TW508539B - Bit-depth extension of digital displays using noise - Google Patents

Description

508539 五、發明說明（1) -- 發明背景 1. 本發明係關於數位顯示，特別是用於延展顯示之位元深 度’使用了顯示雜訊及利用人類視覺系統領域。 2.發明』^； I、連續色調，或全色調，影像（imagery)通常每個像素至 少有2 4個位元。在—般顯示器内每種顏色有八個位元。然 而 車乂低成本之顯示器對每個像素所用的位元數目有所限 $ °該限制來自視訊隨機存取記憶體（VRAM )内之有限記憶| 里 顯示器本身之特性，或某些陰極射線管（c R τ )顯示器 所用到的數位類比轉換器（D AC )。 種^ ^ /在膝上型電腦裏，最高的灰階解析度一般為’千 像ii(wth〇USands 〇f c〇1〇rs)’模式。該模式對應於每個 每個傍^〇兀，而非較大型電腦或所需”媚較多之電腦裏的 紅 /、4位兀。該16個位元的配置一般為5個位元用於 產。卷桐元用於綠色及5個位元用於藍色。品質較差的 元:每個U只使用15個位元，其中每種顏色配置5個位 在:Γ 所用到的位元數目即為位元深度。 梯度區域制：：元深度之顯示器1’輪靡加工出現於平滑 度藍色區域肉i ’一包含部份天空之影像在天空之平滑梯 少這些加工。 1見的輪廓、、泉。以丽及目前的技術可減 、隹动特斯在應用脈（波編）螞調變（PCM)編碼並傳輪

第5頁 508539 五、發明說明^" * " " ~ - 〜—----- 之影{灸 著此：、、、的預防輪廓領域内提出一些這方面的原始作法。隨 ^ 〜像壓縮效果的開端’將影像由每個像素7個位元 入f每個像素2或3個位元乃一相當大的進展。該壓縮技 祁f IT 由 振幅量化使用一種灰階解析度降低法。初始失真為 兩郭^工’在慢速變化梯度中通常強化為人造邊際。 f羅勃特斯的技術裏，如圖1所示之先前技藝，於量化 則的條列式（raster)掃描中將一種預定的一維白色雜訊 ^ 至 影像。因為该雜訊序列為預定的，故通常視為 ，Ik，雜訊。為了避免影像品質之減損，就在顯示加有雜 、，資料之如及接收雜訊之後將該雜訊予以移除。所減除 的推°孔乃與傳輸雜訊同相且相同。該雜訊有效地打斷 (break up)該輪廓加工。 宍在發佈該技術時，輪廓加工之打斷現像乃出自經驗觀 察。然而’現在已知，經由雜訊可改變沿著輪廓之成分的 以致這些成为乃洛於視覺系統相關領域之外側。量 化過程在影像中留下一些雜訊，因為該過程乃位於增加雜 訊與減少雜訊之間的步驟。 因為該作法為一壓縮技術而在本質上予以忽略。較新的 數位脈碼調變（DPCM)及離散餘弦轉換（DCT)技術給予大量 的壓縮而無輪廓加工出現。主要是將壓縮過程由空間域切 至頻域以達成這些技術。 羅勃特斯方法之申請案可由美國專利案編號3, 244, 8 〇8 及3, 739, 082找到。發表於1966年之第一專利案實現一種 類似圖1之先前技藝所示之系統。該專利案中，雜訊乃均

第6頁 五、發明說明（3) 統如羅勃特斯:二：=的第二專利案中，該系 移乂附加的雜訊乃態但未於接收端予以 π ^ :術一般視為微顫抖以別於顫抖，一更常用於本_ 调技術的術語。半色調細^、 一貝幵 更㊉用於+色 振幅顫抖。在顯示及列:之：：^間J顫抖而微顫抖乃-色調。參考文獻一般落认之應用中已有大量的方法用於半 方法，i? + :兩種類別，使用雜訊之一般顫抖 方亡：特別用來除去輪靡加工的方法。 … 發表的美:般顫抖方法可曰所 乃對照—顫抖矩=、’娩3,96丨」134找到。一量化影像 次的灰pt佶 比較。該顫抖矩陣包含所有出現一 制性不二々寸與所需的灰階解析度無關。限 $ 頦抖方法之頦抖陣列不具預定的尺寸。發表於1 9 8 8 月9日之美國專利案編號4, 7 58, 893中，顫抖陣列的大 小由相位所觸發。另外，其敘述係關於人類視覺系統之特 性。然而，該參考文獻乃非常常見且基本的方法，以致顫 抖形態之空間及短暫頻率很高。 、，人類視覺系統特性的使用亦可於！ 9 97年8月8日所發表的 美國專利案編號5, 6 1 9, 2 3 0找到。所用的雜訊為高通雜 说’但與視覺系統之敏感度橫跨頻率成直接比率。其它的 方法使用高通雜訊或近似訊號。例如，發表於丨9 9 2年5月5 曰之美國專利案編號5，1 Π，3 1 〇建議以能使最後的半色調

