CN1950873A - 具有最小噪声的像素移位显示 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于降低显示器中的噪声的滤波器和方法，在所述显示器中，在数字显示装置上显示相继的帧，所述相继的帧包含相应的相继的帧像素组。对相继的帧的像素进行滤波，以使得每个像素具有包括整数部分和小数部分的强度值。将第一帧的至少一个像素与第二帧的至少一个像素一起编组，以使得所述第二帧的像素在空间上与所述第一帧的像素相邻。将第一和第二帧像素强度值的小数部分结合。根据其结合后的小数部分来控制所述被编组的第一和第二帧像素的亮度。

Description

具有最小噪声的像素移位显示
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.119(e)要求申请日为2004年5月6日的美国临时专利申请No.60/568,496，以及申请日为2004年5月6日的美国临时专利申请No.60/568,657的优先权，这两个在先申请都通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及用于使脉宽调制显示器中的噪声最小化的技术。
背景技术
目前存在利用一种被称为数字微镜器件(Digital Micromirror Device，DMD)的半导体器件的电视投影系统。DMD是德州仪器公司(TexasInstruments Corporation)的商标。使用DMD器件提高显示图像分辨率的技术包括所谓的“平滑像素”(smooth pixel)或“像素移位”(pixelshifting)技术。根据平滑像素技术，在第一时间段期间，从DMD元件反射的光到达摆动镜(wobble mirror)等，所述摆动镜等在一个位置处可以实现约一半像素的显示。在第二时间段期间，摆动镜转动到不同的位置，实现对剩余一半像素的显示。
除了实现像素移位以外，采用像素移位技术的DMD通常还执行误差扩散(error diffusion)。虽然努力降低噪声，但像素移位技术与现有的误差扩散器和现有的误差扩散技术的结合有时会显示过量的误差扩散噪声。
因此，存在对降低这种误差扩散噪声的技术的需求。
发明内容
提供了一种用于降低显示器中的噪声的滤波器和方法，在所述显示器中，在数字显示装置上显示相继的帧，所述相继的帧包含相应的相继的帧像素组。对相继的帧的像素进行滤波，以使得每个像素具有包括整数部分和小数部分的强度值。将第一帧的至少一个像素与第二帧的至少一个像素一起编组，以使得所述第二帧的像素在空间上与所述第一帧的像素相邻。将第一与第二帧像素强度值的小数部分结合。根据其结合后的小数部分来控制所述被编组的第一和第二帧像素的亮度。
附图说明
图1示出了适于实现本发明实施例的示例性显示系统的框图；
图2示出了图1的系统的调色盘的一部分；并且
图3示出了图1的显示系统中的DMD成像器内的图1的系统像素阵列的一部分，并示出了像素移位。
图4示出了适于实现根据本发明一个实施例的误差扩散的像素滤波器。
图5是示出了根据本发明另一实施例的适于在多于一个的帧中实现的像素滤波器的基本框图。
具体实施方式
典型的DMD包含被排成矩形阵列的多个可单独移动的微镜。每个微镜在相应的其中锁存了一个比特的驱动单元的控制下转动一有限弧度，该弧度通常在10°～12°的量级上。当应用了预先锁存的“1”的比特时，驱动单元使其相关联的微镜转动到第一位置。反之，对预先锁存的“0”的比特的应用使驱动单元将与其相关联的微镜转动到第二位置。通过在光源和投影透镜之间适当地定位DMD，当DMD器件的每个单独的微镜被其相应的驱动单元转动到第一位置时，该微镜将会反射来自光源的光，使之通过透镜并到达显示屏上，以照亮显示屏中的一个单独的画面元素(像素)。当每个微镜被转动到其第二位置时，该微镜将光反射为远离显示屏，使相应的像素看起来是暗的。这种DMD器件的一个例子是可从德克萨斯州达拉斯的德州仪器公司得到的DLPTM系统的DMD。
