[논문]LED TV 패널 밝기 균일화 보정 시스템 개발

박제성; 이원우; 주효남; 김준식

doi:10.5302/j.icros.2016.15.0127

Abstract ▼ AI-Helper

When Flat Panel Display (FPD) is made with backlight module, such as LED TV, it inherently suffers from the non-uniform backlight luminance problem that results in un-even brightness distribution throughout the TV screen. If the luminance of each pixel location of a TV screen as a function of the dr...

When Flat Panel Display (FPD) is made with backlight module, such as LED TV, it inherently suffers from the non-uniform backlight luminance problem that results in un-even brightness distribution throughout the TV screen. If the luminance of each pixel location of a TV screen as a function of the driving voltage can be measured, it can be used to compensate the non-uniformity of the backlight module. We use a carefully calibrated imaging system to take pictures of a TV screen at different levels of brightness and generate the compensation functions for the driving circuitry to correct the luminance level at each pixel location. Making use of the fact that the luminance of the screen is normally brightest at around the center of the screen and gradually decreases toward the border of the screen, the luminance of the whole TV screen is approximated by a mathematical function of the pixel locations. The parameters of the function are computed in the least square sense by the values of both the pixel luminance sent from the driving circuit and the grayscale value measured from the image taken by the imaging system. To justify the correction system, a simple second order polynomial function is used to approximate the luminance across the screen. When the driving circuit voltage is corrected according to the measured function, the variance of the screen luminance is reduced to one tenth of the one measured from the un-corrected TV screen.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 LED TV 패널의 휘도 불균일 문제를 해결하기 위한 방법으로 기존의 backlight LED 재배치나 도광판 사용 방식과는 달리 영상처리 알고리즘을 적용한 비전 솔루션을 제안한다.
본 논문은 TV의 휘도 불균일 문제를 해결하기 위해 소프트웨어적 접근으로 각 패널마다의 입력영상에 영상처리알고리즘을 적용하여 휘도 보정 영상을 만들어 FPD 양산과정에 실용적으로 적용 가능한 방법을 제시한다. 이러한 보정 방법으로 패널의 밝기 불균일도를 개산한다면, backlight의 밝기 불균일에 의한 문제나 도광판으로 인한 문제를 하드웨어적으로 일일이 수정하지 않고 패널의 불균일 휘도를 쉽게 개선할 수 있다.
본 논문은 보정 영상을 input image로 하여 TV 패널의 밝기를 보정하는 것이다. 이를 위해 정확한 영상의 획득과 촬영하지 않은 in-image에 대한 out-image의 정확한 계산이 전제되어야 한다.

제안 방법

그림 7. Inteipolation 전, 후 영상의 수 비교.
조절한다. 다음으로 TV 패널에 디스플레이 할 in-image의 밝기를 15 gray-scale 간격으로 하여 영상을 촬영한 후 모든 촬영 영상에 대해 image warping 알고리즘을 적용, 전체 영상에서 관심영역만 잘라낸다. 영상 촬영 단계에서 15 gray-scale 간격으로 촬영하였기 때문에 촬영하지 않은 input image의 밝기가 존재한다.
실험 방법으로는 현재 TV와 같은 크기의 균일한 휘도를 갖는 광원이 존재하지 않기 때문에 2*21010mmm m 크기의면조명을 사용하여 TV영역 내에서 일정한 간격으로 면 조명의 위치를 옮겨 촬영하고, 면조명 중심(*99) 의 평균값들을 비교한다.
이 이유로 촬영 영상의 사이를 보간해야 한다. 영상 보간 후 각 영상에서 밝기 값이 가장 낮은 픽셀을 찾고, TV패널에서 해당 픽셀 위치의 휘도를 계산한다. 계산된 휘도로 전체픽셀을 보정한다.