508539 五、發明說明（4) 形態與監色（咼通）雜訊近似之方法設計顫抖陣列。 較通用的顫抖定義可於199〇年9月11日所發表的美國專 利案編號4, 9 56, 63 8找到。該專利案中，顫抖之定義為使 :一具有兩種接近所需之顏色或灰階之形態 二顏色或灰階平衡時，即為所需的顏色。… ：： 用於顫抖乃視為多位元顫抖。 4 70 其它多位7L顫抖的方法限制每一個像素的 寸。例如，於]q q 9么〇 丁干Ν 人 、 年8月1 1曰所發表的美國專利荦編鲈 5，1 3 8，3 0 3中每個德表v + 号〜木、.届藏 之顫抖㈣尺寸Λ Λ /的顫抖㈣為2X2。其它技術 9曰所發表的美國專^的灰階數為基礎°這在1 997年12月 16XU之Μ抖陣列尺^=號5,6 9 6’6()2可看到，其中 干〜尺寸導致2 56個位階。 顫抖乃應用於如1於、+、仏 在-截斷與灰階錯誤? : 一般案例，以及特定的問題。 抖。可在1 9 9 3年4月\式成為問題的情況下應用多位元顫 5，2 0 1，0 3 0找到。日所發表的美國專利案編號 如上所述，所討免沾a 誤邊際。包含如顫料φ σ工乃恢速變化梯度中的輪廓、錯 解決這個問題。、、之附加雜訊在内的許多技術已用於 一方法乃將影像士 非邊際區域，如於矣剎成兩段區域，一為邊際區域，一為 5, 218, 649所示。每^於j "3年7月8日之美國專利案編號 縮與解壓縮影像之％又區域予以不同的濾波。其目的為壓 冬'^後處理。 其它技術乃用於牲 '寸別的壓縮或解壓縮技術。例如，發表 508539 五、發明說明（5) 於1997年7月22日之美國專利案編號5, 651，078乃針對 MPEG(動態影像壓縮標準）及MPEG2架構中的輪廓力口工。在 · 這些架構中，輪廓可出現在影像的黑色區域内。此技術將 不同的增益應用在這些區域中，提升所抓取的影像雜訊以 打斷這些加工。 發表於1 9 9 8年9月1 5日的美國專利案編號5，8 0 9，1 7 8敘述 了如振幅量化加工之特殊例子之輪廓。該項技術建議執行 一試驗以決定基於已出現在影像中的雜訊之量化區間。該 雜訊對量化區間比的建議值為3比8。 最後，發表於1 9 9 9年7月6日之美國專利案編號 φ 5，9 2 0，6 5 3解決列印裏的輪廓加工。使用了兩條通道，一 層為一用於製造大點的通道而另一層為一用於製造小點的 通道。 然而，這些方法皆不能以嚴謹且計算簡單的方式解決此 問題。另外，顫抖技術一般會減少影像之空間解析度。因 此，所需要的方法必須能消除或減少輪廓加工，其計算簡 單且不會減少影像的空間解析度。 發明概述 本發明之一用途為提供一種讓使用靜態雜訊之顯示裝置 之位元深度得以延展的方法。本方法包含了量測顯示裝置 之靜態雜訊並將該靜態雜訊由全色調資料除去。接著量化 並顯示雜訊補償影像資料。該顯示裝置之靜態雜訊在本質 上將雜訊補償影像資料轉回成全色調影像資料。使用該雜 訊打斷了輪廓加工並於影像或所顯示之影像中留下一點點