包含DMD的电视投影系统通常通过控制各个微镜保持“开”(即被转动到其第一位置)的时段与该微镜保持“关”(即被转动到其第二位置)的时段之比(在下文中称为微镜占空因数(duty cycle)，来控制各个像素的亮度(brightness)。为此，现在的这种DMD型投影系统通常根据脉宽段(pulse width segment)序列中的脉冲状态改变每个微镜的占空因数，从而用脉宽调制来控制像素亮度。每个脉宽段包含一串持续时间不同的脉冲。脉宽段中每个脉冲的激励状态(即每个脉冲被接通还是关断)分别决定了该微镜在该脉冲的持续期间保持开还是关。换言之，在一个画面时段期间，脉宽段中被接通(激励)的总脉冲宽度之和越大，与这些脉冲相关联的微镜的占空因数就越长，在此时段期间的像素亮度就越高。
在利用这种DMD成像器的电视投影系统中，画面周期(即显示相继的图像之间的时间)取决于所选择的电视标准。当前美国使用的NTSC标准采用1/60秒的画面周期(帧间隔)，而某些欧洲电视标准(例如PAL)采用1/50秒的画面周期。现在的DMD型电视投影系统通常通过在每个画面时段期间同时或依次投影红色、绿色和蓝色图像来提供彩色显示。典型的DMD型投影系统利用置于DMD光路中的色彩变换器(colorchanger)，其通常形式是马达驱动的调色盘。调色盘具有多个单独的原色窗，通常是红色、绿色和蓝色的，因此在相继的时段期间，红光、绿光和蓝光分别落在DMD上。
利用DMD成像器的电视投影系统有时显出一种被称为“纱门效应”(screen door effect)的伪像，其表现为屏幕上模糊的栅格状图案。为了克服这一问题，新型的DMD实现了像素移位(pixel shifting)。这种新型DMD成像器具有“钻石像素”(diamond pixel)镜组成的五点梅花形(quincunx)阵列。这些钻石像素镜实际包含被定向为45°角的正方形像素镜。在第一时段期间，从钻石像素微镜反射的光到达摆动镜(wobblemirror)等，该摆动镜在一个位置可以实现约一半像素的显示。在第二时段期间，摆动镜转动以实现剩余一半像素的显示。为了讨论，将把在第一时段和第二时段期间显示的像素分别称为“第一时段”像素和“第二时段”像素。
根据本发明的实施例，用于由DMD显示的输入像素值被通过去γ校正表(degamma table)进行处理，使得每个像素信号具有一个整数值和一个小数值。由于DMD仅能显示整数值，因此与每个像素值相关联的小数部分就代表误差。误差扩散器将此小数部分跟与在同一时段期间显示的相邻像素相关联的像素值的整数和小数部分相加。如果和的整数值增加了，则相邻像素通过将亮度增加1个最低有效位(LSB)来显示结果。小数部分的和有时可以得到如下的小数值，该小数值被传递到再下一个第一时段像素，以和与其相关联的像素值的整数和小数部分结合。每个像素看起来好像不接收来自多于一个的其他像素的误差。
图1示出了典型的彩色显示系统10。系统10包含位于椭圆反射器13焦点处的灯12，该椭圆反射器13反射来自灯的光，使之通过调色盘14进入匀光杆(integrator rod)15。马达16旋转调色盘14，以将红、绿和蓝原色窗中单独的一个置于灯12和匀光杆15之间。在图2所示的示例性实施例中，调色盘14分别具有沿直径相对的红色、绿色和蓝色窗171和174、172和175，以及173和176。因此，当马达16沿逆时针方向旋转图2的调色盘14时，红光、绿光和蓝光将会按RGBRGB的顺序到达匀光杆15。实践中，马达16以足够高的速度旋转调色盘14，以使得在每个画面时段期间，红光、绿光和蓝光中的每一个都到达匀光杆4次，在画面时段内产生12幅彩色图像。也存在其他用于连续提供三原色中每种色彩的机构。例如，色彩滚动(color scrolling)机构(未示出)也可以执行此任务。
