CN1097809C - 改进显示系统 - Google Patents

Abstract

改进显示系统可以缩减数目的像素显示静止及运动图形。该显示系统借助β视在运动效应“填补”有效像素之间的空白空间以给出实际上不存在的图像显示。该显示系统可以高分辨率显示运动图形，而以低分辨率显示静止图形。

Description

改进显示系统

技术领域

本发明所涉及的改进显示系统专为用于显示运动及静止图形的标志而设计，但并非仅限于此。

背景技术

在本发明的叙述中，“图形”这一术语包括由字母、单词、数字及商标所组成的任意长度的序列。“图形”这一术语还包括上述各序列黑白或彩色的任意组合。

另外，在本发明的叙述中，“像素”这一术语用作“图像元素”的缩写。这样，分布于某个区域的一组像素被称为“图像单元”。在图画中，像素被称为“投光点”而图像单元被称为“投光片”。在此，配置在一起的一组图像单元被称为“显示板”。显示板可以为单行型、单列型或行列矩阵列型。

在澳大利亚493,435和573,024号专利中，给出了与本发明类似形式的两种早期显示系统。在这两个专利(也包括本发明在内)中，显示的实现是依赖于心理物理学中所谓“β效应”的过程。从本质上讲，β效应是指人的视觉系统(即眼睛与大脑的组合)依赖于光图像的时间积分而并非瞬时光图像，从而人的视觉系统具有“填补”遗失信息的能力。因此，人的视觉系统可以还原大面积缺损图像(该图像的缺损部分可高至大约90％)的给定分辨率，其条件是该图像在运动。

在493,435和573,024号专利中，上述效应用来减少提供运动图像给定分辨率所需像素的数量。然而，这两种现有技术中的显示均依赖于相隔距离较远的列而实现。其结果是，由于横过显示器数据传输速率较低，观察者会感觉到在生成图像中存在垂直黑条纹。这还表现为闪烁。

我们发现，上述问题可以通过采用列中像素并将该像素分布于493,435和573,024号专利情况下的空白区域而得到解决。

这三种系统的比较示于图1.1.1至1.3.4之中。这些图表明493,435和573,024号专利系统中的静止图形实际上不可辨认，而同样系统中的运动图形存在闪烁的影响。然而对于同样的图形，在本发明的系统上是可辨认的(对静止图形而言)和无闪烁影响的(对运动图形而言)。每种系统均拥有相同数目的像素，但在本发明的系统中，像素被分布在早期系统相邻列之间的区域上(即被分布在整个图像单元上)。另外，两种早期系统不能显示在垂直方向上运动的图形。

在图2.1至2.12中，给出本发明显示系统(各图的上三分之一部分)与全矩阵显示系统(各图的中间三分之一部分)及493,435和573,024号专利中任一种显示系统(各图的下三分之一部分)的比较。可以看到，全矩阵显示系统和本发明显示系统均显示出球体的上升和下降。如果这12个图可以重叠在一起的话，还可以发现，本发明显示系统所显示的球体运动与全矩阵显示系统具有大致相同的分辨率。相反，493,435和573,024号专利的显示系统在整个显示范围内只描述了2或3条线段的升降。

总之，本发明的显示系统具有与493,435和573,024号专利系统相同数量的像素，但其分布在整个图像单元的范围内，从而该系统的显示具有更高的分辨率并且可以描述具有垂直及水平运动分量的图形，还可显示运动及静止图形以便该显示的观察者能够解释整个图形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进显示系统，它具有大致均匀分布在其整个显示区域内，与澳大利亚493,435和573,024号专利显示系统基本相同数量的像素，以便使运动及静止图形显示的观察者能够进行解释。

