專利名稱：用于增強(qiáng)透射系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的設(shè)備和技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及圖像的投射，特別是用于增強(qiáng)以數(shù)字投影器為典型的電子技術(shù)投射圖像的技術(shù)和設(shè)備。
結(jié)合于此的美國(guó)專利5,386,253具有與此完全相關(guān)的領(lǐng)域，論及應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)空間光調(diào)制器(SLM)的投影系統(tǒng)示例。如所摘錄的專利領(lǐng)域空間光調(diào)制器裝置包括所謂“有源矩陣”裝置，由排列的光調(diào)制器件或“光閘”構(gòu)成，它們均可通過(guò)控制信號(hào)(通常為電信號(hào))控制，光根據(jù)控制信號(hào)反射或穿過(guò)。液晶陣列就是一種有源矩陣裝置的例子；另一個(gè)例子是德克薩斯儀器公司開(kāi)發(fā)的變形鏡面裝置(DMD)……見(jiàn)第1欄13-21行領(lǐng)域部分。當(dāng)然，現(xiàn)有的其他類型的光“引擎”，或光源，以及它們的變化形式可能用于結(jié)合在下面描述的本發(fā)明中。
無(wú)論使用哪種類型的光源和調(diào)制器，觀眾通常都期望看到細(xì)節(jié)和層次較高的圖像，以及降低有害的不自然現(xiàn)象。特別是較高的分辨率和圖像質(zhì)量利于觀眾打消對(duì)所投射圖像真實(shí)性的懷疑。這種畫質(zhì)確實(shí)經(jīng)常成為現(xiàn)今的觀眾在看電影過(guò)程中的一種重要因素。
然而，產(chǎn)生這種高分辨率圖像無(wú)法脫離成本的增加。例如Imax公司打算具此提出的申請(qǐng)，不但適用于專業(yè)的照相機(jī)和投影器，還包括70毫米15孔膠片投影圖像分辨率和畫質(zhì)的提高。傳統(tǒng)電子投影器(特別是使用SLM的)，其對(duì)比度通常不能滿足與投射的圖像分辨率相當(dāng)匹配。以及，此類電子投影器經(jīng)常無(wú)法滿足大型膠片所提供圖像的動(dòng)態(tài)范圍和全部亮度。盡管如此，它們可以滿足(或必要的)作為非膠片像源圖像，如(并非限定)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的影像或電子照相機(jī)所得到的素材方面的應(yīng)用。
一種DMD類型的SLM，由兩個(gè)按尺寸排列的反光鏡構(gòu)成。反光鏡的排列通過(guò)投射鏡頭成像在屏幕上，使各反光鏡起到一個(gè)像素的作用。各反光鏡可通過(guò)電子控制定位在兩個(gè)位置，一個(gè)位置將入射的光反射到投影鏡頭，作為”O(jiān)N”狀態(tài)，以及在另一個(gè)位置，不將入射光反射到投影鏡頭，但將其轉(zhuǎn)向到如束流收集器中，此時(shí)為”O(jiān)FF”狀態(tài)。
因此，DMD是二元光調(diào)制器。通過(guò)時(shí)間控制的反光鏡在各開(kāi)或關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間會(huì)產(chǎn)生兩度的變化，各反光鏡在開(kāi)和關(guān)狀態(tài)之間依據(jù)畫面次序的規(guī)則方式循環(huán)重復(fù)，如傳統(tǒng)的活動(dòng)畫面顯示。根據(jù)變化的時(shí)間值，各反光鏡在每一幀期間處于開(kāi)狀態(tài)，各像素的亮度可被控制。這種技術(shù)稱為脈沖寬度調(diào)制或PWM。
采用PWM，灰階可通過(guò)DMD裝置產(chǎn)生。該灰階可通過(guò)輸入二進(jìn)制數(shù)碼形式的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行控制。例如，將各幀時(shí)間分割成不同長(zhǎng)度的十個(gè)周期，可產(chǎn)生10比特的灰階。時(shí)間周期的長(zhǎng)度與設(shè)定為一個(gè)預(yù)定值的，針對(duì)任意特定幀的地址選擇信號(hào)中最小的有效單元(LSB)相關(guān)，周期的持續(xù)與下一相對(duì)于LSB兩倍長(zhǎng)的有效單元(LSB+1)相關(guān)，等等。如此，相應(yīng)于最長(zhǎng)有效單元(MSB)的10比特輸入信號(hào)周期長(zhǎng)度相對(duì)于LSB是512倍。這樣總共給出1024種可能的灰階值，介于全黑(DMD反光鏡在整個(gè)幀周期中保持關(guān)狀態(tài))到全白(DMD反光鏡在整個(gè)幀周期中保持開(kāi)狀態(tài))之間。設(shè)置最低的PWM頻率用于MSB，高于肉眼可視系統(tǒng)的“停閃頻率”，每個(gè)PWM循環(huán)將根據(jù)輸入的二進(jìn)制信號(hào)值進(jìn)行結(jié)合并設(shè)置成連續(xù)灰階變化的感覺(jué)。這種技術(shù)稱為二元PWM。
