專利名稱：在數字顯示設備上顯示視頻圖像的方法
技術領域：
本發明涉及一種在數字顯示設備上顯示視頻圖像的方法。更具體地，本發明應用于電視機或監視器的投影和背投影。
背景技術：
在顯示設備中，數字顯示設備是包括可以采用有限數量的照明值的一個或多個單元的設備。當前，該有限數量的值等于二，并且與單元的導通和斷開狀態相對應。為了獲得大量的灰度級，已知的是，在視頻幀上對單元的狀態進行時間調制，從而由人眼通過對這些狀態的變化所得到的光的脈沖進行積分，可以檢測中間灰度級。
在已知的數字顯示設備中，存在包括數字微鏡矩陣或DMD矩陣(DMD代表數字微鏡設備)的設備。DMD矩陣是通常用于視頻投影的組件，由在其上安裝了根據數字數據來控制的幾千個微反射鏡的芯片形成，用于通過按照反射或阻止來自外部源的光的方式樞軸運動，將圖像投影到屏幕上。利用這樣的微鏡矩陣并且基于光的數字方法的該技術已知為“數字光方法”或DLP。
在DLP技術中，對于每一個要顯示的圖像像素提供了一個微鏡。微鏡表現為兩個操作位置，即，在靜態位置的任一側的主動(active)位置和被動(passive)位置。在主動位置，微鏡相對于其靜止位置傾斜了幾度(大約10度)，從而將來自外部源的光通過投影透鏡投影到屏幕上。在被動位置，微鏡沿相反的方向傾斜幾度，從而將來自外部源的光導向光吸收器。因此，使像素發光的時間段對應于其間相關微鏡處于主動位置的時間段。
因此，如果提供給微鏡矩陣的光是白光，則與主動位置處的微鏡相對應的像素是白色的，并且與處于被動位置處的微鏡相對應的像素是黑色的。通過與PWM(PWM代表脈沖寬度調制)調制相對應地、對投影到屏幕上的光進行時間調制，來獲得中間灰度級。具體地，每一個微鏡能夠以一秒幾千次來改變位置。人眼不會檢測到位置的這些變化，也不會檢測到由其而產生的光脈沖，但是對其間的脈沖進行積分，并且因而感知到平均光水平。因此，由人眼所檢測到的灰度級直接與在視頻幀的過程中微鏡處于主動位置的時間成正比。
為了獲得256個灰度級，例如，將視頻幀分割為8個連續的不同權重的子周期。這些子周期通常被稱為子場。在每一個子場期間，微鏡或者處于主動位置，或者處于被動位置。每一個子場的權重與其持續時間成正比。圖1示出了在視頻幀內的子場的典型分布。根據國家的不同，視頻幀的持續時間是16.6或20ms。作為示例給出的視頻幀包括相應權重1、2、4、8、16、32、64和128的子場。像素的發光周期對應于其中相關微鏡處于主動位置的子場。人眼對像素發光周期進行時間積分，并且檢測在視頻幀期間與發光周期的整個持續時間成正比的灰度級。
存在與發光周期的時間積分有關的幾個問題。出現了假輪廓的問題，特別是當對象在兩個連續圖像之間運動時。該問題表現為在通常難以覺察的灰度級過渡上的暗帶或亮帶的出現。對于彩色設備，這些帶可能是彩色的。
圖2示出了假輪廓的問題，表示了兩個連續圖像I和I+1的子場，包括在灰度級127和灰度級128之間的過渡。該過渡在圖像工和圖像I+1之間以4個像素運動。在該圖中，縱坐標軸表示時間軸，而橫坐標軸表示不同圖像的像素。由人眼所進行的積分相當于沿圖中所示的斜線進行時間積分，這是由于人眼趨向于跟隨運動中的對象。因此，其對源自不同像素的信息進行積分。該積分的結果非常明顯，在灰度級127和128之間的過渡時刻處，出現等于零的灰度級。穿過零灰度級引起了在過渡級處的暗帶的出現。在相反的情況下，如果過渡從級128到級127，則在過渡的時刻處出現與亮帶相對應的級255。
對該問題的已知解決方案在于“打碎”高權重的子場，從而減小積分誤差。圖3示出了與圖2相同的過渡，但是具有7個權重32的子場，替代權重32、64和128的三個子場。于是，積分誤差的最大值為等于32的灰度級。
