KR20170135565A - 하이 다이나믹 레인지 액정 표시 장치 및 그 구동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 액정 표시 장치 및 그 구동 방법은, HDR 표준을 만족하는 화질을 제공하기 위하여, HDR 영상이 입력되면, HDR 영상의 프레임 최대 휘도에 따른 글로벌 디밍 신호를 결정하고, 블록별 로컬 디밍 신호와 글로벌 디밍 신호를 연산하여 최종 블록별 로컬 디밍 신호를 백라이트 구동부로 공급한다.

Description

하이 다이나믹 레인지 액정 표시 장치 및 그 구동 방법{LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE WITH HIGH DYNAMIC RANGE (HDR) AND METHOD OF DRIVING THE SAME}

본 발명은 하이 다이나믹 레인지(HDR) 표준을 만족하는 화질을 제공할 수 있는 HDR 액정 표시 장치 및 그 구동 방법에 관한 것이다.

사람은 실제 환경에서 대략 10^-4 ~ 10⁸ cd/m² (이하 nits.)의 넓은 다이나믹 레인지를 갖고 있으며, 이를 고려한 하이 다이나믹 레인지(High Dynamic Range; HDR) 기술은 카메라 분야를 넘어 영상 제작 및 디스플레이 개발 등까지 확장되고 있다.

HDR 영상은 SMPTE(Society of Motion Picture and Television Engineers)에서 ST.2084로 표준화된 전기-광학 전달 함수(Electro-Optical Transfer Function; 이하 EOTF)의 역함수를 따라 인코딩된 것으로 0 ~ 10,000 nit의 하이 다이나믹 레인지를 갖는다. HDR 영상의 감마 ST.2084 EOTF를 지각적인 양자화(Perceptual Quantzer; 이하 PQ) EOTF라고 칭하기도 한다. 한편, 통상의 SDR(Standard Dynamic Rage) 영상은 2.2 감마 등의 역함수를 따라 인코팅된 것으로, 디스플레이에 따라 0 ~ 수백 nits.의 좁은 다이나믹 레인지를 갖는다.

디스플레이는 고품질의 초고화질 UHD (Ultra High Definition) 기술로 발전되고 있으며, UHD 얼라이언스 (Ultra High Definition Alliance; UHDA)는 UHD 표준으로 4K (3820×2160) 해상도와 HDR 기술 등을 채택하였다. HDR 기능을 갖는 표시 장치는 UHDA에서 HDR 표준으로 정한 화질 성능 평가 항목을 만족시켜야 한다.

예를 들면, UHDA에서 요구하는 기준 컨트라스트비를 만족시키기 위하여, HDR 액정 표시 장치는 피크 휘도 1000 nits.를 달성해야 하고, 블랙 패턴에 따라 블랙 휘도 0.1 nits.와 블랙 휘도 0.05 nits.를 달성해야 한다.

통상적으로, 액정 표시 장치는 컨트라스트비 향상 및 소비 전력 감소를 위하여, 표시 영역을 다수의 블록으로 분할하고, 블록별 평균 화상 레벨(Average Picture Level; APL)에 따라 LED (Light Emitting Diode) 백라이트 휘도를 제어하는 로컬 디밍(Local Dimming) 방법을 이용한다.

그러나, 에지 타입의 LED 백라이트를 이용하는 HDR 액정 표시 장치는 APL에 따른 로컬 디밍의 한계로 인하여 HDR 프리미엄 인증을 위한 블랙 패턴을 표시할 때 블랙 휘도 0.1 nits. 달성이 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 HDR 표준을 만족하는 화질을 제공할 수 있는 HDR 액정 표시 장치 및 그 구동 방법을 제공한다.

한 실시예에 따른 액정 표시 장치와 그 구동 방법은 HDR 영상이 입력되면, HDR 영상의 프레임 최대 휘도에 따른 글로벌 디밍 신호를 결정하고, 블록별 로컬 디밍 신호와 글로벌 디밍 신호를 연산하여 최종 블록별 로컬 디밍 신호를 백라이트 구동부로 공급한다.

영상 처리부는 HDR 영상을 제1 디감마 처리하여 선형화된 HDR 컬러 휘도를 출력하는 제1 디감마 처리부와, SDR 영상을 제2 디감마 처리하여 선형화된 SDR 컬러 휘도를 출력하는 제2 디감마 처리부를 구비한다. 영상 처리부는 제1 디감마 처리부로부터 공급된 HDR 컬러 휘도를 프레임 단위로 분석하여 프레임 최대 휘도를 추출하는 최대 휘도 추출부와, 프레임 최대 휘도에 대응하는 글로벌 디밍 신호를 결정하여 출력하는 글로벌 디밍부를 구비한다. 영상 처리부는 제1 디감마 처리부로부터 공급된 HDR 컬러 휘도 또는 제2 디감마 처리부로부터 공급된 SDR 컬러 휘도를 다수의 블록으로 분할 분석하여 블록별 APL을 산출하는 APL 분석부와, 블록별 APL에 대응하는 블록별 로컬 디밍 신호를 결정하고 글로벌 디밍 신호와 곱셈 연산하여 최종 블록별 로컬 디밍 신호를 백라이트 구동부로 출력하는 로컬 디밍부를 구비한다. 영상 처리부는 제1 디감마 처리부로부터 공급된 HDR 컬러 휘도를 해당 표시 장치의 휘도 레인지를 갖는 정규화된 컬러 휘도로 맵핑하여 출력하는 휘도 맵핑부와, 휘도 맵핑부로부터 공급된 정규화된 컬러 휘도 또는 제2 디감마 처리부로부터 공급된 SDR 컬러 휘도는 3색 휘도이고, 3색 휘도를 화이트를 포함하는 4색 휘도로 변환하는 4색 변환부와, 4색 변환부로부터 공급된 4색 휘도를 감마 처리하여 4색 영상 데이터를 출력하는 감마 처리부를 구비한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 HDR 액정 표시 장치는 프레임 최대 휘도를 이용한 글로벌 디밍과, 블록별 APL을 이용한 로컬 디밍을 모두 적용하여 백라이트 휘도를 제어함으로써 HDR 프리미엄 인증을 위한 이미지 시그널 블랙 패턴(Image Signal Black Pattern)을 표시할 때 로컬 디밍에 따른 블록별 휘도가 글로벌 디밍에 의해 전체적으로 더욱 감소하여 블랙 휘도 0.1nit를 달성할 수 있으므로 HDR 표준을 만족시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 HDR 액정 표시 장치는 HDR 영상을 표시할 때 글로벌 디밍 및 로컬 디밍을 모두 적용하여 백라이트 휘도를 제어함으로써 로컬 디밍만 적용하는 경우보다 소비 전력을 감소킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 HDR 액정 표시 장치는 SDR 영상을 표시할 때 기존과 동일한 영상 처리 과정을 유지하므로 SDR 영상과 HDR 영상의 호환이 가능하다.

