[논문]적응적 휘도 감소를 이용한 OLED 패널의 저전력 디스플레이 방법 및 하드웨어 구현

조호상; 최대성; 서인석; 강봉순

doi:10.6109/jkiice.2013.17.7.1702

적응적 휘도 감소를 이용한 OLED 패널의 저전력 디스플레이 방법 및 하드웨어 구현
Hardware Implementation of Low-power Display Method for OLED Panel using Adaptive Luminance Decreasing 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.17 no.7, 2013년, pp.1702 - 1708

조호상 (Department of Electronic Engineering, Dong-A University) , 최대성 (Department of Electronic Engineering, Dong-A University) , 서인석 (Department of Electronic Engineering, Dong-A University) , 강봉순 (Department of Electronic Engineering, Dong-A University)

초록
AI-Helper

OLED(Organic Light-Emitting Diode)는 LCD와 달리 자체발광 특성 때문에 흰색을 표현할 때에는 R,G,B 소자가 모두 발광하여야 하므로 전력소비가 상대적으로 커지게 되는 문제점이 있다. 본 논문은 OLED 패널을 사용한 기기의 저전력 디스플레이 방법 및 하드웨어 구현에 관한 것이다. 입력 이미지의 휘도 정보를 기반으로 하여 실시간으로 화소 별 휘도 변환 값을 생성하여 적응적 휘도 조절 방법과 색도 축소 알고리즘의 기본 개념을 사용하여 새로운 색상보정 알고리즘을 사용하여 OLED 패널의 저전력 디스플레이 방법을 제안한다. 기존의 방법과 비교함으로써 제안한 방법의 성능을 확인한 결과 최대 48.43%의 전류 감소를 확인하였다. 최종적으로 제안된 알고리즘은 Verilog HDL로 하드웨어를 구현하였으며, OpenCV와 Window 프로그램을 사용하여 소프트웨어적으로 알고리즘을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

OLED has good efficiency of power consumption by having no power consumption from black color as different with LCD. when it has white color, all RGB pixel should be glowing with high power consumption and that can make it has short life time. This paper suggest the way of low power consumption for OLED panel using adaptive luminance enhancement with color compensation and implement it as hardware. This way which is based on luminance information of input image makes converted luminance value from each pixel in real time. There is with using the basic idea of chromaticity reduction algorithm, showing new algorithm of color correction. And performance of proposed method was confirmed by comparing the conventional method in experiments about 48.43% current reduction. The proposed method was designed by Verilog HDL and was verified by using OpenCV and Windows Program.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

기존에 제안된 알고리즘 들은 전력 소모를 줄이기 위하여 이미지의 구동 전압을 일괄적으로 낮추기 때문에 어두운 부분의 가독성이 떨어지는 문제점이 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 현상을 개선하기 위하여 픽셀별 보상 값을 생성하여 밝은 부분의 Gain을 크게 하고 적응적 보상 값을 생성하여 입력 이미지의 밝기 정보에 따라 적응적으로 전력 소모를 줄이는 방법을 제안하였다. 휘도가 감소된 이미지는 과채도화 현상이 발생하는데, 색도축소를 적용하여 이러한 문제점을 해결하였다.
본 논문은 OLED 패널의 저 전력 디스플레이 방법과 하드웨어 구현에 관한 것이다. 기존에 제안된 알고리즘 들은 전력 소모를 줄이기 위하여 이미지의 구동 전압을 일괄적으로 낮추기 때문에 어두운 부분의 가독성이 떨어지는 문제점이 있다.
이러한 방법은 이미지의 밝은 부분과어두운 부분 모두 휘도가 낮아져 화질이 열화 되는 문제점이 생긴다. 본 논문은 디스플레이 데이터 중 전력소모가 가장 많은 밝은 영역의 휘도를 가장 많이 낮춤으로써 소비 전력을 절감시키고, 전력 소모가 다소 적은 어두운 영역의 휘도를 원본과 동일하게 유지함으로써 어두운 부분 영상의 가독성을 높인다. 또한 밝기의 증가는 채도의 감소로 나타나 영상을 전체적으로 회색 톤으로 만들고, 과채도화된 결과를 보인다.