采用二元PWM，從各反射鏡輸出的亮度水平與反射鏡處于幀之間”O(jiān)N”狀態(tài)的時(shí)間比例相符合。其結(jié)果是從信號(hào)DMD像素輸出亮度水平B可通過(guò)下列公式建模B＝(αy+δ)TL＝αyTL+δTL (1)公式(1)中，L是來(lái)自光源的入射光亮度，y是規(guī)格化值范圍從0到1的數(shù)字信號(hào)，以及T是各顯示幀的持續(xù)時(shí)間。因數(shù)α＜1表示DMD像素的光學(xué)效率。其最大輸出，或DMD裝置的“白電平”，是當(dāng)信號(hào)值達(dá)到最大，或例如y＝1時(shí)獲得Bw＝By＝1＝(α+δ)TL(2)類似地，其最小輸出，或DMD裝置的“黑電平”是當(dāng)，例如y＝O時(shí)達(dá)到Bb＝By＝0＝δTL (3)最大到最小電平的比率決定了基于DMD的投影器的對(duì)比度比例。最小電平是當(dāng)反射鏡處于關(guān)狀態(tài)時(shí)多余的光反射進(jìn)投射鏡頭的瞳孔的結(jié)果。這是由多種因素引起的，包括反射鏡邊緣和反射鏡下面結(jié)構(gòu)的散射。關(guān)狀態(tài)下多余的光源結(jié)合進(jìn)公式(1)的δ項(xiàng)。對(duì)于DMD裝置，確實(shí)支持一個(gè)n比特的動(dòng)態(tài)范圍，其黑電平必須小于由最小有效比特(LSB)數(shù)字輸入信號(hào)表征的亮度電平?；蛘哒f(shuō)，必須維持下列關(guān)系δ<12n-1---(4)]]>黑電平或最低光電平可以被顯示為一個(gè)設(shè)置的發(fā)生在黑場(chǎng)下細(xì)節(jié)量度的極限。在采用DMD的投影系統(tǒng)中，DMD裝置的切換速度決定了最低比特時(shí)間(LSB)。另外，黑電平表征當(dāng)DMD處于完全關(guān)狀態(tài)時(shí)最低可顯示的水平。降低LSB顯示亮度到某些臨界值之下，產(chǎn)生一些灰階比特深度的增益效果，據(jù)此增加了被DMD黑電平掩蓋的灰度分辨率。黑電平還限定了系統(tǒng)可顯示的對(duì)比度比例。典型的基于SLM的投射系統(tǒng)，介于200∶1和500∶1之間，取決于光學(xué)設(shè)計(jì)。
為了使觀看者感覺(jué)圖像具有全部范圍的色調(diào)，使最飽和的成像盡可能接近自然，有必要設(shè)定投影系統(tǒng)的各種對(duì)比度水平，取決于系統(tǒng)提供的光能級(jí)，并且還依據(jù)觀看環(huán)境周圍的環(huán)境光量。目視觀察系統(tǒng)具有一個(gè)同時(shí)對(duì)比度范圍，它與典型的在某一給定狀態(tài)下通過(guò)肉眼同時(shí)能看到的場(chǎng)景亮度相關(guān)。一般認(rèn)可的范圍是200∶1。然而，目視觀看系統(tǒng)的同時(shí)對(duì)比度范圍與一個(gè)很寬的全部場(chǎng)景亮度相配合，從場(chǎng)景的最黑部分到最亮，總共大約有七個(gè)十進(jìn)位。與觀察者變換適應(yīng)于該范圍的整個(gè)有效部分相同，如同觀察者在場(chǎng)景中的注視點(diǎn)發(fā)生變化。例如在明亮的陽(yáng)光下觀看建筑物外形，然后向地下停車場(chǎng)位置觀看。正常的觀察者既能看見(jiàn)停車場(chǎng)區(qū)域所有的汽車，也能看見(jiàn)光亮建筑物的特征，盡管總對(duì)比度超出觀察者可感覺(jué)的同時(shí)對(duì)比度。
投射系統(tǒng)的對(duì)比度需要產(chǎn)生一種全范圍增加色調(diào)，如同投射光量降低，以及增加時(shí)如同周圍變暗的感覺(jué)。典型的電影院觀看環(huán)境中投射對(duì)比度為1000∶1或更高，需要使觀看者在相當(dāng)于其同時(shí)對(duì)比度200∶1的對(duì)比度范圍去感覺(jué)整個(gè)范圍的色調(diào)。另外，需要不同的灰階步長(zhǎng)，以感覺(jué)其亮度變化。觀察者可以在較低的亮度下較之在較強(qiáng)的亮度下更能區(qū)分灰階的更小步長(zhǎng)。
當(dāng)代表灰階采用二進(jìn)制數(shù)據(jù)時(shí)，與按“比特深度”使用的二進(jìn)制數(shù)中的比特?cái)?shù)相關(guān)。較大的比特?cái)?shù)顯然可以產(chǎn)生細(xì)密的灰階步進(jìn)，一直到某種極限，部分取決于觀看條件，較大數(shù)字的灰階步進(jìn)，因而較大的比特?cái)?shù)是理想的。但如上所論述，在剛剛能夠感覺(jué)投影系統(tǒng)黑級(jí)的最小步長(zhǎng)下進(jìn)一步細(xì)分灰階步長(zhǎng)是沒(méi)有意義的。
在國(guó)際專利申請(qǐng)WO94/10675(以其完全相關(guān)性結(jié)合于此)中描述了一種增加基于DMD的顯示系統(tǒng)的比特深度方法，其中光源的亮度用于照明，DMD以二進(jìn)制基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)制。但是，當(dāng)延伸正常的灰階比特深度時(shí)(由于該二進(jìn)制調(diào)制發(fā)生在單獨(dú)的視頻幀幅中)，它對(duì)DMD的黑電平?jīng)]有影響。再有，在這類照明調(diào)制中，電源必須非常快地改變其輸出，因此被迫需要對(duì)照明電源進(jìn)行苛刻的設(shè)計(jì)，并可能產(chǎn)生大量顯著的電磁沖突。
黑電平可以通過(guò)DMD構(gòu)建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的改進(jìn)和其他光調(diào)制裝置來(lái)降低，但不能完全消除。因此，需要一種設(shè)備和技術(shù)來(lái)降低黑電平，從而增加SLM投影器的動(dòng)態(tài)范圍。