도 1은 HDR 표준에서 요구하는 블랙 휘도를 측정하기 위한 패턴과 표시 패널의 일 실시예에 따른 로컬 디밍 블럭들을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 표시 패널에 적용되는 다양한 서브픽셀 배열 구조를 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 처리부의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 글로벌 디밍 프로파일 및 로컬 디밍 프로파일을 예시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 처리부의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 처리부의 구성을 나타낸 블록도이다.

본 발명의 실시예에 대한 상세한 설명에 앞서서, 본 발명의 선행 기술을 먼저 살펴보기로 한다.

도 1은 최근 UHDA에서 HDR 표준으로 요구하는 블랙 휘도 측정용 패턴들과 액정 패널의 일 실시예에 따른 로컬 디밍 블록들을 나타낸 것이다.

HDR 액정 표시 장치는 UHDA에서 요구하는 피크 휘도 1000 nits.를 달성할 수 있다. UHDA에서 요구하는 기준 컨트라스트비를 만족시키기 위하여, HDR 액정 표시 장치는 블랙 패턴에 따라 블랙 휘도 0.1 nits.와 0.05 nits.를 달성해야 한다.

구체적으로, HDR 액정 표시 장치는 도 1에 나타낸 바와 같이 패널의 센터로부터 외곽으로 갈수록 점진적으로 블랙 휘도가 점진적으로 증가하는 그라데이션을 나타낸 이미지 시그널 블랙 패턴(Image Signal Black Pattern)을 표시할 때 블랙 휘도 0.1 nits.를 달성해야 한다.

또한, HDR 액정 표시 장치는 도 1에 나타낸 바와 같이 블랙 바탕 화면의 4개 코너에 그레이 박스가 위치하는 코너 박스 블랙 패턴(Coner Box Black Pattern)을 표시할 때 블랙 휘도 0.05 nits.를 달성해야 한다.

에지 타입의 LED 백라이트를 이용하는 HDR 액정 표시 장치는, 도 1에 나타낸 일 실시예와 같이 표시 패널의 표시 영역을 다수의 로컬 디밍 블록으로 분할하고, 블록별 APL에 따라 블록별로 LED 백라이트 휘도를 제어한다.

도 1에 예시된 로컬 디밍 블록들을 이용하는 HDR 액정 표시 장치는 코너 박스 블랙 패턴(Coner Box Black Pattern)을 표시할 때, 코너 박스가 위치한 블록들을 제외한 나머지 블록들은 APL과 그에 따른 디밍값들이 최저 수준이 된다. 이 결과, 해당 블록들의 백라이트가 오프되어 블랙 휘도 0.05nit 달성이 가능하다.

그러나, 도 1에 예시된 로컬 디밍 블록들을 이용하는 HDR 액정 표시 장치는 이미지 시그널 블랙 패턴(Image Signal Black Pattern)을 표시할 때, 블록별 APL과 그에 따른 디밍값들이 중/저수준이 된다. 이로 인하여, 모든 블록들의 백라이트가 중/저수준의 디밍값에 따라 발광하여 센터 부분만 블랙 휘도를 감소시킬 수 없으므로, 블랙 휘도 0.1nit를 달성하기 어려운 문제점 있다.

이를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 HDR 액정 표시 장치는 에지 타입의 LED 백라이트와 로컬 디밍을 이용하더라도 이미지 시그널 블랙 패턴을 표시할 때 블랙 휘도 0.1nit를 달성할 수 있는 방안을 제안한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 HDR 액정 표시 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이고, 도 3은 도 2에 도시된 표시 패널에 적용되는 다양한 서브픽셀 배열 구조를 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 액정 표시 장치는 타이밍 컨트롤러(100), 패널 구동부인 데이터 구동부(200) 및 게이트 구동부(300), 표시 패널(400), 감마 전압 생성부(500), 백라이트 유닛(600), 백라이트 구동부(700), 도시하지 않은 전원부 등을 포함한다.

표시 패널(400)은 픽셀들이 매트릭스 형태로 배열된 픽셀 어레이를 통해 영상을 표시한다. 픽셀 어레이는 도 3(a)에 나타낸 바와 같이 적색(Red; 이하 R), 녹색(Green; 이하 G), 청색(Blue; 이하 B) 서브픽셀들로 구성되거나, 도 3(b)에 나타낸 바와 같이 발광 효율이 높은 백색(White; W) 서브픽셀을 추가한 WRGB 서브픽셀들로 구성될 수 있다. 다만, 픽셀 어레이의 서브픽셀 배열 구조는 다양하므로 도 3에 나타낸 서브픽셀 배열 구조로 한정되지 않는다.

