CN1119808A - 增加可视显示器视在动态范围的技术 - Google Patents

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Abstract

一种数字信号转换方法，其中，把数据字的值对于时间作高频振动，使数据字的平均值比具有相同分辨率的单个数据字是所需值的更准确的近似。介绍了三个采用多个查找表来完成转换功能的实施例。
第一个实施例用计数器对每一个转换顺序地选择查找表。第二个实施例用随机的方法来选择当前的查找表。第三个实施例使超象素作高频振动而增加显示器能显示的强度值的个数。

Description

增加可视显示器视在动态范围的技术
本发明涉及数字式显示系统的领域，特别涉及数字式空间光调制器(SLM)显示系统。
数字式显示系统由量化的图象信号产生可视图象。与采用阴极射线管(CRT)的典型的模拟式显示相比，数字式显示有许多优点，其中包括增加了图象再现的准确度以及用低成本实现高清晰度显示的前景。然而，如果不去对图象动态范围的表示作专门的考虑，这一数字式系统能够引出新的假象来。由于在一数字式系统中数据是量化的，显示器具有有限个能被显示的强度值。对强度值进行离散将有损于总的图象质量，引起诸如虚假轮廓线等视觉假象。如果增加离散值的个数，则可以提高图象的质量并减小假象的影响。随着离散强度值个数的增加，系统的成本也增加。将达到这样一点，它更多地考虑容许能力的增加和所需的帧存储器，而不是取样电路准确度的增加。
揭示了一种转换数字信号的方法和系统，其中，数据字的值对于时间作高频振动，使得数据字的平均值是数据字所需值的近似值。
本发明的优点在于减少了为产生一幅图象而需采集、处理和显示的图象数据位的个数。数据位个数的减少将导致图象显示系统成本的降低。本发明的另一优点是提供了一种能减小量化误差的有效的数字信号转换方法。本发明的再一个优点是提供了一种使非线性图象信号线性化以及使颜色和强度数据作平滑转换的方法。
图1是对于阴极射线管、诸如可变形镜器件等线性显示器件以及电视广播的典型的亮度传递函数的曲线图。
图2是示出了量化误差的典型的CRT传递函数低亮度部分的曲线图。
图3是典型的数字化显示系统的略图。
图4是数据转换系统的第一个实施例的略图。
图5是4条取样转换曲线图。
图6是典型的组合转换曲线图。
图7是数据转换系统的第二个实施例的略图。
图8是现有技术的超象素查找表的典型实施例。
图9是数据转换系统的第三个实施例的略图。
图10是按照本发明的超象素查找表的一个实施例。
增加数字化显示系统动态范围的一条途径是加瞬时高频振动。瞬时高频振动包括对于时间改变数字转换函数以及允许观察者的眼睛积累作高频振动的显示。可以通过使用多重信号转换表来使量化断点随时间作高频振动来达到这一目的。观察者的眼睛积累一系列显示图象，以有效地产生最低有效位(LSB)量化值(该值为小数)。由积累的结果有效地增加图象信号的动态范围。
如果显示时只能产生有限个数的颜色或强度值，则会产生量化误差。在显示一幅彩色图象时，必须把原先图象中逐渐的变化变换为被显示图象中个数极为有限的变化。结果在被显示的图象中有更突然的变化，这将导致出现假轮廓线。在这种情形下，可以利用瞬时高频振动来增加用于显示的强度值的个数。
至少可以用三种方式来作瞬时高频振动，即顺序方式、随机方式和空间方式。在实现时，这三种方式各有优点和缺点。顺序方式最为简单，因而首先对它进行讨论。
举例来说，对于基于可变形镜器件(DMD)的电视的传递函数可以作顺序瞬时高频振动。在电视工业中，标准的显示器件是CRT，它典型地具有非线性的亮度传递函数。当采用一个诸如DMD等具有不同的传递函数的显示器件时，已为CRT设计的最终的亮度梯度不会准确显现原有景象的亮度。为补偿传递函数的差异，要作通常称为伽马校正(gamma correction)的信号转换。图1示出CRT显示器30、电视广播信号32以及线性显示器件34的亮度响应函数曲线。在图1中，输入信号位于水平轴上而输出信号位于垂直轴上。在每根轴上标出了满度的百分数，还标出了与十进制数等价的8位二进制数，以255表示满度。CRT响应函数30约等于Y＝X2.2。广播信号响应函数32约等于Y＝X1/2.2。
从图1的广播信号响应函数32可以看出，对于低亮度输入信号，一输入信号给定的增加将导致输出信号较大的增加。而对于高亮度输入信号，输入信号同样的增加将导致输出信号较小的增加。广播信号响应函数是用来补偿采用CRT的，CRT的传递函数与广播传递函数近似地相反。