第9頁 508539 案號 89121824 W年气月 修正 I 本 + β « |補充 91. 9. 18 五、發明說明（6) 可見雜訊。 E Η € e 过 Λ1 i ς、 ί r 乇 讀 委 本發明在另一方面使用人類視覺系統（Η V S )中的固有雜 訊而非靜態顯示雜訊如減除、或假隨機雜訊。另一具體實 施例使用了兩種型式的雜訊。許多不同的調整可用於Η V S 雜訊，特別是彩色顯示。 圖示簡述 員 為了對本發明及其所衍生的好處有更為完整的認識，配 |合附圖製作了如下的詳細敘述以供參考，其中： α 圖1為一羅勃特斯雜訊調變用於顯示之先前技藝實施 年例。 ^ 圖2表示一將雜訊用於位元深度限制性顯示系統之具體 β實施例。 2 圖3表示一在位元深度限制性顯示系統中使用靜態顯示 所 提雜訊之具體實施例。 圖4a與4b表示一在位元深度限制性顯示系統中使用人類 視覺系統雜訊之具體實施例。 圖5 a至5 d表示位元深度限制性顯示系統中特定顏色雜訊 應用之替代性具體實施例。 詳細發明說明 如前所述，圖1表示一羅勃特斯雜訊調變於傳輸系統之 應用的先前技藝具體實施例。一在本實施例中每個像素有 6個位元之全色調影像1 0與一具有一維、預定的、白色雜 訊序列的假隨機雜訊1 2相組合。在影像資料量化1 6、編碼 並傳輸1 1，及接收並解碼1 3之後於1 7將雜訊予以減除，該

O:\67\67102-910918.ptc 第10頁 508539 五 發明說明（7) 量化過程在影像中遺留一些因辦 所導致的殘留雜訊。 一 ㈢ϋ ^減除步驟之間的量化 所使用的編碼架構為脈碼調變 ^由6降為2。當壓縮技術變# Μ)且母個像素的位元 序的依賴更大且不再適用。數位脈牌衧，該工作對壓縮程 弦轉換（DCT)可導致更大的壓縮而馬s周變（DPCM)與離散餘 是將壓縮由空間域切至頻域。 +產生輪廓加工，主要 然而，其一般的想法對位元 用。圖2表示1訊調變應用於這^^性顯示仍有一些適 全色調影像10與假隨機雜訊12相二不：具體實施例。 14。該級合資料由量化器16予以0亚接者送至顯示裝置 試本發明的試驗顯示本技術在減示於f幕18。測 的，特別是當位階由256降至64時（卞力邪〇工中是有效果 ::) '然巾，不㉟減除雜合(母固像素由8位元降至6 影像。 9 ^致一具有可見雜訊的 :般而f ’本發明的目的為增加位 衫，品質。這可藉由避免錯誤輪诉=度限制性顯示之 之量化還低的對比來達成。2 "吏號具有比所顯示 :達成本目的。本方法應用一 ':器不產生可見 —維雜汛序列之貯存。另外，」像素相關增加作 生而非由貯存所產生^在一此 -二維雜訊乃即 視覺系統的雜訊並就此形成：”體只施例中，考岸；：產 g, 〇 . ^ 沉此办成雜訊的功率議 亏慮了人類 圚3表不本發明之一具體實 手。曰。 以決定其靜態顯示雜訊。圖的1^20量測顯 任圖1的程序中該 衷置14

第11頁 雜讯乃視為接 508539 來自20的 位碼值以 以減除而 内之固有 of the 乃視為減 ’但顯示 顯示雜訊 訊與影像 雜訊。所 ，一般的 訊而用於 每一個顯 定顯示器 外，適應 用許多不 比敏感度 為其一實 組合。然 性組合， 的功率譜 與先前所 ，減除雜 雜訊由光 產生假隨 產生雜訊 雜訊予以 n 〇 i s e )力口 除靜態顯 裝置會大 而言乃靜 内之連續 有的顯示 陰極射線 形成影像 示器予以 等級之固 五、發明說明（8) 收器之減除雜訊。 轉（sea led)成數數 量化之前自影像予 料，且由顯示裝置 將反雜訊（inverse 者以及其它的技術 化而起的殘留雜訊 /K知，y尤本發明之 的觀看者將顯示雜 而真實地成為動態 ^些相聯結。例如 與磷光體聯結之雜 在製造時，可對 示模型化可用於決 論的則更加適合。 除了顯示雜訊之 這示於圖4a。可使 予以模型化。如對 向高斯低通濾波器 矾24之相加而形成 相加、或其它非線 加諸影像之雜訊 一頻率的函數。這 的方法相反。再來 單位（light units) 機雜訊1 2。該雜訊在 補償全色調影像資 消除。其它選擇包含 至全色調影像。這兩 示雜訊。有少量因量 幅地消除雜訊補償。 態顯示雜訊。大部份 變化雜訊聯結在一起 器皆有一靜態雜訊與< 管顯示器（CRT)具有 〇 量測。除此之外，顯 有雜訊。如圖4 b所討 性可包含人類視覺系統方面。 同的模型24對人類視覺系統22 函式（CSF)模型之簡單二維等 施例。顯示雜訊1 2乃與HVS雜 而，亦可為相乘、依對數空間 如依伽瑪校正空間相加。 與HVS照射敏感度成反比而為 述美國專利案編號5，6 1 9，2 3 0 訊之步驟，Η V S雜訊或顯示雜