参照图1，当来自灯12的光通过调色盘14的红色窗、绿色窗和蓝色窗中相继的一个时，匀光杆15将来自灯12的光集中到一组中继光学器件(relay optics)18。中继光学器件18将光扩展成多条光束，这多条光束到达折光镜(fold mirror)20，该折光镜20反射光束使之通过一组透镜22到达全内反射(TIR)棱镜23上。TIR棱镜23将光反射到数字微镜器件(DMD)24上，以反射到像素移位机构25中，所述像素移位机构25将光导入透镜26中以投影到屏幕28上，所述DMD 24例如是德州仪器公司制造的DMD器件。像素移位机构25包括由致动器(未示出)控制的摆动镜27，该致动器例如是压电晶体或磁线圈。
DMD 24的形式是具有排成阵列的多个单独的镜(未示出)的半导体器件。例如，德州仪器公司制造并销售的平滑画面(smooth picture)DMD具有460,800个微镜组成的阵列，其如下文所述可以实现921,600个像素的画面显示。其他DMD可以具有不同的微镜排列。如前所述，DMD中的每个微镜响应于预先锁存在相应驱动单元(未示出)中的二进制比特的状态，在该驱动单元的控制下旋转一有限弧度。每个微镜根据被应用到驱动单元的锁存的比特分别是“1”还是“0”，而旋转到第一位置和第二位置之一。当旋转到第一位置时，每个微镜反射光使之进入像素移位机构25，然后进入透镜26，以投影到屏幕28上去照亮相应的像素。当每个微镜保持旋转到其第二位置时，相应像素看起来是暗的。每个微镜反射光的时段(微镜占空因数)决定了像素亮度。
DMD 24中的各个驱动单元接收来自驱动电路30的驱动信号，驱动电路30的类型是本领域公知的，例如在以下论文中描述的电路：“HighDefinition Display System Based on Micromirror Device”，R.J.Grove等，International Workshop on HDTV(1994年10月)(通过引用合并在此)。驱动电路30根据由处理器29提供到驱动电路的像素信号来生成用于DMD24中的驱动单元的驱动信号，处理器29在图1中被示为“脉宽段生成器”。每个像素信号的典型形式是包含一串持续时间不同的脉冲的脉宽段，每个脉冲的状态决定了微镜在该脉冲的持续时间内保持开还是关。一个脉宽段内可以出现的最短可能脉冲(即，一个1脉冲)(有时被称为最低有效位或LSB)通常具有8微秒的持续时间，而段中较大的脉冲这的每个所具有的持续时间都长于LSB时段。实践中，脉宽段内的每个脉冲都对应于数字比特流内的一个比特，该比特的状态决定了相应的脉冲是被接通还是被关断。“1”比特代表被激励(接通)的脉冲，而“0”比特代表被禁止(关断)的脉冲。
驱动电路30还控制像素移位机构25内的致动器。在第一时段期间，像素移位机构25内的致动器将摆动镜27保持在第一位置，以实现大约一半像素的显示，所述一半像素中的每一个由图3中标有标号1的实线矩形表示。在第二时段期间，像素移位机构25内的致动器将摆动镜27移动到第二位置，以实现剩余一半像素的显示，所述剩余一半像素中的每一个由图3中标有标号2的虚线矩形表示。可以理解，像素移位机构25有效地使由于每个微镜而显示像素的数量加倍。
在现有技术中，DMD 24实现误差扩散，虽然进行误差扩散的具体过程仍是DMD制造商的商业秘密。已知的是用于由DMD 24显示的输入像素值通过去γ校正表(未示出)进行处理。去γ校正表输出的像素值将具有整数部分和小数部分。由于DMD 24将仅显示整数值，因此与每个像素值相关联的小数部分就代表误差。误差扩散器(未示出)将此小数部分跟与在同一时段期间显示的相邻像素相关联的像素值的整数和小数部分相加。如果和的整数值增加了，则相邻像素将显示该较高整数。小数部分的和有时可以得到如下的小数值：该小数值被传递到再下一个第一时段像素，以和与其相关联的像素值的整数和小数部分结合。每个像素看起来好像接收来自不多于一个其他像素的误差。实践中，DMD 24实现的这种误差扩散产生了可见的误差。
根据本发明，通过将每个第一时段像素的像素值与至少一个被编组的第二时段像素的像素值相结合，降低了可见误差，所述第二时段像素在空间上相邻于相应的第一时段像素。参照图3可以最好地看出这种编组，图3示出了图1的DMD 24的平滑像素阵列的一部分。图3中标有标号“1”的元素指第一时段像素，而标有标号“2”的元素指示第二时段像素，第二时段像素中的一个或多个被与相关联的第一时段像素一起编组。
