CN101057488B - 用于减少脉宽调制显示器中的暗噪声的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，提供了用于减少脉宽调制(PWM)显示器中的暗噪声的系统和方法。所述系统包括：用于为与图像帧的第一子帧相对应的图像中的暗部分来确定亮校正后的像素值的装置；以及用于为与图像帧的第二子帧相对应的图像中的暗图像部分来确定暗校正后的像素值的装置。

Description

用于减少脉宽调制显示器中的暗噪声的系统和方法
相关申请
本申请要求2005年11月10日公布的美国临时专利申请序列号60/626,764“DARK NOISE REDUCTION FOR PWM DISPLAYS”的优先权，将其内容在此并入作为参考。
技术领域
本发明涉及用于处理数字视频图像数据的系统和方法，具体涉及用于处理空间光调制(SLM)显示器中的视频数据的系统和方法，其中减少了所显示的视频图像的低亮度部分中的可察觉噪声。
背景技术
等离子和DLP显示器是脉宽调制(PWM)显示器类型的示例。PWM显示器仅具有数字形式的ON和OFF像素状态。因此，PWM显示器通过把各个子场周期中发出的光进行合并而提供图像。如果切换频率足够高，则眼睛会对时间平均的像素亮度做出反应。仅能够产生离散的强度等级组。结果，强度缩放不再平滑，而是伴随一系列步长而增大。强度步长单独应用于每一个红、绿和蓝原色通道。这些步长为所有产生的颜色混合的色调和饱和度引入了量化误差。数字等级的个数越多，误差越小。如果这些步长非常精细，那么眼睛将不会注意到跳动且不会缺乏平滑性。如果这些步长不是非常精细，那么数字步长的间隔尺寸将会为所显示的图像引入假的视觉强度和轮廓。这些效果在图像内的强度或颜色具有精细的分度时十分显著。另外，在低亮度等级-即低强度-上，“ON”像素状态时间过于简短以致于它可以可视地被察觉为图像噪声。在这里把这种噪声称作暗噪声。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于减少脉宽调制(PWM)显示器中的暗噪声的系统和方法。所述系统包括：用于针对与第一子帧相对应的图像中的暗部分来确定亮校正后的像素值的装置；以及用于针对与图像帧的第二子帧相对应的图像中的暗图像部分来确定暗校正后的像素值的装置。
附图说明
参考附图并结合随后的详细描述，可以获得对本发明的完整理解，其中：
图1是根据本发明实施例的暗噪声去除电路的方框图；
图2是示例脉宽调制(PWM)显示系统的方框图，根据本发明的多个实施例，该系统适于和图1所示类型的暗噪声减少电路一同使用；
图3是根据本发明实施例的暗噪声处理器的方框图；
图4是根据本发明像素平移实施例的、包括视频图像帧中第一子帧的像素的图示；
图5是根据本发明像素平移实施例的、包括视频图像帧中第二子帧的像素的图示；
图6是根据本发明像素平移实施例的、包括图4和5所示第一和第二子帧的视频图像帧的图示；
图7A和7B是本发明备选实施例的方框图，该实施例采用PWM显示系统的光引擎外部的子系统；
图8是示出了根据本发明实施例用于校正暗噪声的方法步骤的流程图。
具体实施方式
一些PWM显示器中采用了所谓的“像素平移”技术，以提高所投影的图像的分辨率。根据这种技术，图像帧的像素暂时被分为至少两个子帧。图4、5和6中以图示的方式示出了这个概念。图4示出了第一子帧400，包括所要显示的视频图像帧600的像素401(示出了一个代表像素)。图5示出了第二子帧500，包括所要显示的视频图像帧600的像素501(示出了一个代表像素)。图6示出了帧600，包括子帧400的像素401和子帧500的像素501。帧600表示帧600所要显示的完整视频图像。本发明的一些实施例针对所要显示的每一个颜色图像帧包括至少两个子帧。然而，本发明的备选实施例针对所要显示的每一个颜色图像帧包括四个子帧。可以想象本发明的其它实施例包括多于4个的子帧以表示所要显示的帧。通过相对于图像帧中其它子帧在空间上和时间上进行移位而把子帧投影到显示表面上。