本發(fā)明所選的實(shí)施例可以采用附加的SLM預(yù)調(diào)制器以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例可用作全局或單像素的預(yù)調(diào)制器(典型的SLM)以適用于整個(gè)下游SLM動(dòng)態(tài)范圍的改善。運(yùn)行中，該預(yù)調(diào)制器起阻斷下游SLM光線的作用，以使整個(gè)畫面變黑，并增強(qiáng)所選場(chǎng)景的黑電平。下游SLM可以保持其全動(dòng)態(tài)范圍適應(yīng)能力，但應(yīng)考慮適當(dāng)時(shí)候或需要時(shí)輸入新的照度電平。對(duì)于亮的場(chǎng)景，預(yù)調(diào)制器不需要起作用，此過(guò)程將維持正常的亮度電平。預(yù)調(diào)制器因而可用于配合投影器的場(chǎng)景亮度，總體上匹配于目視觀察系統(tǒng)的功能。在另一實(shí)施例中，布置了兩個(gè)或更多SLM，使它們相應(yīng)的像素具有精確的一對(duì)一關(guān)系。在另一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)分開(kāi)的預(yù)調(diào)制器可用于暗化選定的區(qū)域(例如一個(gè)象限)，因此像素的一對(duì)一精確對(duì)應(yīng)在特定的預(yù)調(diào)制器和下游SLM之間就不再需要了。任一過(guò)程中，各SLM可獨(dú)自驅(qū)動(dòng)，但協(xié)調(diào)一致，使其動(dòng)態(tài)范圍性能相結(jié)合以擴(kuò)大合成的動(dòng)態(tài)范圍。
本發(fā)明的再一個(gè)特征包括亮度補(bǔ)償，可選用來(lái)增加下游SLM的照度電平，例如，當(dāng)希望增進(jìn)全場(chǎng)景的對(duì)比度時(shí)。補(bǔ)償規(guī)則特別適用于采用單像素預(yù)調(diào)制器時(shí)，而在全局預(yù)調(diào)制器中有時(shí)會(huì)過(guò)度地減小了向下游SLM的輸入。本發(fā)明的進(jìn)一步特征包括局部亮度補(bǔ)償，用于避免亮度和彩色構(gòu)成中的高光削波失真。
本發(fā)明的進(jìn)一步特征涉及一種向預(yù)調(diào)制器提供控制信號(hào)，與供給到SLM的圖像數(shù)據(jù)相一致的方法。
本發(fā)明的其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)通過(guò)本申請(qǐng)其余的文字和附圖，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的。
圖2是動(dòng)態(tài)范圍窗口概念的圖解。
圖3是一種光度補(bǔ)償規(guī)則的示例圖解。
圖4是部分光度補(bǔ)償以消除高光削波失真的示例。
圖5是用于每個(gè)彩色通道的預(yù)調(diào)制器實(shí)施例的示意圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明另一顯示系統(tǒng)實(shí)施例的示意圖。
圖7是用于驅(qū)動(dòng)圖6中DMD的信號(hào)的尋址信號(hào)比特映像圖解。
圖8是可用于構(gòu)成圖6所示預(yù)調(diào)制器的電路圖解。
圖9是本發(fā)明顯示系統(tǒng)的另一實(shí)施例示意圖。


圖10和11分別是用于圖9系統(tǒng)中的調(diào)制器側(cè)視和俯視圖。
圖12是圖10和11所示調(diào)制器與圖9所示系統(tǒng)結(jié)合使用的示意圖解。
圖13和14是是圖10和11所示調(diào)制器反射部分的不同排列形式圖解。
圖15是另一種用于圖9所示系統(tǒng)的調(diào)制器圖解。
圖16是用于圖10和11或15所示調(diào)制器的另一種光學(xué)布置圖解。
圖17是進(jìn)一步實(shí)施例的圖解，其中預(yù)調(diào)制器應(yīng)用于各幀的識(shí)別已編碼在輸入信號(hào)中。
預(yù)調(diào)制器2控制入射到DMD裝置3的光量。當(dāng)預(yù)調(diào)制器減少入射到DMD的光，DMD的黑電平將降低。預(yù)調(diào)制器根據(jù)執(zhí)行方法以不連續(xù)或連續(xù)的方式變化入射到DMD的光亮度。
預(yù)調(diào)制器的動(dòng)作可通過(guò)一個(gè)可變量β(β≤1)，稱作預(yù)調(diào)制因數(shù)來(lái)模仿。當(dāng)β小于1時(shí)，到達(dá)DMD上的入射光被減少。
與全局預(yù)調(diào)制器一起，從DMD裝置輸出的亮度可簡(jiǎn)單地表達(dá)為Bβ＝βB (5)全局預(yù)調(diào)制器的應(yīng)用在任何給定情況下不能改變SLM投影器的對(duì)比度比率，因?yàn)榘缀秃陔娖酵瑯颖灰粋€(gè)因數(shù)β降低，Bβ，w＝βBw以及 (6)Bβ，b＝βBb但是，由于全局預(yù)調(diào)制器全標(biāo)度地改變通過(guò)SLM動(dòng)態(tài)范圍表示的值，它可以有效地改變通過(guò)SLM顯示的連續(xù)灰階電平之間的步長(zhǎng)。目視觀察系統(tǒng)對(duì)于灰階步長(zhǎng)的變化的敏感，如同全場(chǎng)景亮度的變化，因此一個(gè)在場(chǎng)景內(nèi)容上可改變顯示灰階步長(zhǎng)尺寸的系統(tǒng)，會(huì)感覺(jué)有較高的圖像質(zhì)量。
另外，通過(guò)最大衰減地設(shè)定預(yù)調(diào)制器對(duì)黑電平的降低，以及最小衰減地設(shè)置投影器所保持的實(shí)質(zhì)上的全白電平，預(yù)調(diào)制器能增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，或其總對(duì)比度范圍。
在電影膠片中，同時(shí)存在有些場(chǎng)景亮調(diào)占主導(dǎo)地位，有些場(chǎng)景黑調(diào)占主導(dǎo)地位。在這些較黑的場(chǎng)景中，增加傳統(tǒng)SLM投影器的黑電平是最無(wú)法采用的。另外，場(chǎng)景變化中的新場(chǎng)景亮度或黑度的感覺(jué)受觀看者適應(yīng)狀態(tài)的影響。由于是作為連續(xù)變化的系列場(chǎng)景來(lái)觀看，投影器對(duì)場(chǎng)景亮度的適配能力的操作，如同附送給觀看者的適應(yīng)狀態(tài)，并產(chǎn)生對(duì)比度范圍增加的感覺(jué)。