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508539 五、發明說明（9) 说’會產生雜δίΐ補领影像資料。該H v s雜訊為動態雜訊而 不會被Η V S 2 2元王消除。然而，該雜訊至少予以部份消 除’部份地將雜訊補償影像資料轉回全色調影像資料。 如上所述，圖4b表示一可能的製造。若固有的顯示雜訊 比假設的HVS雜訊低，顯示雜訊會被完全消除而Hvs雜 唯一自影像減除的雜訊。因為不需要個別顯示雜訊之二 而為製造限制最實際的方法。假隨機雜訊12接著只丄= 自HVS模型24之雜訊。 匕3來 本發明於圖3與圖4a_b所提者可具體地適用於 =的：色 '示器。上述之一般方法可直接適 夕方法 示1§之特性而定。 及特定1 圖5 a為本發明廡田 π ^ …用於一使用無色雜訊之RGB彩多 1〇1 ^17 丄曰 1 A ^ 相同的雜訊場i 2 7¾ 士 。旦/你’ ° /巴_ 10a-c。每—彩色乃加至衫像之所有三個彩色平岛 々巴平面由量化哭1 β 八I 玲 卸 於顯示螢幕1 8。一太八n a C刀別予以直化趣 本發明之次要適應依照射信婕之％示 場夕 4* 丄工，、，θ. > . 一. . ^Ηγδ 器 獻度對R、G和B雜气妒夕* τ文w您佤-射秸3 、久& 之模型。㉟而，若二'大小予以量度。這發生於Hv向貢 ”、、員不器中有非補償灰階非線性 24 、j會 之模型 缺點 圖5 b表示一 '父低雜訊可見度用於避免更多 、丄 巧靨而 產生 能較精細的方法 同假隨機雜訊C的HVS模型24為-用來產生、言可 道之相等輸入雜=l2a —C的彩色模型。該模型包含；:f不 於CIELAB彩色公2及兩條視覺系統之同光顏色通道、，射>通 A制的L·*、A*及6*通道。另外，传 ^

ΐΐί不同CSFs，每一條具有不同的頻寬與形狀。這是為 了產生三個相等輸入雜訊假隨機影 L*、A*、b*域韓換泛RrR代〜诼接者由 β Α轉換至RGB域以加至量化前之影像。 本务明之一重要好處在於雜 權之RPR I於π w 〇·、 Λ與顏色層無關，使得由加 % iRGB加總所形成之照射雜訊 _ ^ ^ ^ ， 施例返少。另一優點為，相較於昭 她1 "iEl 6^7 4§ ^ Γ Q T? ju ^ 、射 CS ，雜訊因其各別 -的ν員見C S F s而在同光丄 古。3〜& 士 - 尤b及6/¥層中於高頻時非常的 損。 55 ^相减中有相同程度之輪廓減 為一具有用於克服圖5b系統之記憶問題之一些效率 之方法。使用Η V S 2 4之一鉦耷描别 1 2。接著於每一層使用^、 、^；，產生一信號雜訊場 ^ ^ τ 漕便用不冋置的空間偏移將該雜訊場加至 顏色平面。這使得這三層成為準獨立 juaS1-independent)，導致較低的照射信號。因為雜訊 丄&通f動相關距離非常的短，使得彩色平面具有一有 效地獨立彩色雜訊。 依據衫像可得之形式，可應用示於圖5d之另一具體實施 例。舉例而s ，若可在c丨EL Αβ顏色成分空間得到影像，雜 訊可直接加諸Α*或Β*層，或兩者。這些近似於同& (ls^l^minant) ’因此並不產生照射信號。hVS對照射信號一 有最问的敏感度’以致於本方法乃闬最小的雜訊可見度打 斷輪廊。這不僅完成於顯示器之量化器16a-c之前，亦在 RGB矩陣步驟26之相反顏色之前。本工具於RGB矩陣之相反 顏色截斷時必須予以注意。在本工具中，雜訊橫跨致意 508539 五、發明說明（11) (comp 1 i men t ary )顏色之總和非固定，但無色成分，一 R、 G及B之加權總和，則為固定。在另一適用者中，圖5c所示 之空間偏移亦可應用於此。 須知對顏色顯示具有特定細節之具體實施例只提供於 HVS雜訊之程序中，只用於討論之簡單性。這些具體實施 例可包含靜態顯示，或固定形式錯誤，以及圖4 a之雜訊 2 0。該方法未限制本發明應用之目的。 使用靜態顯示雜訊、Η V S雜訊或兩者皆用之一般方法之 應用可有效地延展位元深度限制性顯示之位元深度。由試 驗可知，感官的位元深度可由每個像素6個位元增加到8或鲁 9個位元。 因此，即使已扼要地說明用於顯示之位元深度延展之一 方法及架構的特別具體實施例，除了底下申請專利範圍所 提之外，這些特定的參考說明並不侷限本發明之範疇。