根据本发明的一个方面，提供了一种以高分辨率描述运动图形、以低分辨率描述静止图形的改进显示系统，该显示系统显示分布于其上图形的部分，而这种分布使得该图形可以被解释成完整的图形，该显示系统包括：具有至少一个图像单元的显示装置，该图像单元具有一组含有可以被点亮之有效像素和不能被点亮之无效像素的像素，无效像素位于有效像素之间，使得有效像素大致均匀地分布在整个图像单元上以便以均匀亮度显示运动图形和静止图形，从而该显示装置可以在比其它情况可能达到的更近的距离上进行观察，有效像素可以被点亮以便显示分布于整个图像单元上的图形部分；控制装置，它用以产生表示图形各个连续部分的第一组电信号，以便在各个时刻显示分布于整个图像单元上的图形的连续部分，它还用以产生使得该图形部分显示于该图像单元之上的第二组电信号，第一组电信号可以使得有效像素按照图形部分而被点亮，第二组电信号可以使得该图形的连续部分显示在图像单元上，从而借助对第二组电信号所产生连续图形部分的视觉积累，观察该图像单元的人在一段时间内便看到整个图形通过有效像素被显示出来，并且，该显示装置可以高分辨率显示运动图形，而以低分辨率显示静止图形并能给出可解释的整个图形。

根据本发明的另一个方面，提供了一种在具有至少一个图像单元的显示装置上以高分辨率显示运动图形而以低分辨率显示静止图形的方法，该图像单元具有一组含有可以被点亮的有效像素和不能被点亮的无效像素的像素，无效像素位于有效像素之间，使得有效像素大致均匀地分布在整个图像单元上以便以均匀亮度显示运动图形和静止图形，从而该显示装置可以在比其它情况可能达到的更近的距离上进行观察，有效像素可以被点亮以便显示该图形，而控制装置用以产生表示图形各个连续部分的第一组电信号，以便在各个时刻显示分布于整个图像单元上的图形的连续部分，它还用以产生使得该图形部分显示于该图像单元之上的第二组电信号，第一组电信号可以使得有效像素按照图形部分而被点亮，第二组电信号可以使得该图形的连续部分显示在图像单元上，从而借助对第二组电信号所产生连续图形部分的视觉积累，观察该图像单元的人在一段时间内便看到整个图形通过有效像素被显示出来，该方法的步骤包括按照整个图形生成第一组电信号，生成第二组电信号和将第二组电信号用于显示装置以便使该图形的连续部分被显示在该至少一个图像单元，从而该显示装置可以高分辨率显示运动图形，而以低分辨率显示静止图形并能给出可解释的整个图形。

附图说明

本发明的典型方案将参考以下附图加以说明。

图1.1.1至1.3.4的绘制图形给出了根据本发明的改进显示系统与澳大利亚493,435和573,024号专利显示系统的比较。

图2.1至2.12的绘制图形给出了图1.1.1至图1.3.4中三种显示系统对于球体垂直跳动的显示对比。

图3为根据本发明显示系统的电路示意图，该显示系统包含6个水平单行设置的图像单元。

图4为根据本发明显示系统的电路示意图，该显示系统包含6行6列图像单元矩阵。

图5A和5B为根据本发明显示系统的电路示意图，它们描述了与图3显示系统相似的单行图像单元台架组件。

图5C为根据本发明显示系统的电路示意图，它描述了与图4显示系统相似的图像单元矩阵台架组件。

图6A为含有30个像素、根据本发明显示系统图像单元的平面图。

图6B的绘制图形给出了含有32个像素的图像单元中像素的布局并描述了像素的操作顺序。

图7的平面图描述了根据本发明显示系统的两个图像单元上下安装在一起的情形。

图8为手持指挥棒的侧视图，该棒含有根据本发明的图像单元之一，用以在移动棒的过程中显示图形。

具体实施方式

在图3中，给出了根据本发明的显示系统10。显示系统10包括控制装置(其方便的形式为计算机12)、台架组件14、功率源16和一组图像单元18(如配置成一行的6个图像单元18以构成显示板20)。

计算机12的典型形式为个人电脑，它利用将要显示在显示板20上的图形的视觉细节进行编程。计算机12通常通过其通讯输出端口30(此后称之为comms输出端口30)连接于台架组件14之上。

台架组件14具有通讯接口40(此后称之为comms接口40)，它与计算机12的comms输出端口30相连接。comms接口40被设置成接收来自计算机12的信号并将其转换成可以被台架组件14所利用的信号。这样就允许计算机12位于远离台架组件14和显示板20的位置。

