CN1921558A - 用于处理要在显示设备上显示的视频数据的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于处理要在具有与视频图像的像素相对应的多个发光元件的显示设备上显示的视频数据的方法，其中将误差扩散步骤应用于至少部分所述视频数据，以细化所述视频图像的灰度描绘，对于所述部分视频图像的每个当前像素，所述误差扩散步骤包括：截断相应的视频数据值的步骤；以及将截断误差扩散到至少一个相邻像素的步骤。根据本发明，在将误差扩散到相邻单元之前和/或之后，向误差插入噪声。由于这种原理，静态图案不可见，改善了图像整体质量。

Description

用于处理要在显示设备上显示的视频数据的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于处理要在具有与视频图像的像素相对应的多个发光元件的显示设备上显示的视频数据的方法，其中将误差扩散步骤应用于至少部分所述视频数据，以细化所述视频图像的灰度描绘(portrayal)，对于所述部分视频图像的每个当前像素，所述误差扩散步骤包括：截断相应的视频数据值的步骤；以及将截断误差扩散到至少一个相邻像素的步骤。本发明还涉及一种实现所述方法的设备。
背景技术
等离子体显示板(下称PDP)使用只具有两个状态(“开”或“关”)的放电单元的矩阵阵列。此外，与其中以发光的模拟控制来表达灰度级的CRT或LCD不同，PDP通过调制每一帧的光脉冲(维持脉冲)数目，来控制灰度级。在与人眼时间反应相对应的期间上，人眼整合这种时间调制。因为由光脉冲数描绘视频幅度，所以在给定频率，更高幅度表示更多光脉冲，因此也表示单元处于“开”状态更长时间。因此，这种调制也被称作脉冲宽度调制(PWM)。
这种PWM导致PDP图像质量问题之一：较差的灰度描绘质量，特别是在图像的暗区。这是由于显示的亮度与脉冲数目成线性关系，但是人眼反应和对噪声的敏感度不是线性的。眼睛在越暗的区域比在越亮的区域更加敏感。这意味着，即使现代PDP能够显示255个离散视频电平，量化误差在图像的暗区将非常明显。
为了实现更好的灰度描绘，传统上，在将视频信号截断到最终视频灰度幅度分辨率之前，向视频信号添加抖动信号。抖动是用来减小由于减少数目的显示分辨率比特而导致的量化噪声效应的公知技术。抖动通过在中间添加人为(artificial)电平来改善灰度描绘，但是这也添加了在较近观看距离处的观看者可感知的高频低幅抖动噪声。
现在，主要有两种用于PDP的抖动：
-在欧洲专利申请EP 1269457中公开的基于单元的抖动：如上所述，该抖动改善灰度描绘，但是添加高频低幅的抖动噪声；当不显示运动时，人眼完美地整合抖动，抖动图案不明显；在这种情况下，空间和时间上的人眼整合隐藏了抖动图案；但是，当显示图像中的运动时，抖动图案变得更加明显。
-误差扩散：该方法根据向相邻单元扩散给定单元的灰度级的小数部分，改善灰度描绘，并不产生抖动图案；它主要在暗区中添加噪声，但是该噪声看起来比基于单元的抖动图案更加自然。但是对于没有时间噪声的静态图像，它产生明显可见的静态图案。
发明内容
本发明的目的是公开一种消除误差扩散的静态图案的方法和设备。通过在要扩散到相邻单元的截断误差上插入噪声来实现该方法，所述噪声的幅度依赖于截断误差的值。由于这一原理，静态图案不可见，改善了图像整体质量。
