液晶电视用影像处理晶片的设计

全球电视机市场已经进入薄形平面化时代，虽然平面电视的显示器液晶面板与电浆显示器的影像显示性能，已经可以满足家用电视的基本需求，不过平面电视的影像显示方法、特性却与传统CRT不同，必需使用平面电视专用的影像处理引擎。此外随着地表波数字电视的开播，今后家用电视面对影像数字化与多频道化，要求平面电视必需能够支援多样化影像内容，提供观视者舒适视觉特性的影像调整功能。

因此国外液晶电视机业者纷纷透过独自的技术，整合电视影像处理电路系统，开发液晶电视影像处理用单晶片LSI。基本上电视影像处理晶片主要诉求是降低平面电视常见的三次元noise reducer，实现顺畅鲜明的影像显示。此外动态强度扩张器(Dynamic Level Expander)的追加，除了可以实现高画质影像之外，还可以对应影像内容的影像处理技术，配合观视者视觉特性获得亮度调整效果。

上述对观视者眼睛非常柔和的亮度控制技术，是根据实际家庭环境实态调查结果，与测试被测者对刺眼感度上限辉度调查结果，追加年轻与高龄者视觉特性差异构成的控制Algorithm，经过反覆的实验证实它可以有效减缓观视者得视觉疲劳。本文要探讨液晶电视用影像处理LSI的设计技术。

开发经纬
图1是液晶电视的影像处理用LSI方块图；图2是新、旧型液晶电视影像处理基板比较。本影像处理专用LSI整合高画质三次元YC分离、三次元IP(Interlace Progressive)转换，等高画质影像处理电路与Multi影像处理电路，再将三次元影像处理必要的存储器利用SiP技术制成单晶片，因此可以获得电视影像处理基板小型化，大幅降低EMI、消费电力与制作成本等多重效益。此外高画质影像处理电路的三次元DNR(Digital Noise Reducer)与DLE(Dynamic Level Expander)精度的提升，内建可以检测亮度调整上必要的影像特徵等功能，可以实现顺畅鲜明的影像显示与柔和的亮度调整特性。
　

(a) 液晶电视的外观
　

(b) 影像处理用LSI的外观
　

(c) LSI(SiP)的内部
　

图1 液晶电视的影像处理用LSI方块图
　

图2 液晶电视影像处理基板比较
　  影像处理技术
a. 三次元noise reducer
液晶显示器与电浆显示器的大画面化的结果，造成以往小画面不易辨识的噪音会清楚显示在画面上，此外液晶显示器与电浆显示器具备与CRT相异的 特性，则是造成噪音变得非常明显的原因之一，因此影像高画质化处理作业上消除噪音成为重要的因素。

影像信号对时间方向具有很高的关连性，噪音成份对时间方向的关连性却非常低，三次元Noise Reducer(以下简称为3D-DNR)就是利用上述特性降低噪音成份。它是利用画格记忆(Frame Memory)对原信号与一个画格前的差分值乘上系数，接着从原信号减掉与时间方向无关连性的信号成份。使用一个画格前的信号减掉噪音的信号，除了可以构成巡迴型3D-DNR之外，还可以使噪音降低效果变大。不过，一旦执行上述处理，同样会对移动物体会实施时间方向的过滤 (Filter) ，造成动画模煳、尾曳等弊害。3D-DNR可以透过特殊的图案识别处理辨识动态部位，不会对动态部位实施时间方向的过滤。

图3是3D-DNR的结构，输入的信号(A)会使已经去除噪音成份的输出信号(C 减掉与画格已经延迟的信号获得画格差分信号(B)，接着对画格差分信号(B)实施振幅限制，再乘上1-K(0&lE;K<1)的系数，最后再对已经作过延迟补偿的原信号进行减算藉此降低噪音。利用噪音识别处理将辨识动态部位与噪音成份辨识成动态部位时，它会使 接近1，藉此防止时间方向的过滤。如图4所示噪音辨识电路会去除画格差分值为任意(random)的pattern，只会对经过整合的pattern进行抽出动作。
　

图3 3D-DNR的结构
　

图4 噪讯识别处理的结果
　

b. 动态强度Expander
为弥补液晶面板的动态范围，必需依照影像内容自动控制亮度与对比，因此研究人员动态强度Expander(DLE)技术。DLE可以将以往黑色场景(scene)黑色溃散的影像，与白色场景(scene)白色色溃散的影像当作矩形图(histogram)检测，即时控制亮度与对比提高灰阶的再现性(图5)。

