CN100417185C - 一种数码动态-非线性crt投影系统亮度补偿方法 - Google Patents

一种数码动态-非线性crt投影系统亮度补偿方法 Download PDF

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Abstract

一种数码动态—非线性CRT投影系统亮度补偿方法，属数字电子技术领域。CRT投影系统光路的固有特点必然造成图象光栅亮度的不均匀，角区的亮度一般只有中心区的20%-30%左右。利用人眼的视觉掩蔽特点(更敏感于低亮度背景的亮度差异)，本发明提出了“数码动态—非线性—补偿理论”可获得了良好的补偿效果。用数字电路来实现该理论，将会带来更大的方便性及灵活性，尤其是对于100Hz或2HF的数码视频系统，只需略微增加数值运算程序及与此匹配的硬件构成便能实现。

Description

一种数码动态-非线性CRT投影系统亮度补偿方法
技术领域
本发明属于数字电子技术领域。
背景技术
众所周知，自70年代CRT三管投影技术产生以来，由系统光路的固有特点所造成图象光栅亮度分布的不均匀的问题一直没有得到解决，角区的亮度一般只有中心区的20％-30％。
国内外曾在线性补偿电路的理论框架的基础上，进行了一些补偿试验，由于受限于CRT的束流密度、ABL等因素，无法同时兼顾高亮度画面及低亮度画面的协调补偿，无法获得满意的效果。
但利用人眼的视觉掩蔽特点(更敏感于低亮度背景的亮度差异)，可利用像素亮度自身进行(反向)非线性调制，使中低亮度的画面获得完善的补偿，而高亮度下及亮尖峰下又不会超出束流密度及产生限幅。
发明内容
本发明的目的就在于：解决已有技术的不足之处，利用动态非线性补偿理论，从数字通道切入，进行数据的补偿，使得应用更简便，更稳定。本发明所提出了“数码动态-非线性-补偿理论”，由于对中低亮度场景的图像进行了几乎完备的补偿，不仅获得了良好的视觉效果，也使显像管的边角区不丧失完善的保护。如果将上理论用数码系统来实现，将会带来更大的方便性及灵活性，更适用于100Hz的数码视频系统。
本发明的特点是：对数字化了的视频信号进行动态非线性补偿运算处理，利用CRT显示面上的坐标(x、y或极坐标r)及亮度数据(Y或R、G、B)进行数值运算，从而得到新的亮度数据(Y或R、G、B)，取代原数据。
本发明的技术关键是：利用动态-非线性补偿理论进行像素数据修改计算，实现所述方法的电路由A/D转换器、数据存储及运算转换器、CPU系统、D/A转换器构成，所述方法的工作过程为：模拟视频信号经A/D转换器变换成数字信号，在CPU系统指令控制下，使数字化的视频信号再经数据存储及运算转换器按动态-非线性补偿算法法则进行变换，所述变换所采用的变换因子含有几何校正因子项及动态-非线性校正因子项，变换后的视频信号再经D/A转换器转换成新的视频信号，所述的动态-非线性算法法则指的是，CRT光栅上每一点所相应的视频数据的复合校正因子项函数，所述复合校正因子项函数是一个曲面，所述复合校正因子项函数曲面的极值点对应于CRT中心的坐标，如果将所述复合校正因子项函数的绝对值定义为所述复合校正因子项函数曲面上的某一点与过所述复合校正因子项函数曲面极值点的切面的距离，则所述复合校正因子项函数的绝对值不仅与CRT上每一个像素点的位置坐标有关，也与所述像素点的原亮度信号的亮度值有关。
所述的视频信号指的是亮度信号或R、G、B单色亮度信号。
