CN101194301B

CN101194301B - 用于空间光调制显示系统中图像处理的设备和方法

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Publication number: CN101194301B
Application number: CN2005800500641A
Authority: CN
Inventors: 马克·弗朗西斯·鲁姆雷希; 乔尔·埃默森·斯塔布斯
Original assignee: Thomson Licensing SAS
Current assignee: Thomson Licensing SAS; International Digital Madison Patent Holding SAS
Priority date: 2005-06-08
Filing date: 2005-06-08
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2025-06-08
Also published as: WO2006135359A1; JP2008546033A; EP1889250A1; CN101194301A; KR101173584B1; US8189111B2; EP1889250B1; KR20080011673A; US20090316048A1

Abstract

本发明实施例提供一种用于对要提供给动态范围限幅器的视频信号进行调峰、以便在显示器上显示图像的电路。该电路包括调峰滤波器，该调峰滤波器包括被配置成接收视频信号的滤波器输入。第一滤波器输出为视频信号提供调峰信号。第二滤波器输出基于该调峰信号来提供经过调峰的视频信号。该电路进一步包括压制电路，该压制电路包括连接到第二滤波器输出的压制输入。压制输出基于经过调峰的视频信号来提供压制信号。缩放器连接在第一滤波器输出和动态范围限幅器之间。缩放器进一步连接到压制输出。缩放器基于压制信号来调节调峰信号。因此，基于动态范围限幅器的动态范围界限，以及被显示图像的一部分的输入信号的亮度变化，对视频信号自适应地应用调峰。

Description

用于空间光调制显示系统中图像处理的设备和方法

技术领域

本发明一般涉及用于显示系统中图像处理的设备和方法，并且尤其涉及用于处理空间光调制显示系统中图像数据的设备和方法。

背景技术

空间光调制(SLM)系统包括数字光处理^TM(DLP^TM)系统。DMD和DLP^TM是德州(Texas)仪器公司的商标。SLM技术的最近发展依赖于提供菱形像素而非方形像素的SLM元件。SLM系统的处理技术包括所谓的“平滑像素”处理技术。根据平滑像素技术，通过把第一组像素和第二组像素组合起来形成显示图像。第二组像素相对第一组像素有一位移。组合的第一组和第二组像素形成显示图像。

在一个示例SLM系统中，SLM元件阵列为待显示的每一输入图像或帧都提供第一和第二像素组。来自第一和第二像素组的组合像素提供比阵列中SLM元件数更多的显示像素。

然而，该技术有相关联的缺陷。在显示图像中，第一组像素有效地重叠第二组像素。结果，重叠像素区中的光是每个重叠像素的光的组合。这有时导致比预期图像区更亮或更暗。为着手解决该问题，共同发明人Rumreich在2005年3月22日提交的共同转让的另案待审申请号PCT/US2005/09621描述了一种创新的滤波器和方法，以对抗重叠像素亮度的效应。已发现申请人的创新的滤波器可改善平滑像素型显示系统所提供的图像。

利用像素亮度滤波技术，像素亮度处理期间的任何像素亮度变化或施加于像素的增益，都可能造成所得像素强度超过显示器能够显示的最大值。在那种情况下，典型地例如通过限幅器电路将超过最大值的值剪切为最大值。将像素输出强度剪切为该最大值产生了假轮廓和其它人工产物，因为某些强度信息丢失了。因此，需要允许像素亮度处理以增强图像质量、同时使剪切减到最少的电路和方法。

发明内容

本发明实施例提供一种用于对要提供给动态范围限幅器的视频信号进行调峰、以便在显示器上显示图像的电路。该电路包括调峰滤波器，该调峰滤波器包括被配置成接收视频信号的滤波器输入。第一滤波器输出为视频信号提供调峰信号。第二滤波器输出基于该调峰信号来提供经过调峰的视频信号。该电路进一步包括压制(throttle)电路，该压制电路包括连接到第二滤波器输出的压制输入。压制输出基于经过调峰的视频信号来提供压制信号。缩放器连接在第一滤波器输出和动态范围限幅器之间。缩放器进一步连接到压制输出。缩放器基于压制信号来调节调峰信号。因此，基于动态范围限幅器的动态范围界限，以及被显示图像的一部分的输入信号的亮度变化，对视频信号自适应地应用调峰。

附图说明

以下将参考附图更详细描述本发明实施例，其中：

图1是示出包括适于实施本发明各实施例的包括空间光调制(SLM)元件阵列的显示系统的框图。

图2是更详细示出图1所示显示系统的电子学子系统的框图。

图3是示出根据本发明实施例的、包括像素滤波器的SLM系统的框图。

图4是示出接收的像素数据和调节后的像素数据之间关系的图。

图4A是示出根据本发明实施例的调节后像素数据的第一像素组的图。

图4B是示出根据本发明实施例的调节后像素数据的第二像素组的图。

图4C是示出包括图4A和4B所示第一和第二像素组的像素矩阵的图。

图5是根据本发明实施例的像素滤波器的框图。

图6示出了根据本发明实施例的、适用于图5的像素数据滤波器中的示例查找表。

图7是图5所示像素数据处理器的实施例的详细框图。

图8是根据本发明实施例的压制电路的框图。

图9是示出图8所示压制电路的更多细节的框图。

具体实施方式

空间光调制(SLM)器件在许多成像应用如视频图像投影和打印中的使用日益增多。典型空间光调制器包括诸如液晶器件(LCD)和数字微镜器件(DMD^TM)的器件。典型空间光调制器包括二维调制器元件阵列，该二维调制器元件阵列对入射光操作，以便在显示面上形成二维图像。基于LCD的器件使用光偏振特性，以便调制阵列中的每个光元件。基于DMD^TM的器件使用微小微镜阵列来调制单个光元件。空间光调制器阵列中的每个元件都响应对应的驱动电压电平而展示出可变光强。在本发明一个实施例中，SLM阵列中的每个元件都对应于显示图像的至少一个像素。

