CN105474637B - 用于多调制显示器的光场模型化技术的系统和方法 - Google Patents

用于多调制显示器的光场模型化技术的系统和方法 Download PDF

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Abstract

公开了双调制器和多调制器投影仪显示系统和技术。在一个实施例中，投影仪显示系统包括：光源；控制器；从光源接收光并且呈现输入图像的半色调图像的第一调制器；用点扩散函数(PSF)将所述半色调图像模糊化的模糊化光学系统；和接收经模糊化的半色调图像并且呈现可被投影以形成希望的屏幕图像的脉冲宽度调制图像的第二调制器。还公开了用于从输入图像形成二值化半色调图像、校正第一与第二调制器之间的未对准以及例如随时间校准调制器系统以用于连续图像改进的系统和技术。

Description

用于多调制显示器的光场模型化技术的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求在2013年8月16日提交的美国临时申请第61/866704号的优先权，通过引用将其全部内容并入这里。
技术领域
本发明涉及多调制显示系统，特别是涉及用于在多调制显示系统上呈现图像和视频数据的系统和方法。
背景技术
当前，正在构建在动态范围和光高效利用方面得到改进的调制器系统。双调制器和多调制器投影仪显示系统在本领域中是已知的。但是，在这种显示系统的呈现和性能方面仍可实现源自对于这种显示系统中的光处理的改进模型化的额外改进。
发明内容
公开了双调制器和多调制器投影仪显示系统和技术。在一个实施例中，投影仪显示系统包括：光源；控制器；从光源接收光并且呈现输入图像的半色调图像的第一调制器；用点扩散函数(PSF)将所述半色调图像模糊化的模糊化光学系统；和接收经模糊化的半色调图像并且呈现可被投影以形成希望的屏幕图像的脉冲宽度调制图像的第二调制器。还公开了用于从输入图像形成二值化半色调图像、校正第一与第二调制器之间的未对准以及例如随时间校准调制器系统以用于连续图像改进的系统和技术
在一个实施例中，提供一种投影仪显示系统，该投影仪显示系统包括：激光光源；控制器，所述控制器接收输入图像数据并且输出控制信号；第一调制器，所述第一调制器从所述激光光源接收光，所述第一调制器从所述控制器接收所述控制信号，使得所述第一调制器能够呈现所述输入图像的半色调图像；模糊化光学系统，所述模糊化光学系统使从所述第一调制器接收的所述半色调图像模糊化；和第二调制器，所述第二调制器从所述模糊化光学系统接收所述经模糊化的半色调图像并且从所述控制器接收所述控制信号，使得所述第二调制器能够呈现脉冲宽度调制图像，所述脉冲宽度调制图像能够被投影以形成希望的屏幕图像。
在另一实施例中，提供一种用于在投影仪显示系统中从输入图像数据投影希望的屏幕图像的方法，所述调制器显示系统包含：光源；控制器，所述控制器接收输入图像数据并且输出控制信号；从所述控制器接收控制信号并且从所述光源接收光的前调制调制器；从所述前调制调制器接收光的模糊化光学系统；和从所述控制器接收控制信号并且从所述模糊化光学系统接收光的主调制器，该方法包括：从所述输入图像数据产生二值化半色调图像；从所述二值化半色调图像产生经模糊化的二值化半色调图像；从所述经模糊化的二值化半色调图像产生脉冲宽度调制图像；和从所述脉冲宽度调制图像投影希望的屏幕图像。
在又一实施例中，提供一种用于校准调制器显示系统的方法，所述调制器显示系统包含：光源；控制器，所述控制器接收输入图像数据并且输出控制信号；从所述控制器接收控制信号并且从所述光源接收光的前调制调制器；从所述前调制调制器接收光的模糊化光学系统；和从所述控制器接收控制信号并且从所述模糊化光学系统接收光的主调制器，该方法包括：接收输入图像数据；计算半色调图像；应用光场模型，所述光场模型基于所述模糊化光学系统的PSF模型；计算用于所述主调制器的主图像；从所述主调制器显示屏幕图像；用图像捕获装置捕获所述屏幕图像；将捕获的屏幕图像与前调制网格配准；比较所述配准的捕获的屏幕图像与所述输入图像数据；如果存在大于希望的量的差值，那么计算对于所述PSF模型的校正；和应用改进的PSF模型以便进一步的校准。
以下，在结合在本申请内给出的附图阅读的具体实施方式中给出本系统的其它特征和优点。
附图说明
在附图中示出示例性实施例。这里公开的实施例和附图要被视为解释性的，而不是限制性的。
图1示出本发明的系统、方法和技术可存在于其中的多调制显示系统和环境的一个实施例。
图2示出可通过图1所示的双、多调制器显示系统实现的光学处理/图像处理的高级示图的一个实施例。
图3示出用于产生合适的二值化半色调图像的方法的一个实施例。
图4示出用于产生脉冲宽度DMD补偿图像的技术的一个实施例。
图5是使用前调制到主调制映射、光场模型以及主调制到前调制映射以产生主配准光场的流程图的一个实施例。
图6示出可被捕获、模型化和使用以计算有色(例如，红、绿或蓝)光场的PSF的阵列。
图7A～7F示出了通过本申请的各种处理模块的输入图像的示例性呈现。
图8和图9示出了用于系统的潜在连续校正/改进的图像呈现过程和细化过程的一个实施例。
具体实施方式
这里，术语“控制器”、“系统”和“接口”等要指的是计算机有关的实体，该实体为硬件、软件(例如，在执行中)和/或固件。例如，控制器可以是在处理器上运行的过程、处理器、对象、可执行件、程序和/或计算机。控制器可包含处理器和系统存储器，并且，存储器可包含当被处理器读取时可实现这里公开的一个或更多个方法和/或技术的处理器可读指令。一个或更多个控制器可驻留于过程内，并且，控制器可位于一个计算机/处理器上并且/或者可分布于两个或更多个计算机/处理器之间。控制器也可指的是通信有关实体，该实体为硬件、软件(例如，在执行中)和/或固件，并且还可包含用于实现通信的足够的有线或无线硬件。