虽然为补偿不同的传递函数，可以对模拟图像信号进行按比例调节，但有时不容许增加所需的电路。数字式图象显示系统能对数字化图象信号进行按比例调节，但由于加进了按比例调节量化误差，对图象数据作的按比例调节也会带来显示误差。按比例调节量化误差在低亮度信号情形下最大，已按比例调节的数字中一个最低有效位(LSB)的增加代表了未按比例调节的数字化图象信号中数个LSB的增加。
量化误差能够对被显示图象产生很显著的影响。当一幅很暗的图象增加亮度时，每个LSB的增加代表亮度增加了一个很大的百分数。由于眼晴能觉察很小的亮度变化，因此由于亮度仅仅改变一个或二个LSB，一幅暗的图象看上去就有假轮廓线。DMD的线性光传递函数意味着对从强度值为1变为强度值为2的亮度加倍。当系统的位数较少，例如对于动态范围小于9位的系统，这将导致在景象的较暗部分出现假轮廓线。
图2示出理想补偿曲线36的一部分，该曲线等于典型的CRT的传递函数。实际补偿曲线38，连同每一个阶梯增长的百分数也在图2中示出。用8位数据字数字转换器约20％的输入范围只能产生输出数据的8个LSB。此外，每8个二进制位的阶梯包含了亮度方面有较大百分数的增加。而在曲线的亮度大的那一端，作用将倒过来，即，为使被补偿数据产生较大的改变，只需数字转换器很小一部分的输入范围。
图3示出了改进显示器亮度补偿的本发明的一个实施例。在图3中，输入模拟图象信号40用数字转换器42转换为8位数字信号44。选用8位数据字仅仅是为了描述的目的，可以用较多位或较少位来实施它。本发明不限于对亮度数据作伽马校正，而可以对任何数据作伽马校正，其时需进行数据转换，并把已转换的数据对时间求平均，在彩色显示系统中，可以对每一种颜色用并行的或顺序的方法加以分别处理。
补偿电路46把输入图象数据44转换为输出图象数据48，在本实施例中，输出图象数据是传送至显示系统其余部分的另一个8位数据字。为清楚起见，没有示出诸如缓冲器、帧存储器、数据格式器等显示器的其他功能部件，这些功能是在数据补偿之前或数据补偿之后完成的。所有的功能由定时和控制电路52进行协调。定时和控制电路通过定时信号56与图象源保持同步，该定时信号可以是来自NTSC组合图象信号的水平同步和垂直同步信号。
图4示出瞬时高频振动数据补偿电路46的一个实施例。在这个实施例中，转换查找表58可以是1024×8可编程序只读存储器(PROM)。转换查找表包含了4个完整的转换表，每一个转换表可以把一个输入数据值变换为一个输出数据值。输入图象数据44用作进入转换表的偏移地址以产生输出图象数据48。表的选择由定序器的输出决定。在本实施例中，定序器是一个计数器60。定序器可以按帧、行或象素率来进行计时，这取决于来自定时和控制电路52的定时和控制信号54。
构成转换找查表58的4个转换表的每一个表都有独立的曲线断点。每条曲线是所希望的传递函数的一个近似。如果适当地构造出这些曲线，则用4条曲线的平均要比单用任何一条曲线能更加准确地表示所需的传递函数。采用具有适当选取断点的4个表将实际上使显示的分辨率增加2位。
在显示数据时，图象中的每个象素可以逐帧采用不同的表。对于一给定的象素，不同的表将使相同的输入数据产生不同的输出值，因此，对每一帧得出不同的亮度。图5示出4条取样曲线的一部分。观察者的眼睛对于由数个帧来的亮度数据加以积累。这具有对于数个帧进行平均的效果，从而实际上增加了显示的动态范围。图6示出了图5的4条曲线的平均。表1示出4个取样转换表和平均结果的一部分。
除了使显示系统的视在动态范围增大之外，把数个转换表加以平均将导致极暗图象更为平滑的亮度变化。这种平滑变化有助于在得到的图象中减少假轮廓线。应该注意，这种顺序方法用于静止图象最为合适。由于表的排序，顺序瞬时高频振动能产生假象，对于活动图象尤其如此。然而，由于人眼对活动图象丧失了被察觉的分辨率，所以这种方法对于活动图象仍然适用。
                      表1表输入    所需的    表1    表2    表3    表4    平均
