专利名称：通过预测和补偿显示调节变化来保持所显示的视频图像中的白色均匀的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及视频信号处理系统，更具体地说，涉及用于校正所显示的视频图像中的不良变化的视频信号处理系统背景技术这里描述的系统涉及那些诸如包括彩色显像管、或阴极射线管(CRT)、或显像管显示设备的视频图像显示系统。那些设备(在此通常称为“CRT”或“彩色显像管”)一般包括用于生成一个或多个电子束的电子束发生装置(例如，用于在彩色CRT中产生R、G、和B电子束的三个电子枪)，所述电子束穿过荫罩(mask)结构并轰击显示屏以产生图像。
通常在屏幕的中心与边缘之间的区域，某些CRT(诸如线路屏(line screen)CRT)可能存在高驱动白模式中的白色均匀(white unifomity)问题。白色均匀可以由至少两个因素引起1.由于金属的扩展性而导致的荫罩的气泡或局部凸起，所述金属具有在该区域中被所述荫罩吸收的较高射束功率；和2.三个光束的空间电荷排斥，从而导致光束聚集在一个单枪三束(trio)中。
结果之一就是一个单枪三束之内的光束变得会聚(即，一个单枪三束之内的红色到绿色与蓝色到绿色之间的间隔变小，并且相邻单枪三束之间的红色与蓝色之间的间隔变大)，并且所有三个光束的调节(register)以径向移动。在CRT的左侧气泡区域，这种结合导致红色电光束比绿色和蓝色光束在黑色矩阵之后占领更多的范围，从而在整个图像中缺少红色光，并且颜色从白色向蓝绿色转移。在右侧上的气泡区域，蓝色光束位于矩阵之后，并且由于缺少蓝色而导致转移到黄色。这种效应的大小涉及以下因素功率密度、气泡区域的大小、以及这个功率进入荫罩的时间的长短。因此，所描述的因素和效应产生了光的色彩中的不良变化，或显示的图像的颜色特性的变化。
发明内容
本发明在某种程度上意识到了所述问题，并且旨在从某种程度上提供一种解决所述问题的系统，其中本发明的一个方面包括通过处理视频信号来预测显示图像的显示设备的物理特性中的变化、处理视频信号来确定响应物理特征中的变化而发生的颜色特性的变化、以及修改视频信号以补偿颜色特性的变化，从而校正响应视频信号而显示的图像的颜色特性。
通过参照附图可以更好地理解在此描述的本发明，其中图1示出了实施本发明各方面的装置的方框图；图2示出了描述图1的系统的操作方法的流程图，用于说明本发明的某些方面；和图3示出了描述图1的系统的另一操作方法的流程图，用于说明本发明的其他方面。
具体实施例方式
在此所描述的系统用于预测显示图像的颜色特性中的变化，诸如白色的变色量。所述预测包括计算显示设备的屏幕上的气泡图样的功率密度、区域和位置。然后，在屏幕的特定区域中调节CRT的红、绿、和蓝驱动信号，所述特定区域起到将色彩还原到基准白色的作用。三种色彩的和/或之间的驱动的修改将发生在屏幕的特定区域中，并且还将变为与由于发热而导致的荫罩的运动相对应的时间的缓慢功能。所述系统还包括用于确定和结合平滑因数，从而CRT驱动信号和相应的色温的锐边界和变化对用户来说是不允许的。
如下文所描述的，可以通过结合直接测量和适当的预估算法来预测由于加热而导致的光束运动，从而解决射束电流、持续时间、位置和区域范围的效应，其中所述直接测量是对特定显像管设计的典型操作条件下的光束移动进行直接测量，而所述预估算法涉及处理视频信号并且随着时间利用视频信号的历史。这里描述的系统调节CRT驱动信号，例如，CRT的射束电流，从而在发生荫罩的热变形时，最小化白色色温改变，或将其保持低于一个可接受的阈值。更具体地来说，以下描述的系统包括用于预测由于热荫罩运动和光束(空间电荷)之间的相互排斥所引起的从屏幕的各个区域发出的光的彩色坐标中的变化，并且用于通过施加到三个电子枪的每个的视频信号中的适当变化对其进行补偿。