因此，通過(guò)控制預(yù)調(diào)制的量，SLM投影器可以適配場(chǎng)景亮度的變化，使亮度范圍的傳送符合最佳的觀看感覺(jué)。這個(gè)技術(shù)被稱為“適應(yīng)性動(dòng)態(tài)范圍窗口”(ADRAW)投射。如前所述，我們對(duì)對(duì)比度的感覺(jué)如同工作在一個(gè)沿最大適應(yīng)范圍滑動(dòng)的窗口中，以及“對(duì)比度范圍窗口”的圈定取決于特定的觀看條件。
目視系統(tǒng)中存在的滑動(dòng)對(duì)比度范圍窗口，提出最有效的投影系統(tǒng)應(yīng)適配于場(chǎng)景的亮度及觀看條件。用于電影中，其觀看條件被良好地控制，觀看者只需適應(yīng)變化場(chǎng)景中的亮度。由于觀看者只感覺(jué)在具體對(duì)比度窗口中一個(gè)限定范圍的亮度水平，有利于投影器提供一個(gè)匹配于該窗口的對(duì)比度范圍，同時(shí)根據(jù)場(chǎng)景亮度的各種變化向上和向下移動(dòng)該窗口。
圖2示出了適應(yīng)性動(dòng)態(tài)范圍窗口(ADRAW)投影器。如圖2所示，動(dòng)態(tài)范圍窗口10向上和向下移動(dòng)在如虛線所示的亮度范圍標(biāo)度11上。
全局預(yù)調(diào)制器2如圖1相關(guān)的描述，提供了一個(gè)簡(jiǎn)單方法來(lái)實(shí)現(xiàn)SLM投影器的ADRAW思路。如果場(chǎng)景是亮的，預(yù)調(diào)制器處在最小衰減設(shè)置(β＝1)，投影系統(tǒng)輸出最大的亮度。此時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍窗口10位于標(biāo)度11的頂端12。當(dāng)場(chǎng)景是黑的時(shí)，預(yù)調(diào)制器對(duì)光進(jìn)行衰減(β＜1)，其輸出亮度降低，作為一個(gè)黑電平。當(dāng)預(yù)調(diào)制器在最大衰減設(shè)置時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍窗口10向下移動(dòng)到標(biāo)度11的底端14。沒(méi)有預(yù)調(diào)制時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍窗口10僅擴(kuò)張到標(biāo)度11上的位置13。結(jié)果是，ADRAW投影器系統(tǒng)適用于支持比傳統(tǒng)SLM投影器對(duì)比度范圍更大的動(dòng)態(tài)范圍。
窗口10的定位通過(guò)預(yù)調(diào)制因數(shù)β控制。因數(shù)β值的選擇基于場(chǎng)景的亮度，并可以在連續(xù)的范圍或以不連續(xù)的階段變化。β的值可以由各種方式，如圖像中的像素閾值、圖像中的平均像素值或其他與亮度有關(guān)的方式，按觀看者的感覺(jué)來(lái)決定。
圖2展示了來(lái)自帶有全局預(yù)調(diào)制的投影器擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)范圍。假定預(yù)調(diào)制因數(shù)在下列范圍內(nèi)變化βmin≤β≤βmax(7)與沒(méi)有預(yù)調(diào)制的DMD系統(tǒng)相比較，系統(tǒng)的“白”電平是Bβ，w＝βmaxBw(8)如果βmax＝1，則保持無(wú)變化，但系統(tǒng)黑電平被降低Bβ，b＝βminBb(9)由投影器送出的實(shí)際上的“白”和“黑”電平通過(guò)預(yù)調(diào)制量決定，并可通過(guò)公式(6)計(jì)算。數(shù)據(jù)格式化模擬電影的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)代表預(yù)調(diào)制因數(shù)β的數(shù)據(jù)來(lái)完善，以及同樣可以展示其他補(bǔ)償信息。所有數(shù)據(jù)可以結(jié)合于一個(gè)數(shù)據(jù)流提供給投影器。例如，如果使用高清晰度電影標(biāo)準(zhǔn)SMPTE274M，需要一個(gè)格式成消隱這些信號(hào)間隔的信息去控制預(yù)調(diào)制器。另外，可采用連續(xù)數(shù)字電影標(biāo)準(zhǔn)SMPTE292，并將信息編碼成連續(xù)數(shù)字電影信號(hào)中的“元數(shù)據(jù)”以擴(kuò)充SMPTE292標(biāo)準(zhǔn)目前也在考慮中。當(dāng)采用支持如SMPTE292的雙重鏈接4444模式時(shí)，圖像格式還可以使用“alpha”通道以攜帶預(yù)調(diào)制因數(shù)。
當(dāng)通過(guò)裝備有預(yù)調(diào)制器的投影器，較好地適合于典型條件下觀看的各場(chǎng)景，其預(yù)調(diào)制因數(shù)和其他補(bǔ)償信息可通過(guò)人機(jī)對(duì)話由專業(yè)操作者決定，也可以通過(guò)投影器中的電路自動(dòng)地選擇預(yù)調(diào)制因數(shù)和其他補(bǔ)償。這些電路將結(jié)合場(chǎng)景亮度并根據(jù)預(yù)調(diào)制的規(guī)則選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)調(diào)制因數(shù)。其他設(shè)置在輸入數(shù)據(jù)和SLM之間按要求變更像素值以完成額外的補(bǔ)償功能的硬件如下所述。照度補(bǔ)償簡(jiǎn)單地在亮度標(biāo)度上上下滑動(dòng)動(dòng)態(tài)范圍窗口不總是提供最好的視覺(jué)結(jié)果。例如，測(cè)試中，全局預(yù)調(diào)制施加到相對(duì)黑的場(chǎng)景中，預(yù)調(diào)制因數(shù)β設(shè)置成0.5。雖然圖像亮度降低50％，對(duì)比度比率仍保持不變，因?yàn)楹陔娖揭灿捎谕粋€(gè)因數(shù)降低了。然而，如可從目視系統(tǒng)的數(shù)據(jù)預(yù)知的，由于圖像整體亮度的降低，會(huì)呈現(xiàn)對(duì)比度的損失。更進(jìn)一步，當(dāng)全部場(chǎng)景亮度降低時(shí)，顏色呈現(xiàn)飽和度缺失。
