CN1643568A - 用于视频图像的数字显示的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设备，用于使用时分调制的视频图像的数字显示。该设备用于在视频帧期间显示视频图像，所述视频帧包括在至少两个分离的相同时间片段内分布的多个连续的子场。根据本发明，在每个时间片段期间，视频图像的象素至多改变一次状态，并且针对每个子场，将要显示的视频图像以识别象素变化状态的信息的形式保存在图像存储器中。

Description

用于视频图像的数字显示的设备

技术领域

本发明涉及一种用于视频图像的数字显示的设备，用于使用时分调制在屏幕上显示灰度级。更具体地，本发明应用于投影和背投装置、电视或监视器。

背景技术

在显示设备中，数字显示设备是包括能够采取有限数目的亮度数值的一个或多个单元的设备。当前，该数值的有限数目等于2并且对应于单元的导通状态和截止状态。为了获得更大数目的灰度级，已知在时间上调制视频帧上的单元的状态，从而通过合成由这些状态的改变而引起的光脉冲，人眼能够检测到中间的灰度级。

在已知的数字显示设备中，存在包括数字微反射镜矩阵或DMD矩阵(DMD标识数字微反射镜设备)的设备。DMD矩阵是一种传统上用于视频投影的组件，由其上安装了数千个显微反射镜或微反射镜的芯片构成，通过按照反射或阻挡来自外部光源的光的方式进行转动，所述显微反射镜或微反射镜根据数字数据的控制用于在屏幕上投影图像。已知基于这种微反射镜矩阵的使用并且包括光的数字处理的技术是“数字光处理”或DLP。

将在包括数字微反射镜矩阵的数字显示设备的框架内更具体地描述本发明，并不隐含本发明的范围限于此种类型的设备。例如，本发明还可以应用于LCOS类型的数字设备。

在DLP技术中，每个要显示的象素设置了一个微反射镜。微反射镜展示了两个操作位置，即在静止位置的两侧的有源位置和无源位置。在有源位置中，微反射镜相对于静止位置倾斜几度(10度左右)，从而将源自外部光源的光线通过投影透镜投影到屏幕上。在无源位置中，微反射镜以相反的位置倾斜几度，从而将源自外部光源的光线指引到光吸收器中。有源(无源)位置中的单元对应于导通(截止)状态中图像的象素。因此，象素的发光的周期对应于其中相关的微反射镜处于有源位置的周期。

因此，如果施加到微反射镜矩阵的光是白光，则与有源位置的微反射镜相对应的象素是白色，而那些与无源位置的微反射镜相对应的象素是黑色。通过对应于PWM(PWM代表脉冲宽度调制)调制的投影到屏幕上的光的时分调制来获得中间灰度级。特别地，每个微反射镜能够在每秒中改变位置数千次。人眼不能检测到这些位置的变化，也不能检测由此产生的光脉冲，但是能够合成其之间的脉冲，因此能够觉察平均光电平。因此，人眼所检测到的灰度级直接与视频帧期间微反射镜处于有源位置的时间成比例。

为了获得256灰度级，例如，将视频帧划分为权重不同的八个连续子周期。通常将这些子周期称为子场。在每个子场期间，微反射镜处于有源位置或无源位置。每个子场的权重与其持续时间成比例。图1示出了视频帧中的子场的典型分布。根据国家不同，视频帧的持续时间是16.6或20毫秒。作为实例给出的视频帧包括权重分别是1、2、4、8、16、32、64和128的八个子场。象素的发光周期对应于其间相关的微反射镜处于有源位置的子场。人眼在时间上合成象素发光周期并检测与视频帧期间的发光周期的整个持续时间成比例的灰度级。

