JP4612952B2 - グレイスケール画像表示のための複数デジタル・ビットプレーンの高速読出し - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は複数レベル、例えば、グレイスケールでの画像形成方法に関する。この方法は、表示装置又は光変調器が与えることのできる瞬間的な強度分布は本来２進値的ではあるが、この瞬間的な２進値的な強度レベルを時間平均したものが実効的に多様な強度レベルとして見えるという原理に基づいている。表示を目的とした場合、目で平均化が行われ、好ましくは、いかなるちらつきも避けるためには、瞬間的な強度分布の変化は、十分に速くなければならいことを上記原理は意味している。
【０００２】
本発明の信号処理方法は、個別にアドレス指定可能なセルの配列を含み、そして、２進値画像を発生可能ないずれの空間的光変調器と共に用いることができ、２進値画像は、例えば、変調された光ビームの走査により発生される。ここで用いられる用語「２進値空間光変調器」は、それが表示又はその他の目的で、例えば光学システム中の情報記憶及びさまざまな部品（例えば、レンズ、フイルタ、回折格子）に使用されるかどうかにかかわらず、全てのこのような装置を含むものとして意図される。
【０００４】
さらに、ここで用語「グレイスケール」は、複数レベルの分布を示すものとして使用されるが、この言葉は白を含むどんな色にも関連して使用されることを明確にする必要がある。更に、本発明及び本発明の実施の形態の方法、配列、バックプレーン、及び回路等は、白を含む単一の色に関連して説明される（モノクローム画像）。しかしながら、様々な色の画像又は表示等を、単一の配列を空間的に異なる色ピクセルに副分割することにより、異なる色の付いたモノクローム配列からの表示を例えば投射により重ね合せることにより、又は例えば赤、緑、及び青の画像を順次投射する時間的マルチプレキシングなど、既知の方法で発生できる。
【０００５】
複数強度効果を達成するための時間的変化による２進値変調は知られていて、複数ビットプレーンを使用することにより遂行することができる。このような方式では、配列のピクセルに割当てられたグレイスケール値に対応する振幅のデジタル値の配列が、複数のビットプレーンに分解される。この複数のビットプレーンによる技術は、上記で定義されたどんな２進値空間光変調器と共に使用できる。
【０００６】
ｎレベルのデジタル化グレイスケール画像を、等しい持続期間の複数の画像面、即ちビットプレーン、例えば２進値プレーン（以下参照）に分解することが可能である。しかしながら、重み付けビットプレーン技術として知られている好ましい形式では、ビットプレーンの持続期間が重み付けられて、各ビットプレーンは２進デジタル値の１つの桁の値（指数部）を表す。この重み付けビットプレーン技術は画像を合成するために記憶される必要のあるビットプレーンの数を減少し、そしてアドレス要求をいくぶん減少できる。
【０００７】
ある場合においては、２進値以外のデジタル・ベースを使用することは可能であるが、各ビットプレーンが２進値ではなく、従って、容易に記憶できない点で、事柄を複雑にする。さらに、このような２進値ではないビットプレーンの各位置が、複数の非ゼロ値を有する場合は、ビットプレーンを横断しての非ゼロ値の変化を各ピクセルの動作の持続期間から考慮する必要がある（非２進値プレーンを２つ又はそれ以上の２進値プレーンにさらに分解することが必要となるかもしれない）。以下の議論は２進値重み付けに限られる。しかし、このような文脈で説明された原理は当業者にとり、もし必要又は所望ならば、他の進法についても十分に推定可能である。
【０００８】
デジタル値が、各ビットプレーンがデジタル１及びデジタル０の配列であるように、２進値である場合には、デジタル化されたグレイスケール画像に等価な時間平均された画像を作るためには、各ビットプレーンをその２進値重み付けに比例した全期間の間、表示するだけでよい。
【０００９】
各ビットプレーンをグレイスケール画像に貢献するのに必要な全持続期間の間、１回表示することが、それが可能ならば、好都合である。しかし、もし全てのビットプレーンを表示するのに使用される全時間に対して各ビットプレーンを表示するのに使用される全時間がその２進値重み付けに比例すらならば、必ずしも順次的である必要はなく、複数回にわたって、１つ又は複数のビットプレーンを表示することも可能である。
