JP4185129B2 - デジタルビデオデータをディスプレイするための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、空間光変調器を使用したディスプレイシステムに関し、より詳細には、かかるシステムのためのデータ処理に関する。

空間光変調器には多数の異なる形態のものがある。共通な形態の空間光変調器は、別々にアドレス指定可能な素子のアレイを有し、この素子の各々はディスプレイされる画像のうちの画素（ピクセル）を表示するようになっている。空間光変調器には、液晶ディスプレイデバイス（ＬＣＤ）と、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ、変形自在なミラーデバイスとしても知られている）の２つの例がある。

液晶デバイスは一般に透過性変調器として機能し、光がこのＬＣＤを通過するように光学システムが位置している。個々の素子は光をスクリーンに透過したりブロックしたりするように、除勢されたり、附勢されたりする。これら素子は、カラーも制御できる。ＤＭＤは反射性変調器であり、個々の素子がスクリーンに光を反射したり、またはスクリーンから光を外すよう移動できるように光学システムが設けられる。個々の素子は、ミラーを一方向または別方向に偏向させる信号を一般に受ける。ミラーが一方向に偏向すると、光はスクリーンに反射され、ミラーが別方向に偏向すると、光はスクリーンから外れるように移動される。

透過性または反射性のいずれかのこれら素子をオン、オフすることは容易であるので、これら二進データを使ってデジタル式に作動させることは簡単なことである。パルス幅変調の共通する形式からデジタル動作する上で１つの問題が生じる。カラーまたはカラーでない変化する光強度のレベル（グレイレベル）を得るため、各レベルをオンにする時間長さをデジタル式に制御する。例えば強度レベルが１６レベルある場合、各素子は４ビットのデータを受けることになる。二進の重み付けでは最高位ビット（ＭＳＢ）には、データをディスプレイするのに利用できる時間、例えばビデオフレーム時間のうちの１５分の８が与えられ、次のＭＳＢには１５分の４が与えられ、最小位ビット（ＬＳＢ）の前のビットには１５分の２が与えられ、ＬＳＢは１５分の１が与えられることとなる。

ブラックを含む、時間上でのこれらビットの種々の組み合わせにより、強度レベルは計１６種類となる。しかしながらこのようなアドレス指定により、画像内に視覚的なアーティファクトが生じ得る。例えば１フレーム内で、１つのピクセルが７の強度レベルを有する場合、このピクセルは３つの最小ビット（ビット０、１、２）をすべてオンにし、ＭＳＢ（ビット３）をオフにしなければならない。次のフレームではレベルは８であり、これは唯一のレベルであり、ビットのすべては強度を変えなければならない。先にオフであったＭＳＢはオンとなり、その他のオンになっていた３つのビットはすべてオフにしなければならない。各ビットがステートを変えるこの方法におけるこのような点は、ビット変換点と称す。このようなビット変換によりディスプレイ画像の明瞭性および解像度を悪くする画像内の視覚的アーティファクトが生じる。

従って良好な解像度のレベルを維持しながらこれらアーティファクトを防止する方法が望まれている。

ビット変換における視覚的アーティファクトを解消するために、非二進重み付けシステムを用いることが可能である。ビットはシステム条件に従って非二進状に重み付けされる。このような重み付けは論理回路にプログラムされる。受信データ、最も可能性のあるのはデジタル化されたビデオ信号または可能性のあるデジタルビデオ信号がこの回路を通過する際に、新しい非二進の重み付けに変換される。この新しい重み付けはデータをディスプレイする際に使用される。新しい重み付けは広範なビット変換をしないので、これら変換により生じた視覚的アーティファクトを解消または大幅に減少する。

本発明およびその更なる利点をより完全に理解できるよう、添付図面と共に下記の詳細な説明を参照する。

空間光変調器の一実施例は、セパレート素子のアレイから成り、これら素子の各々は別々にアドレス指定可能となっている。これら空間光変調器はデジタル式またはアナログ式のいずれかで作動できる。ディスプレイシステムでは、デジタル変調器が極めてポピュラーとなりつつある。これら別々にアドレス指定可能な素子は、一般に反射性または透過性のいずれかのアクティブエリア（ピクセルと称されることが多い）と、あるタイプの附勢回路から成る。この附勢回路はアクティブエリアをアクティブにする。例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）ではガラス片の片側にある電極が結晶材料を附勢し、この素子に受光された光をブロックしたり、ブロックしなかったりする。