此外，在所有的视频设备中，彩色图像的显示需要显示三个图像-一个红色、一个蓝色和一个绿色。在具有单一DMD矩阵的投影仪中，顺序显示这三个图像。例如，这种投影仪包括旋转轮，旋转轮包括在被发送到DMD矩阵之前通过其对来自投影仪的光源的白光进行滤波的红、绿和蓝滤波器。因此，在视频帧期间顺序地将红、绿和蓝光提供给DMD矩阵。例如，旋转轮包括六个滤波器(两个红色、两个绿色和两个蓝色)，并且以150转/秒的频率旋转，即，每个视频帧三转。将视频图像的R、G和B分量的数字数据按照与红、绿和蓝光同步的形式提供到DMD矩阵，从而利用适当的光线显示图像的R、G和B分量。因此，能够将视频帧分为18个时间片段，每个时间片段6个颜色，如图2所示。在20毫秒的视频帧的情况下，每个片段的持续时间是大约1.1毫秒。针对每个颜色，图1所示的子场分布在每个颜色的6个时间片段上。例如，将每个子场分为6个基本周期，每个周期对应于一个具体的时间片段。

这些数字显示设备显示了与发光周期的时间合成相关的问题。特别地，当目标在两个连续的图像之间移动时，会出现轮廓问题。本领域的技术人员众所周知的是，通常几乎觉察不到的灰度级过渡上出现的过暗或过亮的频带引起了该问题。

为了限制这种轮廓效应，可以使用所谓的灰度级的增量编码，如2002年3月7日提交的法国专利申请No.02/03141所述。

根据此编码，数字显示设备的单元在视频帧的每个片段期间至多改变一次状态。在DMD矩阵的情况下，这意味着在视频帧的每个片段期间DMD矩阵的微反射镜至多改变一次位置。因此，如果微反射镜在片段的起始处于有源位置，而在此片段期间切换为无源位置，则其保持该位置直到此片段的结束。更确切地，如果微反射镜在时间片段的起始处于有源位置，而在此时间片段期间切换为无源位置，则其在该时间片段的剩余子场期间保持该位置。

这种编码的主要优点在于在片段中不会创建任何“时间孔”，所述时间孔是时间合成期间的干扰的产生源。时间孔在两个截止子场(其间象素显示了零灰度级的子场)之间指定了“导通”子场(其间象素显示了非零灰度级的子场)，反之亦然。

然而，这种编码只能允许有限数目的可能灰度级的显示，即，对于包括N个子场的片段，其允许最大N+1个灰度级值的显示。然而，本领域技术人员众所周知的浓淡处理和加噪技术可以补偿灰度级的这种较少数目。“浓淡处理”技术的原理在于将每个非可显示的灰度级分解为可显示的灰度级的组合，其中通过时间合成(将这些灰度级显示在多个连续图像上)或空间合成(在包围相关象素的图像区域中显示这些灰度级)，在屏幕上恢复接近感兴趣的非可显示灰度级的灰度级。

图3示出了实现该增量编码的数字显示设备。该设备包括增量编码模块10、用于将视频电平流转换为二值电平的模块11、图像存储器12和具有寻址机制13的DMD矩阵14。增量编码模块10包括浓淡处理电路100，用于将随机值添加到由模块10所接收的视频电平上；以及量化电路，用于随后限制视频数据的视频电平的值的数目。实际上，这两个电路用于实现“浓淡处理”技术。例如，在误差广播电路100中使用的算法是Floyd和Steinberg。在量化的结束，例如，将视频电平编码为6比特，从而显示61个不同的电平(每种颜色的6个时间片段中的每一个包括10个子场)。因此，由模块11处理已编码的视频电平流，可以将模块11限定为接收编码为6比特的输入视频电平并输出编码为60比特(10比特用于每个片段，即每个子场1比特)的输出视频电平的LUT表，在一个子场期间，每个60比特指一个二值电平，而每个二值电平限定了视频图像(或矩阵14的单元)的象素组的状态。例如，二值电平的比特1对应于处于导通状态的图像的象素(或有源位置的微反射镜)，而比特0对应于处于截止状态的图像的象素(或无源位置的微反射镜)。将二值电平分离地存储在图像存储器12中。DMD矩阵14的寻址机制13使用这些二值电平来显示视频图像。