根据本发明，通过一种用于处理要在具有与视频图像的像素相对应的多个发光元件的显示设备上显示的视频数据的方法，来实现本目的，其中，将误差扩散步骤应用于至少部分视频数据，以细化该部分视频图像的灰度描绘。对于所述部分视频图像的每个当前像素，误差扩散步骤包括：截断相应的视频数据值的步骤；以及将截断误差扩散到至少一个相邻像素的步骤。根据本发明，本方法包括向截断误差插入噪声的步骤，所插入噪声的幅度取决于要扩散的截断误差的值。因为所插入噪声不应该改变输出的平均值，所以噪声应该具有等于零的平均值。所以，如果噪声的幅度是A，则噪声是在-A与A之间随机选择的值。例如，所插入的噪声是白噪声。
如果将截断误差扩散到多个相邻像素，扩散截断误差的步骤包括例如：针对每个所述相邻像素，根据截断误差来计算扩散值的步骤，针对相邻像素的扩散值之和近似等于截断误差。在第一实施例中，在计算步骤之前向截断误差添加噪声。在第二实施例中，在计算步骤之后，执行向截断误差插入噪声的步骤，插入噪声步骤包括向每个扩散值插入噪声的步骤。
本发明还涉及一种用于处理要在具有与视频图像的像素相对应的多个发光元件的显示设备上显示的视频数据的设备，所述设备包括误差扩散电路，用于将误差扩散应用于至少部分视频数据，以细化该部分视频图像的灰度描绘。误差扩散电路包括：截断电路，用于针对所述部分视频图像的每个当前像素，截断相应的视频数据值；扩散计算电路，用于针对每个所述相邻像素，根据所述截断误差来计算扩散值，针对所述相邻像素的扩散值之和近似等于截断误差；求和电路，用于将每个相邻像素与对应的扩散值相加。根据本发明，设备还包括噪声插入电路，用于在向相邻像素扩散该误差之前和/或之后，向截断误差插入白噪声。
在第一实施例中，噪声插入电路位于截断电路与扩散计算电路之间。在第二实施例中，噪声插入电路位于扩散计算电路与求和电路之间，用以向扩散值插入噪声。
例如，噪声插入电路包括用于产生随机数据的随机发生器，以及用于向截断误差插入噪声的多个串联比特噪声加法器，每个比特噪声加法器用于根据随机数据和截断误差来产生至少一比特噪声截断误差。优选地，向每个比特噪声加法器独立地提供旁路信号，用于旁路所述比特噪声加法器，以适配噪声电平。
在另一示例中，噪声插入电路包括：用于产生-1与1之间的随机值的随机发生器；以及用于将所述随机值与截断误差函数相乘、并将其与该截断误差相加的电路。
附图说明
附图中示出了并在以下描述中详细解释了本发明的范例实施例。图中：
图1示出了现有技术的误差扩散处理的基本步骤；
图2示出了现有技术的误差扩散电路的方框图；
图3示出了根据本发明的误差扩散电路第一实施例的方框图；
图4示出了根据本发明的误差扩散电路第二实施例的方框图；
图5表示图3或4的误差扩散电路的链式随机噪声插入电路的方框图；
图6表示图5的链式随机噪声插入电路的比特噪声加法器的方框图；
图7表示图6的比特噪声加法器功能的流程图；以及
图8表示可用在图3或4的误差扩散电路中替代图5的链式随机噪声插入电路的噪声插入电路的方框图。
具体实施方式
如上所述，PDP使用脉冲宽度调制(PWM)来产生不同的灰度梯度。与CRT屏幕中亮度与所施加的阴极电压成近似二次的关系相反，亮度与放电脉冲数目成线性关系。因此，在脉冲宽度调制之前，必须向视频信号应用近似数字二次去Y(degamma)功能。
由于该去Y功能，对于更小的视频电平，多个输入电平被映射到相同的输出电平。换而言之，对于更暗的区域，输出的量化比特数目小于输入数目，特别是对于全部映射为0的小于16的值(当对于输入视频信号和灰度级采用8位字时)。这对应于4比特分辨率的损失，实际上这是视频应用无法接受的。
