KR100529484B1 - 비디오 영상의 화소 디스플레이에 의해 야기된 시각적 아티팩트들을 최소화하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화소들의 어레이로서 영상의 디스플레이 또는 투사에 유도된 시각적 아티팩트의 발생 및 문제를 감소시킨다. 화소들의 어레이로서 영상의 디스플레이 또는 투사는 실질적으로 샘플링 처리이며, 전치 및 후치 필터링이 에일리어싱을 피하고 영상을 적절히 재구성하기 위해 적용되어야 한다. 샘플링은 영상을 형성하는 화소의 디스플레이/투사에 의해 수행되기 때문에, 전치 필터링은 비디오 신호가 화소들로 형성되기 전에 비디오 신호에 적용되어야 하며, 후치 필터링은 화소가 형성된 후에 광학적으로 적용되어야 한다. 전치 필터링 처리는 디스플레이 또는 후치 필터링 처리의 비균일한 특성을 보상할 수 있다.

Description

비디오 영상의 화소 디스플레이에 의해 야기된 시각적 아티팩트들을 최소화하는 방법 및 장치{Minimizing visual artifacts caused by the pixel display of a video image}

본 발명은 화소들의 세트로서 영상을 디스플레이하거나 투사하는 것에 의해 생성된 시각적 아티팩트들(visual artifacts)을 최소화하도록 비디오 디스플레이 또는 투사 장치 내의 비디오 신호를 필터링하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 화소 기반 디스플레이 또는 투사 장치를 위해 비디오 신호들을 전치 필터링(prefiltering)하고, 디스플레이 또는 투사 장치에 의해 생성된 영상을 광학적으로 후치 필터링(postfiltering)하는 것에 관한 것이다. 화소 기반 디스플레이 또는 투사 장치는 불연속 화상 요소들(discrete picture elements) 또는 화소들의 어레이로서 존재한다. 이러한 디스플레이들 및 투사들은 현재 컬러 텔레비전, 컴퓨터 장치들 및 LCD 디스플레이들에 사용되고 있으며, 평판 스크린들과 고해상 텔레비전(HDTV)이 점점 널리 보급됨에 따라, 그 사용도 계속 증가할 것이다.

종래의 텔레비전 비디오 영상들은 스크린을 수평으로 가로질러 전자 빔을 스위핑(sweeping)하고, 그 다음 상기 빔을 수직으로 이동시켜, 다시 스크린을 수평으로 가로질러 상기 빔을 스위핑함으로써 생성된다. 이 수평 스위핑 중, 상기 빔은 수직 라인을 가로질러 디스플레이될 비디오 영상에 대응하는 영상을 생성하기 위하여 적절히 변조된다. 영상을 투사하는데 유사한 기술들이 사용되며, 언어의 용이함을 위해, "디스플레이"라는 용어는 디스플레이 장치의 표면상에 영상을 생성하고, 이 장치로부터 다른 표면에 광을 투사함으로써 영상을 생성하는 것을 포함하도록 사용된다.

컬러 영상들의 디스플레이는 불연속 "화상 요소들" 또는 "화소들"로의 디스플레이의 분할을 요구한다. 종래, 컬러 디스플레이상의 각 화소는 점이나 띠(band)들로 형성된 3개의 적색, 녹색 및 청색 영역들로 구성된다. 3개의 각 전자 빔들은 스크린을 가로질러 스위핑되고, 소망의 영상을 생성하기 위하여 대응하는 적색, 녹색, 및 청색 영역들을 여기(excite)시키도록 적절히 변조된다. 스크린의 해상도, 즉 상세 부분을 디스플레이하는 능력은 개개의 화상 요소들의 수에 의해 결정되는데, 그 이유는 개개의 화상 요소들의 간격 사이에 발생하는 어떤 상세 부분이 디스플레이되지 않는 데 있다. 즉, 디스플레이된 비디오 영상은 원래 영상을 연속적으로 디스플레이하는 것보다는 각 화상 요소로 나타나는 바와 같이 원래 영상을 디스플레이하는 것이 더 효과적이다. 본원에 개시된 바와 같이, 이러한 개개의 화상 요소로의 영상의 분할은 비디오 영상의 샘플링에 효과적이다.

액정 디스플레이들(LCD들), 플라즈마 디스플레이들 등의 다른 장치들에서, 디스플레이될 영상의 화소 샘플링은 명백하며, 그 효과는 더욱 뚜렷하다. 이들 장치는 개별적으로 어드레스 가능한 화상 요소들을 갖는다. 각 화상 요소의 휘도는 이 화상 요소의 위치에 대응하게 디스플레이될 영상 휘도의 샘플에 비례하도록 설정된다. 디스플레이가 컬러 디스플레이일 경우, 화상 요소에서의 각 컬러의 휘도는 그에 따라 설정된다. 이러한 디스플레이들의 해상도는 디스플레이를 포함하는 개별적으로 어드레스가능한 요소들의 수에 의해 결정된다.

이 샘플링 현상에 의해 다음과 같은 두가지 문제점들이 유도된다:

- 디스플레이의 해상도가 불충분할 경우, 저주파의 시각적 아티팩트들이 유도될 수 있고;

- 불연속 샘플들이 적절히 필터링되지 않을 경우, 고주파의 시각적 아티팩트들이 생성될 수 있다.