在以下的描述中，阐述了特定的细节以便使得本领域技术人员能够更加彻底地理解。但是，为了避免不必要地混淆公开，可能没有详细示出或描述公知的要素。因此，描述和示图要被视为解释性的，不是限制性的。
引言
在投影仪和其它显示系统的领域中，希望改进图像呈现性能和系统效率两者。本申请的若干实施例描述了用于通过对双调制或多调制显示系统采用光场模型化来实现这些改进的系统、方法和技术。在一个实施例中，为了得到有利的效果，开发和使用光源模型。已知的输入图像的显示图像的照相机图片可被评价以改进光模型。在一些实施例中，迭代过程可累积改进。在一些实施例中，可对于活动图像使用这些技术以进行实时调整来改进图像呈现性能。
已在共同所有的专利和专利申请中描述了双调制投影仪和显示系统，这些专利和专利申请包括：
(1)Ward等人的、在2012年2月28日发布的、发明名称为“SERIAL MODULATIONDISPLAY HAVING BINARY LIGHT MODULATION STAGE”的美国专利第8125702号，；
(2)Whitehead等人的、在2013年6月13日公开的、发明名称为“PROJECTIONDISPLAYS”的美国专利申请第20130148037号；
(3)Wallener等人的、在2011年9月22日公开、发明名称为“CUSTOM PSFs USINGCLUSTERED LIGHT SOURCES”的美国专利申请第20110227900号；
(4)Shields等人的、在2013年5月2日公开的、发明名称为“SYSTEMS AND METHODSFOR ACCURATELY REPRESENTING HIGH CONTRAST IMAGERY ON HIGH DYNAMIC RANGEDISPLAY SYSTEMS”的美国专利申请第20130106923号；
(5)Erinjippurath等人的、在2011年11月17日公开的、发明名称为“HIGH DYNAMICRANGE DISPLAYS USING FILTERLESS LCD(S)FOR INCREASING CONTRAST AND RESOLUTION”的美国专利申请第20110279749号；
(6)Kwong的、在2012年5月31日公开的、发明名称为“REFLECTORS WITH SPATIALLYVARYING REFLECTANCE/ABSORPTION GRADIENTS FOR COLOR AND LUMINANCECOMPENSATION”的美国专利申请第20120133689号。
所有这些的全文通过引用被并入这里。
示例性物理架构
一般地，具有单个数字微镜器件(DMD)的投影仪可常常具有有限的对比率。为了获得更大的对比率，可串联布置两个或更多个DMD和/或其它反射器(例如，MEMS)。由于DMD可作为时分或脉冲宽度调制器操作，因此，操作串联的两个或更多个DMD和/或反射器－均用作脉冲宽度调制器－往往需要时分排序的精确时分对准和像素与像素对应。这种对准和对应要求在实际中可能是困难的。因此，在本申请的许多实施例中，调制器和/或显示系统可使用不同的双调制方案以实现希望的性能。
如在示例性投影仪显示系统的情境中更详细地讨论的，第一DMD/反射器－称为“前调制器”或“前调制(premod)调制器”－可通过可被维持希望的时间段(例如，帧或其一部分)的半色调图像对光源进行空间调制。该半色调图像可被模糊化以产生可应用于第二DMD/反射器的在空间上减小带宽的光场。第二DMD/反射器－称为主调制器(primarymodulator)－可对经模糊化的光场进行脉冲宽度调制。此布置可趋于避免上述的两个要求－例如，精确时分对准和/或像素与像素对应。在一些实施例中，两个或更多个DMD/反射器可在时间上被帧对准，并且大致空间帧对准。在一些实施例中，来自前调制DMD/反射器的经模糊化的光场可基本上与主DMD/反射器重叠。在其它的实施例中，空间对准可能是已知的并且被应对－例如，帮助图像呈现性能。
虽然在双、多调制投影系统的情境中给出了本申请，但应理解，本申请的技术和方法可应用于双、多调制显示系统中。例如，包含背光、第一调制器(例如，LCD等)和第二调制器(例如，LCD等)的双调制显示系统可使用合适的模糊化光学部件和图像处理方法和技术以实现这里在投影系统的情境中讨论的性能和效率。
还应理解，尽管图1示出了两级式或双调制器显示系统，但是本申请的方法和技术也可应用于具有3个或更多个调制器的(多调制器)显示系统。本申请的范围涵盖这些各种替代性实施例。
图1是适于本申请的目的的双调制投影仪显示系统100的一个实施例。显示器100可包括光源102－可包含一个光源(例如，灯等)或多个点光源(例如，激光器或LED等)。在数字电影投影仪的情境中，图1中的光源102可包括一组或更多组激光光源(例如，102-1、102-2、102-3；102-1′、102-2′、102-3′－这里，可存在当被合成时可呈现白光的多个有色光源－例如，红色、绿色和蓝色)。
来自光源102的光可被输送到光学级104－其可包含用于合成来自RGB激光源的光的合成器104-1和可提高光的均匀性的整合杆104-2。然后，光103可被传送通过扩散器106以对光提供角度发散。如这里进一步描述的那样，第一调制器/前调制器108可输入该光，并且－在控制器120的控制下－可提供前调制器图像处理。
在一个实施例中(并且，如图1所示)，首先，前调制器108可以是DMD阵列，该DMD阵列通过一组光元件可处理单独的颜色通道(例如，用于例如红色、绿色和蓝色通道的108-1、108-2和108-3)。仅出于示例性目的，通过使用标准棱镜设计，前调制器108可以为1.2″、2K镜DMD。前调制器108可被控制以显示二值化半色调图像－例如，这里，像素为全开(ON)或关(OFF)(这里，关断状态中的光可倾撒为(dump to)关断状态光105)。在其它的实施例中，模拟微机电系统(MEMS)和/或其它模拟和/或数字反射器可被适当地控制以重新分布光以形成不同类型的图像。