第15頁 508539 案號 89121824 ^_η 修正

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Claims (1)

1. 508539 案號 89121824 修正 六、申請專利範圍 1 . 一種用於延展顯示系統位元深度之方法，包含如下步 ιΕ 不 有 顧 變 t f 准 縿 驟： a)b) 訊（1 2 ) c) 償影像 知 Λ λ n d)I e) f料於顯 f/ 2 · 士口 年之步驟 Y視覺系 3. 一 ή if 3驟 s a)b) c ) 償影像d) e) 料由一 4 ·如 於決定 量測 產生 自影 資料 量4匕 顯示 示裝 申請 另外 統雜 種用 決定 由該 由影 資料 量4匕 顯不 人類 申請 該人 一顯示裝置（1 4 )之靜態顯示雜訊； 使用該顯示裝置（1 4 )靜態顯示雜訊之假隨機雜 像資料減除假隨機雜訊（1 因而產生雜訊補 該雜訊補償影像資料；以及 該雜訊補償影像資料，而使該雜訊補償影像資 置（1 4 )上實質上轉回影像資料。 專利範圍第1項之方法，其中產生假隨機雜訊 包含決定人類視覺系統（2 2 )雜訊及組合該人類 訊與該靜態顯示雜訊。 於延展顯示系統位元深度之方法，包含如下步 人類視覺系統（2 2 )雜訊； 人類視覺系統雜訊產生假隨機雜訊（1 2 ); 像資料減除假隨機雜訊（1 2 )，因而產生雜訊補 ， 該雜訊補償影像資料；以及 該雜訊補償影像資料，而使該雜訊補償影像資 視覺系統（2 2 )至少部份轉回影像資料。 專利範圍第3項之方法，其中一無色模型乃用 類視覺系統雜訊。

   O:\67\67102-910918.ptc 第17頁 508539 案號 89121824 Λ_ 曰 修正 六、申請專利範圍 其中一雜訊場乃加至 其中每個顏色平面之 其中一彩色模型乃用 其中一不同的雜訊場 其中該雜訊乃在相反 ，其中該產生假隨機雜 5 .如申請專利範圍第4項之方法 每個顏色平面。 6 .如申請專利範圍第4項之方法 雜訊場皆有不同的空間偏移。 7.如申請專利範圍第3項之方法： 於決定該人類視覺系統雜訊。 lb 文- .8.如申請專利範圍第7項之方法 乃產生於每個顏色平面。 9.如申請專利範圍第7項之方法， ?ί 顏色轉換至RGB之前予以加入。 1 0 .如申請專利範圍第3項之方法 訊之步驟另外包含量測一顯示裝置（1 4)之靜態顯示雜訊及 組合該靜態顯示雜訊與該人類視覺系統雜訊。 1 1 . 一種用於延展顯示系統位元深度之方法，包含如下 步驟： > a )決定人類視覺系統（2 2 )雜訊； b )量測一顯示裝置之靜態雜訊； c)組合該人類視覺系統雜訊與該顯示裝置（1 4)之靜態 雜訊以產生假隨機雜訊（1 2 ); d )自影像資料減除該假隨機雜訊（1 2 )，因而產生雜訊 補償影像資料； e )量化該雜訊補償影像資料；以及 f)顯示該雜訊補償影像資料。

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