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Signalverarbeitung zur Artefaktreduktion

Seminar „Moderne Displaytechnik“. Signalverarbeitung zur Artefaktreduktion. Christian Schilling christian.schilling@gmx.net. Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl für Kommunikationstechnik Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Kays. Universität Dortmund. Was sind Artefakte

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Signalverarbeitung zur Artefaktreduktion

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Presentation Transcript

  1. Seminar „Moderne Displaytechnik“ Signalverarbeitungzur Artefaktreduktion Christian Schilling christian.schilling@gmx.net Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl für Kommunikationstechnik Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Kays Universität Dortmund

  2. 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 Übersicht

  3. 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 Erscheinungsformen

  4. Ideal Zeilen-sprungArtefakte Falschfarb/-kontur Artefakte Farb-separationsArtefakte Erscheinungsformen: Artefakte

  5. Videosignal Analogvideo (YUV) oder Digital Dekodierung,Dekompression Dekodierung A/D–Wandlung, Deinterlacing, Auflösungsanpassung,Farbraumkonversion (RGB), inv. Gammakorrektur Formatkonversion Rauschunterdrückung, Schärfe, Kontrast Bildverbesserung Fehlerdiffusion, Bewegungskompensation Artefaktreduktion Pulsweitenmodulation der Pixel (Subfields) Aufbereitung & Anzeige Signalfluß in digitalen Displays

  6. 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) Besonderheiten

  7. 800 800 800 600 600 600 8 8 8 8 8 8 8 Bilddauer Bilddauer Zeilendauer Bilddauer PDPbzw.3-Chip DLP CRT 1–Chip DLP Videosignal  8 Subfields

  8. 128 1 2 4 8 16 32 64 Bilddauer Zeit • Pixel kann nur aktiv oder inaktiv sein • Pixel-Helligkeit durch Leuchtdauer simuliert • Einfachstes Verfahren für die Helligkeitssimulation eines Pixels(binary weighted subfield – BWS) rel. Leuchtdauer, binär gewichtet Adressierungs- dauer Graustufen durch Pulsweitenmodulation

  9. Bewegung Bewegung MSB MSB MSB MSB-1 MSB-1 MSB-1 Dynamische Scheinkonturendynamic false countours (DFC)

  10. 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) Artefaktreduktion

  11. Aufteilung der höherwertigsten Bits in mehrere Subfields • Weiterhin 256 Farbstufen verfügbar • Höhere Subfield–Anzahl erforderlich • Geringere Maximale Leuchtdauer • Leichte Bildaufhellung 16 32 1 2 4 8 32 32 32 32 32 Bilddauer Zeit Subfield splitting

  12. Motivation: • Entgegengesetzte Anordnungen benachbarter Pixel heben ihre Wirkung auf • Problem: • Neue Artefakte bei bestimmten Geschwindigkeiten 1 64 128 32 8 4 16 2 X Y 128 64 2 8 32 16 4 1 Bilddauer Zeit Y X X Y X Y X Y X Y X multi-level subfield (MLS)

  13. 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) 1 2 4 6 10 14 19 26 33 40 47 53 12 SF 11 SF 10 SF Bilddauer Lineare Codierungen

  14. Aufspaltung höherwertiger Subfields • Geringere Unterschiede zwischen Subfields • Gleichverteilung der Amplituden • Bei paarweiser Subfield–Ansteuerung Reduktion des Großflächenflimmerns 1 16 24 32 40 2 8 16 24 8 4 8 32 40 Bilddauer Zeit duplicated subfield (DSF)

  15. Bewegung Farbrad R/G/B • Farbseparationsartefakte • Sequentielle Darstellung der Farben(bei bewegten Bildern) • Kurzzeitige Verdeckung einer Farbe(bei stehenden Bildern) Lichtquelle Projektions-objektiv DMD Farbseparationsartefakte bei1-Chip DLP–Systemen

  16. 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 sequential color recapture (SCR)

  17. 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 MSB MSB-1 MSB-1 Bewegungskompensation

  18. Daten9x8x8 13 Formatkonversion &Bildverbesserung Artefakt-reduktion 13 Steuerung 13 32 Steuerung &Takt Verteilung DMD Formatierung &Anzeige Takt DMD–Datenbus Host Interface Steuerung SDRAMSpeicherbus Beispiel: DLP Image ProcessingIC–Andromeda ASIC

  19. EDF SPPMUX 13 13 13 Data 11 Addr 5 6 LFSRSTD 32x11LUT • Error Diffusion (EDF) • „Rückgewinnung“ verlorener dunkler Graustufen • Boundary Dispersion Processing (BDP) • Höherwertige Bit Transitionen werden „verschmiert“ • Split Plane Processing (SPP) 12 12 BDP 12 12 12 12 Addr 7 Data 6 Addr 7 Data 6 128x6MLUT 128x2CLUT Artefakreduktion

  20. Verlust von dunklen Graustufen durch inverse Gammakorrektur • Gebietsweise Konturen in dunklen Bildbereichen • Fehlerdiffusion um Graustufen wiederzugewinnen • Addition eines Dithersignals (weißes Rauschen) Quantisierungsprobleme Ohne Dithering Mit Dithering Ausgangssignal (13Bit) Eingangssignal (9Bit) Fehlerdiffusion (EDF)

  21. Selektives Dithern in einem BDP–Block • Addition eines Offsets in der Umgebung von Bit–Transitionen • Offset von Pixel–Wert, Ort und Zeit abhängig Ungerades Bild Gerades Bild Original Boundary Dispersion Processing (BDP)

  22. Generierung neuer Bit-Planes, um Transitionen zu kontrollieren • Minimierung der Bit Änderungen zwischen benachbarten Codes (vgl. Gray Code) • zeitliche Verschiebung (hier 34) • Problem: Mehr Bildspeicher erforderlich 1 2 4 1 2 2 2 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 Split plane processing (SPP)

  23. 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 Zusammenfassung

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