為了改善發(fā)送圖像的質(zhì)量，對(duì)比度的損失可以通過(guò)亮度的補(bǔ)償運(yùn)算進(jìn)行補(bǔ)償。運(yùn)算的目的是修改像素代碼值，以維持全部顯示圖像的對(duì)比度。
圖3示出了投影器的灰階傳遞函數(shù)的預(yù)調(diào)制效果，展示了關(guān)于投影器在調(diào)制前20和調(diào)制后21照度Y和像素代碼值p之間的關(guān)系。假定Y是p的大約的函數(shù)(投影器的特性曲線)，照度Y和像素代碼p之間的關(guān)系表示為Y＝f(p) (10)于是，預(yù)調(diào)制降低的輸出照度為Y＝fβ(p)＝βf(p)(11)圖3中虛線22表示最大照度Y＝50％，即β＝0.5時(shí)決定的最高白電平。如該圖所示，亮度被降低了。照度補(bǔ)償通過(guò)對(duì)每個(gè)像素值乘以一個(gè)補(bǔ)償因數(shù)c被引入以增加對(duì)比度，即fβ(cp)＝f(p)(12)對(duì)于每個(gè)像素的補(bǔ)償量c可從公式(12)計(jì)算得到，其結(jié)果為c=fβ-1(f(p))p=1pf-1(f(p)β)---(13)]]>圖4展示了如何進(jìn)行補(bǔ)償操作。這里投影器傳遞函數(shù)沒(méi)有預(yù)調(diào)制30，沿預(yù)調(diào)制函數(shù)31展示。完全補(bǔ)償?shù)膫鬟f函數(shù)33在中間色調(diào)和高光區(qū)有相同的斜率，直至達(dá)到Y(jié)＝50％的最大值。高光削波和部分補(bǔ)償照度補(bǔ)償運(yùn)算改進(jìn)了視覺(jué)質(zhì)量，但可能帶來(lái)高光削波。高光削波發(fā)生在當(dāng)補(bǔ)償?shù)拇a值需要全面補(bǔ)償，超過(guò)n比特像素碼p最大值時(shí)，cp=f-1(f(p)β)>2n-1---(14)]]>或者說(shuō)，補(bǔ)償碼c不能使像素碼p達(dá)到適當(dāng)?shù)乃?。高光削波可通過(guò)圖4看見(jiàn)，其中補(bǔ)償傳遞函數(shù)33在超過(guò)由線32，取決于預(yù)調(diào)制因數(shù)β＝0.5，定義的最大可能亮度時(shí)被削波。對(duì)于全部像素值p大于補(bǔ)償傳遞函數(shù)33與線32交叉點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的像素值時(shí)將發(fā)生削波，因?yàn)樗羞@些較大的像素值都將獲得同一個(gè)照度值Y＝50％。
圖像高光削波刪除了高光部分的細(xì)節(jié)并帶來(lái)可見(jiàn)的圖像衰退。通常需要通過(guò)調(diào)整三原色通道的增益來(lái)平衡SLM基顯示裝置RGB色彩的白點(diǎn)。如果削波發(fā)生在僅僅一個(gè)或兩個(gè)彩色通道上，會(huì)產(chǎn)生高光區(qū)的彩色偏移，這是由于三個(gè)通道不同的增益。作為例子，削波后藍(lán)天將呈現(xiàn)偏黃的顏色，因?yàn)轱柡偷乃{(lán)通道是最受削波影響的。
高光削波可以被避免，如果預(yù)調(diào)制量經(jīng)選擇使其覆蓋整個(gè)原始圖像的照度范圍fβ(2n-1)≤f(pmax)(15)其中pmax是原始圖像數(shù)據(jù)中的最大像素值。然而，預(yù)調(diào)制量滿足條件(15)對(duì)于給定的場(chǎng)景也許不能提供需要的黑電平。另外，簡(jiǎn)單的預(yù)調(diào)制方案可能僅允許某些離散的β值。因而將永遠(yuǎn)交替地介于加強(qiáng)黑電平和高光削波之間。
對(duì)于滿足公式(15)時(shí)不能得到預(yù)期的黑電平的圖像，可采用部分補(bǔ)償來(lái)降低高光削波。部分補(bǔ)償是放松全補(bǔ)償條件(12)的結(jié)果，使fβ(cp)＜f(p) (16)圖4中當(dāng)預(yù)調(diào)制因數(shù)β＝0.5時(shí)，用于得到傳遞函數(shù)31，當(dāng)全補(bǔ)償按所示的函數(shù)33使用時(shí)發(fā)生了高光削波。部分補(bǔ)償(c’＜c)可以按所示的傳遞函數(shù)34加入，其中照度Y補(bǔ)償后將是fβ1(c′p)，不會(huì)發(fā)生削波。還可以設(shè)想在削波發(fā)生的地方加一個(gè)肩或“軟削”，如所示的補(bǔ)償函數(shù)35，使高光的補(bǔ)償逐漸地進(jìn)行。
可以有各種可用的補(bǔ)償方案用于圖像數(shù)據(jù)，以及依據(jù)場(chǎng)景內(nèi)容設(shè)定進(jìn)行有效的全面或部分補(bǔ)償?shù)狞c(diǎn)。最好是通過(guò)對(duì)場(chǎng)景的觀察并設(shè)定補(bǔ)償和預(yù)調(diào)制量來(lái)完成。對(duì)各場(chǎng)景中的每一幀像素值的補(bǔ)償由此通過(guò)成像過(guò)程達(dá)到。可以采用一個(gè)硬件指令表來(lái)進(jìn)行像素?cái)?shù)據(jù)的補(bǔ)償。此時(shí)，指令表通過(guò)輸入數(shù)據(jù)來(lái)定位，以及通過(guò)預(yù)調(diào)制設(shè)置和補(bǔ)償因數(shù)來(lái)更改紀(jì)錄，使指令表的輸出是各預(yù)調(diào)制器設(shè)置所需要的補(bǔ)償像素值。