所述复合校正因子项函数的绝对值与像素点的位置坐标和像素点的原亮度信号的亮度数值之间的具体关系为：原亮度信号数据所需的相应数值变换，在均匀亮场的条件下，越远离CRT的中心位置所得的提升数值越大，对于负亮度函数来说则是提升的数值越小；但随原亮度的增高所得的提升数值越小，对于负亮度函数来说则是提升的数值越小；对于屏幕上某一固定点来说，随着原亮度信号亮度数值的增加而提升的数值越小，CRT中心点的提升数值不变，其具体的数学表达式为：
y*＝y×K(r，y)＝y×K1(r)×[φ(y)×r+C]
K：变换因子，
K1：几何校正因子项，
K2：动态-非线性校正因子项，
y*：变换后视频信号的亮度信号，
y：变换前视频信号的亮度信号，
r：CRT上像素点的极坐标，
C：常数，
其中，K函数特点： ∂ 2 K / ∂ r 2 ≥ 0 或≤0，
∂ 2 K / ∂ y 2 ≤ 0 或≥0，
K1函数特点：d2K1/dr2≥0或≤0，
K2函数特点： ∂ 2 K 2 / ∂ y 2 ≤ 0 或≥0，
函数曲面的极值点为：
如果选取对称状函数，
有 ∂ K / ∂ r | r = 0 = 0 ,
即dK1/dr|r＝0＝0； ∂ K 2 / ∂ y | r = 0 = 0 ,
对于非对称状函数，
有 ∂ K / ∂ r | r 0 ≠ 0 = 0 , 其中r0为一常数，
相应的K2因子项变为：
K2[φ(y)(r-r0)+C]，
因而 ∂ K 2 / ∂ y | r = 0 = 0 .
所述的几何校正因子项是指一个仅与CRT上的位置坐标有关的函数，所述几何校正因子项函数是一个曲面，CRT中心点的坐标对应于所述几何校正因子项曲面的极值点，而且越远离CRT中心的坐标点，则相应的所述几何校正因子曲面上的点的绝对值——即所述几何校正因子项曲面上的点相对于CRT中心点到几何校正因子项曲面极值点的切面的距离将增加。
所述的动态-非线性校正因子项是一个与原亮度信号自身相关的函数，所述动态-非线性校正因子项函数是一个曲面，CR′I中心点的坐标对应于所述的动态-非线性校正因子项曲面的极值点，而且越远离CRT中心的坐标点，则相应的该所述的动态-非线性校正因子项曲面上的点的绝对值——即所述的动态-非线性校正因子项曲面上的点相对于CRT中点到动态-非线性校正因子项曲面极值点的切面的距离将减少。
所述复合校正因子项函数在CRT的中心点，与该点的原亮度信号无关。
所述复合校正因子项函数是非对称的函数，以消除R、B光栅各自投影分布的偏差-即色偏移。
附图说明
图1是一种数码动态-非线性CRT投影系统亮度补偿方法的电路原理框图。
图2是动态非线性补偿算法法则中的补偿因子项：K(r、y)的空间三维曲面示意图。
图3是任意指定相素点处的动态非线性调制曲线示意图。
具体实施方式
如图1所示：是数字处理电路流程框图，视频信号Y(也可以是R、G、B信号)经A/D模数转换器1转换、进入数据存储及运算变换器(由2、3、5等组成)变换模块，在CPU指令系统6控制下，进行运算变换，再经D/A数模转换器4转换，生成了被修改(补偿)了的亮度信号y*。
整个过程的控制由CPU指令系统来完成。
本发明理论的算法过程，在数据存储及运算变换器5内来完成，其过程是这样的：视频信号Y(或R、G、B)数据，先进入随机存储器2RAM，然后进入寄存器程序存储器及运算器阵列5(本发明的动态一非线性算法程序就存于其中)，经过算法运算的数据进入RAM缓存后、输出给D/A转换器4，最后输出变换后的亮度信号y*。
需要指出的是100Hz及2HF(2倍行频)的TV处理技术中，2使用3上述的数码电路的基本框图，只需在其相应的程序存储器中增加相应的算法，即可完成该过程，而几乎无需增加成本。
如图2所示：该曲面的特征正是动态-非线性算法法则的主体，内含在K2因子项之中。
