CN1571990A - 显示彩色图像的方法及其显示处理单元以及包含该显示处理单元的显示装置 - Google Patents

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Abstract

通过考虑在彩色矩阵显示设备(100)上子象素(108－118)的各个位置，使可视分辨率提高。把在适当位置上确定采样的子象素采样加入到图像定标滤波器(502)中。滤波器响应使得在彩色矩阵显示设备(100)中的固有有用分辨率能够被使用。在滤波器设计中，会在清晰度和色差中间进行权衡。定标(216)会在例如YUV信号上进行，由此节省带宽。亮度信号Y是例如在高子象素分辨率上的子采样，而U和V分量则是在象素分辨率上。在YUV到RGB的转换(218)中会考虑子象素位置。

Description

显示彩色图像的方法及其显示处理单元 以及包含该显示处理单元的显示装置
技术领域
本发明涉及一种在彩色矩阵显示设备上显示图像的方法。
本发明还涉及一种用于在彩色矩阵显示设备上显示图像的显示处理单元。
本发明进一步涉及一种显示装置，包括：
-用于接收图像的接收器；
-用于在彩色矩阵显示设备上显示图像的显示处理单元；和
-彩色矩阵显示设备。
背景技术
例如LCD、PDP和多LED的矩阵显示设备，提供了以非常方便和/或流行的(轻质，平板，大尺寸)屏幕实现很高图像品质的可能。矩阵显示设备给观看者提供不管在角落还是中央都清晰的图像。矩阵显示设备的特有缺点是它的固定分辨率，这使得在所需显示前要进行图像定标(scaling)。
EP0974953A1揭示了通过利用矩阵显示设备的特性之一：每个全彩色象素包括许多在空间上分布的彩色子象素的事实，可以提高它的可视分辨率。当把每个象素作为三个子象素的组来使用时，则在显示器上红色和蓝色子象素必须相应于绿色子象素移动1/3的象素尺寸。介绍了一种过滤器，其通过延迟在图像中相对于彼此的彩色分量信号来实现移动。一种根据现有技术系统的实施方式旨在将高分辨率输入信号转换到显示器分辨率的过程中通过考虑子象素的实际位置来使用较高的分辨率。图像定标被特别调谐到显示器上的子象素的布置。其基本原理是使用在其实际显示位置上有效的彩色分量的值来取代在相应全彩色象素位置上的彩色分量的值。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种显示图像的方法，具有相当高的分辨率。
本发明的第二个目的是提供一种用于显示图像的显示处理单元，具有相当高的分辨率。
本发明的第三个目的是提供一种用于用于显示图像的显示装置，具有相当高的分辨率。
本发明的第一个目的是以在包括多象素的彩色矩阵显示设备上的显示图象的方法来获得的，其中每个象素包括对应预定色彩的子象素，由图像信号表示的图像包括一个亮度分量，一个第一色差分量和一个第二色差分量，该方法包括：
-定标步骤，将图像定标为由另外的图像信号表示的中间图像，该另外的图像信号包括一个中间亮度分量，一个第一中间色差分量和一个第二中间色差分量，该亮度分量的定标(scale)与子象素分辨率有关，而该分辨率与彩色矩阵显示设备的子象素的数目有关；
-转换步骤，基于对中间亮度分量，第一中间色差分量和第二中间色差分量的采样，为特定象素计算要提供给特定象素的相应子象素的信号值；
-显示步骤，其中把该信号值提供到特定象素的相应子象素。
本发明最重要的方面在于在图像的定标中考虑彩色矩阵显示设备的子象素分辨率，所述图像由亮度分量，第一色差分量和第二色差分量表示。在定标之后执行对可以提供给子象素的信号值的转换。例如，以根据本发明的方法实施例，在代替红、绿和蓝色分量(RGB)的YUV分量上执行对适当分辨率的定标步骤。在定标步骤之后执行从YUV分量到RGB分量的转换。其结果是在转换之后操作数量同子象素定标相比较少。根据现有技术的方法是处理RGB分量的定标而不是以亮度和色差分量的定标。对视频信号的YUV分量的处理比对RGB分量的处理更普遍。特别是对于电视，视频信号是使用亮度和两个色度信号的组合而不是红、绿和蓝色分量来存储的。换句话说，在视频标准中YUV，YIQ或YCBCR分量是用来取代RGB分量的。例如，YUV信号包括一个亮度分量Y和两个色度或色差分量U和V。与Y分量相比，通过缩小的带宽传输U和V分量可以使视频信号的带宽缩小，即具有较少的采样。这样的构造比较好地配合人的感知，因为人的视觉系统对亮度比色彩更敏感。典型的格式被称为4∶2∶2和4∶2∶0，这意味着分别只有一半的水平地 U和 V采样，水平地和垂直地 U和 V采样。