これら素子のアドレス指定は複雑であり、いくつかの時間上の制約に問題があった。第１の制約は、データをロードするのに必要な最小時間があることである。個々の素子のアレイから成る空間光変調器に対しては、この制約の結果、いくつかの異なる実施例が生じ得る。アレイ全体にロードするには所定の時間がかかり、これは最小位ビット（ＬＳＢ）をディスプレイする時間となる。このような最小の値は、システムのビット数に応じて決まる。

第２の制約は、データの１つのビデオフレームをディスプレイするのに利用できる最大時間があることである。６０Ｈｚのシステムを使用する場合、フレーム時間は一般に６０分の１秒、すなわち１６．６７ミリ秒（ｍｓｅｃ）の１フレームとなる。これはモノカラーのシステムの場合である。カラーシステムは、空間光変調器を用いる種々の方法で作動する。１つの方法は、ある種のフィルタ、例えばカラーホイールと共に白色光源を使用し、カラーごとに１６．６７ｍｓｅｃの３分の１だけを利用する方法である。

別の方法は、フィルタごとに１つずつ設けられた変調器と共に、１つの白色光源と３つの別個のフィルタを用い、個々の素子を実際に赤、緑または青にカラー化するか、３つの別個の光源を用いる方法である。下記の説明では各変調器はディスプレイのための全フレーム時間を利用すると見なす。このような考えを１光源／３色システムに適用するには、パターンを３つ重ね、タイミングを調節するだけでよい。

８ビットシステムは２５５種類の強度レベルを有する。従ってＬＳＢは全フレーム時間（一般に１６．６７ｍｓｅｃ）の２５５分の１を有していなければならない。従って（１６．６７ｍｓｅｃ／２５５）すなわち６５．４マイクロ秒（１０^−６）の間に全アレイに対して、直接アドレスによりデータをロードしなければならない。これをサポートするためのデータレートは明らかに不可能なほど高い。すなわち入力ラインの数は不可能なほど多くなる。６４０個の入力ドライバ（列当たり１個）を備えた６４０行×４８０列の標準的解像度のアレイに対してさえも、データレートは（４８０ビット／６５．４マイクロ秒）すなわち７メガビット／秒となる。

このような不可能なほど多いデータレートを得られるようにするシステム変更も行われている。システムレジスタを使用し、かつデータをマルチプレックス化／デマルチプレックス化することにより、このレートを、より利用可能な値まで低下した。最近の技術革新の１つは、ブロックリセットおよびスプリットリセット方法を使用することである。

ブロックリセットでは、ＬＳＢ時間余計にかかるロード時間は、このＬＳＢ時間経過後にサブアレイをクリアすることにより、調整可能であって、このサブアレイが次のビット面データをロードしている間にこのサブアレイのピクセルをブラックアウト状態にすることができる。もしも、このブラックアウト状態が該ＬＳＢ時間と同じ時間であれば、そのロード時間は重複することになる。素子のサブアレイをブロックとしてリセットする。これにより、ロード時間をブラックアウト時間にまで延長し、バーストデータレートを減少することが可能となる。

一般的には、スプリットリセットＤＭＤシステムは、ＤＭＤアレイを多数のリセットグループに分割する。たとえば、１つのアレイは、それぞれ２５０００個のミラーを有する１６個のリセットグループに分割される。１つのメモリセルは、各リセットグループにある１つのミラーを制御し、２つのグループのミラーが同時に変更されることはない。パルス幅変調方式用いて、カラー強度を構成する場合、１つのビット位置からの１リセットグループの全ビットがメモリにロードされる場合には、そのリセットグループは、ロードされるビットに従って、変更されることになる。たとえば、８ビットパルス幅変調方式の場合、リセットグループの８番目の位置の全ビットが一度にロードされる。次に、このメモリには、別のリセットグループのパルス幅変調ビットがロードされ、このリセットグループはメモリロードに従い変更され、該サイクルは、１映像フレームの間に各リセットグループのパルス幅変調ビットがロードされ実行されるまで続く。

