专利名称：在数字显示设备上显示视频图像的方法
技术领域：
本发明涉及一种在数字显示设备上显示视频图像的方法。更具体地，本发明应用于电视机或监视器的投影和背投影。
背景技术：
在显示设备中，数字显示设备是包括可以采用有限数量的照明值的一个或多个单元的设备。当前，该有限数量的值等于二，并且与单元的导通和断开状态相对应。为了获得大量的灰度级，已知的是，在视频帧上对单元的状态进行时间调制，从而由人眼通过对这些状态的变化所得到的光的脉冲进行积分，可以检测中间灰度级。
在已知的数字显示设备中，存在包括数字微镜矩阵或DMD矩阵(DMD代表数字微镜设备)的设备。DMD矩阵是通常用于视频投影的组件，由在其上安装了根据数字数据来控制的几千个微反射镜的芯片形成，用于通过按照反射或阻止来自外部源的光的方式枢轴运动，将图像投影到屏幕上。利用这样的微镜矩阵并且基于光的数字方法的该技术已知为“数字光方法”或DLP。
在DLP技术中，对于每一个要显示的图像像素提供了一个微镜。微镜表现为两个操作位置，即，在静态位置的任一侧的主动(active)位置和被动(passive)位置。在主动位置，微镜相对于其静止位置倾斜了几度(大约10度)，从而将来自外部源的光通过投影透镜投影到屏幕上。在被动位置，微镜沿相反的方向倾斜几度，从而将来自外部源的光导向光吸收器。因此，使像素发光的时间段对应于其间相关微镜处于主动位置的时间段。
因此，如果提供给微镜矩阵的光是白光，则与主动位置处的微镜相对应的像素是白色的，并且与处于被动位置处的微镜相对应的像素是黑色的。通过与PWM(PWM代表脉冲宽度调制)调制相对应地、对投影到屏幕上的光进行时间调制，来获得中间灰度级。具体地，每一个微镜能够以一秒几千次来改变位置。人眼不会检测到位置的这些变化，也不会检测到由其而产生的光脉冲，但是对其间的脉冲进行积分，并且因而感知到平均光水平。因此，由人眼所检测到的灰度级直接与在视频帧的过程中微镜处于主动位置的时间成正比。
为了获得256个灰度级，例如，将视频帧分割为8个连续的不同权重的子周期。这些子周期通常被称为子场。在每一个子场期间，微镜或者处于主动位置，或者处于被动位置。每一个子场的权重与其持续时间成正比。图1示出了在视频帧内的子场的典型分布。根据国家的不同，视频帧的持续时间是16.6或20ms。作为示例给出的视频帧包括相应权重1、2、4、8、16、32、64和128的子场。像素的发光周期对应于其中相关微镜处于主动位置的子场。人眼对像素发光周期进行时间积分，并且检测在视频帧期间与发光周期的整个持续时间成正比的灰度级。
存在与发光周期的时间积分有关的几个问题。出现了假轮廓的问题，特别是当对象在两个连续图像之间运动时。该问题表现为在通常难以觉察的灰度级过渡上的暗带或亮带的出现。对于彩色设备，这些带可能是彩色的。
图2示出了假轮廓的问题，表示了两个连续图像I和I+1的子场，包括在灰度级127和灰度级128之间的过渡。该过渡在图像工和图像I+1之间以4个像素运动。在该图中，纵坐标轴表示时间轴，而横坐标轴表示不同图像的像素。由人眼所进行的积分相当于沿图中所示的斜线进行时间积分，这是由于人眼趋向于跟随运动中的对象。因此，其对源自不同像素的信息进行积分。该积分的结果非常明显，在灰度级127和128之间的过渡时刻处，出现等于零的灰度级。穿过零灰度级引起了在过渡级处的暗带的出现。在相反的情况下，如果过渡从级128到级127，则在过渡的时刻处出现与亮带相对应的级255。
对该问题的已知解决方案在于“打碎”高权重的子场，从而减小积分误差。图3示出了与图2相同的过渡，但是具有7个权重32的子场，替代权重32、64和128的三个子场。于是，积分误差的最大值为等于32的灰度级。
