CN101317213A - 用于增强色分辨率的方法及使用该方法的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于增强色分辨率的方法，尤其是使用16比特每像素的系统帧缓存在显示器中获得18比特的分辨率的方法。本发明采用逻辑来产生介于16bpp色值之间的中间像素值。本发明提出总是用固定的比特数并采用误差扩散抖动来在系统帧缓存中存储图像。然后提供后处理滤波器以使用显示器装置可接收的更多比特每像素来提供增强的色分辨率。本发明还涉及一种使用该方法的设备。

Description

用于增强色分辨率的方法及使用该方法的设备
发明领域
本发明涉及一种增强色分辨率(colour resolution)的方法，尤其是使用16比特每像素的系统帧缓存(buffer)在显示器上获得18比特的分辨率的方法。本发明使用逻辑(logic)来产生介于16比特每像素的色值之间的中间像素值。
本发明还涉及一种使用该方法的设备。
技术发展水平
市场中存在着对提供高色深(colour depth)强烈需求，例如移动电话显示器上的18比特每像素(bits per pixel，bpp)。现今大部分移动电话已经具有这种高分辨率的显示器。
彩色显示器包括图像元素，即像素，像素由基本颜色红、绿、蓝RGB的像素值来控制。通常，在16bpp的色分辨率中，红色有32阶(level)，绿色有64阶，蓝色有32阶。这产生32×64×32＝65536种可能的颜色。类似地，在18bpp色分辨率中，红色有64阶，绿色有64阶(相同的)，蓝色有64阶。这产生64×64×64＝262144种可能的颜色。显示器由显示器驱动装置来控制，所述显示器驱动装置从系统帧缓存接收像素值。为了在当前电话中获得真实的(true)18bpp色，实际上需要使用24或32比特每像素在系统帧缓存中保存所有颜色。这是因为处理器(CPU)和图形硬件只适宜处理诸如8、16、24或32比特每像素之类的简单像素大小。
在现有技术中，系统帧缓存的色分辨率通常高于显示器的色分辨率。系统帧缓存中的像素格式示例为：
18bpp用4字节存储(添加了14个空闲比特(dummy bit))
24bpp用3字节存储
32bpp用4字节存储(与24bpp相同，但添加了8个空闲比特)。
因此，在使用32比特每像素的情况下，当用32比特存储所有的像素和图像时需要使用两倍于16比特的存储空间。而且，由于必须通过软件执行特殊的模式转换(这是因为一些应用只能工作于16比特模式)，所以软件更为复杂。
一种在感知上(perceptually)增加图像中的色深的方法被称为误差扩散抖动(Error Diffusion Dither)。将参考图3和图4来描述该技术。在使用该技术的情况下，以覆盖于整个梯度的离散阶来存储图像中的慢梯度(slow gradient)。
现有技术方法的示例在图1A中示出。这是一个传统的16bpp(＝65536色)的系统。一个应用提供一个原始图像，例如具有24比特色分辨率的JPEG图像。这被以误差扩散抖动解码成16bpp并被存储在具有16bpp分辨率的系统帧缓存中。在图像能够被显示之前，数据必须被传递到显示器驱动(display driver)。现今的显示器通常具有18bpp的色分辨率。显示器驱动通过简单的填充(padding)将16bpp的像素值扩展到18bpp，并以18bpp将像素存储在显示器帧缓存中。此时，结果能够显示在显示器上。由于填充不会增加色深，所以色分辨率仍为16bpp，即使误差扩散抖动在感知上改善了外观(appearance)。
现有技术方法的另一个示例在图1B示出。这是传统的真实18bpp(＝262144色)的系统。由于上述原因，该系统帧缓存被从16bpp改为24bpp或32bpp。所有的绘图(drawing)操作都必须被重新配置以对新的色深起作用。一个应用提供一个原始图像，例如具有18或者24比特色分辨率的JPEG图像。这被解码成24或32bpp比特(可能采用误差扩散抖动)并被存储在具有18、24或32bpp分辨率的系统帧缓存中。数据被传递到显示器驱动，其中显示器具有18bpp的色分辨率。显示器驱动将24或32bpp像素值截取(truncate)成18bpp并以18bpp将像素存储在显示器帧缓存中。通过硬件对所有像素一个接一个执行截取。此时结果能够被显示在显示器上。色分辨率是真实的18bpp。