【００１０】
グレイスケール画像のための異なるビットプレーンは、コンピュータ内に２進値列として記憶でき、そして１度に１つ所望の順序で読み出されて、その後に、画像が繰返される必要がなければ破棄される。コンピュータの技術では、ビットプレーンをそれらが記憶された順番で読み出すことが最も容易である。何故ならば、記憶される必要のあるアドレスが最初に記憶されたビットプレーンの開始アドレスのみであり、全てのビットプレーンを各ビットプレーンについて順次、データ・ビットの所定数を１度に１つクロック出力することにより単純に読み出されるからである。
【００１１】
特に、ビットプレーンが実時間で作成されている場合、ビットプレーンにより読み出されたビットプレーンを次の画像に直ちに置き換えることが可能である。しかし、他の状況下では、これは困難であり、連続する画像のためのビットプレーンの組は普通はどこかに記憶される。ある場合には、２つのビットプレーンのみを記憶し、一方が書き込まれている時に、他方が読み出され、一方が読み出されている時に、他方が書き込まれることができる。
【００１２】
所望の画像標準の変換、例えば、ライン順次からインターレースへの変換のために読出し及び／書込みプロセスを制御することもできる。
【００１３】
メモリから各ビットプレーンが読み出される時又はその後に、例えば以下に説明される単一パス方式を利用して、書込まれ、そして意図したグレイスケール画像を眼が合成するようにその重み付けに対応した期間の間、表示される。単一パス方式は、第２パスも、関連する前部電極のスイッチングも及びブランキング・パルスも必要性としなく、前のビットプレーンに単に上書きするだけなので好ましい。一連の有効画像間の損失時間が回避されると連続した照明が可能になり、ビットプレーンの正確に重み付けられた期間をより簡単に与えることができる。
【００１４】
このような単一パス方式において、各ピクセルはそれが表すグレイスケールのレベルに従い一連の電圧パルスを受ける（グレイスケール・レベルを表す数値のように、そして普通は、その順序ではあるが、その必然性はない）。グレイスケール内には、使用された重み付けに起因して、電圧が加えられるよりもより多くのレベルが存在し、これは配列を現実に駆動するのに使用される時間を減少するから有利である。加えられる電圧の各々は前の電圧と比較して同じ又は反対の極性であり、ビットプレーンの数に等しい（極性を無視して）同じ数の電圧パルスが画像を合成するために各ピクセルに加えられる。
【００１５】
例えば、２進値重み付けを持った６４レベル・グレイスケールにおいて、２ⁿｔの相対的持続期間を有する６ビットプレーンが存在する。ここで、ｎは０から５までの範囲である。そして、各ピクセルは対応する６けた２進数により表される。
【００１６】
しかし、代替的に、以下の二重パス方式が、複数又は重み付けられたビットプレーン方式に使用することが可能である。
【００１７】
ｄｃバランスを達成するため、各２進値ビットプレーンをそれ自身がｄｃバランスを生成するどんな２進値画像形成方法により生成することが可能である。このことは、例えば、選択されたピクセルのみの選択的活性化（＋Ｖ）及び駆動型消去化(−Ｖ)によって、空白画像から始めて、２進値画像を書込み、表示し、及び消去することにより可能である。
【００１８】
しかし、このような方式の全て又はほとんど全てにおいて、２進値画像の現実の持続期間はそれに割当てられた時間に直接比例しない。これは、例えば、介在する消去化ステップ等がビットプレーンの２進値性質に、そしてこの結果、認識されるグレイスケール値に、ある程度の歪を導くからである。これは所望ならば補償することができるが、追加の複雑さをもたらす。
【００１９】