该半色调图像107可被传送通过点扩散函数(PSF)光学级112。PSF光学级可包含许多不同的光学元件110或114等－例如，透镜、扩散器或反射器等。对于本申请而言，PSF光学级从前调制器108接收半色调图像并且向第二调制器/主调制器116提供希望的半色调图像(109)的散焦就足够了。如同第一调制器108一样，第二调制器可以是DMD阵列，该DMD阵列通过一组光学元件可处理单独的颜色通道(例如，用于例如红色、绿色和蓝色通道的116-1、116-2和116-3)。仅出于另一示例性目的，通过使用标准棱镜设计，前调制器108可以为1.4″、4K镜DMD。
主调制器116可接收光109，并且可由控制器120控制。控制器120可使用估计和/或模型化半色调和PSF的合成效果的光场模拟，以在逐个像素的基础上确定主调制器116上的局部亮度。在诸如使用MEMS反射器的那些实施例的其它实施例中，控制器120可类似地模型化光场形成。从该模型，控制器120可计算、估计或另外确定主调制器116的像素值，以修正光场来产生最终被投影/呈现的图像。光113可然后被传送通过投影光学118以在投影仪屏幕(未示出)上形成最终被投影/呈现的图像。关光可倾撒为关状态光111。
在许多实施例中，可产生作为散焦的半色调图像和主调制器图像的积的最终图像。在这样的最终图像中，对比度可处于200000:1的范围中。
光学处理/图像处理的一个实施例
已讨论了适于本申请的目的的示例性投影仪显示系统，现在将公开可实现图像处理和系统效率的改进的图像处理的一些方法和技术。
在一个实施例中，投影仪系统可产生二值化半色调图像，该二值化半色调图像可通过光学部件被平滑化以产生希望的显示图像的带宽缩小版本。光学部件PSF的形状可确定平滑函数的特性。PSF的形状可影响系统的显示性能和计算要求。在许多实施例中，PSF成形可具有以下属性和/或以下准则中的一个或更多个：
(1)PSF可将最稀疏的半色调图案平滑成相对平坦的场。这可造成关于PSF的尺寸的近似下界；
(2)较大PSF可减小双调制起效的空间频率并且可导致较大的“光晕”(这里进一步讨论)。这可能需要更大的计算成本；
(3)PSF可具有受限的带宽和受限的上升时间。更高带宽和上升时间可需要更大的补偿精度并且限制计算近似；
(4)PSF可能是紧凑的并且PSF空间幅度可能受限。PSF可衰减到零。缓慢的衰减或强PSF“尾部”可限制图像对比度并且增加计算要求；
(5)PSF可能是基本上径向对称的。可在计算中考虑任何非对称性。
在一个实施例中，经光学模糊化的PSF可基本上采取高斯、或旋转升余弦函数、或具有受限的空间幅度的一些其它峰值基本上径向对称的函数等的形状。在许多实施例中，PSF应采取受限的空间频率、受限的上升时间和/或受限的空间幅度。空间频率和上升时间可通常被相关。过大的空间频率或上升时间可能需要更密集的采样和更大的模型化精度，使得计算要求增加。如果PSF在图像帧上改变，那么可以使用一组PSF，并且，可以使用PSF插值方法。具有随PSF位置而改变的高空间频率的PSF可能需要更密集的模型组以用于适当插值，使得计算要求和校准复杂性增加。可能不希望在PSF脉冲上具有尖峰或脊部。而且，可能希望PSF应在其周界处逐渐衰减而不是在那里突然结束。平滑的形状将具有更低的空间频率和更长的上升时间。PSF的空间幅度可确定计算算子的尺寸。具有宽的衰减“尾部”的PSF可能使得算子尺寸增加并因此增加计算要求。
在仅仅一个示例性实施例中，PSF代表应用于例如5×5抖动图案的模糊函数。因此，PSF可足够大以从包含1的5×5网格(而所有其它半色调像素为零)的半色调图像产生相对平坦的场。如果模糊函数具有大致高斯形状等，那么其直径的范围可以为10个像素～20个像素。在本例子中，可以规定限制PSF的形状的下界和上界。下界可以是升余弦脉冲且上界可以是高斯脉冲。
对于仅仅一个例子，设LB为下界且UB为上界。设“r”为到PSF的中心的距离且N为抖动图案的侧边的尺寸，它们均是以像素计的。脉冲振幅可然后被归一化到中心值，如下：
LB(r)＝0.9(1/2+1/2 cos(πr/N)) 对于r＜N
LB(r)＝0 对于r≥N
UB(r)＝1.1exp(-(r/N)＾2)
如可指出的那样，下界衰减到零且上界作为高斯衰减。衰减对于避免从PSF尾部累积太多光是重要的。应当理解，许多其它的PSF形状和函数是可能的，并且，本申请的范围涵盖所有这些变型方案。
参照图2，图2示出可通过诸如图1所示的双、多调制器显示系统实现的光学处理/图像处理的操作的高级流程图200的一个实施例。均匀光201可被输入到显示系统，并且，第一调制器202(例如，半色调DMD或其它调制器)向模糊化光学204提供半色调图像。然后，经模糊化的图像可被第二调制器206(例如，脉冲宽度DMD或其它调制器)接收，该第二调制器206进一步调制经模糊化的图像以产生屏幕图像203。在一个实施例中，流程图200跟踪可存储于控制器中的系统存储器中的一组处理器可读指令。控制器可接收图像数据、产生半色调图像(例如，在202)、使半色调图像模糊化(例如，在204)并且进一步调制图像(例如，在206)以产生最终图像。
在图1的显示系统的情境中，对于各DMD装置的代码字可被用作可用于控制产生的图像的两个变量。在一个实施例中，模糊函数可由光学系统执行，并且可被假定为对所有图像恒定。在各种显示系统设计中，模糊函数的设计和半色调编码的方法可相关，并且影响显示性能。在一个这种示例性系统中，为了确定后面的半色调编码和模糊函数的适当的选择，可以考虑以下目标/假定：
(1)没有亮剪裁(bright clipping)：在一个实施例中，入射于主调制器/DMD的模糊化的光场可在各处均比输入图像、即希望的屏幕图像大。主调制器/DMD可使光场衰减。
