Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering 조호상 최대성 서인석 강봉순 * Hardware Implementation of Low-power Display Method for OLED Panel using Adaptive Luminance Decreasing Ho-sang Cho Dae-sung Choi In-seok Seo Bong-soon Kang * Department of Electronic Engineering, Dong-A University, Pusan 604-714, Korea 요약 OLED(Organic Light-Emitting Diode) 는 LCD와달리자체발광특성때문에흰색을표현할때에는 R,G,B 소자가모두발광하여야하므로전력소비가상대적으로커지게되는문제점이있다. 본논문은 OLED 패널을사용한기기의저전력디스플레이방법및하드웨어구현에관한것이다. 입력이미지의휘도정보를기반으로하여실시간으로화소별휘도변환값을생성하여적응적휘도조절방법과색도축소알고리즘의기본개념을사용하여새로운색상보정알고리즘을사용하여 OLED 패널의저전력디스플레이방법을제안한다. 기존의방법과비교함으로써제안한방법의성능을확인한결과최대 48.43% 의전류감소를확인하였다. 최종적으로제안된알고리즘은 Verilog HDL로하드웨어를구현하였으며, OpenCV와 Window 프로그램을사용하여소프트웨어적으로알고리즘을검증하였다. ABSTRACT OLED has good efficiency of power consumption by having no power consumption from black color as different with LCD. when it has white color, all RGB pixel should be glowing with high power consumption and that can make it has short life time. This paper suggest the way of low power consumption for OLED panel using adaptive luminance enhancement with color compensation and implement it as hardware. This way which is based on luminance information of input image makes converted luminance value from each pixel in real time. There is with using the basic idea of chromaticity reduction algorithm, showing new algorithm of color correction. And performance of proposed method was confirmed by comparing the conventional method in experiments about 48.43% current reduction. The proposed method was designed by Verilog HDL and was verified by using OpenCV and Windows Program. 키워드 : 적응적휘도조절, 색상보정, OLED, 저전력디스플레이방법 Key word : Adaptive Luminance Decreasing, Color Correction, OLED, Low-power Display Method 접수일자 : 2013. 02. 13 심사완료일자 : 2013. 03. 12 게재확정일자 : 2013. 03. 28 * Corresponding Author Bong-Soon Kang(E-mail:bongsoon@dau.ac.kr, Tel:+82-51-200-7703) Department of Electronic Engineering, Dong-A University, Pusan 604-714, Korea Open Access http://dx.doi.org/10.6109/jkiice.2013.17.7.1702 print ISSN: 2234-4772 online ISSN: 2288-4165 This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/li-censes/ by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Copyright C The Korea Institute of Information and Communication Engineering.
