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Die
Erfindung betrifft eine TV-Anordnung mit den im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen sowie ein Verfahren zur
Kalibrierung eines Fernsehers gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs
9.
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Zum
Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten, dass Bildschirme, wie
beispielsweise LCD-Bildschirme für
Farbfernsehgeräte
in der Regel Farbverschiebungen und eine gerätespezifische Anzeigecharakteristik
hinsichtlich der Farb- und Helligkeitswiedergabe aufweisen. Die
Charakteristika und Abweichungen von den tatsächlich wiederzugebenden Farben
sind durch die jeweils verwendeten Komponenten bei einem Bildschirm,
wie die Hintergrundbeleuchtung und das eigentlich LCD-Panel, bestimmt.
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Auf
dem Gebiet der Medizintechnik ist es bekannt, bei hochwertigen Bildschirmen
ein Luminanzmeter einzusetzen, um die maximale Helligkeit bzw. Leuchtdichte
des Bildschirms und die Leuchtdichte-Verteilung einzustellen. Dabei
wird die so bezeichnete DICOM-Norm zugrunde gelegt. Die Sensoren hierfür zur Messung
der Leuchtdichte sind in den Rahmen des Bildschirms integriert und
garantieren somit eine korrekte Leuchtdichte-Verteilung nach DICOM-Norm.
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Auf
dem Gebiet der Fotowiedergabe und in der Druck-Vorstufe bei der
Erstellung von Presseartikeln werden externe Colorimeter eingesetzt,
um Bildschirme auf bestimmte Normen mit festen Farbtemperaturen
und Gamma-Werten einzustellen.
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Aufgrund
der unterschiedlichen Anforderungen und Einsatzzwecke sind die aus
dem Gebiet von Foto-, Druck-Vorstufen und Medizin üblichen
Me thoden und dafür
zugrunde gelegten Normen in der Regel nicht auf herkömmliche
TV-Geräte übertragbar. Es
soll dabei nämlich
kein Papierdruck simuliert werden, wie im Foto- und Druck-Vorstufen-Bereich.
In der Medizintechnik sind beispielsweise Tumore in Graustufenbildern
zu detektieren, was mit naturgetreuer und farbbrillanter Darstellung
nichts zu tun hat. Darüber
hinaus wird in den vorstehenden Anwendungsfällen mit standardisiertem Umgebungslicht gearbeitet,
was bei TV-Bildschirmen keine praktisch umsetzbare Randbedingung
ist. Diese Bildschirme werden bei Tageslicht, Kunstlicht und auch
in dunklen Räumen
genutzt.
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Grundsätzlich ist
es natürlich
möglich,
die Farbwiedergabequalität
von TV- und auch
von PC-Bildschirmen durch Verwendung qualitativ sehr hochwertiger
Komponenten für
z. B. die Hintergrundbeleuchtung und das LCD-Panel zu verbessern. Dies bedeutet jedoch
gleichzeitig eine starke Erhöhung der
Herstellungskosten entsprechender Geräte. Ferner kann dadurch auch
nicht ausgeschlossen werden, dass sich die Bildqualität durch
alterungsbedingte Veränderungen
an den Komponenten verschlechtert.
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Ausgehend
von den geschilderten Problemen des Standes der Technik liegt der
Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Bildschirm-Anordnung insbesondere
für Fernseh-Anwendungen
sowie ein darauf implementierbares Verfahren zur Kalibrierung eines
hierbei eingesetzten Bildschirms zu schaffen, mit dem dauerhaft
eine farbgetreue und brillante Bildwiedergabe möglich ist. Gleichzeitig soll
damit die Grundlage eröffnet
werden, auch Variationen im Umgebungslicht in die Anpassung der
Bildschirmcharakteristika einfließen zu lassen.
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Diese
Aufgabe wird in vorrichtungstechnischer Hinsicht durch die im Patentanspruch
1 vorgesehenen Merkmale sowie in verfahrenstechnischer Hinsicht
durch das Kalibrierungsverfahren gemäß Patentanspruch 8 gelöst.