(2)小光晕：光晕是暗背景上的明亮物体周围的暗剪裁(dark clipping)。如果黑背景上的小的明亮物体没有被亮剪裁，那么明亮物体上的模糊化的光场会比明亮物体大。由于光场可具有减小的空间带宽，因此其可能在非常接近明亮物体之处不暗。可通过主DMD尽可能地减小接近明亮物体的光场的水平，但该水平仍比希望的屏幕水平大，从而导致暗剪裁。在一些情况下，暗剪裁可代表高于真实黑的提高的水平，常常表现为暗细节的损失和对比度的损失。光晕是由暗剪裁导致的主要视觉伪像，但暗剪裁可在模糊化的光场不能代表高对比度、高频率图案的任何局部区域中出现。局部区域的空间幅度可由光场的带宽确定，该带宽可由模糊内核或PSF的尺寸确定。
(3)足够的局部对比度：光场的带宽可由模糊PSF的尺寸确定。较小的PSF允许较高的带宽光场。但是，较小的PSF必须与较密集的半色调图案配对。较密集的半色调图案可与较小的抖动图案尺寸相关联；它可具有较少的离散水平和较高的第一非零水平。
(4)以上的目标可能冲突。因此，许多变型方案和/或实施例可是可能和/或希望的。这里将关于DMD对比率、PSF尺寸和局部对比度考虑来进一步讨论这一点。
半色调DMD编码实施例
在一个实施例中，前调制器/半色调DMD可在空间上调制均匀光场以产生半色调图像－例如，其中，对于整个帧时间或其一部分，所有像素为ON或OFF。得到的半色调图像(被适当地模糊化)可在主调制器/脉冲宽度DMD上产生足够的光水平，特别是在希望避免亮剪裁的情况下。由于脉冲宽度DMD可能仅减小光水平，因此，经模糊化的半色调图像应基本上在各处均比希望的屏幕图像(例如，输入图像)大。在一些情况下，当诸如黑背景上的非常亮的点的图像特征可能迫使导致选择亮剪裁或暗剪裁的不可避免的状况时，可以有意地允许进行一些亮剪裁，并且，经模糊化的半色调图像不会比输入(特别是该点)大。
在一个实施例中，为了实现低的光水平以及避免光晕，经模糊化的半色调图像可被设定为比希望的屏幕图像稍大。因此，经模糊化的半色调图像可基本上为希望的屏幕图像的带限最小上界－例如，带宽由光学模糊限制。一个实施例(如下)趋于产生图像的带限上界。它可能不是最小上界，而可具有类似的性能。这种放宽可能是希望的，原因是真实的最小值尽管是可能的但可能是难以实现的。在本实施例中，基本上保留“没有亮剪裁”特性可能就够了。
在本实施例中，可通过使用空间抖动图案形成半色调图像。抖动图案可在矩形像素块上被限定，并且可在整个图像帧上通过覆盖图案而被重复。由于模糊内核使图案平滑化，因此，图案的尺寸可与模糊内核的尺寸有关。内核的尺寸也可确定最小非零光水平－例如，抖动图案的一个像素开通并且所有其它像素关断会产生最小水平。
下表1表示一个示例性10×10图案，示出了水平指数。对于给定的水平指数，被编号的像素和具有更小号码的所有像素被开通，而具有更大号码的所有像素被关断。当给定的水平图案被模糊化时，结果不趋于平坦，且被调制的场可具有一些最小值。下表2表示对于表1的各水平指数的经归一化的最小光水平，示出了对于前面的指数的光水平。应当理解，其它图案尺寸和其它空间抖动图案是可能的，并且是本申请所涵盖的。
表1－示例性空间抖动图案
1 93 17 69 33 4 96 20 72 36
61 37 77 29 89 64 40 80 32 92
13 85 5 45 53 16 88 8 48 56
73 25 65 97 21 76 28 68 100 24
49 41 57 9 81 52 44 60 12 84
3 95 19 71 35 2 94 18 70 34
63 39 79 31 91 62 38 78 30 90
15 87 7 47 55 14 86 6 46 54
75 27 67 99 23 74 26 66 98 22
51 43 59 11 83 50 42 58 10 82
表2－对于表1图案的归一化最小光水平
0 0.919914 0.159947 0.679884 0.319955 0.029713 0.949726 0.189717 0.709671 0.349671
0.599925 0.35989 0.759885 0.279915 0.879896 0.62969 0.389651 0.789665 0.309641 0.909666
0.119936 0.839911 0.039901 0.439936 0.519923 0.149697 0.869623 0.069613 0.469654 0.549684
0.719902 0.239875 0.639914 0.959919 0.199903 0.749686 0.269715 0.669626 0.989631 0.229615
0.479913 0.399908 0.559908 0.079919 0.799928 0.509626 0.429714 0.589671 0.109678 0.829687
0.019936 0.939929 0.179932 0.699874 0.339925 0.009668 0.929686 0.169673 0.689643 0.329627
0.619936 0.379903 0.7799 0.299927 0.899886 0.609645 0.369611 0.769624 0.289596 0.889622
0.139927 0.859917 0.05989 0.459925 0.539903 0.129655 0.849579 0.049569 0.449609 0.529644
0.73988 0.25989 0.65992 0.979956 0.21991 0.729642 0.249675 0.649582 0.969587 0.209571
0.499944 0.419922 0.57992 0.099932 0.819934 0.489581 0.409674 0.569627 0.089634 0.809642