用于提供所述补偿的示例性系统包括诸如图1所示的系统，所述系统用于通过处理视频信号以预测显示图像的显示设备的物理特性中的变化、处理视频信号以确定响应物理特性中的变化而发生的颜色特性的变化、以及修改视频信号以补偿颜色特性中的变化，从而校正响应视频信号而显示的图像的颜色特性。在图1中，信号处理器100从视频信号源接收一个或多个视频信号。信号源可以是例如电视信号的视频节目部分，或来自DVD播放器或其他设备的视频信息。输入到处理器100的视频信号可以是处理器100之内处理的合成视频信号，从而产生多个彩色信号，例如，R、G、B彩色信号，或者如图1所示的示例性系统中，可以是由信号源提供的多个彩色信号。信号处理器100以本领域的技术人员已知的各种方式来处理视频信号，例如，调节诸如对比度和亮度的特性，并且还提供在此所描述的用于补偿或校正显示图像的颜色特性的处理。
处理器100包括或连接到诸如存储电路110和120的外部设备，用于在视频信号处理期间存储信息。将来自处理器100的处理的视频信号或彩色信号耦合到驱动电路130，所述驱动电路130将视频信号放大到适于驱动显示设备140的信号电平。如图1所示，驱动电路130包括用于耦合到显示设备140的每个视频或彩色信号的电路，并且驱动电路130的特性(例如，驱动电路130中包含的放大器的增益)可以通过处理器100经由在此描述的控制信号135来控制。同样地，处理器100可以包括多个视频信号处理通道或路径，每个视频信号处理通道或路径处理多个视频信号中的一个。选择性地，如果处理器100的数据处理速度足够高，则处理器100可以采用数据多路复用技术，通过一个或多个信号处理路径来处理多个视频信号。
为了给显示图像的颜色特性的变化提供补偿，处理器100通过例如周期性地取样视频信号特性以及在存储器110中存储取样信号，保存关于视频信号的历史的信息(例如，时间上的信号幅度、视频信号超过特定阈值信号电平期间的间隔的持续时间和频率，等等)。如下文中所更详细描述的，处理器100在处理视频信号期间使用存储在存储器110中的视频信号历史信息和存储在存储器120中的参考信息(例如，正在使用的显示设备的特定设计的设计特性)，从而预测显示设备的一个或多个物理特性中的一个或多个变化。例如，根据本发明的一方面，处理器100在处理视频信号期间使用存储在存储器110和120中的信息，从而预测由于由视频信号的历史所引起的荫罩的发热而导致显像管中荫罩孔隙(mask aperture)的位置的变化。然后，处理器100预测由于显像管的物理特性的变化所导致的显示图像的颜色特性的变化。接下来，处理器100以补偿或校正颜色特性的变化所需的方式，通过例如修改出现在处理器100中的信号处理和/或修改显示驱动器电路130的特性(例如，通过控制信号135控制一个或多个驱动放大器的增益)，修改视频信号特性。
图2示出了用于描述处理器100的操作的所述示例性方法的流程图中的处理器100的所述操作。在图2中，步骤200涉及处理视频信号，从而预测显示设备的物理特性中的变化。例如，处理器100使用关于时间上的视频信号的历史的信息和关于特定显像管的特性的信息来处理视频信号，所述特定显像管的特性用于预测显像管的荫罩中的孔隙的位置的变化。步骤210涉及使用关于显像管物理特性的变化的预测信息来处理视频信号，从而确定显示图像的颜色特性(例如，白色均匀)的变化，那可能是结果。在步骤220，修改视频信号以补偿颜色特性的变化。
图3示出了用于操作诸如图1所示的系统以提供所需补偿的方法的另一实施例。通常，图3所示的实施例中包含的用于为显示设备的屏幕上的任何地方提供所述补偿的步骤包括1.确定相对于“冷”稳态温度的荫罩的瞬时温度分布。这是基于在时间上累计(integration)射束电流密度分布的效应。
2.计算由于该荫罩温度变化而导致的相对于初始稳态位置的荫罩孔隙的位置的变化。