了解投影器的特性曲線是基本的條件。最好通過(guò)實(shí)際投射條件下的測(cè)量來(lái)獲得。此測(cè)量將編入輸入像素值以輸出亮度，同時(shí)需考慮系統(tǒng)中所有由于圖像數(shù)據(jù)格式和傳遞函數(shù)的非線性因素，它們或許是數(shù)據(jù)所固有的，如電影畫面的伽馬校正或膠片掃描圖像的伽馬值。
在一種實(shí)施例中，離開(kāi)屏幕的照度采用Minolta CS-100測(cè)光表測(cè)量。該測(cè)量在靠近屏幕中心的同一個(gè)位置進(jìn)行。一個(gè)17級(jí)全幀灰級(jí)光楔用于整個(gè)數(shù)據(jù)范圍，以及一個(gè)32級(jí)灰級(jí)光楔用于低照度值。各灰級(jí)光楔投射到一個(gè)高增益屏幕上，相關(guān)的CIE Y分量從靠近屏幕中心的固定位置測(cè)量。數(shù)據(jù)因而適合于一個(gè)分段曲線 灰階系數(shù)值γ1和γ2各為由選配曲線定義的曲線頂部和最下面部分。
雖然本實(shí)施例是結(jié)合用于發(fā)射信號(hào)DMD的光源來(lái)描述的，但可以理解許多常用的包含分開(kāi)的彩色通道的DMD可以結(jié)合使用。而且，每外彩色通道本身可以包含一個(gè)以上DMD，DMD以外的空間光調(diào)制器也可以采用，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的。
本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)清楚，如果預(yù)調(diào)制器可用于比單像素更多的，或全局作用的，預(yù)調(diào)制器可通過(guò)上述的同樣原理施加到部分圖像上。這些描述的原理對(duì)或包括采用另一個(gè)SLM，其中兩個(gè)SLM裝置的像素之間一對(duì)一相關(guān)，的預(yù)調(diào)制器仍然有效。在照度和彩色成分上的預(yù)調(diào)制上述實(shí)施例中，單個(gè)預(yù)調(diào)制器施加在光源后面和DMD棱鏡前面。因此，該分析聚焦在照度分量Y上面，可通過(guò)測(cè)光表測(cè)出或從圖像數(shù)據(jù)的RGB值計(jì)算得出。對(duì)于電影攝影機(jī)或電影放映過(guò)程獲得的圖像，RGB分量是非線性的，可采用ITU-R 601推薦的標(biāo)準(zhǔn)Y＝0.299R+0.587G+0.114B(18)對(duì)于線性RGB數(shù)據(jù)，照度通過(guò)ITU-R 709所推薦的定義Y＝0.2125R+0.7154G+0.0721B (19)所有照度補(bǔ)償基于計(jì)算的照度值完成。如上所述，問(wèn)題是單預(yù)調(diào)制器伴隨高光削波可導(dǎo)致彩色偏移。
一個(gè)解決方法是在每個(gè)彩色通道有一個(gè)預(yù)調(diào)制器，每個(gè)通道的預(yù)調(diào)制量由各獨(dú)立的彩色照度控制。該實(shí)施例在圖5中描繪。如圖5所示，預(yù)調(diào)制器40用于紅色通道，預(yù)調(diào)制器41用于綠色通道以及預(yù)調(diào)制器42用于藍(lán)色通道。
如果總照度被各獨(dú)立彩色通道的照度所取代，都采用先前的數(shù)學(xué)分析。獨(dú)立彩色通道的特性曲線可能不一樣，必須加以考慮。針對(duì)獨(dú)立彩色通道的預(yù)調(diào)制量可以與其他通道的不一樣，因此達(dá)到了對(duì)彩色平衡的較好控制。這種方式也允許黑電平的平衡。其他實(shí)施例在前面的實(shí)施例中，預(yù)調(diào)制器的操作集中在SLM，同時(shí)作用于各幀，通過(guò)預(yù)調(diào)制器的亮度選擇以及SLM各像素的亮度選擇得到各畫面的亮度結(jié)果。在另外的實(shí)施例中，預(yù)調(diào)制器的設(shè)置建立在針對(duì)數(shù)個(gè)幀，通常是一個(gè)場(chǎng)景，并在場(chǎng)景轉(zhuǎn)換時(shí)改變預(yù)調(diào)制的設(shè)置。
這可以對(duì)目視系統(tǒng)產(chǎn)生有益的綜合作用，以及，通過(guò)依據(jù)各幀所結(jié)合的不同亮度對(duì)兩個(gè)或更多的幀進(jìn)行預(yù)調(diào)制，產(chǎn)生了更寬的灰度級(jí)。本發(fā)明這些相關(guān)方面將在此后說(shuō)明。
首先參照?qǐng)D6，該圖展示了一種顯示系統(tǒng)的示意，包括一個(gè)包含DMD101的投影器系統(tǒng)、燈103和鏡頭106，投影系統(tǒng)設(shè)置成向電影屏幕109投射畫面的形式。DMD101通過(guò)由電源裝置105供電的光源103照射。DMD典型地由1280x1024的鏡面元件排列而成，每個(gè)元件的方向通過(guò)提供給DMD的數(shù)據(jù)信號(hào)控制。典型的光源為高壓電弧氙燈。由DMD按數(shù)據(jù)信號(hào)產(chǎn)生的經(jīng)空間調(diào)制的光經(jīng)鏡頭107聚焦到電影屏幕109上。
上述的布置是傳統(tǒng)的投影器系統(tǒng)。但根據(jù)一種實(shí)施例，進(jìn)入DMD101的光經(jīng)過(guò)電源裝置105對(duì)電弧燈電流的調(diào)制，使燈103具有N-比特的調(diào)制輸出而進(jìn)行了預(yù)調(diào)制。
如果燈的亮度通過(guò)等于N的二進(jìn)制值改變，可以看出DMD的黑電平被降低了2N的量。如后面將進(jìn)行的詳述，預(yù)調(diào)制量可選擇地施加于一組幀幅中，例如一對(duì)兒連續(xù)的幀K1，K2，根據(jù)圖像相關(guān)的特定幀具有亮度值的數(shù)據(jù)信號(hào)，決定是否相應(yīng)于明亮場(chǎng)景(模式1)，黑場(chǎng)景(模式2)還是中間亮度場(chǎng)景(模式3)。
比特的變換通過(guò)DMD的鏡面元件顯示，還可以進(jìn)行符合操作模式的修改。