３つの方法のうちのいずれも、本発明の実施例を使用することができる。次の説明では、スプリットリセット方法を中心にして行うが、その理由は、この方法が空間光変調器アレイを作動する最も可能性のある方法であるからである。図１に二進解像度ビットを非二進の重みに変換するための回路１０が示されている。この回路はどのタイプのアレイのアドレス指定（上記のようなスプリットリセット、ブロックリセットまたはストレートアドレス指定のいずれであれ）に対しても使用できる。

カラービデオデータストリーム１２は、デガンマプロセスを受ける。陰極線管は非リニアな応答特性を有しているので、放送側でガンマ補正信号を加える。空間光変調器はリニアな応答特性を有しているので、この信号を除かなければならず、この除去をデガンマ回路１４を用いて行っている。入進信号が、仮定したリニア応答特性を有するデジタルビデオストリームである場合、デガンマプロセスは不要である。

デガンマ回路からのデータストリーム１６は、空間光変調器によるパルス幅変調方式よりも解像度が大きくなり得る。従って、調節により小さくする必要があり、これは強度拡散フィルタ１８によって行われる。この調節されたデータストリーム２０は、空間光変調器に対し補正された解像度を有するが、恐らくラスター化されたフォーマットである。ラスター化されたフォーマットは一般に、ライン状のデータを有するが、このようなデータはほとんどの空間光変調器にとって使用が困難である。

通常、空間光変調器のアレイは列アドレスドライバに沿ったデータを受けるので、これを行うにはデータを再フォーマット化する必要がある。ビット変換ロジック２２は列のためにデータを配列し、データをビット平面に記憶することによってこれを行っている。各ビット平面は所定の桁レベルに対するデータしか有していない。例えばビット平面０は、任意のピクセルのためのデータを有するが、任意のピクセルに対するＭＳＢしか有しておらず、その次にビット平面１等が続く。更にビット変換ロジックは二進ビットを適当に変換されたビットに変換し、これら変換ビットをビット平面に置く。このロジックはルックアップテーブル、プロセッサまたは他の多くのタイプの回路に組み込むことができる。

次にビット平面データ２４は、フレーム記憶装置２６、一般に、ある種のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）へ送られる。このフレーム記憶装置はビデオデータの所定のフレームに対するビット平面のすべてを記憶する。フレーム記憶装置は２つあることが多く、一方の記憶装置は空にされ、アレイ回路にデータが送られるが、他方の記憶装置は満杯の状態になっている。シーケンス制御プロセッサ３２はビット平面のシーケンスおよびそれらのタイミングを制御している。スプリットリセットの場合、このプロセッサは種々のリセットグループおよびそれらのデータに対する同期も制御する。

最後にビット平面データ２８は空間光変調器アレイ３４へ送られる。白色光源と共に１つの変調器アレイが設けられていてもよいが、この場合、シーケンス制御プロセッサはビット平面をカラーで制御することも行う。別の可能な方法は、３つの変調器を用い、１つのカラー光源と共に各変調器を用いる。それにもかかわらず、本発明を用いればアレイのための附勢回路に到達するデータは、変換された非二進データとなる。

システム条件は、どのタイプの変換を行うかを決定する。ある実施例ではメモリを増加することなく非二進ビットを記憶できるようにピクセル強度の解像度を減らしているが、第２の実施例では、強度解像度を同じに維持するが、より多数のメモリを使用する。これら双方の方法の利点は二進ビットの変換から生じる視覚的アーティファクトを解消できる点にある。

図２は、３２グレイレバルの５ビット二進システムをどのように８ビットの非二進システムに変換できるかを示すグラフの例を示している。図示した例では、ピクセルのアレイを１６のリセットグループに分割している。視覚的アーティファクトを除くには、各ビットの重み（またはビット平面）に対する時間を２つ以上の時間にスプリットし、これらをフレーム時間の中間点の両側に置くことが好ましい。１つのリセットグループに対するロード時間を１つの時間として用いることによりビット３に対して示された時間スライスは、各々１６の時間長さとなる。中心領域の両側には２つの時間があるので、ビット３は３２のビット重みを有する。