각 서브픽셀(SP)은 도 2와 같이 게이트 라인(GL) 및 데이터 라인(DL)과 접속된 박막 트랜지스터(TFT), 박막 트랜지스터(TFT)와 공통 전극 사이에 병렬 접속된 액정 커패시터(Clc) 및 스토리지 커패시터(Cst)를 구비한다. 액정 커패시터(Clc)는 박막 트랜지스터(TFT)를 통해 픽셀 전극에 공급된 데이터 신호와, 공통 전극에 공급된 공통 전압(Vcom)과의 차전압을 충전하고 충전된 전압에 따라 액정을 구동하여 광투과량을 제어한다. 스토리지 커패시터(Cst)는 액정 커패시터(Clc)에 충전된 전압을 안정적으로 유지시킨다.

도 3(b)에 나타낸 한 실시예에 따른 표시 패널(400)에서, 각 픽셀은 WRGB 서브픽셀들 중 컬러 혼합으로 화이트 표현이 가능한 3개 서브픽셀들로 구성되고, 인접한 픽셀과는 3개 서브픽셀들의 컬러 조합이 서로 다르게 구성된다. 한 실시예에 따른 표시 패널(400)에서 제1 방향(예를 들면, 가로 방향)의 각 픽셀 라인은 WRGB 4개 서브픽셀들이 규칙적으로 반복되어 배열 되는 구조를 갖지만, 기본 픽셀은 WRGB 중 3개의 서브픽셀로만 구성한다. 이에 따라, 각 픽셀이 4개의 서브픽셀(WRGB)로 구성되는 패널과 대비하여, 도 3(b)에 나타낸 표시 패널(400)은 각 픽셀이 3개의 서브픽셀로 구성되어 픽셀 개구율이 증가하므로 고휘도 및 고해상도 구현에 유리하고 소비 전력이나 제조 원가를 감소시킬 수 있는 장점을 갖고 있다.

예를 들면, 도 3(b)에 나타낸 표시 패널(400)은 제1 서브픽셀 세트(WRG)를 갖는 제1 픽셀, 제2 서브픽셀 세트(BWR)를 갖는 제2 픽셀, 제3 서브픽셀 세트(GBW)를 갖는 제3 픽셀, 제4 서브픽셀 세트(RGB)를 갖는 제4 픽셀을 포함한다. 제1 픽셀 라인은 제1 픽셀(WRG), 제2 픽셀(BWR), 제3 픽셀(GBW), 제4 픽셀(RGB)의 순서로 배열된 제1 픽셀 세트가 제1 방향(예를 들면, 가로 방향)으로 규칙적으로 반복되어 배열된 구조를 갖을 수 있다. 제1 픽셀 라인과 인접한 제2 픽셀 라인은 제3 픽셀(GBW), 제4 픽셀(RGB), 제1 픽셀(WRG), 제2 픽셀(BWR)의 순서로 배열된 제2 픽셀 세트가 제1 방향으로 규치적으로 반복되어 배열된 구조를 갖을 수 있다. 이러한 제1 픽셀 라인과 제2 픽셀 라인이 제2 방향(예를 들면, 세로 방향)으로 교번하면서 반복적으로 배열되어 픽셀 어레이를 구성한다.

데이터 구동부(200)는 타이밍 컨트롤러(100)로부터의 데이터 제어 신호 및 영상 데이터를 공급받는다. 데이터 구동부(200)는 데이터 제어 신호에 따라 구동되어, 감마 전압 생성부(500)로부터 공급된 레퍼런스 감마 전압 세트를 데이터의 계조값에 각각 대응하는 계조 전압들로 세분화한 다음, 세분화된 계조 전압들을 이용하여 디지털 영상 데이터를 아날로그 영상 데이터 신호로 변환한다. 데이터 구동부(200)는 영상 데이터 신호를 표시 패널(400)의 데이터 라인들에 각각 공급한다.

데이터 구동부(200)는 표시 패널(400)의 데이터 라인들을 분할 구동하는 다수의 데이터 드라이브 IC로 구성되고, 각 데이터 드라이브 IC는 TCP(Tape Carrier Package), COF(Chip On Film), FPC(Flexible Print Circuit) 등과 같은 회로 필름에 실장되어 표시 패널(400)에 TAB(Tape Automatic Bonding) 방식으로 부착되거나, COG(Chip On Glass) 방식으로 표시 패널(400) 상에 실장될 수 있다.

게이트 구동부(300)는 타이밍 컨트롤러(100)로부터 공급된 게이트 제어 신호를 이용하여 표시 패널(400)의 다수의 게이트 라인을 각각 구동한다. 게이트 구동부(300)는 게이트 제어 신호에 응답하여 각 게이트 라인에 해당 스캔 기간에서 게이트 온 전압의 스캔 펄스를 공급하고, 나머지 기간에서는 게이트 오프 전압을 공급한다. 게이트 구동부(300)는 타이밍 컨트롤러(100)로부터 게이트 제어 신호를 공급받거나, 타이밍 컨트롤러(100)로부터 데이터 구동부(200)를 경유하여 게이트 제어 신호를 공급받을 수 있다. 게이트 구동부(300)는 적어도 하나의 게이트 IC로 구성되고 TCP, COF, FPC 등과 같은 회로 필름에 실장되어 표시 패널(400)에 TAB 방식으로 부착되거나, COG 방식으로 표시 패널(400) 상에 실장될 수 있다. 이와 달리, 게이트 구동부(300)는 표시 패널(400)의 픽셀 어레이를 구성하는 박막 트랜지스터 어레이와 함께 박막 트랜지스터 기판에 형성됨으로써 표시 패널(400)의 비표시 영역에 내장된 GIP(Gate In Panel) 타입으로 구비될 수 있다.