在已描述的特定實(shí)施例中，通過(guò)電子控制投影器決定所需的預(yù)調(diào)制模式以及據(jù)此進(jìn)行設(shè)置。
在其最簡(jiǎn)單形式中，如果出現(xiàn)輸入MSB，便需要模式1。如果既不出現(xiàn)MSB，也沒(méi)有MSB-1，則需要模式2，如果MSB不起作用，而MSB-1運(yùn)作，就需要模式3。之后，在即將更詳細(xì)描述的模式1中，一個(gè)比特映射程序?qū)l(fā)送峰M的輸入信息到K1和K2，相似地，在模式2中，比特映射程序?qū)l(fā)送谷M比特。模式3中，比特映射程序?qū)l(fā)送峰“α”比特，從輸入MSB-1開(kāi)始到K1以及谷(M+N-α)比特，包括零級(jí)比特到K2的谷比特。
然而，當(dāng)只有一個(gè)像素具有MSB設(shè)置(或MSB-1”O(jiān)N”以及MSB”O(jiān)FF”)時(shí)，會(huì)發(fā)生一種狀況。在這些條件下，在上面探測(cè)到的條件下，由于其中的一個(gè)像素，算法將實(shí)施模式1(模式3)的操作，而場(chǎng)景圖像內(nèi)容暗示模式3(模式2)為更適合的方式。
一種選擇是統(tǒng)計(jì)MSB和MSB-1中比特水平中活動(dòng)的比特?cái)?shù)量。模式選擇的觸發(fā)點(diǎn)，當(dāng)活動(dòng)的像素?cái)?shù)超過(guò)某些限定時(shí)將被啟動(dòng)。若不是對(duì)于全部像素MSB起作用，這樣確實(shí)不錯(cuò)。由于這在模式3中被取消，于是所有像素將顯示為錯(cuò)誤的灰度水平。其解決方法是迫使這些像素達(dá)到飽和。當(dāng)模式3和輸入MSB同時(shí)作用時(shí)，可通過(guò)將所有輸入比特設(shè)置成邏輯1來(lái)得到。模式2運(yùn)行期間，可以用相似的排列施加到MSB-1上。
可以進(jìn)一步延伸考慮相鄰像素的數(shù)量，提供一個(gè)總和，由此考慮高光區(qū)的影響。實(shí)際上，起始運(yùn)算規(guī)則可延伸考慮到許多場(chǎng)景的場(chǎng)合，當(dāng)設(shè)計(jì)預(yù)調(diào)制器時(shí)將其看作是必要的。這些和與圖像各幀的數(shù)據(jù)一起儲(chǔ)存，作為處理的引入數(shù)據(jù)。之后，這些和的值與起始值進(jìn)行比較，同時(shí)顯示圖像幀的數(shù)據(jù)并據(jù)此設(shè)定預(yù)調(diào)制模式。
在下面例子中，為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，假定圖像數(shù)據(jù)信號(hào)去伽馬校正后具有9比特，以及DMD具有6比特分辨力(即M＝6)優(yōu)于通用的10比特分辨力，并且預(yù)調(diào)制提供2比特的調(diào)制幅度(即N＝2)。這些比特在圖7(a)，7(b)和7(c)各幅中如中間的那個(gè)序列。每組比特序列的左手比特相應(yīng)于MSB。每組比特序列的右手比特相應(yīng)于各種符合LSB/2的低光電平，該低光電平通常不能通過(guò)DMD顯示出來(lái)。因此，這些比特用點(diǎn)線展示。
圖7(a)和7(b)中對(duì)于每幀K1和K2的比特序列各具有6比特(本特定例子中可支持的最大值)相應(yīng)于M＝6的DMD101的分辨力。在圖7(a)所示的模式1中，入射到DMD101的光強(qiáng)度沒(méi)有衰減。在明亮場(chǎng)景情況下，同時(shí)對(duì)于幀K1和K2的DMD用來(lái)顯示六個(gè)最上的比特，即這些比特相應(yīng)于最高的光電平。在模式2中，從電源裝置提供的燈電流是降低的，相當(dāng)于以2N衰減燈光輸出達(dá)到最低的光電平。如圖7(b)所示的，同時(shí)在幀K1和K2中的DMD用來(lái)顯示最低的六個(gè)可顯示比特，但不包括LSB/2比特(此時(shí)DMD不能顯示)。
如上所述，即使圖像大體上黑暗，也存在處于”O(jiān)N”狀態(tài)的像素，如同顯示MSB或MSB-1比特，即左手比特。這種情況下，模式2中，如果設(shè)置成MSB或MSB-1處于”O(jiān)N”來(lái)顯示這些比特，下面六個(gè)最低的比特全切換到”O(jiān)N”。但是，可以理解，這將稍微降低用于像素的亮度，其中MSB是切換到”O(jiān)N”狀態(tài)的。
最后，如圖7(c)所示，其中已確定圖像大體上具有一個(gè)中間照度值，燈切換于變換的幀亮度電平之間，同時(shí)K2對(duì)應(yīng)于低亮度狀態(tài)。如此，燈的輸出不在幀K1中衰減，但衰減于幀K2中。當(dāng)燈的亮度高時(shí)，K1在MSB下被加載峰值M比特(即2倍的乘積，并放棄LSB)，以及當(dāng)燈亮度低時(shí)，K2加載上包括LSB/2比特的谷值M比特。
第一個(gè)幀K1中，選出的數(shù)個(gè)比特(在這個(gè)特例中，為α是4的α比特)被選用于顯示。α的值是確定的，使之對(duì)任意特定的圖像信號(hào)得出符合要求的結(jié)果。對(duì)于幀K1，MSB不顯示，但在模式2中，MSB對(duì)于特定像素處于”O(jiān)N”狀態(tài)，所有余下的比特被變更設(shè)置成”O(jiān)N”。據(jù)此，K1中顯示出高光電平。
然而，在第二幀K2中，顯示了最低的四個(gè)比特水平。在此特例中，盡管額外的比特LSB/2不能正常地顯示出來(lái)，但通過(guò)LSB在各其他幀(即僅在K2期間)顯示的方式，LSB/2可以被顯示出來(lái)。當(dāng)然肉眼將有效地將超出K1和K2的亮度水平結(jié)合起來(lái)得到額外的比特分辨力。
轉(zhuǎn)到圖8，該圖示出了一個(gè)用于完成與圖6和7所描述相關(guān)的入射到DMD101的光的預(yù)調(diào)制電路。圖8中與圖6中等效的元件具有相應(yīng)的標(biāo)記。