Ⅰ. 서론 최근시장에서다양한방식의디스플레이장치가개발되고있다. 특히 OLED(Organic Light Emitting Diode) 를이용한디스플레이장치의경우휴대용단말로시장이확대되고있다. OLED의출력되는빛의양은전류에비례하게된다 [1]-[3]. 따라서밝은빛을낼때에는높은전류를소비하게되는데, 다양한디스플레이장치적용을위해서저전력화가필수적인요소이다. 일반적으로디스플레이밝기를조절하기위해서는이미지의구동전압을일괄적으로낮추는방법이있다 [4][5]. 이러한방법은이미지의밝은부분과어두운부분모두휘도가낮아져화질이열화되는문제점이생긴다. 본논문은디스플레이데이터중전력소모가가장많은밝은영역의휘도를가장많이낮춤으로써소비전력을절감시키고, 전력소모가다소적은어두운영역의휘도를원본과동일하게유지함으로써어두운부분영상의가독성을높인다. 또한밝기의증가는채도의감소로나타나영상을전체적으로회색톤으로만들고, 과채도화된결과를보인다. 따라서색도축소를적용하여과채도화된이미지를보정하여원본과유사하게유지할수있다. 이로써 OLED 를이용한디스플레이장치에서데이터에포함된영상의화질이나색상, 텍스트등정보의가독성은최대한원본과유사하게유지하면서전력소비를낮추는방법을제안한다. Ⅱ. 본론본논문의저전력시스템의전체흐름도는그림 1과같다. 먼저 YCbCr로변환후 Y값을사용하여화소별보상값을생성한다. 화소별보상값은각화소의값에따라휘도감소의정도를다르게하기위하여생성한다. 각화소의휘도가높으면많이, 낮으면작게감소하게된다. 그후적응적 Gain을생성하여화소별보상값과함께각픽셀의전류를낮추게된다. 전류가조절된영상은과채도화되는경향이있기때문에색상보정을통해색정보를원본과유사하게유지한다. 이를다시 RGB로변환하여출력한다. 그림 1. 저전력시스템의흐름도 Fig. 1 Low-power System Flow Chart 2.1. 화소별보상값생성 제안된알고리즘은 YCbCr 색도좌표계를기반으로 한처리방법을사용한다. 전류제어를위하여먼저화 소별보상값을생성한다. (1) 수식 (1) 은밝기입력인 을 와 등외부 사용자입력조건에따라그정도와비율, 크기를조정 하여새로운입력인 을생성한다. (2) 수식 (2) 는휘도값의레벨이큰쪽은변화량을크게 하고휘도값의레벨이낮은쪽은변화량을작게하기 위한식이다. 인경우선형이기때문에조건절과 같이감산으로대체하여연산량을줄일수있다. 수식 (2) 에서생성된 값은 Gain 과같이사용하여입력휘 도값에수식 (3) 과같이적용한다. 이결과는 값으로 정의되며수식 (4) 과같이연산에적용된다. 1703
(3) (6) _ (4) 수식 (4) 에서나타난바와같이 값을제곱함으로 써 값이큰픽셀은더욱크게, 값이작은픽셀은 더욱작게하여휘도값이작은픽셀은변화량을줄이 고, 휘도값이큰픽셀은더크게감소시키는역할을 한다. _ 값은보상값생성에사용되는비선형커브 이며최종전달함수에적용된다. 아래의그림 2 는입 력과감마값에따른수식 (4) 의 _ 값을나타낸그래 프이다. (7) 은입력영상의휘도평균과입력휘도값에따라결정된다. 전체영상이밝은경우높은픽셀에강한 Gain이적용되도록하고, 어두운경우는 Gain이커지더라도보상값자체가작기때문에영향이줄어들게된다 [6]. _ (8) 수식 (8) 은수식 (5) 에서생성된 와수식 (1) 에서 (4) 까지의과정을통해생성된 _ 를사용하여최종전달함수가결정된다. 그림 2. 보상값생성에사용되는비선형커브 Fig. 2 Non Linear Curves using Gain Generation 2.2. 적응적보상값생성 제안된알고리즘은화소별휘도값의크기뿐만아니 라입력화소의평균명암값을이용하여적응적으로 전류를제어하는방법이다. 수식 (5) 는휘도값을최종 보정하기위한적응적인 Gain 을생성하기위한수식으 로수식 (6) 의 는 값을결정하기위한기울기를 나타내고수식 (7) 의 는 값을결정하기위한절 편을나타낸다. 수식 (6) 와수식 (7) 은휘도의평균값인 을사용하여생성된다. (5) 그림 3. 최종전달함수 Fig. 3 Transfer Function 그림 3 은선형적인입력을사용하여제안된전류감 소기법의최종전달함수를나타낸것이다. 입력영상 의휘도평균이낮으면파란색그래프를적용하게된다. 이경우에는입력명암값과출력명암값간의차이가거의없다. 입력영상의휘도평균이높을수록빨간색 그래프를적용하게된다. 이경우에는밝은영역에해 당하는값들의휘도가줄어들고어두운영역은변화가 없이출력된다. 최종전달함수는고정된것이아니며 적응적인 Gain 과외부의설정에따라그정도가달라질 수있다. 1704
