CN109640024B - 基于伪随机数的三维抖动显示装置与方法 - Google Patents

基于伪随机数的三维抖动显示装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于伪随机数的三维抖动显示装置，包括前端视频输入接口、数据预处理模块、数据存储模块、伪随机抖动处理模块、输出匹配接口和显示装置，其中，所述前端视频输入接口的输出端与所述数据预处理模块的输入端连接，所述数据预处理模块的输出端与所述数据存储模块的输入端连接，所述数据存储模块的输出端与所述伪随机抖动处理模块的输入端连接，所述伪随机抖动处理模块的输出端通过所述输出匹配接口与所述显示装置的输入端连接。本发明还提供了一种基于伪随机数的三维抖动显示方法。本发明的有益效果是：解决了画面局部的闪烁问题。

Description

基于伪随机数的三维抖动显示装置与方法
技术领域
本发明涉及视频图像处理，尤其涉及一种基于伪随机数的三维抖动显示装置与方法。
背景技术
在视频图像处理中经常会遇到需要将高比特图像数据转换为低比特图像数据，使低比特图像在视觉上仍保持高比特图像画面质量。例如液晶电视的前端视频信号通常为10比特位宽，但是用于驱动液晶光阀的驱动芯片一般为8比特位宽，这就需要将图像数据从10比特转换到8比特。如果直接将10比特数据量化为8比特数据，会导致很大的信息丢失，得到的图像中会有明显的色带且颜色丰富度减少，观看效果差。一般采用抖动(dithering)显示技术解决这类问题，使得低位宽的数据显示与高位宽数据一样丰富的色彩。抖动显示算法分为空域抖动和时域抖动。在显示图像处理中常采用时域和空域结合的抖动方法。
但是在实际应用中发现，已有的时域和空域结合的抖动方法会产生画面局部的闪烁问题。画面静止时闪烁问题尤为明显，影响观看体验。
因此，如果解决画面局部的闪烁问题是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于伪随机数的三维抖动显示装置与方法。
本发明提供了一种基于伪随机数的三维抖动显示装置，包括前端视频输入接口、数据预处理模块、数据存储模块、伪随机抖动处理模块、输出匹配接口和显示装置，其中，所述前端视频输入接口的输出端与所述数据预处理模块的输入端连接，所述数据预处理模块的输出端与所述数据存储模块的输入端连接，所述数据存储模块的输出端与所述伪随机抖动处理模块的输入端连接，所述伪随机抖动处理模块的输出端通过所述输出匹配接口与所述显示装置的输入端连接，所述数据预处理模块将经由所述前端视频输入接口传入进来的图像信号进行预处理，并将处理结果存储在所述数据存储模块，所述数据存储模块将存储的图像数据R、G、B传输至所述伪随机数抖动处理模块，所述伪随机数抖动处理模块将经过处理的图像数字信号经由输出匹配接口输出至显示装置进行显示。
作为本发明的进一步改进，所述基于伪随机数的三维抖动显示装置包括奇数列伪随机数产生单元、偶数列伪随机数产生单元、加法器单元和截位单元，所述数据存储模块的输出端与所述加法器单元的输入端连接，所述奇数列伪随机数产生单元的输出端、偶数列伪随机数产生单元的输出端分别与所述加法器单元的输入端连接，所述加法器单元的输出端与所述截位单元的输入端连接，所述截位单元的输出端通过所述输出匹配接口与所述显示装置的输入端连接，所述数据存储模块输出的奇数列的图像数据R、G、B与奇数列伪随机数产生单元产生的随机数后两位由所述加法器单元进行处理，所述数据存储模块输出的偶数列的图像数据R、G、B与偶数列伪随机数产生单元产生的随机数后两位由所述加法器单元进行处理，所述截位单元将所述加法器单元输出数据的后两位进行截位操作。
作为本发明的进一步改进，所述数据预处理模块、数据存储模块、奇数列伪随机数产生单元、偶数列伪随机数产生单元、加法器单元和截位单元均为可编程控制器件。
作为本发明的进一步改进，所述显示装置为液晶显示面板，所述数据预处理模块、数据存储模块、奇数列伪随机数产生单元、偶数列伪随机数产生单元、加法器单元和截位单元均为FPGA，所述输出匹配接口为LVDS、DP V-BY-ONE、DP、MIPI中的任意一种，所述前端视频输入接口为DVI、HDMI中的任意一种。