시각적 교란뿐만 아니라, 원래 영상에 존재하지 않는 시각적 아티팩트들의 유도는 의료 영상 처리와 같은 응용들에서 심각한 결과를 야기할 수도 있는데, 그 이유는 영상이 조사될 항목에서 실제 존재하지 않는 아티팩트들을 나타낼 수 있기 때문이다.정보가 이동하는 통신 채널의 용량들을 초과하지 않도록 디스플레이될 정보의 대역폭이 제한되어야 한다는 것은 이 분야에 잘 알려져 있다. 안티-에일리어싱 필터(anti-aliasing filter)들은 통상적으로 전송을 위해 인코딩되기 전에 비디오 영상에 적용되며, 재구성 필터(reconstruction filter)들은 상기 필터링된 비디오 영상을 정확하게 재생하기 위하여 수신기에서 채용된다. 그러나, 이 안티-에일리어싱 및 재구성은, 통상적으로 영상이 생성되는 특정 장치의 용량들에 관계없이 적용된다. 종래 디스플레이들에서, 디스플레이될 장치의 능력을 초과하는 신호들은 장치의 불충분한 샘플링에 의해 억제될 뿐이다. 예를 들면, 일반적인 컴퓨터 비디오 포맷은 수평 라인당 1024 화소이며, 통상적인 모니터들은 0.28mm 및 0.39mm 도트 피치를 이용할 수 있다. 0.28mm 도트 피치는 대략 인치당 90 화소와 같고, 0.39mm e도트 피치는 대략 인치당 65 화소와 같다. 15˝모니터의 폭은 약 12 인치로서, 0.28mm 피치 디스플레이에 대해서는 수평 라인당 1080 화소와 같고, 0.39mm 피치 디스플레이에 대해서는 수평 라인당 780 화소와 같다. 그러나, 라인당 1000 화소의 영상들은 통상적으로 라인 디스플레이당 780 화소로 전달된다. 1000 화소를 12인치, 0.39mm 도트 피치로 디스플레이하고자 하면, 디스플레이는 해상도의 손실을 야기할 뿐만 아니라, 더 중요하게는 본원에 개시된 바와 같이, 원래 영상에는 존재하지 않는 신호들이 유도될 것이다. 즉, 디스플레이가 불충분한 해상도를 가질 경우, 본 발명에는 없는, 보다 미세한 상세 부분이 손실될 뿐만 아니라, 새로운 특징들 또는 아티팩트들이 디스플레이된 영상에 유도될 것이다. 보다 미세한 상세 부분을 디스플레이하기에 충분한 해상도를 갖는 디스플레이라 하더라도, 인접한 화소들 사이가 불연속한 개개의 화상 요소들의 불연속 디스플레이는 원래 영상에 존재하지 않는 고조파들을 유도한다. 본원에 개시된 바와 같이, 화소 기반 디스플레이상의 영상의 디스플레이는 샘플링 처리가 효과적이며, 그럼에도 불구하고 종래의 디스플레이들은 원래 영상을 정확하게 재생하는데 필요한 재구성 필터들을 포함하지 않는다. 예를 들면, 수평 라인당 약 500 사이클의 변화들과 같은 미세한 상세 부분을 갖는 영상이 수평 라인당 1000 화소 이상을 갖는 모니터상에 디스플레이될 수 있다는 것은 공지되어 있다. 그러나, 실제 영상은 통사적으로 연속적인 반면, 디스플레이된 영상은 이 영상의 불연속 샘플들로 이루어진다. 불연속 요소들의 디스플레이에 의해 야기된 시각적 간섭을 감소시키기 위한 일반적인 종래 기술은 영상을 적당히 "흐리게"(blur)하여, 그 결과 화소들 사이의 가장자리가 잘 보이지 않게 한다. 화소 영상들을 개선하기 위한 다른 기술은 디더링(dithering)이 있으며, 화소의 내용은 화소들 사이의 가장자리들을 흐리게 하기 위하여 인접한 화소들로부터 의도적인 스필 오버(spill-over)에 의해 영향을 받는다. 그러나, 이 기술들 각각은 디스플레이된 영상 샘플들을 의도적으로 재구성 필터링하기 보다는, 영상을 왜곡시킴으로써 동작한다.

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또한, LCD와 같은 불연속 화소 디스플레이는 샘플 앤드 홀드 기술(sample and hold technique)을 이용함으로써 동작한다. 영상의 특성은 샘플링되고, 그 다음 화소를 구성하는 성분들에 적용된다. 영상의 이러한 특성은 화소의 전체 범위에 적용된다. 샘플링 분야에 널리 공지된 바와 같이, 샘플 앤드 홀드 장치의 주파수 응답은 주파수가 증가하는 원래 신호의 감쇄를 야기한다. 즉, 종래의 불연속 화소 디스플레이의 샘플 앤드 홀드 특성은 특히 더 높은 주파수들에서 원래 영상의 원하지 않는 감쇄를 유도한다.

도 1은 제 1 합성이 4개의 정현파 성분들을 포함하고, 제 2 합성이 가장 높은 주파수 성분 없는 제 1 합성인 두 개의 합성 신호들을 도시하는 도면.

도 2는 시간 영역내의 두 개의 샘플링 주파수들에서 두 개의 합성 신호들의 샘플링, 및 결과적인 아날로그 및 불연속 디스플레이 신호들을 도시하는 도면.

도 3은 주파수 영역내의 두 개의 샘플링 주파수들에서 두 개의 합성 신호들의 샘플링을 도시하는 도면.

도 4는 나이퀴스트 속도 이상에서 샘플링된 신호의 주파수 스펙트럼, 본 발명에 따라 플랫 응답 및 적당한 차단 주파수를 갖는 필터의 주파수 응답 및 너무 높은 차단 주파수를 갖는 필터의 주파수 응답을 도시하는 도면.

도 5는 이 특성들을 보상하기 위한 전치 필터의 설계를 위해, 종래의 광학 필터의 필터 특성들 및 그 반대를 도시하는 것으로, 또한 샘플 앤드 흘드 sin(x)/x 주파수 응답 및 본 발명에 따른 바람직한 역 sin(x)/x 필터 응답을 도시하는 도면.

도 6은 본 발명에 따라 전치 필터가 디스플레이의 나이퀴스트 속도 이하로 설정될 때의 샘플링 스펙트럼을 도시하는 도면.

도 7은 샘플 앤드 홀드 샘플링 디스플레이의 주파수 응답 및 연속적인 샘플링 디스플레이의 주파수 응답을 도시하는 도면.

도 8은 본 발명에 따라 안티-에일리어싱 전치 필터 및 후치 디스플레이 광학 필터롤 도시하는 디스플레이 시스템의 블록도.

본 발명의 목적은 원래 영상에 존재하지 않는 아티팩트들을 유지하지 않으면서 비디오 영상의 화소 기반 디스플레이를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 샘플링된 비디오 영상의 불연속 성질에 의해 야기된 고주파 아티팩트들을 최소화하기 위하여 비디오 영상의 효과적인 필터링을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 비디오 영상의 불연속 디스플레이에 의해 야기된 균일하지 않은 주파수 응답을 보상하기 위하여 비디오 영상을 전치 필터링하는 것이다.