3.计算(通过荫罩孔隙投射的)三个电子光束泄出中的水平调节变化。包括荫罩孔隙的运动和三个射束之间空间电荷排斥的效应。
4.计算由于调节中的这种变化而发射出的红、绿、和蓝光的变化，并且确定补偿这个变化而需要的红、绿、和蓝射束电流变化。
5.将适当的变化施加到红、绿、和蓝视频信号，从而获得所需的射束电流变化。
关于图3更具体的是，步骤300涉及处理一个或多个视频信号，从而确定显示设备相对扫描位置中的每个R、G、和B射束的瞬时射束电流。瞬时射束电流的确定是基于假设显示器的标称或可接受特性是由显示设备的偏转系统来控制的。这样的偏转相关特性包括会聚和几何。步骤300之后是步骤305，在步骤305期间，系统将视频信号连同关于视频信号相关特性的历史的信息(例如，在时间上由视频信号产生的射束电流)一起处理，从而确定或计算显示设备的荫罩在多个网格点处的当前温度分布，作为射束电流的结果。步骤305之后是步骤310，在步骤310期间，将当前温度分布与参考温度分别(例如，在标称或稳定操作条件下为特定显像管设计所测量的温度分布)相比较。有关温度分布的确定将在下文中更为详细的描述。
荫罩的温度分布是通过辐射和传导输入到荫罩的功率(电子束折射(interception))与输出的功率的函数。需要通过足够的精确性来确定荫罩上的温度分布，从而可以准确地预测尤其是在具有较高调节变化敏感度的区域中荫罩孔隙的运动。调节变化的预测需要精确到大约10微米。这就意味着荫罩热运动的预测需要达到相同的精确度。注意，荫罩运动预测只需要在区域上达到这样的精确度射束运动与荫罩运动大致相同，即，45度偏转。在中心的荫罩运动预测的精确度可以少于10μm。这稍后将在下文中注释。
用于确定温度分布的一种方法就是将屏幕划分成有限数(至少几百)个块，然后从视频信号和已知荫罩发射来确定在每个块中荫罩所折射的射束功率。随着时间变化视频信号，荫罩所折射的射束功率也是时间的函数，并且在确定荫罩的温度时也要将此考虑在内。荫罩温度是一个在时间上所折射的射束功率的累计的函数，并且是一个时间的较慢变化的函数。
所辐射的功率是一个荫罩的温度与周围区域(实质上就是玻璃漏斗和面板的内部)的温度的函数。由此可以估计出从每个块中辐射出的功率。对于合理的近似法，荫罩温度随着时间仅仅由于辐射而变化的速度是与荫罩与内部漏斗和面板之间的温度差成比例的。诸如荫罩的放射性(emissive)、框架(frame)、和IMS等的其他因素也可以并入在内。作为第一近似值，可以假设漏斗温度与系统的周围温度相同。
荫罩中的热传导效应通常远远小于电子束折射和热辐射，并且可能对所需的精确度无关紧要。但是，可以通过使用块之间的温度差，并且估计热传导系数来近似地计算这些效应。由于缝隙荫罩，这些系数在水平方向和垂直方向上将非常不同。
知道了输入功率分布历史以及辐射和热传导效应，就可以预测荫罩的当前温度分布。这将涉及在某个有限长度的时间(或许可达1小时)上累计这些效应。需要注意的是，在几秒中就出现“气泡”，从而温度分布预测方法需要解决这个问题。可以发展适当的平滑方法来确定荫罩上任意点的温度，而不是仅仅是块的中心。
返回至图3，步骤310之后是步骤315，在步骤315中，确定在多个网格点上相对于稳定的参考系统的荫罩孔隙运动。通过步骤365将步骤315所需的参考系统信息提供给步骤315。步骤365之前是步骤360，在步骤360中，为各种温度分布计算或测量特定电子管设计的孔隙运动。在步骤365中将来自步骤360的信息用于预测特定电子管设计的孔隙运动相对温度。比如在系统中(例如，在图1的存储器120中)存储该参考孔隙运动信息，并且将其并入在步骤315发生的处理中，从而确定由于射束电流导致的荫罩孔隙运动。
在步骤320中，对孔隙运动信息进行处理以插入和平滑所述数据，从而确定在所期望数目的像素位置的孔隙运动。选择期望数目的像素位置以及出现的平滑，从而保证以一种在视觉上令人满意的方式出现所述系统所产生的色彩校正和补偿，也就是说，不会在图像的色彩中出现突然的变化。