타이밍 컨트롤러(100)는 호스트 시스템으로부터 영상 데이터 및 타이밍 신호 등을 공급받는다. 타이밍 컨트롤러(100)는 입력 타이밍 신호들을 이용하여 데이터 구동부(200) 및 게이트 구동부(300)의 구동 타이밍을 각각 제어하는 데이터 제어 신호 및 게이트 제어 신호를 생성하여 데이터 구동부(200) 및 게이트 구동부(300)로 각각 출력한다. 입력 타이밍 신호는 도트 클럭, 데이터 인에이블 신호, 수직 동기 신호, 수평 동기 신호를 포함하지만, 여기서 수직 동기 신호 및 수평 동기 신호는 생략될 수 있다. 수직 동기 신호 및 수평 동기 신호가 생략되는 경우 타이밍 컨트롤러(100)는 도트 클럭에 따라 데이터 인에이블 신호를 카운트하여 수직 동기 신호 및 수평 동기 신호를 생성하여 이용할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(100)로부터 데이터 구동부(200)로 공급되는 데이터 제어 신호들은 소스 스타트 펄스, 소스 샘플링 클럭, 극성 제어 신호, 소스 출력 인에이블 신호 등을 포함한다. 타이밍 컨트롤러(100)로부터 게이트 구동부(300)로 공급되는 게이트 제어 신호들은 게이트 스타트 펄스, 게이트 쉬프트 클럭, 게이트 출력 인에이블 신호 등을 포함한다.

타이밍 컨트롤러(101)는 도 2에 예시한 바와 같이 영상 처리부(50)를 내장할 수 있다. 이와 달리, 영상 처리부(50)는 타이밍 컨트롤러(101)와 분리되어 별도의 IC로 구비될 수 있으며, 타이밍 컨트롤러(101)의 이전단에 위치할 수 있다.

영상 처리부(50)는 HDR 영상 또는 SDR 영상을 공급받는다. 영상 처리부(50)는 HDR 영상이 공급되면, 공급된 HDR 영상을 제1 디감마 처리(de-gamma correction)하여 선형화하고 HDR 영상의 출력 휘도로 스케일링한다. 영상 처리부(50)는 정해진 휘도 맵핑 함수(EOTF 맵핑 함수)를 이용하여 HDR 영상의 휘도 레인지를 표시 장치의 휘도 레인지로 변환한다. 즉, 영상 처리부(50)는 HDR 영상의 출력 휘도를 표시 장치의 최대 휘도로 나누어 정규화(normalize)함으로써 HDR 영상의 휘도 레인지를 표시 장치의 정규화된 휘도 레인지로 변환한다. 영상 처리부(50)는 정규화된 3색 휘도를 4색 휘도로 변환한 후 감마 처리(gamma correction)하여 비선형화된 출력 영상을 공급한다.

영상 처리부(50)는 HDR 영상에서 프레임 최대 휘도를 추출하고, 미리 설정된 해당 LUT(Look-Up Table)를 이용하여 프레임 최대 휘도에 따른 글로벌 디밍 신호를 결정한다. 영상 처리부(50)는 HDR 영상을 로컬 디밍을 위한 다수의 블록들로 분할하고, 다수의 블록들 각각의 APL을 분석하여 블록별 APL을 검출한다. 영상 처리부(50)는 미리 설정된 해당 LUT를 이용하여 블록별 APL에 따른 로컬 디밍 신호를 결정한다. 영상 처리부(50)는 로컬 디밍 신호와 글로벌 디밍 신호를 곱셈 연산함으로써 최종 로컬 디밍 신호를 결정하여 백라이트 구동부(700)로 출력한다.

이에 따라, 영상 처리부(50)는 도 1과 같이 HDR 영상의 프레임 최대 휘도가 낮은 경우 그에 비례하는 글로벌 디밍 신호에 의해 로컬 디밍 수준이 전체적으로 감소된 최종 로컬 디밍 신호를 출력함으로써 백라이트 휘도 및 소비 전력을 감소시킬 수 있다.

한편, 영상 처리부(50)는 SDR 영상이 공급되면 기존과 동일하게 영상을 처리함과 아울러 로컬 디밍 신호를 생성하여 출력한다. 예를 들면, 영상 처리부(50)는 공급된 SDR 영상을 제2 디감마 처리하여 선형화하고, 선형화된 SDR 영상의 3색 휘도를 4색 휘도로 변환한 후 감마 처리하여 비선형화된 출력 영상을 공급한다. 영상 처리부(50)는 다수의 블록들 각각의 APL을 분석하고, 블록별 APL에 따른 로컬 디밍 신호를 결정하여 생성하여 백라이트 구동부(700)로 출력한다.

전술한 영상 처리부(50)는 표시 패널(400)이 도 3(b)에 예시된 WRGB 서브픽셀들을 구비할 때 적용된다. 표시 패널(400)이 도 3(a)에 나타낸 RGB 서브픽셀들을 구비하는 경우, 전술한 영상 처리부(400)는 3색 데이터(휘도)를 4색 데이터(휘도)로 변환하는 과정을 생략하면 된다.

백라이트 유닛(600)은 직하형 또는 에지형 LED 백라이트를 이용하고, 로컬 디밍을 위해 LED 백라이트는 다수의 발광 블록으로 분할 구동되어 표시 패널(400)에 광을 공급한다. 직하형 LED 백라이트에서는 LED 어레이가 표시 패널(400)의 배면과 대면하도록 표시 영역 전체에 배치되고, 다수의 발광 블록으로 분할 구동된다. 에지형 LED 백라이트에서는 표시 패널(400)의 배면과 대면하는 도광판의 적어도 1개의 에지와 마주하도록 LED 어레이가 배치되고, 다수의 발광 블록으로 분할 구동된다.

백라이트 구동부(700)는 타이밍 컨트롤러(100)로부터의 공급된 블록별 로컬 디밍 신호에 따라 백라이트 유닛(600)의 발광 블록별로 구동함으로써 발광 블록별로 백라이트 유닛(600)의 휘도를 제어한다. 백라이트 구동부(700)는 로컬 디밍 신호에 대응하는 듀티비를 갖는 펄스폭변조(Pulse Width Modulation; PWM) 신호를 블록별로 생성하고, 블록별 PWM 신호에 따라 백라이트 유닛(600)을 발광 블록별로 구동한다.

