y成分的直方图后(S312)，得到自相关值(Autocorrelation)(S313)，之后，将当前直方图的差(TAC)和Ac(Autocorrelation)进行比较(S314)。
对作为反映某个时间的信号值和其他时间的信号值的相关性的自相关函数适用窗口(window)计算自相关值。对于计算针对图像帧的自相关值的方法，一般来说，广为人知，因此省略对此的详细说明。
如上所述，本发明为利用直方图的差值判断是否为场面转换而利用自相关值。图像没有变化时，直方图的差几乎没有变化。即，当同一个场面(Scene)时，前后图像帧的图像的直方图没有变化。这时计算出的自相关的值与当前直方图差比较起来差不多少。
但是，图像突然发生变化时，比较计算出的自相关的值与当前直方图差，其值变化很大。另外，当原来黑色图像逐渐变亮，图像随之变得清晰时观察直方图差时，先增加至很高，然后再慢慢下降。
同样，如果图像像缩/放(zoom in/out)一样发生变化，直方图差则逐渐增加。此时的自相关值也一样增加。比较其两个值，差异不大，因此可以区分zoom in/out和场面转换。
上述比较结果(S315)，如果TAC比Ac大，则判断为场面转换状态(S320)。这样，当判断是场面转换时，对于当前直方图值即刻生成VBR(VariableBitrate动态比特率)输出后，在反相器电路适用即时变更的投影灯驱动电压。
但是上述比较结果(S315)，如果整个TAC不比Ac大，即，不是场面转换状态，则利用连续的帧之间的熵差异判断是否为循序渐进的场面变化状态。
为此，首先分析图像的熵(S331)。对于计算图像的熵的方法，一般来说，广为人知，因此省略对此的详细说明。
如果按照通常的方式计算图像的熵，则为计算当前图像的复杂性，相互比较当前熵值和以前熵值(S332)。
在活动图像中，测定连续的两个帧之间的熵差异后判断帧差异(S333)。发生急剧的照明变化时，彩色直方图的分布具有大的差异。但是即使物体或背景、或图像整个的亮度发生变化，其图像的复杂度没有大的变化，因此熵值变化不大。因此使用连续的两个帧之间的熵差异可以区分照明变化引起的图像的变化和场面转换。
但是，虽然对于急剧的照明变化可以区别，但是对于像fade那样逐渐变暗或逐渐变亮的画面则不能与场面转换进行辨别。因此当熵的变化量Dtotal超过临界值时，是场面转换的始点或fade，对于急剧的照明变化不予以确认。
即，上述比较结果(S333)，如果整个熵变化量(TDE)比熵变化量(DE)大，则判断为循序渐进的场面变化(Fade/Zoom)状态(S340)。
这样，如果判断是循序渐进的场面变化(Fade/Zoom)状态，即Fade in/out或Zoom in/out状态，则按照AI可信度保障算法启动电路，并将VBR输出的应答速度设定成慢速，再根据情况设定成与Fade/Zoom速度成反比例。
但是，上述比较结果(S333)，如果不是循序渐进的场面变化，即TDE不比DE大，则利用直方图变化量的差异判断是否为急剧的照明变化状态。为此，运算直方图变化量(S351)。
运算结果，将计算出的直方图变化量(DH)与整个直方图变化量(TDH)进行比较的结果(S352)，如果直方图变化量(DH)比整个直方图变化量(TDH)大，则判断为急剧的照明变化(S360)。
当急剧的照明变化持续时，保留投影灯的驱动电压变更来防止不自然的AI动作。这时，为使动态对比度控制(AI)功能的VBR输出级别逐渐发生变化，将插值应答系数设定为最大。
但是，上述比较结果(S352)，如果直方图变化量(DH)不比整个直方图变化量(TDH)大，则判断为一般活动图像(S370)。
如上所示，当一般活动图像时，其图像的直方图变化小，是只存在动作的形态，因此实现适用一般动态对比度控制方式的正常模式(normal mode)的AI功能。
这样，根据依据上述判断结果的各图像状态，对控制投影灯的输出的反相器的输出方式进行控制，从而最终输出图像适应图像帧变化状态实现图像加强，输出自然状态的画面。