图1是示出示例系统100的示意图，该示例系统100包括适于实施本发明各实施例的空间光调制(SLM)阵列500。该系统100包括耦合到光学系统400的至少一个光源301。光学系统400包括中继与照明光学子系统300和投影光学子系统200。光学系统400包括空间光调制元件502的至少一个阵列500。根据本发明实施例，该阵列500包括基于半导体的反射光元件502的阵列。根据本发明一个实施例，SLM阵列500包括二元脉宽调制(PWM)光开关元件502的阵列500。在一个实施例中，PWM阵列500的元件502包括微机电系统(MEMS)器件，例如DMD^TM镜。

电子学子系统600包括用于接收视频信号601的输入，以及连接到SLM阵列500的输出。电子学子系统600处理输入视频信号601，以便提供PWM信号去驱动阵列500的元件502。PWM信号根据视频信号601所提供的像素值，来控制阵列500的元件502的角度和停留时间。显示屏499上显示的像素的特性如亮度，与各自对应的微镜元件502的停留时间相关。

电子学子系统600从视频信号源(未示出)接收视频信号601。视频信号601包括与要在显示器499上投影和显示的视频图像相对应的视频图像数据。电子学子系统600处理视频信号601，并提供经过处理的视频信号602以驱动阵列500。

光学系统400包括至少一个中继与照明光学子系统部分300、至少一个投影光学子系统部分200以及至少一个光源301。光源301发出的光透过至少一个中继光学子系统部分300。来自中继光学子系统部分300的光被投射到SLM阵列500的反射光元件502上。

根据本发明实施例，通过多种合适的视频信号源的至少一种来提供视频信号601。对于本发明各实施例，合适的视频信号源包括太多而不能全部列举。然而，仅举几例，某些例子包括但不限于数字通用盘(DVD)系统、置顶盒、广播视频源、因特网视频源、电缆视频源、卫星视频源、无线和电话源。本发明实施例包括数字视频中介系统，其中视频源包括电影、电视电影、视频主盘等。

与视频信号源无关，其中，用于本发明实施例的合适的视频信号601包括模拟视频信号、数字视频信号、分量视频信号和合成视频信号。其中，合适的信号格式包括美国国家电视标准委员会(NTSC)格式、相位交替行(PAL)格式和PAL+格式。提供与待显示图像的像素相对应的像素值的任何视频格式都适用于本发明各实施例。

图2示出了根据本发明实施例的图1所示电子学子系统600的功能框图。电子学子系统600包括用于接收视频信号601的接收器610。接收器610连接到视频处理器640。视频处理器640连接到SLM阵列驱动器690。

根据本发明实施例，接收器610在输入端接收视频信号601。在本发明示例实施例中，接收器610按照常规视频信号接收和解码技术对视频信号601解码，并对视频信号601执行模数(A/D)转换、亮度色度分离(Y/C分离)和色度解调。

根据本发明实施例，视频处理器640进一步提供视频处理功能，例如根据常规技术的对于视频信号601的逐行扫描转换和重采样。视频处理器640连接到SLM器件驱动器690。SLM器件驱动器690提供驱动信号以驱动SLM阵列500的元件502。根据本发明实施例，视频处理器提供增强的色度(2C)和亮度(2Y)信号，供驱动器690用于驱动阵列500的元件502，以便根据视频信号601来调制光。

视频处理器640包括连接到像素组发生器680的像素滤波器320。在本发明一个实施例中，像素组发生器680是为所谓的“平滑像素”处理技术提供像素组的常规器件。根据本发明一个实施例，通过对视频处理器640的处理器进行编程来实现像素滤波器320，以便实现根据在此描述的本发明各实施例的像素处理功能。在本发明替换实施例中，通过硬件而无需对处理器编程，来提供像素滤波器320的功能。本发明的其它实施例用硬件来实现像素滤波器320的某些功能，同时利用为执行其它功能而被编程的处理器来实现其它功能。然而，如本领域普通技术人员一旦阅读此处说明书就将容易理解一样，多种硬件和软件组合将适于实施本发明。因此，本发明的像素滤波器不限于某一特定硬件和处理配置。

根据本发明一个实施例，接收器部分610根据视频信号601提供亮度(Y)信号620给像素滤波器320。根据本发明一个实施例，接收器部分610根据视频信号601提供色度(C)信号649给像素滤波器320。

在本发明某些实施例中，视频信号处理器640提供更多处理功能，例如包括色空间转换、伽玛校正消除、误差扩散、屏上显示能力、红绿蓝(RGB)输入接收能力和用户可操作图像控制。在本发明一个实施例中，驱动器690包括现场可编程门阵列(FPGA)。

在本发明一个实施例中，FPGA 690从视频信号处理器640接收RGB视频信号，并且至少部分地根据RGB视频信号来提供PWM控制功能、图像重格式化、位平面转换和DMD驱动信号功能。根据本发明实施例，系统600进一步包括用于电子学子系统600的存储器622和定时与控制电路621。

