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Universität Dortmund
Seminar „Moderne Displaytechnik“
Signalverarbeitungzur Artefaktreduktion
Fakultät für Elektrotechnik und
Informationstechnik
Lehrstuhl für Kommunikationstechnik
Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Kays
Christian [email protected]
Seminar „Moderne Displaytechnik“
1/29/02
Folie 2Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
Übersicht
Was sind Artefakte- Erscheinungsformen- Beispiele
Entstehung von Artefakten- Besonderheiten bei Plasma– und DMD–Displays- Kodierung in Subfields
Möglichkeiten zur Reduktion von Artefakten- Änderung der Subfield–Kodierung- Bewegungkompensierte Subfield–Optimierung
Beispiel: Panasonic TC–45P1F
Beispiel: DLP Image Processing IC–Andromeda ASIC
Zusammenfassung
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Folie 3Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
Erscheinungsformen
Kodierartefakte- Quantisierungsfehler
- DCT–Blockgrenzen
Artefakte durch räumlich zeitliche Bildformatkonversion- De–Interlacing (Kammstrukturen)
- 100Hz Aufwärtskonversion (Bewegungsrucken/Bewegungsunschärfe)
Artefakte durch Pulsweitenmodulation- Dynamische Falschfarb/-kontur–Artefakte (DFC)
- Farbseparations–Artefakte
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Folie 4Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
Erscheinungsformen: Artefakte
Ideal
Falschfarb/-kontur
Artefakte
Zeilen-sprungArtefakte
Farb-separationsArtefakte
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Folie 5Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
Signalfluß in digitalen Displays
DekodierungDekodierung
FormatkonversionFormatkonversion
Aufbereitung & AnzeigeAufbereitung & Anzeige
ArtefaktreduktionArtefaktreduktion
BildverbesserungBildverbesserung
A/D–Wandlung, Deinterlacing, Auflösungsanpassung,Farbraumkonversion (RGB), inv. Gammakorrektur
Rauschunterdrückung, Schärfe, Kontrast
Fehlerdiffusion, Bewegungskompensation
Pulsweitenmodulation der Pixel (Subfields)
Analogvideo (YUV) oder Digital Dekodierung,Dekompression
Videosignal
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Folie 6Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
Besonderheiten
Keine Amplitudenmodulation möglich
Inverse Gammakorrektur erforderlich (Graustufenverlust)
Aufschaltzeit eines Subfields- PDP: ca. 1900 µs (Initialisierung und Adressierung),
ca. 950 µs bei Dual Scanning
- DMD: 15 - 20 µs (mechanische Schaltzeit),
2 µs (optische Schaltzeit)
Bilddauer (bei europäischem TV): 20 ms- 1-Chip DLP: LSB–Leuchtdauer ca. 21 µs
Zusätzliches Problem bei PDP‘s- Unkontrollierte Entladungen bei Initialisierung (Bildaufhellung)
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Folie 7Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
Videosignal 8 Subfields
800
600
8
8
8
Bildda
uer
Zeilendauer
800
600
Bilddauer
8
8
8
800
600
Bilddauer
8
CRTPDP
bzw.
3-Chip DLP1–Chip DLP
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Folie 8Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
Graustufen durch Pulsweitenmodulation
Pixel kann nur aktiv oder inaktiv sein
Pixel-Helligkeit durch Leuchtdauer simuliert
Einfachstes Verfahren für die Helligkeitssimulation eines Pixels(binary weighted subfield – BWS)
Adressierungs- dauer
rel. Leuchtdauer, binär gewichtet
Zeit
Bilddauer
1 2 4 8 16 6432 128
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Folie 9Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
Dynamische Scheinkonturendynamic false countours (DFC)
MSB-1MSB
MSB-1MSB-1MSB MSB
Bewegung Bewegung
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Folie 10Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
Artefaktreduktion
Grundstrategien- Verminderung des MSB Gewichts
- Gleichverteilung des Stimulus
- Bewegungsvektor–gestützte Subfield Optimierung
Lösungsansätze- Lange Subfelder unterteilen (bit/subfield splitting)
- Subfelder mit mehreren Leuchtstärken (multi–level subfield)
- Linear Kodierte Subfelder (Beispiel: Panasonic TC-45P1F)
- Duplicated Subfields
Besonderheiten bei 1–Chip DMD–Systemen- Farbartefakte
Beispiel einer technischen Realisierung (Andromeda)
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Folie 11Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
Subfield splitting
Aufteilung der höherwertigsten Bits in mehrere Subfields- Weiterhin 256 Farbstufen verfügbar
- Höhere Subfield–Anzahl erforderlich
- Geringere Maximale Leuchtdauer
- Leichte Bildaufhellung
Zeit
Bilddauer
1 2 4 8 16 32 32 32 32 32 32
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Folie 12Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
multi-level subfield (MLS)
Motivation:- Entgegengesetzte Anordnungen
benachbarter Pixel heben ihre Wirkung auf
Problem:- Neue Artefakte bei bestimmten
Geschwindigkeiten