      输出                                  输出0         0.00      0      0      0      0      0.001         0.00      0      0      0      0      0.002         0.01      0      0      0      0      0.00 3     0.01    0    0    0    0    0.004     0.03    0    0    0    0    0.005     0.04    0    0    0    0    0.006     0.07    0    0    0    0    0.007     0.09    0    0    0    0    0.008     0.13    1    0    0    0    0.259     0.16    1    0    0    0    0.2510    0.21    1    0    0    0    0.2511    0.25    1    0    0    0    0.2512    0.31    1    0    0    0    0.2513    0.37    1    0    0    0    0.2514    0.43    1    0    1    0    0.5015    0.50    1    0    1    0    0.5016    0.58    1    0    1    0    0.5017    0.66    1    1    1    0    0.7518    0.75    1    1    1    0    0.7519    0.84    1    1    1    0    0.7520    0.94    1    1    1    1    1.0021    1.05    1    1    1    1    1.0022    1.16    2    1    1    1    1.2523    1.28    2    1    1    1    1.2524    1.41    2    1    2    1    1.5025    1.54    2    1    2    1    1.5026    1.68    2    2    2    1    1.7527    1.82    2    2    2    1    1.7528    1.98    2    2    2    2    2.0029    2.14    3    2    2    2    2.25 30    2.30    3    2    2    2    2.2531    2.47    3    2    3    2    2.5032    2.65    3    3    3    2    2.7533    2.84    3    3    3    2    2.7534    3.03    3    3    3    3    3.0035    3.23    4    3    3    3    3.2536    3.44    4    3    4    3    3.5037    3.65    4    4    4    3    3.7538    3.87    4    4    4    3    3.7539    4.10    4    4    4    4    4.0040    4.33    5    4    4    4    4.2541    4.57    5    4    5    4    4.5042    4.82    5    5    5    4    4.7543    5.08    5    5    5    5    5.0044    5.34    6    5    5    5    5.2545    5.61    6    5    6    5    5.5046    5.89    6    6    6    6    6.0047    6.18    7    6    6    6    6.2548    6.47    7    6    7    6    6.5049    6.77    7    7    7    6    6.7550    7.08    7    7    7    7    7.00
