專利名稱：：具有最小噪聲的像素移位顯示的制作方法
技術領域：
：本發明涉及用于使脈寬調制顯示器中的噪聲最小化的技術。
背景技術：
：目前存在利用一種被稱為數字微鏡器件(DigitalMicromirrorDevice，DMD)的半導體器件的電視投影系統。DMD是德州儀器公司(TexasInstrumentsCorporation)的商標。使用DMD器件提高顯示圖像分辨率的技術包括所謂的“平滑像素”(smoothpixel)或“像素移位”(pixelshifting)技術。根據平滑像素技術，在第一時間段期間，從DMD元件反射的光到達擺動鏡(wobblemirror)等，所述擺動鏡等在一個位置處可以實現約一半像素的顯示。在第二時間段期間，擺動鏡轉動到不同的位置，實現對剩余一半像素的顯示。除了實現像素移位以外，采用像素移位技術的DMD通常還執行誤差擴散(errordiffusion)。雖然努力降低噪聲，但像素移位技術與現有的誤差擴散器和現有的誤差擴散技術的結合有時會顯示過量的誤差擴散噪聲。因此，存在對降低這種誤差擴散噪聲的技術的需求。
發明內容提供了一種用于降低顯示器中的噪聲的濾波器和方法，在所述顯示器中，在數字顯示裝置上顯示相繼的幀，所述相繼的幀包含相應的相繼的幀像素組。對相繼的幀的像素進行濾波，以使得每個像素具有包括整數部分和小數部分的強度值。將第一幀的至少一個像素與第二幀的至少一個像素一起編組，以使得所述第二幀的像素在空間上與所述第一幀的像素相鄰。將第一與第二幀像素強度值的小數部分結合。根據其結合后的小數部分來控制所述被編組的第一和第二幀像素的亮度。圖1示出了適于實現本發明實施例的示例性顯示系統的框圖；圖2示出了圖1的系統的調色盤的一部分；并且圖3示出了圖1的顯示系統中的DMD成像器內的圖1的系統像素陣列的一部分，并示出了像素移位。圖4示出了適于實現根據本發明一個實施例的誤差擴散的像素濾波器。圖5是示出了根據本發明另一實施例的適于在多于一個的幀中實現的像素濾波器的基本框圖。具體實施例方式典型的DMD包含被排成矩形陣列的多個可單獨移動的微鏡。每個微鏡在相應的其中鎖存了一個比特的驅動單元的控制下轉動一有限弧度，該弧度通常在10°～12°的量級上。當應用了預先鎖存的“1”的比特時，驅動單元使其相關聯的微鏡轉動到第一位置。反之，對預先鎖存的“0”的比特的應用使驅動單元將與其相關聯的微鏡轉動到第二位置。通過在光源和投影透鏡之間適當地定位DMD，當DMD器件的每個單獨的微鏡被其相應的驅動單元轉動到第一位置時，該微鏡將會反射來自光源的光，使之通過透鏡并到達顯示屏上，以照亮顯示屏中的一個單獨的畫面元素(像素)。當每個微鏡被轉動到其第二位置時，該微鏡將光反射為遠離顯示屏，使相應的像素看起來是暗的。這種DMD器件的一個例子是可從德克薩斯州達拉斯的德州儀器公司得到的DLPTM系統的DMD。包含DMD的電視投影系統通常通過控制各個微鏡保持“開”(即被轉動到其第一位置)的時段與該微鏡保持“關”(即被轉動到其第二位置)的時段之比(在下文中稱為微鏡占空因數(dutycycle)，來控制各個像素的亮度(brightness)。為此，現在的這種DMD型投影系統通常根據脈寬段(pulsewidthsegment)序列中的脈沖狀態改變每個微鏡的占空因數，從而用脈寬調制來控制像素亮度。每個脈寬段包含一串持續時間不同的脈沖。脈寬段中每個脈沖的激勵狀態(即每個脈沖被接通還是關斷)分別決定了該微鏡在該脈沖的持續期間保持開還是關。換言之，在一個畫面時段期間，脈寬段中被接通(激勵)的總脈沖寬度之和越大，與這些脈沖相關聯的微鏡的占空因數就越長，在此時段期間的像素亮度就越高。在利用這種DMD成像器的電視投影系統中，畫面周期(即顯示相繼的圖像之間的時間)取決于所選擇的電視標準。