在本实施例中，对于任何特定的输入像素，经模糊化的半色调图像的对应像素的水平应更大。为了在该像素处实现希望的更大水平，可以评价模糊内核的空间幅度内的输入图像的所有邻近像素－例如，可以开通具有比希望水平小的水平的那些邻近像素中的任一个。该方法的一个实施例可如下实现：
(1)对于任何特定输入像素，选择水平指数使得全帧光场的水平比像素水平大。例如，能够选择产生当被模糊化时超过像素水平的半色调图案的水平指数(例如，对于整个帧)。
(2)给定该全帧半色调图案，其PSF不使光对特定像素有贡献的所有像素可被关断，不影响特定像素的水平。
应当注意，该方法可能不产生具有特定水平的半色调分块，使得半色调图像具有斑驳的外观。相反，各个像素可被开通或关断，这依赖于它们的指数以及与图像特征的接近度。在其它实施例中，可能能够实现误差扩散和/或局部蓝噪声(blue noise)－例如，半色调网格可通过对应的像素被局部阈值化。
应当理解，虽然一个实施例可由有序抖动实现，但它可与扩展相联系以实现上界。平滑化可能是在最低水平(例如，诸如对于抖动图案仅仅一个像素开通)的问题。为了得到不同的平滑化效果，可能能够应用其它的方法，诸如蓝噪声和/或FM抖动。对于另一例子，考虑黑背景上的小于全亮度的小的明亮物体。在这种情况下，引入的光晕可能比希望的宽。扩展区域可能不完全被1填充。全部为1的更紧凑的区域会表现出较少的光晕，原因是显示的光晕宽度比眼眩光宽度大。减小小的明亮物体的亮度会减小光晕宽度，而不是仅减小光晕亮度。
图3示出了用于产生适当的二值化半色调图像的方法的一个实施例。半色调图像模块300可接收输入图像数据301，并且可在302将图像数据扩展到模糊内核的幅度－以产生x(m,n)、即经扩展的输入图像。得到的二值化半色调图像b(m,n)可被设定为在x(m,n)>htLevel(m,n)的情况下b(m,n)＝1，这里，htLevel(m,n)可作为映射(例如，覆盖于整个图像帧上)被给定为表2中的值。二值化半色调图像可返回为b(m,n)。
在一个实施例中，可以使用扩展算子以实现接近最小上界。其它实施例可使用可在内核下提供要素最大值的非线性滤波器。
光场模型和脉冲宽度DMD实施例
主调制器/脉冲宽度DMD调制经模糊化的半色调图像光场以产生希望的屏幕图像。脉冲宽度DMD只能使光衰减－因此，光场可以是希望的屏幕图像上的上界以防止亮剪裁。另外，为了防止暗剪裁，光场可以是最小上界。可通过使用光学处理的模型来计算、估计或另外模型化经模糊化的半色调图像光场。在一个实施例中，光学处理可被假定为仅是模糊化－例如，前调制器到主调制器的对准可忽略。在一些实施例中，其可以是总体配准误差。
在其它实施例中，这种对准可被考虑并且产生要被应用的校正因子。例如，在真实的显示器上，由前调制DMD产生的经模糊化的光场帧可能没有与主DMD帧完美地对准。例如，光场图像可能轻微旋转、偏移或缩放以在帧边缘提供过扫描。还可能由于模糊化光学和其它光学而翘曲。对于这种可能性，将前调制DMD上的点映射到主DMD上的点的前调制到主调制映射可被测量并且被应用为映射－例如，作为查找表(LUT)等。
图4示出用于产生脉冲宽度DMD补偿图像的技术的一个实施例。二值化半色调图像(303，例如，来自图3)可被输入到模糊化模型402中，并且可在404被求倒数。可通过将输入图像除以模型化的经模糊化的半色调图像光场(例如，将输入图像301乘以(在406)经模糊化的半色调图像光场的倒数)来确定脉冲宽度DMD补偿图像。
适应变化的PSF形状的实施例
在真实的显示器上，给定前调制像素的PSF形状可能依赖于其在前调制帧上的位置。模糊化光学可能不能模糊化所有的前调制位置。局部区域中的像素的PSF可被假定为很少改变，并且，所有像素可被假定为具有相同的能量(例如，假定入射于前调制上的光场均匀)。但是，在真实的显示器上，各PSF可趋于不同。在一个实施例中，对于2K帧，各PSF可被单独地模型化，并且/或者可被应用于图像区域的局部部分－例如，导致可被捕获、存储、模型化和在计算上使用的2百万个PSF。其它实施例可提供简化的模型以降低这种复杂性。由于局部区域中的PSF趋于类似，因此，使用单个PSF模型以代表所有PSF－例如，至少在图像区域的局部区域和/或局部部分中。这种潜在局部化的PSF模型可被测量或另外模型化以提供适当的PSF模型。
光场模型化实施例
主DMD补偿经模糊化的光场以产生最终的屏幕图像。在一个实施例中，可在主DMD像素网格上执行光场补偿。对于该补偿过程，可在主像素网格上展现经模糊化的光场。但是，通过模糊化处于前调制像素网格上的半色调图像形成该光场。另外，前调制和主调制器可能未对准。
为了实现适当的补偿过程，存在两种可能的替代性实施例以供选择。第一实施例是在前调制网格上对光场进行模型化，然后将其映射到主网格。第二实施例是通过在主网格上将与各前调制像素相关联的PSF进行模型化来在主网格上对光场进行模型化。虽然本申请包括两个替代性实施例，但现在将描述第一实施例－即，在前调制网格上将光场进行模型化并且将其映射到主网格。在一个实施例中，可能能够在应对几何和/或光学畸变的情况下来映射主网格上的点。
选择该第一实施例可能是出于以下的原因：
(1)由于PSF可能在局部区域中基本上保持其形状。因此，可通过对于整个区域使用单个PSF对半色调图像执行标准卷积过程，来在前调制上在局部区域中将光场模型化。
(2)由于前调制对主调制未对准，主调制上的局部区域中的PSF可具有不同的采样相位，并且，这些可能需要被应对。在一些实施例中，由于前调制和主调制未被对准，因此，可能存在将固有前调制网格对准的PSF模型移动到主网格的一些采样相位偏移。
(3)如果在主调制上模型化，那么即使PSF形状不在局部区域中改变，也可能在计算卷积时由于采样相位变化而需要使用不同的PSF。
(4)PSF被固有地前调制参照。与前调制相比，更多的PSF会需要针对主调制被模型化和记录。