还能够不同地分配灰度级，但是仍然存在积分误差。
此外，如在所有视频设备中那样，彩色图像的显示需要显示三个图像(红色、绿色和蓝色)。在具有单个DMD矩阵的投影机中，顺序地显示这三个图像。结果，这样的投影机包括旋转轮，所述旋转轮包括红色、绿色和蓝色滤色器，通过所述滤色器，在将其传送到DMD矩阵之前，对从投影机的源中发出的白光进行滤色。在视频帧期间，向DMD矩阵顺序地提供了红色、绿色和蓝色光。旋转轮通常包括六个滤色器(两个红色、两个绿色、两个蓝色)，并且以150或180转/秒，即，3转每视频帧的频率旋转。将视频图像的R、G和B分量的数字数据按照与红色、绿色和蓝色光同步的方式提供给DMD矩阵，从而利用适当的光来显示图像中的R、G和B分量。因此，将视频帧分割为18个时间分段，针对每一个颜色6个时间分段，如图4所示。在20ms的视频帧的情况下，每一个分段的持续时间大约为1.1ms。针对每一颜色，在每一个颜色的6个时间分段上分配图1所示的子场。例如，将高权重的子场分割为每一个均与不同时间分段相关联的六个基本周期，而低权重的子场仅出现在6个分段之一中。
该类投影机表现出颜色分离缺陷，还被称为“颜色打碎”，这是由于颜色的顺序显示而导致的。无论何时当人眼跟随在图像中快速前进的运动对象时，该缺陷是可见的。表现出强对比度的图像的亮区看起来暂时沿运动方向打碎为红色、绿色和蓝色带。假定顺序地显示图像的R、G、B分量，并且在跟随运动的同时眼睛也发生移动，因此，在眼睛的视网膜的不同位置上再现这些颜色。因此，这阻止大脑将其一起积分为彩色图像。同样，眼睛在静态图像上的突然运动也可能会中断在大脑中的光脉冲的积分，并且干扰实际灰度级的感知。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种在数字显示设备上显示视频图像的方法，能够减小甚或消除假轮廓效应的这些问题。
本发明的另一目的是提出一种显示方法，当在数字显示设备上顺序地显示颜色时，能够限制这些颜色分离问题。
此外，根据本发明，提出了将特定的编码应用于提供给DMD矩阵的数字数据，以缓解或抑制与时间积分、以及与视频图像的R、G、B分量的顺序显示有关的所有干扰。
本发明是一种在视频帧期间、在数字显示设备上显示视频图像的方法，所述视频帧至少包括用于显示灰度级的两个不同时间分段，所述数字显示设备包括多个单元，每一个单元能够选择性地采取导通状态或断开状态，而且，每一个单元能够在视频帧期间改变状态多次。在视频帧的每一个时间分段期间，每一个单元最多改变状态一次。
当在数字显示设备中，分别通过红色、蓝色和蓝色的三个图像的顺序显示，来执行视频图像的显示时，针对每一颜色，视频帧至少包括两个不连续的时间分段。
优选地，每一个时间分段包括具有不同的持续时间的多个连续子场，并且在每一个子场期间，每一个单元或者处于导通状态，或者处于断开状态。
特别地，该显示器能够不将任何“时间间隔”引入到分段中，该时间间隔通常为时间积分期间的干扰的生成元。
优选地，对于每一颜色，按照所述单元的导通状态的持续时间根据反伽马校正曲线而增加的方式，来确定所述至少两个时间分段的子场的持续时间。
本发明还是一种在视频帧期间对视频图像进行数字显示的设备，所述视频帧至少包括用于显示灰度级的两个不同时间分段，所述数字显示设备包括多个单元，每一个单元能够选择性地采取导通状态或断开状态，而且每一个单元能够在视频帧期间改变状态多次。所述设备包括用于在视频帧的每一个时间分段期间最多改变单元状态一次的装置。