可能把亮度分量，第一色差分量和第二色差分量定标到子象素分辨率。但是在根据本发明的显示图像方法的一个优选实施例中，第一色差分量和第二色差分量被分别定标为第一中间色差分量和第二中间色差分量，它们都具有彩色矩阵显示设备的象素分辨率，所述分辨率与彩色矩阵显示设备的象素数目有关。其优点是所需计算较少。
在一个根据本发明的显示图像方法的实施例中，基于中间亮度分量的第一采样和第一中间色差分量的第二采样来计算特定子象素的特定信号值。在例如YUV到RGB的转换步骤中使用有关子象素实际位置的信息。例如，把Y分量定标到三倍象素分辨率，即子象素分辨率，并把U和V分量定标到象素分辨率。通过选择恰当的截止频率，其一般恰好高于象素分辨率，即尼奎斯特(Nyquist)频率，在Y上的滤波必须在清晰度和色彩误差之间进行权衡。因此不必使用定标之后在Y信号上的全分辨率。对于彩色矩阵显示设备的每一个象素，具有三个 Y采样，一个 U采样和一个 V采样。转换步骤为：
R＝ Y 1+1.4 V
G＝ Y 2-0.332 U-0.712 V
B＝ Y 3+1.78 U
其中 Y 1， Y 2和 Y 3是分别在红、绿和蓝子象素周围位置上的亮度采样，而其中 U和 V是在特定象素中央附近位置上的色度采样。本实施例的优点是转换步骤相应简单。本实施例的另一个优点在于定标步骤和转换步骤是相对独立的。在定标步骤中，对采样进行计算并在转换步骤中使用这些与子象素的实际位置相当接近的采样。RGB到YUV的转换矩阵是一个关于视频标准和RGB色点的例子。其它矩阵应用于其它标准。
一个根据本发明的显示图像方法的实施例，其特征在于在定标步骤中通过考虑特定子象素的位置来计算中间亮度分量的第一采样。优选地，例如对子象素位置来计算 Y采样，和对一个象素的中央子象素位置来计算 U和 V采样。该转换步骤为：
R＝ Y R+1.4 V
G＝ Y G-0.332 U-0.712 V
B＝ Y B+1.78 U
其中 Y R， Y G和 Y B是分别基本上在红、绿和蓝子象素位置上的亮度采样，而其中 U和 V是基本上在特定象素中央位置上的色度采样。本实施例的优点是图像品质相对较高。
在一个根据本发明的显示图像方法的实施例中，基于一种中间亮度分量的多个采样的插值法来计算特定子象素的特定信号值。这种方法例如在转换中，不是使用单一的 Y信号，而是使用许多 Y采样的平均值。最好是使用加权平均值。这使得转换变得复杂，但却使定标步骤变得简单，例如采用一个较低的定标因子。同样的，可以把 U和 V的采样插值到适当(correct)的位置。
本方法的修改及其变形与所述的显示处理单元的修改和变形相对应。
附图说明
通过参考附图，对关于下文所述的实施例和执行的阐述，根据本发明的方法和显示处理单元以及显示装置的这些和其它方面会变得清楚，其中：
图1示意性地表示彩色矩阵显示设备的一个实施例；
图2示意性地表示根据本发明的操作步骤；
图3A示意性地表示把输入图像定标为子象素分辨率上的 Y、 U和 V采样；
图3B示意性地表示把输入图像定标为子象素分辨率上的 Y采样和象素分辨率上的 U和 V采样；
图3C示意性地表示用于计算 R、 G和 B子象素值的 Y、 U和 V的插值法；
图4示意性地表示一种delta-nabla象素分布；
图5示意性地表示一个根据本发明的显示处理单元的实施例；
图6示意性地表示一个根据本发明的显示装置的实施例；
在所有的图中相应的参考标号表示同一部件。
具体实施方式