如本领域普通技术人员将容易理解一样，处理器一般在多种配置和能力方面都嵌入整个系统。实施在此描述的本发明电路、系统和方法的任何处理器配置都保持在本发明范围内。

图3是示出本发明实施例的框图。显示屏499相对于SLM阵列500排列，以便显示包括像素矩阵450的图像。矩阵450至少包括第一像素组410和第二像素组430(图4中也示出)。根据本发明替换实施例，矩阵450包括多于两个像素组。根据本发明实施例，包括矩阵450的像素数大于用于提供第一和第二像素组410和430的SLM阵列500的元件502的数目。

如图3所示，光源301发出的光透过中继光学子系统300。在本发明一个实施例中，光学子系统300包括用于提供彩色光的装置。根据本发明一个实施例，光学子系统300包括交替产生红、绿和蓝光的颜色轮盘。根据本发明替换实施例，光源301包括红光源、绿光源和蓝光源。彩色光被投射到阵列500上，并从阵列500反射。从阵列500反射的光经由投影光学子系统200被提供给显示器499。

根据像素数据集620所提供的像素值，来驱动阵列500的元件502。矩阵450的每个像素都对应于输入像素数据集620的像素值。像素数据集620是基于视频信号601产生的。在图3中，用字母A至O的排列来表示像素数据集620。

像素处理器320调节像素数据集620的像素值，并将调节后的像素数据集678提供给像素组发生器675。在图3中，用字母A’至O’的排列来表示调节后的像素数据集678。像素组发生器675将调节后的像素数据集678分成第一和第二像素数据组(679和680)。在本发明一个实施例中，像素组发生器675根据已知像素处理技术如“平滑像素”处理技术进行操作。根据平滑像素处理，将输入像素数据集如620分成第一和第二像素数据组。第一和第二像素数据组提供包括被显示矩阵的第一和第二像素组。

然而，常规像素处理技术不包括像素滤波器320，而且常规系统也不向像素发生器675提供调节后的像素数据集678。因此，与常规平滑像素处理技术相比，根据本发明的包括矩阵450的第一和第二像素组410和430提供了大得多的优点。

图4示出了根据本发明实施例的像素数据集620、调节后的像素数据集678、像素数据组679和680、像素组410和430以及像素矩阵450之间的关系。如图4所示，第一像素组410包括h行和c列相邻像素412。为方便起见，一个指示符412指示像素组410的单个像素。第二像素组430包括h行和c列相邻单个像素432。

像素组410和430被投影到显示屏499上，以便看上去相互偏移某一距离，如距离d。在本发明一个实施例中，像素组410和430在基本上位于显示屏499表面平面的x方向的方向上相互偏移。

在本发明一个示例实施例中，使第二像素组430和第一像素组410隔开大约等于单个像素高度二分之一的距离，进行显示。因此，最终所得到的像素矩阵450包括重叠像素。换句话说，第一像素组410的单个像素和第二像素组430的单个像素重叠。

在本发明一个实施例中，SLM元素502包括菱形元件。因此，矩阵450的像素包括基本上为菱形的像素(图4所示的例子)。然而，其它像素形状如方形像素是众所周知的，并且适于本发明某些应用。

图3示出了光学元件210，作为用于为像素组410和430提供间隔的常规装置的一个例子。光学元件210以第一角度 ₁将像素组410和430之一反射到屏幕499上。光学元件210随后以第二角度

₂投影另一像素组。该技术的优点在于，向矩阵450提供比SLM器件500上可得元件502的数目更多的显示像素。在本发明一个实施例中，包括矩阵450的像素数大约是SLM器件500的可得微镜502数目的两倍。

然而，上述技术导致了重叠像素。来自每个重叠像素的光都组合。因此，给定像素的显示亮度有时不能对应像素数据集620中提供的亮度值。在某些情况下，重叠像素的显示亮度大于预期亮度。在其它情况下，重叠像素的显示亮度小于预期亮度。

根据本发明实施例，将像素数据集620提供给像素滤波器320。滤波器320提供修改的像素数据集678。像素数据组679和680由修改的像素数据集678形成。像素数据组679和680的像素的像素值分别用于产生像素组410和430。显示的组合像素组410和430包括矩阵450。

根据本发明实施例，像素滤波器320提供如下图所表示的调节后的示例数据集678：

A′ B′ C′ D′ E′

F′ G′ H′ I′ J′

K′ L′ M′ N′ O′

第一像素数据组679包括被标记为A′、C′、E′、G′、I′、K′、M′、O′的像素数据。第二像素数据组680包括被标记为B′、D′、F′、H′、J′、L′、N′的像素。像素组410和430分别是基于像素数据组679和680产生的。矩阵450包括第一像素组410和第二像素组430。

如可从矩阵450的图看出，第一像素组410的像素至少部分地与第二像素组430的像素重叠，反之亦然。例如，第一像素组410中的G像素位置与第二像素组430中的B、F、L和H像素位置重叠。该重叠造成了矩阵450所代表的图像的强度失真。

根据本发明实施例，通过图3、5和7所示的图像增强滤波器配置320来减小由重叠造成的像素强度失真。

图5示出了根据本发明实施例的像素滤波器320的实施例。像素滤波器320包括至少一个二维滤波器，该至少一个二维滤波器根据由以下给出的阵列h对像素数据集620的各像素进行操作：