因此，现有技术需要大的系统帧缓存来获得真实的18bpp色分辨率。必须在系统帧缓存与显示器帧缓存之间传递大量的数据。而且，一些仅产生16比特图像的应用必须作为特殊情况来处理，从而导致系统软件和显示器设置中的16bpp和18bpp之间的转换。这导致更为复杂的软件。
发明概述
本发明提出总是用固定的比特数、适当地用16比特色分辨率，并且采用误差扩散抖动来在系统帧缓存中存储图像。然后提供后处理滤波器，适于在显示器驱动装置之前，使用显示器装置可接受的更多比特数每像素(适当地18比特每像素)来提供增强的色分辨率。
在第一方面，本发明提供了一种用于增强色分辨率的方法，包括步骤：
将原始图像输入到具有固定的第一比特数每像素的系统帧缓存中；使用能够产生扩散慢梯度的误差扩散算法，所述扩散慢梯度将被存储在系统帧缓存中。
根据本发明，所述方法包括步骤：
处理任意慢梯度以产生更多的色分辨率阶，
产生增加的第二比特数每像素，所述第二比特数每像素适应于显示器装置的特性；以及
向使用所述第二比特数每像素的显示器装置发送经处理的像素值。
适宜地，所述第二比特数每像素是显示装置的最大比特数每像素。
在一个实施例中，处理步骤包括对像素值正被处理的像素的周围像素的邻域(neighbourhood)的像素值求平均。
优选地，如果在任何颜色中相邻阶之间存在着过大的变化，则不使用平均值。
在可替换的实施例中，如果R、G或B像素中有一个偏离平均值超过1或2步长(step)，则不使用平均值。
适宜地，平均像素值被截取至最近的下半步长。
优选地，平均像素值的数目为二的幂。
优选地，像素值的颜色分量(color component)被一起平均。
优选地，像素的邻域是二维的。
适宜地，所述第一比特数每像素为16。
适宜地，所述第二比特数每像素为18。
在第二方面，本发明提供了一种设备，包括：具有处理能力的控制单元和显示器驱动装置；包括系统帧缓存的存储装置；由显示器驱动装置控制的显示器装置，该显示器装置具有能够根据像素值显示图像元素的像素，其中控制单元被安排成将原始图像输入到使用固定的第一比特数每像素的系统帧缓存中；使用能够产生扩散慢梯度的误差扩散算法，所述扩散慢梯度将被存储在系统帧缓存中。
根据本发明，处理逻辑被安排成处理任意慢梯度以产生更多的色分辨率阶，从而产生增加的第二比特数每像素，所述第二比特数每像素适应于显示器装置的特性；并且
被安排成向使用所述第二比特数每像素的显示器装置发送经处理的像素值。
适宜地，所述第二比特数每像素是显示器装置的最大比特数每像素。
在一个实施例中，处理步骤包括对像素值正被处理的像素的周围像素的邻域的像素值求平均。
优选地，如果在任何颜色中的相邻阶存在着过大的变化，则不使用平均值。
在可替换的实施例中，如果R、G或B像素中有一个偏离平均值超过1或2步长，则不使用平均值。
适宜地，平均像素值被截取至最近的下半步长。
优选地，平均像素值的数目为二的幂。
优选地，像素值的颜色分量被一起平均。
优选地，像素的邻域是二维的。
适宜地，所述第一比特数每像素为16。
适宜地，所述第二比特数每像素为18。
在一个实施例中，处理逻辑是通过显示器驱动装置中的硬件或者固件/微码来实现的。
在另一实施例中，显示器驱动装置与显示器装置一起被集成在驱动芯片上。
在另一实施例中，显示器驱动装置被集成在与显示器装置通信的基带芯片上。
在又一实施例中，处理逻辑是通过显示器驱动装置之前的分立单元中的硬件或者固件/微码来实现的。
所述设备可以是便携式电话、寻呼机、发报机、智能电话(smartphone)或者电子记事薄(electronic organiser)。
附图简述
以下将参考附图对本发明进行详细描述，其中：
图1A和1B是现有技术方法的流程图，