대상 데이터

그래서 in-image의 밝기를 임의의 구간으로 나누어 촬영해야 한다. 본 논문에서는 밝기 15 grayscale 의 간격으로 총 18장의 영상을 촬영하였다. 그림 5는 in-image로 사용한 영상이며 전체 픽셀의 밝기는 210이다.
식 (1)에서 물체의 크기 O, CCD 픽셀 크기 C, 렌즈의 초점거리 F는 알 수 있는 값으皂 이 값들을 식 (1)에 대입하면 砂를 구할 수 있다. 본 연구는 시료의 크기가 40인치 LED TV와, CCD 픽셀의 크기가 가皂 세로 7.4叩인 Vieworks사의 VH-16MC 카메라를 사용하였다. 촬영 중에 생길 수 있는 노이즈를 최소화하기 위하여 모든 촬영은 암실을 이용, 외부 빛을 차단하고, 광원을 촬영하기 위한 광학계이기 때문에 별도의 조명은 사용하지 않는다.
out-image이다. 영상의 전체 크기는 4*382742 8 이며, 그중 TV의 크기는 1*109820 0 이다. 영상을 살펴보면 TV의 중심을 기준으로 하여 모서리 쪽으로 갈수록 밝기가 점점 어두워지고 있는 것을 확인할 수 있다.

데이터처리

나타내었다. 표 6에서 보정 전 TV 패널의 휘도 불균일 정도와 보정 후의 패널 휘도 불균일 정도를 최소 휘도 (min), 최대 휘도(max), 평균휘도(avg), 그리고 표준편차 (sig卽a)로 비교하였다. TV 패널의 밝기 균일도를 측정할 수 있는 일반적인 측정식이 존재하지 않아 TV 패널 휘도의 평균과 표준편차를 사용하였으며, 표준편차가 작다는 것은 물리적으로 균일도가 향상되었다고 판단할 수 있기 때문이다.

이론/모형

각 변수들의 계수들은 최소제곱법을 이용하여 구하였다. 최소제곱법은 오차의 제곱합을 최소화하는 방법으로 오차가 최소가 되는 각 변수들의 계수를 구한다.
다시 말해 0~255의 밝기를 18구간으로 나누어 촬영한 18장의 out-image 사이사이를 보간하여총 256장의 out-image를 만드는 단계이다. 보간 방법은 linear interpolation [8]을 이용한다.

성능/효과

일반적으로 TV 패널은 어두운 영상의 경우 화면의 중심부분과 외곽부분의 밝기 편차가 작지만, 영상이 점점 밝아질수록 화면 중심부와 외곽부의 편차가 커지게 되는 현상을 표 6을 통해 알 수 있다. 다시 말해서 보정 전 패널에 낮은 밝기의 in-image를 출력했을 경우 불균일 정도가 작지만, 밝은 영상을 출력할수록 불균일 정도가 커지는 것을 확인할 수 있다. 이는 TV 패널에 밝은 영상을 출력할수록 화면의 균일도가 낮아지는 현상으로 밝은 영상일 수록 불균일 도가 심화된다.
TV 패널의 밝기 균일도를 측정할 수 있는 일반적인 측정식이 존재하지 않아 TV 패널 휘도의 평균과 표준편차를 사용하였으며, 표준편차가 작다는 것은 물리적으로 균일도가 향상되었다고 판단할 수 있기 때문이다. 또한 TV 패널의 밝기 보정 후 가장 이상적인 결과는 표준편차가 0의 값을 가지는 경우이나 이러한 경우는 물리적으로 발생 불가능한 경우로 실제의 현장에서는 되도록 작은 표준편차값을 가지는 것이 최선이며, 최대 허용 가능한 표준편차는 11정도로 이 값을 벗어나는 경우 불량으로 처리한다. 일반적으로 TV 패널은 어두운 영상의 경우 화면의 중심부분과 외곽부분의 밝기 편차가 작지만, 영상이 점점 밝아질수록 화면 중심부와 외곽부의 편차가 커지게 되는 현상을 표 6을 통해 알 수 있다.
실험결과에서 보여 주듯이 보정 영상을 출력한 패널의 휘도 불균일 정도는 보정 전 보다 입력영상의 밝기가 밝아질수록 패널 내의 휘도의 편차가 최대 10배 이상 줄어드는 결과를 얻을 수 있었다. 다만 입력영상의 밝기가 밝아질수록 보정 후의 평균휘도가 낮아지는 현상이 존재하므로 좀 더 좋은 TV 패널의 화질을 위해 평균휘도 개선에 대한 연구가 필요하다.
표 6의 보정 전/후의 측정 결과를 보면 제안한 방법을 통해 만들어진 보정 영상을 in-image로 사용한 경우 그렇지않은 경우보다 TV화면의 밝기값들의 표준편차가 최대 10 배 이상 줄어들어 보정 전보다 균일한 휘도를 보이고 있다. 보정 후의 휘도가 보정 전 보다 더 낮아지는 이유는 TV 패널의 가장 낮은 휘도로 보정하기 때문이다.