本发明的第二个实施例包含了采用随机瞬时高频振动。只要把图4中的计数器60换成随机数发生器就能实现随机瞬时高频振动。随机数发生器可以按帧、行或象素率来选择转换表，然而按象素率来改变表更不容易造成假象。可以任意，在先进的装置中，将根据电视图象的活动情况在随机和顺序高频振动之间切换。有关图象的活动信息可以从累进扫描转换功能获得，它们是在图象显示过程中提前完成的。虽然随机瞬时高频振动有助于消除由于按相同次序顺序通过相同的一些表而产生的假象，但同一个表可以随机地为显示的同一部分一再使用。这将消除由平均带来的好处，并导致显示的那一部分瞬时出现不正常的强度。
包含既用顺序高频振动又用随机高频振动的一种混合实施例示于图7。在此实施例中既用计数器又用随机数发生器。虽然可以用任意个数的表，但为了本实施例的目的，假设转换查找表86包含16个单独的表。这16个表被分为4块，每块4个表。用随机数发生器来选择块，而用计数器在该块内顺序选择表。计数器和随机数发生器由时钟信号87和89来计时，计数器和随机数发生器可以按同样速率来计时，或者随机数发生器可以按较低的速率来计时，使得随机数发生器在选择下一块之前，允许计数器可以顺序通过在一块中的所有的表。如上面所讨论的，在某些情形下，例如，在景象中觉察出活动时，对于控制信号91和93改变高频振动的方案可能有好处。控制信号91和93能只让计数器或随机数发生器不工作，或者让两者都不工作。另一个实施例将允许控制信号从表86中选择一组不同的查找表。控制信号可以被直接送至查找表86。块的个数以及每块中表的个数可以大于或小于上述实施例中的个数。
顺序与随机瞬时高频振动具有增加显示的动态范围而不减小空间分辨率的优点。然而，当显示一幅活动景象时，它们可能产生假象。第三种瞬时高频振动技术，即空间高频振动，可减小由活动景象而造成的假象的影响。
空间高频振动是一种增加可用有效强度值的技术。本发明的发明者之一罗伯特·戈夫(Robert Gove)博士曾向光学照相仪器制造学工程师协会(SPIE，Society of Photo—Optical InstrumentationEngineering)提交了一篇论文。作为参考文献，把这篇题为“对二进制红绿兰显示作逼真彩色图象综合用的新的高频振动技术”并刊印于1986年SPIE第638卷—“混合图象处理”中的论文包括在这里。
超象素(super—pixel)是象素的子阵列，其中每个象素具有不同的强度，因而超象素可以具有单个象素得不到的平均强度值。超象素可以是任何大小的子阵列，例如2×2或2×3，只要子阵列足够小，以至由眼睛看来是均匀的即可。空间高频振动包含了对于时间显示不同强度的超象素，由眼晴对它们作平均，以有效地获得一个具有正确强度的超象素。如此形成的超象素看起来是包含在超象素内的象素强度的混合。为防止产生图象假象，超象素通常仅限于对称象素的组合。对于采用2×2超象素的仅有两个强度值的显示系统，在采用对称超象素时有三种可能的强度值。
为作出空间高频振动，根据象素在超象素中的位置把每个象素的强度数据转换成显示强度。图8是一张表，该表有助于表示如何对于一个4位的数字转换器和两个强度值来采用超象素。数字数据以及象素编号用作进入表的标志，以确定该象素所用的强度值。举例来说，如果象素2的数字化数据是二进制0101，则象素2具有的强度为0。如果象素3有相同的数字化数据，它将具有强度1。从标有“强度值”的那列可见，对于该图，可以有3种超象素强度值。
瞬时高频振动可以与采用超象素相结合，以进一步增加可以得到的强度值的个数。图9示出一种用以做出超象素并使之作高频振动的数据转换系统。用强度数据72、象素偏号数据74以及随机数数据80来对一超象素转换查找表82作选择和寻址，由该表产生显示强度数据84。随机数发生器78可以按由定时信号76确定的任意个象素周期来更新随机数数据80。随机数通常按象素速率来更新，但是，如果有需要，它也可以按较低的速率，包括按行或按帧的速率来更新。控制信号77用以根据景象信息(典型地，如对于图7已讨论过的景象活动信息)来改变高频振动操作，可以用一个计数器来替代，或把计数器增添至图9所示的随机数发生器78。