根据本发明，为了实现噪声降低，每个第一时段像素强度(intensity)值的小数部分被与至少一个被编组的第二时段像素强度值的小数部分相结合。如果结合后的小数部分至少等于1(unity)，则所述至少一个第二时段像素值的强度的整数部分加1，并且其小数部分变为零。现在，用结合后的小数部分减去1的值来代替第一时段像素的小数部分。这样，在第一时段和第二时段之间发生光强度的移位。因此，第二时段像素的光强度增加了1，而第一时段像素的强度降低了，这是因为结合后的小数部分减去1以后不是大于，而是很可能小于先前的第一时段像素的小数部分。
表I用图表的方式示出了上述第一时段像素值和第二时段像素值的结合。从表I可见，术语“像素1”和“像素2”分别指第一时段像素强度值和第二时段像素强度值，并分别具有整数部分“a”和“c”及小数部分“b”和“d”。像素1和像素2的像素值的整数和小数部分分别表示为“a.b”和“c.d”。
                             表I
                    像素1              像素2
输入的像素值        a.b                c.d
小数部分之和                   b+d
新像素值(b+d＜1)    a                  c.(b+d)
新像素值(b+d＞1)    a.(b+d-1)          c+1
当第一时段像素和至少一个第二时段像素(分别是像素1和像素2)的小数部分的结合(b+d)超过1时，像素2的整数部分(c)增加1。像素1和像素2的结合后的小数部分减1(对应于表达式b+d-1)现在代替了像素1的小数部分。当小数部分的结合(b+d)不超过1时，结合值(b+d)代替像素2先前的小数部分，而第一时段像素(像素1)的小数部分变为零。
使用此技术，当结合后的小数值b+d≥1时，第二时段像素值的小数部分变为零。在这种情况下，所有的误差扩散噪声(如果有的话)出现在第一时段中，以平衡由将第二时段像素的整数部分加1引起的第二时段中光强度的增加。当结合后的小数值不超过1(即b+d＜1)时，噪声保持与第二时段的关联，而这时没有与第一时段像素相关联的噪声。因此，由于在时段之间发生作为本发明的噪声降低过程结果的强度移位，场景内(即第一时段和第二时段内)的整体光保持大约相同。
简言之，根据本发明的实施例，提供了一种用于降低脉宽调制显示器中的噪声的方法，在所述显示器中，第一像素在第一时段期间出现，并且第二像素在第二时段期间出现。该方法开始于对一组输入像素值进行滤波，每个像素值指示相应像素的亮度，以使得在滤波之后，每个像素值具有整数和小数部分。每个第一时段像素被与至少一个第二时段像素一起编组，所述至少一个第二时段像素在空间上与所述第一时段像素相邻。将第一时段像素值的小数部分与所述至少一个被编组的第二像素的小数部分结合。根据像素值的小数结合来控制所述至少一个被编组的第二像素的亮度。
如果被编组的第一和第二时段像素值的结合后的小数部分的值至少等于1，则第二时段像素值的整数部分加一，并且其小数部分变为零。因此，所述至少一个第二时段像素的亮度增加。结合后的小数部分减去1的值现在成为第一时段像素的小数部分。当结合后的小数部分仍低于1时，结合后的值代替第二时段像素的小数部分，并且第一时段像素的小数部分变为零。
上述的噪声降低方法通过将噪声限制在一个时段中，有利地降低了可见噪声的发生率。当结合后的小数部分至少等于1时，第二时段像素没有噪声。噪声(如果有的话)变为与第一时段像素相关联。当结合后的小数部分不超过一时，噪声(如果有的话)变为与第二时段像素相关联，并且没有与第一时段像素相关联的噪声。
虽然上述方法将单个第二时段像素与第一时段像素一起编组，但可能进行其他编组。例如，可能在每个第一时段像素和多达四个空间上相邻的第二时段像素之间进行编组。如果在第二时段期间发生的强度增加被基本均等地扩散到所有空间上相邻的第二时段像素当中，则参照表I描述的像素值的结合和强度调整也适用于其他像素编组。