영상내의 미세한 상세 부분은 이 영상의 비디오 표현에서 고주파 변화를 생성한다. 영상이 매우 미세한 상세 부분을 갖고, 인코딩 수단이 이 미세한 상세 부분을 캡처(capture)하기에 충분하다면, 그 결과 비디오 표현은 이러한 표현을 포함하는 휘도 및/또는 색차 신호들에 고주파 성분들을 포함할 것이다. 상술한 바와 같이, 화소들로의 영상의 분할은 샘플링의 한 형태이다. 이러한 샘플링은 이격되어 있는 일련의 도트들로서, 특히 불연속 디스플레이 장치에서 어드레스가능한 화소들의 각각에 특정한, 샘플링된 값을 할당하는 것에 의해 영상 형성의 결과일 수도 있다.

신호 샘플링 분야에서 널리 공지된 바와 같이, 나이퀴스트 속도보다 낮은 신호의 샘플링은 그 결과 에일리어싱(aliasing)이 된다. 이 주파수보다 두 배 낮게 샘플링되는 고주파 신호로 인해 필연적으로 원래 샘플링된 신호에 포함되지 않은, 원하지 않는 저주파 신호들을 생성하게 된다. 본 발명의 첫번째 목적은 에일리어싱에 의해 야기된 효과들을 제거하기 위하여, 디스플레이의 샘플링 특성들에 따라, 디스플레이하기 전에 비디오 영상을 필터링함으로써 달성된다.

샘플링 분야에서 공지된 바와 같이, 나이퀴스트 속도 또는 그 이상의 속도에서 샘플링된 신호에 대하여, 이 샘플링된 값들로부터 원래 신호의 적절한 재구성은 샘플들의 저역 통과 필터링(low pass filtering)을 요구한다. 이러한 저역 통과 필터링은 원래 신호 및 시각적 샘플링 함수의 컨벌루션(convolution)에 의해 유도된 고주파 신호들을 제거하는 것을 요구한다. 이 고주파 신호들이 불연속 화소들의 시각적 디스플레이에 의해 유도되기 때문에, 이 고조파들을 제거하기 위한 저역 통과 필터링은 불연속 화소들의 디스플레이 후 발생하여야 한다. 본 발명의 두 번째 목적은 원래 영상에 포함되지 않은 고조파들을 제거하기 위하여 비디오 샘플들을 광학적으로 필터링함으로써 달성된다.

본 발명의 또 다른 목적은 화소 영상 내용의 특성들 및 디스플레이 장치의 광학 필터 특성들에 따라 영상의 디스플레이 전에 발생하는 필터링의 필터 특성들의 주문형성에 의해 달성된다.

도 1은 정현파 신호들(10,20,30,40)의 합성을 포함하는 기저대역 신호(60)를 도시한다. 또한, 신호들(20,30,40)의 합성인 기저대역 신호(50)도 도시되어 있다. 즉, 신호(50)는 고주파 성분(10) 없이 기저대역 신호(60)를 나타낸다. 종래 디스플레이 시스템에서, 신호(60)가 원래 영상의 인코딩을 나타낼 경우, 그 다음 신호(60)는 신호(60)를 정확히 디스플레이하기 위해 장치의 고유한 능력에 관계없이 디스플레이 장치에 나타나게 될 수 있다. 예를 들면, 신호(60)가 원래 영상에서의 적색 성분들의 휘도를 나타낼 경우, 그 다음 신호(60)는 디스플레이상에 화소들의 간격에 관계없이, 컬러 텔레비전 시스템에서 적색 전자총에 대한 구동 신호를 형성할 수 있다. 또는, 컴퓨터 디스플레이에서, 아날로그 신호(60)는 아날로그 대 디지털(A/D) 컨버터의 샘플링 속도에 비하여, 신호(60)의 주파수 구성에 관계없이 다시 각 화소에 대한 값으로 비디오 메모리를 로딩하기 위하여, 샘플링 A/D 컨버터에 의해 샘플링될 수 있다.

영상이 정확하게 디스플레이될 수 있는 것보다 더 높은 주파수 신호들을 포함할 경우, 이 신호들은 디스플레이에 의한 불충분한 샘플링의 동작에 의해 단지 억제되기보다 특별히 제거되어야 하는 것이 본 발명의 전제이다. 즉, 디스플레이의 고유 특성들에 의해, 신호(60)의 고주파 성분(10)이 정당히 재생될 수 없다는 것이 공지되었을 경우, 본 발명에 따라, 신호(60)가 아니라 신호(50)가 디스플레이에 나타나야 할 것이다. 본 발명에 따라 구성된 장치는 신호의 모든 성분들을 제거하며, 이 신호의 주파수들은 이 고주파 신호들의 왜곡된 버전을 생성하는 것보다 이 성분들을 디스플레이하는 장치의 능력 및 그 측면 효과들을 초과한다.

도 2a 및 2b는 두 개의 샘플링 주파수들에서 신호(60)의 샘플링을 도시한다. 도 2c 및 도 2d는 이 동일한 샘플링 주파수들에서 신호(6)의 샘플링을 도시한다. 도 2a는 나이퀴스트 속도 이상의 샘플링 속도로 신호(60)의 샘플링을 도시한다. 도 2b는 나이퀴스트 속도 이하의 샘플링 속도로 신호(60)의 샘플링을 도시한다. 두 개의 샘플링 속도들은 각각 신호(50)의 나이퀴스트 속도 이상이다.