根据一个实施例，所述数字显示设备包括微镜的数字矩阵。数字显示设备的每一个单元与微镜相关联。当相关微镜处于其中有助于将光投影到设备屏幕上的主动位置处时，所述设备的单元处于导通状态，而当相关微镜处于其中阻止将光投影到所述屏幕上的被动位置处时，所述设备的单元处于断开状态。
通过阅读以下参考附图所给出的详细描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中图1示出了在针对脉冲持续时间调制设备的视频帧中的子场的典型分布；图2示出了当过渡在两个连续图像之间运动时所出现的假轮廓效应的现象；图3示出了用于限制假轮廓效应的现象的已知解决方案；图4示出了用于在具有单个数字微镜矩阵的设备中显示彩色图像的传统视频帧；图5示出了在本发明的方法的典型实施例中，表示每一个灰度级的发光时间的曲线图；图6示出了针对本发明的方法的所述典型实施例，在每一个颜色的第一分段中的子场分布；图7示出了用于实现本发明的方法的典型设备。
具体实施例方式
根据本发明，提出了使用一种针对视频帧的每一个分段上的灰度级的所谓增量编码。
对该增量编码进行设计，从而在显示视频图像期间，不会产生与由人眼进行的时间积分有关的干扰。根据应用于提供给DMD矩阵的数字数据的该编码，在视频帧的每一个分段期间，DMD矩阵的微镜最多改变位置一次。因此，如果在分段的开始，微镜处于主动位置，并且在该分段的过程中切换到被动位置，则其保持在该位置，直到分段结束为止。
更一般地，这相当于说，根据本发明，在视频帧的每一个分段期间，数字显示设备的单元最多改变状态(导通或断开)一次。
视频帧的每一个分段包括多个不同权重的子场。如在背景技术中所示，在子场期间，微镜并不改变位置。此外，如果在分段的开始，DMD矩阵的微镜处于主动位置，并且在该分段的子场的开始处切换到被动位置，则在分段的剩余子场期间，该微镜保持在该位置。
该编码允许仅显示有限数量的可能灰度级。对于包括N个子场的分段，其允许显示最大N+1个灰度级值。然而，通常被称为“抖动”的误差广播或噪声处理技术对于本领域的技术人员而言是已知的，该技术能够补偿该少量的灰度级。“抖动”技术的原理在于将所寻求的灰度级分解为可显示的灰度级的组合，通过时间积分(在多个连续图像上显示这些灰度级)或通过空间积分(在包括相关像素的图像的区域中显示这些灰度级)，在屏幕上恢复与所寻求的灰度级接近的灰度级。
该编码的主要优点在于其不会在分段中产生任何“时间间隔”，所述间隔是时间积分期间干扰的生成元。时间间隔指定了两个断开子场(其中像素表现为零灰度级的子场)之间的“导通”子场(其中像素表现为非零灰度级的子场)，反之亦然。
为了示出本发明的方法，我们将考虑具有20ms的持续时间(频率＝50Hz)且包括每一个颜色6个时间分段，即18个时间分段的视频帧。每一个时间分段表现为大约1.1ms的持续时间，假定在当前的DLP技术中，DMD矩阵的全体微镜的寻址花费了大约95微秒，能够针对每一颜色，以每帧至少60次，即每个分段十次，对DMD矩阵进行寻址。因此，我们将使用包括61个灰度级的递增编码(零灰度级+60个非零灰度级)。
以下所示的表1将灰度级的61个值的每一个与视频帧期间的发光时间值相关联。表1的第一列对应于灰度级的索引，第二列对应于在视频帧期间获得这些灰度级的发光时间(单位为微秒)，以及第三列示出了在所考虑的灰度级和前一个灰度级之间的发光时间(单位为微秒)上的差值。
表1在表1中，有利地，已经选择了发光时间值以使其遵循反伽马校正曲线。在本文件中，反伽马校正对应于对将要在显像管中看到的特定图像源中所存在的伽马校正的抑制。具体地，与阴极射线管相比，在DMD矩阵的输入(初始图像)上的灰度级和输出(屏幕)上的灰度级之间的比值是线性的。现在，假定在摄像机级上，对源图像执行伽马校正，则必须将反伽马校正应用于来自摄像机的图像，以获得屏幕上的正确图像。因此，根据本发明，在对提供给DMD矩阵的数字数据进行编码的过程中，进行该反伽马校正。