2.3. 색도보정 휘도조정을거친영상은패널의전류소모를감소시 키지만영상이전체적으로과채도화된모습을보인다 [7][8]. 이를보완하기위하여휘도의변화비율을계산 하여 Cb 와 Cr 영역를축소한다. (9) 수식 (9) 에서와같이 과 의변화비율정보인 를반영하여어두운영역에서는휘도감소가거의 없으므로약한색상축소효과를주고, 밝은영역에서 는휘도감소가크기때문에과채도화되어있다고판단 하여강한색상축소를적용하는것이다 [8]. _ _ (10) 수식 (10) 과같이최종적으로실험을통하여얻어진 _ 과각화소의밝기에따라결정된값을적 용하여 Cb 와 Cr 영역을축소한다. Ⅲ. 하드웨어구현 제안된시스템의하드웨어구조는그림 4 와같이크 게 7 개의블록으로나누어진다. 그림 4. 저전력시스템의블록다이어그램 Fig. 4 Low-power System Block Diagram 제안된알고리즘은 Y, Cb, Cr 을사용하여데이터를 줄이는방법을사용하였다. mean 블록은입력영상의 Y 평균을연산하기위한것이다. 연산된 Y 평균은 1 frame 이전의영상의평균을이용하여휘도에따라픽 셀 Y gain 을변화시키게된다. dithering 은입력신호의 aliasing noise 를방지하기위해설계된 dithering 블록이 다. reverse_gamma 블록은 Y pass 에서중조도와저조도 의보상값생성을최소화하기위하여총 4 가지의곡선 을설계하였다. 이것은컨트롤값 alpha 로제어되며 non_linear_en 을 disable 하면 alpha=1 에해당하는직선 을얻을수있다. curve_slope_calc 은제안된가시성향 상알고리즘을수행할경우나눗셈연산들을통해영상 처리에사용할여러값들을계산하는 curve slope calculation블록이다. comp_value_gen은제안된가시성 향상시스템에서실질적인알고리즘이대부분포함되 어있는 Core 블록이다. 색도보정과정에서 Y 정보를 사용해야하는경우가대부분이므로하드웨어자원을 절약하기위하여 Y 패스와 CbCr 패스를다른블록으로 분리하지않고하나의블록으로설계하였다. 내부에는 reverse_gamma 블록과 nce_divider 블록을포함하고있 다. Verilog HDL 을이용하여하드웨어로구현하였으 며, Xilinx Virtex4 XC4VLX100 FPGA 보드를사용하 여제안한저전력디스플레이방법의실제동작을확 인하였다. 표 1 은 Synopsis Design Analyzer 를이용한 합성결과이다. 50MHz의동작속도를만족하였고, gate counts는 38,633개로구성되었다. 표 1. 합성조건및합성결과 Table. 1 Synthesis condition & results Library Operation Condition Gate Counts [EA] Synopsis Design Analyzer 0.13um ASIC Library Worst case rand_no_gen_troy_lpc 1,093 mean 2,937 curve_slope_calc 5,408 lpc_divider 1,675 reverse_gamma 2,535 comp_value_gen 24,985 Total Gate Counts 38,633 * 본연구에서사용된설계용소프트웨어는 IDEC을통하여제공받았습니다. 1705
Ⅳ. 시뮬레이션결과그림 5는본논문에서제안하는 OLED 패널의저전력디스플레이방법의성능을평가하기위한이미지이다. 그림 6의 (a) 는원본이미지이고, (b) 는 (a) 이미지의히스토그램그래프이다. 그림 6의 (c) 는이미지의구동전압을일괄적으로낮춘이미지이고. (d) 는 (c) 의히스토그램그래프이다. (b) 그래프와 (d) 그래프를비교하였을때 (b) 그래프에서어두운부분인 0에서 80까지의값들이 (d) 그래프에서일괄적으로낮아진것을확인할수있다. 이는휘도가일괄적으로모두낮아지게되어건물과컬러체커등어두운부분의가독성이떨어진다. 그림 5의 (e) 는제안하는저전력디스플레이방법을적용한이미지이고, (f) 는 (e) 의히스토그램그래프이다. (b) 그래프와 (f) 그래프를비교하였을때 (b) 그래프에서어두운부분인 0에서 80까지의값들이 (f) 그래프에서동일하게형태를유지하고있는것을확인할수있다. 