本发明还提供了一种基于伪随机数的三维抖动显示方法，包括以下步骤：
S1、初始化种子值；
S2、初始化梅森旋转链，获得基础梅森旋转链；
S3、遍历基础梅森旋转链，对每个基础梅森旋转链进行旋转运算，获得旋转后的梅森链；
S4、更新帧，更新像素值，读取当前帧当前像素；
S5、计算伪随机数，将当前像素值加上伪随机数的低2位，并进行截位操作。
作为本发明的进一步改进，在步骤S5中，将当前像素值分为偶数列像素值和奇数列像素值，计算伪随机数分别得到偶数列像素值对应的伪随机数和奇数列像素值对应的伪随机数，将偶数列像素值加上其对应的伪随机数的低2位，并进行截位操作，将奇数列像素值加上其对应的伪随机数的低2位，并进行截位操作。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，初始化种子值seed1_r＝0，seed2_r＝3，seed1_g＝1，seed2_g＝4，seed1_b＝2，seed2_b＝5；在步骤S2中，将种子值seed1_r，seed1_g，seed1_b，seed2_r，seed2_g，seed2_b值赋值给M1_r[1]，M1_g[1]，M1_b[1]，M2_r[1]，M2_g[1]，M2_b[1]作为初值，然后根据递推式M[i]＝1812433253×(M[i-1]xor(M[i-1]>>(32-2)))+i获得基础梅森旋转链M1_r，M1_g，M1_b，M2_r，M2_g，M2_b；在步骤S3中，旋转链进行旋转运算，获得旋转后的梅森链MT1_r,MT1_g,MT1_b,MT2_r,MT2_g,MT2_b，旋转关系如下：
X＝(0x80000000&M[i])+(0x7fffffff&(M[i+1]mod 624))，
Figure GDA0004139170310000041
M[i]＝M[i+397]xor XA，
MT[i]＝M[i]，
其中，
X0是X最低位；
在步骤S4中，读取当前帧当前像素的子像素值Val_r，Val_g，Val_b；
在步骤S5中，若当前像素值为偶数列像素值，则根据下式
y＝MT[idx]；
y＝y xor(y>>11)；
y＝y xor((y<<7)&0x9D2C5680)；
y＝y xor((y<<15)&0xEFC60000)；
y＝y xor(y>>18)；
idx＝(idx+1)mode 624；
分别更新伪随机数y1_r，y1_g，y1_b的值，并将子像素值加上对应伪随机数的低2位，并进行截位操作得到转换后的8比特数据，
Val_r＝(Val_r+lower2bit(y1_r))>>2，
Val_g＝(Val_g+lower2bit(y1_g))>>2，
Val_b＝(Val_b+lower2bit(y1_b))>>2。
若当前像素值为奇数列像素值，同样分别更新伪随机数y2_r，y2_g，y2_b的值，并将子像素值加上对应伪随机数的低2位，并进行截位操作，得到转换后的8比特数据，
Val_r＝(Val_r+lower2bit(y2_r))>>2，
Val_g＝(Val_g+lower2bit(y2_g))>>2，
Val_b＝(Val_b+lower2bit(y2_b))>>2。
作为本发明的进一步改进，所述三维抖动显示方法还包括以下步骤：S6、若当前帧所有像素点都处理完，则将y1_r，y1_g，y1_b，y2_r，y2_g，y2_b的值分别赋值给seed1_r，seed1_g，seed1_b，seed2_r，seed2_g，seed2_b，若没有，则读取下一个像素点对应子像素值，执行步骤S4；
S7、若源数据所有帧都处理完，则结束转换；若没有处理完，则读取下一帧10比特数据并跳转到步骤S2继续执行转换操作。
本发明的有益效果是：通过上述方案，解决了画面局部的闪烁问题。
附图说明
图1是本发明一种基于伪随机数的三维抖动显示装置的示意图。
图2是本发明一种基于伪随机数的三维抖动显示方法的伪随机数的产生流程图。