由以下的公式给出了在表1中所采用的反伽马校正曲线 出于简化的原因，在该表中，我们考虑同一颜色的6个时间分段的总持续时间是6ms而不是6.66ms。还以图5中的曲线的显示来示出该表。该曲线立即显示出在该表中所定义的发光时间实际上遵循反伽马校正曲线。
针对每一种颜色，在6个时间分段上分配每一个灰度级的发光时间。根据本发明，在每一个时间分段，由最多一个可变持续时间的光脉冲来再现该发光时间，这是由于在每一个时间分段的过程中，微镜最多改变位置一次。
在两个连续的灰度级之间的发光时间上的差值与视频帧的六个时间分段之一相关联。因此，对于给定的灰度级，在视频帧的单个分段上实现与该灰度级和紧邻的较低灰度级之间的发光时间上的差值相对应的附加发光时间。表2示出了每个灰度级的附加发光时间的位置。该表2针对由其索引标记的每一个灰度级，更为精确地表示了其中执行了附加发光时间的分段。
表2例如，表2示出了通过相对于灰度级NG27，增加视频帧的第四分段的发光时间，获得了NG28的灰度级。
在下表3中表示了针对紧邻的较低灰度级的每一个灰度级的附加发光时间。
表3返回到上述示例，图3表示通过相对于灰度级NG27，将第四分段<p>表13-2-4(续)
表5参考表4，能够确定每一个颜色的6个时间分段的10个子场(每一个时间分段10次寻址)的持续时间。例如，第一分段包括10个子场，分别具有持续时间181.35μs、161.39s、141.42μs、121.46μs、101.49μs、81.53μs、62.56μs、41.59μs、21.63μs和12μs。图6示出了第一时间分段的子场分布。
持续时间为121μs、(分段1)、16.99μs(分段2)和25.31μs(分段3)的子场在与其他子场相同的时间处，决不会为“导通”，并且仅用于显示灰度级NG1、NG2和NG3。
对于除了级NG1、NG2和NG3之外的其他所有灰度级，在这三个子场的开始处，所涉及的微镜切换回静止位置。因此，对于所有灰度级，在视频帧的每一个时间分段的过程中，位置最多从被动位置向主动位置切换一次(反之亦然)。
而且，为了不加重颜色分离的问题(或颜色打碎)，在6个时间分段上均匀地分布发光时间，特别是对于最高灰度级(参见表5)。
该方法还能够获得针对低灰度级的高分辨率。具体地，当在级NG1和NG2之间的间隔为4.99微秒时，获得了10比特(6000/4.99)的分辨率。通过减小该间隔，能够进一步减小该分辨率(对于3微秒的间隔为11比特)。在当前所采用的编码中，该分辨率最好为9个比特(该技术采用12微秒的间隔)。
非常多的结构能够用于实现本发明的方法。在图7中示出了用于实现本发明的方法的设备。由误差传输电路10和用于限制要显示的灰度级的数量的量化电路11来接收R、G、B视频信号流。这两个电路用于实现“抖动”技术。在误差传输电路10中所实现的算法是诸如Floyd和Steinberg。在量化结束时，灰度级以6比特进行编码(61个可能的灰度级)。接下来，由电路12处理这些信号，所述电路12用于更具体地实现本发明的方法。可以将电路12定义为查找表或LUT，作为输入接收以6比特进行了编码的灰度级，并且作为输出提供以60比特(针对每一个分段，10个比特)进行了编码的灰度级，所分配的60比特中的每一个涉及二元(binary)平面，并且每一个二元平面对应于子场的显示。在来自电路12的输出上的以60比特进行了编码的灰度级符合本发明，这在于当与时间分段有关的10比特之一改变了值时，该分段的随后的比特保持该值。接下来，将以60比特进行了编码的灰度级存储在图像存储器13中，每一个比特存储在专用于二元平面的存储区中。接下来，由DMD矩阵14来读取这些二元平面。仅通过图示给出了该方案。