正如从图6A和6B中可以看到的那样，各个图像单元18具有一组由黑色方块所表示的像素40。像素40之间的间隙由淡阴影区域所表示。像素40在整个图像单元18上被设置成规则图式。在本方案中，该规则图式具有包含32个有效像素40和288个无效像素43的5个纵列42(即纵列42中各有效像素40之间具有4个无效像素43)、交替插入纵列42之间的空白列44(具有32个无效像素43)以及32个横行46，其中每一横行46具有一个像素40。这就是说，在单个图像单元18的同一横行46中不会有两个像素40。这是为了在操作过程中取得横贯该图像单元的均匀亮度所必需的。在图6B中，纵列42被标记为1、3、5、7和9，空白列44被标记为2、4、6、8和10，而横行被标记为1至32。

参考图3、5A及5B，台架组件14还具有一组320位移位寄存器50，其中每个图像单元18有一个移位寄存器50。台架组件14还具有一组高电流驱动器52，其中每个320位移位寄存器50拥有一个高电流驱动器52。每个高电流驱动器52连接于一个相应图像单元18的像素40之上。典型地，高电流驱动器52可产生10至100毫安的输出电流，其中的像素40为发光二极管(LED)。

可以预期，像素40可以是发光二极管群。另一方面，像素40也可以是其它发光元件，只要它们在其操作的通断状态之间具有较短的时延即可。

注意到如下事实是重要的，即32个有效像素40以320位移位寄存器50的操作顺序分别位于2、7、12、17、22、27、32、69、74、79、84、89、94、131、136、141、146、151、156、193、198、203、208、213、218、223、260、265、270、275、280和285等位置。也就是说，无效像素43位于这些位置之间。因此，图像单元18的像素40数目只有其最大可能数目的10％。

在本方案中，移位寄存器50具有320位，以便在对有效像素40和无效像素43的操作过程中提供相同的时延。这是人的视觉系统正确执行β效应并将运动图形内推至无效像素43之上所必需的。因此，只有32对导线将各个高电流驱动器52与相应的图像单元18相连，而不用320对导线。可以设想，可以为每个有效像素40接入一条公共导线从而将导线数减少至每图像单元18拥有33条。

以下，将使用术语“像素”表示32个有效像素40，而所有320个像素40和43将被称为像素40和43。

在应用过程中，存储于计算机12中的图形通过将整个该图形传输到台架组件14而被显示在显示板20上。由于在全部320个像素中只有32个有效像素40，从而在任一瞬时都只有该图形的一部分被显示。这样，在任一给定时刻，只有整个图形的大约10％被显示。然而，β效应提供了原本会丢失的分辨率。该部分的实例如图1.3.2所示的字母“W”和“g”(尽管其在水平方向分布于1个图像单元18的范围而在垂直方向分布于5个图像单元18的范围)。

对应于给定图像单元18的320位移位寄存器50点亮像素40，这些像素对应于该图形在该时刻将显示于该图像单元18上的部分。在下一时刻，该图形沿显示板20的方向向前移动至下一纵列42。

320位移位寄存器50被高速计时32次以便刷新图像单元18的顺序纵列42和44。然后，移位暂停且像素40被点亮10毫秒(举例而言)，而在此期间该移位寄存器50保持静止。接着，像素40被熄灭且重新进行计时，随后再次被点亮，如此等等。在接续的计时周期，该图形的下一个部分被送至台架组件14。这样，在各个连续的计时周期上，该整个图形便被显示在图像单元18之上。

在显示板20具有两个以上图像单元18的情况下，该图形移出一个图像单元18的最后一列44而进入下一个图像单元18。在图6B的布局情况下，这种数据如图所示逐次从图像单元的输入端60移至该图像单元18的输出端62。然后，计时周期沿像素40和43对该数据进行计时以便决定点亮哪个像素40。

另一方面，像素40和43可以由并联配置的32个10位移位寄存器进行驱动。再有，像素40和43可以被随机地访问，比如利用来自另一台计算机设备的网格参考数。

在图4中，给出了类似于显示系统10的另一种显示系统100，且其中相同的部件用同样的数字标记。显示系统100与显示系统10的区别在于，显示系统100具有由36个图像单元18构成的网格结构，其布局为6行6列的矩阵。