实践中，上述第一时段和第二时段按时间顺序彼此跟随。然而，并非必须如此。一般而言，术语“第一”和“第二”时段指两个在时间上相邻的时段，而没有特定的发生顺序。换言之，第二时段像素可以实际上在时间上首先出现，然后是第一时段像素。
上述噪声降低技术可以应用于非像素移位脉宽调制显示器。上述方法可以通过将一个图像帧中的至少一个像素与另一帧中相同位置的至少一个像素一起编组而实现噪声降低，而非按上述方式将一个帧内的第一时段像素和第二时段像素的小数部分相结合并将噪声强度限制在一个时段内。与相对于表I描述的类似，两个帧中编组像素的小数部分将被结合，然后进行两个帧之间的像素强度调整。因此，在这种情况下，光强度移位将发生在不同图像帧之间，而非单个帧中的不同时段之间。由于前一段落中的系统显示了过量的误差扩散噪声，因此需要一种方法来减缓之。此方法的一个实施例将会把场1的每个像素与正右方的场2中的像素配对，形成成对像素。在图1的框中示出了一个这样的对。
图4示出了用于实现本发明一个实施例的滤波器400的功能框图。在帧的第一场中，使用用于小数的场存储器(field memory)410，将小数去除并通过一个场延迟而发送。场1像素的整数部分被作为场1而显示。在场2的显示期间，加法器420将成对像素的场1小数与场2的整个像素相加。然后，所产生的信号通过误差扩散滤波器430并被显示。
使用此算法，被发送到误差扩散滤波器430的场1像素的小数被设置为0。这防止了误差扩散(如果在该场存在的话)变更任何场1显示的像素的整数值。因此，没有来源于场1的误差扩散噪声。
然后，使所有误差扩散噪声的产生进入到场2中。这样做的结果之一是当一对像素的小数之和等于1时，在该对的任一场中都不产生噪声。这与现有技术形成了对比。这表明，通过该配置而产生的误差扩散噪声始终小于或等于现有技术，有时小得多。
图5示出了采用帧间误差扩散处理的本发明的实施例。例如滤波器500的用于控制像素亮度的装置在4个帧(541，542，543，544)当中执行误差扩散。然而，本发明的其他实施例在至少2帧当中处理有创新的误差扩散技术。在所示出的实施例中，每相继的4帧被作为一个组来处理。没有组间处理。在组内，四个帧的小数由求和器501求和，以形成和S。S的小数由加法器503加到帧4的整数上，并通过误差扩散器550传递，以形成帧4(在544处指示)显示。由比较电路505对S进行测试，看它是否等于或超过1。如果是，则由加法器507向帧2的整数加1，并准备显示，以作为要显示的帧2显示(在542处指示)。由比较电路509对S进行测试，看它是否等于或超过2。如果是，则由加法器511向帧1的整数加1，并准备作为帧1显示(在541处指示)。由比较电路513对S进行测试，看它是否等于或超过3。如果是，则由加法器515向帧3的整数加1，并准备作为帧3显示(在543处指示)。
根据一个实施例，如果给定帧的显示未使用小数，则对该帧不产生噪声。对于一个参照图5所示实施例的示例，三个帧不产生噪声。第四帧具有误差扩散噪声，这是因为它是具有像素小数部分的仅有的帧。
以上提供了用于改善脉宽调制显示器的误差扩散的技术。

Claims (12)

1.一种用于降低显示器中的噪声的方法，在所述显示器中，在数字显示装置上显示相继的帧，所述相继的帧包含相应的相继的帧像素组，所述方法包括以下步骤：
对相继帧的像素进行滤波，以使得每个像素具有包括整数部分和小数部分的强度值，
将第一帧的至少一个像素与第二帧的至少一个像素一起编组，以使得所述第二帧的所述像素在空间上与所述第一帧的所述像素相邻；
将所述第一和第二帧像素强度值的小数部分结合；以及
根据所述被编组的第一和第二帧像素的结合后的小数部分来控制所述被编组的第一和第二帧像素的亮度。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：当所述结合后的小数部分至少等于1时，增加所述第二帧像素值的整数部分，以及将所述第二帧像素的小数部分设为零，同时用所述小数部分的结合减去1来代替所述第一帧像素的小数部分。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：当所述小数部分的结合不超过1时，保持所述第二帧像素值的整数部分不变，并用所述小数部分的结合来代替小数部分。