图1示意性地表示一个彩色矩阵显示设备100的实施例。彩色矩阵显示设备100是一种在一起能显示图像的离散发光象素102-106的二维排布方式。可以由矩阵显示设备100产生的图像细节总量基本上依赖于象素102-106的数目。为了在彩色矩阵显示设备100中对每一个象素寻址，即控制所产生的光强，矩阵显示设备100包括一个行和列电极的矩阵，在彩色矩阵显示设备100上确定了一个坐标系统，每个象素102-106都安装在其中。每个象素102-106的光强可以通过经行和列电极向每个象素102-106各自提供一个合适的电压或电流来进行控制。为了显示全彩色图像，彩色矩阵显示设备100需要能产生至少三种主色的光，该三主色通常是红、绿、蓝。通过以不同强度来混合这些主色，可以产生由主色延伸的全色彩色域。因为矩阵显示设备100包括只有能控制光强的离散部分，所以每个象素102-106不得不包括多个子象素108-118，其可以产生具有由图像信号确定的光强的主色。当子象素108-118足够小的时候，人的视觉系统是无法分辩单独的子象素108-118的，从而主色被混合在一起在全彩色象素的位置上形成想要的色彩。
为了简单起见，假设在显示器上每种基本子象素(primary sub-pixed)具有相同的数目。在子象素的数目相同的情况下，全彩色象素102-106能够更容易确定，而每个全彩色象素确实包括三个子象素108-188。无论如何在这种分组的选择中都存在一定的自由度。因此对于例如具有2xG，2xR，1xB的Pentile或RGBW(白)配置，根据本发明的方法也同样适用。
在图1所示的彩色显示设备100中，子象素108-118已经按照红、绿、蓝的次序组合为全彩色象素。但是这种选择还可以不同，例如按照绿、蓝、红的次序，其将所有的象素向右移动1/3象素距离。已经表明因为仍然要使用红、绿、蓝子象素来建立全彩色，所以设置一条比象素距离指示具有更高精度的全彩色信息而不引入彩色误差是可行的。
子象素108-118中的每个具有不同的位置，如果可以忽视子象素108-118的色彩，例如在水平方向上，分辨率将是彩色矩阵显示设备100的三倍。但是，原则上子象素108-118的色彩是不能忽视的。如果对不执行防失真(anti-alias)或低通滤波的矩阵显示设备提供黑白信号，即在三倍分辨率上只包含灰度级，就会出现讨厌的彩色噪声(artifacts)。
只要考虑子象素108-118的位置，彩色矩阵显示设备100的分辨率就高于全彩色象素的指示的数量。为实现较高的分辨率，需要用在子象素位置的视频信号值来代替在全彩色象素位置处的视频信号值。这一过程称为子象素采样。因此，必须在这些位置上计算新的采样值。通常实现这样的方法是采样率转换，在EP0346621和由C.Betrisey等人在SID2000 Digest第275-277页的“Displaced filtering for patterneddisplays”中对该方法进行过说明。它还表明多相滤波器对此非常适用。
图2示意性地表示根据本发明的处理步骤216和218。图像200包括一个亮度分量204，一个第一色差分量206和一个第二色差分量208。这些分量分别具有 Y、 U和 V采样。一般，这些采样的位置和彩色矩阵显示设备100的子象素108-118的位置并不对应。首先执行一定标步骤，把图像200定标到一个包含具有子象素分辨率的中间亮度分量210的中间图像202。第一色差分量206被定标为具有象素分辨率的第一中间色差分量212。第二色差分量208被定标为具有象素分辨率的第二中间色差分量214。在这之后，执行一个转换步骤218将中间图像202转换为子象素108-118的值。
图3A示意性地表示把具有输入 Y、 U和 V采样302-316的输入图像定标为在子象素分辨率上的中间 Y、 U和 V采样318-331。除此之外，还显示了中间 Y、 U和 V采样318-331到 R、 G和 B子象素值的转换。中间 Y、 U和 V采样318-331是以子采样的方法进行计算的。例如中间 Y采样331是基于输入 Y采样302-308，中间 U采样318是基于输入 U采样310和312，而中间 V采样320是基于输入 V采样314和316。中间 Y、U和 V采样318-331的位置对应于红、绿和蓝子象素108-118的位置。因此，可以直接计算子象素 R、 G和 B的值：