图3是本发明一种基于伪随机数的三维抖动显示方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于伪随机数的三维抖动显示装置，包括前端视频输入接口1、可编程控制器件(又称、可编程控制器)2、输出匹配接口3和显示装置，可编程控制器件2包括数据预处理模块21、数据存储模块22、伪随机抖动处理模块20，其中，所述前端视频输入接口1的输出端与所述可编程控制器件2的数据预处理模块21的输入端连接，所述数据预处理模块21的输出端与所述数据存储模块22的输入端连接，所述数据存储模块22的输出端与所述伪随机抖动处理模块20的输入端连接，所述伪随机抖动处理模块20的输出端通过所述输出匹配接口3与所述显示装置的输入端连接，所述数据预处理模块21将经由所述前端视频输入接口1传入进来的图像信号进行预处理，并将处理结果存储在所述数据存储模块22，所述数据存储模块22将存储的图像数据R、G、B传输至所述伪随机数抖动处理模块20，所述伪随机数抖动处理模块20将经过处理的图像数字信号经由输出匹配接口3输出至显示装置进行显示。
如图1所示，所述基于伪随机数的三维抖动显示装置20包括奇数列伪随机数产生单元24、偶数列伪随机数产生单元25、加法器单元23和截位单元26，所述数据存储模块22的输出端与所述加法器单元23的输入端连接，所述奇数列伪随机数产生单元24的输出端、偶数列伪随机数产生单元25的输出端分别与所述加法器单元23的输入端连接，所述加法器单元23的输出端与所述截位单元24的输入端连接，所述截位单元24的输出端通过所述输出匹配接口3与所述显示装置的输入端连接，所述数据存储模块22输出的奇数列的图像数据R、G、B与奇数列伪随机数产生单元24产生的随机数后两位由所述加法器单元23进行处理，所述数据存储模块22输出的偶数列的图像数据R、G、B与偶数列伪随机数产生单元25产生的随机数后两位由所述加法器单元23进行处理，所述截位单元26将所述加法器单元23输出数据的后两位进行截位操作。
如图1所示，所述显示装置优选为液晶显示面板4，所述可编程控制器件2优选为FPGA，所述输出匹配接口3为LVDS、DP V-BY-ONE、DP、MIPI中的任意一种，所述前端视频输入接口1为DVI、HDMI中的任意一种。
如图2至图3所示，一种基于伪随机数的三维抖动显示方法，基于伪随机数的三维抖动显示技术，以10比特图像到8比特图像的转换为例，如表1所示，10比特图像每个子像素R，G，B的后两位可能出现的数据为00，01，10，11，因此产生的小数部分只有0，0.25，0.5，0.75四种可能。将10比特数据加上随机产生的2比特数据00，01，10，11，由于伪随机数列00，01，10，11产生的概率相等，即10比特数据后两位加上00，01，10，11概率均为1/4。
表1
10bit后两位 进位 不进位 进位概率 亮度值
11 01、10、11 00 3/4 0.75
10 10、11 00、01 1/2 0.5
01 11 00、01、10 1/4 0.25
00 无 00、01、10、11 0 0
如表1所示，当10比特输入后两位为11时，则后两位加上01，10，11时，第三位均会产生进位，加上00时则不产生进位，因此进位的概率为3/4，对应小数位的值为0.75；
如表1所示，当10比特输入后两位为10时，则后两位加上10，11时，第三位均会产生进位，加上00，01时则不产生进位，因此进位的概率为1/2，对应小数位的值为0.5；
如表1所示，当10比特输入后两位为01时，则后两位加上11时，第三位会产生进位，加上00，01，10时则不产生进位，因此进位的概率为1/4，对应小数位的值为0.25；
如表1所示，当10比特输入后两位为00时，则后两位加上00，01，10，11时，第三位均不产生进位，因此进位的概率为0，对应小数位的值为0；
这样，遍历10比特图像所有像素点，每个子像素值都加上伪随机数，再进行截位操作，即可完成10比特至8比特的转换。
通过上述分析发现伪随机数的随机性将影响该方法的显示效果。这里采用梅森旋转方法产生用于加扰的伪随机数，该方法可以产生32位整数序列，周期长达219937-1，在1≤k≤623的维度之间为均等分布，有很高的随机性。
