디스플레이 화질 평가 및 개선: 투명 및 Tiled 디스플레이, FSC-LCD

국문 초록 (Abstract)

디스플레이는 과거 CRT 및 PDP부터, 현재 LCD 및 OLED 디스플레이까지 발전을 거듭하였다. 그리고, 지금은 세계 각국의 디스플레이 제조 업체들이 투명 디스플레이, FSC-LCD 및 tiled 디스플레이와 같은 다양한 차세대 디스플레이 개발에 주력하고 있다. 화질은 디스플레이의 성능을 결정하는 중요한 지표이다. 따라서, 차세대 디스플레이 개발 시, 화질을 기준으로 개발 목표를 결정하는 것이 바람직하다. 이를 위해 디스플레이 스펙 및 시청환경별 화질을 예측하는 화질 평가 모델 개발이 필요하다.
차세대 디스플레이 개발 시 디스플레이 특성으로 인한 화질 저하 문제가 발생할 수 있다. 예를 들면, 투명 디스플레이는 디스플레이 뒤편 배경과 디스플레이에서 출력되는 on-screen 정보를 사용자에게 동시에 제공하기 위해 개발되었다. 하지만, 디스플레이 뒤편 배경이 잘 인지될수록 디스플레이에서 출력되는 on-screen 영상의 화질이 저하되는 문제가 발생한다. 이와 같은 화질 저하 문제는 하드웨어 개량 또는 영상 처리 알고리즘 적용 등을 통해 개선될 수 있다. 하드웨어 개량에는 많은 비용이 필요 할 수 있다. 반면에, 영상 처리 알고리즘 적용을 이용한 화질 개선은 상대적으로 비용 소모가 적다. 따라서, 영상 처리 알고리즘 적용을 이용한 화질 개선 연구가 바람직하다.
본 논문에서는 디스플레이 스펙 및 시청환경별 투명 디스플레이의 화질을 예측하는 화질 평가 모델을 제안하였다. 또한, 투명 디스플레이, FSC-LCD 및 tiled 디스플레이를 대상으로 각각의 디스플레이 특성을 고려한 화질 개선 방법을 제안하였다. 첫 번째로, 투명 디스플레이 뒤편 배경의 시인성과 투명 디스플레이에서 출력되는 on-screen 영상의 화질을 평가하는 정량화 모델을 제안하였다. 투명 디스플레이는 사용자에게 디스플레이 뒤편의 배경과 디스플레이에서 출력되는 on-screen 영상을 동시에 제공한다. 이와 같은 특징으로 인해 배경의 시인성과 on-screen 영상의 화질은 투명 디스플레이의 성능을 나태는 중요한 지표로 사용된다. 본 논문에서는 투명 디스플레이 뒤편 배경의 시인성과 on-screen 영상의 화질을 평가하는 정량화 모델을 각각 제안하였다. 먼저, 배경 시인성에 영향을 미치는 요소들을 선정하고, 선정된 요소들과 배경 시인성 사이의 관계를 분석하였다. 그리고, 선정된 요소들과 배경 시인성 사이의 관계를 regression으로 모델링 하였다. 본 논문에서는 이와 같이 도출된 배경 시인성 정량화 모델을 PSL(Perceived See-through Level) 정량화 모델이라고 정의한다. 제안하는 PSL 정량화 모델의 성능은 시각실험을 통해 검증되었다. 투명 디스플레이에서 출력되는 on-screen 영상의 화질 정량화 모델도 위와 유사한 방법으로 도출 및 검증하였다.
두 번째로, 투명 디스플레이에서 출력되는 on-screen 영상의 화질 개선 방법을 제안하였다. 투명 디스플레이는 사용자에게 디스플레이 뒤편의 배경과 디스플레이에서 출력되는 on-screen 영상을 동시에 제공하기 때문에, on-screen 영상의 contrast 및 colorfulness가 저하되는 문제가 발생한다. 본 논문에서는 on-screen 영상을 변경시키는 parameter들을 선정하고, 해당 parameter들을 사용하여 on-screen 영상을 변경함으로써 위에서 언급된 화질 저하 문제들을 개선한다. 먼저, on-screen 영상, 배경 및 시청 조도 등 다양한 시청환경에서 화질 개선을 위한 최적의 parameter를 시각실험으로 도출한다. 다음으로, 시청환경별 최적의 parameter를 예측하는 모델을 regression으로 도출한다. 본 논문에서는 이와 같은 parameter 기반의 on-screen 화질 개선 방법을 POT(Parameter based On-screen Tuning)방법이라고 정의한다. 제안하는 POT방법의 on-screen 화질 개선 성능은 시각실험을 통해 검증되었다.