除非特别说明，这里和所附权利要求中使用的术语“显示系统”是指投影仪、投影系统、图像显示系统、电视系统、视频监视器、计算机监视器系统或被配置为创建图像帧序列的任意其它系统。图像帧序列可能产生静止图像、图像序列或运动图像视频。除非特别说明，这里和所附权利要求中使用的短语“图像帧序列”、“连续图像帧”和术语“图像”是指广义上的静止图像、图像系列、运动图像视频或由显示系统所显示的任意其它事物。
图1示出了脉宽调制(PWM)显示器中使用的暗噪声减少系统100。暗噪声减少系统100在其输入处接收gamma校正后的视频3的连续帧。Gamma校正后的视频3被连接到gamma校正消除器5。Gamma校正消除器5消除了输入视频数据3中的任意gamma校正，从而在其输出处提供了没有gamma校正的视频数据7。Gamma校正消除器5的视频数据7的一部分输出被连接到暗像素分离器9。Gamma校正消除器5的视频数据7的另一部分输出被连接到delta值发生器102。Delta值发生器102产生并存储与视频数据7的连续帧相对应的delta值的帧。
Delta值发生器102接收图像数据7的帧并计算相应的delta值的帧。Delta值发生器通过检查帧中的每一个连续的水平像素对(Pn和Pn+1)而操作。Delta值发生器102通过获得帧中相邻水平像素之间的差而为每一个帧形成delta值。例如对于水平相邻像素1和2组成的对来说，选择delta_1、2作为(p1、p2、1-p1、1-p2)中的最小值，其中pi是像素1的像素值，而p2是像素2的像素值。由此为帧中的每一个水平像素对计算delta值。在本发明的一个实施例中，delta值发生器102中的存储器(未示出)存储有图像数据7的帧的delta值的至少一个帧。暗噪声减少处理器19中的第一子帧处理器17和第二子帧处理器190使用delta值来计算修改后的像素值，所述修改后的像素值用于减小图像数据7的帧的暗图像部分像素13中的噪声。
Gamma校正消除器5向像素分离器9提供了图像数据7的连续帧(不存在gamma校正)。提供给像素分离器9的图像数据7的帧可以包括亮图像部分像素11和暗图像部分像素13。像素分离器9把亮图像部分像素11与暗图像部分像素13相分离。
像素分离器9通过对图像数据7的连续帧进行估计而完成这个分离操作。选择帧内具有等于或大于1(of256)的值的像素来表现亮图像部分像素11。像素分离器9把亮图像部分像素11提供给像素定位器21。选择帧内具有小于1的值的像素来表现暗图像部分像素13。像素分离器9与噪声减少处理器19和像素定位器21相连。像素分离器9把暗图像部分像素13提供给噪声减少处理器19。像素分离器9把亮图像部分像素11提供给像素定位器21。
图3示出了根据本发明实施例的噪声减少处理器19。暗图像部分像素13被提供给暗噪声减少处理器19的输入。暗噪声减少处理器19包括第一子帧处理器17。第一子帧处理器17接收与帧的第一子帧相对应的暗图像部分像素13。第一子帧处理器17对暗图像部分像素13进行处理，并提供包括亮校正后的像素值Pb_n的子帧。
暗噪声减少处理器19还包括第二子帧处理器190。第二子帧处理器190接收包括在帧的第二子帧中的暗图像部分像素13。第二子帧处理器190对与第二子帧相对应的暗图像像素13进行处理，并提供被包括在第二子帧中的暗校正后的像素值Pd_n。
第一子帧处理器17根据关系Pb_n＝Pn+5*(delta_n，n-1+delta_n，n+1)来确定亮校正后的像素值Pb_n，其中Pb_n是第一子帧中具有像素值Pn的像素n的校正后的值，而delta_n、n-1是与第一子帧中的像素n的值(例如参见图4)与第二子帧中像素n-1的值(例如参见图5)之间的差相对应的delta值。像素n-1是在包括两个子帧的像素的帧(例如参见图4)中的一个方向上与像素n水平相邻的像素，其中像素n+1是在另一个方向上与第二子帧中的像素n水平相邻的像素。
第二子帧处理器190根据关系Pd_n＝Pn-.5*(delta_n，n-1+delta_n，n+1)来确定暗校正后的像素值Pd_n，其中Pd_n是第二子帧中具有像素值Pn的像素n的校正后的值，而delta_n、n-1是第二子帧中的像素n的值与第一子帧中像素n-1的值之间的delta，其中像素n-1是在一个方向上与像素n水平相邻的像素，而像素n+1是在另一个方向上与像素n水平相邻的像素。