- R 3＝ Y+1.4 V，取 Y采样328和 V采样320；
- G 2＝ Y-0.332 U-0.712 V，取 Y采样326， V采样324和 U采样318；
- B 1＝ Y+1.78 U，取 Y采样331和 U采样322。
图3B示意性地表示把具有输入 Y、 U和 V采样302-316的输入图像定标到在子象素分辨率上的中间 Y采样326，328和331以及在象素分辨率上的 U采样318和330和 V采样332和324。中间 Y、 U和 V采样318-331是通过子采样的方法来计算的。中间 Y采样326，328和331的位置对应于红、绿、蓝子象素108-118的位置，而中间U318，330和 V采样332，324对应于象素的中央象素位置。因此，可以直接计算子象素的 R、 G和 B的值：
- R 3＝ Y+1.4 V，取 V采样328和 V采样332；
- G 2＝ Y-0.332 U-0.712 V，取 Y采样326， V采样324和 U采样318；
- B 1＝ Y+1.78 U，取 Y采样331和 U采样330。
图3C示意性地表示用于计算 R、 G和 B子象素值的 Y、 U和 V采样的插值法。中间 Y、 U和 V采样的值如结合图3A所述的那样来进行计算。中间 Y采样326，328和331的位置并不对应于红、绿、蓝子象素108-118的位置。中间 U采样318和330以及 V采样332和324也不对应于中央象素位置。可以如结合图3B所述的那样来计算 R、 G和 B子象素的值。这意味着采用最接近红绿蓝子象素位置的中间 Y、 U和 V采样。另一种途径是基于插值法，例如
B 1＝α Y 1+(1-α) Y 2+1.78(β U 1+(1-β) U 2)，取 Y 1采样331， Y 2采样333，U 1采样330和 U 2采样318。α和β与在中间采样位置和子象素位置之间的偏移有关。在YUV-RGB转换中的简单插值法一般会具有一个低通效应，其可以在定标滤波器特性中得到补偿，这样各级定标插值响应基本上都等于1。
图4示意性地表示了一种delta-nabla象素分布400。至此，已经描述了总原理，如在这里所示，已经使用了“垂直条”的分布。当然，这不是唯一的色彩子象素分布。接下来将对在称为delta-nabla分布上的子象素定标含义进行说明。图4表示delta-nabla分布，通常三个子象素108-118一组组成全彩色象素。“delta-nabla”的名称来自于这种典型组的形式。子象素设置在梅花形或六边形栅格上，其中相应的分布仍然是相同色彩子象素之间的距离为1/3水平距离。即其基本上和“垂直条”分布一样，只是其中一行上奇数象素具有半行的间隔偏移，象素的形状也相应改变。在delta-nabla分布中也可以为许多其它的形状，例如正方形或菱形，以六边形最近似一个圆。子象素108-118的分布在排列上实际是二维的，因为任一色彩的子象素是由两个其它色彩子象素所包围的。因此在各个方向都存在一分辨率增长(gain)，代替了垂直条分布中只存在于水平方向上的分辨率增长(gain)。然而要对这样的六边形分布定标并不是轻松的任务。通常会包括二维不可分滤波和坐标转换。不过，子象素采样的基本理论也适用于delta-nabla分布，而且只要除去最严重的色彩失真，也能提供分辨率的增长(gain)。从矩形即常规行-列栅格到六边形栅格的定标是可行的，其通过识别取矩形栅格产生六边形栅格，以一半的象素距离移动在奇数行上的采样，使用以一种简单的方法的多相滤波器来实现。因为子象素是水平移动的，所以首先使用一种常规多相定标方法以显示器上行数的两倍对输入信号进行定标。然后奇数和偶数行以不同的水平偏移以及当然对RGB以的不同的相位进行定标。最后，为了在彩色矩阵显示设备使用这些行和列寻址的时候在适当的位置获得适当的值，沿着由显示电极确定的行把采样再次组合。由于这样的“组装”步骤，会改变在水平和垂直方向上的Nyquist频率。