還能夠不同地分配灰度級，但是仍然存在積分誤差。
此外，如在所有視頻設備中那樣，彩色圖像的顯示需要顯示三個圖像(紅色、綠色和藍色)。在具有單個DMD矩陣的投影機中，順序地顯示這三個圖像。結果，這樣的投影機包括旋轉輪，所述旋轉輪包括紅色、綠色和藍色濾色器，通過所述濾色器，在將其傳送到DMD矩陣之前，對從投影機的源中發出的白光進行濾色。在視頻幀期間，向DMD矩陣順序地提供了紅色、綠色和藍色光。旋轉輪通常包括六個濾色器(兩個紅色、兩個綠色、兩個藍色)，并且以150或180轉/秒，即，3轉每視頻幀的頻率旋轉。將視頻圖像的R、G和B分量的數字數據按照與紅色、綠色和藍色光同步的方式提供給DMD矩陣，從而利用適當的光來顯示圖像中的R、G和B分量。因此，將視頻幀分割為18個時間分段，針對每一個顏色6個時間分段，如圖4所示。在20ms的視頻幀的情況下，每一個分段的持續時間大約為1.1ms。針對每一顏色，在每一個顏色的6個時間分段上分配圖1所示的子場。例如，將高權重的子場分割為每一個均與不同時間分段相關聯的六個基本周期，而低權重的子場僅出現在6個分段之一中。
該類投影機表現出顏色分離缺陷，還被稱為“顏色打碎”，這是由于顏色的順序顯示而導致的。無論何時當人眼跟隨在圖像中快速前進的運動對象時，該缺陷是可見的。表現出強對比度的圖像的亮區看起來暫時沿運動方向打碎為紅色、綠色和藍色帶。假定順序地顯示圖像的R、G、B分量，并且在跟隨運動的同時眼睛也發生移動，因此，在眼睛的視網膜的不同位置上再現這些顏色。因此，這阻止大腦將其一起積分為彩色圖像。同樣，眼睛在靜態圖像上的突然運動也可能會中斷在大腦中的光脈沖的積分，并且干擾實際灰度級的感知。
發明內容
本發明的一個目的是提出一種在數字顯示設備上顯示視頻圖像的方法，能夠減小甚或消除假輪廓效應的這些問題。
本發明的另一目的是提出一種顯示方法，當在數字顯示設備上順序地顯示顏色時，能夠限制這些顏色分離問題。
此外，根據本發明，提出了將特定的編碼應用于提供給DMD矩陣的數字數據，以緩解或抑制與時間積分、以及與視頻圖像的R、G、B分量的順序顯示有關的所有干擾。
本發明是一種在視頻幀期間、在數字顯示設備上顯示視頻圖像的方法，所述視頻幀至少包括用于顯示灰度級的兩個不同時間分段，所述數字顯示設備包括多個單元，每一個單元能夠選擇性地采取導通狀態或斷開狀態，而且，每一個單元能夠在視頻幀期間改變狀態多次。在視頻幀的每一個時間分段期間，每一個單元最多改變狀態一次。
當在數字顯示設備中，分別通過紅色、藍色和藍色的三個圖像的順序顯示，來執行視頻圖像的顯示時，針對每一顏色，視頻幀至少包括兩個不連續的時間分段。
優選地，每一個時間分段包括具有不同的持續時間的多個連續子場，并且在每一個子場期間，每一個單元或者處于導通狀態，或者處于斷開狀態。
特別地，該顯示器能夠不將任何“時間間隔”引入到分段中，該時間間隔通常為時間積分期間的干擾的生成元。
優選地，對于每一顏色，按照所述單元的導通狀態的持續時間根據反伽馬校正曲線而增加的方式，來確定所述至少兩個時間分段的子場的持續時間。
本發明還是一種在視頻幀期間對視頻圖像進行數字顯示的設備，所述視頻幀至少包括用于顯示灰度級的兩個不同時間分段，所述數字顯示設備包括多個單元，每一個單元能夠選擇性地采取導通狀態或斷開狀態，而且每一個單元能夠在視頻幀期間改變狀態多次。所述設備包括用于在視頻幀的每一個時間分段期間最多改變單元狀態一次的裝置。