最近、共通の前電極とアクティブ半導体バックプレーンとの間に配置されたスメクチック液晶相の形式の新規な空間光変調器が開発されている。これは、高速で、可能ならば、表示装置のみならず相関関係及びホログラフイック・スイッチングのような光学処理の他の形式の潜在的な応用を持つ比較的に多数のピクセル数（３２０ｘ２４０から６４０ｘ４８０まで）を含む低コストの空間光変調器の必要性に応じて開発された。それが駆動される態様、及び加えられる電圧値に依存して、変調器は少なくとも１０ＭＨｚのライン速度及び１５乃至２０ｋＨｚまでのフレーム速度で駆動でき、１秒当り約１乃至１．５Ｇピクセルのデータ入力を必要とする。典型的に、ピクセル・アドレス時間は約１００ナノ秒であるけれど、ピクセルは光学状態を切換えるために実際には約１乃至５マイクロ秒がかかる。そして、全体フレームの書込み時間は２４マイクロ秒の程度であるが、フレームからフレームへの書き込み期間は約８０マイクロ秒である。
【００２０】
空間光変調器は、単一パス方式に従い駆動できる。単一パス方式では、前電極はバックプレーン（背面回路基板）・ピクセルに対してＶ／２の電位に置かれ、バックプレーン・ピクセルはゼロ・ボルト又はＶボルトに切換えられる。
【００２１】
代替的に、二重パス方式により駆動できる。二重パス方式では、１回目のパスでは、前電極がゼロ電位に置かれ、選択されたピクセルがバックプレーン配列のピクセル要素のスイッチングによりＶボルトへＯＮされ、そして２回目のパスでは、前電極はＶボルトに置かれて、そして選択されたピクセルが配列の要素のスイッチングによりゼロ・ボルトにＯＦＦされる。スイッチされるプロセスにないピクセルについては、バックプレーンの要素は前電極の電圧に追従する。これらの間に同じ電位差を維持するため、前電極の電圧がゼロとＶボルトの間を変化する時は、配列の全てのバックプレーン・ピクセル要素における電圧は同時的にスイッチされる。
【００２３】
上記空間光変調器は理想的には上述のビットプレーン技術の使用に適している。しかし、本発明は液晶変調器に限定されるものではなく、上述したどんな空間光変調器にも応用できる。
【００２４】
特に、液晶ディスプレイと変調器を動作する時に発生する１つの問題は、個別のピクセルにおけるｄｃバランスの維持の問題である。本出願と一緒に出願された我々の同時係属国際特許出願（ＰＣＴ／ＧＢ９９／０４２６０，参照：Ｐ２０９６３ＷＯ）は上述した重み付けビットプレーン技術に関する。これは少なくともいくつかのビットプレーンが修正され、そして重み付けされたビットプレーン技術を使用したグレイスケール画像形成方法に関する。ここにおいて、ｎけた２進数が２進値ピクセルの配列中の各ピクセル位置の意図されたグレイ・レベルを表し、そして少なくとも１つの前記２進数で１と０の数が等しくない。前記方法は、１及び０の不等さを減少するように数を近い隣接値に変えるステップを含む。その方法は特に、表示目的のために効果的なグレイスケール強度分布を発生することに関連するが、これに限定されない。ここで、２進値画像の効果的持続期間（長さ及び／又は繰返し数）は、例えば見る者にとってその時間的積分がグレイスケール画像を与えるようなものである。これは特に液晶空間光変調器への応用が見出されるが、これに限定されるものではなく、各ピクセルにおいてｄｃバランスが得られると、又は少なくともｄｃバランスに近付くことを可能にする。
【００２５】
上記出願で動作される重み付けされたビットプレーン方法は、最も長いビットプレーンの持続期間中に液晶ピクセルの緩和現象が無視できることを必要とする。そしてこのことは常に可能であることではない。ビットプレーンはビットプレーン期間中にリフレッシュできる。しかし、ｄｃバランスが犠牲になる。
【００２６】
基本的に、リフレッシュ・ステップは、ビットプレーンの開始時に加えられた同じ電圧の印加を繰返して、ピクセルのスイッチされた状態を回復する。リフレッシュ書込みステージが含まれる時、２ⁿグレイスケールが２進値画像の２ⁿフレーム書込みを含むように、ｎ乗の２進値で重み付けされたビットプレーンは、最初の書き込みに続いて（２ⁿ−１）回、リフレッシュされる必要さえある。
【００２７】
リフレッシュ方式において、ビットプレーンはその持続期間に依存して、２回以上読み出される。従って、ビットプレーンをその最後の読出しを受けるまでそれを破棄することはできない。さらに、もし、各ビットプレーンが次のビットプレーンに進む前に必要な回数、繰り返し読み出されると、２つのビットプレーンの開始アドレスを記憶する必要がある。