二進システムと異なり、各ビットは明確なビット重みを有するわけではない。図示した時間スライスから判るようにビット３、４、５、６のいずれも３２の同じビット重みを有する。ビット７は７２の総重みに対し２つの１６の時間スライスと２つの２０（１６期間＋４追加期間）の時間スライスを有する。７２は２の累乗ではないので明らかにこれは二進の重みシステムにはできない。

より下位のビットは、定義するには多少困難である。これら下位ビットはアレイにロードするのにかかる時間長さよりも短い時間を有するので、これらビットはスプリットリセットまたはブロックリセットを用いてセットしなければならない。ポイント４０はアレイの垂直長さとフレーム時間の双方の中間点にある。ビット０は異なる時間に２つの異なるサブアレイにロードしなければならない。このビットを同じ時間に２つの異なるサブアレイへロードした場合、ビット０に利用できる最小値は１６となる。この値はアレイの半分にロードされるので、最小時間８でロードできる。時間およびアレイの中心の回りに対称的にロードされる。

ビット１および２は、ビット１によって生じた非対称性を均等にするよう使用しなければならない。ビット１は重み１６を有し、フレームを満たすように２つの部分に分割される。ビット２は重み２４を有するが、非対称性を均等にするため、ビット０＋ビット１、すなわち１６＋８に等しい長さを有していなければならない。ビットディスプレイプロセスの総時間は、フレーム時間を満たさなければならず、このフレーム時間はここでは１６．６７ｍｓｅｃと見なしている。このような非二進例はグレイレベル０−３１を示すのに８つのメモリビットを使用しており、ここで二進コードは５しか使用しない。グレイレベルが変化（ビット変化）する際の光パターンの変化を最小にするビットコードを発生するのに、エクストラビットを使用する。例えばビット３、４、５、６はすべて３２の時間長さであり、相互に交換可能に使用できるが、６を越えるすべてのレベルに対しビット３を用い、１０を越えるすべてのレベルに対しビット４を用いれば、光パターンの広がりはグレイレベルが大きくなるにつれてかなりスムーズになる。

図２の底部における結果を示すグラフは、フレーム期間にわたるグレイレベルを示す。表１は、図２から得られる３２グレイレベルでの値を示し、隣接１５−１６グレイレベル間では、３ビットのみの値が変更されており、１５−１６の２進表示では全５ビットが変更されている。標準的な８ビット受信パターンを示す図３のグラフと比較すると、非二進方法によって生じる差異が判る。図３のグラフは８ビットスプリットリセットパターンに対するもので、このパターンでは図２のグラフにおけるビット０−２と同じように、ビット０−４をコンパクトにしている。

たとえば、９６−１２７レベルの値を有する第１ピクセルから、１２８−１５９レベルの値を有する第２ピクセルへの遷移を考えると、各高ビット５−７への遷移があり、もしも第１ピクセルの中でビット５が高であれば、第２ピクセルのビット５は低であり、もしも第１ピクセルの中でビット６が高であれば、第２ピクセルのビット６は低である。これは、第３図の１２８と９６の間の境界を考えても明瞭である。もしも、値１２７と１２９のピクセルが、１つの映像の中で隣接していれば、全ビット位置が反対の値となる。他方、隣接する値の間の遷移は、１２８と９６の間の遷移ほど明瞭とはならない。しかし、図２において、隣接ビット間では高位のビットの値が著しく変わることは無い。たとえば、値１２７と１２８の間の遷移では(５ビットワードでは１５と１６)、ただ１つの高位のビット(ビット５)及び２つの低位のビット(ビット１−２)が変化する。

図４及び表３は、ビット変換の別の例を示す。この実施例では、６つの二進ビットを８個の非二進ビットに変換し、６４種類のグレイレベルを得ている。またグレイレベル（ビット変化）に対する光パターンの変化を最小にするように、ビットの重み、次数およびコーディングが選択されている。