-α

-α β -α

-α

其中β是与要从中消除强度失真的像素数据集620的像素相关联的缩放因子；α是与要从中消除强度失真的像素数据集620的像素相重叠的像素的缩放因子。

尤其是，滤波器320对数据集620的各像素的强度值I进行调节，且调节量足以补偿与矩阵450中各像素相重叠的像素的强度贡献。例如，在图4中，将像素数据集620中的像素G的强度(I_G)缩放某一量值(β)，以致减小由显示矩阵450中的重叠像素B(I_B)、F(I_F)、L(I_L)和H(I_H)造成的强度失真。在本发明实施例中，根据以下示出的关系式，调节后的像素G′具有调节后的强度值I_G′。

I_G’＝β(I_G)-α(I_H+I_L+I_B+I_F) (1)

其中：β是与要从中消除强度失真的像素G相关联的缩放因子；α是与对像素G的强度作出贡献的重叠像素相关联的缩放因子。

根据本发明一个实施例，β和α之间的关系由以下给出：β＝1+4α。该关系提供单位直流(DC)增益。然而，本发明不限于这一点。在本发明一个实施例中，α近似为+1/8，且β近似为3/2。在本发明某些实施例中，已发现可选择这些示例缩放因子来提供单位DC增益，同时补偿失真。

根据以上例子，示例数据集620和调节后的数据集678的像素数据表示如下：

A B C D E A′ B′ C′ D′ E′

F G H I J→ F′ G′ H′ I′ J′

K L M N O K′ L′ M′ N′ O′

图5是示出代表图3所示三个相同滤波器320a、320b和320c之一的示例滤波器配置320的框图。在分量视频信号620的各自红、绿和蓝色分量上，滤波器320对每个像素实施上式(1)所描述的关系。为方便起见，将相对于示例像素G来描述一个滤波器320的操作。为方便讨论，在此把如图4所示的重叠像素组410和430称为例子。然而，应该理解，包括输入像素集620的像素的每一个都适于以同样方式进行处理，以消除由重叠像素造成的强度失真。

参考图5，示出了根据本发明实施例的像素滤波器320。像素滤波器320包括延迟电路646。延迟电路646接收像素数据集620的像素数据。延迟电路646延迟所接收的像素数据，以便基本上同时为多个像素提供像素数据。在图5所示例子中，延迟电路646将像素H、L、F和B(与矩阵450中的示例像素G重叠)的像素数据提供给加法器648。同时，延迟电路646将示例像素G的数据提供给第二缩放器652。加法器648将代表像素H、L、F和B的像素值之和的输出提供给第一缩放器651。第一缩放器651将缩放因子α应用于其输入，以提供经过缩放的输出。第二缩放器652将缩放因子β应用于其输入，以提供经过缩放的输出。减法器653对缩放器651和652的缩放输出进行组合。减法器653的差输出代表示例像素G的调节后的值G′。根据本发明一个实施例，任选地将减法器653的差输出提供给限幅器。在那种情况下，由限幅器654提供的连续输出值包括调节后的像素数据集678。

根据本发明一个实施例，可通过由第一调节器655提供的调节因子X，来调节第一缩放器651的缩放因子。根据本发明一个实施例，可通过由第二调节器657提供的调节因子Y来调节第二缩放器652的缩放因子。

图6示出了用于实现包括可调节缩放因子的像素滤波器320的实施例的像素滤波器控制电路700。滤波器控制电路700包括查找表150。查找表150存储可选择的多对XY调节因子X 154和Y 156。该表的每一对XY都对应于表150的滤波器控制设置152之一。在图6所示例子中，提供了8种可能的滤波器控制设置，例如0至7。为选择缩放器调节因子X和Y，在表150的滤波器控制输入688提供代表这8种控制设置之一的滤波器控制信号。与输入688所选择的滤波器控制设置对应的XY值对将调节因子X和Y提供给第一和第二调节器655和657。那样，查找表150为缩放器651和652提供可调节缩放因子。

在本发明一个实施例中，表150的X和Y值保持缩放因子α和β之间的给定的关系，同时允许调节缩放因子α和β。在本发明一个实施例中，α和β之间的给定的关系是由下式给出的单位增益关系：

β＝1+α

图7是图6所示滤波器的一个实施例的更详细图。代表像素数据集620的视频信号被提供给整行延迟寄存器803和805。根据本发明一个实施例，行延迟寄存器803和805使视频信号延迟被显示视频的一整行。对于本例来说，根据以下例子给出的原理来选择行延迟寄存器803和805的延迟。当例如像素M的数据出现在输入601时，行延迟寄存器805的输出将是H，且行延迟寄存器803的输出将是C。如图7所示，行延迟寄存器805和803的输出以及原始视频输入信号如M，分别连接到第二组延迟寄存器807、809和800。加法器812将延迟寄存器803和800的输出相加。加法器812的输出被提供给加法器823的第一输入。

如下提供加法器823的第二输入。延迟元件809的输出被提供给延迟元件811。延迟元件811的输出被提供给加法器813的一个输入。加法器813的另一输入由延迟元件807的输出来提供。加法器813的和输出连接到加法器823的第二输入。