抖动是一种用于避免由于在去Y功能之后截断输出级而导致的损失幅度分辨率比特的公知技术。只有在截断之前所需分辨率可用时，即，在更多比特用于去Y功能时，它才起作用。原理上，抖动可以恢复与由于截断而损失的比特同样多的比特：
-1比特抖动对应于用2乘以可用输出级数，
-2比特抖动对应于用4乘以可用输出级数，
-3比特抖动对应于用8乘以可用输出级数，等等。
误差扩散是邻域操作，量化当前像素的输入值(在当前情况下，保留输入值的整数部分)，然后将截断误差(小数部分)转移到未来像素。形式上，Floyd和Steinberg(“An adaptive algorithm for spatialgrayscale”in Proc.Soc.Information Display，1976，vol 17，no.2pp.75-78)通过调整并取整输入像素x[n]，来定义输出像素y[n]：
y[n]＝int(x[n]+xe[n])
其中xe[n]是在 x e [ n ] = Σ i = 1 M b i · y e [ n - i ] 的先前迭代期间累积的扩散误差(在当前情况下是小数部分)，其中ye[n]代表多种小数部分，例如ye[n]＝(x[n]+xe[n]-y[n])。
误差扩散过程本身包括三步。每个输入值是原始输入值与针对相邻像素所计算的先前扩散误差之和，例如，这些相邻像素是位于当前像素上面和左侧的像素。在第一步骤中，将输入值取整以产生输出，并将截断误差(小数部分)定义为取整的输入值与原始输入值之差。在下一步骤中，依据可以以多种方式选择的系数，将该截断误差扩散到相邻像素。然后，以相同方式处理下一像素(例如，位于当前像素右侧的像素)。
图1示出了这个过程。在第一步骤的开始处，当前像素值是4.5。然后，将这个值取整为4，产生截断误差0.5。使用三个不同的扩散系数(对于右侧像素是0.5，对于右下像素是0.3，对于下侧像素是0.2)，将这个截断误差扩散到三个相邻像素上。选择系数，以便保持能量恒定(系数之和为1)。为了在图像中保持良好稳定性，这是必须的。在这些步骤之后，三个像素的值已经变成：
        ●  对于右侧像素，4.85+0.5×0.5＝5.1；
        ●  对于右下像素，4.55+0.5×0.3＝4.7；
        ●  对于下侧像素，5.1+0.5×0.2＝5.2；
然后，将该过程应用于变成当前像素的值为5.1的右侧像素。
图2示出了基本误差扩散电路。为每个颜色分量(红、绿和蓝)提供这种电路。求和电路10实现来自输入视频信号Y_IN[14:0]的原始输入值与来自扩散计算电路30的先前扩散误差的求和。截断电路20对来自电路10的输入值向下取整(输入值的整数部分)，并产生输出值Y_OUT[7:0]和截断误差(输入值的小数部分)。如上所述，扩散计算电路30根据截断误差值来计算针对每个相邻像素的扩散值(在当前情况下，一个针对右侧像素，一个针对右下像素，以及一个针对下侧象素)。将这些扩散值与这些相邻像素的原始输入值相加，作为输入值被输入到求和电路10。
在本示例中，将去Y功能之后的灰度级Y_IN[14:0]编码为15比特，8比特用于整数部分，7比特用于小数部分，并且将抖动之后的灰度级编码为8比特(整数部分)。
虽然误差扩散图像看起来非常舒服(引入的噪声与自然视频噪声相似)，但是对于静态图像，该算法确实产生一些不希望的纹理。
抑制误差扩散的静态图案的一种想法是随机改变扩散系数。不幸的是，因为这意味着改变误差扩散网络30的内部结构，所以这种方法只对于误差扩散的一些基本实现才是可能的。