이와 같이, 일 실시예에 따른 HDR 액정 표시 장치는 프레임 최대 휘도를 이용한 글로벌 디밍과, 블록별 APL을 이용한 로컬 디밍을 모두 적용하여 백라이트 휘도를 제어한다. 따라서, 도 1에 나타낸 HDR 프리미엄 인증을 위한 이미지 시그널 블랙 패턴(Image Signal Black Pattern)을 표시할 때 로컬 디밍에 의한 블록별 휘도가, 글로벌 디밍에 의해 전체적으로 더욱 감소하여 블랙 휘도 0.1 nits.를 달성할 수 있으므로 HDR 표준을 만족시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 HDR 액정 표시 장치는 HDR 영상을 표시할 때 글로벌 디밍 및 로컬 디밍을 모두 적용하여 백라이트 휘도를 제어함으로써 로컬 디밍만 적용하는 경우보다 소비 전력을 감소킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 HDR 액정 표시 장치는 SDR 영상을 표시할 때 기존과 동일한 영상 처리 과정을 수행하므로 SDR 영상과 HDR 영상의 호환이 가능하다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 처리부(50)을 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.

도 4에 도시된 일 실시예의 영상 처리부(50)는 영상 처리를 위한 제1 디감마 처리부(20), 제2 디감마 처리부(40), EOTF 맵핑부(22), 4색 변환부(24), 감마 처리부(26)를 구비한다. 영상 처리부(50)는 백라이트 디밍을 위하여 최대 휘도 추출부(30), 글로벌 디밍부(32), APL 분석부(42), 로컬 디밍부(44)를 구비한다. 영상 처리부(50)를 구성하는 "~부"는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 블록으로, 하드웨어를 의미하거나, 메모리에 저장된 소프트웨어의 영상 처리 모듈을 의미할 수 있다.

입력부(10)는 입력 영상으로 HDR 영상 또는 SDR 영상을 공급받는다. 또한, 입력부(10)는 HDR 영상을 공급받을 때 HDR를 지시하는 콘텐츠 정보도 공급받는다. 입력부(10)는 콘덴츠 정보에 따라 HDR 영상은 제1 디감마 처리부(20)로 출력하고, SDR 영상은 제2 디감마 처리부(40)로 출력한다.

제1 디감마 처리부(20)는 입력부(10)로부터 공급된 HDR 영상을 디감마 처리함으로써 비선형 컬러값(N)을 선형 컬러값(L)으로 선형화하고, 실제 휘도로 스케일링하여 출력한다.

제1 디감마 처리부(20)는 아래 수학식 1로 정의된 PQ-EOTF 선형화 함수를 이용하여 HDR 영상의 비선형 컬러값(N)을 선형 컬러값(L)으로 선형화한다.

<수학식 1>

수학식 1에서 N은 비선형 컬러값을 정의한 것으로, 입력 계조값을 비트-뎁스로 정해지는 최대값(예를 들면, 10비트 일 때 1023)으로 나누어 0~1로 정규화한 계조값을 의미한다. L은 선형 컬러값을 정의한 것으로, 선형 컬러 휘도를 의미하며, 0~1 범위의 값을 갖는다. m1~m3, c1~c3는 상수값이다. 예를 들면 m1 = 2610/4096×(1/4) = 0.1593017578125, m2 = 2523/4096×128 = 78.84375, c1 = 3424/4096 = 0.8359375 = c3-c2+1, c2 = 2413/4096×32 = 18.8515625, c3 = 2392/4096×32 = 18.6875이다.

제1 디감마 처리부(20)는 수학식 1의 PQ-EOTF 선형화 함수가 적용되어 입출력값이 미리 설정된 제1 LUT를 이용하여 입력 계조값에 대응하는 선형 컬러 휘도(L)를 선택하여 출력한다.

또한, 제1 디감마 처리부(20)는 선형 컬러 휘도(L)를 HDR 범위의 실제 컬러 휘도로 스케일링하여 출력한다. 즉, 제1 디감마 처리부(20)는 선형 컬러 휘도(L)에 HDR의 피크 휘도 "10000 nits."를 곱하여 실제 컬러 휘도(nits.)로 스케일링하여 출력한다.

EOTF 맵핑부(22)는 제1 디감마 처리부(20)로 공급된 출력 휘도(스케일링된 컬러 휘도)를 휘도 맵핑 함수(EOTF 맵핑 함수)를 이용하여 HDR 보다 작은 표시 장치의 휘도 레인지로 변환한다. 예를 들면, EOTF 맵핑부(22), 즉 휘도 맵핑부(22)는 제1 디감마 처리부(20)의 출력 휘도를 표시 장치의 최대 휘도(1000 nits.)로 나누어 정규화(normalize)한다.

EOTF 맵핑부(22)는 EOTF 맵핑 함수가 적용되어 입출력값이 미리 설정된 제2 LUT를 이용하여 제1 디감마 처리부(20)의 출력 휘도에 대응하는 정규화 휘도값을 선택하여 출력한다.

4색 변환부(24)는 EOTF 맵핑부(22)로부터 공급된 3색 데이터를 4색 데이터로 변환하여 출력한다. 3색 데이터를 4색 데이터로 변환하는 방법은 공지된 다양한 방법이 적용될 수 있다.

예를 들면, 4색 변환부(24)는 EOTF 맵핑부(22)로부터 공급된 3색 데이터, 즉 정규화된 RGB 휘도값(Lr, Lg, Lb)을 아래 수학식 2를 이용하여 4색 데이터, 즉 WRGB 휘도값(Lr', Lg', Lb')으로 변환한다.

<수학식 2>

Lw' = MIM (Lr, Lg, Lb)

Lr' = Lr-Lw

Lg' = Lg-Lw

Lb' = Lb-Lw

4색 변환부(24)는 수학식 2와 같이 정규화된 RGB 휘도값(Lr, Lg, Lb) 중 공통값(즉, 최소값)을 W 휘도값(Lw')으로 결정하고, 정규화된 RGB 휘도값(Lr, Lg, Lb) 각각에서 W 휘도값(Lw')를 차감하여 RGB 휘도값(Lr', Lg', Lb')을 결정한다.