【００２８】
例えば、それぞれ相対的持続期間４ｔ、２ｔ及びｔの３つのビットプレーンＡ、Ｂ及びＣの単純な場合を考えると、これらをＡＡＡＡＢＢＣの順で読み出すことが可能である。しかし、これは正しい順次でリフレッシュ読出しが達成されるために、読出しが１回のみのプレーンＣを別として、各ビットプレーンの開始アドレスを記憶する必要がある。
ヨーロッパ特許出願０７６２３７５は、ビットプレーンがそれらの重み付けに従って複数回繰返される方法を説明しているが、より高い重み付けされたビットプレーンの発生は表示（フレーム）期間中にわたって分布されている。ビットプレーンの順番は、以下に説明され本発明において起こるように、より低く重み付けられたビットプレーンが常に次のより高いビットプレーンに先立たれるようなものではない。
【００２９】
これに加えて、そしておそらくより重要なことは、例えば、表示時間が長い又は緩和時間が速い場合、新しい画像に進む前に、全体のグレイスケール画像を書き直す必要がある場合がある。このような場合、次に使用されるべきビットプレーンの開始アドレスを記憶する必要のみならず、全体順序の第１ビットプレーンの開始アドレスもその画像情報がもはや必要でなくなるまで記憶する必要がある。
【００３０】
このような場合のある改良された読出し方法は、複数の開始アドレスの記憶を回避することを可能にする。好ましい実施の形態の空間光変調器を使用する時の画像の高速読出おいては、この明かに小さなステップはコンピュータ処理において重要で且つ有利である。
【００３１】
本発明は、ピクセル化された複数レベル画像を定義する信号がメモリ内の第１の複数の２進値列により定義され、これら２進値列がそれぞれの重み付けと関連付けされていて、且つピクセルのデジタル化された強度分布に各々が対応するそれぞれのビットプレーンを定義し、前記複数の全てのビットプレーン上の重み付けられたピクセルの強度分布が前記複数レベル画像に対応している、画像信号処理方法において、
メモリ内の順番の位置に、重み付けの減少する順番で、前記２進値列の内の少なくとも最高の重み付けに関連付けられた第２の複数の２進値列が記憶されていて、そしてこの方法は記憶された複数の２進値列から一連の読出しサイクルを達成するステップを含み、各読出しサイクルは、最高の重み付けの２進値列から開始し、記憶された順番で記憶された１つ又は複数の２進値列を読み出すことからなり、読出しサイクル中に読み出される２進値列の数は、前記一連の読出しサイクルの終わりにおいて、前記第２の複数の各２進値列がその関連した重み付けに比例した回数読み出されるように、変更されることを特徴とする方法を提供する。
【００３２】
好ましくは、複数レベル画像は複数強度画像である。
前記一連の読出しサイクルは、例えば、上記したように表示時間が長いか又は緩和が高速の時、繰返される。
【００３３】
本発明の方法の１つの形式では、第１の複数の２進列の全ては、重み付けの減少する順番で前記メモリ内に順番の位置に記憶される。この場合、一連の読出しサイクルは、第１の複数の２進値列の各々がその重み付けに比例した回数だけ読み出されるようなものである。
【００３４】
本発明は、本発明による信号の処理方法が実行され、そして第１の複数の２進値列の各々がそのビットプレーンとして、一連の読出しサイクルの間に、それが読み出される度に、実質的に同じ期間表示される、画像形成方法に拡張される。
【００３５】
本発明による信号処理方法の別の形式において、前記第２の複数の２進値列に加えて、より低い重み付けを持った少なくとも１つの２進値列が存在して、これが、一連の読出しサイクルの際に１度、読み出される。この場合、本発明はまた、第１の複数の２進値列の各々が一連の読出しサイクルの間にそれが読み出される度に、実質的に同じ期間、そのビットプレーンとして表示され、そしてより低い重み付けを持った前記少なくとも１つの２進値列が、それが読出される時、その２進値列が、前記第２の複数の２進値列の最も低次の２進値列の重み付けに対してその重みが比例し且つ前記期間よりも短い持続期間そのビットプレーンとして表示されるような、信号処理方法を実行することにより、画像形成する方法に拡張できる。