图2是根据本发明的方法的流程图，
图3是图像中的预期(intended)慢梯度图，
图4是经过误差扩散抖动之后的梯度图，
图5是根据本发明重建的(recreated)梯度阶的图，
图6是根据本发明的设备的示意图。
优选实施例的详细说明
本发明适用于具有显示器的设备，其中可用存储空间和处理能力是有限的。作为非限制性例子，本发明可以用于便携式电话、寻呼机、发报机、智能电话或者电子记事薄。显示器及其他电子和逻辑部件可以是常规的。如何借助于图像元素、像素，根据基本颜色红、绿、蓝，或者从其他颜色空间转换来获得颜色是公知常识。本说明书将集中在与本发明相关的方面上。
通常希望节省存储空间，尤其是在小型便携式设备中。16比特色分辨率通常产生足够的色分辨率。16比特不能提供足够色分辨率的唯一情况是诸如“慢”梯度的极细小颜色变化的情况。在图像中这是其中一个或多个颜色分量变化非常缓慢的区域。在这种情况下，人眼无法感知任何不连续，诸如由误差扩散抖动算法产生的分割(segmentation)。另外，在16比特分辨率下，当相近的(nearby)两个颜色没有被彼此相邻地呈现时，人眼在任何情况下都能够看到这两个颜色的差异。“相近”意为红、绿或蓝的像素值的最大偏离为一阶上下。
为了用少量的阶存储慢梯度并仍保留一些有关梯度的信息，采用了误差扩散抖动。众所周知，与对阶进行简单的取整(rounding)或者截取相比，该抖动步长本身就会极大改善所感知的图像质量。
将参考图3和图4来描述一个示例。误差扩散抖动算法已知如此。在这种情况下，我们要绘出从阶1到阶4的梯度，覆盖了12个像素。为了简单起见，我们仅考虑灰度图像(grey scale image)。图3是这样的梯度的图。
使用误差扩散抖动算法，这将会产生如图4所示的曲线。这添加了“扩散”而不是仅仅在三步长内增加阶，原因在于像素值不是严格增加，而是在原始梯度周围增加或减小，以将邻近像素的平均值保持在曲线附近。这样，可以保持与原始曲线相关的更多信息。如果该曲线再现于显示器中，它看起来将会比仅在三步长中增加阶的曲线更平滑。
根据本发明，后处理滤波器用于通过检查像素的邻域来重建误差扩散算法的“目标(intent)”。如果值仅有小的变化，该变化很可能是尝试产生通常无法通过当前分辨率再生(reproducible)的阶的结果。在这种情况下，预期色值能够通过计算相邻像素的平均值来获得。求平均的结果不会被写入系统帧缓存，而是被发送到显示器驱动或者显示器帧缓存，如下面更为详细的描述。
在本示例中，通过使用±1像素的一维邻域，将获得图5中所示的阶。因为我们使用了3像素，阶总数被除以3并且结果将被截取至最近的下半步长，以使阶数加倍。在从16bpp到18bpp的情况下，半步长是足够的，其中用于R、B分量的阶数被加倍。一般来说，可以使用更小的步长。在实际情况中，更倾向于选择包含的像素数为2的幂的邻域，以简化除法。
只要在任何颜色中的相邻阶之间有过大的变化，我们就不计算平均值，原因在于这将引入模糊伪像(blurring artefact)。换言之，高的变化指示图象中不存在慢梯度，并且事实上需要再生颜色中的不连续性来获得足够的清晰度(sharpness)。因此引入门限以限制何时应该执行求平均。例如，如果R、G或B像素中有一个偏离平均值超过1或2个步长，则不应该使用平均值。优选地，门限和平均值计算应该作为整体被一起应用于RGB颜色分量。
此外，邻域的选择还决定了可以重建多少阶。例如，通过使用2乘2像素的二维邻域，能够获得四倍的阶数，这将有效地实现所感知的“22比特”的色分辨率(R、G、B分别+7+8+7比特)。
图2中列出了根据本发明的方法，其中把从16bpp至18bpp的增强作为示例。诸如照相机之类的应用提供了原始图象，例如色分辨率为24比特的JPEG图像。图像数据被解包(unpack)成为原始图像数据并被存储在系统帧缓存、适宜地视频RAM中。原始图像具有高深色分辨率，而JPEG解包器(unpacker)可以提供24bpp的色分辨率。不希望将该原始大小存储在系统帧缓存中。作为代替，使用误差扩散抖动将图像“实时地(on the fly)”解码为16bpp的色分辨率并将其存储在系统帧缓存中。优选地，系统帧缓存在每2字节中存储16bpp像素值以优化存储空间需求。