當前美國使用的NTSC標準采用1/60秒的畫面周期(幀間隔)，而某些歐洲電視標準(例如PAL)采用1/50秒的畫面周期。現在的DMD型電視投影系統通常通過在每個畫面時段期間同時或依次投影紅色、綠色和藍色圖像來提供彩色顯示。典型的DMD型投影系統利用置于DMD光路中的色彩變換器(colorchanger)，其通常形式是馬達驅動的調色盤。調色盤具有多個單獨的原色窗，通常是紅色、綠色和藍色的，因此在相繼的時段期間，紅光、綠光和藍光分別落在DMD上。利用DMD成像器的電視投影系統有時顯出一種被稱為“紗門效應”(screendooreffect)的偽像，其表現為屏幕上模糊的柵格狀圖案。為了克服這一問題，新型的DMD實現了像素移位(pixelshifting)。這種新型DMD成像器具有“鉆石像素”(diamondpixel)鏡組成的五點梅花形(quincunx)陣列。這些鉆石像素鏡實際包含被定向為45°角的正方形像素鏡。在第一時段期間，從鉆石像素微鏡反射的光到達擺動鏡(wobblemirror)等，該擺動鏡在一個位置可以實現約一半像素的顯示。在第二時段期間，擺動鏡轉動以實現剩余一半像素的顯示。為了討論，將把在第一時段和第二時段期間顯示的像素分別稱為“第一時段”像素和“第二時段”像素。根據本發明的實施例，用于由DMD顯示的輸入像素值被通過去γ校正表(degammatable)進行處理，使得每個像素信號具有一個整數值和一個小數值。由于DMD僅能顯示整數值，因此與每個像素值相關聯的小數部分就代表誤差。誤差擴散器將此小數部分跟與在同一時段期間顯示的相鄰像素相關聯的像素值的整數和小數部分相加。如果和的整數值增加了，則相鄰像素通過將亮度增加1個最低有效位(LSB)來顯示結果。小數部分的和有時可以得到如下的小數值，該小數值被傳遞到再下一個第一時段像素，以和與其相關聯的像素值的整數和小數部分結合。每個像素看起來好像不接收來自多于一個的其他像素的誤差。圖1示出了典型的彩色顯示系統10。系統10包含位于橢圓反射器13焦點處的燈12，該橢圓反射器13反射來自燈的光，使之通過調色盤14進入勻光桿(integratorrod)15。馬達16旋轉調色盤14，以將紅、綠和藍原色窗中單獨的一個置于燈12和勻光桿15之間。在圖2所示的示例性實施例中，調色盤14分別具有沿直徑相對的紅色、綠色和藍色窗171和174、172和175，以及173和176。因此，當馬達16沿逆時針方向旋轉圖2的調色盤14時，紅光、綠光和藍光將會按RGBRGB的順序到達勻光桿15。實踐中，馬達16以足夠高的速度旋轉調色盤14，以使得在每個畫面時段期間，紅光、綠光和藍光中的每一個都到達勻光桿4次，在畫面時段內產生12幅彩色圖像。也存在其他用于連續提供三原色中每種色彩的機構。例如，色彩滾動(colorscrolling)機構(未示出)也可以執行此任務。參照圖1，當來自燈12的光通過調色盤14的紅色窗、綠色窗和藍色窗中相繼的一個時，勻光桿15將來自燈12的光集中到一組中繼光學器件(relayoptics)18。中繼光學器件18將光擴展成多條光束，這多條光束到達折光鏡(foldmirror)20，該折光鏡20反射光束使之通過一組透鏡22到達全內反射(TIR)棱鏡23上。TIR棱鏡23將光反射到數字微鏡器件(DMD)24上，以反射到像素移位機構25中，所述像素移位機構25將光導入透鏡26中以投影到屏幕28上，所述DMD24例如是德州儀器公司制造的DMD器件。像素移位機構25包括由致動器(未示出)控制的擺動鏡27，該致動器例如是壓電晶體或磁線圈。DMD24的形式是具有排成陣列的多個單獨的鏡(未示出)的半導體器件。例如，德州儀器公司制造并銷售的平滑畫面(smoothpicture)DMD具有460,800個微鏡組成的陣列，其如下文所述可以實現921,600個像素的畫面顯示。其他DMD可以具有不同的微鏡排列。