发明内容

本发明提出了在设备的图像存储器中保存视频图像的另一种方式。

根据本发明，提出了针对每个子场，将识别象素变化状态的信息保存在图像存储器中，而不是保存视频电平。

此外，本发明涉及数字显示设备，用于在视频帧期间显示视频图像，所述视频帧包括在至少两个分离的相同时间片段内分布的多个连续的子场，视频图像的每个象素能够选择性地在所述视频帧的每个子场期间呈现导通状态或截止状态，所述设备包括：

-基本单元的矩阵，用于显示视频图像的象素，以及

-图像存储器，用于在基本单元的矩阵显示图像之前存储视频图像，

其特征在于在每个时间片段期间，视频图像的象素至多改变一次状态，并且针对每个子场，将要显示的视频图像以识别象素变化状态的信息的形式保存在图像存储器中。

如果视频帧包括N个子场，则例如，图像存储器包括分别与子场相关的N个存储区域，每个存储区域保存与其相关的子场期间视频图像变化状态的象素的坐标。

如果每个时间片段包括按照相同顺序设置的P个子场，并且如果视频图像的每个象素在所述至少两个时间片段中的相同顺序的子场期间改变了状态，有利地，图像存储器包括分别与P个子场之一相关的P个存储区域，用于保存在相关子场期间改变状态的视频图像的象素的坐标。然后，每个时间片段读取所述图像存储器的每个存储区域一次，以便显示视频图像。

附图说明

通过阅读以下参考附图给出的详细描述，本发明的其它特点和优点将更加显而易见，其中：

-图1示出了在利用脉冲宽度调制(PWM)的数字显示设备的视频帧中，子场的典型分布；

-图2示出了针对具有DMD矩阵的数字显示设备的彩色图像显示的传统视频帧。该视频帧包括针对每个颜色的6个时间片段；

-图3示出了现有技术的具有DMD矩阵的数字显示设备的功能图；

-图4示出了根据本发明的数字显示设备中的图像存储器的内容；

-图5示出了根据本发明的具有DMD矩阵的数字图像显示器的第一功能图；

-图6示出了根据本发明的具有DMD矩阵的数字图像显示器的第二功能图；以及

-图7示出了逆伽马校正曲线。

具体实施方式

根据本发明，设想针对每个子场，在图像存储器中保存识别象素变化状态的信息，而不是保存视频电平。因此，该图像存储器现在只存储与在视频帧的时间片段期间的视频图像变化状态的象素相关的信息。

将图像存储器划分为与18个时间片段(每个颜色6个)中的子场相同的多个存储区域。每个存储区域与子场相关，并且存储在该子场的起始处图像变化状态的象素的行和列坐标。

图4示出了根据本发明的图像存储器的内容。该存储器包括多个存储区域Zi，i∈[1…N]，N等于视频帧的子场的总数。每个区域Zi包括在相关子场期间改变状态的象素的行和列坐标。在此实例中，在第一子场期间，矩阵的行1、列10的象素改变了状态。行1、列11的象素也一样。

存储区域Zi的大小可以是固定的。如果考虑到包括768×1024象素的图像，以20比特编码象素的坐标(10比特用于行位置，10比特用于列位置)。然后，有必要设想具有大小等于1024×768×20＝15.7兆比特的存储区域。如果显示具有60个子场的图像(每个时间片段10个子场)，针对三个颜色R、G、B中的每一个，则图像存储器所需的总大小等于1024×768×20×60×3＝2.8吉比特。

图5示出了根据本发明的数字显示设备的第一功能图，其中图像存储器12的区域Zi的大小固定。在图3中已经表示的图5的组件采用两幅图中的相同参考号。

该设备包括根据图3的增量编码模块10。模块10接收视频电平作为输入，并提供增量编码的视频电平作为输出(在时间片段期间象素的状态至多改变一次)。

将源自增量编码模块10的视频电平提供给计算模块20，该模块用于针对视频电平流中图像的每个象素(由其视频电平表示)，产生作为所述流的位置函数的行和列坐标并定义将其记录在图像存储器中的至少一个地址。如果在视频帧的多个时间片段期间相关象素均改变了状态，则在存储器中多次记录象素坐标。针对每个时间片段，为了计算在该处记录给定象素P的坐标的地址，模块20确定其间象素P改变状态的子场(该子场取决于象素P的视频电平)，并选择与该子场相关的存储区域中未使用的地址。