关于确定荫罩孔隙中的变化的附加信息描述如下。知道了“稳态”(冷或者处于稳定的温度)荫罩形状、材料特性、和支持系统，就可以使用有限元件分析(FEA)技术来计算荫罩形状中的变化，从而计算由于不同的温度分布而导致的荫罩上的点的位置的变化。尽管这在荫罩预热时可能要求太高的计算机强度以致于不能实时地执行，但是可以为各种温度分布以及用于预测现实温度分布的荫罩运动的近似法分析设计结构。
大多荫罩支持系统都设计有某种类型的长期凸起补偿，其中，当荫罩和支持系统由于具有典型场景的射束电流折射而预热时，整个荫罩装置朝屏幕移动，从而对整个荫罩的整体扩展进行补偿。这种效应也将包含在以上确定的算法中。
返回至图3，图320之后是步骤325，在步骤325中，确定由于荫罩孔隙运动而导致的显示器调节变化。也就是说，显像管中的“调节”包含荫罩孔隙和矩阵开口的校准。从荫罩孔隙投射到适当矩阵开口的波束泄出的调节受到荫罩孔隙运动的影响，并且可以通过所述的系统来补偿这种影响。通过使用来自步骤320的孔隙运动信息以及关于特定显像管的设计的信息，在步骤325计算调节变化。更具体地说，可以将来自偏转中心的光束通过荫罩孔隙几何地投射到屏幕，并且计算屏幕上的位置与荫罩孔隙位置中的预测变化改变了多少，从而计算荫罩孔隙的实际运动的效应。对于垂直线性屏幕，只有运动的水平分量是重要的。
步骤325之后是步骤340，在步骤340中，可以将另一个影响调节变化的因素认为是确定整个调节变化的一部分。更具体的来说，处理荫罩孔隙运动，另一个可以影响调节的因素就是光束之间的空间电荷排斥。空间电荷效应导致高电流光束在横穿从电子枪到屏幕这段距离时转向。这将改变光束在荫罩与屏幕之间传播的路径的角度，从而导致屏幕上的光束泄出的调节的变化。极性是这样的，调节上的空间电荷效应使得光束看起来像是一起十分紧密地发出的，并且导致屏幕上的成组的光束泄出。
空间电荷效应是瞬时的，并且是屏幕上位于任一特定定点的电子枪的射束电流的函数，因此，可以通过处理视频信号来确定相应的光束电流和导致的空间电荷排斥效应，从而在任一特定时间确定所述空间电荷效应。空间电荷分组仅出现在其上具有一个以上电子枪的区域，并且是电子枪的射束电流的函数。这种效应可以通过电子光学计算机程序来进行计算，但是也可以直接在特定设计的典型电子管上的不同位置和射束电流上直接测量调节效应，并且用于计算各种电流的相似波束泄出位移的算法可以根据这个数据演化而来。当测量高电流空间电荷调节效应时，需要注意的是别把热荫罩运动效应包括在内。注意这个效应主要在观众具有良好的色彩参考的白色区域(whitefield)上可见，并且是由于分组红色和蓝色光束而引起的。由于空间电荷瞬时出现，所以所述方法必须解决与用作确定荫罩孔隙运动的一部分的视频信号历史的较长间隔相对的短时间问题。
在步骤340中，为了在计算整个调节变化时包含空间电荷排斥的效应，将用于计算空间电荷效应的步骤330的输出输入到步骤340。在步骤330所需的处理可以跟随在步骤300的射束电流的确定之后，并且可以如图3所示与步骤305-325同时出现。步骤370和375涉及为正在使用的特定显像管设计确定调节变化相对于空间电荷的参考模型。这个参考模型输入到步骤330，步骤330用于确定与空间电荷相关的调节变化作为射束电流的函数。步骤370涉及为正在使用的特定设计的典型电子管上的不同屏幕位置的各种R、G、B射束电流，测量或计算由于空间电荷而导致的调节变化。步骤375通过使用来自步骤370的信息，为显像管设计预测由于空间电荷而导致的调节变化。当在步骤360和365中确定了荫罩运动参考模型的情况下，可以试验性地执行步骤370和375的处理，并且将其存储在存储器中(例如，图1的存储器120中)，以便在步骤330中使用。