根据以上例子，提供和H+L+B+F。像素H、L、B和F是与图1的矩阵450中的像素G重叠的像素。该和代表与像素G重叠的每个像素的像素强度值之和。然后，通过缩放因子α对该和H+L+B+F进行缩放。在本发明一个实施例中，如下实现缩放。将和H+L+B+F提供给乘法器814。乘法器814将和H+L+B+F乘以乘法器输入655指示的第一乘数x。乘法器814的输出被提供给除法器651。在图7所示实施例中，除法器651使乘法器814的输出除以32。因此，加法器823的和输出(H+L+B+F)被缩放了一因子x/32，其中32是常数，且x/32包括缩放因子α。例如，如果图7中x＝4，则α＝4/32或1/8。因此，以上例子中的缩放后像素和为(1/8)(H+L+B+F)。

类似，通过将像素数据值G提供给乘法器804，将第二缩放因子β应用于像素数据值G。乘法器804的输出被提供给1/8除法器652。因此，G被缩放了一包括缩放因子β的因子y/8。减法器817提供一代表缩放后的像素强度数据值β(G)和缩放后的重叠像素强度值之和(α)(H+L+B+F)之间的差的输出。

在本发明一个实施例中，减法器817的输出被提供给限幅器654。限幅器654将减法器817所提供的差值保持在像素强度值范围内。根据本发明一个实施例，在图7的滤波器电路中提供各种附加延迟寄存器如819，以考虑电路设置时间。

本领域普通技术人员应该理解，β和α之间的其它各种关系，例如不同于单位增益关系，也是可能的。表600适于实现各种关系。通过将适当的xy对值代入表600中，可容易实现其它关系。有利的是，可定制xy对，以致对于表中所有的x和y对值，都保持β和α之间的特定关系。

根据本发明一个实施例，在存储器(未示出)例如半导体存储器中实施查找表150。在那种情况下，存储器存储x和y值。存储器包括分别连接到图7的滤波器645的输入x(用655表示)和y(用657表示)的x和y输出。在包括8对xy的查找表实施例中，x是可选的，以致α以1/32的增量在0至7/32的范围内变化。对于相同表，y是可选择，以致β以1/8的增量在1至15/8的范围内变化。

本领域技术人员将容易理解，能够以软件、硬件和/或固件的各种组合来实施上述滤波器。根据本发明一个实施例，查找表值存储在电子存储器中。例如，可以将数据集存储在与DLP系统微处理器相关联的总线寄存器、随机存储器(RAM)或其它数据存储器中。而且，本发明不限于存储器类型，并且也存在用于存储这种值的其它合适方法。在本发明一个实施例中，用户可通过具有DLP显示系统的用户可操作界面，来选择滤波器控制值。根据本发明另一实施例，通过为控制DLP系统而设的系统微处理器(未示出)，来自动调节滤波器控制值。

此外，虽然图5和7代表根据本发明的滤波器实施例，但是本领域技术人员应该认识到本发明不限于特殊组件配置。例如，其它滤波器结构也可能用于实施本发明。即，其它滤波器结构适于对像素值进行操作，以便调节像素强度，以至少部分补偿由重叠像素造成的强度失真。此外，虽然在本发明许多实施例中选择β＝1+4α是有利的，但是在这一点上本发明不限于这种值。根据本发明各实施例，可选择β和α值，使它们具有其它值和其它关系。

动态范围界限的改进响应

上述像素滤波和处理技术用于恢复通过某些类型的像素处理如平滑像素处理而丢失的原始图像锐度。然而，与所采用的滤波技术无关，像素亮度级的瞬时峰值有时将超过信号路径动态范围。经常采用动态范围限制器来剪切瞬时亮度级。即，动态范围限制器减小那些超过系统显示器动态范围能力的像素亮度值。剪切量基于像素亮度值和信号路径动态范围界限之差。作为剪切的结果，可能导致显示图像的褪色。

为说明该概念，下表1示出了一组示例像素亮度值。对于该例子，零代表黑色，50代表灰色，且100代表最大白色。因此，示例图像包括灰色背景(50)上的单个白色像素(100)。

50 50 50 50 50

50 50 100 50 50

50 50 50 50 50

表1示例输入信号

如以上参考图3所描述的，示例滤波器包括滤波器320a、320b、320c。每个滤波器都是二维滤波器，它将每幅图像的像素和以下定义的阵列h进行卷积：

-α

-α β -α

-α

其中β是与要从中消除强度失真的像素相关联的缩放因子；α是对失真作出贡献的各对应相邻像素的缩放因子。

对于该例子，图3和6的滤波器包括表2所示的例值。

-1/8

-1/8 3/2 -1/8

-1/8

表2

表3示出了在通过图3和6的滤波器进行锐化之后，将要提供给显示器的像素亮度值。

50 50 50 50 50

50 50 44 50 50

50 44 125 44 50

50 50 44 50 50

50 50 50 50 50

表3

如从表3可以看出，滤波使白色像素“比白色更白”。相邻像素比灰色背景值50稍暗。对于具有足以匹配像素值125的动态范围的系统中所采用的图3和图5滤波器的实施例，滤波器将产生预期锐化效果。然而，在一个示例应用中，像素值的动态范围限于一最大值如100。在最大值为100的情况下，表4示出了滤波器的输出。

50 50 50 50 50

50 50 44 50 50

50 44 100 44 50

50 50 44 50 50

50 50 50 50 50

表4

当提供给显示器时，表4给出的亮度值可能产生“褪色的”白点的外观。因此，本发明实施例包括用于补偿这种动态范围限制效果的方法和设备。本发明实施例进一步提供自适应地补偿动态范围限制效果的优点。那样，本发明实施例基于逐个像素来实施补偿。补偿量是基于图像中给定像素的周围或相邻像素将被剪切的预测量。在本发明一个实施例中，估计剪切量，并通过根据预期剪切量来调节像素值，来实施补偿。那样，本发明实施例避免了对被显示图像的给定区域实施比最佳补偿更多的补偿。本发明实施例以足以减少剪切、同时保持整体亮度的调节量，来调节像素。为实现这一点，本发明实施例减小了预期超过系统动态范围界限的像素值。同时，增大了预期没有超过动态范围界限的相邻像素值。