임펄스 펄스들(261)은 샘플링 주파수(S1)에서 기저대역 신호(60)의 임펄스 샘플값들이다. 신호(261A)는 CRT와 같은 아날로그 디스플레이상에 디스플레이되고 샘플링된 신호들이며, 신호(261D)는 LCD와 같은 불연속 디스플레이상에 디스플레이되고 샘플링된 신호들이다. 아날로그 디스플레이는, 신호가 시간의 절반 동안 존재할 때, 예를 들면, 전자가 컬러 도트의 개구를 통해 이동하면서 디스플레이되고, 개구들 사이에서 차단되도록, 50 퍼센트 듀티 사이클이 제공된다고 가정한다. 한편, 불연속 디스플레이는 화소의 전체 공간적 지속기간 동안 샘플링된 값을 나타낸다고 가정한다. 해당분야에서 일반적인 바와 같이, 디스플레이된 영상은 이들 두 개의 샘플링 기술의 조합일 수 있다. 예를 들면, 불연속 디스플레이의 화소는 공간적 지속기간의 일부에 대해 차단될 수도 있다. 또는, 컴퓨터 시스템은 영상을 불연속 화소들로 양자화하고, 그 다음 아날로그 디스플레이상에 이들 불연속 화소들을 디스플레이한다.

임펄스 펄스들(262)은 샘플링 주파수(S2)에서 기저대역 신호(60)의 임펄스 샘플값들이다. 신호들(262A,262D)은 각각 아날로그 디스플레이 및 불연속 디스플레이상에 디스플레이되고 샘플링된 신호이다. 이와 유사하게, 임펄스 펄스들(251,252)은 각각 샘플링 주파수들(S1,S2)의 기저대역 신호(50)의 임펄스 샘플값들이며, 251A, 252A, 251D, 252D는 아날로그 디스플레이 및 불연속 디스플레이상에 각각 디스플레이되고 샘플링된 신호들이다.

이러한 각각의 디스플레이되고 샘플링된 신호들(261A, 262A, 261D, 262D, 251A, 252A, 251D, 252D)은 그 각각의 원래 기저대역 신호들(60 및 50)의 상당한 왜곡으로 나타난다. 그러나, 적당한 저역 통과 필터링은 샘플링된 신호들이 나이퀴스트 기준에 일치한다고 가정할 경우, 원래 기저대역 신호들을 재구성하기 위해 샘플링된 신호들에 적용될 수 있다. 기저대역 신호의 샘플링은 정확하게 재생될 기저대역 신호를 위해 기저대역 신호에 포함된 가장 높은 주파수 또는 2배 이상되는 주파수에서 발생하여야 한다.

도 3은 샘플링 주파수들(S1,S2)에서 기저대역 신호들(60,50)의 임펄스 샘플링과 연관된 주파수 스펙트럼을 도시하고 있다. 샘플링 주파수들(S1,S2) 및 이 샘플링 주파수들의 고조파들에 관한 기저대역 신호들(60,50)의 컨벌루션들(216,215 및 226,225)이 각각 점선으로 도시된다.

도 3b에서 알 수 있는 바와 같이, 기저대역 신호(60)의 가장 높은 주파수보다 두배 낮은 샘플링 주파수(S2)에서, 기저대역 신호(60)의 샘플링은 기저대역 신호(60)의 주파수 범위내에 놓여있는 컨벌루션된 성분들(266)을 생성한다. 원래 기저대역 내에 놓여있는 이 성분들은 에일리어싱된 성분들이라 한다. 샘플링 주파수(S2)에서 기저대역 신호(60)의 원래 고주파 성분(10)의 컨벌루션은 에일리어싱된 성분(15)을 생성하며, 그 주파수는 기저대역 신호의 주파수 범위내에 놓여 있다.

기저대역 신호의 가장 높은 주파수 바로 위의 차단 주파수를 갖는 저역 통과 필터가 도 3a, 3c 및 3d에 도시된 신호들에 적용될 경우, 원래 기저대역 신호가 회복될 수 있다. 그러나, 도 3b와 관련하여, 원래 기저대역 주파수 범위 내의 성분으로부터 원래 신호(60)의 재구성은 필연적으로 신호(15)의 재구성을 야기할 것이다. 신호(15)는 원래 신호내에 있는 것이 아니라 원래 기저대역 주파수 범위내에 있다. 이 에일리어싱된 성분(15)은 기저대역 신호 바로 위의 차단 주파수를 갖는 통상의 저역 통과 필터에 의해 제거될 수 없다. 신호(60)가 오디오 신호를 나타낼 경우, 이 컨벌루션된 성분은 원래 오디오 신호에 없는 톤으로서 들리게 된다. 신호(15)가 비디오 신호를 나타낼 경우, 이 에일리어싱된 성분(15)은 원래 비디오 신호에 없는 변화하는 휘도 또는 색차를 나타낸다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 전제는 에일리어싱된 성분을 유도하는 것보다는 디스플레이가능한 주파수 성분을 정확하게 도시하는 것이 바람직하다는 것이다. 즉, 비디오 디스플레이의 유효 샘플링 속도보다 더 높은 나이퀴스트 속도를 갖는 비디오 영상의 모든 주파수 성분들을 필터링에 의해 제거하는 것이 바람직하다. 더욱 상세히 설명하지면, 도 8은 디스플레이 장치의 유효 샘플링 속도 이상인 나이퀴스트 속도를 갖는 비디오 영상의 모든 성분들을 제거하도록 구성된 전치 필터(850)를 갖는 디스플레이 장치를 도시하고 있다. 이 필터가 영상에서의 미세한 상세 부분중 일부를 제거할 수 있다 하더라도, 이 필터의 동작은 디스플레이된 영상이 원래 영상에 존재하지 않는 시각적 아티팩트들을 포함하지 않도록 해준다.

그러나, 단지 충분한 샘플링을 제공하는 것은 원래 영상을 정확하게 재생하기에 충분치 않다. 위에서 인지한 바와 같이, 도 2에서 신호들(261,251,252)과 같은 적절히 샘플링된 신호들에 대하여, 그 샘플링된 값들로부터 원래 신호의 정확한 재구성은 저역 통과 필터를 통하여 평활되는 것을 요구한다.

도 4는 원래 기저대역 신호(60) 및 샘플링 주파수(S1)에 관한 컨벌루션(216)으로 이루어진 적절히 샘플링된 신호에 대한 주파수 스펙트럼을 도시하고 있다. 또한, 저역 통과 필터(410)의 주파수 응답이 도시되어 있다. 특히 중요한 것은 차단 주파수 및 (415)로 도시된 기저대역에 걸친 플랫 응답이다. (411)에서 차단을 갖는 필터는 이 차단값 이상의 주파수를 갖는 모든 성분들, 특히 (216)내에 컨벌루션된 성분들 모두를 제거할 것이다. 플랫 응답(415)은 원래 신호(60)의 정확한 재생을 보장한다.