如前所述，DMD中的每個微鏡響應于預先鎖存在相應驅動單元(未示出)中的二進制比特的狀態，在該驅動單元的控制下旋轉一有限弧度。每個微鏡根據被應用到驅動單元的鎖存的比特分別是“1”還是“0”，而旋轉到第一位置和第二位置之一。當旋轉到第一位置時，每個微鏡反射光使之進入像素移位機構25，然后進入透鏡26，以投影到屏幕28上去照亮相應的像素。當每個微鏡保持旋轉到其第二位置時，相應像素看起來是暗的。每個微鏡反射光的時段(微鏡占空因數)決定了像素亮度。DMD24中的各個驅動單元接收來自驅動電路30的驅動信號，驅動電路30的類型是本領域公知的，例如在以下論文中描述的電路“HighDefinitionDisplaySystemBasedonMicromirrorDevice”，R.J.Grove等，InternationalWorkshoponHDTV(1994年10月)(通過引用合并在此)。驅動電路30根據由處理器29提供到驅動電路的像素信號來生成用于DMD24中的驅動單元的驅動信號，處理器29在圖1中被示為“脈寬段生成器”。每個像素信號的典型形式是包含一串持續時間不同的脈沖的脈寬段，每個脈沖的狀態決定了微鏡在該脈沖的持續時間內保持開還是關。一個脈寬段內可以出現的最短可能脈沖(即，一個1脈沖)(有時被稱為最低有效位或LSB)通常具有8微秒的持續時間，而段中較大的脈沖這的每個所具有的持續時間都長于LSB時段。實踐中，脈寬段內的每個脈沖都對應于數字比特流內的一個比特，該比特的狀態決定了相應的脈沖是被接通還是被關斷。“1”比特代表被激勵(接通)的脈沖，而“0”比特代表被禁止(關斷)的脈沖。驅動電路30還控制像素移位機構25內的致動器。在第一時段期間，像素移位機構25內的致動器將擺動鏡27保持在第一位置，以實現大約一半像素的顯示，所述一半像素中的每一個由圖3中標有標號1的實線矩形表示。在第二時段期間，像素移位機構25內的致動器將擺動鏡27移動到第二位置，以實現剩余一半像素的顯示，所述剩余一半像素中的每一個由圖3中標有標號2的虛線矩形表示。可以理解，像素移位機構25有效地使由于每個微鏡而顯示像素的數量加倍。在現有技術中，DMD24實現誤差擴散，雖然進行誤差擴散的具體過程仍是DMD制造商的商業秘密。已知的是用于由DMD24顯示的輸入像素值通過去γ校正表(未示出)進行處理。去γ校正表輸出的像素值將具有整數部分和小數部分。由于DMD24將僅顯示整數值，因此與每個像素值相關聯的小數部分就代表誤差。誤差擴散器(未示出)將此小數部分跟與在同一時段期間顯示的相鄰像素相關聯的像素值的整數和小數部分相加。如果和的整數值增加了，則相鄰像素將顯示該較高整數。小數部分的和有時可以得到如下的小數值該小數值被傳遞到再下一個第一時段像素，以和與其相關聯的像素值的整數和小數部分結合。每個像素看起來好像接收來自不多于一個其他像素的誤差。實踐中，DMD24實現的這種誤差擴散產生了可見的誤差。根據本發明，通過將每個第一時段像素的像素值與至少一個被編組的第二時段像素的像素值相結合，降低了可見誤差，所述第二時段像素在空間上相鄰于相應的第一時段像素。參照圖3可以最好地看出這種編組，圖3示出了圖1的DMD24的平滑像素陣列的一部分。圖3中標有標號“1”的元素指第一時段像素，而標有標號“2”的元素指示第二時段像素，第二時段像素中的一個或多個被與相關聯的第一時段像素一起編組。根據本發明，為了實現噪聲降低，每個第一時段像素強度(intensity)值的小數部分被與至少一個被編組的第二時段像素強度值的小數部分相結合。如果結合后的小數部分至少等于1(unity)，則所述至少一個第二時段像素值的強度的整數部分加1，并且其小數部分變為零。現在，用結合后的小數部分減去1的值來代替第一時段像素的小數部分。這樣，在第一時段和第二時段之間發生光強度的移位。