图8示出了根据本发明实施例的自适应滤波器800。压制(throttle)电路825接收801处的连续像素亮度值。连续像素亮度值也提供给像素亮度处理器802，以便进行亮度处理。来自像素亮度处理器802的经过亮度处理的像素被提供给压制电路825。压制电路825基于亮度处理器802和系统显示器(图3的499示出了示例显示器)之间的信号路径的动态范围界限，来自适应地处理输入801的每个像素。压制电路825提供压制信号807。压制信号807被应用于亮度处理器802的输出，以减小超过信号路径的动态范围界限的像素亮度，同时保持显示图像的整体亮度。

在本发明一个实施例中，像素亮度处理器802是滤波器。在本发明一个实施例中，像素亮度处理器802是如图2-7所示的上述滤波器的任何一个。在本发明一个实施例中，像素亮度处理器802包括调峰(peaking)增益调节805。

象图1所示例子的SLM系统为多种用途而处理像素亮度数据。一种原因是补偿由于交错像素显示器如图3的410所示显示器中的重叠像素而引起的图像亮度变化。对于本发明其它实施例，根据伽玛或反伽玛(de-gamma)函数来补偿像素亮度。在本发明其它实施例中，对具有特别强的给定基色主分量的光源，补偿像素亮度。在本发明一个实施例中，像素亮度处理器802是调峰(peaking)滤波器。在本发明一个实施例中，像素处理器802是图5所示类型的调峰滤波器。本发明的其它实施例包括用于锐化其它图像和像素亮度变换功能的像素处理器。尤其是，本发明适于和以下的任何处理器802或滤波器一起使用：该处理器802或滤波器执行这样一种类型的高频增强滤波，以致能够导致像素亮度值的瞬时峰值超出信号路径动态范围。

与像素亮度处理的类型无关，像素处理器802处理输入像素数据，并提供经过亮度处理的输出803。缩放器804可对经过处理的输出803进行缩放。根据图8所示实施例，加法器818将缩放器804的缩放输出和801的输入信号相加。加法器818的输出被提供给限幅器815。如上所论述的，限幅器815限制超过适合于显示器的亮度范围的像素值。在对像素数据进行处理和限幅后，通过数据格式化逻辑对像素数据进行格式化，并利用显示器(对于一个示例显示器，见图3的499)来显示像素数据。

根据本发明一个实施例，滤波器800包括压制电路825和缩放器804。压制电路825的输入862经由加法器808连接到像素处理器802。处理器输入801和处理器输出803连接到加法器808的输入。在压制电路825的输出提供压制信号807。压制信号807用作缩放器804的可变缩放因子。压制电路825通过加法器808接收输入像素数据801和经过处理的像素数据803。对于801的任何给定输入像素，压制电路825都确定与输入像素相邻、且包括输入像素的像素的亮度值是否可能超过限幅器815的范围。

例如，在图4A和4B中，分别示出了第一像素组和第二像素组。图4C代表包括第一和第二像素组的显示像素矩阵。第一像素组包括示例给定像素G。对于输入像素数据的像素G，在显示像素矩阵中，第二像素组的像素H、L、B和F与像素G相邻。

现在回到图8讨论示例像素G，压制电路825基于包括经过调峰的视频信号862的像素值，来估计限幅器815要应用于像素G、H、L、B和F至少之一的剪切量。压制电路825基于输入862的像素G、H、L、B和F的亮度值超出动态范围界限的量，来提供输出信号。然后，压制电路825提供压制信号输出，该压制信号输出基于像素亮度值超出动态范围界限的量来调节调峰滤波器802输出的对应像素值。这样，对输入801的输入信号的像素选择性地应用调峰。选择是基于包括输入信号801所代表的部分图像的像素的亮度值。

本发明的替换实施例适用于只使用一个像素组来显示数据帧的系统。换句话说，本发明的实施例适用于不采用平滑像素或交错像素技术的系统。在那种情况下，相邻像素包括给定像素的邻近像素。在本发明一个实施例中，如果压制电路825确定处理器802的处理将导致给定像素或相邻像素的剪切，则压制电路825调节压制信号807。压制信号807的调节量是基于要应用于给定像素或相邻像素的剪切量。在本发明一个实施例中，调节量足以将相邻像素的亮度值限制为近似在动态范围限幅器815的动态范围界限以内的值。

缩放器804基于压制信号807来缩放像素处理器802的输出803的像素亮度值。在本发明白适应实施例中，压制信号807基于逐个像素来缩放相邻像素的亮度值。因此，将根据其对应的相邻像素来处理每个像素。因而，基于对于被显示图像的每个部分的最佳缩放，来应用不同缩放因子。那样，压制电路800自适应地调节锐化级，以匹配动态范围限制。

在本发明一个实施例，处理器802包括调峰滤波器。调峰滤波器输出803被提供给缩放器804。缩放器804根据压制信号807来缩放经过调峰的输出值。缩放器804的输出被提供给限幅器815。