图像单元18与前述略有不同，其具有30个像素40而不是32个像素40。这样做是为了使图像单元18能够被配置成矩阵形式，该矩阵具有如图7所示的循环模式，该图为具有两个各包含30个像素40的图像单元18的显示板102。图中所示的两个图像单元18用虚线106加以区分。如果图像单元18具有32个像素40，则一个图像单元18的两个像素40将会与纵向相邻图像单元18的像素40相重叠。

因此，利用显示系统100，就可以显示这样的图形：该图形不仅可以在显示板102上从左向右移动，还可以在该显示板102上从下向上或相反地移动。对计算机12和台架组件104进行配置以便使该图形可以在显示板102上作二维运动。

由于显示板102中的行列数目较大，可能有必要多路复用计算机12的两个comms端口30和30′。在这种情况下，comms端口30可配置成控制显示板102中横行的一半，而comms端口30′则用以控制其另一半。此时，为每个comms端口30和30′配置有多路调制器(MUX)110和112。

我们发现，显示系统10及100适合安装于建筑物的窗门直棂或窗框上。

某一特定纵列42的像素40被安装在窗门直棂或窗框上，而相邻纵列42之间的间隙则被建筑物的窗口所容纳。其结果是，可以在建筑物上安置巨大的标牌而却消耗较少的能源，该标牌对于建筑物内的人是不可见的，但对路过该建筑物的人而言则非常醒目。事实上，建筑物内的人甚至不会感觉到有图形(信息)被显示在窗口的空间上。

这种显示板的设计，要求像素40和43足够大，以便使纵列42之间的距离与窗门直棂或窗框之间的距离相等。

对显示系统10及100，现将参考以下实施例进行说明。

实施例1

上述显示板20具有如下参数：

高度(h)＝200mm

长度＝无限定，但最好应＞2000mm

垂直分辨率(v)＝30LEDs

LED直径(d)＝5mm

LED亮度＝500mcd

全点阵中LEDs的垂间隙(LS)(即本发明中像素间的垂直距离)则为：

LS＝h/v＝200/30＝6.67mm

我们发现，由于显示板的尺寸按比例增大或缩小，所以通常需要具有每图像单元18为30LEDs的垂直分辨率。这样就得到如下比例因子：SF＝LED间隔/6.67。

实施例2

由此，我们可以设计用于具有相距500mm间隔窗门直棂的建筑物的显示板中像素40和43的间距要求，具体如下：

像素间距(LS)＝直棂间隔/2列＝500/2＝250mm

也就是说，在窗的中部只有一列无效像素43，而具有有效像素40的列仅位于该窗的直棂上。这相应于在窗的中部具有一列像素的全点阵显示。

高度(H)＝LS×垂直分辨率(v)＝250×30＝7,500mm

也就是说，由图像单元18构成的显示板20的高度为7.5米。假设建筑物每层的高度为3米，则显示板20及102将覆盖2.5层。另外，相对于该区域范围使观察者能够辨认所需的LEDs尺寸为：

新LED直径(D)＝SF×d＝(LS/6.67)×dmm

            ＝(250/6.67)×5＝187.4mm

实施例3

下列参数适用于高度为7米的图像单元18：

h＝7000mm

LS＝h/v＝7000/30＝233

SF＝LS/6.67＝233/6.67＝34.9

新LED直径(D)＝34.9×5＝174.5mm

具有该直径的像素利用LEDs群而实现，LEDs群的装配组合直径约为175mm。

在图8中，给出了包含一个图像单元18的指挥棒200，不过该图像单元具有32个像素40的垂直分辨率和5个像素40的水平分辨率。该指挥棒200具有内置微电脑(用以完成计算机12的功能)的手柄202，该微电脑用于产生由该图像单元18进行显示的图形。

在使用过程中，指挥棒200由其使用者(比如以指挥棒200作为玩具的儿童)来回挥动，以便依靠β效应而给出一个显而易见的显示板，该显示板的面积大于图像单元18的面积。

