CN103177702A - 具有灰阶扩展功能的显示器及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有灰阶扩展功能的显示器及其方法，其包括显卡、与显卡相连并用于视频信号解码的解码单元、与解码单元相连并用于处理图像灰阶的灰阶聚焦单元、与灰阶聚焦单元相连并用于将低灰阶图像扩展为高灰阶图像的灰阶扩展单元、与灰阶扩展单元相连的驱动单元、以及由驱动单元驱动的显示单元。本发明用于在8位显卡的基础上实现图像灰阶数的任意扩展，通过在时间和空间两个维度上调整一副图像上各个像素点的亮度值，并做相应均匀化处理达到灰阶数扩展的目的，适用于医疗、航空航天等对图像灰阶度有较高要求的领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有灰阶扩展功能的显示器及其方法。
背景技术
众所周知，显示器像素描绘的是屏幕上极小的一个点，而每一个像素可以被设置为不同的颜色和亮度。像素的每一种状态都是三种颜色红、蓝、绿所控制，当它们都处于最大亮度时，像素就呈现为白色，反之，像素为黑色。像素的颜色数称为色深，该指标用来描述显示卡能够显示多少种颜色，一般以多少色或多少bit色来表示。如8bit色深可以显示256种颜色或称256级灰阶，16bit色深可显示65536种颜色或称65536级灰阶，称为增强色。所以色深的位数越高，所能看见的颜色就越多，屏幕上画面的质量就越好。
而在放射学中医学影像灰度的微小差异对早期病灶的诊断至关重要，因此应用于医疗领域的专业显示器灰阶要在1024级灰阶以上，还要求所显示的影像清晰度足够高且层次感明显，而现有的普通8位显卡仅能输出256级灰阶的图像，无法满足专业显示器高灰阶度的要求，不能再现灰阶连续的黑白影像，常出现灰阶不连续的现象。而除了医学领域，航天航空等领域均也要求影像能够真实反应实物的细节信息，因此基于8位显卡的基础上实现图像灰阶数的任意扩展是业界一大难题。
发明内容
本发明的目的是提供了一种具有灰阶扩展功能的显示器及其方法。
为达到一目的，本发明采用技术方案：一种具有灰阶扩展功能的显示器，其包括：显卡、与显卡相连并用于视频信号解码的解码单元、与解码单元相连并用于处理图像灰阶的灰阶聚焦单元、与灰阶聚焦单元相连并用于将低灰阶图像扩展为高灰阶图像的灰阶扩展单元、与灰阶扩展单元相连的驱动单元、以及由驱动单元驱动的显示单元。
优选地，其为彩色或单色显示器。
为达到另一目的，本发明采用技术方案：一种显示器的灰阶扩展方法，其包括以下步骤：
第一步：首先将显卡输出的8位数据通过解码单元2进行解码；
第二步：接着将解码单元的输出进入由FPGA电路来实现的灰阶聚焦单元，其中灰阶聚焦单元内部设置有经过校正的特征数据表；
第三步：然后灰阶扩展单元根据特征数据表所输出的12位数据，通过灰阶扩展算法使在空间或时间两个维度上对图像的亮度进行处理；
第四步：再将经过灰阶扩展处理的8位数据输入到驱动单元；
第五步：最后将驱动单元输出的驱动数据输入至显示单元进行显示。
在上述技术方案的基础上，进一步包括如下附属技术方案：
所述第三步步骤还包括时间维度上的均匀化处理方法：在时间上实现一幅图像一个像素点的平均亮度12位表示的方法，假设dataA为显示器输出的8位亮度数据，根据数据表得到其对应的输出为12位数据dataB（dataB的大小介于dataA和dataA+1之间），并通过将一幅图像以帧为单位分成若干组，使每组图像的像素亮度值为dataA或（dataA+1）的方法，使得影像整体平均像素亮度为dataB。
所述第三步步骤还包括空间维度上的均匀化处理方法：在空间上实现一幅影像中一帧图像整体像素亮度12位表示的方法，假设dataA为显示器输出的8位亮度数据，根据数据表得到其对应的输出为12位数据dataB（dataB的大小介于dataA和dataA+1之间），使一帧图像不同位置的像素点亮度分别为dataA或（dataA+1），使得影像整体平均像素亮度为dataB。