제안 방법

내부에는 reverse_gamma블록과 nce_divider블록을 포함하고 있다. Verilog HDL을 이용하여 하드웨어로 구현하였으며, Xilinx Virtex4 XC4VLX100 FPGA 보드를 사용하여 제안한 저 전력 디스플레이 방법의 실제 동작을 확인하였다. 표 1은 Synopsis Design Analyzer를 이용한 합성결과이다.
dithering은 입력 신호의 aliasing noise를 방지하기 위해 설계된 dithering 블록이다. reverse_gamma블록은 Y pass에서 중조도와 저조도의 보상 값 생성을 최소화하기 위하여 총 4가지의 곡선을 설계하였다. 이것은 컨트롤 값 alpha로 제어되며 non_linear_en을 disable하면 alpha=1에 해당하는 직선을 얻을 수 있다.
그 결과 소모 전력을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 색의 과채도화 현상을 방지하였으며 기존 알고리즘의 문제점을 보안할 수 있다는 것을 검증하였다. 또한 Verilog-HDL을 사용하여 하드웨어로 설계를 하였으며, FPGA보드를 이용하여 확인 하였다.
표 3는 표 2의 테스트 영상을 이용한 소모 전류를 측정한 결과이다. 모든 픽셀이 모두 흰색일 경우(Full White)를 100%로 정의하고 Full White대비 소모전류를 측정하였다. 1번부터 3번 샘플은 고휘도 이미지를 테스트한 결과이고 4번과 5번은 저휘도 이미지를 테스트한 결과이다.
comp_value_gen은 제안된 가시성향상 시스템에서 실질적인 알고리즘이 대부분 포함되어 있는 Core 블록이다. 색도 보정 과정에서 Y 정보를 사용해야 하는 경우가 대부분이므로 하드웨어 자원을 절약하기 위하여 Y 패스와 CbCr 패스를 다른 블록으로 분리하지 않고 하나의 블록으로 설계하였다. 내부에는 reverse_gamma블록과 nce_divider블록을 포함하고 있다.
따라서 색도 축소를 적용하여 과채도화 된 이미지를 보정 하여 원본과 유사하게 유지할 수 있다. 이로써 OLED 를 이용한 디스플레이 장치에서 데이터에 포함된 영상의 화질이나 색상, 텍스트 등 정보의 가독성은 최대한 원본과 유사하게 유지하면서 전력 소비를 낮추는 방법을 제안한다.
휘도 조정을 거친 영상은 패널의 전류 소모를 감소시키지만 영상이 전체적으로 과채도화 된 모습을 보인다[7][8]. 이를 보완하기 위하여 휘도의 변화 비율을 계산 하여 Cb와 Cr영역를 축소한다.
제안된 알고리즘은 Y, Cb, Cr을 사용하여 데이터를 줄이는 방법을 사용하였다. mean 블록은 입력 영상의 Y 평균을 연산하기 위한 것이다.
제안된 알고리즘은 YCbCr 색도좌표계를 기반으로한 처리 방법을 사용한다. 전류 제어를 위하여 먼저 화소별 보상 값을 생성한다.
제안된 알고리즘은 화소별 휘도 값의 크기뿐만 아니라 입력 화소의 평균 명암 값을 이용하여 적응적으로 전류를 제어하는 방법이다. 수식 (5)는 휘도 값을 최종 보정하기 위한 적응적인 Gain을 생성하기 위한 수식으로 수식 (6)의 L_s는 L_gain값을 결정하기 위한 기울기를 나타내고 수식 (7)의 L_i는 L_gain값을 결정하기 위한 절편을 나타낸다.

대상 데이터

표 1은 Synopsis Design Analyzer를 이용한 합성결과이다. 50MHz의 동작 속도를 만족하였고, gate counts는 38,633개로 구성되었다.
표 2은 본 논문에서 제안하는 저전력 디스플레이 방법의 성능을 평가하기 위한 5개의 테스트 영상이며, 1～3번 영상은 고휘도 영상, 4,5번 영상은 저휘도 영상에 해당한다. 제안된 화질개선 방법은, Microsoft Visual Studio 2008을 이용한 검증 프로그램을 통해 성능을 검증하였다.

데이터처리

표 2은 본 논문에서 제안하는 저전력 디스플레이 방법의 성능을 평가하기 위한 5개의 테스트 영상이며, 1～3번 영상은 고휘도 영상, 4,5번 영상은 저휘도 영상에 해당한다. 제안된 화질개선 방법은, Microsoft Visual Studio 2008을 이용한 검증 프로그램을 통해 성능을 검증하였다.