另一方面，该指挥棒200可沿圆周旋转或持续向前运动以便给出拖尾图形。

本发明的显示系统10及100的优点在于，其图像单元18覆盖了二维区域，它允许图形的二维部分在任一给定时刻得到显示。在典型方案中，各个图像单元18的静态分辨率为6×5＝30个像素40，而其动态分辨率为6×5×10＝300个像素40。这与493,435和573,024号专利形成鲜明的对照，在这两个专利的系统中，在任一时刻只能显示出图形的一条线。因此，本发明的显示系统10及100可以较低分辨率(约为原图形的10％)显示静止图像，而以与原图形基本相同的分辨率利用β效应的作用显示运动图像。该运动图像的分辨率大大优于常规全矩阵显示所能够取得的分辨率，这同样是由于β效应起作用的缘故。

另外，由于图像单元18的像素40被设置在独立的行中，从而可以显示具有向上和/或向下运动分量的运动图形而不会令观看显示板20及102的人停留在该图形的静态分量上以致失去β效应和视在分辨率。关于这方面，有待明确的一点是，纵列42和44中的像素40和43也可以配置得使各个像素40和43位于不同的纵列42和44中。这可以通过在各个图像单元中配置17×17个像素40的矩阵而实现。像素40和43均被配置在对角线上且不存在使像素40和43成一直线的行或列。如此而形成的图像单元18仍旧可以在纵向及横向进行叠加。

可以使用其它尺寸的矩阵，比如举例来说，可使用具有20×20个像素40和43的矩阵。在某些情况下，相邻图像单元18的一个或多个像素40可能会发生重叠从而需要从电路中加以移除以便在整个显示板20及102范围内取得均匀的光亮度。该重叠还将像素40的减少率降低至12％与10％之间。

由于本发明的显示板20及102具有较少的像素40，从而其消耗较少的电能，但同时却能获得与常规全矩阵显示基本相同的分辨率(对运动图形而言)。因此，显示板20及102只消耗常规全矩阵显示所需电能的10％至12％。这对于大型显示牌而言表明了其操作成本的显著节约，并且在某些常规显示所需电源变得不可实现的情况下可使得显示的电源供应成为可行。

由于β效应的作用，水平视在分辨率得以增大，从而即便在只有5列像素40的情况下也可以得到可辨认的图形。然而，当图形需要在垂直与水平方向上均进行大致等量运动的时候，图像单元18最好在垂直与水平方向上均拥有大致等量的像素40和43。

本发明的显示系统10及100同样具有优越性，它可以在比493,435和573,024号专利的显示系统靠近得多的距离上进行观察。这是由于将像素40分布在整个图像单元18上而并非集中在一列或间隔配置的两列上的结果。

对于熟知本技术的人而言，在此基础上进行修改与变形可能是显而易见的，这些修改与变形均被视为包含在本发明的范围之内。例如，可以采用像素40和43的其它布局。

Claims (14)

1.一种以高分辨率显示运动图形而以低分辨率显示静止图形的显示系统，它包括：具有至少一个图像单元的显示装置，该图像单元具有一组含有可以被点亮之有效像素和不能被点亮之无效像素的像素，无效像素位于有效像素之间，使得有效像素与无效像素分布在整个图像单元上，有效像素分别或同时地点亮用以显示图形；控制装置，它用以产生表示图形各个连续部分的第一组电信号，以便在各个时刻显示分布于整个图像单元上的图形的连续部分，它还用以产生使得该图形部分显示于该图像单元之上的第二组电信号，第一组电信号可以使得有效像素按照图形部分而被点亮，第二组电信号可以使得该图形的连续部分显示在图像单元上，从而借助对第二组电信号所产生连续图形部分的视觉积累，观察该图像单元的人在一段时间内便看到整个图形通过有效像素被显示出来，其特征在于：有效像素被充分均匀地分布在图像单元的水平和垂直方向上，在整个图像单元的运动图形和静止图形都能具有均匀的亮度，从而该显示装置可以在比其它情况可能达到的更近的距离上进行观察。

2.根据权利要求1所述的显示系统，其中图像单元具有一组各含两个以上有效像素的纵列，且其中该图像单元具有一组各仅含一个有效像素的横行，以便当图形水平移过该图像单元时不会重复该图形的成分，从而该图形在图像单元上具有均匀亮度，并且该图形可以具有水平和垂直运动分量。