因此，第二時段像素的光強度增加了1，而第一時段像素的強度降低了，這是因為結合后的小數部分減去1以后不是大于，而是很可能小于先前的第一時段像素的小數部分。表I用圖表的方式示出了上述第一時段像素值和第二時段像素值的結合。從表I可見，術語“像素1”和“像素2”分別指第一時段像素強度值和第二時段像素強度值，并分別具有整數部分“a”和“c”及小數部分“b”和“d”。像素1和像素2的像素值的整數和小數部分分別表示為“a.b”和“c.d”。表I像素1像素2輸入的像素值a.bc.d小數部分之和b+d新像素值(b+d＜1)ac.(b+d)新像素值(b+d＞1)a.(b+d-1)c+1當第一時段像素和至少一個第二時段像素(分別是像素1和像素2)的小數部分的結合(b+d)超過1時，像素2的整數部分(c)增加1。像素1和像素2的結合后的小數部分減1(對應于表達式b+d-1)現在代替了像素1的小數部分。當小數部分的結合(b+d)不超過1時，結合值(b+d)代替像素2先前的小數部分，而第一時段像素(像素1)的小數部分變為零。使用此技術，當結合后的小數值b+d≥1時，第二時段像素值的小數部分變為零。在這種情況下，所有的誤差擴散噪聲(如果有的話)出現在第一時段中，以平衡由將第二時段像素的整數部分加1引起的第二時段中光強度的增加。當結合后的小數值不超過1(即b+d＜1)時，噪聲保持與第二時段的關聯，而這時沒有與第一時段像素相關聯的噪聲。因此，由于在時段之間發生作為本發明的噪聲降低過程結果的強度移位，場景內(即第一時段和第二時段內)的整體光保持大約相同。簡言之，根據本發明的實施例，提供了一種用于降低脈寬調制顯示器中的噪聲的方法，在所述顯示器中，第一像素在第一時段期間出現，并且第二像素在第二時段期間出現。該方法開始于對一組輸入像素值進行濾波，每個像素值指示相應像素的亮度，以使得在濾波之后，每個像素值具有整數和小數部分。每個第一時段像素被與至少一個第二時段像素一起編組，所述至少一個第二時段像素在空間上與所述第一時段像素相鄰。將第一時段像素值的小數部分與所述至少一個被編組的第二像素的小數部分結合。根據像素值的小數結合來控制所述至少一個被編組的第二像素的亮度。如果被編組的第一和第二時段像素值的結合后的小數部分的值至少等于1，則第二時段像素值的整數部分加一，并且其小數部分變為零。因此，所述至少一個第二時段像素的亮度增加。結合后的小數部分減去1的值現在成為第一時段像素的小數部分。當結合后的小數部分仍低于1時，結合后的值代替第二時段像素的小數部分，并且第一時段像素的小數部分變為零。上述的噪聲降低方法通過將噪聲限制在一個時段中，有利地降低了可見噪聲的發生率。當結合后的小數部分至少等于1時，第二時段像素沒有噪聲。噪聲(如果有的話)變為與第一時段像素相關聯。當結合后的小數部分不超過一時，噪聲(如果有的話)變為與第二時段像素相關聯，并且沒有與第一時段像素相關聯的噪聲。雖然上述方法將單個第二時段像素與第一時段像素一起編組，但可能進行其他編組。例如，可能在每個第一時段像素和多達四個空間上相鄰的第二時段像素之間進行編組。如果在第二時段期間發生的強度增加被基本均等地擴散到所有空間上相鄰的第二時段像素當中，則參照表I描述的像素值的結合和強度調整也適用于其他像素編組。實踐中，上述第一時段和第二時段按時間順序彼此跟隨。然而，并非必須如此。一般而言，術語“第一”和“第二”時段指兩個在時間上相鄰的時段，而沒有特定的發生順序。換言之，第二時段像素可以實際上在時間上首先出現，然后是第一時段像素。上述噪聲降低技術可以應用于非像素移位脈寬調制顯示器。上述方法可以通過將一個圖像幀中的至少一個像素與另一幀中相同位置的至少一個像素一起編組而實現噪聲降低，而非按上述方式將一個幀內的第一時段像素和第二時段像素的小數部分相結合并將噪聲強度限制在一個時段內。