후속연구

이러한 현상은 보정 전과 후의 화면을 동시에 같이 비교할 때는 차이가 나지만 보정 후의 화면만을 볼 경우에는 시각적으로 큰 문제점은 나타나지 않는다. 그러나 이러한 평균휘도 저하현상을 개선한다면 좀 더 좋은 질의화면을 시청할 수 있을 것으로 예상되며, 이러한 개선을 위해 TV 패널에 출력되는 backlight의 강도를 더 높임으로 평균 휘도의 개선이 이루어질 수 있도록 이러한 부분에 대한 차후 연구가 필요하다.
얻을 수 있었다. 다만 입력영상의 밝기가 밝아질수록 보정 후의 평균휘도가 낮아지는 현상이 존재하므로 좀 더 좋은 TV 패널의 화질을 위해 평균휘도 개선에 대한 연구가 필요하다.

참고문헌 (11)

J.-H. Kim, I.-W. Lee, J.-W. Kim, J.-S. Won, D.-S. Oh, and J.-S. Kim, "Technical trends of power electronics and flat panel display," Proceeding of Power Electronics Annual Conference 2009, pp. 201-204, 2009.
S.-G. Jung, Y.-I. Cho, and H. Kim, "The study of a revision UGR for non-uniform luminance source," Proceeding of The Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers Annual Conference 2008, pp. 137-140, 2008.
X.-L. Song, Y. Wang, B.-Z. LI, C. Liu, and X. Zhang, "Analysis about the relationship between LED visual angle and luminance and the influence of which on LED display luminance uniformity," Advanced Display, vol. 95, pp. 61-64, 2008.
Q.-F. Liu, X.-N. Zhang, C.-L. Liu, and X.-L. Ding, "Improvement for lightness uniformity of LED backlight," Vacuum Electronics, vol. 6, pp. 17-20, 2009.
R. S. Chang, J. Z. Tsai, T. Y. Li, and H. L. Liao, "LED backlight module by lightguide-diffusive component," Journal of Display Technology, vol. 8, no. 2, pp. 79-86, 2012.

상세보기
R. Y. Tsai, "A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3D machine vision metrology using off-the-shelf TV cameras and lenses," IEEE Journal of Robotics and Automation, vol. RA-3, no. 4, pp. 323-344, 1987.

상세보기
http://groups.csail.mit.edu/graphcs/classes/CompPhoto06/html/ lecturenotes/14_WarpMorph_6.pdf
http://en.wikipedia.org/wiki/Linear_interpolation
P. Fiorentin and A. Scroccaro, "Comparison of luminance measurement based on illuminance and luminance detectors," Proceeding of 2009 International Instrumentation and Measurement Technology Conference, pp. 809-813, 2009.
P. Fiorentin and Alessandro Scroccaro, "Detector- based calibration for illuminance and luminance meters― Experimental results," IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, vol. 59, no. 5, pp. 1375-1381, 2010.

상세보기
P. Fiorentin and Alessandro Scroccaro, "Illuminance from luminance measurement experimental results," Proceeding of 2011 IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, pp. 1-6, 2011.

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