根据本发明的一个示例，如果所有的像素相等，那么所有像素对的delta相等。例如如果相等的像素小于.5线性，那么暗子图像像素将会是0且亮子图像像素将会加倍。另一方面，例如如果相等的像素大于.5线性，那么亮子图像像素将等于1且暗子图像像素将会小于1，从而两个像素的平均值等于原始像素值。如果呈现出平坦的图像区域，那么一个子图像将不会具有噪声。另一个子图像将会具有噪声，这个噪声至少小于一个原始子图像噪声的两倍。结果，所显示的图像中的噪声得以减少。
第一子帧处理器17向像素定位器21提供包括第一子帧像素29的亮校正后的像素值，而第二子帧处理器190向像素定位器21提供暗校正后的第二子帧像素31。对于本领域的技术人员明显的是，针对亮和暗校正处理而对第一和第二子帧进行的选择是任意的。根据多个实施例，第一或第二子帧可以对像素进行处理，从而提供具有亮或暗校正的校正后的子帧。
像素定位器21把亮图像部分像素11、亮校正后的第一子帧像素29和暗校正后的第二子帧像素31恢复为其在视频帧中连续的各个第一和第二子帧中相应的各自的像素位置。由亮校正后的第一子帧像素29和暗校正后的第二子帧像素31组成的视频帧包括与图像数据7的视频帧相对应的暗噪声校正后的视频帧。
像素定位器21向gamma校正器27提供暗噪声校正后的像素数据23的连续帧，这些帧没有经过gamma校正。Gamma校正器27对gamma校正消除器5所消除的gamma校正进行恢复。Gamma校正器27提供输出视频信号14，该信号经过了暗噪声校正和gamma校正。
根据本发明的备选实施例，根据上述原理对输入视频的两个连续帧而不是两个子帧进行处理。这个实施例从输入的连续帧对中产生了两个不同类型的帧。一种类型的帧比原始帧要暗，而另一种类型的帧比原始帧要亮。无论本发明应用于帧中的连续子帧还是应用于连续的帧，初始处理与针对连续子帧所采用的处理相同。然而，对于两个连续的帧，按照如下方式来计算较亮类型的帧：Pbr＝minimum(2*Pnr，1)，其中Pbr是较亮帧的噪声减少后的像素，而Pnr是在帧内噪声减少后来自原始帧的像素。
按照如下方式来计算较暗类型的帧：Pdr＝2*Pnr-Pbr，其中Pdr是较暗帧的噪声减少后的像素，而Pnr、Pbr与上文相同。根据本发明的一些实施例，仅对像素值小于线性1的部分-它是由像素分离器9确定的暗像素-执行上面的计算。
图2示出了脉宽调制(PWM)显示系统192的示例，该类型的系统适于采用图1所示类型的暗噪声减少系统100通过以下方式而产生颜色图像帧：依次产生多个亮色、对所述亮色进行空间上的调制并且对空间上调制的亮色进行投影以形成图像帧。典型地，所述亮色从经过颜色滤光器轮、棱镜或其它一些颜色滤光器的白光源中获得。
在图2所示的实施例中，显示系统2包括图像处理单元4、发光器6、空间光调制器(SLM)8、摆动设备10和显示光学系统12。显示系统2接收图像数据14。图像数据14定义了所要显示的图像16，且显示系统2使用图像数据14来产生被显示的图像16。图像数据14的示例包括数字图像数据、模拟图像数据以及模拟和数字数据的组合，如同图1所示暗噪声减少系统100所提供的示例那样。
虽然对由显示系统2进行处理的一个图像16进行示出和描述，本领域的技术人员可以理解，显示系统2可以对多个图像16、图像16的序列或运动图像视频显示16进行处理。
发光器6是被配置用于产生多个颜色的光的任意装置或系统，所述多个颜色的光具有随着特有次序颜色时间周期而周期性变化的颜色序列。周期性的发光器6位于显示设备2中，把多个颜色的光传递经过SLM8。摆动设备10把像素从SLM 8进行平移，以便在显示表面(未示出)上提供包括第一和第二子帧的被显示的图像，其中第一和第二子帧在时间和空间上彼此移位。
图4是示出了根据本发明像素平移实施例的、包括视频图像帧600(图6)的第一子帧400的示例像素401的图示。