图9更详细示出了图8的压制电路。根据本发明一个实施例，待处理的连续像素被提供给滤波器配置900的输入801。在采用如连同图3的320描述的滤波器的实施例中，滤波器903包括二维滤波器，该二维滤波器使每幅图像的连续像素和以下定义的阵列h进行卷积：

-α

-α β -α

-α

在图9所示例子中，示例阵列值为：

-1

-1 4 -1

-1

重要的是，注意以上提供的例值是用于说明和讨论的。多种阵列值都是可能的，并且对于本发明各实施例，如以上参考图2-7所描述的那样来确定阵列值。在图9所示实施例中，为滤波器903提供增益控制905。在本发明某些实施例中，增益控制905以类似于图5和6所示增益控制的方式操作。

增益控制905的输出被提供给缩放器904。缩放器904根据压制电路925所提供的压制信号907，对增益控制905的输出进行缩放。在本发明一个实施例中，通过组合器如加法器918，将缩放器904的输出和输入801的信号进行组合。加法器918的输出被提供给限幅器654。限幅器654对加法器918的输出进行剪切，且剪切量足以将输出像素的亮度值调节到动态范围以内，以便显示。

在本发明替换实施例中，图8的处理器802被实施为图9的903所表示的二维高通阵列。在本发明一个实施例中，高通阵列903的输出被提供给乘法器905。根据本发明一个实施例，高通阵列903的输出是调峰信号。调峰信号用于对801的视频信号输入“调峰”。乘法器905根据控制寄存器921中存储的值，来调节高通阵列903输出的幅度，并由此调节调峰信号，以便提供“调峰增益”给高通阵列903的输出。在本发明一个实施例中，可由一个实施例中的技术员或另一个实施例中的观众来调节调峰增益，以便基于被显示视频图像的感觉质量对输入视频信号进行最佳调峰。乘法器905的输出被提供给缩放器904和加法器975。缩放器904将调峰信号耦合到加法器918。加法器918将调峰信号和输入视频信号801进行组合。输入信号801也被提供给加法器975。加法器975的输出是经过调峰的视频信号906。该经过调峰的视频信号906被提供给压制电路925。根据本发明实施例，压制电路925包括绝对值电路951、取核(coring)电路953和滤波器955。根据本发明实施例，压制电路925和缩放器904一起包括用于对视频信号调峰的电路。

根据本发明一个实施例，压制电路925例如通过分数乘法对乘法器905的调峰信号输出进行缩放，由此调节调峰信号。应用于输入视频信号801的调峰量是基于调峰信号的。在本发明一个实施例中，从寄存器915中存储的值来推导调峰信号的增益。在本发明一个实施例中，增益是可变的，以便为调峰信号提供0增益和单位增益之间的增益。

现在将讨论一种示例情况，其中压制电路925为滤波器903的调峰信号输出提供单位增益。电路905根据寄存器921所提供的值，来调节高通阵列903的输出。乘法器904对调节后的高通阵列输出进行缩放，并且加法器918将乘法器904的缩放后的输出和输入801的信号相加。加法器918将和作为输出信号919提供给限幅器654。限幅器654例如通过剪切来限制输出信号919的值，以致该值近似保持在随后信号路径如限幅器输出和显示器之间的信号路径的动态范围界限内。

如果在所有条件下压制电路925的压制信号907输出都是1(unity)，则该系统将以类似于此处图1-7所示的滤波器的方式运转。然而，根据本发明各实施例，压制信号907是可变的。在一个实施例中，压制信号907可在0和1之间变化。在本发明其它实施例中，为压制信号907提供其它调节界限。在本发明一个实施例中，0值完全禁止调峰，而1值允许如滤波器903所确定的调峰、而不进行压制。根据本发明实施例，响应压制电路925来自适应地控制压制信号907。

压制电路925估计要应用于视频输入信号801所代表的视频图像的部分的剪切量。根据本发明一个实施例，压制电路925包括连接到取核电路953的输入的绝对值电路951。取核电路953的输出被提供给扩展电路955。

在本发明一个实施例中，经过调峰的视频信号906被提供给绝对值电路951。绝对值电路951确定经过调峰的视频信号906的连续像素的绝对值。实际上，绝对值电路951把经过调峰的视频信号906的连续输入像素的正值和负值相对于输入像素值范围的中心交迭在一起(fold together)。

绝对值电路951的输出连接到取核电路953。取核电路953提供一个与其输入的最大正和最大负未剪切像素值相对应的阈值。在本发明一个实施例中，取核电路953相对于剪切阈值来计算其输入的像素。在本发明一个实施例中，取核电路953将非线性函数应用于其输入的像素，以相对于剪切阈值来计算像素亮度。

取核电路953的输出被提供给扩展电路955。在本发明一个实施例中，扩展电路955包括接收取核电路953所提供的连续像素的二维滤波器。扩展电路955计算包括如阵列I所表示的给定像素及其相邻像素的视频信号的一部分。对于扩展电路955的每个连续输入值，都在扩展电路955的输出提供对应的扩展剪切估计输出。如下确定与给定输入值相对应的扩展剪切估计。对于每个给定连续输入值，都识别阵列I的对应“最大”像素。最大像素值是阵列I的最高值。

扩展电路955提供扩展剪切估计x。x是一缩放器，它对最大像素的亮度进行调节，且调节量足以使最大像素的亮度值保持在限幅器654所强制的动态范围内。压制信号907基于扩展剪切估计。