(5)模型化光场会趋于具有高的计算成本。对于实际的实现，PSF可能需要被二次采样和近似。如果在前调制网格上执行，这可能更简单。
(6)将模型化的光场从前调制映射到主调制具有计算成本，但这可能比在主调制上将光场模型化的成本低。
(7)可通过将模型化的光场从前调制映射到主调制来实现前调制上的光场模型化。可能希望该映射是精确的。对于特定的显示器，前调制到主调制对准是固定的。如果映射具有误差，那么它们可被固定。例如，可通过校准过程期间修正PSF来应对该误差－例如，映射中的偏移误差可通过该帧位置处的PSF模型中的偏移被抵消。
另外，由于前调制到主调制未对准，因此，对于计算半色调图像的过程，输入图像可被映射到前调制网格。该处理可能不需要尽可能精确地将光场映射到主调制。图5示出上述的第一实施例。系统(在控制器的指引下)可接收输入图像301。可在504在计算半色调图像之前应用主调制到前调制映射502。光场模型可被在506被应用，然后，前调制到主调制映射可在508被应用以产生主(调制)配准(primary registered)光场503。在一些实施例中，主调制可以是一个分辨率(例如，4K)，并且，前调制可以另一分辨率(例如，2K)；但是，处理可能能够实现其它的映射。例如，处理可实现2K/2K映射－但是2K主调制可通过投影仪系统被上转换成4K。当然，其它的映射是可能的。
用于光场模型计算的帧分割
如上所述，由于PSF可在局部区域内基本上不变，所以可以在局部区域中使用相同的PSF模型以计算光场。因此，图像帧可被分割成矩形区域，并且，各区域可通过使用最佳地代表该区域中的PSF的PSF而被处理。在各区域被模型化之后，这些区域可被接合在一起以形成全帧光场。如果接缝是可见的，那么可以使用更多的区域－或者重叠区域可以被计算并然后被混合在一起。图6示出可被捕获、模型化和使用以计算有色(例如，红色、绿色或蓝色)光场的PSF的阵列。帧可被分割为使得PSF处于各区域的中心。
半色调图案的时间重定位
在一个实施例中，半色调抖动图案可覆盖于图像帧上。帧上的图案的位置或相位的选择可因此改变。由于屏幕图像会由于光场模型化或其它原因具有误差，因此，抖动图案可对于每个帧被重新定位－例如，使得误差可被掩饰。例如，抖动图案可根据图案指数对于每个帧被重新定位。由于误差可能随着抖动图案覆盖尺寸具有周期性，因此，根据指数移动图案可令人满意地实现误差隐藏。抖动图案也可被重新定位以掩饰由最稀疏的半色调位图案导致的光场模型化误差；这些位图案会导致最明显的误差，原因是它们当被模糊化时趋于产生与更密集的位图案相比变化更大的光场。
PSF调整和显示校准的概要
实际中，真实的显示器可能需要调整其PSF形状，并且可能需要被校准。在一个实施例中，可在校准之前执行PSF调整－例如，通过操作光学部件。在适当的PSF调整之后，可对于各颜色通道执行校准过程以测量并记录前调制到主调制映射和PSF模型组。对于校准，可以使用照相机以在显示校准图像时拍摄屏幕的图片。
在一个实施例中，为了测量前调制到主调制映射，可以拍摄两个不同校准图像的图片。第一校准图像可以是通过在主调制全开的情况下在前调制上显示点阵列而形成的PSF阵列图像。点的前调制像素位置是已知的。如图6所示，该组合表示PSF的阵列的屏幕图像。第二校准图像可以是通过在主调制上显示点阵列并在前调制上显示所有1而形成的点阵列图像。点的主调制像素位置是已知的。该组合示出了点的阵列的屏幕图像。
这两个图像的图片可在不移动照相机的情况下被拍摄。由于点的前调制和主调制像素位置是已知的，因此，照相机到前调制映射和照相机到主调制映射被发现。这两个映射可然后被复合以形成用于颜色通道的前调制到主调制映射。如果在对于各颜色通道拍摄的图片之间不移动照相机，那么可以使用用于不同颜色通道的照相机到主调制映射以使主调制DMD相互对准，从而使得颜色通道相互对准。
如图6所示，为了找到初始PSF模型组，可以使用第一校准图像。可以使用照相机到前调制映射以将PSF映射到前调制网格，这里，它们被记录以形成PSF模型组。该模型供前调制网格参考，原因是前调制网络是使用该模型以构建经模糊化的光场的模型之处。为了构建经模糊化的光场，该组中的各PSF代表其局部处理区域中的所有PSF。以这种方式获取PSF的模型可容易地导致具有显著误差的模型。
另外的显示校准实施例
如上所述，显示校准可包含产生PSF模型组的过程。可通过拍摄在屏幕上显示的各个PSF的图片来获取初始PSF。但是，以这种方式获取PSF的模型会导致具有显著误差的模型。由于PSF模型可被用于模型化入射于主DMD上的真实光场，因此，可能希望它们准确地代表真实PSF。在一些双DMD调制器投影仪系统中，这些系统可具有斜率陡的相对小的PSF，这可能需要准确的模型。在一个实施例中，可能能够通过评价当使用模型显示屏幕图像时产生的误差来产生PSF模型细化过程，作为改进现有PSF模型的过程。
在一个实施例中，可通过照相机捕获单个PSF。该PSF图像可被用作用于产生它的半色调像素的PSF的初步模型。由于它可能不是真实PSF的完美代表，因此，当它被用于模型化通过半色调图像产生的光场时，光场可能具有误差。
对于特定的图像，可通过叠置由开通的半色调像素产生的所有PSF来形成光场。这种PSF模型误差可产生依赖于半色调图像上的开通像素的分布的光场误差。一些图像与其它图像相比可能更易受PSF误差影响。一般地，产生相对平坦的光场的图像可能较不易于受PSF模型误差影响，并且，产生变化的光场的图像可能更易受影响。
图7A～7F是用于示出PSF模型化和细化的示例性图像。图7A示出在输入图像内被照亮的单个区域。图7B示出根据这里公开的各种实施例响应输入图像7A产生的半色调图像。在本例子中，半色调图像被放在采样2K网格上。应当注意，该半色调图像对于显示系统来说是基本上已知的。图7C示出通过光学系统被模糊化的前调制网格上的单个像素PSF。图7D示出模糊化的图7B的半色调图像。