根據一個實施例，所述數字顯示設備包括微鏡的數字矩陣。數字顯示設備的每一個單元與微鏡相關聯。當相關微鏡處于其中有助于將光投影到設備屏幕上的主動位置處時，所述設備的單元處于導通狀態，而當相關微鏡處于其中阻止將光投影到所述屏幕上的被動位置處時，所述設備的單元處于斷開狀態。
通過閱讀以下參考附圖所給出的詳細描述，本發明的其他特征和優點將變得顯而易見，其中圖1示出了在針對脈沖持續時間調制設備的視頻幀中的子場的典型分布；圖2示出了當過渡在兩個連續圖像之間運動時所出現的假輪廓效應的現象；圖3示出了用于限制假輪廓效應的現象的已知解決方案；圖4示出了用于在具有單個數字微鏡矩陣的設備中顯示彩色圖像的傳統視頻幀；圖5示出了在本發明的方法的典型實施例中，表示每一個灰度級的發光時間的曲線圖；圖6示出了針對本發明的方法的所述典型實施例，在每一個顏色的第一分段中的子場分布；圖7示出了用于實現本發明的方法的典型設備。
具體實施例方式
根據本發明，提出了使用一種針對視頻幀的每一個分段上的灰度級的所謂增量編碼。
對該增量編碼進行設計，從而在顯示視頻圖像期間，不會產生與由人眼進行的時間積分有關的干擾。根據應用于提供給DMD矩陣的數字數據的該編碼，在視頻幀的每一個分段期間，DMD矩陣的微鏡最多改變位置一次。因此，如果在分段的開始，微鏡處于主動位置，并且在該分段的過程中切換到被動位置，則其保持在該位置，直到分段結束為止。
更一般地，這相當于說，根據本發明，在視頻幀的每一個分段期間，數字顯示設備的單元最多改變狀態(導通或斷開)一次。
視頻幀的每一個分段包括多個不同權重的子場。如在背景技術中所示，在子場期間，微鏡并不改變位置。此外，如果在分段的開始，DMD矩陣的微鏡處于主動位置，并且在該分段的子場的開始處切換到被動位置，則在分段的剩余子場期間，該微鏡保持在該位置。
該編碼允許僅顯示有限數量的可能灰度級。對于包括N個子場的分段，其允許顯示最大N+1個灰度級值。然而，通常被稱為“抖動”的誤差廣播或噪聲處理技術對于本領域的技術人員而言是已知的，該技術能夠補償該少量的灰度級。“抖動”技術的原理在于將所尋求的灰度級分解為可顯示的灰度級的組合，通過時間積分(在多個連續圖像上顯示這些灰度級)或通過空間積分(在包括相關像素的圖像的區域中顯示這些灰度級)，在屏幕上恢復與所尋求的灰度級接近的灰度級。
該編碼的主要優點在于其不會在分段中產生任何“時間間隔”，所述間隔是時間積分期間干擾的生成元。時間間隔指定了兩個斷開子場(其中像素表現為零灰度級的子場)之間的“導通”子場(其中像素表現為非零灰度級的子場)，反之亦然。
為了示出本發明的方法，我們將考慮具有20ms的持續時間(頻率＝50Hz)且包括每一個顏色6個時間分段，即18個時間分段的視頻幀。每一個時間分段表現為大約1.1ms的持續時間，假定在當前的DLP技術中，DMD矩陣的全體微鏡的尋址花費了大約95微秒，能夠針對每一顏色，以每幀至少60次，即每個分段十次，對DMD矩陣進行尋址。因此，我們將使用包括61個灰度級的遞增編碼(零灰度級+60個非零灰度級)。
以下所示的表1將灰度級的61個值的每一個與視頻幀期間的發光時間值相關聯。表1的第一列對應于灰度級的索引，第二列對應于在視頻幀期間獲得這些灰度級的發光時間(單位為微秒)，以及第三列示出了在所考慮的灰度級和前一個灰度級之間的發光時間(單位為微秒)上的差值。
表1在表1中，有利地，已經選擇了發光時間值以使其遵循反伽馬校正曲線。在本文件中，反伽馬校正對應于對將要在顯像管中看到的特定圖像源中所存在的伽馬校正的抑制。具體地，與陰極射線管相比，在DMD矩陣的輸入(初始圖像)上的灰度級和輸出(屏幕)上的灰度級之間的比值是線性的。現在，假定在攝像機級上，對源圖像執行伽馬校正，則必須將反伽馬校正應用于來自攝像機的圖像，以獲得屏幕上的正確圖像。因此，根據本發明，在對提供給DMD矩陣的數字數據進行編碼的過程中，進行該反伽馬校正。