이러한 4색 변환부(24) 역시 전술한 수학식 2가 미리 계산된 LUT로 대체될 수 있다.

감마 처리부(26)는 4색 변환부(24)로부터 공급된 WRGB 휘도값(Lr', Lg', Lb')을 아래 수학식 3과 같이 표시 장치의 감마(r=2.2) 및 비트-뎁스(예를 들면 10비트)을 이용한 비선형화 함수를 이용하여 WRGB 컬러값, 즉 WRGB 계조 데이터(Rout, Gout, Bout, Wout)로 비선형화하여 출력한다.

<수학식 3>

Rout = POWER(Lr', 1/2.2)*POWER(2, 10)-1

Gout = POWER(Lg', 1/2.2)*POWER(2, 10)-1

Bout = POWER(Lb', 1/2.2)*POWER(2, 10)-1

Wout = POWER(Lw', 1/2.2)*POWER(2, 10)-1

감마 처리부(26)는 전술한 수학식 3이 미리 계산된 LUT를 이용하여 4색 변환부(24)로부터 공급된 WRGB 휘도값(Lr', Lg', Lb')에 대응하는 WRGB 데이터(Rout, Gout, Bout, Wout)를 선택하여 출력한다.

최대 휘도 추출부(30)는 제1 디감마 처리부(20)로부터 공급된 HDR 영상의 휘도들 중 최대값을 프레임 최대 휘도로 추출하여 출력한다. 최대 휘도 추출부(30)는 제1 디감마 처리부(20)로부터 공급된 출력 휘도를 프레임 단위로 분석하여, 각 픽셀의 RGB 휘도들 중 최대값을 각 픽셀의 대표 휘도로 검출하고, 픽셀의 대표 휘도들 중 최대값을 프레임 최대 휘도로 추출하여 출력한다.

한편, 최대 휘도 추출부(30)는 추출된 프레임 최대 휘도가 표시 장치의 최대 휘도를 초과할 경우 표시 장치의 최대 휘도를 프레임 최대 휘도로 출력한다.

글로벌 디밍부(32)는 최대 휘도 추출부(30)로부터 공급된 프레임 최대 휘도에 대응하는 로컬 디밍 신호를 결정하여 출력한다. 글로벌 디밍부(32)는 도 5에 예를 들어 나타낸 글로벌 디밍 프로파일에 따라 미리 설정된 LUT에서 프레임 최대 휘도(Lmax)에 대응하는 디밍 신호를 선택하여 글로벌 디밍 신호로 출력한다. 글로벌 디밍 프로파일은 표시 장치의 최대 휘도에 따라 달라질 수 있다.

APL 분석부(42)는 제1 디감마 처리부(20)로부터 공급된 HDR 영상(RGB 휘도)를 로컬 디밍을 위한 다수의 블록으로 분할하고, 다수의 블록들 각각의 APL을 분석하여, 블록별 APL을 검출한다.

로컬 디밍부(44)는 APL 분석부(42)로부터 공급된 블록별 APL에 대응하는 블록별 로컬 디밍 신호를 결정하고, 글로벌 디밍부(32)로부터 공급된 글로벌 디밍 신호를 적용하여 백라이트 구동부(700)로 출력할 최종 로컬 디밍 신호를 결정한다. 로컬 디밍부(44)는 도 5(b)에 예를 들어 나타낸 로컬 디밍 프로파일을 따라 미리 설정된 LUT에서 블록별 APL에 대응하는 로컬 디밍 신호를 선택한다. 로컬 디밍부(44)는 블록별 로컬 디밍 신호를 글로벌 디밍부(32)로부터 공급된 글로벌 디밍 신호와 곱셈 연산함으로써 글로벌 디밍 신호에 따라 조정된 로컬 디밍 신호를 백라이트 구동부(700)로 출력한다.

제2 디감마 처리부(40)는 입력부(10)로부터 공급된 SDR 영상을 감마 선형화 함수를 이용하여 디감마 처리하여 선형화한다. 제2 디감마 처리부(40)는 감마 선형화 함수에 따라 미리 설정된 LUT에서 입력 RGB 데이터에 대응하는 선형 RGB 휘도를 선택하여 4색 변환부(24)와 APL 분석부(42)로 출력한다.

4색 변환부(24)는 전술한 바와 같이 제2 디감마 처리부(40)로부터 공급된 RGB 휘도를 WRGB 휘도로 변환하고, 감마 처리부(26)는 전술한 바와 같이 감마 처리하여 WRGB 휘도를 WRGB 계조 데이터로 변환하여 출력한다.

APL 분석부(42)는 전술한 바와 같이 제2 디감마 처리부(40)로부터 공급된 SDR 영상의 RGB 휘도를 블록별로 분석하여 블록별 APL을 검출하고, 로컬 디밍부(44)는 전술한 바와 같이 블록별 APL에 따른 로컬 디밍 신호를 선택하여 백라이트 구동부(700)로 출력한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 처리부를 나타낸 블록도이다.

도 6에 나타낸 영상 처리부(50A)는 도 4에 도시된 영상 처리부(50)과 대비하여, 영상내 W 서브픽셀의 사용 정도를 결정하는 프레임 게인 산출 및 적용부(52)를 더 구비하는 점에 차이가 있으므로, 그 차이점을 위주로 설명하며 도 4와 중복된 구성들에 대한 설명은 생략하기로 한다.

프레임 게인 산출 및 적용부(54)는 영상 분석을 통해 APL과 순색 비율 등과 같은 영상 특성에 따라 프레임 게인을 산출하고, 산출된 프레임 게인을 RGB 휘도에 적용함으로써 프레임 게인에 따라 3색 컬러 휘도를 조절(증폭)하여 출력한다.