비디오 분야에서, 개별적으로 샘플링된 값들을 구별할 수 없는 인간의 능력 때문에, 일부 저역 통과 필터링이 행해질 것이다. 그러나, 상세 부분을 구별할 수 있는 인간의 눈의 기능은 디스플레이 장치의 해상도를 능가한다. 즉, 인간의 눈의 고주파 차단은 기저대역 신호(60)를 적절히 분리하기에 충분히 낮지 않은데, 그 이유는 컨벌루션된 신호들(216)의 일부가 눈에 보이기 때문이다.

도 4는 기저대역 주파수 범위 위의 차단 주파수(421)를 갖는 필터(420)의 주파수 응답을 도시하고 있다. 차단 주파수(421) 아래에 있는 컨벌루션된 주파수 성분들(416)은 필터(420)에 의해 제거되지 않는다. 신호(60)가 원래 비디오 영상을 나타내고, 필터(420)가 디스플레이 및 인간 시각계의 물리학에 의해 생성된 필터링을 나타내면, 감지된 영상은 원래 영상과, 원래 영상에 존재하지 않는 고주파 휘도 또는 색차 변화들(416)로 이루어진다.

본 발명에 따르면, 원래 영상이 각 화소의 불연속 비디오 영상들의 저역 통과 필터링 없이 정확하게 재생될 수 없기 때문에, 적당한 고주파 차단을 갖는 광학 필터가 요구된다.

바람직한 광학 필터는 410로 도 4에 도시된 바와 같이 주파수 특성들을 갖는다. 바람직하게는, 필터는 컨벌루션된 성분들(216) 이하의 차단 주파수(411) 및 원래 비디오 영상(60)의 기저대역 내의 플랫 응답(415)을 가질 것이다. 그러나, 현재 기술에서는, 광학 필터는 필터 응답(410)에 의해 도시된 바와 같이 정밀하게 구성될 수 없다. 일반적인 광학 필터 렌즈는 렌즈의 두께에 따른 주파수에서 제로를 갖는 여현파(cosine) 필터 응답을 생성할 것이다. 전형적인 필터 설계 기술은 더 원하는 전체 주파수 응답을 갖는 더 복잡한 필터를 형성하기 위하여 다중 여현파 필터(상이한 두께의 렌즈)를 캐스케이드하는데 사용될 수 있다. 그러나 일반적으로, 달성될 수 있는 캐스케이딩의 정도에 대한 실질적이고 경제적인 제한이 있으며, 광학 필터 응답은 410로 도 4에 도시된 이상적인 특성들을 개략화할 것이다.

도 5는 도 4의 이상적인 주파수 응답(410)과 반대인 비이상적인 광학 필터의 주파수 응답(510)을 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 515에서, 필터는 515에서 이상적인 것에 대응하는 플랫 주파수 응답을 갖지 않은다. 또한, 511에서, 필터는 411의 이상적인 것에 대응하는 예리한 고주파 차단을 갖지 않은다. 논-플랫 응답은 왜곡을 야기할 것이다. 515b에서 주파수 성분들은 예를 들면 515a, 515c의 것과 비교하여 감쇄될 것이다. 차단 주파수가 놓여지는 곳에 따라, 기저대역 신호 및 컨벌루션된 신호들(516)에 비하여, 예리한 차단의 결여는 차단 근방의 고주파에서 원래 신호가 상당히 감쇄되거나 컨벌루션된 신호가 차단 근방에서 상당히 감쇄되지 않는 것을 야기하게 된다. 즉, 예리한 차단의 결여는 원래 영상의 비균일한 감쇄를 야기하거나 디스플레이 샘플링 처리에 의해 유도된 고주파 신호를 눈으로 볼 수 있도록 한다.

본 발명에 따르면, 도 8의 전치 필터(850)는 영역(515)에서 광학 필터의 특성의 보수(complement)를 생성하기 위해 변형될 수 있다. 즉, 515a, 515c에 대응하는 영상의 주파수 성분을 디엠퍼시스(de-emphasize)하고, 도 5b에서 815a 내지 c에서 도시된 바와 같이, 515b에서의 주파수에 대응하는 영상의 주파수 성분을 엠퍼시스하도록 변형될 수 있다. 이들 필터링 효과의 조합은 도 5b에 도시된 바와 같이 신호(60)의 기저대역에 걸쳐 플랫 주파수 응답(565)을 야기할 것이다.

광학 필터들이 각 축에서 등가 필터 특성들을 갖지 않아도 된다는 것에 주목한다. 본 발명에 따르면, 전치 디스플레이 필터(850)는 각 축에서 광학 특성들의 상술한 보수에 영향을 미치기 위하여 비디오 신호의 수직 및 수평 성분들에 상이한 필터링을 적용하도록 설계될 수 있다.

지금까지, 샘플링 현상은 이상화된 방법으로 논의되었다. 표시된 컨벌루션은 에 기저대역 신호에 적용되는 이상화된 임펄스 샘플링에 기초한다. 그러나, 화소 기반 디스플레이에 의해 생성된 샘플링 효과들은 이상적인 임펄스 샘플링의 효과들이 아니다. LCD와 같은 불연속 화소 기반 시스템에서, 비디오는 샘플링되고, 도 2에 도시된 바와 같이, 화소 신호들(261D,262D,251D,252D)의 전체 폭 또는 공간적 지속기간의 상수값으로 유지된다. 본 분야에서 공지된 바와 같이, 샘플 앤드 홀드 장치의 주파수 응답은 (sin(x))/x 응답을 갖는다. 즉, 샘플 앤드 홀드 장치의 출력은 도 5d에 도시된 바와 같이 컨벌루션된 주파수 응답을 생성할 것이다. 알 수 있는 바와 같이, 신호(60)의 기저대역의 고주파 성분들(526)은 감쇄된다. 본 발명에 따르면, 전치 필터(850)의 필터 특성들은 기저대역 신호(60)에 걸쳐 플랫 주파수 응답을 생성하기 위하여, 825에 도시된 바와 같이 비디오 영상의 고주파 성분들을 엠퍼시스함으로써 이 감쇄를 방해하도록 설계될 수 있다. 당업자에게 명백한 바와 같이, sin(x)/x 정정은 디스플레이의 광학 특성들과 관련하여, 상술한 역 필터링과 결합하여 적용될 수 있다.