根据本发明，提出向截断误差添加其幅度依赖于截断误差值的噪声。这可以由可以插入在电路20与30之间、或者插入在电路30与10之间的所谓链式随机噪声插入电路的专用电路来实现。因为它只改变要扩散的误差值，所以它不要求修改其它电路，并可能可以与每一种误差扩散算法共同使用。所插入的噪声不应该改变输出的平均值，所以噪声具有等于0的平均值。因此，如果噪声幅度是A，则噪声是在-A与A之间随机选择的值。该噪声还应该依赖于截断误差的值，因此在截断误差较小时，噪声幅度也较小(例如，当截断误差等于0时，不应该添加噪声)。例如，该噪声可以是白噪声。
图3示出了根据本发明的误差扩散电路的第一实施例。在截断电路20与扩散计算电路30之间插入链式随机噪声插入电路40。该电路向提供给扩散计算电路30的误差添加白噪声。
图4示出了根据本发明的误差扩散电路的第二实施例。在扩散计算电路30与求和电路10之间插入链式随机噪声插入电路40。该电路向提供给求和电路10的扩散值添加白噪声。
在另一可能实施例中，可以在截断错误的扩散之前和之后添加噪声。可以使用两个链式随机噪声插入电路，一个在扩散计算电路30之前，以及一个在其之后。
图5示出了接收输入信号in[6:0]并产生输出信号out[6:0]的链式随机噪声插入电路40的示例。该电路通过从输入值in[6:0]的最高有效位(in[6])到所述输入值的最低有效位(in[0])，添加噪声，来递归地工作。该电路称为链式随机噪声插入电路，是因为它由串行工作(即，每个比特噪声加法器BNA[i]的一个输出s[i]是比特噪声加法器BNA[i-1]的一个输入)的6个比特噪声加法器BNA[i]组成。它还包括输出6个独立随机值r[0]至r[5]的随机发生器50。
可以由旁路信号bypass[i]独立地使每个比特噪声加法器BNA[i]无效。这对最小化噪声电平很有用。例如，如果优选地只在5个最低有效位(而不是7个)上添加噪声，则应该将bypass[5]和bypass[4]设置为1，并将bypass[3]至bypass[0]设置为0。如果bypass[i]＝0，则对于j＜i使bypass[j]＝1事实上没有意义。的确，可以使用这些旁路来减小本发明所添加的噪声值。如上所述，这种噪声的幅度大致等于最大值为1/2的误差值。通过使bypass[5:0]＝100000，可以将这个最大值减小到1/4，通过使bypass[5:0]＝110000，将其减小到1/8。
更具体地，比特噪声加法器处理的信号是下列信号：
-比特噪声加法器BNA[5]接收信号in[6]、in[5]、bypass[5]和r[5]，并输送信号out[6]和s[5]；
-比特噪声加法器BNA[4]接收信号in[4]、s[5]、bypass[4]和r[4]，并输送信号out[5]和s[4]；
-比特噪声加法器BNA[3]接收信号in[3]、s[4]、bypass[3]和r[3]，并输送信号out[4]和s[3]；
-比特噪声加法器BNA[2]接收信号in[2]、s[3]、bypass[2]和r[2]，并输送信号out[3]和s[2]；
-比特噪声加法器BNA[1]接收信号in[1]、s[2]、bypass[1]和r[1]，并输送信号out[2]和s[1]；
-比特噪声加法器BNA[0]接收信号in[0](下面称为s[0])、s[1]、bypass[0]和r[0]，并输送信号out[0]和out[1].