步骤340中总调节变化的计算之后是步骤345，在步骤345中，系统确定响应特定像素位置的调节的变化而发生的显示图像的颜色特性的变化，例如，显示图像中包含的光的色彩。更具体的说，一旦知道了所预测的调节位移，将可以将其施加到参考稳定调节模式。尽管在电子管到电子管之间存在十分明显的调节差异，但是期望使用设计调节模式作为稳定参考还将是可以的。但是，还可以测量每个电子管的稳定调节，并且将该数据(例如，存储在诸如图1的存储器120等的电可编程只读存储器)用作该电子管的参考。
除了本参考图像重合失调模式，其他用于计算发射光的变化的参数是荫罩开窗孔，以及感兴趣的屏幕点上的三种颜色的每种的矩阵开口和保护带。应该将设计值用于这些参数。假设方形边波束泄出(电子的点源)，用于确定多少个矩阵开口充满了适当的波束泄出，以及如果有的话，多少波束泄出激发了相邻矩阵开口的其他色彩荧光体的这些计算就十分的简单。通过使用随着射束电流而变化的有限射束尺寸，以及计算波束泄出的阴影，就可以适度增加计算机的复杂性来获得附加精确性。对于三个电子束的每个，其都可以计算到达每个矩阵开口的光束的总量以及所发射的红、绿、和蓝光的总量，作为图像重合失调、射束电流、和屏幕位置的函数。将来自三个电子枪的每个的光中的影响相加，可以为稳定参考图像重合失调和目前预测的图像重合失调来预测为每个信号射出的光的颜色特性。
在用于确定显示图像的颜色特性的变化的步骤345之后是步骤350，步骤350涉及确定补偿颜色特性的变化所需要的与每个R、G、和B信号相关的射束电流的变化。步骤350之后是步骤355，步骤355涉及通过修改耦合到显示器的视频信号(例如，图1中的处理器通过控制信号135来调节视频驱动电路130的增益，从而修改视频信号幅度)，从而获得在期望像素位置的射束电流的所期望的变化。出现在步骤350和355期间的操作涉及诸如下文所述的附加考虑。
当修改耦合到电子枪的一个或多个视频信号(例如，通过调节每个电子枪的视频增益)以补偿色彩信号的变化时，电子枪的非线性特征(例如电子枪的伽玛)必须要考虑在内。这是因为正在调节视频驱动的电压以获得与光成比例的射束电流中的期望变化。等式为I＝kVγ，其中γ大约为2.5。通过所述的系统，由于不能产生负射束电流以消除由失真而产生的错误色彩，所以不可能完全校正由于光束撞击错误色彩而导致的失真或效应。但是，在作为所述系统的主要目的之一的气泡区域，最大的问题在于光束没有完全充满矩阵开口，这个问题是可以解决的。
所述发明的其他方面包括如下。上述步骤在理论上向前推进时计算十分复杂。加之在显示系统的实际操作期间，这些补偿计算和校正几乎需要实时进行。幸亏在计算能力的速度和成本上已经取得了重大的进步，并且电视机中的计算功能已经普及。尽管如此，如果可能的话还是应该采用简单的方法来近似具体的计算。
尽管电源输入可以随着时间和屏幕位置急剧地变化，但是荫罩上的温度分布以及荫罩的合成机械运动会平稳而缓慢地改变。热运动积分法应该可以经常采用新的射束电流数据来更新结果。对于热运动，其将导致很少的差别，如果校正是基于由于计算时间而有几帧或甚至几秒长的射束电流。但是，空间电荷效应是瞬时的，并且应基于正显示的信号来应用。一个(或两个)帧存储器应该给予足够的时间来计算空间电荷效应，将它们与可用热运动数据结合，并且将校正运用到视频信号。
由于实时地执行具体的FEA和热机械计算会难以解决，所以可以采用并且适当地结合用于特定荫罩设计和大多数组的重要条件的简明方法，或者将其实时地插入到这些计算中。而且由于热机械运动太慢了，所以可以采用迭代算法来逐步地提高它们的近似值。
由于要校正的主要问题在气泡区域中，所以如果没有足够的时间或计算能力来对整个屏幕进行校正，可以将计算集中在所述区域。局部的校正甚至也可以在气泡区域性能方面取得十分显著的改善。