例如，如果象素P是视频流的第三个象素，在第一时间片段的第三子场期间改变状态，模块20将其附加于与该子场相关的存储区域中与区域的第三存储位置相关的地址中。

因此，在图像存储器12中由模块20所确定的地址处记录在相关视频帧期间改变状态的象素的坐标。

图像存储器12是非常快速的RAM存储器，例如SDRAM。逐区域对其进行读取，从而针对每个子场，在读取缓冲电路21中构造了二值电平。针对每个子场，读取缓冲电路根据在相关子场的存储区域中记录的象素坐标创建了二值电平。例如，电路21将其坐标出现在存储器读取中的二值电平的比特设为1。二值电平的其它比特不改变状态。应当注意，在时间片段的起始处，在这种情况下，二值电平的所有比特均是零。

顺序地将多个时间片段的多个子场的二值电平提供给DMD矩阵14的寻址机制13，以便显示视频图像。

可以操作具有减小尺寸的图像存储器12的设备。为了执行此操作，在将象素坐标记录在图像存储器12之前，有必要确定要被记录在图像存储器12的每个区域中的象素的数目。然后，可以确定每一个所需的存储器大小。图6示出了该实施例。假设在图像存储器中最多记录视频流的象素坐标六次(每个时间片段一次)，则实现该实施例所需的图像存储器的大小等于：6×20×1024×768×3＝283.1兆比特。

在此实施例中，将用于计算视频电平的出现的模块30插入到增量编码模块10和用于产生象素坐标和存储器地址的模块20之间。模块30用于计算在视频帧期间所接收的数据流中每个视频电平出现的数目。在模块20中使用这些出现的数目来针对每个子场，计算改变状态的象素的数目并减少了每个区域的存储大小。应当注意，具有不同视频电平的象素可能在给定时间片段的相同子场的起始处改变状态(其会在针对其它六个时间片段至少之一的不同子场处进行切换)。因此，每个存储区域可以保存不具有相同视频电平的象素的坐标。然后，模块20总计这些不同视频电平的出现的数目，从而确定存储区域的大小。

此外，还将源自增量编码模块10的视频电平的流和延迟视频帧一起提供给计算模块20。通过位于模块10和模块20之间的延迟模块31实现该延迟。将模块10输出的视频数据延迟一帧，以使模块20所接收的出现的数目对应于其接收的视频数据。

为了模块20中的存储地址的计算，图6中的设备按照以下方式进行操作。如果区域Z1在地址0000开始，并且如果有16个象素在与区域Z1相关的子场的起始处改变，则按照其在视频流中出现的顺序将这16个象素记录在存储器12的前16个地址上，且区域Z2在图像存储器的第17个地址处开始。

为了限制图像存储器12的带宽，有利地，针对每个象素，视频帧的6个时间片段包括视频信息的相同项(在6个时间片段上均匀地分布视频电平)。则每个象素在6个时间片段的相同子场期间改变状态。然后，在视频帧期间只写入象素坐标一次，并读取6次(每个时间片段一次)。在此实施例中，则图像存储器12只包括P个存储区域。P是针对三个颜色的每个时间片段的子场数目。

因此，读取图像存储器12的操作所需的带宽等于：

BP_read＝片段的数目

×位置比特的数目

×象素的数目

×每秒中帧的数目

×颜色的数目

＝6×20×768×1024×50×3

＝14.14Gbit/s

针对写操作，其值小6倍，即：

BP_write＝BP_read/6

＝2.36Gbit/s

即，BP_total的总带宽等于16.5Gbit/s。

此值非常高，但还可以减小。特别地，不必写入所有象素的行和列坐标。统计上，即使图像包括较大数目的不同视频电平，存在每行的多个象素具有相同的视频电平的可能性也非常高。因此，提出将只将行坐标写入存储区域一次，将具有相同视频电平的该行象素的列坐标按照以下实例进行分类：