영상에서건물과컬러체커부분등어두운부분의가독성을원본과유사하게유지한다. 표 2은본논문에서제안하는저전력디스플레이방법의성능을평가하기위한 5개의테스트영상이며, 1~3번영상은고휘도영상, 4,5번영상은저휘도영상에해당한다. 제안된화질개선방법은, Microsoft Visual Studio 2008을이용한검증프로그램을통해성능을검증하였다. 표 2. 시뮬레이션을위한테스트영상 Table. 2 Test images for simulation No. 1 2 3 4 5 영상 (a) (c) (b) (d) 표 3. 샘플이미지의전류측정결과 Table. 3 Sample Image Current Measurement Result 이미지전류측정결과 Sample No. 입력출력감소차이이미지이미지비율 1 91.25 47.05 44.20 48.43 2 55.55 33.67 21.88 39.38 3 55.44 35.35 20.09 36.24 4 35.52 31.52 4.00 11.26 5 12.66 12.54 0.12 0.95 (e) 그림 5. 시뮬레이션결과이미지 (a) 원본이미지, (b) (a) 의히스토그램그래프, (c) 기존방법을사용한결과이미지, (d) (c) 의히스토그램그래프, (e) 제안한방법을사용한결과이미지, (f) (e) 의히스토그램그래프 Fig. 5 Simulation Result Image (a) Original Image, (b) Histogram Graph of (a), (c) Result Image using Former Method, (d) Histogram Graph of (c), (e) Result Image using Proposed Method, (f) Histogram Graph of (e) (f) 표 3는표 2의테스트영상을이용한소모전류를측정한결과이다. 모든픽셀이모두흰색일경우 (Full White) 를 100% 로정의하고 Full White대비소모전류를측정하였다. 1번부터 3번샘플은고휘도이미지를테스트한결과이고 4번과 5번은저휘도이미지를테스트한결과이다. 고휘도이미지에서전류감소비율은 48.43, 39.38, 36.24% 로높은것을확인할수있다. 저휘도이미지에서는휘도평균값이낮기때문에약한보상값이생성되어감소비율이 11.26, 0.95% 로낮은것을확인할수있다. 1706
표 4 는기존이미지의구동전압을일괄적으로낮추 는기존의방법과제안한방법에대하여표 2 의 1 번과 2 번샘플에서휘도값의구간을나누어그분포정도를 나타낸것이다. 기존의방법은일괄적으로낮아지기 때문에저휘도구간의비율이 1번샘플의기존 0.18% 에서 0.50% 로, 2번샘플의기존 11.34% 에서 20.22로 증가하는것을확인할수있으며, 제안한방법은높은 휘도값은 1 번샘플의기존 90.83% 에서 0.00% 로 2 번 샘플의기존 70.55% 에서 0.00% 로낮아지며전력소모 를줄이고낮은휘도값은 1 번샘플의기존 0.18% 에서 0.18% 로, 2 번샘플의기존 11.34% 에서 11.43% 로입력 과비슷하게분포되어가독성을유지하는것을확인할 수있다. 표 4. 구간에따른휘도값의분포비율 Table. 4 Luminance Value Distribution Ratio according to Section No Sample. 1 Sample. 2 구간 입력 기존 제안한방법 입력 기존 제안한방법 0-50 0.18 0.50 0.18 11.34 20.22 11.43 51-51 1.14 3.97 1.35 11.71 3.27 11.65 102-152 3.98 5.45 5.09 0.59 0.48 0.66 153-203 3.87 90.08 93.38 5.81 76.03 76.25 204-255 90.83 0.00 0.00 70.55 0.00 0.00 Ⅴ. 결론 본논문은 OLED 패널의저전력디스플레이방법과 하드웨어구현에관한것이다. 기존에제안된알고리즘 들은전력소모를줄이기위하여이미지의구동전압을 일괄적으로낮추기때문에어두운부분의가독성이떨 어지는문제점이있다. 따라서본논문에서는이러한 현상을개선하기위하여픽셀별보상값을생성하여밝 은부분의 Gain 을크게하고적응적보상값을생성하 여입력이미지의밝기정보에따라적응적으로전력 소모를줄이는방법을제안하였다. 휘도가감소된이미 지는과채도화현상이발생하는데, 색도축소를적용하 여이러한문제점을해결하였다. 