由以下的公式給出了在表1中所采用的反伽馬校正曲線 出于簡化的原因，在該表中，我們考慮同一顏色的6個時間分段的總持續時間是6ms而不是6.66ms。還以圖5中的曲線的顯示來示出該表。該曲線立即顯示出在該表中所定義的發光時間實際上遵循反伽馬校正曲線。
針對每一種顏色，在6個時間分段上分配每一個灰度級的發光時間。根據本發明，在每一個時間分段，由最多一個可變持續時間的光脈沖來再現該發光時間，這是由于在每一個時間分段的過程中，微鏡最多改變位置一次。
在兩個連續的灰度級之間的發光時間上的差值與視頻幀的六個時間分段之一相關聯。因此，對于給定的灰度級，在視頻幀的單個分段上實現與該灰度級和緊鄰的較低灰度級之間的發光時間上的差值相對應的附加發光時間。表2示出了每個灰度級的附加發光時間的位置。該表2針對由其索引標記的每一個灰度級，更為精確地表示了其中執行了附加發光時間的分段。
表2例如，表2示出了通過相對于灰度級NG27，增加視頻幀的第四分段的發光時間，獲得了NG28的灰度級。
在下表3中表示了針對緊鄰的較低灰度級的每一個灰度級的附加發光時間。
表3返回到上述示例，圖3表示通過相對于灰度級NG27，將第四分段<p>表13-2-4(續)
表5參考表4，能夠確定每一個顏色的6個時間分段的10個子場(每一個時間分段10次尋址)的持續時間。例如，第一分段包括10個子場，分別具有持續時間181.35μs、161.39s、141.42μs、121.46μs、101.49μs、81.53μs、62.56μs、41.59μs、21.63μs和12μs。圖6示出了第一時間分段的子場分布。
持續時間為121μs、(分段1)、16.99μs(分段2)和25.31μs(分段3)的子場在與其他子場相同的時間處，決不會為“導通”，并且僅用于顯示灰度級NG1、NG2和NG3。
對于除了級NG1、NG2和NG3之外的其他所有灰度級，在這三個子場的開始處，所涉及的微鏡切換回靜止位置。因此，對于所有灰度級，在視頻幀的每一個時間分段的過程中，位置最多從被動位置向主動位置切換一次(反之亦然)。
而且，為了不加重顏色分離的問題(或顏色打碎)，在6個時間分段上均勻地分布發光時間，特別是對于最高灰度級(參見表5)。
該方法還能夠獲得針對低灰度級的高分辨率。具體地，當在級NG1和NG2之間的間隔為4.99微秒時，獲得了10比特(6000/4.99)的分辨率。通過減小該間隔，能夠進一步減小該分辨率(對于3微秒的間隔為11比特)。在當前所采用的編碼中，該分辨率最好為9個比特(該技術采用12微秒的間隔)。
非常多的結構能夠用于實現本發明的方法。在圖7中示出了用于實現本發明的方法的設備。由誤差傳輸電路10和用于限制要顯示的灰度級的數量的量化電路11來接收R、G、B視頻信號流。這兩個電路用于實現“抖動”技術。在誤差傳輸電路10中所實現的算法是諸如Floyd和Steinberg。在量化結束時，灰度級以6比特進行編碼(61個可能的灰度級)。接下來，由電路12處理這些信號，所述電路12用于更具體地實現本發明的方法。可以將電路12定義為查找表或LUT，作為輸入接收以6比特進行了編碼的灰度級，并且作為輸出提供以60比特(針對每一個分段，10個比特)進行了編碼的灰度級，所分配的60比特中的每一個涉及二元(binary)平面，并且每一個二元平面對應于子場的顯示。在來自電路12的輸出上的以60比特進行了編碼的灰度級符合本發明，這在于當與時間分段有關的10比特之一改變了值時，該分段的隨后的比特保持該值。接下來，將以60比特進行了編碼的灰度級存儲在圖像存儲器13中，每一個比特存儲在專用于二元平面的存儲區中。接下來，由DMD矩陣14來讀取這些二元平面。僅通過圖示給出了該方案。