프레임 게인 산출 및 적용부(54)는 제1 디감마 처리부(20)로부터 공급된 HDR 영상의 RGB 휘도를 프레임 단위로 분석하여 프레임 단위의 APL를 산출하고, 그 프레임에서 순색 비율 등을 검출한다. 순색 비율은 전체 픽셀수에서 RGB 휘도 중 어느 하나의 컬러 휘도가 0인 순색 픽셀이 차지하는 비율을 의미한다. 프레임 게인 산출 및 적용부(54)는 APL 및 순색 비율 등에 따른 프레임 게인을 산출한다. 프레임 게인 산출 및 적용부(54)는 프레임 게인을 제1 디감마 처리부(20)로부터 공급된 HDR 영상의 RGB 휘도에 적용하여 RGB 휘도를 조절하고, 조절된 RGB 휘도를 EOTF 맵핑부(22)로 공급한다.

한편, 프레임 게인 산출 및 적용부(54)는 제2 디감마 처리부(40)로부터 공급된 SDR 영상의 RGB 휘도를 프레임 단위로 분석하여 APL 및 순색 비율 등에 따른 프레임 게인을 산출한다. 프레임 게인 산출 및 적용부(54)는 프레임 게인을 제2 디감마 처리부(40)로부터 공급된 HDR 영상의 RGB 휘도에 적용하여 RGB 휘도를 조절하고, 조절된 RGB 휘도를 4색 변환부(24)로 공급한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 처리부를 나타낸 블록도이다.

도 7에 나타낸 영상 처리부(50B)는 도 4에 도시된 영상 처리부(50)와 대비하여, 4색 변환부(24)가 생략된 것으로, 전술한 바와 같이 표시 패널(400)이 도 3(a)에 도시된 RGB 패널일때 적용된다.

전술한 바와 같이, 일 실시예에 따른 HDR 액정 표시 장치는 프레임 최대 휘도를 이용한 글로벌 디밍과, 블록별 APL을 이용한 로컬 디밍을 모두 적용하여 백라이트 휘도를 제어함으로써 도 1에 나타낸 HDR 프리미엄 인증을 위한 이미지 시그널 블랙 패턴(Image Signal Black Pattern)을 표시할 때 블랙 휘도 0.1 nits.를 달성할 수 있으므로 HDR 표준을 만족시킬 수 있고, 소비 전력을 감소시킬 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

100: 타이밍 컨트롤러 200: 데이터 구동부
300: 게이트 구동부 400: 액정 패널
500: 감마 전압 생성부 600: 백라이트 유닛
700: 백라이트 구동부 50, 50A, 50B: 영상 처리부
10: 입력부 20: 제1 디감마 처리부
22: EOTF 맵핑부 24: 4색 변환부
26: 감마 처리부 30: 최대 휘도 추출부
32: 글로벌 디밍부 40: 제2 디감마 처리부
42: APL 분석부 44: 로컬 디밍부
52: 프레임 게인 산출 및 적용부

Claims (9)