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Demnach
umfasst eine Bildschirm-Anordnung einen Bildschirm und eine prozessorgestützte Steuer-
und Auswerteeinheit für
den Bildschirm und ist charakterisiert durch eine Kalibriereinrichtung,
die aufweist
- – ein auf oder vor dem Bildschirm
appliziertes Bildschirm-Colorimeter
zur Farbmessung in einem Mess-Bildschirmausschnitt, und
- – eine
von der Steuer- und Auswerteeinheit initiierbare Farb- und/oder
Helligkeitskalibrierung des Bildschirmes, wobei
– auf dem
Mess-Bildschirmausschnitt von der Steuer- und Auswerteeinheit eine
Referenz-Farbtafel erzeugbar ist, die von dem Bildschirm-Colorimeter
messbar ist, sowie
– die
Messwerte des Bildschirm-Colorimeters von der Steuer- und Auswerteeinheit
auswertbar und in Korrekturwerte zur Kalibrierung des Bildschirmes
umsetzbar sind.
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Insbesondere
unter Anwendung bei einer solchen Bildschirm-Anordnung weist das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Kalibrierung eines Bildschirms folgende Verfahrensschritte auf:
- – Erzeugen
einer Referenzfarbtafel in einem Mess-Bildschirmausschnitt des Bildschirms,
- – Farbmessen
im Mess-Bildschirmausschnitt,
- – Farb-
und Helligkeitsmessen des Umgebungslichts,
- – Auswerten
der so gewonnenen Farbmesswerte in Relation zu der Referenzfarbtafel
zur Berechnung von Farbkorrektur-Steuerdaten für den Bildschirm, und
- – Ansteuern
des Bildschirmes unter Einbeziehung der Farbkorrektur-Steuerdaten.
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Aufgrund
der Erfindung ist es also möglich, während der
gesamten Lebensdauer des Bildschirms mithilfe des Bildschirm-Colorimeters
dessen Farbwiedergabe zu erfassen und aufgrund der im Mess-Bildschirmausschnitt
erzeugten Referenz-Farbtafel die Abweichung der Farbwiedergabe vom
Soll zu ermitteln. Daraus wiederum können die Bildschirmwerte durch
entsprechende Korrekturwerte umkalibriert werden, sodass die Farbwiedergabe wieder
dem Soll entspricht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
in an sich bekannter Weise eine als Grafik-Chip ausgeführte Grafik-Einheit
für den
Bildschirm vorgesehen, wobei die Korrekturwerte dieser Grafik-Einheit
zur korrigierten Farb-/Helligkeitsansteuerung des Bildschirms übergebbar
sind.
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Die
in der Umgebung des Bildschirms herrschende Helligkeit und Farbtemperatur
kann durch ein zusätzlich
einsetzbares Umgebungs-Colorimeter in die Berechnung der Steuerdaten
für die
kalibrierte Bildwiedergabe einbezogen werden. Dazu misst ein an
oder in der Umgebung des Bildschirms angeordnetes Umgebungs-Colorimeter
die Helligkeit und Farbtemperatur des Umgebungslichts, wobei die Messwerte
des Bildschirm-Colorimeters von der Steuer- und Auswerteeinheit
unter Verwendung der Messwerte des Umgebungs-Colorimeters auswertbar
und in entsprechende Korrekturwerte zur Kalibrierung des Bildschirms
umgesetzt werden. Damit ist eine hohe Bildwiedergabequalität unabhängig von den
Umgebungsbedingungen sowie von theoretisch spezifischen Charakteristika
und alterungsbedingten Änderungen
der Monitorkomponenten gewährleistet.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Bildschirm-Anordnung
sind in den abhängigen
Ansprüchen
4 bis 7 angegeben, die anhand des Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Bevorzugte
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens sind
in den Ansprüchen
9 bis 14 wiedergegeben, die zur Vermeidung von Wiederholungen ebenfalls
in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung
anhand der beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert
werden. Dabei zeigen:
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1 eine
schematische Frontansicht einer TV-Bildschirmanordnung, und
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2 eine
schematische Seitenansicht der Anordnung gemäß 1.
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Wie
aus den beigefügten
Zeichnungen deutlich wird, weist die TV-Bildschirmanordnung ein Fernsehgerät 1 mit
TV-Bildschirm 2 auf, der in einem Bildschirmgehäuse 3 mit
um den Schirm umlaufenden Rahmen 4 untergebracht ist. Bei
dem TV-Bildschirm handelt es sich um einen üblichen Flüssigkristall- oder Plasma-Bildschirm,
bei dem ein hintergrundbeleuchtetes Panel für eine Farbbildwiedergabe sorgt.