3.根据权利要求1所述的显示系统，其中图像单元具有一组各仅含一个有效像素的纵列，且其中该图像单元具有一组各仅含一个有效像素的横行，以便当图形在该图像单元上沿任意方向移动时不会重复该图形的成分。

4.根据权利要求1所述的显示系统，其中至少一个图像单元具有按对角线配置的有效像素，这些对角线以形成栅格方式相贯穿，以便在观察沿任意方向运动的图形时防止该图形各个连续部分的显示变得支离破碎。

5.根据权利要求1所述的显示系统，其中显示装置具有一组相互毗邻形成一行的图像单元，而控制装置可以控制该图形部分在该组合图像单元上的推移以便在一段时间内以高分辨率显示整个图形。

6.根据权利要求5所述的显示系统，其中图像单元之一中有效像素的位置与其相邻图像单元中有效像素的位置相同，且各个图像单元中像素位置的设置是使一个图像单元中有效像素的位置与相邻图像单元中有效像素的位置相匹配，以便使有效图像单元中由有效像素的位置所形成的模式不发生明显的变化。

7.根据权利要求1所述的显示系统，其中显示装置具有一组位于由行列构成的阵列中的图像单元，而控制装置可以控制该图形部分在该组合图像单元上的推移以便在一段时间内以高分辨率显示整个图形。

8.根据权利要求7所述的显示系统，其中图像单元之一中有效像素的位置与该图像单元阵列中其相邻图像单元中像素的位置相同，且各个图像单元中像素位置的设置是使一个图像单元中有效像素的位置与相邻图像单元中有效像素的位置相匹配，以便使该阵列图像单元中由有效像素的位置所形成的模式不发生明显的变化。

9.根据权利要求1所述的显示系统，其中控制装置具有串行移位寄存器，该寄存器的每个移位单元对应于图像单元中的一个像素，从而可通过有效像素将运动图形显示在该图像单元之上。

10.根据权利要求1所述的显示系统，其中控制装置具有一组串行移位寄存器，每个移位寄存器对应于该图像单元的一行，而每个移位寄存器拥有每列一个移位单元，从而在各个连续的时刻可通过有效像素将运动图形的连续部分显示在该图像单元之上。

11.根据权利要求1所述的显示系统，其中控制装置随机存取存储器，该存储器含有每像素一个存储单元，以便可以在各个连续的时刻随机点亮有效像素而显示图形的连续部分。

12.根据权利要求1所述的显示系统，其中图像单元安装于供操作者手持的可移动装置上，该装置具有大致均匀分布其上的像素以便显示该图形部分。

13.根据权利要求12所述的显示系统，其中该手持装置可以进行移动以便在空中显示出该图形部分的潜像。

14.一种在具有至少一个图像单元的显示装置上以高分辨率显示运动图形而以低分辨率显示静止图形的方法，该图像单元具有一组含有可以被点亮的有效像素和不能被点亮的无效像素的像素，无效像素位于有效像素之间，使得有效像素与无效像素分布在整个图像单元上，有效像素分别或同时地点亮用以显示图形，而控制装置用以产生表示图形各个连续部分的第一组电信号，以便在各个时刻显示分布于整个图像单元上的图形的连续部分，它还用以产生使得该图形部分显示于该图像单元之上的第二组电信号，第一组电信号可以使得有效像素按照图形部分而被点亮，第二组电信号可以使得该图形的连续部分显示在图像单元上，从而借助对第二组电信号所产生连续图形部分的视觉积累，观察该图像单元的人在一段时间内便看到整个图形通过有效像素被显示出来，该方法的步骤包括按照整个图形生成第一组电信号、生成第二组电信号和将第二组电信号用于显示装置以便使该图形的连续部分被显示在该至少一个图像单元，其特征在于：该方法还包括将有效像素充分地均匀地分布在图像单元的水平和垂直方向上的步骤，使整个图像单元的运动图形和静止图形都能具有均匀的亮度，从而该显示装置可以在比其它情况可能达到的更近的距离上进行观察。

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