與相對于表I描述的類似，兩個幀中編組像素的小數部分將被結合，然后進行兩個幀之間的像素強度調整。因此，在這種情況下，光強度移位將發生在不同圖像幀之間，而非單個幀中的不同時段之間。由于前一段落中的系統顯示了過量的誤差擴散噪聲，因此需要一種方法來減緩之。此方法的一個實施例將會把場1的每個像素與正右方的場2中的像素配對，形成成對像素。在圖1的框中示出了一個這樣的對。圖4示出了用于實現本發明一個實施例的濾波器400的功能框圖。在幀的第一場中，使用用于小數的場存儲器(fieldmemory)410，將小數去除并通過一個場延遲而發送。場1像素的整數部分被作為場1而顯示。在場2的顯示期間，加法器420將成對像素的場1小數與場2的整個像素相加。然后，所產生的信號通過誤差擴散濾波器430并被顯示。使用此算法，被發送到誤差擴散濾波器430的場1像素的小數被設置為0。這防止了誤差擴散(如果在該場存在的話)變更任何場1顯示的像素的整數值。因此，沒有來源于場1的誤差擴散噪聲。然后，使所有誤差擴散噪聲的產生進入到場2中。這樣做的結果之一是當一對像素的小數之和等于1時，在該對的任一場中都不產生噪聲。這與現有技術形成了對比。這表明，通過該配置而產生的誤差擴散噪聲始終小于或等于現有技術，有時小得多。圖5示出了采用幀間誤差擴散處理的本發明的實施例。例如濾波器500的用于控制像素亮度的裝置在4個幀(541，542，543，544)當中執行誤差擴散。然而，本發明的其他實施例在至少2幀當中處理有創新的誤差擴散技術。在所示出的實施例中，每相繼的4幀被作為一個組來處理。沒有組間處理。在組內，四個幀的小數由求和器501求和，以形成和S。S的小數由加法器503加到幀4的整數上，并通過誤差擴散器550傳遞，以形成幀4(在544處指示)顯示。由比較電路505對S進行測試，看它是否等于或超過1。如果是，則由加法器507向幀2的整數加1，并準備顯示，以作為要顯示的幀2顯示(在542處指示)。由比較電路509對S進行測試，看它是否等于或超過2。如果是，則由加法器511向幀1的整數加1，并準備作為幀1顯示(在541處指示)。由比較電路513對S進行測試，看它是否等于或超過3。如果是，則由加法器515向幀3的整數加1，并準備作為幀3顯示(在543處指示)。根據一個實施例，如果給定幀的顯示未使用小數，則對該幀不產生噪聲。對于一個參照圖5所示實施例的示例，三個幀不產生噪聲。第四幀具有誤差擴散噪聲，這是因為它是具有像素小數部分的僅有的幀。以上提供了用于改善脈寬調制顯示器的誤差擴散的技術。權利要求1.一種用于降低顯示器中的噪聲的方法，在所述顯示器中，在數字顯示裝置上顯示相繼的幀，所述相繼的幀包含相應的相繼的幀像素組，所述方法包括以下步驟對相繼幀的像素進行濾波，以使得每個像素具有包括整數部分和小數部分的強度值，將第一幀的至少一個像素與第二幀的至少一個像素一起編組，以使得所述第二幀的所述像素在空間上與所述第一幀的所述像素相鄰；將所述第一和第二幀像素強度值的小數部分結合；以及根據所述被編組的第一和第二幀像素的結合后的小數部分來控制所述被編組的第一和第二幀像素的亮度。2.根據權利要求1所述的方法，還包括以下步驟當所述結合后的小數部分至少等于1時，增加所述第二幀像素值的整數部分，以及將所述第二幀像素的小數部分設為零，同時用所述小數部分的結合減去1來代替所述第一幀像素的小數部分。3.根據權利要求1所述的方法，還包括以下步驟當所述小數部分的結合不超過1時，保持所述第二幀像素值的整數部分不變，并用所述小數部分的結合來代替小數部分。4.