세 번째로, FSC(Field Sequential Color)-LCD 디스플레이의 결점을 저감하는 방법을 제안하였다. FSC-LCD 디스플레이는 기존 LCD와 달리 color filer가 없으며, 시분할 방식으로 color를 재현한다. 이와 같은 특징은 저전력, 고휘도의 장점이 있지만, 움직이는 object의 경계에서 color가 분리되어 보이는 CBU(Color Break-Up)라는 결점을 유발한다. 본 논문에서는 FSC-LCD의 주요 화질 저하 요인인 CBU의 발생원인을 분석하고, 240Hz FSC-LCD에서 CBU 저감을 위한 알고리즘을 제안하였다. 제안하는 방법의 성능은 CBU 정량화 모델 및 시각실험을 통해 검증되었다.
네 번째로, tiled 디스플레이 경계면에서의 색 일치화 방법을 제안하였다. Tiled 디스플레이는 다수의 서브 디스플레이를 tile 형태로 배치한 대화면 디스플레이이다. 이와 같이 다수의 서브 디스플레이를 tile 형태로 배치할 경우, 서브 디스플레이 간 경계면에서의 색 일치화가 중요하다. 서브 디스플레이 간 경계면에서 색차가 인지될 경우, 대화면 단일 디스플레이로 인지되지 않기 때문이다. 본 논문에서는 서브 디스플레이 간 경계면에서의 색 일치화를 위한 새로운 CMF(Color Matching Function) 및 카메라 기반의 multi point 디스플레이 특성화 방법을 제안하였다. 본 논문에서는 이와 같은 제안하는 색 일치화 방법을 NCC(New CMF and Camera based Color Calibration) 방법이라고 정의한다. 제안하는 NCC 방법의 성능은 기존의 색 일치화 방법과 비교 평가되었다.
본 논문에서 제안된 투명 디스플레이, FSC-LCD 및 tiled 디스플레이를 위한 화질 개선 방법은 하드웨어 자체의 성능을 개선하지 않고, 적은 비용이 소요되는 영상 처리 알고리즘으로 화질 개선 및 최적화에 사용될 수 있다. 또한, 본 논문에서 제안된 투명 디스플레이 화질 평가 방법은 화질을 기준으로 디스플레이 개발 목표를 결정하거나, 화질 개선 방법의 평가 등에 사용될 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Displays have been evolved from CRT and PDP to LCD and OLED displays. Nowadays display manufacturers are focusing on development of next-generation displays such as transparent displays, FSC-LCD, and tiled displays, etc. Image quality is very important factor which determines the performance of displays. Therefore, when developing a next-generation display, the design target should be determined in advance based on the image quality. Therefore, it is necessary to develop a quantitative model that evaluates the image quality according to the display specifications and viewing environment.
Next generation display with new functionality may result in degradation of image quality. In this case, image quality can be enhanced by hardware improvements and image processing algorithms. Hardware improvements often require a lot of cost. However, image quality enhancement by image processing algorithms requires relatively low cost. Therefore, it is necessary to investigate enhancement of image quality by applying image processing algorithms.
This paper proposed image quality evaluation and enhancement methods for transparent OLED display, FSC-LCD, and tiled display. First, image quality evaluation model is proposed for transparent OLED displays. Transparent displays allow observers to see the objects behind the displays as well as information on the displays. Therefore, visibility of background objects behind the display and image quality of on-screen contents are very important to customers. In this paper, evaluation models for visibility of background and image quality of on-screen contents are proposed, respectively. Important features affecting the visibility of background objects are selected and formulated. And, relationship between each selected feature and visibility of background is analyzed. Finally, visibility of background scenery is defined as a function of the selected features by the regression with the results from human visual experiments. Performance of the proposed model is verified by comparing with results from human visual experiments with testing samples that are not utilized in the development of evaluation model. The image quality evaluation model for on-screen image was also derived by similar procedures.
Second, the method to enhance the on-screen images on the transparent OLED displays is proposed. Transparent displays can show an image or information on screen and allow real objects to be viewed through the screen. Because of this feature, the contrast and colorfulness of the on-screen image is degraded. In this paper, the method that change the on-screen image to enhance the image quality is proposed. First, the parameters to change on-screen image are selected. Next, the optimal parameters to enhance the on-screen image are determined by human visual experiments in various combinations of on-screen images, background, and viewing illuminance. And, parameter decision model that determines the optimal parameters according to the viewing environments is derived by regression. The performance of proposed method was evaluated by human visual experiments.
Third, artifacts reduction algorithm is proposed for 240Hz FSC-LCD displays. Field sequential color (FSC) LCDs form color images by sequentially displaying sub-frame images. Because color filter attenuating light transmission is not required, FSC-LCDs can reduce power consumption considerably. However, sequential displaying of sub-frame images results in undesirable color artifacts called color breakup (CBU). This paper focuses on contents dependent reduction of CBU on 240Hz frame rate FSC-LCDs. The performance of the proposed method was verified by the quantitative measures and newly defined indices as well as human visual experiments.