每个比特噪声加法器BNA[i]具有相同结构。图6给出了比特噪声加法器BNA[0]结构的示例。它包括：
-第一与门60，用于接收信号in[0](＝s[0])和r[0]，作为输入，
-非门62，用于对bypass[0]求反，
-第二与门61，用于接收与门60的输出信号和已求反的bypass[0]，作为输入，
-第一或门63，接收与门61的输出信号和信号s[1]作为输入，并输送信号out[1]，
-第二或门64，接收信号s[1]和bypass[0]作为输入，以及
-第三与门65，接收或门64的输出信号和信号in[0]作为输入，并输送信号out[0]。
图7的图可以概括这种结构的功能。该方框BNA[0]输送输出信号，只有当s[1]＝0，s[0]＝1时，输出信号才与输入信号不同。在这种情况下，根据随机值r[0]，将输出信号out[1:0]设置为00或10。当r[0]＝1时，将out[1:0]设置为10，而当r[0]＝0时，将out[1:0]设置为00。因此，如果s[1:0]等于01，则输出信号out[1:0]平均上也等于01。这意味着输出信号(out[1:0])平均上等于信号s[1:0]的值。所以，整体图像的误差能量保持恒定。不添加噪声的截断误差in[6:0]的值只是0000000、1000000、1100000、1110000、1111000、1111100、1111110和1111111。重要的是，当截断误差等于0时(这意味着在无需抖动的区域中)，不向截断误差添加噪声。对于不添加噪声的其它值(1000000、1100000、1110000、1111000、1111100、1111110和1111111)，邻域实际上具有不同值(由于误差传播)，因此，整体上，在截断误差不等于0的所有区域，也添加了一些噪声。
同样重要的是，要注意，当信号(s[1:0])等于00时，输出信号(out[1:0])也等于00；这意味着该方框在图像的黑色区域没有添加任何噪声。
下面，可以找出三个示例的随机噪声插入结果。
第一示例：in[6:0]＝0011010，r[5:0]＝101001
in[6]＝0，in[5]＝0，r[5]＝1，所以out[6]＝0，s[5]＝0
in[4]＝1，s[5]＝0，r[4]＝0，所以out[5]＝0，s[4]＝0
in[3]＝1，s[4]＝0，r[3]＝1，所以out[4]＝1，s[3]＝0
in[2]＝0，s[3]＝0，r[2]＝0，所以out[3]＝0，s[2]＝0
in[1]＝1，s[2]＝0，r[1]＝0，所以out[2]＝0，s[1]＝0
s[0]＝in[0]＝0，s[1]＝0，r[0]＝1，所以out[1]＝0，out[0]＝0
所以最终out[6:0]＝0010000
第二示例：in[6:0]＝1010001，r[5:0]＝101001
in[6]＝1，in[5]＝0，r[5]＝1，所以out[6]＝1，s[5]＝0
in[4]＝1，s[5]＝0，r[4]＝0，所以out[5]＝0，s[4]＝0
in[3]＝0，s[4]＝0，r[3]＝1，所以out[4]＝0，s[3]＝0
in[2]＝0，s[3]＝0，r[2]＝0，所以out[3]＝0，s[2]＝0
in[1]＝0，s[2]＝0，r[1]＝0，所以out[2]＝0，s[1]＝0
s[0]＝in[0]＝1，s[1]＝0，r[0]＝1，所以out[1]＝1，out[0]＝0
所以最终out[6:0]＝1000010
第三示例：in[6:0]＝1110100，r[5:0]＝101001
in[6]＝1，in[5]＝1，r[5]＝1，所以out[6]＝1，s[5]＝1
in[4]＝1，s[5]＝1，r[4]＝0，所以out[5]＝1，s[4]＝1
in[3]＝0，s[4]＝1，r[3]＝1，所以out[4]＝1，s[3]＝0
in[2]＝1，s[3]＝0，r[2]＝0，所以out[3]＝0，s[2]＝0
in[1]＝0，s[2]＝0，r[1]＝0，所以out[2]＝0，s[1]＝0
s[0]＝in[0]＝0，s[1]＝0，r[0]＝1，所以out[1]＝0，out[0]＝0
所以最终out[6:0]＝1110000
优选地，在最终的电路实现中，对于不同的颜色分量R、G和B使用不同的随机输出r[5:0]。这在单色信号的情况下特别有利，因为如果对于不同的颜色分量使用相同的随机输出r[5:0]，则对于三个分量，误差和抖动结构相同，因此抖动更加明显(白色像素比单独的红色、绿色和蓝色像素更加明显)。