为了重建慢梯度，执行上述的求平均。该求平均再生或重新确立(reinvent)模拟原始慢梯度的色阶，从而产生18bpp像素值。在置于显示器驱动之前的单元中执行求平均。在可替换的方案中，显示器驱动执行求平均。如果不执行求平均(在慢梯度之外的情况下)，则用0来填充16比特像素值，这也会产生18bpp的像素值。这些值被直接发送到18bpp彩色显示器，而不是在系统帧缓存中存储关于每个像素的18比特像素值。色分辨率将为(模拟的)18bpp。
因此，存储于系统帧缓存中的图像的颜色总数为例如65536色。通过本发明，发现颜色梯度或者过渡(transitions)可以在色阶中得到增强。存储于系统帧缓存中的图像包括由于粗糙的(coarser)阶和误差扩散抖动而造成的颜色片段(segment)，但是新的经处理的图片具有更多色阶来消除(smooth out)分割。通过本发明，可以产生更多的颜色，例如每像素18比特的262144色，而需要更少的存储。
图6是包含本发明的设备的相关部件的示意图。在诸如移动电话之类的设备中，控制单元和存储(包括诸如视频RAM之类的系统帧缓存7)通常被提供在主/基带芯片1上，而显示器被作为分立部件来提供，在这里示出被提供在驱动芯片1上。可替换地，系统帧缓存可以被提供在外部RAM上。驱动芯片1包括显示器驱动装置3，该显示器驱动装置3包括显示器帧缓存4，所述显示器帧缓存4包含显示器2上所显示的数据。用于执行处理的逻辑6适宜在主芯片5上以硬件或固件/微码来实现。适宜地，处理逻辑6被合并到物理显示器接口中，该物理显示器接口负责将数据从系统帧缓存7传递到显示器驱动3。
可替换地，显示器帧缓存可以被合并在主芯片上或被合并到外部RAM中。
在另外的实施例中，在被发送到显示器驱动之前，处理逻辑把增强至18bpp的图像数据写入中间的24/32bpp缓存(未示出)。
在可替换的方案中，处理逻辑6可以与显示器驱动装置3一起被集成在驱动芯片1上，或者可以作为主芯片5和显示器驱动装置3之间的分立部件(未示出)。
执行处理所需的计算相对简单且非常适于快速操作。因此，在本说明书中所提到的图像可以是视频序列中的帧。
本发明在系统帧缓存中使用仅16比特色分辨率的情况下实现增强的色分辨率。增强的18比特色分辨率不在系统帧缓存中存储，而是被直接发送到显示器驱动。因为帧缓存总是具有16比特的色分辨率，所以所有的应用都可以如此优化，而不需要在16bpp与18bpp之间进行转换，这使软件得以简化。较小的16比特系统帧缓存还将考虑到更快的数据读写。
本发明可以通过软件和硬件的适当结合来实现。说明书中所讨论的16和18比特的色分辨率是当前优选的示例，但本发明不局限于这些值。本发明的范围仅由如下权利要求来限定。

Claims (29)

1.一种用于增强色分辨率的方法，包括步骤：将原始图像输入到具有固定的第一比特数每像素的系统帧缓存(7)中；使用能够产生扩散慢梯度的误差扩散算法，所述扩散慢梯度将被存储在系统帧缓存(7)中，其特征在于以下步骤：
处理任意慢梯度以产生更多的色分辨率阶，从而产生增加的第二比特数每像素，所述第二比特数每像素适应于显示器装置(2)的特性；并且使用所述第二比特数每像素向显示器装置(2)发送经处理的像素值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第二比特数每像素是显示器装置(2)的最大比特数每像素。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于处理步骤包括对像素值正被处理的像素周围的像素的邻域的像素值求平均。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于如果任何颜色中的相邻阶之间存在着过大的变化，则不使用平均值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于如果R、G、B像素中有一个偏离平均值超过1步长，则不使用平均值。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于如果R、G、B像素中有一个偏离平均值超过2步长，则不使用平均值。