此外为了避免对比控制迁移状态时产生视觉性不协调感，因此刻意控制使它缓慢迁移具备时定数，不过面对场景改变的矩形图急遽变化时，必需避免过度补正因此作场景改变的检测，如此才能使迁移速度变快。除了矩形图检测之外，有关亮度与对比的控制则利用硬体方式封装于LSI内部，因此不需要微处理器的控制，就能够轻易封装在液晶电视机内部。图6是DLE的处理结果，由图可知整体黑暗场景的对比提高，黑暗部位的灰阶性也获得大幅提升。
　

图5 DLE的控制例
　

图6 DLE的处理实例
　  液晶电视的亮度控制技术
影响影像观视度的条件，分别是:
①显示装置的亮度、辉度对比等光学特性
②影像内容与亮度
③观视者的视觉特性(照明环境与年龄)
家庭模式必需考虑家庭照明环境下，高龄者与年轻人的视觉特性，依此控制液晶电视的亮度。

a. 家庭的照明环境
家庭照明环境比店舖照明环境更暗，根据电视机的观视条件调查结果显示家
庭的画面照度为108 lx，店舖的画面照度为1000 lx，两者相差接近10倍左
右，因此家庭的画质调整必需设定成适合该亮度的环境。至于电视机的画面
辉度要求条件，必需考虑观视者的顺应辉度。 图7是根据家庭的电视机观视条件实态调查结果，绘制的电视画面照度与观视
者的视野辉度关系图。此处假设:

Ei(lx): 画面照度
La(cd/m2): 视野的平均辉度

如此一来家庭环境下的顺应辉度环境，可以用下式表示:

La=0.1×Ei------------------------------(1)

利用式(1)可以从设置在画面的照度感测器求出背面领域的辉度(顺应辉度)
　

图7 画面照度与观视者1800视野的平均辉度
　

b. 白色强度的上限辉度与家庭画质模式
最近液晶电视机的峰值辉度普遍都超过500 cd/m2(白色辉度)，不过该峰值辉度随着显示面积与顺应辉度的不同，造成观视者经常曝露在必要以上的刺眼感观视环境下。图8是将开始感到刺眼的辉度，当作要求电视影像的显示辉度上限值，再以高龄者年轻者为对象，将顺应辉度与视角size当作实验变数数进行主观评鑑实验的结果。如图8所示针对顺应辉度的亮度改变感到刺眼的亮度时，高龄者与年轻人的视觉特性出现明显差异，在大视角size高龄者与年轻人的刺眼感差异却很小，在小视角size低辉度时年轻人会感到刺眼感。
此处假设:

a: 刺眼感依存数
Lw: 白色辉度
La: 顺应辉度
k: 定数

如此一来刺眼感与顺应辉度的关系可以用下式表示:

Lw=k×Laa-----------------------------(2)

适合年轻人的视角size a=0.35~0.43，适合高龄者的视角size a=0.26~0.35，如果将视角size视为影像的平均辉度，依照观视者的视觉特性与影像的平均辉度，设定成k值与a值时，理论上可以作最适宜的亮度表示。
　

图8 顺应辉度与开始感到刺眼的辉度
　

家庭模式主要是作亮度控制，调整该适时视觉特性的影像平均辉度，如图9所示在刺眼感改善辉度领域，由于年轻人从低平均辉度开始感到刺眼感，因此有关影像的平均辉度，採用比高龄者更低的条件开始控制，藉此使显示辉度降低。
　

图9 表示辉度与平均辉度
　

c. 利用亮度控制降低疲劳的效果
未作亮度控制的液晶电视，高平均辉度的影像容易产生刺眼感，相较之下内建家庭画质模式的液晶电视，即使影像的APL(Average Picture Level)很高时，也能够使平均辉度会降低，因此可以减轻视觉疲劳。图10是透过电视视听进行眼睛疲劳的主观评鑑实验获得的验结果，图上方是时间进度(time schedule)，每位被测者合计视听90分钟的电视，接着根据4阶段的评定尺度，进行图中①～⑤的5个时点有关眼睛疲劳症状的主观评鑑。主观评鑑各进行15名，虽然图中的座标表示平均值与标准误差，不过却也证实利用亮度控制可以获得疲劳降低的效果。
　

图10 眼睛疲劳的主观评鑑实验结果
　  结语
随着电视机的面板平面化与数字播放等大环境的变化与进步，一般认为未来消费者对高画质液晶电视的需求越来越严苛，因此未来平面电视必需具备支援多样化影像内容，提供观视者高画质、舒适视觉特性等影像功能等特性，这意味着液晶电视用影像处理LSI会受到重视。