Universität Dortmund Seminar Moderne Displaytechnik Signalverarbeitung zur Artefaktreduktion Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl

Universität Dortmund

Seminar „Moderne Displaytechnik“

Signalverarbeitungzur Artefaktreduktion

Fakultät für Elektrotechnik und

Informationstechnik

Lehrstuhl für Kommunikationstechnik

Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Kays

Christian [email protected]


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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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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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Erscheinungsformen: Artefakte

Ideal

Falschfarb/-kontur

Artefakte

Zeilen-sprungArtefakte

Farb-separationsArtefakte


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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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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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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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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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Dynamische Scheinkonturendynamic false countours (DFC)

MSB-1MSB

MSB-1MSB-1MSB MSB

Bewegung Bewegung


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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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

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