K2＝K2[φ(y)×r+C]
的特征也就是整个变换因子项的部分特征，即CRT光栅上的每一点所相应的视频数据的复合校正因子项函数，该函数是一个曲面，该曲面的顶点(极值点)对应于CRT的中部的坐标，如果将该函数的绝对值定义为该曲面上的某一点与过该曲面顶点的切面的距离，则该数值不仅与CRT上每一个像素点的位置坐标有关，也与该像素点的原亮度信号的亮度值有关；函数的绝对值与像素点的位置坐标和像素点的原亮度信号的亮度数值之间的具体关系为：原亮度信号数据所需的相应数据所需的相应数值变换特征可在以下两种极端情况显著的表现出来。
第1、在均匀亮场的条件下(y等于常量)，越远离CRT的中心位置所得的提升数值越大，对于负亮度函数来说则是提升的数值越小；但随原亮度的增高所得的提升数值越小，对于负亮度函数来说则是提升的数值越小。
第2、但随原亮度的增高所得的提升数值越小，对于屏幕上某一固定点来说.随着原亮度信号亮度数值的增加而提升的数值越小，CRT中心点的提升数数值不变。其具体的数学表达式为：
y*＝y×K(r，y)＝y×K1(r)×[φ(y)×r+C]
K：变换因子，
K1：几何校正因子项，
K2：动态-非线性校正因子项，
y*：变换后视频信号的亮度信号，
y：变换前视频信号的亮度信号，
r：CRT上像素点的极坐标，
C：常数，
因子函数举例：
满足上述特征的函数的形式是多样的，
例： K 1 ( r ) = C 1 + C 2 r 2 K 2 ( y , r ) = C 0 + C 3 y 2 r
(式中co、c1、c2、c3为常数)
例：非中心对称 K 1 ( r ) = C 1 + C 2 ( r + r 0 ) 2 K 2 ( y , r ) = C 0 + C 3 y 2 ( r + r 0 )
对称点：r＝r0。而非在原点(CRT的中心)。
需说明的是，对于色偏移的校正，往往需要非对称函数，在以上因子项中加入非对称校正项即可。
如图2所示：将CRT的中点定义为坐标系的原点，极轴r与CRT共面。纵轴与CRT表面垂直，空间曲面与K轴的交点为“A”，该点是一个不变点(与Y的数值无关)。
改变Y的数值将得到不同的空间曲面，Y值越大空问曲面的平均曲率越小，反之越大。
如图3所示：当考查CRT上一个定点时，将能显示出本技术的核心内容。
r＝0时，A线(直线)代表K与y无关。
r＝r1、r2时，B、C线代表K与y反相关。
由于r2大于r1，而C线的斜率比B线大。
当r1＝定值时，也就是观察屏幕上的某一定点时，该点的亮度信号的变化将会使补偿因子的数值发生变化，而调制补偿的倍率，亮度增大时、该点的亮度的提升倍率越小；当亮度减小时、该点亮度的提升倍率越大。
该函数的特点为：
第1、当r＝0时(屏幕的中心)
该校正因子项在该点取得极值，可以是极大值也可以是极小值，它的数值将不随亮度变量的变化而变化，而等于一个常量。
第2、当r不等于零时，该校正因子项的数值随变量y的数值的变化而变化，K2因子为Y的单值函数，与上述特点相应的补偿变换因子项为：
动态-线性校正因子项
K2[φ(y)(r-r0)+C]
该函数的特点为：
第1、当r＝0时(屏幕的中心)
该校正因子项在该点取得极值，可以是极大值也可以是极小值，它的数值将不随亮度变化的变化而变化，而等于一个常量。
第2、当r不等于零时，该校正因子项的数值随变量y的数值的变化而变化，K2因子为Y的单值函数。
*色偏移的消除：本文中的各变换因子函数也可以是非对称的函数，以消除R、B光栅的各自的投影分布的偏差——即色偏移，该方法适用于R、G、B三通道的分立补偿。

