液晶電視用影像處理芯片的設(shè)計(jì)

全球電視機(jī)市場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)入薄形平面化時(shí)代，雖然平面電視的顯示器液晶面板與等離子顯示器的影像顯示性能，已經(jīng)可以滿足家用電視的基本需求，不過平面電視的影像顯示方法、特性卻與傳統(tǒng)CRT不同，必需使用平面電視專用的影像處理引擎。此外隨著地表波數(shù)字電視的開播，今后家用電視面對(duì)影像數(shù)字化與多頻道化，要求平面電視必需能夠支持多樣化影像內(nèi)容，提供觀視者舒適視覺特性的影像調(diào)整功能。

因此國(guó)外液晶電視機(jī)業(yè)者紛紛透過獨(dú)自的技術(shù)，整合電視影像處理電路系統(tǒng)，開發(fā)液晶電視影像處理用單芯片LSI。基本上電視影像處理芯片主要訴求是降低平面電視常見的三次元noise reducer，實(shí)現(xiàn)順暢鮮明的影像顯示。此外動(dòng)態(tài)強(qiáng)度擴(kuò)張器（Dynamic Level Expander）的追加，除了可以實(shí)現(xiàn)高畫質(zhì)影像之外，還可以對(duì)應(yīng)影像內(nèi)容的影像處理技術(shù)，配合觀視者視覺特性獲得亮度調(diào)整效果。

上述對(duì)觀視者眼睛非常柔和的亮度控制技術(shù)，是根據(jù)實(shí)際家庭環(huán)境實(shí)態(tài)調(diào)查結(jié)果，與測(cè)試被測(cè)者對(duì)刺眼感度上限輝度調(diào)查結(jié)果，追加年輕與高齡者視覺特性差異構(gòu)成的控制Algorithm，經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)它可以有效減緩觀視者得視覺疲勞。本文要探討液晶電視用影像處理LSI的設(shè)計(jì)技術(shù)。

開發(fā)經(jīng)緯

圖1是液晶電視的影像處理用LSI方塊圖；圖2是新、舊型液晶電視影像處理基板比較。本影像處理專用LSI整合高畫質(zhì)三次元YC分離、三次元IP（Interlace Progressive）轉(zhuǎn)換，等高畫質(zhì)影像處理電路與Multi影像處理電路，再將三次元影像處理必要的內(nèi)存利用SiP技術(shù)制成單芯片，因此可以獲得電視影像處理基板小型化，大幅降低EMI、消費(fèi)電力與制作成本等多重效益。此外高畫質(zhì)影像處理電路的三次元DNR（Digital Noise Reducer）與DLE（Dynamic Level Expander）精度的提升，內(nèi)建可以檢測(cè)亮度調(diào)整上必要的影像特征等功能，可以實(shí)現(xiàn)順暢鮮明的影像顯示與柔和的亮度調(diào)整特性。

影像處理技術(shù)

1、三次元noise reducer

液晶顯示器與等離子顯示器的大畫面化的結(jié)果，造成以往小畫面不易辨識(shí)的噪訊會(huì)清楚顯示在畫面上，此外液晶顯示器與等離子顯示器具備與CRT相異的特性，則是造成噪訊變得非常明顯的原因之一，因此影像高畫質(zhì)化處理作業(yè)上消除噪訊成為重要的因素。

影像信號(hào)對(duì)時(shí)間方向具有很高的關(guān)連性，噪訊成份對(duì)時(shí)間方向的關(guān)連性卻非常低，三次元Noise Reducer（以下簡(jiǎn)稱為3D-DNR）就是利用上述特性降低噪訊成份。它是利用畫格記憶（Frame Memory）對(duì)原信號(hào)與一個(gè)畫格前的差分值乘上系數(shù)，接著從原信號(hào)減掉與時(shí)間方向無關(guān)連性的信號(hào)成份。使用一個(gè)畫格前的信號(hào)減掉噪訊的信號(hào)，除了可以構(gòu)成巡回型3D-DNR之外，還可以使噪訊降低效果變大。不過，一旦執(zhí)行上述處理，同樣會(huì)對(duì)移動(dòng)物體會(huì)實(shí)施時(shí)間方向的過濾（Filter），造成動(dòng)畫模糊、拖尾等弊害。3D-DNR可以透過特殊的圖案識(shí)別處理辨識(shí)動(dòng)態(tài)部位，不會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)部位實(shí)施時(shí)間方向的過濾。