图10示出采用瞬时高频振动的超象素查找表。图10包括了图8的表以及具有不同断点的第二个表。如果显示系统有一半时间随机地选取了该表的每一部分，则观察者的眼睛将对3种超象素强度的混合进行积累，而产生出5种强度值。如果采用更多个表，则会产生额外的强度值，从而允许更准确地表现所需的图象。
为清楚起见，选用了4位图象数据、两个强度值以及两张查找表。可以采用任意多个数据位、强度值或查找表。对于显示系统硬件来说，重要的是它能足够快地显示由表得出的数据，使得观察者的眼睛能积累数据，并且使观察者察觉不到在选择表时产生的闪烁。
顺序和随机瞬时高频振动对于活动图象有可能引进假象，而空间瞬时高频振动具有使所显示的有效灵敏度降低的不利的副作用。根据景象，高频振动可能不降低分辨率。边缘可以保持，但由于奈奎斯特(Nyquist)周期的缘故，使得具有重复特征的图象(例如格栅图象)不能在所有的强度值上完全再现。
为了能不产生副作用地运用瞬时高频振动，则只能有选择地进行高频振动操作。例如，为变换图象的带宽，可以对一帧图象数据进行二维滤波操作。然后可以用所得的变换，在容易产生假象的高频带范围不进行空间高频振动。用同样的方法，把一帧图象数据和前一帧图象数据作比较，来确定图象的哪一部分是活动的。然后可以用活动部分的数据使得在显示出活动的区域不进行顺序的和随机的瞬时高频振动。
这样，虽然至此已经描述了一个特殊的实施例来说明通过瞬时高频振动来增加显示系统视在动态范围的方法和结构，但并不企图把这些特殊的参考说明视为对本发明范围的限制，本发明的限制只由下述权利要求阐明。此外，虽然结合某些特殊的实施例描述了本发明，应该明白，由于现在对于熟悉本技术领域的人自己也能提出进一步的改变，因而希望对所有这些落在所附权利要求范围中的改变加以覆盖。

Claims (20)

1.一种数字信号转换方法，其特征在于，把数据字的值对于时间作高频振动，从而使所述数据字的平均值是所述数据字所需值的一个近似。
2.一种增加显示系统视在动态范围的方法，其特征在于，包括：
a)把每个象素的图像数据数字化；
b)转换所述数据；以及
c)对于时间改变所述转换操作，使平均被转换数据值是所需数据值的一个近似。
3.如权利要求2的方法，其特征在于，进行所述转换来补偿信号或显示器的非线性。
4.如权利要求2的方法，其特征在于，用一个或多个转换查找表来作所述的转换。
5.如权利要求2的方法，其特征在于，用4个查找表来作所述转换。
6.如权利要求2的方法，其特征在于，按象素速率改变所述的转换。
7.如权利要求2的方法，其特征在于，根据可视景象的活动特征来改变所述的转换。
8.如权利要求2的方法，其特征在于，通过选择不同的转换查找表来改变所述的转换。
9.如权利要求2的方法，其特征在于，所述数据是每个象素的亮度数据。
10.如权利要求2的方法，其特征在于，所述数据是每个象素的颜色数据。
11.如权利要求2的方法，其特征在于，所述转换以线性亮度响应函数来对一显示进行补偿，所述转换用4个转换查找表来做，其特征在于，对于每个象素亮度字，随机地选择运行的转换查找表。
12.如权利要求2的方法，其特征在于，所述转换包括形成超象素，超象素的形成由两个或多个转换查找表确定，其特征在于，对于每个数据字，随机地选择运行的转换查找表。
13.一种数字式数据转换系统，其特征在于，包括：
a)把输入数据信号转换为输出数据信号的两个或多个数据转换器；
b)选择转换器用的定序器；以及
c)把一个转换器选作运行的转换器用的在所述定序器与所述数据转换器之间的信号。
14.如权利要求13的系统，其特征在于，所述数据转换器是存储器查找表。
15.如权利要求13的系统，其特征在于，所述定序器是一个计数器。
16.如权利要求13的系统，其特征在于，所述定序器是一个随机数发生器。
17.如权利要求13的系统，其特征在于，对于每帧图象数据，所述定序器选择一新的运行的数据转换器。
18.如权利要求13的系统，其特征在于，对于每行图象数据，所述定序器选择一新的运行的数据转换器。
19.如权利要求13的系统，其特征在于，对于每个象素的图象数据，所述定序器选择一新的运行的数据转换器。
20.如权利要求13的系统，其特征在于，所述转换以线性亮度响应函数来对一显示器进行补偿，所述数据转换器包括4个存储器查找表，其特征在于，由所述的定序器对每个象素的亮度字随机地选择运行的转换查找表。
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