图7E示出主DMD补偿图像。应当注意，输入图像将由明亮中心点/区域代表－而光晕会形成包围明亮中心点/区域的环形区域以补偿模糊化的光场。图7F示出在为了形成屏幕图像，应用在图7E的补偿之后所得到的屏幕图像。应当注意，屏幕图像可能不是径向对称的，原因是系统可能正在校正上述的两个误差。在理想情况下，屏幕图像应看起来与输入图像相同，但它在图7F中表现出伪像。在本例子中，主DMD补偿被假定为是正确的，并且，伪像是由不准确的PSF模型导致的不适当模型化的光场的结果。
PSF细化实施例
如上所述，可通过照相机捕获可见的伪像。当捕获的图像与前调制光场和半色调图像配准时，它可被用于找到可趋于减少伪像的对于PSF的校正。伪像的捕获的图像也可具有误差，并且不是真实伪像的完美代表。因此，PSF校正可改进PSF模型，但不能完全消除伪像。通过使用改进的PSF，图像可被重新处理，并且屏幕图像应展现出更少的伪像。这些步骤可被重复进行以迭代地减少伪像，直到伪像不可见。
图8和图9示出了PSF模型细化处理和/或模块的一个可能的实施例。应当理解，这种PSF模型细化处理/模块可被使用一次、被多次使用，或者可被用作可提高在操作过程中呈现希望的图像的准确度的连续改进过程的一部分。当系统在802开始时，可以使用初始PSF模型(813)以显示屏幕图像。通过跟踪这里公开的各种实施例，输入图像数据801可被用于在804计算半色调图像，从而得到半色调图像803。该半色调图像可与最新的PSF模型813一起使用－以计算和/或模型化光场图像805。在一个实施例中，可通过卷积PSF和半色调图像产生这种光场图像。光场图像805可被用于计算主图像(在808)，以产生主图像807。主图像可被用于显示屏幕图像(在810)－以产生屏幕图像809。
一旦图像被呈现为屏幕图像，就可在812拍摄照相机图片，并且，屏幕图像可与前调制像素网格配准(在812)－以产生配准的屏幕图像811。该配准的屏幕图像可用于与输入图像比较(在814)。控制器/处理器可在816询问在配准的屏幕图像与输入图像之间是否存在任何差值。这些差值可以被阈值化和/或计算以确定差值是否大于希望的量－例如，该希望的量对屏幕图像的观察者可能可见。作为替代方案，可通过观察者判断差值。如果没有，那么处理可在822终止－或者作为校正处理继续以运行连续处理，或者在希望的时间段运行。
如果在816检测到差值，那么系统可在820找到和/或计算PSF校正并且改进PSF模型。图9是计算PSF校正的处理的一个实施例。在902，处理/模块可将配准的屏幕图像除以主图像。这在805产生光场估计。可然后在904比较该光场估计与光场图像。这产生光场误差估计901。该估计与半色调图像一起可被去卷积－并且/或者作为逆被计算－以找到适当的PSF校正(作为813)。该PSF校正可然后形成要在图8中使用的新的PSF模型。
一般地，由于照相机捕获过程中的不确定性，因此从照相机图片得到的图像是估计值。可通过叠置半色调图像中的所有开通像素的PSF来产生光场。去卷积处理尝试通过为对于伪像做出贡献的所有开通像素设定相同的PSF来从估计的光场误差找到PSF校正。
出于竞争考虑的替代实施例
如上所述，可以利用某些假定和目标以产生这里描述的新的图像呈现技术。如上所述，不同的假定和目标会得到替代性实施例。这种替代性实施例可基于DMD对比率、PSF尺寸和局部对比度。例如，可通过叠置PSF的场以实现相对平坦的光场，实现第一非零前调制水平。如果PSF间隔足够密集，则可实现相对平坦的场－它们间隔太大会导致具有与希望的场水平相比可能大的峰和谷的场。给定PSF尺寸和形状，产生相对平坦的场所希望的PSF间隔可确定为了实现第一非零前调制水平的可被接通的半色调像素的间隔。该间隔可确定第一非零水平和离散线性前调制水平的数量。
例如，在10×10像素网格上重复以实现相对平坦的场的PSF可能需要开通100个前调制像素中的1个。第一非零水平将是1/100，半色调覆盖尺寸将是10×10，并且，离散水平的数量将是101。
名称“第一非零水平”间接地意味着第一水平零为0/100。与所有非零水平不同，该水平可能不是由半色调部分确定，而是由前调制DMD对比率(CR)确定。该水平为1/前调制CR，并且可能不处于用于最佳性能的水平。
为了限制小的明亮特征上的光晕尺寸，可以选择小的PSF和作为补充的小的半色调覆盖尺寸。但是，小的覆盖尺寸限制了离散前调制水平的数量。这在较高水平可能不是问题，但是在较低水平(特别是小于第一非零水平的水平)会过度地限制局部对比度。零水平的使用依赖于前调制DMD CR；更大的CR可能不更好。而且，根据第一非零水平，可能需要零水平以实现希望的全系统CR、实现黑色。
一些图像特征可具有比可由前调制光场代表的那些空间频率大的空间频率。对于这些图像特征，前调制光场可以是恒定的、未调制的。前调制光场的水平可由图像特征的局部极大值确定；水平可以是比局部极大值大的离散前调制水平以避免亮剪裁。主DMD可减少前调制光场以产生局部图像特征的所有水平。根据前调制零水平(由前调制CR确定)、第一非零水平(由半色调覆盖尺寸确定)和主DMD CR，主DMD可能不具有足以产生最低水平的对比度，从而限制了足以实现其外观的该图像特征的局部对比度。
现在已经给出了连同附图一起阅读的、例示说明本发明的原理的、本发明的一个或多个实施例的详细描述。要意识到，本发明是与这样的实施例结合描述的，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求限制，并且本发明涵盖许多替代、修改和等同。在该描述中已经阐述了许多特定细节，以便提供本发明的透彻理解。这些细节是出于示例的目的而提供的，并且本发明可以根据权利要求在没有这些特定细节中的一些或全部的情况下实施。为了清楚起见，未对与本发明相关的技术领域中已知的技术材料进行详细描述，以使得不会不必要地模糊本发明。

Claims (19)