1. 액정 패널과,
   다수의 발광 블록을 포함하는 백라이트 유닛과,
   상기 액정 패널을 구동하는 구동 회로와,
   입력 영상을 영상 처리하여 상기 구동 회로로 출력하고, 상기 입력 영상을 상기 다수의 발광 블록에 각각 대응하는 다수의 블록으로 분할 분석하여, 블록별 평균 화상 레벨(이하 APL)에 따라 블록별 로컬 디밍 신호를 결정하여 출력하는 영상 처리부와,
   상기 영상 처리부로부터 공급된 블록별 로컬 디밍 신호를 이용하여 상기 다수의 발광 블록을 개별적으로 구동하는 백라이트 구동부를 포함하고,
   상기 영상 처리부는
   상기 입력 영상으로 하이 다이나믹 레인지(이하 HDR) 영상이 입력되면, 상기 HDR 영상의 프레임 최대 휘도에 따른 글로벌 디밍 신호를 더 생성하고, 상기 블록별 로컬 디밍 신호와 상기 글로벌 디밍 신호를 연산하여 최종 블록별 로컬 디밍 신호를 상기 백라이트 구동부로 공급하는 액정 표시 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 영상 처리부는
   상기 입력 영상과 함께 공급되는 콘텐츠 정보에 따라, 상기 입력 영상으로 공급된 상기 HDR 영상 또는 스탠다드 다이나믹 레인지(이하 SDR) 영상을 출력단을 구분하여 공급하는 입력부와,
   상기 입력부로부터 공급된 HDR 영상을 제1 디감마 처리하여 선형화된 HDR 컬러 휘도를 출력하는 제1 디감마 처리부와,
   상기 입력부로부터 공급된 SDR 영상을 제2 디감마 처리하여 선형화된 SDR 컬러 휘도를 출력하는 제2 디감마 처리부와.
   상기 제1 디감마 처리부로부터 공급된 HDR 컬러 휘도를 프레임 단위로 분석하여 상기 프레임 최대 휘도를 추출하는 최대 휘도 추출부와,
   상기 최대 휘도 추출부로부터 공급된 프레임 최대 휘도에 대응하는 상기 글로벌 디밍 신호를 결정하여 출력하는 글로벌 디밍부와,
   상기 제1 디감마 처리부로부터 공급된 HDR 컬러 휘도 또는 상기 제2 디감마 처리부로부터 공급된 SDR 컬러 휘도를 상기 다수의 블록으로 분할 분석하여 상기 블록별 APL을 산출하는 APL 분석부와,
   상기 APL 분석부로부터 공급된 블록별 APL에 대응하는 상기 블록별 로컬 디밍 신호를 결정하고 상기 글로벌 디밍 신호와 곱셈 연산하여 상기 최종 블록별 로컬 디밍 신호를 상기 백라이트 구동부로 출력하는 로컬 디밍부와,
   상기 제1 디감마 처리부로부터 공급된 HDR 컬러 휘도를 해당 표시 장치의 휘도 레인지를 갖는 정규화된 컬러 휘도로 맵핑하여 출력하는 휘도 맵핑부와,
   상기 휘도 맵핑부로부터 공급된 정규화된 컬러 휘도 또는 상기 제2 디감마 처리부로부터 공급된 SDR 컬러 휘도는 3색 휘도이고, 상기 3색 휘도를 화이트를 포함하는 4색 휘도로 변환하는 4색 변환부와,
   상기 4색 변환부로부터 공급된 4색 휘도를 감마 처리하여 4색 영상 데이터를 출력하는 감마 처리부를 구비하는 액정 표시 장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 영상 처리부는
   상기 제1 디감마 처리부로부터 공급된 HDR 컬러 휘도를 이용하여 영상 특징을 분석한 결과에 따라 제1 프레임 게인을 산출하고, 산출된 제1 프레임 게인을 상기 제1 디감마 처리부로부터 공급된 HDR 컬러 휘도에 적용한 결과를 상기 휘도 맵핑부로 출력하거나,
   상기 제2 디감마 처리부로부터 공급된 SDR 컬러 휘도를 이용하여 영상 특징을 분석한 결과에 따라 제2 프레임 게인을 산출하고, 산출된 제2 프레임 게인을 상기 제2 디감마 처리부로부터 공급된 SDR 컬러 휘도에 적용한 결과 상기 4색 변환부로 공급하는 프레임 게인 산출 및 적용부를 추가로 구비하는 액정 표시 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 영상 처리부는
   상기 입력 영상과 함께 공급되는 콘텐츠 정보에 따라, 상기 입력 영상으로 공급된 상기 HDR 영상 또는 SDR 영상을 출력단을 구분하여 공급하는 입력부와,
   상기 입력부로부터 공급된 HDR 영상을 제1 디감마 처리하여 선형화된 HDR 컬러 휘도를 출력하는 제1 디감마 처리부와,
   상기 입력부로부터 공급된 SDR 영상을 제2 디감마 처리하여 선형화된 SDR 컬러 휘도를 출력하는 제2 디감마 처리부와.
   상기 제1 디감마 처리부로부터 공급된 HDR 컬러 휘도를 프레임 단위로 분석하여 상기 프레임 최대 휘도를 추출하는 최대 휘도 추출부와,
   상기 최대 휘도 추출부로부터 공급된 프레임 최대 휘도에 대응하는 상기 글로벌 디밍 신호를 결정하여 출력하는 글로벌 디밍부와,
   상기 제1 디감마 처리부로부터 공급된 HDR 컬러 휘도 또는 상기 제2 디감마 처리부로부터 공급된 SDR 컬러 휘도를 상기 다수의 블록으로 분할 분석하여 상기 블록별 APL을 산출하는 APL 분석부와,
   상기 APL 분석부로부터 공급된 블록별 APL에 대응하는 상기 블록별 로컬 디밍 신호를 결정하고 상기 글로벌 디밍 신호와 곱셈 연산하여 상기 최종 블록별 로컬 디밍 신호를 상기 백라이트 구동부로 출력하는 로컬 디밍부와,
   상기 제1 디감마 처리부로부터 공급된 HDR 컬러 휘도를 해당 표시 장치의 휘도 레인지를 갖는 정규화된 컬러 휘도로 맵핑하여 출력하는 휘도 맵핑부와,
   상기 휘도 맵핑부로부터 공급된 정규화된 컬러 휘도 또는 상기 제2 디감마 처리부로부터 공급된 SDR 컬러 휘도를 감마 처리하여 영상 데이터를 출력하는 감마 처리부를 구비하는 액정 표시 장치.
5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 청구항에 있어서,
   상기 영상 처리부는 상기 프레임 최대 휘도가 상기 액정 표시 장치의 최대 휘도보다 크면 상기 액정 표시 장치의 최대 휘도를 상기 프레임 최대 휘도로 출력하는 액정 표시 장치.
6. 청구항 2 내지 4 중 어느 한 청구항에 있어서,
   상기 휘도 맵핑부는 공급받은 상기 HDR 컬러 휘도를 상기 표시 장치의 최대 휘도로 나누어 정규화하는 액정 표시 장치.
7. 입력 영상으로 공급된 HDR 영상으로부터 프레임 최대 휘도를 추출하고, 상기 프레임 최대 휘도에 대응하는 글로벌 디밍 신호를 결정하는 단계와,
   상기 HDR 영상을 분할 분석하여 블록별 APL을 산출하고, 상기 블록별 APL에 대응하는 블록별 로컬 디밍 신호를 결정하는 단계와,
   상기 블록별 로컬 디밍 신호와 상기 글로벌 디밍 신호를 연산한 최종 블록별 로컬 디밍 신호를 출력하여 백라이트를 구성하는 다수의 발광 블록을 개별적으로 제어하는 단계를 포함하는 액정 표시 장치의 구동 방법.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 HDR 영상의 휘도를 해당 표시 장치의 휘도 레인지를 갖는 정규화된 휘도로 맵핑하는 단계와,
   상기 정규화된 휘도는 3색 휘도이고, 그 3색 휘도를 4색 휘도로 변환하는 단계와,
   상기 4색 휘도를 영상 데이터로 변환하고, 그 영상 데이터를 표시 패널에 표시하는 단계를 추가로 포함하는 액정 표시 장치의 구동 방법.
9. 청구항 8에 있어서,
   SDR 영상을 분할 분석하여 블록별 APL을 산출하고, 상기 블록별 APL에 대응하는 블록별 로컬 디밍 신호를 출력하여 상기 백라이트의 다수의 블록을 개별적으로 제어하는 단계와,
   상기 SDR 영상의 3색 휘도를 4색 휘도로 변환하는 단계와,
   상기 4색 휘도를 영상 데이터로 변환하고, 그 영상 데이터를 표시 패널에 표시하는 단계를 추가로 포함하는 액정 표시 장치의 구동 방법.

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