그결과소모전력을 줄일수있을뿐만아니라, 색의과채도화현상을방지 하였으며기존알고리즘의문제점을보안할수있다는것을검증하였다. 또한 Verilog-HDL을사용하여하드웨어로설계를하였으며, FPGA보드를이용하여확인하였다. 감사의글본논문은동아대학교학술연구비지원에의하여연구되었음 REFERENCES [1] Alexander Arkhipov, Baek-woon Lee, Kyongtae Park, Si-duk Sung, Sungtae Shin, and Kyuha Chung, Using Net Power Control for AMOLED TV, IMID 07 Digest, vol. 7, no. 1, pp. 47-50, Aug. 2007. [2] J-H Bae and C-H LEE, LOW POWER DIGITAL DRIVING DEVICE FOR MOBILE APPLICATION OF AMOLED, KR Patent A-10-2009-0071861, Crucialchips, 2009. [3] J-H Kim and D-Y Yun, APPARATUS AND METHOD FOR POWER CONTROL OF AMOLED, KR Patent A-10-2010- 0078699, Samsung Electronics, 2010. [4] Y-M Jung and S-D Cho, DATA DISPLAY METHOD AND APPARATUS, KR Patent A-10-2011-0072000, Samsung Electronics, 2011. [5] B. W. Lee, C. W. Park, S. G. Kim, T. H. Kim, Y. C. Yang, J. H. Oh, J. Y. Choi, M. P. Hong, D. S. Sakong, K. H. Chung, S. D. Lee, and C. Y. Kim, TFTLCD with RGBW Color System, SID 03 Digest, pp. 1212, May. 2003. [6] S. Lee, H. Kwon, H. Han, G. Lee, and B. Kang, "A Space-Variant Luminance Map based Color Image Enhancement," IEEE Trans. on the Consumer Electronics, vol. 56, no. 4, pp. 2636-2643, Nov. 2010. [7] C.C. Ku and T.M. Wang, Luminance-based adptive color saturation adjustment, IEEE Trans. on the Consumer Electronics, vol. 51. no. 3, pp. 939-946, Aug. 2005. [8] Y. Huang, L. Hui, and K.H. Goh, "Hue-based color saturation compensation," IEEE International Conference on Consumer Electronics, pp. 160-164, Sep. 2004. 1707
조호상 (Ho-Sang Cho) 2010 년 2 월동아대학교전자공학과 ( 공학사 ) 2010 년 3 월 ~ 현재동아대학교전자공학과석 박사통합과정 관심분야 : 영상신호처리, VLSI architecture design 최대성 (Dae-Sung Choi) 2012 년 2 월동아대학교전자공학과 ( 공학사 ) 2012 년 3 월 ~ 현재동아대학교전자공학과석사과정 관심분야 : 영상신호처리, VLSI architecture design 서인석 (In-Seok Seo) 2012 년 2 월동아대학교전자공학과 ( 공학사 ) 2012 년 3 월 ~ 현재동아대학교전자공학과석사과정 관심분야 : 영상신호처리, VLSI architecture design 강봉순 (Bong-Soon Kang) 1985 년연세대학교전자공학과 ( 공학사 ) 1987 년미국 University of Pennsylvania 전기공학과 ( 공학석사 ) 1990 년미국 Drexel University 전기및컴퓨터공학과 ( 공학박사 ) 1989 년 ~ 1999 년삼성전자반도체수석연구원 1999 년 ~ 현재동아대학교전자공학과교수 2006 년 ~ 2011 년멀티미디어연구센터소장 2006 년 ~ 2013 년 2 단계 BK21 사업팀장 관심분야 : 영상신호처리, SoC 설계및무선통신 1708