1.一种用于校准投影仪显示系统(100)的方法(800)，所述投影仪显示系统包含：光源(102)；控制器(120)，所述控制器接收输入图像数据并且输出控制信号；从所述控制器接收控制信号并且从所述光源接收光的前调制调制器(108)；从所述前调制调制器接收光的模糊化光学系统(112)；以及从所述控制器接收控制信号并且从所述模糊化光学系统接收光的主调制器(116)，所述方法包括：
接收(801)输入图像数据；
由输入图像数据计算(804)半色调图像(803)，所述半色调图像被表现在前调制像素网格上；
在半色调图像上应用(806)光场模型以提供真实光场图像(805)，所述光场模型基于所述模糊化光学系统的PSF模型；
从真实光场图像(805)计算(808)用于所述主调制器(116)的主图像(807)，其中所述主图像被表现在主像素网格上；
使用所计算的主图像从所述主调制器显示(810)屏幕图像，所述屏幕图像被表现在主像素网格上；
其特征在于，
通过图像捕获装置捕获(812)所述屏幕图像；
将前调制像素网格与捕获的屏幕图像配准；
比较(814)所述经配准的捕获的屏幕图像(811)与所述输入图像数据；
如果存在大于希望的量的差值，那么计算对于所述PSF模型的校正；以及
应用包含通过所述校正而被校正的所述PSF模型的改进的PSF模型以便进一步校准，
其中，计算对于所述PSF模型的校正包含：
将配准的屏幕图像除以(902)计算的主图像以产生(805)估计的光场图像；
比较(904)估计的光场图像与实际的光场图像；
基于估计的光场图像与实际的光场图像的比较来估计(901)光场误差；以及
将光场误差估计与实际半色调图像去卷积(906)以计算形成要被应用的PSF模型的PSF校正。
2.根据权利要求1所述的方法，包括迭代地重复这些步骤以便进一步减小通过图像捕获装置捕获的可见伪像。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将前调制像素网格与捕获的屏幕图像配准包括将被捕获的屏幕的像素与前调制像素网格的像素对准。
4.一种投影仪显示系统(100)，包括：光源(102)；控制器(120)，所述控制器接收输入图像数据并且输出控制信号；从所述控制器接收控制信号并且从所述光源接收光的前调制调制器(108)；从所述前调制调制器接收光的模糊化光学系统(112)；以及从所述控制器接收控制信号并且从所述模糊化光学系统接收光的主调制器(116)；
其特征在于，所述投影仪显示系统包括被布置为捕获(812)屏幕图像的图像捕获装置，并且所述投影仪显示系统被布置用于执行根据前述权利要求中的任一个所述的校准方法。
5.根据权利要求4所述的投影仪显示系统(100)，其中，
来自所述控制器的所述控制信号使得所述前调制调制器能够呈现从所述输入图像数据产生的半色调图像；
所述模糊化光学系统使从所述前调制调制器接收的所述半色调图像模糊化；以及
所述主调制器从所述模糊化光学系统接收经模糊化的半色调图像并且从所述控制器接收所述控制信号，使得所述主调制器能够呈现用于投影以形成希望的屏幕图像的脉冲宽度调制图像。
6.根据权利要求4所述的投影仪显示系统，其中，所述前调制调制器还包含以下组中的一个，所述组包含数字反射器和模拟反射器。
7.根据权利要求4所述的投影仪显示系统，其中，所述前调制调制器还包含处理多个颜色通道的DMD阵列。
8.根据权利要求4所述的投影仪显示系统，其中，所述前调制调制器能够呈现从所述输入图像数据产生的二值化半色调图像；并且
其中，所述二值化半色调图像显著亮于希望的屏幕图像，或者当所述控制器发送控制信号以实现所述输入图像数据的明亮剪裁时，所述二值化半色调图像不比所述希望的屏幕图像亮。
9.根据权利要求8所述的投影仪显示系统，其中，所述二值化半色调图像包含空间抖动图案。
10.根据权利要求9所述的投影仪显示系统，其中，
所述空间抖动图案b(m，n)包含受制于阈值htLevel(m，n)的扩展输入图像x(m，n)，以及
在x(m，n)>htLevel(m，n)的情况下，b(m，n)＝1。
11.根据权利要求4所述的投影仪显示系统，其中，来自所述控制器的所述控制信号使得所述前调制调制器能够呈现从所述输入图像数据产生的半色调图像；
其中，所述模糊化光学系统使从所述前调制调制器接收的所述半色调图像模糊化以获得经模糊化的半色调图像；以及
其中，该经模糊化的半色调图像还包含希望的屏幕图像的带限最小上界。
12.根据权利要求8所述的投影仪显示系统，其中，来自所述控制器的所述控制信号使得所述前调制调制器能够呈现从所述输入图像数据产生的半色调图像；
其中，所述模糊化光学系统使从所述前调制调制器接收的所述半色调图像模糊化以获得经模糊化的半色调图像；以及
其中，该经模糊化的半色调图像包含通过所述模糊化光学系统被平滑化的所述二值化半色调图像，以及
其中，所述模糊化光学系统包含带限的上升时间受限的PSF。
13.根据权利要求12所述的投影仪显示系统，其中，所述PSF还包含空间幅度受限的PSF。
14.根据权利要求12所述的投影仪显示系统，其中，所述PSF还包含径向对称的PSF。
15.根据权利要求12所述的投影仪显示系统，其中，所述PSF还包含以下组中的一个，所述组包含：空间幅度受限的峰值径向对称的函数、升余弦函数和高斯函数。
16.根据权利要求4所述的投影仪显示系统，其中，所述主调制器还包含以下组中的一个，所述组包含数字反射器和模拟反射器。
17.根据权利要求4所述的投影仪显示系统，还包括投影仪光学器件，所述投影仪光学器件能够接收用于投影以形成希望的屏幕图像的脉冲宽度调制图像以及能够投影所述希望的屏幕图像。
18.根据权利要求4所述的投影仪显示系统，其中，所述前调制调制器还包含以下组中的一个，所述组包含DMD、MEMS。
19.根据权利要求4所述的投影仪显示系统，其中，所述主调制器还包含以下组中的一个，所述组包含DMD、MEMS。
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