그러나, 디스플레이 샘플링에 의해 야기된 컨벌루션된 신호들(516)은 전치 필터(850)에서 보상될 수 없다. 이들 고주파 신호들은 비디오 디스플레이의 공간 주파수에 대한 원래 신호의 컨벌루션에 의해 생성된다. 디스플레이가 특정 공간 주파수를 가진다면, 이 컨벌루션의 범위를 감소시키는 유일한 방법은 기저대역 신호들의 범위를 감소시키는 것이다. 기저대역 범위가 감소되면, 디스플레이의 효과적인 샘플링 속도와 관련하여, 광학 필터의 차단 주파수(511) 아래에 놓여있는 컨벌루션된 신호(516)의 성분들은 감소될 것이다.

도 6은 샘플링 주파수(S1)가 기저대역 신호(50)내의 가장 높은 주파수 성분(20)의 두 배보다 상당히 더 높은 샘플링 신호를 갖는 기저대역 신호(50)의 샘플링을 도시하고 있다. 큰 갭(601)은 S1에 관하여 컨벌루션(215) 및 기저대역 신호(50) 사이에서 명백하다. 즉, 이 고주파(S1)에서 신호(50)의 샘플링은 이 갭(601)내의 어떤 고주파 성분들을 생성하지 않을 것이다. 그 후에는 예리한 차단 주파수의 결여에 기인하여, 광학 필터 특성들(510')의 대역통과는 어떤 원하지 않는 측면 효과들을 생성하지 않고 이 영역내로 상당히 확장할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 또 다른 양상은, 원래 신호의 고주파 성분들이 기저대역 신호와 샘플링 신호의 제 1 고조파에 대한 컨벌루션된 신호들 사이에 큰 갭을 제공하기 위하여 필터링되도록 전치 필터(850)를 설계하는 것이다. 이러한 개선은 디스플레이에 부가되는 명백한 광학 필터가 없이 적용될 수 있다는 것에 주목한다. 상술한 바와 같이, 디스플레이의 물리적 특성들은 인간 시각계와 결합하여 디스플레이된 영상의 일부 저역 통과 필터링을 생성할 것이다. 응답 곡선(510')에 의해 도시된 바와 같은 광학 특성들은 단지 예증할 목적으로 나타내었으며, 실제 응답은 상술한 광학 필터 및/또는 인간 시각계의 함수일 것이다. 기저대역 및 컨벌루션된 신호들 사이에 갭을 제공함으로써, 더 적은 컨벌루션된 신호들이 인간 시각계에 존재하게 될 것이다. 즉, 본 발명에 따르면, 디스플레이의 샘플링 주파수의 절반 이하로 비디오 영상을 전치 필터링함으로써, 원래 영상에는 없는 더 적은 휘도 및 색차 변화들이 인간 시각계에 존재하게 될 것이다. 이 확장 전치 필터링이 원래 영상에 포함될 수도 있는 미세한 상세 부분중 일부를 제한한다 하더라도, 더 중요한 것은, 원래 영상에 포함되지 않은 상세 부분의 디스플레이를 제한하는 것이다.

본 발명에 따르면, 비디오 영상의 전치 필터링 및 디스플레이된 영상의 광학 필터링은 디스플레이의 비디오 특성에 따라 설계되어야 한다. 이들 샘플링 특성은 개개의 화소들의 사이즈 및 간격과 같은 인자, 및 이들 각각의 화소내에 디스플레이된 영상의 성질에 좌우된다. 화소의 간격은 인치당 도트, 라인당 화소, 수평 또는 수직 범위당 화소 등과 같은 공간 주파수에 의해 특징지워진다.

유사하게, 영상내에 포함된 상세 부분의 양은 인치당 변화, 라인당 변화, 수평 또는 수직 범위당 변화와 같은 영상내의 변화의 주파수에 의해 특징지워질 수 있다. 상술한 바와 같이, 광학 필터들은 라인당 사이클로 특징지워질 수 있다. 방송 텔레비전에서, 나타내어질 수 있는 상세 부분의 양은 초당 변화 또는 초당 사이클로 나타내어질 수 있는데, 그 이유는 주사된 시스템에서, 시간이 주사의 공간 수치에 직접 비례하기 때문이다. 이와 유사하게, 텔레비전 디스플레이의 공간 주파수는 초당 사이클로 표현될 수 있다. 컴퓨터 시스템에서, 나타내어질 수 있는 상세 부분의 양은 수평 및 수직 수치들로 영상의 어드레스가능한 포인트의 수로서 표현된다. 컴퓨터 디스플레이의 공간 주파수는 역 항목, 도트-피치, 인접한 화소들의 공칭 중심 사이의 거리로서 표현되며, 그로부터 수평 또는 수직 범위당 도트들은 컴퓨터 디스플레이의 물리적 사이즈를 알게 됨으로써 결정될 수 있다.

당업자에게 명백한 바와 같이, 영상내에 포함된 상세 부분의 양 및 영상을 디스플레이하기 위해 장치의 능력을 특징지우는데 사용되는 다양한 항목들은 유닛들의 공통 세트로 변형될 수 있다. 이해를 용이하게 하고 보편성의 어떠한 손실을 없게 하기 위해, 장치의 공간 주파수는 라인당 화소들의 대하여 본원에 기술될 것이며, 상세 부분의 영상의 정도는 라인당 사이클로 본원에 기술될 것이고, 사이클은 그 휘도와 같은 영상의 파라미터의 정현파 변화의 일 주기이다. 미세하게 디스플레이된 영상은 라인당 사이클의 높은 수로 표현된 휘도의 변화의 고주파를 가질 것이다. 영상의 대역폭은 그 영상에 포함된 가장 높은 주파수 성분과 동일하다.