已经在包括数字微镜矩阵的数字显示设备的框架内描述了本发明。本发明并不局限于该类设备。本发明可以用于表现出与微镜相同的特性的其他方式的显示器，例如，数字显示器或LCOS型显示器。
权利要求
1.一种在视频帧期间、在数字显示设备上显示视频图像的方法，所述视频帧至少包括用于显示灰度级的两个不同时间分段，所述数字显示设备包括多个单元，每一个单元能够选择性地采取导通状态或断开状态，而且，每一个单元能够在视频帧期间改变状态多次，其特征在于在视频帧的每一个时间分段期间，每一个单元最多改变状态一次。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于分别通过红色、蓝色和蓝色的三个图像的顺序显示，来执行视频图像的显示，并且针对每一颜色，视频帧至少包括两个不连续的时间分段。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于每一个时间分段包括具有不同的持续时间的、被称为子场的多个连续子周期，并且在每一个子周期中，每一个单元或者处于导通状态，或者处于断开状态。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于对于同一颜色，所述至少两个时间分段包括不同的多个子场。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于对于每一颜色，按照所述单元的导通状态的持续时间根据反伽马校正曲线而增加的方式，来确定所述至少两个时间分段的子场的持续时间。
6.根据权利要求3到5之一所述的方法，其特征在于每一个时间分段的子场的总持续时间实质上等于所有所述至少两个时间分段所共用的预定值。
7.一种在视频帧期间对视频图像进行数字显示的设备，所述视频帧至少包括用于显示灰度级的两个不同时间分段，所述数字显示设备包括多个单元，每一个单元能够选择性地采取导通状态或断开状态，而且每一个单元能够在视频帧期间改变状态多次，其特征在于所述设备包括用于在视频帧的每一个时间分段期间最多改变单元状态一次的装置。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于包括分别顺序地显示红色、绿色和蓝色的三个图像的装置，针对每一颜色，所述视频帧至少包括两个非连续的时间分段。
9.根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于所述设备包括微镜的数字矩阵，所述设备的每一个单元与微镜相关联，并且当相关微镜处于其中有助于将光投影到设备屏幕上的主动位置处时，所述设备的单元处于导通状态，而当相关微镜处于其中阻止将光投影到所述屏幕上的被动位置处时，所述设备的单元处于断开状态。
全文摘要
本发明涉及一种在视频帧期间、在数字显示设备上显示视频图像的方法，所述视频帧至少包括用于显示灰度级的两个不同时间分段。所述设备的单元能够选择性地采取导通状态或断开状态。而且，所述单元能够在视频帧期间改变状态多次。根据本发明，在视频帧的每一个时间分段期间，所述单元最多改变状态一次。本发明能够缓解或抑制与时间积分、以及与视频图像的R、G、B分量的顺序显示有关的干扰。
文档编号G09G3/20GK1639764SQ03805416
公开日2005年7月13日 申请日期2003年3月7日 优先权日2002年3月7日
发明者迪迪埃·杜瓦扬, 蒂埃里·博雷尔, 乔纳森·克维克 申请人:汤姆森许可贸易公司