这意味着垂直采样变成了水平采样，而滤波器必须作相应修改。同时当水平滤波器截止在Nyquist率的一半时，垂直滤波器要具有大概Nyquist率两倍的截止频率。当然这些截止频率能对清晰度与色差进行优化。必须注意这种途径不会产生完全正确的二维滤波器响应，因为只有当相应的水平和垂直频率被抑止时对角线(diagonal)频率才会被抑止，而真正的六边形频带限制是无法得到的。不过这样可以产生用于delta-nabla显示的非常简单的子象素定标方法。当相对于象素分辨率对Y信号再度过采样时，例如取水平分辨率的两倍，在YUV-RGB转换中的插值法能够建立一个真正的对角线频带限制。这可以通过使用简单的2D滤波器，例如[-12-1；161]来实现。
图5示意性地表示根据本发明的显示处理单元500的一个实施例。该显示处理单元500包括：
-用于将输入图像定标到中间图像的滤波器502，该中间图像包括一个具有子象素分辨率的中间亮度分量，所述子象素分辨率与彩色矩阵显示设备的子象素数目有关；和
-用于将中间图像转换到彩色矩阵显示设备的子象素值的转换器504。
在显示处理单元500的输入连接器508-512处提供了亮度分量Y，视频信号的第一色差分量U和第二色差分量V。显示处理单元500在输出连接器514-518分别提供第一彩色分量R，第二彩色分量G和第三彩色分量B。滤波器502和转换器504包括用于控制定标的控制接口506。例如有关象素间距离和子象素位置的数据通过该控制接口506提供。该显示处理单元500的工作与在图3A，3B或3C的任何一个的描述一致。
众所周知多相滤波器用于数字图像的定标非常有效。多相滤波器的主要原理是通过在采样间插入零点将输入信号首先进行上采样(upsampled)。然后低通滤波器被用于对插入的采样进行插值，最后通过下采样(down-sampling)步骤从该信号中提取一个在新的分辨率上的必要的采样。因为只需要在新分辨率上的采样，所以只使用在低通滤波后的一部分采样，而通过在第一位置不计算采样将计算结果保存起来。此外，因为插入的采样具有零值，所以可以从计算中忽略它们。多相滤波器基本上包括一个只有一个子集的大低通滤波器，即把系数的“相(phase)”用于计算一个新的采样。该相的选择依赖于在相对于输入图像中的采样的新分辨率的图像中的采样位置。而且，通常多相滤波器可以分为水平级和垂直级，更进一步简化计算。多相滤波器有两种不同的实施方式，常规型和移位型(transposed form)，它们分别最适合于上定标和下定标。它们相互不同，因为对于上定标，必须把信号限制到输入的Nyquist频率，而对于下定标，必须把信号限制到输出的Nyquist频率。在常规型中，以输入采样的加权和来计算输出采样，而移位型则是通过把每个输入采样加到输出采样的数目上来计算输出采样。这样，不会“丢失”输入采样，即当下定标系数大时不会发生图像失真。
图6示意性地表示根据本发明的显示装置600的一个实施例。显示装置600包括：
-用于接收表示图像的视频信号的接收器。视频信号可以来自广播或来自如DVD或盒式录像带的存储介质；
-如关于图5所示的显示处理单元500；和
-如关于图1所示的彩色矩阵显示设备。
需要注意的是上述实施例是说明性的而不是对本发明的限制，本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围内可以设计可替换实施例。在权利要求中，圆括号内的参考标号不应作为对权利要求的限制。“包括”一词不排除没有在权利要求中列出的部件或步骤的存在。在部件之前的“一个”一词不排除存在许多这样的部件。本发明可以通过包含多个独立部件的硬件装置和通过一种合适的可编程计算机装置来实现。在列举多个装置的单元权利要求中，多个这样的装置可以由硬件的一个和相同项来体现。

Claims (9)

1.一种在彩色矩阵显示设备(100)上显示图像(200)的方法，该显示设备包括许多象素(102-106)，每个象素包括对应于预定色彩的子象素(108-118)，图像由包括一亮度分量(204)，一第一色差分量(206)和一第二色差分量(208)的图像信号表示，该方法包括：