已經在包括數字微鏡矩陣的數字顯示設備的框架內描述了本發明。本發明并不局限于該類設備。本發明可以用于表現出與微鏡相同的特性的其他方式的顯示器，例如，數字顯示器或LCOS型顯示器。
權利要求
1.一種在視頻幀期間、在數字顯示設備上顯示視頻圖像的方法，所述視頻幀至少包括用于顯示灰度級的兩個不同時間分段，所述數字顯示設備包括多個單元，每一個單元能夠選擇性地采取導通狀態或斷開狀態，而且，每一個單元能夠在視頻幀期間改變狀態多次，其特征在于在視頻幀的每一個時間分段期間，每一個單元最多改變狀態一次。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于分別通過紅色、藍色和藍色的三個圖像的順序顯示，來執行視頻圖像的顯示，并且針對每一顏色，視頻幀至少包括兩個不連續的時間分段。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于每一個時間分段包括具有不同的持續時間的、被稱為子場的多個連續子周期，并且在每一個子周期中，每一個單元或者處于導通狀態，或者處于斷開狀態。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于對于同一顏色，所述至少兩個時間分段包括不同的多個子場。
5.根據權利要求3或4所述的方法，其特征在于對于每一顏色，按照所述單元的導通狀態的持續時間根據反伽馬校正曲線而增加的方式，來確定所述至少兩個時間分段的子場的持續時間。
6.根據權利要求3到5之一所述的方法，其特征在于每一個時間分段的子場的總持續時間實質上等于所有所述至少兩個時間分段所共用的預定值。
7.一種在視頻幀期間對視頻圖像進行數字顯示的設備，所述視頻幀至少包括用于顯示灰度級的兩個不同時間分段，所述數字顯示設備包括多個單元，每一個單元能夠選擇性地采取導通狀態或斷開狀態，而且每一個單元能夠在視頻幀期間改變狀態多次，其特征在于所述設備包括用于在視頻幀的每一個時間分段期間最多改變單元狀態一次的裝置。
8.根據權利要求7所述的設備，其特征在于包括分別順序地顯示紅色、綠色和藍色的三個圖像的裝置，針對每一顏色，所述視頻幀至少包括兩個非連續的時間分段。
9.根據權利要求7或8所述的設備，其特征在于所述設備包括微鏡的數字矩陣，所述設備的每一個單元與微鏡相關聯，并且當相關微鏡處于其中有助于將光投影到設備屏幕上的主動位置處時，所述設備的單元處于導通狀態，而當相關微鏡處于其中阻止將光投影到所述屏幕上的被動位置處時，所述設備的單元處于斷開狀態。
全文摘要
本發明涉及一種在視頻幀期間、在數字顯示設備上顯示視頻圖像的方法，所述視頻幀至少包括用于顯示灰度級的兩個不同時間分段。所述設備的單元能夠選擇性地采取導通狀態或斷開狀態。而且，所述單元能夠在視頻幀期間改變狀態多次。根據本發明，在視頻幀的每一個時間分段期間，所述單元最多改變狀態一次。本發明能夠緩解或抑制與時間積分、以及與視頻圖像的R、G、B分量的順序顯示有關的干擾。
文檔編號G09G3/20GK1639764SQ03805416
公開日2005年7月13日 申請日期2003年3月7日 優先權日2002年3月7日
發明者迪迪埃·杜瓦揚, 蒂埃里·博雷爾, 喬納森·克維克 申請人:湯姆森許可貿易公司