否则，随机发生器50(对于每个颜色分量R、G或B)应该对于每一帧或优选地对于每个像素，给出新的输出信号。
可以使用图8所示的噪声插入电路40’替代图5所示的链式随机噪声插入电路40。噪声插入电路40’包括：
-随机发生器41，输送随机值r[6:0]和与随机值的符号相对应的随机符号比特sr[0]；
-减法电路42，从1中减去截断误差IN[6:0]；
-电路43，输送截断误差IN[6:0]与减法电路42的输出信号之间的最小值(使得在以后的加法之后，输入信号仍然在0与1之间)；
-乘法电路44，将电路43的输出信号乘以随机值r[6:0]，
-乘法电路45，将电路44的输出信号乘以随机符号比特sr[0]，以及
-加法电路46，将截断误差IN[6:0]与电路45的输出加在一起。
这种噪声插入电路具有与链式随机噪声插入相似的属性：
-所加的噪声具有等于0的平均值。
-该噪声也依赖于截断误差值，因此在截断误差较小时，它的幅度也较小(当截断误差等于0时，不向截断误差添加噪声)。
本发明同样适用于具有上述属性的任何类型的噪声插入电路。

Claims (10)

1.一种方法，用于处理要在具有与视频图像的像素相对应的多个发光元件的显示设备上显示的视频数据，其中，将误差扩散步骤应用于至少部分所述视频数据，以细化所述部分视频图像的灰度描绘，对于所述部分视频图像的每个当前像素，所述误差扩散步骤包括：截断相应的视频数据值的步骤；以及将由截断步骤引起的截断误差扩散到至少一个相邻像素的步骤，
其特征在于，所述方法还包括向截断误差插入噪声的步骤，所插入噪声的幅度依赖于要扩散的截断误差的值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，插入的噪声是白噪声。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，如果将所述截断误差扩散到多个相邻像素，扩散截断误差的步骤包括针对每个所述相邻像素、根据所述截断误差来计算扩散值的步骤，针对相邻像素的扩散值之和基本等于截断误差，以及，所述噪声是在计算步骤之前插入到截断误差的。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，如果将所述截断误差扩散到多个相邻像素，扩散截断误差的步骤包括针对每个所述相邻像素、根据所述截断误差来计算扩散值的步骤，针对相邻像素的扩散值之和基本等于截断误差，以及，向截断误差插入噪声的步骤包括向每个扩散值插入噪声的步骤。
5.一种设备，用于要在处理具有与视频图像的像素相对应的多个发光元件的显示设备上显示的视频数据，所述设备包括误差扩散电路，用于将误差扩散应用于至少部分所述视频数据，以细化所述部分视频图像的灰度描绘，所述误差扩散电路包括
-截断电路(20)，用于针对所述部分视频图像的每个当前像素，截断相应的视频数据值；
-扩散计算电路(30)，用于针对当前像素的至少一个相邻像素，根据所述截断误差来计算扩散值，针对所述相邻像素的扩散值之和近似等于截断误差；
-求和电路(10)，用于将每个相邻像素与相应的扩散值相加，
其特征在于，所述设备还包括噪声插入电路(40)，用于向截断误差插入噪声，所插入噪声的幅度依赖于要扩散的截断误差的值。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，噪声插入电路(40)在截断误差被扩散之前或之后向截断误差插入白噪声。
7.根据权利要求5或6所述的设备，其特征在于，噪声插入电路(40)位于截断电路(20)与扩散计算电路(30)之间。
8.根据权利要求5或6所述的设备，其特征在于，噪声插入电路(40)位于扩散计算电路(30)与求和电路(10)之间，用于向扩散值插入噪声。
9.根据权利要求5至8之一所述的设备，其特征在于，噪声插入电路(40)包括：用于产生随机数据的随机发生器(50)；以及用于向截断误差插入噪声的多个串联的比特噪声加法器(BNA[i])，每个比特噪声加法器用于根据随机数据和截断误差来产生至少一比特噪声截断误差。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，给每个比特噪声加法器(BNA[i])独立地提供旁路信号，用于旁路所述比特噪声加法器，以便适配噪声电平。
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