一種用于降低顯示器中的噪聲的方法，在所述顯示器中，第一幀像素中的每一個在第一圖像幀期間出現在特定位置中，并且第二幀像素中的每一個在第二圖像幀期間出現在相應位置中，所述方法包括以下步驟對所述第一和第二幀像素進行濾波，以使得每個像素具有包括整數部分和小數部分的強度值，將每個第一幀像素與至少一個第二幀像素一起編組，以使得所述至少一個被編組的第二幀像素與所述第一幀像素位于同一位置；將第一和第二像素強度值的小數部分結合；以及根據所述被編組的第一和第二幀像素的結合后的小數部分來控制所述被編組的第一和第二幀像素的亮度。5.根據權利要求4所述的方法，還包括以下步驟當所述結合后的小數部分至少等于1時，增加所述第二時段像素值的整數部分，以及將所述第二時段像素的小數部分設為零，同時用所述小數部分的結合減去1來代替所述第一時段像素的小數部分。6.根據權利要求5所述的方法，還包括以下步驟當所述小數部分的結合不超過1時，保持所述第二時段像素值的整數部分，并用所述小數部分的結合來代替所述第二時段像素值的小數部分。7.一種用于降低顯示器中的噪聲的設備，在所述顯示器中，第一幀像素在第一幀期間出現，并且第二幀像素在第二幀期間出現，所述設備包括以下裝置用于對輸入的第一和第二幀像素進行濾波，以使得每個像素具有包括整數部分和小數部分的強度值的裝置，用于將每個第一幀像素與至少一個第二幀像素一起編組，以使得所述至少一個被編組的第二幀像素在空間上與所述第一幀像素相鄰的裝置；用于將所述第一和第二幀像素強度值的小數部分結合的裝置；以及用于根據所述被編組的第一和第二幀像素的結合后的小數部分來控制所述被編組的第一和第二幀像素的亮度的裝置。8.根據權利要求7所述的設備，其中，所述結合裝置(a)當所述第一和第二幀像素值的小數部分的結合至少等于1時，增加所述第二幀像素值的整數部分，(b)用所述小數部分的結合減去1來代替所述第一幀像素的小數部分，以及(c)將所述第二幀像素的小數部分用零來代替。9.根據權利要求7所述的設備，其中，當所述小數部分的結合不超過1時，所述結合裝置保持所述第二幀像素值的整數部分，并用所述小數部分的結合來代替所述第二幀像素值的小數部分。10.一種用于降低顯示器中的噪聲的設備，在所述顯示器中，第一幀像素中的每一個在第一圖像幀期間出現在特定位置中，并且第二幀像素中的每一個在第二圖像幀期間出現在相應位置中，所述設備包括以下裝置用于對所述第一和第二幀像素進行濾波，以使得每個像素具有包括整數部分和小數部分的強度值的裝置，用于將每個第一幀像素與至少一個第二幀像素一起編組，以使得所述至少一個被編組的第二幀像素與所述第一幀像素位于同一位置的裝置；用于將所述第一和第二像素強度值的小數部分結合的裝置；以及用于根據所述被編組的第一和第二幀像素的結合后的小數部分來控制所述被編組的第一和第二幀像素的亮度的裝置。11.根據權利要求10所述的設備，其中，所述結合裝置(a)當所述第一和第二幀像素值的小數部分的結合至少等于1時，增加所述第二幀像素值的整數部分，(b)用所述小數部分的結合減去1來代替所述第一幀像素的小數部分，以及(c)將所述第二幀像素的小數部分用零來代替。12.根據權利要求10所述的設備，其中，當所述小數部分的結合不超過1時，所述結合裝置保持所述第二幀像素值的整數部分，并用所述小數部分的結合來代替所述第二幀像素值的小數部分。全文摘要提供了一種用于降低顯示器中的噪聲的濾波器和方法，在所述顯示器中，在數字顯示裝置上顯示相繼的幀，所述相繼的幀包含相應的相繼的幀像素組。對相繼的幀的像素進行濾波，以使得每個像素具有包括整數部分和小數部分的強度值。將第一幀的至少一個像素與第二幀的至少一個像素一起編組，以使得所述第二幀的像素在空間上與所述第一幀的像素相鄰。將第一和第二幀像素強度值的小數部分結合。根據其結合后的小數部分來控制所述被編組的第一和第二幀像素的亮度。文檔編號H04N1/405GK1950873SQ200580014362公開日2007年4月18日申請日期2005年5月6日優先權日2004年5月6日發明者唐納德·亨利·威利斯申請人:湯姆遜許可證公司