所述第三步步骤中时间维度上的均匀化处理方法还包括：为避免同一像素点上不同时刻亮度产生突变，通过每帧影像同一像素点的亮度间隔变化的方法来实现时间上亮度的均匀化。
所述第三步步骤中空间维度上的均匀化处理方法还包括：为避免同一副影像不同区域像素点的亮度产生突变，每帧影像同一像素点的亮度间隔变化的方法实现时间上亮度的均匀化，通过使同一帧影像上相邻像素点的亮度间隔变化的方法实现空间上亮度的均匀化。
所述特征数据表的制作方法如下：首先采用色彩分析仪测得显卡8位亮度数据的初始特征曲线；然后通过在8位亮度数据前添加4位亮度数据0000-1111，并获得由4096个灰阶数据组成的过渡特征曲线；对过渡特征曲线进行DICOM校正，并获得DICOM校正曲线；从DICOM校正曲线中获取能够精确拟合DICOM校正曲线的256个关键数据，并由此做成特征数据表。
本发明优点是：
本发明用于在8位显卡的基础上实现图像灰阶数的任意扩展，通过在时间和空间两个维度上调整一副图像上各个像素点的亮度值，并做相应均匀化处理达到灰阶数扩展的目的，适用于医疗、航空航天等对图像灰阶度有较高要求的领域，使人眼能够观察到图像更多的细节信息，对医学应用，航天航空的发展具有重要意义。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的功能方块示意图。
图2为本发明的流程示意图。
图3为本发明中调整亮度的示意图。
图4为本发明中时间均匀化处理的示意图。
图5为本发明中空间均匀化处理的示意图。
具体实施方式
实施例：参考图1所示，本发明提供了一种具有灰阶扩展功能的显示器的第一实施例，其包括显卡1、与显卡1相连并用于视频信号解码的解码单元2、与解码单元2相连并用于处理图像灰阶的灰阶聚焦单元3、与灰阶聚焦单元3相连并用于将低灰阶图像扩展为高灰阶图像的灰阶扩展单元4、与灰阶扩展单元4相连的驱动单元5、以及由驱动单元5驱动的显示单元6。灰阶聚焦单元3和灰阶扩展单元4均包括一FPGA电路。显示单元6优选为液晶面板。
如图2所示，本发明在上述硬件基础上提供方法实施例，将显卡1输出的8位数据通过解码单元2进行解码，解码单元2的输出进入由FPGA电路来实现的灰阶聚焦单元3，灰阶聚焦单元3内部设置有经过校正的特征数据表，该特征数据表内的数据是经过处理的12位数据；然后灰阶扩展单元4根据特征数据表输出的12位数据，通过灰阶扩展算法使每帧亮度交错及每个像素点亮度交错显示的方式实现图像灰阶的扩展，并在空间和时间两个维度上对图像的亮度进行处理，避免亮度突变，使图像更加细腻逼真的显示。然后经过灰阶扩展单元4进行灰阶扩展处理的8位数据再输入到驱动单元5，最后输入至液晶面板进行显示。其中特征数据表的制作方法如下：首先采用色彩分析仪测得显卡8位亮度数据的初始特征曲线；然后通过在8位亮度数据前添加4位亮度数据0000-1111，并获得由4096个灰阶数据组成的过渡特征曲线；对过渡特征曲线进行DICOM（医学数字图像存储与通信标准，Digital Imaging and Communications in Medicine）校正，并获得DICOM校正曲线；从DICOM校正曲线中获取能够精确拟合DICOM校正曲线的256个关键数据，并做成特征数据表。由此将显卡所输出的0-256个数据与特征数据表中的数据建立一一对应的关系，由此实现了用8位显卡表示12位的数据宽度所含的信息，即根据建立好的特征数据表把显卡输出的8位亮度数据对应到相应的12位亮度值上。本发明方法前端为显卡，后端为液晶面板，输出数据直接进液晶面板；由于不涉及前端和后端，因此不做重点阐述。图2中DE为数据有效信号，HS为行同步信号，VS为场同步信号，CLK为时钟信号，D8为显卡输出的8位数据，D12为查表后得到的12位数据。
为避免影像亮度产生突变，每帧影像同一像素点的亮度间隔变化的方法实现时间上亮度的均匀化，通过使同一帧影像上相邻像素点的亮度间隔变化的方法实现空间上亮度的均匀化。对时间和空间上的灰阶亮度进行扩展时通过对像素亮度的均匀化处理，使得整幅影像能够实现4096阶灰阶显示。时间及空间的均匀化方法的实现方法如下所述：