图5是示出了根据本发明像素平移实施例的、包括视频图像帧600(图6)的第二子帧500的示例像素501的图示。
图6是示出了根据本发明像素平移实施例的、包括图4和5所示的示例性第一和第二子帧400和500的视频图像帧600的图示。
图7示出了根据本发明实施例的噪声校正电路，其中相似的数字表示与图1中具有相应数字的相应的功能块。
图8是示出了根据本发明实施例用于校正暗噪声的方法的流程图。根据本发明的方法，第一步骤811包括：对于视频数据的连续帧，把每一个帧中的亮图像部分像素与暗图像部分像素进行分离。第二步骤821包括：确定与帧的第一子帧相对应的暗图像部分像素的亮校正后的像素值。下一个步骤823包括：确定与帧的第二子帧相对应的暗图像部分像素的暗校正后的像素值。下一个步骤851包括：把亮校正后的像素值、暗校正后的像素值和亮图像部分的像素值重新进行组合，以形成帧的第一和第二子图像。下一个步骤860包括：把包括第一和第二子图像的帧投影到显示表面上。
根据本发明的一些实施例，在步骤811之前执行把gamma校正从视频的连续gamma校正后的帧中消除这个步骤。根据本发明的实施例，通过产生与针对暗噪声而校正的视频帧相对应的delta值的帧这个步骤，至少部分地执行步骤821和823。根据本发明的实施例，通过按照delta_1、2＝minimum(pi、p2、1-p1、1-p2)来检查进入的视频帧(不存在任何gamma校正)中每一个连续水平像素对(Pn和Pn+1)，从而执行产生delta值这个步骤。本发明的一个实施例包括如下步骤：把图像数据7的至少一个帧的delta值的帧存储在存储器中。
在本发明的一个实施例中，下一个步骤811-把图像数据7的像素分离为包括帧的亮图像部分中的像素的亮图像部分以及包括来自帧的暗图像部分的像素的暗图像部分-借助于以下步骤而至少在部分上得以执行：对图像数据7的连续帧进行操作，选择具有等于或大于1的值的所述帧内的像素作为包括亮图像部分像素11的亮像素；对图像数据7的连续帧进行操作，选择具有小于1的值的所述帧内的像素作为包括暗图像部分像素13的暗像素。
通过把针对噪声减少而校正后的子帧1像素与针对噪声减少而校正后的子帧2像素以及亮像素进行组合而执行步骤851。所述组合步骤提供了像素的连续帧，其中所述帧减少了被显示图像中的暗噪声。然后在步骤860中把所述减少的暗噪声的帧显示在例如图2中所示的显示设备上。
对于图像数据7的连续相应帧的连续第一和第二子帧来说，在步骤821中根据关系Pb_n＝Pn+5*(delta_n，n-1+delta_n，n+1)来确定亮校正后的像素值Pb_n，其中Pb_n是第一子帧中具有像素值Pn的像素n的校正值，而delta_n，n-1是与第一子帧的像素n的值(例如参见图4)与第二子帧中像素n-1的值(例如参见图5)之间的差相对应的delta值。像素n-1是在包括两个子帧的像素的帧(例如参见图4)中的一个方向上与像素n水平相邻的像素，其中像素n+1是在另一个方向上与第二子帧中的像素n水平相邻的像素。
通过确定Pd_n＝Pn-.5*(delta_n，n-1+delta_n，n+1)来执行根据本发明实施例的步骤823-确定暗校正后的像素值Pd_n，其中Pd_n是第二子帧中具有像素值Pn的像素n的校正后的值，而delta_n、n-1是第二子帧中的像素n的值与第一子帧中像素n-1的值之间的delta，其中像素n-1是在一个方向上与像素n水平相邻的像素，而像素n+1是在另一个方向上与像素n水平相邻的像素。
可以理解的是，本发明能够以包括硬件、软件、固件、专用处理器或其组合的多种形式而实现。优选地，本发明以硬件和软件的组合来实现。
在多个实施例中，处理器在具有例如一个或多个中央处理单元(CPU)、随机存取存储器(RAM)和输入输出(I/O)接口的硬件的计算机平台上实现。所述计算机平台还包括操作系统和微指令代码，用于执行根据本发明多个实施例的方法的步骤。
可选择地，本发明的部分能够以专用集成电路(ASIC)或例如现场可编程门阵列(FPGA)的可编程逻辑器件(PLD)内的硬件电路而实现。