好ましい画像形成方法において、ビットプレーンは、ピクセル化された液晶表示装置上に表示される。小さなａｃ電位差が、ビットプレーンが書き込まれていない期間中に、液晶ディスプレイのピクセルに加えられても良い。
【００３６】
このように、本発明は、第２の複数のビットプレーン又は全てのビットプレーンが、重み付けが減少する順番で、メモリ内の順番の位置に２進値列として記憶されることを必要とする。最高に重み付けされたプレーンから開始して、順番に、記憶されたビットプレーンからサイクル的に読み出すことにより、しかし、各サイクルにおいては実際に読み出されるプレーンの数は変化させることにより、各ビットプレーンはその重み付けに等しく又は比例して複数回、読み出されることができる。第２の複数のビットプレーンに加えて、より低い重み付けのプレーンが存在する場合、これは第１の複数のビットプレーンの最低次のビットプレーンよりも短い存続期間の間、１度、読み出される。これは、第２の複数のビットプレーンの読出し中の期間を含む何時でも行なうことができる。しかし、好ましくは、第２の複数のビットプレーンの全体の読出しの前又は後に実行される。
【００３７】
すなわち、本発明の方法によれば、上記の例で説明した３つのビットプレーン画像は、読出しパスＡＢＣ（１回）、ＡＢ（１回）、及びＡ（２回）でもって読み出され、これは組合せられた時、例えば所望の全体順番、ＡＢＣＡＢＡＡ又はＡＢＣＡＡＡＢ又はＡＢＡＡＡＢＣを与えることができる。各読出しパスは同じ場所で開始し、カウンタにより決定されるアドレスに続くため、開始アドレスのみが記憶される必要がある。
【００３８】
あるグレイスケール及びリフレッシュ方式では、自動的にｄｃバランスを与えるが、これをしない方式の別のオプションでは、例えば、画像を書きそしてそれらを緩和させる間に、ｄｃ不均衡を蓄積することを可能にして、不均衡を計算し（例えば、付随するコンピュータ・シミュレーション内で）、そしてゼロ平均ｄｃを与えるような大きさと持続期間の局所ｄｃ電圧をピクセルに加える。
【００３９】
以上の説明は、アドレス指定可能な配列を含んだ液晶セルについてされたが、本発明の方法はどんな２進値空間光変調器についても使用することができることが理解される。画像形成装置が液晶装置である場合、グレイスケール画像を合成するために使用される２進値画像の延長は、連続する２進値画像間にａｃフィールドを加える既知の方法により達成できる。

Claims (6)

1. ピクセル化された複数レベル画像を定義する信号が、メモリ内の複数の２進値列により定義され、前記２進値列の各々が前記それぞれの重み付けに関連付けされていて、そして前記２進値列の各々がデジタル化されたピクセル的強度分布に各々が対応するそれぞれのビットプレーンを定義し、複数のビットプレーンの全てにわたって重み付けられたピクセル的強度分布が、前記複数レベル画像に対応している、画像信号処理方法において、
   前記複数の２進値列が、メモリ内の順番の位置に、重み付けの減少する順番で、記憶されていて、そしてこの方法は記憶された複数の２進値列から一連の読出しサイクルを達成するステップを含み、各読出しサイクルは、最高の重み付けに関連する２進値列から開始し、記憶された順番で記憶された１つ又は複数の２進値列を読み出すことからなり、読出しサイクル中に読み出される２進値列の数は、各２進値列がその関連した重み付けに比例した回数読み出されるように、変更されることを特徴とする画像信号処理方法。
2. 前記複数レベル画像が、複数強度画像である請求項１に記載の画像信号処理方法。
3. 前記一連の読出しサイクルが繰返される請求項１又は請求項２に記載の画像信号処理方法。
4. 請求項１に記載による方法を実行するステップ、及び各２進値列を、一連の読出しサイクルの間、それが読み出される度に、実質的に同じ期間の間、そのビットプレーンとして表示するステップを含む画像信号処理方法。
5. ビットプレーンが、ピクセル化された液晶表示装置上に表示される請求項４に記載の画像信号処理方法。
6. 小さなａｃ電位差が、ビットプレーンが書き込まれていない期間中に、表示装置のピクセルに加えられる請求項５に記載の画像信号処理方法。