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全球電視機市場已經進入薄形平面化時代，雖然平面電視的顯示器液晶面板與電漿顯示器的影像顯示性能，已經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。此外隨著地表波數字電視的開播，今后家用電視面對影像數字化與多頻道化，要求平面電視必需能夠支援多樣化影像內容，提供觀視者舒適視覺特性的影像調整功能。
因此國外液晶電視機業(yè)者紛紛透過獨自的技術，整合電視影像處理電路系統，開發(fā)液晶電視影像處理用單晶片LSI。基本上電視影像處理晶片主要訴求是降低平面電視常見的三次元noise reducer，實現順暢鮮明的影像顯示。此外動態(tài)強度擴張器(Dynamic Level Expander)的追加，除了可以實現高畫質影像之外，還可以對應影像內容的影像處理技術，配合觀視者視覺特性獲得亮度調整效果。
上述對觀視者眼睛非常柔和的亮度控制技術，是根據實際家庭環(huán)境實態(tài)調查結果，與測試被測者對刺眼感度上限輝度調查結果，追加年輕與高齡者視覺特性差異構成的控制Algorithm，經過反覆的實驗證實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的設計技術。
開發(fā)經緯
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整合高畫質三次元YC分離、三次元IP(Interlace Progressive)轉換，等高畫質影像處理電路與Multi影像處理電路，再將三次元影像處理必要的存儲器利用SiP技術制成單晶片，因此可以獲得電視影像處理基板小型化，大幅降低EMI、消費電力與制作成本等多重效益。此外高畫質影像處理電路的三次元DNR(Digital Noise Reducer)與DLE(Dynamic Level Expander)精度的提升，內建可以檢測亮度調整上必要的影像特徵等功能，可以實現順暢鮮明的影像顯示與柔和的亮度調整特性。
(a) 液晶電視的外觀
(b) 影像處理用LSI的外觀
(c) LSI(SiP)的內部
圖1 液晶電視的影像處理用LSI方塊圖
圖2 液晶電視影像處理基板比較
影像處理技術
a. 三次元noise reducer
液晶顯示器與電漿顯示器的大畫面化的結果，造成以往小畫面不易辨識的噪音會清楚顯示在畫面上，此外液晶顯示器與電漿顯示器具備與CRT相異的 特性，則是造成噪音變得非常明顯的原因之一，因此影像高畫質化處理作業(yè)上消除噪音成為重要的因素。
影像信號對時間方向具有很高的關連性，噪音成份對時間方向的關連性卻非常低，三次元Noise Reducer(以下簡稱為3D-DNR)就是利用上述特性降低噪音成份。它是利用畫格記憶(Frame Memory)對原信號與一個畫格前的差分值乘上系數，接著從原信號減掉與時間方向無關連性的信號成份。使用一個畫格前的信號減掉噪音的信號，除了可以構成巡迴型3D-DNR之外，還可以使噪音降低效果變大。不過，一旦執(zhí)行上述處理，同樣會對移動物體會實施時間方向的過濾 (Filter) ，造成動畫模煳、尾曳等弊害。3D-DNR可以透過特殊的圖案識別處理辨識動態(tài)部位，不會對動態(tài)部位實施時間方向的過濾。
圖3是3D-DNR的結構，輸入的信號(A)會使已經去除噪音成份的輸出信號(C 減掉與畫格已經延遲的信號獲得畫格差分信號(B)，接著對畫格差分信號(B)實施振幅限制，再乘上1-K(0≦K<1)的系數，最后再對已經作過延遲補償的原信號進行減算藉此降低噪音。利用噪音識別處理將辨識動態(tài)部位與噪音成份辨識成動態(tài)部位時，它會使 接近1，藉此防止時間方向的過濾。如圖4所示噪音辨識電路會去除畫格差分值為任意(random)的pattern，只會對經過整合的pattern進行抽出動作。
圖3 3D-DNR的結構
圖4 噪訊識別處理的結果
b. 動態(tài)強度Expander
為彌補液晶面板的動態(tài)范圍，必需依照影像內容自動控制亮度與對比，因此研究人員動態(tài)強度Expander(DLE)技術。DLE可以將以往黑色場景(scene)黑色潰散的影像，與白色場景(scene)白色色潰散的影像當作矩形圖(histogram)檢測，即時控制亮度與對比提高灰階的再現性(圖5)。