时间上实现一幅图像一个像素点的平均亮度12位表示的方法。如图3所示，假设dataA为显卡输出的8位数据，根据查找表得到其对应的输出为12位数据dataB（dataB的大小介于dataA和dataA+1之间）。由于显卡无法输出dataB，因此通过将一幅图像以帧为单位分成若干组，使每组图像的像素亮度值为dataA或（dataA+1）的方法，使得影像整体平均像素亮度为dataB（假设图像共两帧，显卡输出的数据1到10的整数，无法输出9.5这个数据，即可通过使一帧为10，一帧为9，两者平均即为9.5），通过dataB使亮度为dataA和dataA+1的帧均匀分布，即在时间上实现灰阶度的扩展。如图4所示，每幅图像共由16帧组成，每帧图像亮度值dataA或dataA+1的生成方法：1）VS为场同步信号，D12对应dataB，D8/（某帧实际亮度值）对应dataA或者dataA+1；2）FPGA内部具有实现4位的帧计数器，VS作为帧计数器的时钟，帧计数器对VS的上升沿进行计数，使帧计数器输出的权值从高位到低位依次为1、2、3、4；3）FPGA内部具有实现4位的比较器1，令D12的低四位值与帧计数器输出值进行比较；4）FPGA内部具有实现2选1的数据选择器1，比较器1的输出作为数据选择器1的控制信号，dataA与dataA+1为数据输入；5）若结果比较器1结果大于1则数据选择器1输出的值为dataA+1，即为D8/的实际值，否则为dataA；6）输出数据直接进入液晶面板，而液晶面板自带的驱动电路会根据D8/的值调整亮度。
空间上实现一幅影像中一帧图像整体像素亮度12位表示的方法。同样使一帧图像不同位置的像素点亮度分别为dataA或（dataA+1），使得影像整体平均像素亮度为dataB，即在空间上实现灰阶度的扩展。每帧图像有若干个像素点组成，每帧图像不同像素点亮度值dataA或dataA+1的生成方法，如图5所示，CLK为显卡输出的时钟信号，DE为数据有效信号，VS为场同步信号，X、Y为像素点的坐标值，D12对应dataB，D8/对应dataA或者dataA+1：S1）首先FPGA内部设置有实现生成像素点坐标的X计数器和Y计数器（X与Y的位数依据液晶面板的分辨率而定，比如水平方向分辨率为1024，则X计数器的位数为10），X计数器输出像素点水平方向的坐标X，Y计数器输出像素点垂直方向的坐标Ｙ；S2）CLK为X计数器的时钟，同时DE为X计数器的使能信号，仅在DE为高的条件下X计数器才能对CLK上升沿进行计数；S3）DE为Y计数器的时钟，Y计数器对DE信号的上升沿计数；S4）分别取X，Y计数器的低两位数据组成一个新的四位数据；S5）FPGA内部设置有实现4位的比较器2，将S4步骤所获得的四位数据与帧计数器的输出作为比较器2的输入；S6）FPGA内部设置有实现2选1的数据选择器2，且比较器2的输出作为其控制信号，dataA与dataA+1作为其数据输入；S7）若结果比较器2结果大于1则数据选择器2输出的值为dataA+1,即为D8/的实际值，否则为dataA；S8）输出数据直接进入液晶面板，液晶面板自带的驱动电路会根据D8/的值调整亮度；S9）VS为X、Y计数器的清零信号，若VS有效则则将X、Y计数器清零并从S1步骤开始执行。由此根据X、Y计数器的输出及D12的值，确定D8/的值（dataA或者dataA+1）。
本发明根据建立好的数据表把显卡输出的8位亮度数据对应到相应的12位亮度值上；最后通过调整一副影像上各像素数据的亮度值，并在空间和时间两个维度上进行均匀化处理使得影像达到4096阶灰度影像的显示效果。
为在时间上实现一幅图像一个像素点的平均亮度12位表示的方法，假设dataA为显卡输出的8位数据，根据数据表得到其对应的输出为12位数据dataB（dataB的大小介于dataA和dataA+1之间）。由于显卡无法输出dataB，因此通过将一幅图像以帧为单位分成若干组，使每组图像的像素亮度值为dataA或（dataA+1）的方法，使得影像整体平均像素亮度为dataB，即在时间上实现灰阶度的扩展。由此同一像素点以帧为单位，通过每帧影像以不同的8位亮度显示，使一副影像显示的平均亮度达到8位以上。