-定标图像(200)到一种中间图像(202)的定标步骤(216)，中间图像由包括一中间亮度分量(210)，一第一中间色差分量(212)和一第二中间色差分量(214)的另一图像信号表示，亮度分量的定标与子象素分辨率有关，子象素分辨率与彩色矩阵显示设备(100)子象素(108-118)的数目有关；
-为特定象素计算信号值的转换步骤(218)，该步骤基于对中间亮度分量(210)，第一中间色差分量(212)和第二中间色差分量(214)的采样向特定象素的相应子象素(108-112)提供信号值；
-把信号值提供给特定象素相应子象素(108-112)的显示步骤。
2.如权利要求1的显示图像的方法，其特征在于第一色差分量(206)和第二色差分量(208)被分别定标为第一中间色差分量(212)和第二中间色差分量(214)，两者都具在彩色矩阵显示设备(100)的象素分辨率，其中象素分辨率与彩色矩阵显示设备(100)的象素数目有关。
3.如权利要求1的显示图像的方法，其特征在于基于中间亮度分量(210)的第一采样(331)和第一中间色差分量(212)的第二采样(330)来为特定子象素(118)计算特定信号值。
4.如权利要求3的显示图像的方法，其特征在于在定标步骤(216)中通过考虑特定子象素(118)的位置来计算第一采样(331)。
5.如权利要求1的显示图像的方法，其特征在于特定子象素(118)的特定信号值是基于一种中间亮度分量(210)的多采样(331，333)的插值法进行计算的。
6.一种在彩色矩阵显示设备(100)上显示图像(200)的显示处理单元(500)，该显示设备包括许多象素(102-106)，每个象素包括对应于预定色彩的子象素(108-118)，图像由包括一亮度分量(204)，一第一色差分量(206)和一第二色差分量(208)的图像信号表示，该显示处理单元包括：
-定标图像(200)到一种中间图像(202)的滤波器(502)，中间图像由包括一中间亮度分量(210)，一第一中间色差分量(212)和一第二中间色差分量(214)的另一图像信号表示，亮度分量的定标与子象素分辨率有关，，子象素分辨率与彩色矩阵显示设备(100)的子象素(108-118)的数目有关；
-为特定象素计算信号值的转换器(504)，该转换器基于对中间亮度分量(210)，第一中间色差分量(212)和第二中间色差分量(214)的采样向特定象素的相应子象素(108-112)提供信号值；
-把信号值提供给特定象素的相应子象素(108-112)的显示驱动器。
7.如权利要求6的显示图像的显示处理单元(500)，其特征在于滤波器(502)是一种多相滤波器。
8.一种显示装置(600)，包括：
-用于接收图像的接收器(602)；
-在彩色矩阵显示设备(100)上显示图像(200)的显示处理单元(500)，该显示设备包括许多象素(102-106)，每个象素包括对应于预定色彩的子象素(108-118)，图像由一种包括一亮度分量(204)，一第一色差分量(206)和一第二色差分量(208)的图像信号表示，显示处理单元包括：
-定标图像(200)到一种中间图像(202)的滤波器(502)，中间图像由包括一中间亮度分量(210)，一第一中间色差分量(212)和一第二中间色差分量(214)的另一图像信号表示，亮度分量的定标与子象素分辨率有关，子象素分辨率与彩色矩阵显示设备(100)的子象素(108-118)的数目有关；
-为特定象素计算信号值的转换器(504)，该转换器基于对中间亮度分量(210)，第一中间色差分量(212)和第二中间色差分量(214)的采样向特定象素的相应子象素(108-112)提供信号值；
-把信号值提供给特定象素的相应子象素(108-112)的显示驱动器；和
-彩色矩阵显示设备。
9.如权利要求8的显示装置(600)，其特征在于所述显示装置是电视。
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