以上，就基于本发明的利用自相关函数的动态对比度控制装置及其方法进行了详细说明。但是，本发明不限于上述实施例，可以通过在本发明思想内的相关领域具有通常知识的人进行各种变更。因此，在不超出本发明技术思想的基础的情况下进行的变更及修改均包含在本发明中，而这种事实对当业者将不言自明。
权利要求
1.一种利用自相关函数的动态对比度控制装置，其特征在于包括如下部分对于脉冲计数器输出的图像信号，补偿针对人眼睛的亮度识别度的非线性后输出的伽玛补正部；计算上述脉冲计数器输出图像的平均亮度值后输出的平均计算部；输出与上述平均计算部的输出信号相对应的脉宽经调制的信号的PWM转换部；分析上述脉冲计数器输出的图像帧前后的变化状态后输出的图像帧变更状态检测部；根据上述图像帧变更状态检测部的输出调整与上述PWM转换部的输出同步的频率的电压后输出的反相器；及将与上述反相器的输出相对应的亮度的光输出到LCD板的投影灯。
2.一种利用自相关函数的动态对比度控制方法，其特征在于同时利用当前图像的亮度信息和发生变化的前后图像的特性信息执行对图像的适应性加强处理。
3.按权利要求2所述的利用自相关函数的动态对比度控制方法，其特征在于上述发生变化的前后图像的特性信息包括在类似场面只有急剧的照明变化的图像状态和完整的场面的转换始点的图像状态及图像逐步的变化状态信息等。
4.按权利要求2所述的利用自相关函数的动态对比度控制方法，其特征在于上述利用自相关函数的动态对比度控制方法包括如下阶段比较图像帧之间亮度成分的直方图差异和自动相关系数后判断是否为场面转换状态的第一个判断阶段；上述判断结果，如果不是场面转换，则利用连续的帧之间的熵差异，判断是否为循序渐进的场面变化状态的第二个判断阶段；上述判断结果，如果不是循序渐进的场面变化，则利用直方图变化量的差异判断是否为急剧的照明变化状态的第三个判断阶段；以及根据依据上述判断结果的各图像状态，对控制投影灯的输出的反相器的输出方式进行控制的阶段。
5.按权利要求4所述的利用自相关函数的动态对比度控制方法，其特征在于在上述第三个判断阶段中，如果不是急剧的照明变化状态，则判断为一般活动图像画面，适用一般的动态对比度控制方式。
6.按权利要求4所述的利用自相关函数的动态对比度控制方法，其特征在于上述根据依据判断结果的各图像状态，对控制投影灯的输出的反相器的输出方式进行控制的阶段是在上述第一个判断阶段判断为场面转换时，对当前直方图值即刻生成VBR输出，在反相器电路上适用即时变更的投影灯驱动电压。
7.按权利要求4所述的利用自相关函数的动态对比度控制方法，其特征在于上述根据依据判断结果的各图像状态，对控制投影灯的输出的反相器的输出方式进行控制的阶段是，在上述第二个判断阶段判断为循序渐进的场面变化状态时，按照AI可信度保障算法启动电路，并将VBR输出的应答速度设定为慢速。
8.按权利要求4所述的利用自相关函数的动态对比度控制方法，其特征在于上述根据依据判断结果的各图像状态，对控制投影灯的输出的反相器的输出方式进行控制的阶段是在上述第三个判断阶段判断为急剧的照明变化持续的状态时，为使逐渐改变有关动态对比度控制功能的VBR输出级别而将插值应答系数设定为最大。
全文摘要
本发明公开一种利用自相关函数的动态对比度控制装置，其包括如下部分对于脉冲计数器输出的图像信号，补偿针对人眼睛的亮度识别度的非线性后输出的伽玛补正部；计算上述脉冲计数器输出图像的平均亮度值后输出的平均计算部；输出与上述平均计算部的输出信号相对应的脉宽经调制的信号的PWM转换部；分析脉冲计数器输出的图像帧前后的变化状态后输出的图像帧变更状态检测部；根据上述图像帧变更状态检测部的输出调整与上述PWM转换部的输出同步的频率的电压后输出的反相器；将与上述反相器的输出相对应的亮度的光输出到LCD板的投影灯。本发明可以实现有效的AI功能，得到动态对比度提高的优点，并具有可以得到自然的图像处理效果的优点。
文档编号H04N5/57GK1960457SQ20061015330
公开日2007年5月9日 申请日期2006年9月7日 优先权日2005年9月7日
发明者卢奎珍 申请人:乐金电子(沈阳)有限公司