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Für die Ansteuerung
des Bildschirms 2 ist eine prozessorgestützte Steuer- und Auswerteeinheit 5 vorgesehen,
in deren zentralem Steuerchip eine entsprechende Steuerungssoftware
implementiert ist und für
die Betriebsfunktionen des Bildschirms sorgt.
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In
an sich bekannter Weise ist der Steuer- und Auswerteeinheit 5 eine
Grafik-Einheit 6 zugeordnet, die durch einen sogenannten
Grafik-Chip realisiert wird. Dieser übernimmt u. a. das Farbmanagement
des Bildschirms 2 und greift dazu auf in der Grafik-Einheit 6 abgelegte
Look-Up-Tabellen zu, auf deren Basis die Darstellung einer Farbe
an einem Bildpunkt des TV-Bildschirms 2 im
speziellen Farbraum des jeweiligen Gerätes erzeugt wird.
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Die
dargestellte TV-Bildschirmanordnung weist ferner ein Bildschirm-Colorimeter 7 in
einem Eckbereich des Bildschirms 2 auf, das am Rahmen montiert
ist und einen Mess-Bildschirmausschnitt 8 (strichliert
dargestellt in 1) von wenigen Quadratzentimetern
auf dem Bildschirm 2 erfasst. Wie aus 2 deutlich
wird, steht das Bildschirm-Colorimeter 7 mit der Steuer-
und Auswerteeinheit 5 signaltechnisch in Verbindung und übermittelt
seine Messsignale an den darin vorhandenen Steuerchip.
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Auf
dem Rahmen 4 des Fernsehgeräts 2 ist ferner ein
Umgebungs-Colorimeter 9,
das die Helligkeit und Farbtemperatur des Umgebungslichts misst. Auch
das Umgebungs-Colorimeter 9 steht signaltechnisch mit der
Steuer- und Auswerteeinheit 5 in Verbindung und übergibt
seine entsprechenden Messsignale an den darin integrierten Steuerchip.
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Die
beiden Colorimeter 7, 9 bestehen aus drei fotosensiblen
Sensoren mit RGB-Filtern für
die Grundfarben rot, grün
und blau. Sie messen dabei den sogenannten XYZ-Tristimulus gemäß dem CIE-Normvalenzsystem,
insbesondere gemäß CIE 1931.
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Die
Grundzüge
des in dem gezeigten Fernsehgerät
ablaufenden Kalibrierungsverfahrens lassen sich wie folgt darstellen:
Die
eigentliche Farbwiedergabe des Bildschirms 2 und etwaige
zeitliche Veränderungen
in seiner Farbwiedergabecharakteristik werden erkannt und ausgeglichen,
indem in regelmäßigen zeitlichen
Abständen im
Mess-Bildschirmausschnitt 8 durch
eine entsprechende Software im Prozessorchip der Steuer- und Auswerteeinheit 5 Farbtafeln
dargestellt werden. Da diese nur unter dem eigentlichen Bildschirm-Colorimeter 7 erscheinen,
bleibt die restliche Funktionalität des Fernsehgeräts 1 völlig erhalten
und beeinträchtigt
den Betrachter praktisch nicht. Damit kann die Kalibrierung unbemerkt
vom Betrachter vollständig im
Hintergrund ablaufen.
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Die
auf dem Mess-Bildschirmausschnitt 8 erzeugte Referenz-Farbtafel
wird von dem Bildschirm-Colorimeter 7 gemessen, die entsprechenden Messwerte
werden an die Steuer- und Auswerteeinheit 5 gegeben, wo
aufgrund etwaig festgestellter Abweichungen der Messwerte von der
Referenz-Farbkarte Korrekturwerte zur Kalibrierung des Bildschirms
beispielsweise in Form einer Korrekturkurve errechnet werden.
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Auch
misst das System in regelmäßigen zeitlichen
Abständen
die Umgebungshelligkeit und Farbtemperatur mithilfe des Umgebungs-Colorimeters 9. Die
entsprechenden Messwerte werden von der Steuer- und Auswerteeinheit 5 wiederum
erfasst und in die Berechnung der Korrekturwerte zur Kalibrierung
des Bildschirms einbezogen. Der Bildschirm 2 wird damit
unter Einbeziehung der Farbkorrektur-Steuerdaten optimal angesteuert.