4.一种用于降低显示器中的噪声的方法，在所述显示器中，第一帧像素中的每一个在第一图像帧期间出现在特定位置中，并且第二帧像素中的每一个在第二图像帧期间出现在相应位置中，所述方法包括以下步骤：
对所述第一和第二帧像素进行滤波，以使得每个像素具有包括整数部分和小数部分的强度值，
将每个第一帧像素与至少一个第二帧像素一起编组，以使得所述至少一个被编组的第二帧像素与所述第一帧像素位于同一位置；
将第一和第二像素强度值的小数部分结合；以及
根据所述被编组的第一和第二帧像素的结合后的小数部分来控制所述被编组的第一和第二帧像素的亮度。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括以下步骤：当所述结合后的小数部分至少等于1时，增加所述第二时段像素值的整数部分，以及将所述第二时段像素的小数部分设为零，同时用所述小数部分的结合减去1来代替所述第一时段像素的小数部分。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括以下步骤：当所述小数部分的结合不超过1时，保持所述第二时段像素值的整数部分，并用所述小数部分的结合来代替所述第二时段像素值的小数部分。
7.一种用于降低显示器中的噪声的设备，在所述显示器中，第一帧像素在第一帧期间出现，并且第二帧像素在第二帧期间出现，所述设备包括以下装置：
用于对输入的第一和第二帧像素进行滤波，以使得每个像素具有包括整数部分和小数部分的强度值的装置，
用于将每个第一帧像素与至少一个第二帧像素一起编组，以使得所述至少一个被编组的第二帧像素在空间上与所述第一帧像素相邻的装置；
用于将所述第一和第二帧像素强度值的小数部分结合的装置；以及
用于根据所述被编组的第一和第二帧像素的结合后的小数部分来控制所述被编组的第一和第二帧像素的亮度的装置。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述结合装置：(a)当所述第一和第二帧像素值的小数部分的结合至少等于1时，增加所述第二帧像素值的整数部分，(b)用所述小数部分的结合减去1来代替所述第一帧像素的小数部分，以及(c)将所述第二帧像素的小数部分用零来代替。
9.根据权利要求7所述的设备，其中，当所述小数部分的结合不超过1时，所述结合装置保持所述第二帧像素值的整数部分，并用所述小数部分的结合来代替所述第二帧像素值的小数部分。
10.一种用于降低显示器中的噪声的设备，在所述显示器中，第一帧像素中的每一个在第一图像帧期间出现在特定位置中，并且第二帧像素中的每一个在第二图像帧期间出现在相应位置中，所述设备包括以下装置：
用于对所述第一和第二帧像素进行滤波，以使得每个像素具有包括整数部分和小数部分的强度值的装置，
用于将每个第一帧像素与至少一个第二帧像素一起编组，以使得所述至少一个被编组的第二帧像素与所述第一帧像素位于同一位置的装置；
用于将所述第一和第二像素强度值的小数部分结合的装置；以及
用于根据所述被编组的第一和第二帧像素的结合后的小数部分来控制所述被编组的第一和第二帧像素的亮度的装置。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述结合装置：(a)当所述第一和第二帧像素值的小数部分的结合至少等于1时，增加所述第二帧像素值的整数部分，(b)用所述小数部分的结合减去1来代替所述第一帧像素的小数部分，以及(c)将所述第二帧像素的小数部分用零来代替。
12.根据权利要求10所述的设备，其中，当所述小数部分的结合不超过1时，所述结合装置保持所述第二帧像素值的整数部分，并用所述小数部分的结合来代替所述第二帧像素值的小数部分。
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