整个梅森旋转算法分为三个阶段(如图2所示)：
第一阶段：初始化，获得基础的梅森旋转链M[i]。将传入的seed赋值M[1]作为初值，然后根据递推求出梅森旋转链M[i]。递推式关系如下，其中“xor”表示异或运算。
M[i]＝1812433253×(M[i-1]xor(M[i-1]>>(32-2)))+i；
第二阶段：遍历旋转链，对每个M[i]根据递推式进行旋转链处理，得到旋转后的梅森链MT[i]。旋转关系如下：
X＝(0x80000000&M[i])+(0x7fffffff&(M[i+1]mod 624))，
Figure GDA0004139170310000091
M[i]＝M[i+397]xor XA，
MT[i]＝M[i]，其中，X0是X最低位-。
第三阶段：对于旋转算法所得的结果进行处理，最后返回值y即为产生的随机数。
y＝MT[idx]；
y＝y xor(y>>11)；
y＝y xor((y<<7)&0x9D2C5680)；
y＝y xor((y<<15)&0xEFC60000)；
y＝y xor(y>>18)；
idx＝(idx+1)mode 624。
实际操作中，将采用多伪随机数独立加扰模式。即通过调整不同的种子seed初始值产生多组相互独立的伪随机数列。
本发明提供的一种基于伪随机数的三维抖动显示方法，具体操作步骤如图3所示：
首先，初始化种子值seed1_r＝0，seed2_r＝3，seed1_g＝1，seed2_g＝4seed1_b＝2，seed2_b＝5。
第二步，将种子值seed1_r，seed1_g，seed1_b，seed2_r，seed2_g，seed2_b值赋值给M1_r[1]，M1_g[1]，M1_b[1]，M2_r[1]，M2_g[1]，M2_b[1]作为初值，然后根据递推式M[i]＝1812433253×(M[i-1]xor(M[i-1]>>(32-2)))+i获得基础梅森旋转链M1_r[i]，M1_g[i]，M1_b[i]，M2_r[i]，M2_g[i]，M2_b[i]。
第三步，对旋转链进行旋转运算，获得旋转后的梅森链MT1_r,MT1_g,MT1_b,MT2_r,MT2_g,MT2_b。旋转关系如下：
X＝(0x80000000&M[i])+(0x7fffffff&(M[i+1]mod 624))，
Figure GDA0004139170310000101
M[i]＝M[i+397]xor XA，
MT[i]＝M[i]，其中，X0是X最低位-。
第四步，读取当前帧当前像素的子像素值Val_r，Val_g，Val_b。
第五步，若当前像素为偶数列像素，则根据下式：
y＝MT[idx]；
y＝y xor(y>>11)；
y＝y xor((y<<7)&0x9D2C5680)；
y＝y xor((y<<15)&0xEFC60000)；
y＝y xor(y>>18)；
idx＝(idx+1)mode 624。
分别更新伪随机数y1_r，y1_g，y1_b的值。并将子像素值加上对应伪随机数的低2位，并进行截位操作得到转换后的8比特数据，
Val_r＝(Val_r+lower2bit(y1_r))>>2，
Val_g＝(Val_g+lower2bit(y1_g))>>2，
Val_b＝(Val_b+lower2bit(y1_b))>>2。
若当前像素为奇数列像素，同样分别更新伪随机数y2_r，y2_g，y2_b的值。并将子像素值加上对应伪随机数的低2位，并进行截位操作，得到转换后的8比特数据，
Val_r＝(Val_r+lower2bit(y2_r))>>2
Val_g＝(Val_g+lower2bit(y2_g))>>2
Val_b＝(Val_b+lower2bit(y2_b))>>2。
第六步，若当前帧所有像素点都处理完，则将y1_r，y1_g，y1_b，y2_r，y2_g，y2_b的值分别赋值给seed1_r，seed1_g，seed1_b，seed2_r，seed2_g，seed2_b。若没有，则读取下一个像素点对应子像素值，执行第四步操作。