Zeit
Bilddauer
128 64322 16 48 1
12864 32 2164 81
X
Y
X Y
X Y X
Y X Y
X Y X
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Folie 13Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
Lineare Codierungen
Subfields in Abhängigkeit von Bildhelligkeit- 10 SF für dunkle Bildvorlagen (geringe Aufhellung, hohe Spitzenhelligkeit)
- 11 SF für normale Bildvorlagen
- 12 SF für helle Bildvorlagen (Fein abgestufte Kodierung, geringere
Leuchtzeiten, geringere Leistungsaufnahme)
Bilddauer
12 SF
11 SF
10 SF
4019 53421 6 10 14 26 33 47
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Folie 14Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
duplicated subfield (DSF)
Aufspaltung höherwertiger Subfields
Geringere Unterschiede zwischen Subfields
Gleichverteilung der Amplituden
Bei paarweiser Subfield–Ansteuerung Reduktion des
Großflächenflimmerns
Zeit
Bilddauer
24 32168 40 81 4042 8 16 24 32
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Folie 15Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
Farbseparationsartefakte bei1-Chip DLP–Systemen
Farbseparationsartefakte- Sequentielle Darstellung der Farben
(bei bewegten Bildern)
- Kurzzeitige Verdeckung einer Farbe
(bei stehenden Bildern)
Bewegung
Farbrad R/G/B
Lichtquelle
DMD
Projektions-objektiv
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Folie 16Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
sequential color recapture (SCR)
Quasiparallele Darstellung der Farbe- Farben rollen permanent über dem DMD–Chip ab
Eigenschaften des Prototypsystems- Erreicht die Lichtausbeute eines 3-Chip-Systems
- Pulsierendes Bild
721µs
9 x in 20 ms
t
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Folie 17Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
Bewegungskompensation
Subfieldfolge wird an die Bewegung des Auges angepasst- Hardware zur Bewegungsschätzung erforderlich (z.B. Blockmatching)
Mit beliebigen Subfield-Folgen kombinierbar
Problem unverändert, falls Bewegung nicht verfolgt wird / falsch geschätzt
Bewegungs-kompensation
MSB-1MSB
MSB-1MSB
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Folie 18Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
Beispiel: DLP Image ProcessingIC–Andromeda ASIC
Formatkonversion &Bildverbesserung
Artefakt-reduktion
Steuerung &Takt Verteilung
DMD Formatierung &Anzeige
Daten9x8x8
Steuerung
32
13
13
13
Takt
Host Interface
DMD–Datenbus
SDRAMSpeicherbus
Steuerung
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Folie 19Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
Artefakreduktion
Error Diffusion (EDF)- „Rückgewinnung“ verlorener dunkler Graustufen
Boundary Dispersion Processing (BDP)- Höherwertige Bit Transitionen werden „verschmiert“
Split Plane Processing (SPP)
13
13
13
12
12
12
12
12
12EDF
LFSRSTD
6
Add
r 7
BDP
128x
6M
LUT
128x
2C
LUT
Add
r 7D
ata
6 Dat
a 6
SPPMUX
32x11LUT
Add
r 5 Dat
a 11
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Folie 20Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
Fehlerdiffusion (EDF)
Verlust von dunklen Graustufen durch inverse Gammakorrektur- Gebietsweise Konturen in dunklen Bildbereichen
Fehlerdiffusion um Graustufen wiederzugewinnen- Addition eines Dithersignals (weißes Rauschen)
0
0,001
0,002
0,003
0 0,02 0,04 0,06 0,08
Eingangssignal (9Bit)
Aus
gang
ssig
nal
(13B
it)Quantisierungsprobleme
Ohne Dithering Mit Dithering
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Folie 21Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
Boundary Dispersion Processing (BDP)
Selektives Dithern in einem BDP–Block- Addition eines Offsets in der Umgebung von Bit–Transitionen
- Offset von Pixel–Wert, Ort und Zeit abhängig
28 36 28 36
36 28 36 28
28 36 28 36
36 28 36 28
36 28 36 28
28 36 28 36
36 28 36 28
28 36 28 36
32 32 32 32
32 32 32 32
32 32 32 32
32 32 32 32
Ungerades Bild Gerades BildOriginal
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Folie 22Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
Split plane processing (SPP)
Generierung neuer Bit-Planes, um Transitionen zu kontrollieren
Minimierung der Bit Änderungen zwischen benachbarten Codes (vgl. Gray Code)
- zeitliche Verschiebung (hier 34)
Problem: Mehr Bildspeicher erforderlich
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
1 2 4 1 2 2 2
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Folie 23Lehrstuhl fürKommunikationstechnikProf. Dr. Rüdiger Kays
Zusammenfassung
Probleme bei PDP– und DLP–Systemen durch PWM- Artefakte bei Verfolgung durch das menschliche Auge
- Artefakte durch sequentielle Darstellung der Farbe
Unterschiedliche Methoden zur Artefaktreduktion- Änderungen der Subfield–Anzahl und Abfolge
- Bewegungskompensation
Vollständige Artefaktkorrektur nicht möglich- Begrenzte Subfield-Anzahl bei PDP
- Vorteil bei DLP: hohe Schaltgeschwindigkeit