根据本发明一个实施例，扩展电路955的输出是通过乘法器957调节的增益。根据本发明一个实施例，由控制寄存器915来提供乘法器957的乘法因子。在本发明一个实施例中，控制寄存器915存储要应用于扩展电路955的输出、以调节压制信号907的增益的值(以下被称为压制增益)。根据本发明一个实施例，乘法器957的输出受限幅器958限制，并且被反相器959反相。因而，根据一个实施例，为压制信号907提供极性和范围设置电路。

上述电路在预计要发生限幅的附近区域减小调峰量，并防止白色或黑色细节的褪色。根据本发明各实施例，通过采用多种行延迟，来实现电路903和955。例如，在本发明一个实施例中，把如图7所示电路所建议的行延迟配置用于电路903和955。根据本发明一个实施例，选择行延迟数以实现电路903和955，以便预测对高通阵列903所计算的行的上面一行和下面一行的限制。例如，为实施如图9所示的本发明实施例，使用4个行延迟。两个行延迟为高通阵列903提供对三个垂直排列像素的同时访问。类似，利用另外两个行延迟来实施如图9所示的扩展电路955的一个实施例，以允许上述计算。

图9所示电路的一个实施例包括两个行延迟，由此节约该实施例的行延迟总量。通过对扩展电路955中的X所代表的高通阵列903进行近似，来实施该实施例。根据本发明实施例，表7示出了用于实施扩展电路955的X的高通阵列的近似。该近似包括两个阵列。表7示出了这两个阵列的例子。

-1 0

-1 3 -1 -1 3 -1

0 -1

表7

使用表7的近似避免了需要和零系数相关联的延迟。这只是被认为提供良好性能的本发明的一个实施例。

根据本发明各实施例，在不脱离本发明基本范围的情况下可设计本发明的其它更多实施例，且本发明范围由随后的权利要求书确定。

Claims

1.一种用于对代表要提供给动态范围限幅器(654)的视频图像的视频信号进行调峰、以便在显示器上进行显示的电路(800、900)，所述电路(800、900)包括：

调峰滤波器(802、903)，其包括被配置成接收所述视频信号的滤波器输入(801)，用于为所述视频信号(801)提供调峰信号的第一滤波器输出，以及基于所述调峰信号来提供经过调峰的视频信号(906)的第二滤波器输出；

压制电路(825、925)，其包括连接到所述第二滤波器输出的压制输入以及基于所述经过调峰的视频信号来提供压制信号的压制输出；

缩放器，所述缩放器连接在所述第一滤波器输出和所述动态范围限幅器之间，且进一步连接到所述压制输出；

所述缩放器基于所述压制信号来调节所述调峰信号，以致基于所述动态范围限幅器的动态范围界限和所述视频图像的部分的亮度，向所述视频信号自适应地应用调峰。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述压制电路包括：

剪切估计器，其连接到所述第二滤波器输出；

扩展电路，其连接到所述剪切估计器，且提供扩展剪切估计；

所述压制信号至少部分地基于所述扩展剪切估计。

3.根据权利要求2所述的电路，其中所述剪切估计器包括绝对值电路。

4.根据权利要求2所述的电路，其中所述扩展电路包括滤波器，所述滤波器被配置成，为包括所述视频信号的视频图像的连续部分提供扩展剪切估计、并基于所述扩展剪切估计来提供所述压制信号，以致可为所述视频图像的连续部分调节调峰级。

5.根据权利要求1所述的电路，其进一步包括连接到所述压制输出的压制信号增益调节电路。

6.根据权利要求1所述的电路，其进一步包括连接到所述调峰滤波器的所述第二滤波器输出的调峰增益调节电路。

7.根据权利要求1所述的电路，其中所述视频信号包括第一和第二像素组，所述第一和第二像素组包括用于在显示器上显示的图像的帧，所述缩放器基于所述压制信号自适应地调节所述调峰信号，以致所述第一和第二像素组的所述经过调峰的视频信号的动态范围限制在所述图像的帧的区域内最小化。

8.根据权利要求1所述的电路，其进一步包括极性和范围调节电路，所述极性和范围调节电路向所述缩放器提供经过极性和范围调节的压制信号。

9.一种用于对要提供给动态范围限幅器的视频信号进行自适应调峰的方法，所述方法包括：

对所述视频信号进行滤波，以便为所述视频信号提供调峰信号；

根据所述调峰信号对所述视频信号进行调峰，以提供经过调峰的视频信号；

估计所述动态范围限幅器将要应用于所述经过调峰的视频信号的剪切，所述估计包括：

确定与所述经过调峰的视频信号相对应的绝对值；

对所述绝对值进行卷积，以预测包括所述视频信号的视频图像的连续部分的剪切；

根据所述连续部分的剪切来调节所述调峰信号，以致对于经过剪切预测的所述视频图像的部分，使动态范围限制最小化；

根据所述估计的剪切来调节所述调峰信号，以使所述经过调峰的视频信号的动态范围限制最小化。

10.根据权利要求9所述的方法，其中通过以下方式来执行所述的根据所述估计的剪切来调节所述调峰信号的步骤：调节所述调峰信号，以使其中剪切超过预定剪切级的所述视频图像的部分的剪切最小化。

11.根据权利要求9所述的方法，其中通过提供压制信号来执行所述的根据所述估计的剪切来调节所述调峰信号的步骤，并且所述的根据所述估计的剪切来调节所述调峰信号的步骤进一步包括调节所述压制信号的增益的步骤。

12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括调节所述压制信号的极性和范围的步骤。