圖3是3D-DNR的結(jié)構(gòu)，輸入的信號(hào)（A）會(huì)使已經(jīng)去除噪訊成份的輸出信號(hào)（C）減掉與畫格已經(jīng)延遲的信號(hào)獲得畫格差分信號(hào)（B），接著對(duì)畫格差分信號(hào)（B）實(shí)施振幅限制，再乘上1-K（0≦K〈1）的系數(shù)，最后再對(duì)已經(jīng)作過延遲補(bǔ)償?shù)脑盘?hào)進(jìn)行減算藉此降低噪訊。利用噪訊識(shí)別處理將辨識(shí)動(dòng)態(tài)部位與噪訊成份辨識(shí)成動(dòng)態(tài)部位時(shí)，它會(huì)使接近1，藉此防止時(shí)間方向的過濾。如圖4所示噪訊辨識(shí)電路會(huì)去除畫格差分值為任意（random）的pattern，只會(huì)對(duì)經(jīng)過整合的pattern進(jìn)行抽出動(dòng)作。

2、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度Expander

為彌補(bǔ)液晶面板的動(dòng)態(tài)范圍，必需依照影像內(nèi)容自動(dòng)控制亮度與對(duì)比，因此研究人員動(dòng)態(tài)強(qiáng)度Expander（DLE）技術(shù)。DLE可以將以往黑色場(chǎng)景（scene）黑色潰散的影像，與白色場(chǎng)景（scene）白色色潰散的影像當(dāng)作矩形圖（histogram）檢測(cè)，實(shí)時(shí)控制亮度與對(duì)比提高灰階的再現(xiàn)性（圖5）。

此外為了避免對(duì)比控制遷移狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生視覺性不協(xié)調(diào)感，因此刻意控制使它緩慢遷移具備時(shí)定數(shù)，不過面對(duì)場(chǎng)景改變的矩形圖急遽變化時(shí)，必需避免過度補(bǔ)正因此作場(chǎng)景改變的檢測(cè)，如此才能使遷移速度變快。除了矩形圖檢測(cè)之外，有關(guān)亮度與對(duì)比的控制則利用硬件方式封裝于LSI內(nèi)部，因此不需要微處理器的控制，就能夠輕易封裝在液晶電視機(jī)內(nèi)部。圖6是DLE的處理結(jié)果，由圖可知整體黑暗場(chǎng)景的對(duì)比提高，黑暗部位的灰階性也獲得大幅提升。

液晶電視的亮度控制技術(shù)
影響影像觀視度的條件，分別是：
①顯示裝置的亮度、輝度對(duì)比等光學(xué)特性；
②影像內(nèi)容與亮度；
③觀視者的視覺特性（照明環(huán)境與年齡）。
家庭模式必需考慮家庭照明環(huán)境下，高齡者與年輕人的視覺特性，依此控制液晶電視的亮度。

1、家庭的照明環(huán)境

家庭照明環(huán)境比店鋪照明環(huán)境更暗，根據(jù)電視機(jī)的觀視條件調(diào)查結(jié)果顯示：家庭的畫面照度為108lx，店鋪的畫面照度為1000lx，兩者相差接近10倍左右，因此家庭的畫質(zhì)調(diào)整必需設(shè)定成適合該亮度的環(huán)境。至于電視機(jī)的畫面輝度要求條件，必需考慮觀視者的順應(yīng)輝度。圖7是根據(jù)家庭的電視機(jī)觀視條件實(shí)態(tài)調(diào)查結(jié)果，繪制的電視畫面照度與觀視者的視野輝度關(guān)系圖。此處假設(shè)：