Claims (7)

1. 一种数码动态-非线性CRT投影系统亮度补偿方法，实现所述方法的电路由A/D转换器、数据存储及运算转换器、CPU系统、D/A转换器构成，其特征在于，所述方法的工作过程为：模拟视频信号经A/D转换器变换成数字信号，在CPU系统指令控制下，使数字化的视频信号再经数据存储及运算转换器按动态-非线性补偿算法法则进行变换，所述变换所采用的变换因子含有几何校正因子项及动态-非线性校正因子项，变换后的视频信号再经D/A转换器转换成新的视频信号，所述的动态-非线性算法法则指的是，CRT光栅上每一点所相应的视频数据的复合校正因子项函数，所述复合校正因子项函数是一个曲面，所述复合校正因子项函数曲面的极值点对应于CRT中心的坐标，如果将所述复合校正因子项函数的绝对值定义为所述复合校正因子项函数曲面上的某一点与过所述复合校正因子项函数曲面极值点的切面的距离，则所述复合校正因子项函数的绝对值不仅与CRT上每一个像素点的位置坐标有关，也与所述像素点的原亮度信号的亮度值有关。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的视频信号指的是亮度信号或R、G、B单色亮度信号。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合校正因子项函数的绝对值与像素点的位置坐标和像素点的原亮度信号的亮度数值之间的具体关系为：原亮度信号数据所需的相应数值变换，在均匀亮场的条件下，越远离CRT的中心位置所得的提升数值越大，对于负亮度函数来说则是提升的数值越小；但随原亮度的增高所得的提升数值越小，对于负亮度函数来说则是提升的数值越小；对于屏幕上某一固定点来说，随着原亮度信号亮度数值的增加而提升的数值越小，CRT中心点的提升数值不变，其具体的数学表达式为：
y*＝y×K(r，y)＝y×K1(r)×[φ(y)×r+C]
K：变换因子，
K1：几何校正因子项，
K2：动态-非线性校正因子项，
y*：变换后视频信号的亮度信号，
y：变换前视频信号的亮度信号，
r：CRT上像素点的极坐标，
C：常数，
其中，K函数特点： ∂ 2 K / ∂ r 2 ≥ 0 或≤0，
∂ 2 K / ∂ y 2 ≤ 0 或≥0，
K1函数特点：d2K1/dr2≥0或≤0，
K2函数特点： ∂ 2 K 2 / ∂ y 2 ≤ 0 或≥0，
函数曲面的极值点为：
如果选取对称状函数，
有 ∂ K / ∂ r | r = 0 = 0 ,
即dK1/dr|r＝0＝0； ∂ K 2 / ∂ y | r = 0 = 0 ,
对于非对称状函数，
有 ∂ K / ∂ r | r 0 ≠ 0 = 0 , 其中r0为一常数，
相应的K2因子项变为：
K2[φ(y)(r-r0)+C]，
因而 ∂ K 2 / ∂ y | r = 0 = 0 .
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的几何校正因子项是指一个仅与CRT上的位置坐标有关的函数，所述几何校正因子项函数是一个曲面，CRT中心点的坐标对应于所述几何校正因子项曲面的极值点，而且越远离CRT中心的坐标点，则相应的所述几何校正因子曲面上的点的绝对值——即所述几何校正因子项曲面上的点相对于CRT中心点到几何校正因子项曲面极值点的切面的距离将增加。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的动态-非线性校正因子项是一个与原亮度信号自身相关的函数，所述动态-非线性校正因子项函数是一个曲面，CR′I中心点的坐标对应于所述的动态-非线性校正因子项曲面的极值点，而且越远离CRT中心的坐标点，则相应的该所述的动态-非线性校正因子项曲面上的点的绝对值——即所述的动态-非线性校正因子项曲面上的点相对于CRT中点到动态-非线性校正因子项曲面极值点的切面的距离将减少。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合校正因子项函数在CRT的中心点，与该点的原亮度信号无关。
7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合校正因子项函数是非对称的函数，以消除R、B光栅各自投影分布的偏差-即色偏移。
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