성능/효과

휘도가 감소된 이미지는 과채도화 현상이 발생하는데, 색도축소를 적용하여 이러한 문제점을 해결하였다. 그 결과 소모 전력을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 색의 과채도화 현상을 방지하였으며 기존 알고리즘의 문제점을 보안할 수 있다는 것을 검증하였다. 또한 Verilog-HDL을 사용하여 하드웨어로 설계를 하였으며, FPGA보드를 이용하여 확인 하였다.
표 4는 기존 이미지의 구동 전압을 일괄적으로 낮추는 기존의 방법과 제안한 방법에 대하여 표2의 1번 과 2번 샘플에서 휘도 값의 구간을 나누어 그 분포정도를 나타낸 것이다. 기존의 방법은 일괄적으로 낮아지기 때문에 저휘도 구간의 비율이 1번 샘플의 기존 0.18%에서 0.50%로, 2번 샘플의 기존 11.34%에서 20.22로 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 제안한 방법은 높은 휘도 값은 1번 샘플의 기존 90.83%에서 0.00%로 2번 샘플의 기존 70.55%에서 0.00%로 낮아지며 전력 소모를 줄이고 낮은 휘도 값은 1번 샘플의 기존 0.18%에서 0.18%로, 2번 샘플의 기존 11.34%에서 11.43%로 입력과 비슷하게 분포되어 가독성을 유지하는 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	OLED에는 LCD와 비교해 어떤 문제점이 있는가?	OLED(Organic Light-Emitting Diode)는 LCD와 달리 자체발광 특성 때문에 흰색을 표현할 때에는 R,G,B 소자가 모두 발광하여야 하므로 전력소비가 상대적으로 커지게 되는 문제점이 있다. 본 논문은 OLED 패널을 사용한 기기의 저전력 디스플레이 방법 및 하드웨어 구현에 관한 것이다.
	디스플레이 밝기를 조절하기 위한 방법에는 무엇이 있는가?	따라서 밝은 빛을 낼때에는 높은 전류를 소비하게 되는데, 다양한 디스플레이 장치 적용을 위해서 저 전력화가 필수적인 요소이다. 일반적으로 디스플레이 밝기를 조절하기 위해서는 이미지의 구동 전압을 일괄적으로 낮추는 방법이 있다 [4][5]. 이러한 방법은 이미지의 밝은 부분과어두운 부분 모두 휘도가 낮아져 화질이 열화 되는 문제점이 생긴다.
	밝은 빛을 낼때에는 높은 전류를 소비하게 되는데, 다양한 디스플레이 장치 적용을 위해서 저 전력화가 필수적인 요소인 이유는?	특히 OLED(Organic Light Emitting Diode)를 이용한 디스플레이 장치의 경우 휴대용 단말로 시장이 확대되고 있다. OLED의 출력되는 빛의 양은 전류에 비례하게 된다 [1]-[3]. 따라서 밝은 빛을 낼때에는 높은 전류를 소비하게 되는데, 다양한 디스플레이 장치 적용을 위해서 저 전력화가 필수적인 요소이다.

참고문헌 (8)

Alexander Arkhipov, Baek-woon Lee, Kyongtae Park, Si-duk Sung, Sungtae Shin, and Kyuha Chung, "Using Net Power Control for AMOLED TV," IMID' 07 Digest, vol. 7, no. 1, pp. 47-50, Aug. 2007.
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B. W. Lee, C. W. Park, S. G. Kim, T. H. Kim, Y. C. Yang, J. H. Oh, J. Y. Choi, M. P. Hong, D. S. Sakong, K. H. Chung, S. D. Lee, and C. Y. Kim, "TFTLCD with RGBW Color System," SID' 03 Digest, pp. 1212, May. 2003.
S. Lee, H. Kwon, H. Han, G. Lee, and B. Kang, "A Space-Variant Luminance Map based Color Image Enhancement," IEEE Trans. on the Consumer Electronics, vol. 56, no. 4, pp. 2636-2643, Nov. 2010.

상세보기
C.C. Ku and T.M. Wang, "Luminance-based adptive color saturation adjustment," IEEE Trans. on the Consumer Electronics, vol. 51. no. 3, pp. 939-946, Aug. 2005.

상세보기
Y. Huang, L. Hui, and K.H. Goh, "Hue-based color saturation compensation," IEEE International Conference on Consumer Electronics, pp. 160-164, Sep. 2004.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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