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Das
Kalibrierverfahren kann nach einem vorgegebenen Zeitschema, wie
es in einer „embedded software” in der
Steuer- und Auswerteeinheit 5 abgelegt sein kann, in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden.
Zusätzlich
oder alternativ dazu kann eine Kalibrierung auch durch eine externe Befehlseingabe,
beispielsweise über
die Fernbedienung des Fernsehgeräts 1 angestoßen werden.
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Eine
weitere Spezialität
des Kalibrierverfahrens besteht darin, dass zwar die Farbmessung
im Eckbereich des Bildschirms 2 durchgeführt wird,
jedoch eine Anpassung der Farbkorrektur-Steuerdaten für den gesamten
Bildschirm 2 durch eine entsprechende Korrelationsfunktion
vorgenommen wird. Der Korrelationsfunktion liegt eine Tabelle zugrunde,
die am Ende des Produktionsprozesses erstellt wird. Hierbei werden
identische Farbtafeln im Zentrum und in der Ecke des Bildschirmes
dargestellt. Die Farbtafeln werden sowohl mit einem externen Colorimeter im
Zentrum des Bildschirmes gemessen als auch in dem Eckbereich mit
dem integrierten Colorimeter. Aus den Messwerten entsteht eine Tabelle,
die die Grundlage der Korrelationsrechnung bildet. Damit werden
die Unterschiede in Farbe und Helligkeit zwischen den Ecken und
dem Zentrum des Bildschirms 2 ausgeglichen.
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Die
auf der Basis von XYZ-Tristimulus-Farbwerten mithilfe der CIE-1931-Normfarbtafel durchgeführte Farbmessung
führt zu
Messwerten, die folgendermaßen
bei der Auswertung für
die Berechnung der Farbkorrektur-Steuerdaten
auf den L-Wert im LUV-Farbraum kalibriert werden:
Die gemessenen
Werte in XYZ (CIE 1931) werden in xyZ umgerechnet.
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Aus
den Koordinaten x und y ergibt sich die Zielvorgabe für die Farbtemperatur
des Fernsehers. Aus Y und der maximalen Leuchtdichte des Fernsehers
ergibt sich die Zielvorgabe für
die Leuchtdichte des Fernsehers. Der Fernseher soll anschließend auf die
Zielvorgabe Farbtemperatur, Leuchtdichte und Leuchtdichteverteilung
kalibriert werde. Ein Gammawert hat sich in der Photographie und
im Druck, wo die Gammawerte der verschiedenen Peripherien kompensiert
werden müssen,
bewährt.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist jedoch die Farbtreue und brillante
Darstellung der Farben. Deshalb ist die Gamma-Kalibrierung hier
nicht geeignet. Es wird auf L aus dem Farbraum Luv kalibriert. L
in Luv repräsentiert die
Empfindlichkeit des menschlichen Auges auf Helligkeitverteilungen
in Farben. Hierfür
ist ein Referenzweiß Xr,
Yr, Zr nötig.
Es wird gerechnet wie folgt:
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Nachfolgend
die Zuordnung der relativen Luminanz (Y/Yn) zu der Helligkeit: L¿f(Y/Yn) f(Y/Yn) = K(Y/Yn)
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Auch
wird für
jede Graustufe eine Korrektur errechnet um den Zielwert für x und
y zu erreichen. Hierfür
rechnen wir von xy zu XYZ und dann zu RGB. Es wird dann ein RGB-Farbfeld
unter dem Sensor dargestellt und gemessen. Aus dem Unterschied zwischen
gemessenem xy und Ziel-xy wird dann eine zweite Korrektur mit neuen
RGB-Daten errechnet. Dieser Vorgang läuft einige Male durch bis der
beste mögliche
xy-Wert erreicht ist.
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Die
errechneten RGB Werte werden mit Spline-Extrapolationen in die Gamma
Ramp der LUT (Look Up Table) des Graphikchip in der Graphikeinheit 6 abgebildet.
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Anschließend wird
die LUT in den Graphikchip des Fernsehers geladen.