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

Entstehung von Artefakten 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

Artefakte durch räumlich zeitliche Bildformatkonversion 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

Erscheinungsformen: Artefakte Ideal Zeilen- sprung Artefakte Falschfarb/ -kontur Artefakte Farb- separations Artefakte Erscheinungsformen: Artefakte

Signalfluß in digitalen Displays 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

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

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

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

Dynamische Scheinkonturen dynamic false countours (DFC) Bewegung Bewegung MSB MSB MSB MSB-1 Menschliches Auge verfolgt Bewegte Objekte Dadurch wird ein Pixel nicht mehr auf die selbe Stelle auf der Netzhaut abgebildet. (-> Intensitätseinbrüche) Maximaler Fehler trägt das MSB Gewicht. Effekt kann auch durch willkürliche Kopfbewegungen hervorgerufen werden. Effekt unproblematisch bei statischen (Datenanzeige) Bildvorlagen MSB-1 MSB-1 Dynamische Scheinkonturen dynamic false countours (DFC)

Besonderheiten bei 1–Chip DMD–Systemen 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

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

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

Subfields in Abhängigkeit von Bildhelligkeit 1 2 4 6 10 14 19 26 33 40 47 53 12 SF 11 SF 10 SF Bilddauer 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) Lineare Codierungen

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

Farbseparationsartefakte bei 1-Chip DLP–Systemen Farbrad R/G/B Bewegung Lichtquelle Projektions- objektiv DMD Farbseparationsartefakte Sequentielle Darstellung der Farben (bei bewegten Bildern) Kurzzeitige Verdeckung einer Farbe (bei stehenden Bildern) Farbseparationsartefakte bei 1-Chip DLP–Systemen

sequential color recapture (SCR) 9 x in 20 ms t Quasiparallele Darstellung der Farbe Farben rollen permanent über dem DMD–Chip ab Eigenschaften des Prototypsystems Erreicht die Lichtausbeute eines 3-Chip-Systems Pulsierendes Bild sequential color recapture (SCR)

Bewegungskompensation MSB MSB MSB-1 MSB-1 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 Bewegungskompensation

Beispiel: DLP Image Processing IC–Andromeda ASIC Daten 9x8x8 13 Formatkonversion & Bildverbesserung Artefakt- reduktion 13 Steuerung 13 32 Steuerung & Takt Verteilung DMD Formatierung & Anzeige Takt DMD– Datenbus Host Interface Steuerung SDRAM Speicherbus Beispiel: DLP Image Processing IC–Andromeda ASIC

EDF LFSR STD BDP SPP MUX 32x11 LUT 128x6 MLUT 128x2 CLUT 13 12 12 EDF LFSR STD 6 BDP SPP MUX 32x11 LUT Addr 5 Data 11 13 12 12 13 12 12 Addr 7 Data 6 Addr 7 Data 6 128x6 MLUT 128x2 CLUT Error Diffusion (EDF) „Rückgewinnung“ verlorener dunkler Graustufen Boundary Dispersion Processing (BDP) Höherwertige Bit Transitionen werden „verschmiert“ Split Plane Processing (SPP) Artefakreduktion

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

Boundary Dispersion Processing (BDP) Original Ungerades Bild Gerades Bild 32 28 36 36 28 Selektives Dithern in einem BDP–Block Addition eines Offsets in der Umgebung von Bit–Transitionen Offset von Pixel–Wert, Ort und Zeit abhängig Boundary Dispersion Processing (BDP)

Split plane processing (SPP) 1 2 4 1 2 2 2 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 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 Split plane processing (SPP)

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