Ei（lx）：畫面照度
La（cd/m2）：視野的平均輝度
如此一來家庭環(huán)境下的順應(yīng)輝度環(huán)境，可以用下式表示：
La=0.1×Ei－－－－－－－－－－－－－－－（1）
利用式（1）可以從設(shè)置在畫面的照度傳感器求出背面領(lǐng)域的輝度（順應(yīng)輝度）。

2、白色強(qiáng)度的上限輝度與家庭畫質(zhì)模式

最近液晶電視機(jī)的峰值輝度普遍都超過500cd/㎡（白色輝度），不過該峰值輝度隨著顯示面積與順應(yīng)輝度的不同，造成觀視者經(jīng)常曝露在必要以上的刺眼感觀視環(huán)境下。圖8是將開始感到刺眼的輝度，當(dāng)作要求電視影像的顯示輝度上限值，再以高齡者年輕者為對(duì)象，將順應(yīng)輝度與視角size當(dāng)作實(shí)驗(yàn)變量數(shù)進(jìn)行主觀評(píng)鑒實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。如圖8所示針對(duì)順應(yīng)輝度的亮度改變感到刺眼的亮度時(shí)，高齡者與年輕人的視覺特性出現(xiàn)明顯差異，在大視角size高齡者與年輕人的刺眼感差異卻很小，在小視角size低輝度時(shí)年輕人會(huì)感到刺眼感。

此處假設(shè)：
a：刺眼感依存數(shù)
Lw：白色輝度
La：順應(yīng)輝度
k：定數(shù)
如此一來刺眼感與順應(yīng)輝度的關(guān)系可以用下式表示：
Lw=k×Laa－－－－－－－－－－－－－－-（2）

適合年輕人的視角size a=0.35~0.43，適合高齡者的視角size a=0.26~0.35，如果將視角size視為影像的平均輝度，依照觀視者的視覺特性與影像的平均輝度，設(shè)定成k值與a值時(shí)，理論上可以作最適宜的亮度表示。

家庭模式主要是作亮度控制，調(diào)整該適時(shí)視覺特性的影像平均輝度，如圖9所示在刺眼感改善輝度領(lǐng)域，由于年輕人從低平均輝度開始感到刺眼感，因此有關(guān)影像的平均輝度，采用比高齡者更低的條件開始控制，藉此使顯示輝度降低。

3、利用亮度控制降低疲勞的效果

未作亮度控制的液晶電視，高平均輝度的影像容易產(chǎn)生刺眼感，相較之下內(nèi)建家庭畫質(zhì)模式的液晶電視，即使影像的APL（Average Picture Level）很高時(shí)，也能夠使平均輝度會(huì)降低，因此可以減輕視覺疲勞。圖10是透過電視視聽進(jìn)行眼睛疲勞的主觀評(píng)鑒實(shí)驗(yàn)獲得的驗(yàn)結(jié)果，圖上方是時(shí)間進(jìn)度（time schedule），每位被測(cè)者合計(jì)視聽90分鐘的電視，接著根據(jù)4階段的評(píng)定尺度，進(jìn)行圖中①～⑤的5個(gè)時(shí)點(diǎn)有關(guān)眼睛疲勞癥狀的主觀評(píng)鑒。主觀評(píng)鑒各進(jìn)行15名，雖然圖中的坐標(biāo)表示平均值與標(biāo)準(zhǔn)誤差，不過卻也證實(shí)利用亮度控制可以獲得疲勞降低的效果。

結(jié)語

隨著電視機(jī)的面板平面化與數(shù)字播放等大環(huán)境的變化與進(jìn)步，一般認(rèn)為未來消費(fèi)者對(duì)高畫質(zhì)液晶電視的需求越來越嚴(yán)苛，因此未來平面電視必需具備支持多樣化影像內(nèi)容，提供觀視者高畫質(zhì)、舒適視覺特性等影像功能等特性，這意味著液晶電視用影像處理LSI會(huì)受到重視。