상술한 바와 같이, 그 값의 샘플링으로부터 신호를 정확하게 회복할 수 있도록 하기 위하여, 샘플링은 그 신호내에 포함된 가장 높은 주파수 성분의 두 배 이상의 주파수에서 행해져야 한다. 상술한 용어에 있어서, 디스플레이의 공간 주파수는 디스플레이될 영상의 대역폭의 적어도 두배이다. 디스플레이의 공간 주파수가 고정되기 때문에, 이 요건은 다음과 같이 표현되는 것이 더 좋다. 즉, 디스플레이될 영상의 대역폭은 장치의 공간 주파수의 절반 이하이어야 한다.

예를 들어 공칭 15˝폭, 0.39mm 도트-피치 디스플레이를 고려한다. 이 디스플레이는 라인당 대략 1000 화소의 공간 주파수를 갖는다. 그러므로, 본 발명의 한 특징에 따르면, 필터(850)는 디스플레이상에 디스플레이되는 모든 영상을 라인당 500 사이클 이하로 필터링한다. 동일한 0.39mm 도트 피치를 갖는 더 작은, 예를 들면 9˝폭의 디스플레이는 라인당 600 화소의 공간 주파수를 갖는다. 필터(850)는 디스플레이상에 디스플레이되는 모든 영상을 라인당 300 사이클 이하로 필터링한다. 그러므로, 알 수 있는 바와 같이, 필터(850)의 특성은 디스플레이의 특성 즉, 그 사이즈 및 화소 간격과 같은 특성에 따라 결정된다.

동일한 방법으로, 0.8mm 도트 피치를 가지며 라인당 480 화소의 공간 해상도를 갖는 15˝폭 컬러 텔레비전을 고려한다. 필터(850)는 디스플레이되는 영상을 라인당 240 사이클로 제한하여야 한다. NTSC 텔레비전상의 각 수평 라인은 약 60 마이크로초를 소모한다. 그러므로, 영상의 수평 대역폭은 4 MHz(240÷0.00006)으로 제한되어야 한다. 9″폭 NTSC 컬러 텔레비전상에서, 수평 대역폭은 2.4 MHz로 제한되어야 한다.

그러나, 영상 대역폭 제한을 강화할 필요성은 CRT와 같은 종래의 아날로그 디스플레이보다 LCD와 같은 불연속 화소에 의한 디스플레이에 더 표명된다는 것에 주목한다. 상기 주목한 바와 같이, 불연속 디스플레이는 샘플 앤드 홀드 기술을 이용한다. 적색 성분의 크기와 같은 영상 값의 샘플은 샘플링된다. 즉, 이 샘플링된 값은 화소에 적용된다. 화소의 전체 폭은 동일한 샘플링된 값을 포함할 것이다. 즉, 공간적으로, 상기 값은 다음 샘플이 생성될 때까지 샘플링된 값으로 유지된다. 이는 도 7a에 도시된 컨벌루션들을 생성한다. 알 수 있는 바와 같이, 기저대역 영상의 상위 주파수 근방의 컨벌루션된 성분들(706)의 크기는 상위 주파수에서의 원래 성분(710)으로서 크기의 동일한 정도이며, 그 크기는 주파수가 증가함에 따라 감소된다. 더욱이, 도 7b에 도시된 바와 같이, 컨벌루션(726)이 기저대역(760)내로 연장할 경우, 불충분한 공간 샘플링 주파수 때문에, 에일리어싱되고 컨벌루션된 성분들(766)은 원래 기저대역 성분보다 더 낮은 주파수일 수 있다. 그러므로, 컨벌루션된 성분(715)은 이 컨벌루션을 생성한 원래 성분(710)보다 더욱 시각적으로 디스플레이된다.

컬러 CRT와 같은 아날로그 디스플레이는 연속 샘플링 기술을 이용한다. 각 도트는 도트 내가 아니라 영상의 샘플링을 야기하며, 그 값은 도 2에서 도시된 바와 같이, 261A, 262A, 251A, 252A로 고정되지 않는다. 그러므로, 적색 신호가 변화할 경우, 이 변화값은 적색 도트의 공간적 지속기간에 걸쳐 디스플레이될 것이다. 이 샘플링은 영상이 연속적으로 디스플레이되는 공간적 지속기간의 퍼센트의 함수이다. 즉, 도트 피치에 대한 개구 사이즈의 비율이다. 도 7d 내지 7f는 종래의 텔레비전일 수 있는 바와 같이 도트 피치의 절반과 동일한 도트 개구를 갖는 컬러 CRT에 의해 생성된 컨벌루션을 도시하고 있다. 도 7d 내지 7e에서, 컨벌루션된 신호들(776)은 기저대역 신호들(770)과 비교하여, 절반만큼 크기가 감소된다는 것에 주목한다. 아날로그 CRT상에서, 원래 영상은 보호되고, 컨벌루션된 성분은, 존재함에도 불구하고, 그것을 생성한 원래 영상보다 훨씬 더 시각적으로 뚜렷하지 않게 된다. 기저대역 신호(770)가 불충분하게 샘플링될 경우, 도 7e에서 도시된 바와 같이 에일리어싱된 성분(785)은 770의 원래 성분보다 시각적으로 덜 뚜렷하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 기저대역 영상은 디스플레이의 공간 주파수의 절반의 상기 제한 이상으로 제한되어야 한다. 도 7a로부터 명백한 바와 같이, LCD와 같은 샘플 앤드 홀드에 의해 생성된 컨벌루션된 신호는 디스플레이된 기저대역 신호에 대한 비교가능한 크기를 갖는다. 도 7a 내지 7c에 도시된 바와 같이, 이 컨벌루션된 신호들의 크기는 주파수가 증가함에 따라 감소한다. 기저대역 신호 및 컨벌루션된 신호 사이에 상당한 갭을 제공함으로써, 기저대역 신호와 비교하여 컨벌루션된 신호의 크기의 상당한 감소는 도 7c에 도시된 바와 같이 달성될 수 있으며, 컨벌루션된 신호(736)의 크기는 기저대역 신호(750)를 형성하는 신호의 크기보다 상당히 더 작다. 본 발명에 따르면, 비디오 신호의 전치 필터링은 특히 장치가 샘플 앤드 홀드 장치로서 동작할 경우, 디스플레이 장치의 공간 주파수의 3분의 1 이상으로 기저대역 신호를 제한하여야 한다. 도 7f에는 영상 대역폭이 디스플레이의 공간 주파수 중 3분의 1로 제한된 연속 샘플링된 디스플레이의 주파수 스펙트럼이 도시되어 있으며, 화소의 개구는 화소 사이의 거리의 절반과 같다. 아는 바와 같이, 컨벌루션된 신호의 크기는 감소되지 않고, 샘플 앤드 홀드 장치에서와 같이, 갭은 더 높은 주파수 차단을 갖는 광학 필터의 사용을 허용할 것이다. 전술한 바와 같이, 컨벌루션된 신호의 크기의 감소는 화소 개구의 상대 사이즈를 증가시킴으로써 달성될 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 디스플레이 장치를 도시하고 있다. 비디오 신호(801)는 전치 디스플레이 필터(850)에 의해 전치 필터링되며, 그 특성은 디스플레이(860)를 통하여 영상의 화소 디스플레이에 의해 유도된 샘플링 현상에 좌우된다. 필터링된 출력(802)은 이 필터링된 입력으로부터 영상을 생성하기 위하여 디스플레이(860)로 입력된다. 본 발명의 제 2 특징에 따르면, 디스플레이로부터의 출력은 영상의 화소 기반 디스플레이에 의해 유도된 고주파 성분을 필터링하기 위하여 광학 저역 통과 필터(870)에 의해 광학적으로 필터링된다. 광학 필터는 투사 디스플레이 시스템내의 렌즈, 또는 영상이 투사되는 표면의 특성, 또는 CRT나 LCD의 표면상의 막 또는 LCD 표면 성분의 CRT의 특성의 형태일 수 있다.