所述系统假设了标准水平扫描、一字排列式电子枪定向型结构。通过将上述描述中的水平方向和垂直方向相互交换，这些校正也将对具有垂直一字排列式电子枪的垂直扫描结构有效。
权利要求
1.一种用于校正响应视频信号而显示的图像的颜色特性的方法，所述方法包括以下步骤A)处理所述视频信号，从而预测显示所述图像的显示设备中的物理特性的变化；B)处理所述视频信号，从而确定响应所述物理特性的变化而发生的所述颜色特性中的改变；以及C)修改所述视频信号，从而补偿所述颜色特性中的改变。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述显示设备包括彩色显像管，并且其中步骤A包括以下步骤处理所述视频信号，从而预测所述彩色显像管的荫罩的温度分布；以及预测相对于响应所述温度分布而出现的初始位置的、所述荫罩的孔隙的位置中的改变。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述显示设备包括彩色显像管，并且其中步骤B包括以下步骤确定响应所述物理特性中的变化而发生的电子束的调节特性中的变化；以及确定响应所述调节特性中的变化而发生的所述颜色特性中的变化。
4.如权利要求2所述的方法，其中步骤B包括以下步骤确定响应所述荫罩中的孔隙的位置的变化而发生的电子束的调节特性中的变化；以及确定响应所述调节特性中的变化而发生的所述颜色特性中的变化。
5.如权利要求2或权利要求4所述的方法，其中确定所述温度分布的步骤包括以下步骤相对于参考温度分布来确定所述温度分布；以及在时间上累计所述彩色显像管的射束电流的电流密度分布在所述荫罩上的效应。
6.如权利要求3或4所述的方法，其中确定所述调节特性中的变化的步骤包括以下步骤处理所述视频信号，从而预测与通过所述荫罩所投射的多个电子束有关的空间电荷排斥特性。
7.如权利要求1、5或6所述的方法，其中修改所述视频信号的步骤包括以下步骤确定补偿所述颜色特性中的变化所需的所述彩色显像管的射束电流中的变化；以及修改所述视频信号，从而产生所述射束电流变化。
8.一种用于校正响应视频信号而显示的图像的颜色特性的方法，所述方法包括以下步骤处理所述视频信号，从而确定彩色显像管的荫罩的温度变化；响应所述温度变化，确定相对于初始位置的、所述荫罩的孔隙的位置中的变化；响应所述孔隙的位置中的变化，确定通过所述荫罩中的孔隙所投射的电子束的调节特性中的变化；确定响应所述调节特性中的变化而发生的所述颜色特性中的变化；以及修改所述视频信号，从而校正所述颜色特性中的所述变化。
9.如权利要求8所述的方法，其中确定所述调节特性中的变化的步骤包括以下步骤处理所述视频信号，从而预测与通过所述荫罩所投射的多个电子束有关的空间电荷排斥特性。
10.如权利要求8或9所述的方法，其中修改所述视频信号的步骤包括以下步骤确定补偿所述颜色特性中的变化所需的所述彩色显像管的射束电流中的变化；以及修改所述视频信号，从而产生所述射束电流变化。
11.一种用于校正响应视频信号而显示的图像的颜色特性的装置，所述装置包括处理部件，用于处理视频信号，从而响应所述视频信号来预测显示图像的显示设备中的物理特性的改变，并且用于处理所述视频信号，从而确定响应所述物理特性中的改变而发生的所述图像的颜色特性的变化；以及修改部件，用于修改所述视频信号，从而补偿所述颜色特性中的变化。
全文摘要
一种用于校正响应视频信号而显示的图像的颜色特性的系统，其涉及处理所述视频信号，从而预测显示所述图像的显示设备的物理特性中的变化；处理所述视频信号，从而确定响应所述物理特性中的变化而发生的所述颜色特性的变化；以及修改所述视频信号，从而补偿所述颜色特性中的变化。
文档编号H04N9/28GK1736110SQ200380108203
公开日2006年2月15日 申请日期2003年12月18日 优先权日2003年1月3日
发明者伊斯特万·戈罗格, 罗伯特·L·巴宾 申请人:汤姆森特许公司