为在空间上实现一幅影像中一帧图像整体像素亮度12位表示的方法。同样使一帧图像不同位置的像素点亮度分别为dataA或（dataA+1），使得影像整体平均像素亮度为dataB，即在空间上实现灰阶度的扩展。由此同一帧影像以像素点为单位，每个像素点以不同的8位亮度显示，使同一帧图像的显示亮度达到8位以上。
同时为避免同一像素点上不同时刻亮度产生突变，通过每帧影像同一像素点的亮度间隔变化的方法来实现时间上亮度的均匀化。
为避免同一副影像不同区域像素点的亮度产生突变，每帧影像同一像素点的亮度间隔变化的方法实现时间上亮度的均匀化，通过使同一帧影像上相邻像素点的亮度间隔变化的方法实现空间上亮度的均匀化。
由此对时间和空间上的灰阶亮度进行扩展时通过对像素亮度的均匀化处理，使得整幅影像能够实现4096阶灰阶显示。
本发明能使8位显卡输出的图像的灰阶度大于256级。可根据具体应用实现高灰阶度的图像显示，更加真实的反应图像的真实信息，对于发现病人的早期病灶具有重要意义。
当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种具有灰阶扩展功能的显示器，其特征在于其包括：显卡（1）、与显卡（1）相连并用于视频信号解码的解码单元（2）、与解码单元（2）相连并用于处理图像灰阶的灰阶聚焦单元（3）、与灰阶聚焦单元（3）相连并用于将低灰阶图像扩展为高灰阶图像的灰阶扩展单元（4）、与灰阶扩展单元（4）相连的驱动单元（5）、以及由驱动单元（5）驱动的显示单元（6）。
2.根据权利要求1所述的一种具有灰阶扩展功能的显示器，其特征在于其为彩色或单色显示器。
3.一种显示器的灰阶扩展方法，其特征在于其包括以下步骤：
第一步：首先将显卡（1）输出的8位数据通过解码单元2进行解码；
第二步：接着将解码单元（2）的输出进入由FPGA电路来实现的灰阶聚焦单元（3），其中灰阶聚焦单元（3）内部设置有经过校正的特征数据表；
第三步：然后灰阶扩展单元（4）根据特征数据表所输出的12位数据，通过灰阶扩展算法使在空间或时间两个维度上对图像的亮度进行处理；
第四步：再将经过灰阶扩展处理的8位数据输入到驱动单元（5）；
第五步：最后将驱动单元（5）输出的驱动数据输入至显示单元（6）进行显示。
4.根据权利要求3所述的一种显示器的灰阶扩展方法，其特征在于：所述第三步步骤还包括：在时间上实现一幅图像一个像素点的平均亮度12位表示的方法，假设dataA为显示器输出的8位亮度数据，根据数据表得到其对应的输出为12位数据dataB（dataB的大小介于dataA和dataA+1之间），并通过将一幅图像以帧为单位分成若干组，使每组图像的像素亮度值为dataA或（dataA+1）的方法，使得影像整体平均像素亮度为dataB。
5.根据权利要求4所述的一种显示器的灰阶扩展方法，其特征在于：所述第三步步骤还包括：在空间上实现一幅影像中一帧图像整体像素亮度12位表示的方法，假设dataA为显示器输出的8位亮度数据，根据数据表得到其对应的输出为12位数据dataB（dataB的大小介于dataA和dataA+1之间），使一帧图像不同位置的像素点亮度分别为dataA或（dataA+1），使得影像整体平均像素亮度为dataB。
6.根据权利要求5所述的一种显示器的灰阶扩展方法，其特征在于：所述第三步步骤还包括：为避免同一像素点上不同时刻亮度产生突变，通过每帧影像同一像素点的亮度间隔变化的方法来实现时间上亮度的均匀化。
7.根据权利要求6所述的一种显示器的灰阶扩展方法，其特征在于：所述第三步步骤还包括：为避免同一副影像不同区域像素点的亮度产生突变，每帧影像同一像素点的亮度间隔变化的方法实现时间上亮度的均匀化，通过使同一帧影像上相邻像素点的亮度间隔变化的方法实现空间上亮度的均匀化。
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