この方法では視覚的アーティファクトを減少するため、強度レベルに関して妥協が行われている。本例ではビット重みは次の通りである。ビット０（ＬＳＢ）＝４； ビット１＝８； ビット２＝１６； ビット３−４＝３２； ビット５−６＝３６；およびビット７（ＭＳＢ）＝８８である。フレーム時間内にビットをどのように配列するかは、極めて複雑なプロセスであり、グループ間の競合をなくし、小さいグレイレベル変化で光パターンの変化をスムーズにするように、ビットのローディング条件を妥協させている。隣接グレイレベルビットの間では、ビット値の変化は非常に小さいのである。

図５および６には、視覚的アーティファクトを解消するように、非二進状にビットパターンを調節する別の方法が示されている。これら実施例ではより少数のビットを変換するのにより多くのビットを使用している。例えば８ビットを変換するのに１２ビットを用いている。このような別の方法により同じ解像度が得られるが、４つの付加的ビット平面を記憶しなければならないので、より多数のメモリを追加しなければならない。

図５及び表４は、ほぼ対称的にフレームの中間点を中心にしてビットを配列する上記方法を示す。ビット０−４に対してはビットの重みは図２の二進の例と同じであるが、ビット５−１１はすべて３２に重み付けされる。これによって８ビットに必要な総計２５５が得られる。

図６及び表５では８を変換するのに再び１２ビットを用いるが、フレームの中間点よりも多くのビットを使用する。本例ではこの中間点はコンパクトにされたビット０−４に対して用いられ、ビット６を連続ディスプレイするのに４分フレーム点を使用する。これら４分フレーム点とは、フレーム時間を通る時間１／４および３／４の点である。この結果、ページの底部に示したグラフが得られ、このグラフではフレーム時間内に有効な３つの輝度ピークがある。この方法はシステムパラメータ、例えば処理速度、ピン数（データレートとなる）、ランプ輝度等に応じて、あるシステムに対してはより良好となり得る。

上述のごとく、隣接グレイレベルビットの間で起きるビット遷移の数は、２進重み表示から非常に減少しているのである。要約すれば、パルス幅変調から生じる視覚的アーティファクトを除くための２つの方法を利用できる。１つの方法では解像度のレベルの数を若干減少し、他方の方法ではメモリ数を減少している。いずれの方法もシステムリソースに対するドレインが比較的少ないデジタルディスプレイシステムから生じる視覚的アーティファクトを解消できるという利点を有する。更に双方の方法は、フレキシビリティも考慮しており、いくつかの異なるシステムコンフィギュレーションに対しても調節可能である。

従ってデジタルディスプレイシステムにおける視覚的アーティファクトを減少する方法の特定の実施例を参照して説明したが、かかる特定の引用は次の請求の範囲に記載したものを除き、本発明の範囲を制限するものではない。

以上の説明に関して、更に以下の項を開示する。
（１）デジタルビデオデータをディスプレイするための改良された方法であって、
ａ．前記データの１つのフレームに利用できる時間を決定し、
ｂ．前記データのビットを二進の重み付けされたビット平面に配列し、
ｃ．グレイレベルの変化により最小数の光パターンの変化が生じるように、前記二進の重み付けされたビット平面を非二進の重み付けされたビット平面に変換し、
ｄ．前記ビット平面の重みに比例した時間の間で、所定の非二進ビット平面に対するデータをディスプレイするように空間光変調器の附勢回路へ前記非二進ビット平面を送信することを備えた、デジタルビデオデータをディスプレイする方法。
（２）時間内の光は前記利用可能な時間内の少なくとも１つの所定の点から対称的に広がる、第１項記載の方法。
（３）前記少なくとも１つの所定の点は、前記フレーム時間の中間点である、第２項記載の方法。
（４）前記少なくとも１つの所定の点は、４分割フレーム時間を含む、第２項記載の方法。