行1：列20/列21/列22/

在这种情况下，将768个行位置写入存储器的60个区域中，于是我们可以得到：

BP_read＝768×10×60×50×3

+1024×768×10×6×50×3

＝7.14Gbit/s

BP_write＝1.19Gbit/s

即，总带宽BP_total等于10.3Gbit/s。

还设想用于可能的视频电平的数目或每个时间片段的子场的数目，从而进一步减小带宽。

此外，有利地，通过所谓的逆伽马校正曲线来定义与图像存储器的区域相关的子场的持续时间。逆伽马校正指定了要施加到来自摄像机的图像上的校正，以便将该图像正确地显示在线性数字显示设备的屏幕上。特别地，对比阴极射线管，数字显示设备的输入处(原始图像)的视频电平和输出处的视频电平之间的比通常是线性的。现在，假设在摄像机层次对源图像执行伽马校正，则必须将逆伽马校正应用于来自摄像机的图像，以便获得在屏幕上的图像的正确显示。因此，通过作用于与图像存储器的多个区域相关的子场的持续时间来实现该逆伽马校正。

图7示出了逆伽马校正的图形。

Claims (9)

1.一种数字显示设备，用于在视频帧期间显示视频图像，所述视频帧包括在至少两个分离的相同时间片段内分布的多个连续的子场，视频图像的每个象素能够选择性地在所述视频帧的每个子场期间呈现导通状态或截止状态，所述设备包括：

一基本单元的矩阵(14)，用于显示视频图像的象素，以及

一图像存储器(12)，用于在基本单元的矩阵显示视频图像之前存储视频图像，

其特征在于在每个时间片段期间，视频图像的象素至多改变一次状态，并且针对每个子场，将要显示的视频图像以识别象素变化状态的信息的形式保存在图像存储器中。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述视频帧的至少两个时间片段相同，并且包括相同数目的子场。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于如果视频帧包括N个子场，则图像存储器(12)包括分别与子场相关的N个存储区域，每个存储区域保存在相关的子场期间视频图像变化状态的象素的坐标。

4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于如果每个时间片段包括按照相同顺序设置的P个子场，并且如果视频图像的每个象素在所述至少两个时间片段中的相同顺序的子场期间改变了状态，则图像存储器(12)包括分别与P个子场之一相关的P个存储区域(Zi)，以及保存在相关子场期间视频图像变化状态的象素的坐标，然后，每个时间片段读取所述图像存储器的每个存储区域一次，以便显示视频图像。

5.根据权利要求3或4所述的设备，其特征在于包括产生装置(21)，用于根据存储在图像存储器中的信息来产生针对每个子场的二值电平。

6.根据权利要求3到5之一所述的设备，其特征在于包括确定装置(20)，用于确定视频帧期间改变状态的视频图像的象素的坐标，并将其附加于参考其间所述象素改变状态的子场的存储区域的地址上。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于包括计算装置(30)，用于针对视频图像的象素的每个视频电平，计算其在视频图像中出现的数目，将该出现的数目提供给存储器地址和象素坐标产生装置(20)，从而确定要附加到象素坐标上的地址。

8.根据权利要求3到7之一所述的设备，其特征在于在视频图像中按照行和列来组织视频图像的象素，针对每个象素，在图像存储器中保存的象素坐标包括行坐标和列坐标。

9.根据权利要求3到7之一所述的设备，其特征在于在视频图像中按照行和列来组织视频图像的象素，针对属于所述图像的同一行并且在相关的子场期间改变状态的所有象素，图像存储器的每个区域保存共同的行坐标并且针对所述每个象素，保存列坐标。

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