Finally, color matching method in the boundary of sub-displays that makes up the tiled display is proposed. Tiled display systems are developed for digital signage application. Tiled display consists of multiple sub-displays that are tiled together. When multiple sub-displays are arranged in a tiled form, abrupt change in luminance and color in the boundary of sub-displays is perceived. In this paper, new color matching function (CMF) and camera based multipoint display characterization method are proposed for color matching at the boundary of two adjacent sub-displays. The performance of the proposed color matching method was compared with the conventional color matching method.
In this paper, image quality evaluation and enhancement methods are proposed for transparent display, FSC-LCD, and tiled display. The proposed enhancement methods can be utilized to optimize the image quality with a low cost without hardware upgrades. Also, the proposed evaluation model for transparent display can be utilized to set up a design target for the transparent displays.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 연구 대상 2
• 1.2.1. 투명 디스플레이 배경 시인성 및 on-screen 화질 평가 2
• 1.2.2. 투명 디스플레이 on-screen 화질 개선 3
• 1.2.3. FSC-LCD 디스플레이에서의 CBU 저감 4
• 1.2.4. Tiled 디스플레이 경계면에서의 색 일치화 5
• 1.3. 논문의 구성 5
• 2. 투명 디스플레이 배경 시인성 및 On-screen 화질 평가 7
• 2.1. 개요 7
• 2.1.1. 투명 디스플레이 구조 9
• 2.1.2. 투명 디스플레이 화질 영향요소 11
• 2.2. 투명 디스플레이 인지 영상 simulation 16
• 2.2.1. See-through 영상 simulation 방법 17
• 2.2.2. On-screen 영상 simulation 방법 25
• 2.2.3. 인지 영상 simulation 방법 27
• 2.2.4. 실험 결과 28
• 2.2.5. 검토 40
• 2.3. PSL(Perceived See-through Level) 정량화 41
• 2.3.1. PSL 정량화 요소 도출 42
• 2.3.2. PSL 정량화 모델 도출 53
• 2.3.3. 실험 결과 54
• 2.3.4. 검토 58
• 2.4. IQT(Image Quality for Transparent display) 정량화 59
• 2.4.1. IQT 정량화 요소 도출 60
• 2.4.2. IQT 정량화 모델 도출 67
• 2.4.3. 실험 결과 76
• 2.4.4. 검토 80
• 3. 투명 디스플레이 On-screen 영상의 화질 개선 81
• 3.1. 개요 81
• 3.2. 제안하는 화질 튜닝 parameter 기반 화질 개선 방법 82
• 3.2.1. 화질 튜닝 parameter 84
• 3.2.2. Optimal parameter 도출 90
• 3.2.3. 화질 튜닝 parameter 결정 모델 도출 98
• 3.3. 실험 결과 108
• 3.3.1. Optimal parameter의 화질 개성 성능 검증 108
• 3.3.2. 화질 튜닝 parameter 결정 모델의 정확성 검증 112
• 3.3.3. 화질 튜닝 parameter 결정 모델의 화질 개선 성능 검증 114
• 3.4. 검토 116
• 4. FSC-LCD 디스플레이에서의 CBU 저감 117
• 4.1. 개요 117
• 4.1.1. FSC-LCD 디스플레이 구조 118
• 4.1.2. CBU (Color Break-Up) 120
• 4.1.3. 기존의 CBU 저감 방법 125
• 4.2. 제안하는 CBU 저감 방법 129
• 4.2.1. Sub-fame1(SF1) backlight color 결정 131
• 4.2.2. Sub-fame2-4(SF2-SF4) backlight color 결정 132
• 4.2.3. Sub-fame(SF1-SF4) backlight 밝기 결정 135
• 4.3. 실험 결과 137
• 4.3.1. SF1(Sub-frame1)의 CBU 저감 성능 검증 138
• 4.3.2. SF2 -4 (Sub-frame2-4)의 CBU 저감 성능 검증 139
• 4.3.3. 종합적 CBU 저감 성능 검증 142
• 4.4. 검토 146
• 5. Tiled 디스플레이 경계면에서의 색 일치화 147
• 5.1. 개요 147
• 5.1.1. Tiled 디스플레이에서의 색 일치화 필요성 148
• 5.1.2. 기존 색 일치화 방법의 문제점 149
• 5.2. 제안하는 색 일치화 방법 152
• 5.2.1. Proposed CMF 도출 153
• 5.2.2. 카메라 기반 디스플레이 밝기 측정 163
• 5.2.3. 디스플레이 특성화 166
• 5.2.4. 디스플레이 색 보정 169
• 5.3. 실험 결과 171
• 5.3.1. CMF(Color Matching Function) 성능 검증 171
• 5.3.2. 카메라 특성화의 정확성 검증 175
• 5.3.3. 카메라기반 밝기 측정의 정확성 검증 177
• 5.3.4. 색 일치화 성능 검증 179
• 5.4. 검토 183
• 6. 결론 및 추후 연구과제 184
• 6.1. 결론 184
• 6.2. 추후 연구과제 188
• 참고문헌 189