（５）空間光変調器を使用したビデオデータの改善されたディスプレイのためのシステムであって、
ａ．前記空間光変調器のピクセル当たりの所定のデジタルビットに一致するよう、受信データストリーム内のピクセル当たりのデジタルビット数を調節するための強度拡散フィルタと、
ｂ．ピクセル当たりの前記デジタルビットの二進の重みを非二進の重みに変換するビット変換器と、
ｃ．ビット平面内に前記非二進の重み付けされたデジタルビットを記憶するためのフレーム記憶装置と、
ｄ．二進ビットの変化から生じる視覚的アーティファクトを除くように、前記空間光変調器の附勢回路へ前記非二進ビット平面を送信するシーケンスを制御するためのシーケンス制御プロセッサとを備えた、ビデオデータの改善されたディスプレイ用システム。

（６）デジタルビデオデータの改善されたディスプレイのための方法およびシステムである。ピクセル当たりの各ビットの二進重みに従ってデータをビット平面に配列する。次にビット変換回路２２によりこれらビット平面を非二進の重み付けされたビット平面に変換する。空間光変調器アレイ３０の附勢回路にこれら非二進ビット回路を送信し、ビデオフレーム時間内の少なくとも１つの所定の点を中心とする対称的な時間で各非二進ビットをディスプレイし、二進パルス幅変調に関連した視覚的なアーティファクトを除く。

二進のビット重みから非二進のビット重みに変換するための回路例の略図である。 ８個の非二進の重み付けされたビットに変換された二進の５ビットのグラフを示す。 標準的な二進の８ビットフレーム時間およびその結果得られるパターンを示す。 非二進の重み付けされた８ビットに変換された二進の６ビットの例を示すグラフである。 非二進の重み付けされた１２ビットに変換された二進の８ビットの例を示すグラフである。 非二進の重み付けされた１２ビットに変換された二進の８ビットの例を示す別のグラフである。

符号の説明

１４ デガンマ回路
１８ 強度拡散フィルタ
２２ ビット変換ロジック
２６ フレームＲＡＭ
３０ ＳＬＭ
３２ シーケンス制御プロセッサ

Claims (2)

1. デジタルビデオデータをディスプレイするための改良された方法であって、
   ａ．二進ビット位置で表すｎビット二進表現のピクセル強度値を与えるステップにおいて、前記ｎビットの各位置は、２ ^ｎ のピクセル強度値がｎビットの数値で表されるように２の倍数で表現されている前記強度値を与えるステップと、
   ｂ．ｍがゼロより大きい値であって、前記強度値をｎ＋ｍ個のビット位置を有する表現に変換するステップにおいて、各ビット位置は、ビット平面内のピクセルであって、２ ^ｎ＋ｍ のうちの２ ^ｎ 個の組み合わせが２ ^ｎ 個の強度値を表し、該２ ^ｎ 個の組み合わせが、連続するピクセル強度値の間を遷移するビット位置の数を最小にするように選ぶ前記変換ステップと、
   ｃ．空間光変調器の対応するピクセル素子に、ビット値を送信し、それぞれのビット値が前記空間光変調器の前記対応する素子の状態を制御して前記ビット平面に対する光強度を得るステップと、を有することを特徴とする前記方法。
2. 個々に制御可能なピクセル素子を有する空間光変調器を使用しデジタルビデオデータをディスプレイするための改良されたシステムであって、
   ａ．二進ビット位置で表すｎビット二進表現のピクセル強度値を与える強度値回路であって、前記ｎビットの各位置は、２ ^ｎ のピクセル強度値がｎビットの数値で表されるように２の倍数で表現されている前記強度値回路と、
   ｂ．ｍがゼロより大きい値であって、前記強度値をｎ＋ｍ個のビット位置を有する表現に変換する変換回路において、各ビット位置は、ビット平面内のピクセルであって、２ ^ｎ＋ｍ のうちの２ ^ｎ 個の組み合わせが２ ^ｎ 個の強度値を表し、該２ ^ｎ 個の組み合わせが、連続するピクセル強度値の間を遷移するビット位置の数を最小にするように選ぶ前記変換回路と、
   ｃ．空間光変調器の対応するピクセル素子にビット平面のビット値を受信し、対応するビット値に応じて前記空間光変調器の前記ピクセル素子の状態を制御して前記ビット平面に対する光強度を得る空間変調回路と、を有することを特徴とする前記システム。

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