此外為了避免對比控制遷移狀態(tài)時產生視覺性不協調感，因此刻意控制使它緩慢遷移具備時定數，不過面對場景改變的矩形圖急遽變化時，必需避免過度補正因此作場景改變的檢測，如此才能使遷移速度變快。除了矩形圖檢測之外，有關亮度與對比的控制則利用硬體方式封裝于LSI內部，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內部。圖6是DLE的處理結果，由圖可知整體黑暗場景的對比提高，黑暗部位的灰階性也獲得大幅提升。
圖5 DLE的控制例
圖6 DLE的處理實例
液晶電視的亮度控制技術
影響影像觀視度的條件，分別是:
①顯示裝置的亮度、輝度對比等光學特性
②影像內容與亮度
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。
a. 家庭的照明環(huán)境
家庭照明環(huán)境比店舖照明環(huán)境更暗，根據電視機的觀視條件調查結果顯示家
庭的畫面照度為108 lx，店舖的畫面照度為1000 lx，兩者相差接近10倍左
右，因此家庭的畫質調整必需設定成適合該亮度的環(huán)境。至于電視機的畫面
輝度要求條件，必需考慮觀視者的順應輝度。 圖7是根據家庭的電視機觀視條件實態(tài)調查結果，繪制的電視畫面照度與觀視
者的視野輝度關系圖。此處假設:
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)可以從設置在畫面的照度感測器求出背面領域的輝度(順應輝度)
圖7 畫面照度與觀視者1800視野的平均輝度
b. 白色強度的上限輝度與家庭畫質模式
最近液晶電視機的峰值輝度普遍都超過500 cd/m2(白色輝度)，不過該峰值輝度隨著顯示面積與順應輝度的不同，造成觀視者經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象，將順應輝度與視角size當作實驗變數數進行主觀評鑑實驗的結果。如圖8所示針對順應輝度的亮度改變感到刺眼的亮度時，高齡者與年輕人的視覺特性出現明顯差異，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低輝度時年輕人會感到刺眼感。
此處假設:
a: 刺眼感依存數
Lw: 白色輝度
La: 順應輝度
k: 定數
如此一來刺眼感與順應輝度的關系可以用下式表示:
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，設定成k值與a值時，理論上可以作最適宜的亮度表示。
圖8 順應輝度與開始感到刺眼的輝度
家庭模式主要是作亮度控制，調整該適時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域，由于年輕人從低平均輝度開始感到刺眼感，因此有關影像的平均輝度，採用比高齡者更低的條件開始控制，藉此使顯示輝度降低。
圖9 表示輝度與平均輝度
c. 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生刺眼感，相較之下內建家庭畫質模式的液晶電視，即使影像的APL(Average Picture Level)很高時，也能夠使平均輝度會降低，因此可以減輕視覺疲勞。圖10是透過電視視聽進行眼睛疲勞的主觀評鑑實驗獲得的驗結果，圖上方是時間進度(time schedule)，每位被測者合計視聽90分鐘的電視，接著根據4階段的評定尺度，進行圖中①～⑤的5個時點有關眼睛疲勞癥狀的主觀評鑑。主觀評鑑各進行15名，雖然圖中的座標表示平均值與標準誤差，不過卻也證實利用亮度控制可以獲得疲勞降低的效果。
圖10 眼睛疲勞的主觀評鑑實驗結果
結語
隨著電視機的面板平面化與數字播放等大環(huán)境的變化與進步，一般認為未來消費者對高畫質液晶電視的需求越來越嚴苛，因此未來平面電視必需具備支援多樣化影像內容，提供觀視者高畫質、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會受到重視。
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文章來源：52RD硬件研發(fā)