第七步，若源数据所有帧都处理完，则结束转换。若没有处理完，则读取下一帧10比特数据并跳转到第二步继续执行转换操作。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于伪随机数的三维抖动显示方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、初始化种子值；
S2、初始化梅森旋转链，获得基础梅森旋转链；
S3、遍历基础梅森旋转链，对每个基础梅森旋转链进行旋转运算，获得旋转后的梅森链；
S4、更新帧，更新像素值，读取当前帧当前像素；
S5、计算伪随机数，将当前像素值加上伪随机数的低2位，并进行截位操作；
在步骤S5中，将当前像素值分为偶数列像素值和奇数列像素值，计算伪随机数分别得到偶数列像素值对应的伪随机数和奇数列像素值对应的伪随机数，将偶数列像素值加上其对应的伪随机数的低2位，并进行截位操作，将奇数列像素值加上其对应的伪随机数的低2位，并进行截位操作；
在步骤S1中，初始化种子值seed1_r＝0，seed2_r＝3，seed1_g＝1，seed2_g＝4，seed1_b＝2，seed2_b＝5；在步骤S2中，将种子值seed1_r，seed1_g，seed1_b，seed2_r，seed2_g，seed2_b值赋值给M1_r[1]，M1_g[1]，M1_b[1]，M2_r[1]，M2_g[1]，M2_b[1]作为初值，然后根据递推式M[i]＝1812433253×(M[i-1]xor(M[i-1]>>(32-2)))+i获得基础梅森旋转链M1_r[i]，M1_g[i]，M1_b[i]，M2_r[i]，M2_g[i]，M2_b[i]的第i个元素；在步骤S3中，旋转链进行旋转运算，获得旋转后的梅森链MT1_r,MT1_g,MT1_b,MT2_r,MT2_g,MT2_b，旋转关系如下：
-
X＝(0x80000000&M[i])+(0x7fffffff&(M[i+1]mod 624))，
Figure FDA0004188116530000021
M[i]＝M[i+397]xor XA，
MT[i]＝M[i]，
其中，
X0是X最低位；
在步骤S4中，读取当前帧当前像素的子像素值Val_r，Val_g，Val_b；
在步骤S5中，若当前像素值为偶数列像素值，则根据下式
y＝MT[idx]；
y＝y xor(y>>11)；
y＝y xor((y<<7)&0x9D2C5680)；
y＝y xor((y<<15)&0xEFC60000)；
y＝y xor(y>>18)；
idx＝(idx+1)mod 624；
分别更新伪随机数y1_r，y1_g，y1_b的值，并将子像素值加上对应伪随机数的低2位，并进行截位操作得到转换后的8比特数据，
Val_r＝(Val_r+lower2bit(y1_r))>>2，
Val_g＝(Val_g+lower2bit(y1_g))>>2，
Val_b＝(Val_b+lower2bit(y1_b))>>2；
若当前像素值为奇数列像素值，同样分别更新伪随机数y2_r，y2_g，y2_b的值，并将子像素值加上对应伪随机数的低2位，并进行截位操作，得到转换后的8比特数据，
Val_r＝(Val_r+lower2bit(y2_r))>>2，
Val_g＝(Val_g+lower2bit(y2_g))>>2，
Val_b＝(Val_b+lower2bit(y2_b))>>2。
2.根据权利要求1所述的基于伪随机数的三维抖动显示方法，其特征在于：
所述三维抖动显示方法还包括以下步骤：
S6、若当前帧所有像素点都处理完，则将y1_r，y1_g，y1_b，y2_r，y2_g，y2_b的值分别赋值给seed1_r，seed1_g，seed1_b，seed2_r，seed2_g，seed2_b，若没有，则读取下一个像素点对应子像素值，执行步骤S4；
S7、若源数据所有帧都处理完，则结束转换；若没有处理完，则读取下一帧10比特数据并跳转到步骤S2继续执行转换操作。
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