还可以理解的是，由于附图中描述的某些组成系统的组件和方法步骤优选地以软件来实现，所以系统组件(或方法步骤)之间的实际连接可能不同，这取决于本发明所规划的方式。根据这里的教义，相关技术领域的普通技术人员能够设想本发明的这些和相似的实施方式或配置。
由于为了适合具体的操作要求和环境而进行的其它修改和改变对于本领域的技术人员是明显的，因而本发明不应当被看作被限制为为公开的目的而选择的示例，本发明覆盖了没有背离本发明的真实精神和范围的所有改变和修改。
已经描述了本发明，本发明期望由随后所附的权利要求中所体现的专利证书来保护。

Claims (4)

1.一种用于减少脉宽调制(PWM)显示器中的暗噪声的系统，包括：
用于对于视频数据的连续帧，把每一帧中的亮图像部分像素与暗图像部分像素分离的装置；
用于为与所述帧的第一子帧相对应的暗图像部分像素来确定亮校正后的像素值的装置，其中根据关系Pb_n＝Pn+5*(delta_n，n-1+delta_n，n+1)来确定亮校正后的像素值，Pn是第一子帧中像素n的像素值，Pb_n是像素n经亮校正后的像素值，delta_n，n-1是与第一子帧中的像素n和第二子帧中像素n-1的像素值之差相对应的delta值，delta_n，n+1是与第一子帧中的像素n和第二子帧中像素n+1的像素值之差相对应的delta值，像素n-1和n+1分别在不同的方向上与像素n水平相邻；
用于为与所述帧的第二子帧相对应的暗图像部分像素来确定暗校正后的像素值的装置，其中根据关系Pd_n＝Pn-.5*(delta_n，n-1+delta_n，n+1)来确定暗校正后的像素值，Pn是第二子帧中像素n的像素值，Pd_n是像素n经暗校正后的像素值，delta_n，n-1是与第二子帧中的像素n和第一子帧中像素n-1的像素值之差相对应的delta值，delta_n，n+1是与第二子帧中的像素n和第一子帧中像素n+1的像素值之差相对应的delta值，像素n-1和n+1分别在不同的方向上与像素n水平相邻；
用于把亮校正后的像素值、暗校正后的像素值和亮图像部分值进行组合，以形成第一和第二子图像的装置；以及
用于把第一和第二子图像投影到显示表面上，以显示视频图像的帧的装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中用于分离的装置通过估计帧的像素是否具有小于1的值而实现。
3.一种用于减少脉宽调制(PWM)显示器中的暗噪声的方法，包括步骤：
对于视频数据的连续帧，把每一帧中的亮图像部分像素与暗图像部分像素分离；
针对与帧的第一子帧相对应的暗图像部分像素来确定亮校正后的像素值，其中根据关系Pb_n＝Pn+5*(delta_n，n-1+delta_n，n+1)来确定亮校正后的像素值，Pn是第一子帧中像素n的像素值，Pb_n是像素n经亮校正后的像素值，delta_n，n-1是与第一子帧中的像素n和第二子帧中像素n-1的像素值之差相对应的delta值，delta_n，n+1是与第一子帧中的像素n和第二子帧中像素n+1的像素值之差相对应的delta值，像素n-1和n+1分别在不同的方向上与像素n水平相邻；
针对与帧的第二子帧相对应的暗图像部分像素来确定暗校正后的像素值，其中根据关系Pd_n＝Pn-.5*(delta_n，n-1+delta_n，n+1)来确定暗校正后的像素值，Pn是第二子帧中像素n的像素值，Pd_n是像素n经暗校正后的像素值，delta_n，n-1是与第二子帧中的像素n和第一子帧中像素n-1的像素值之差相对应的delta值，delta_n，n+1是与第二子帧中的像素n和第一子帧中像素n+1的像素值之差相对应的delta值，像素n-1和n+1分别在不同的方向上与像素n水平相邻；
把亮校正后的像素值、暗校正后的像素值和亮图像部分值进行组合，以形成第一和第二子图像；
把第一和第二子图像投影到显示表面上，以显示视频图像的帧。
4.根据权利要求3所述的方法，其中分离步骤通过估计帧的像素是否具有小于1的值而执行。
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