7.根据权利要求3至6中任意一项所述的方法，其特征在于平均的像素值被截取至最近的下半步长。
8.根据权利要求3至7中任意一项所述的方法，其特征在于平均的像素值的数目是2的幂。
9.根据权利要求3至8中任意一项所述的方法，其特征在于像素值的颜色分量被一起平均。
10.根据权利要求3至9中任意一项所述的方法，其特征在于像素的邻域是二维的。
11.根据权利要求1至10中任意一项所述的方法，其特征在于所述第一比特数每像素为16。
12.根据权利要求1至11中的任意一项所述的方法，其特征是所述第二比特数每像素为18。
13.一种设备包括：具有处理能力的控制单元和显示器驱动装置(3)；包括系统帧缓存(7)的存储装置；由显示器驱动装置(3)控制的显示器装置(2)，所述显示器装置(2)具有能够根据像素值显示图像元素的像素，其中控制单元被安排成使用固定的第一比特数每像素将原始图像输入到系统帧缓存(7)中；使用能够产生扩散慢梯度的误差扩散算法，所述扩散慢梯度将被存储在系统帧缓存(7)中，其特征在于：处理逻辑(6)被安排成处理任意慢梯度以产生更多色分辨率阶，从而产生增加的第二比特数每像素，所述第二比特数每像素适应于显示器装置(2)的特性；并且被安排成向使用所述第二比特数每像素的显示装置(2)发送经处理的像素值。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于所述第二比特数每像素是显示器装置(4)的最大比特数每像素。
15.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于处理步骤包括对像素值正被处理的像素周围的像素邻域的像素值求平均。
16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于如果任何颜色中的相邻阶之间存在着过大的变化，则不使用平均值。
17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于如果R、G、B像素中有一个偏离平均值超过1步长，则不使用平均值。
18.根据权利要求16所述的设备，其特征在于如果R、G、B像素中有一个偏离平均值超过2步长，则不使用平均值。
19.根据权利要求13至18中任意一项所述的设备，其特征在于平均的像素值被截取至最近的下半步长。
20.根据权利要求15至19中任意一项所述的设备，其特征在于平均的像素值的数目是2的幂。
21.根据权利要求15至20中任意一项所述的设备，其特征在于像素值的颜色分量被一起平均。
22.根据权利要求15至21中任意一项所述的设备，其特征在于像素的邻域是二维的。
23.根据权利要求13至22中任意一项所述的设备，其特征在于所述第一比特数每像素为16。
24.根据权利要求13至23中任意一项所述的设备，其特征在于所述第二比特数每像素为18。
25.根据权利要求13至24中任意一项所述的设备，其特征在于处理逻辑是通过显示器驱动装置(3)中的硬件或固件/微码来实现的。
26.根据权利要求25所述的设备，其特征在于显示器驱动装置与显示器装置(2)一起被集成在驱动芯片(1)上。
27.根据权利要求25所述的设备，其特征在于显示器驱动装置被集成与显示器驱动装置(3)通信的在基带芯片(5)上。
28.根据权利要求13至24中任意一项所述的设备，其特征在于处理逻辑是通过显示器驱动装置(3)之前的分立单元中的硬件或固件/微码实现的。
29.根据权利要求13至28中任意一项所述的设备，其中所述设备是便携式电话、寻呼机、发报机、智能电话或者电子记事薄。
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