상술한 내용은 단지 본 발명의 원리를 설명한다. 여기에 명백하게 기술되거나 도시되지 않았다 하더라도, 당업자가 본 발명의 원리를 구현하고 그 정신과 범위내에 있는 다양한 장치들을 변형할 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.

Claims (13)

1. 시각적 영상을 디스플레이하기 위한 디스플레이 장치에 있어서:

   필터링된 비디오 신호를 생성하기 위하여, 입력 비디오 신호를 필터링하는 수단; 및

   상기 필터링된 비디오 신호로부터 시각적 영상을 생성하는 수단을 포함하며,

   상기 시각적 영상을 생성하는 상기 수단은, 상기 영상이 개개의 화상 요소들의 어레이로서 형성되도록 하며,

   상기 화상 요소들은 공간 주파수 특성을 갖도록 어레이되며,

   상기 비디오 신호를 필터링하는 상기 수단은 상기 화상 요소들의 어레이의 공간 주파수 특성에 따라 동작하는, 디스플레이 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 시각적 영상을 광학적으로 필터링하는 수단을 더 포함하는, 디스플레이 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 시각적 영상을 광학적으로 필터링하는 상기 수단은 상기 화상 요소들의 어레이의 공간 주파수 특성에 따라 동작하는, 디스플레이 장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 시각적 영상을 광학적으로 필터링하는 상기 수단은 광학 필터 응답 특성을 가지며,

   상기 입력 비디오 신호를 필터링하는 상기 수단은 또한 상기 광학 필터 응답 특성에 따르는, 디스플레이 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 시각적 영상을 생성하는 상기 수단은 샘플링 응답 특성을 가지며,

   상기 입력 비디오 신호를 필터링하는 상기 수단은 또한 상기 샘플링 응답 특성에 따르는, 디스플레이 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 입력 비디오 신호는 성분 주파수를 각각 갖는 신호 성분들을 포함하며,

   상기 입력 비디오 신호를 필터링하는 상기 수단은 전치 필터 차단 주파수(prefilter cutoff frequency) 보다 높은 성분 주파수들을 갖는 성분들을 실질적으로 감쇄하도록 동작하는, 디스플레이 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 전치 필터 차단 주파수는 상기 화상 요소들의 어레이의 상기 공간 주파수의 절반 이하인, 디스플레이 장치.
8. 제6항에 있어서, 상기 전치 필터 차단 주파수는 상기 화상 요소들의 어레이의 상기 공간 주파수의 3분의 1 이하인, 디스플레이 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 입력 비디오 신호를 필터링하는 상기 수단은 또한 역(sin(x)/x) 필터로서 동작하는, 디스플레이 장치.
10. 제2항에 있어서, 상기 시각적 영상을 생성하는 상기 수단은 상기 필터링된 비디오 신호에 포함되지 않은 고주파 신호들을 또한 생성하며,

    상기 시각적 영상을 광학적으로 필터링하는 상기 수단은 이 고주파 신호들을 실질적으로 감쇄하도록 동작하는, 디스플레이 장치.
11. 입력 비디오 신호로부터 영상을 생성하기 위한 방법에 있어서:

    필터링된 비디오 신호를 생성하기 위하여, 공간 주파수 특성에 따라 상기 비디오 신호를 필터링하는 단계; 및

    상기 공간 주파수 특성을 갖는 화소 영상을 생성하기 위하여, 상기 필터링된 비디오 신호를 화상 요소들의 어레이로서 디스플레이하는 단계를 포함하는, 영상 생성 방법.
12. 제11항에 있어서, 필터링된 화소 영상을 생성하기 위하여, 상기 공간 주파수 특성에 따라 상기 화소 영상을 광학적으로 필터링하는 단계를 더 포함하는, 영상 생성 방법.
13. 제11항에 있어서, 상기 비디오 신호는 성분 주파수를 각각 갖는 신호 성분들을 포함하며,

    상기 비디오 신호를 필터링하는 상기 단계는 차단 주파수 보다 높은 성분 주파수를 갖는 상기 신호 성분들을 실질적으로 감쇄하는 단계를 포함하며,

    상기 차단 주파수는 상기 화소 영상의 공간 주파수 특성에 따르는, 영상 생성 방법.