圖像輸入信號(hào)，在將要描述的特定例子中是七比特?cái)?shù)字信號(hào)，表示電影膠片連續(xù)的幀，包括幀同步信號(hào)和呼叫信號(hào)，輸入去伽馬電路301。去伽馬電路用來(lái)去除輸入信號(hào)上的伽馬調(diào)制，其中包括用于在顯示裝置上顯示的圖像格式匹配信號(hào)，例如具有非線性傳遞特性的陰極射線管。應(yīng)該理解去除伽馬調(diào)制使信號(hào)匹配于DMD101的線性傳遞特性是必要的。這已在以其完全相關(guān)性結(jié)合在這里的美國(guó)專利6,034,660中解釋。
由于去伽馬操作，需要加入去伽馬電路，在特定的例子中，向輸入圖像信號(hào)加入兩個(gè)另外的比特。去伽馬電路301的九比特輸出相應(yīng)于圖7所示的輸入信號(hào)M+N+1比特。它輸入到格式器303，針對(duì)圖像各幀各像素的信號(hào)，用來(lái)產(chǎn)生LSB、LSB+1、……、MSB-1、MSB的比特量，如以其完全相關(guān)性結(jié)合于此的美國(guó)專利5,673,060中所詳細(xì)解釋的。格式器303的輸出施加到雙幀存儲(chǔ)器305、307，其設(shè)置使同一時(shí)間里雙幀存儲(chǔ)器的一半被加載而另一半卸載。適當(dāng)?shù)那袚Q裝置(未示出)用于在幀存儲(chǔ)器305、307的兩個(gè)部分之間切換。
此前所述的用于DMD101的尋址系統(tǒng)是常規(guī)的。但投影系統(tǒng)還包括一個(gè)用于決定模式的電路，如上所述的模式1、模式2和模式3將被用于顯示每一對(duì)幀K1，K2，如下所述。
從格式器303的輸出還連接到有效比特和加權(quán)發(fā)生器309，它尋找峰值N(此例中N＝2)比特以決定幀中的多少像素處于峰值中兩個(gè)比特MSB，MSB-1切換到”O(jiān)N”狀態(tài)以及是哪些像素。和發(fā)生器309的輸出施加到和數(shù)據(jù)雙存儲(chǔ)器311、313，它們成雙設(shè)置使其中一個(gè)存儲(chǔ)器寫入時(shí)另一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器正在讀出，此外，還有圖中未示出的適當(dāng)轉(zhuǎn)換裝置。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器311或313相應(yīng)的輸出施加到解碼器315，它用于與一個(gè)閾值比較哪些MSB或MSB-1轉(zhuǎn)換成”O(jiān)N”的數(shù)個(gè)像素，以決定哪些幀相對(duì)于高照度幀(模式1)，低照度幀(模式2)或中間幀(模式3)。解碼器315的輸出用來(lái)提供適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)到電源105，引起送到燈103的電流變化，使燈進(jìn)行不衰減(模式1和模式3中的幀K1)或衰減的(模式2和模式3中的K2)輸出。適當(dāng)?shù)男盘?hào)還可以通過(guò)解碼器315施加到單元316中，用來(lái)進(jìn)行將幀存儲(chǔ)器305或307的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換施加到選擇器321，它用于選擇用于K1的比特值或用于K2的比特值。應(yīng)當(dāng)理解，在模式1和2的情況下，用于幀K1和K2的值是一樣的。但是，在模式3的情況下，比特圖形如圖7(c)所示，用于其中頂部四個(gè)比特施加在幀K1中，同時(shí)其最下面的四個(gè)比特，包括LSB/2比特施加于幀K2上。這些值用于DMD在比特平面中尋址以切換選出的像素到”O(jiān)N”。
為了防止由MSB或MSB-1引起的，當(dāng)選用模式2或3時(shí)，圖像的明亮區(qū)并沒(méi)有光顯示的圖像亮度錯(cuò)誤，投影系統(tǒng)包括一個(gè)門319，其中，當(dāng)此類像素確定后，可以使電路319對(duì)模式2中的所有MSB-2到LSB輸入比特，或模式3中的所有MSB-1到LSB/2輸入比特設(shè)置成激活狀態(tài)用于指定的像素。
從上面可以理解，各幀以模式1和2情況下顯示的相同的值，以及在模式3情況下不同的值有效地顯示兩次，肉眼可以有效地將來(lái)自連續(xù)畫面上的兩個(gè)不同光電平進(jìn)行結(jié)合形成一個(gè)平均值。引入的圖像信號(hào)通常按每秒24幀的分隔輸入，由此雙重顯示為每秒48幀，每幀重復(fù)兩次。但是，一些情況下可應(yīng)用同樣原理提供不同的幀。
轉(zhuǎn)向圖9，對(duì)入射到DMD的光強(qiáng)度的預(yù)調(diào)制可通過(guò)包括在燈103和DMD101之間的預(yù)調(diào)制器401得到。這種情況下，圖8所示的控制信號(hào)施加到燈電源裝置105上，代替施加到預(yù)調(diào)制器401上。
預(yù)調(diào)制器可以采用機(jī)械裝置影響來(lái)自燈的光線傳送，或者，也可以通過(guò)電子裝置進(jìn)行。
參見(jiàn)圖10至14，一種機(jī)械預(yù)調(diào)制器401的例子，通過(guò)兩個(gè)圓形板601、603構(gòu)成。每個(gè)板由一組梯形的反射鏡面輻帶605構(gòu)成，如圖11所示，板的其余部分607是透明的。板601，603重疊排列如圖10所示，前板601保持靜止，而后板603通過(guò)一個(gè)步進(jìn)馬達(dá)609在馬達(dá)控制單元610控制下轉(zhuǎn)動(dòng)。
根據(jù)特定的圖12，圖中示出了預(yù)調(diào)制器插入到燈103和DMD101之間的光路上。步進(jìn)馬達(dá)609的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)施加到馬達(dá)控制單元610的預(yù)調(diào)制數(shù)據(jù)控制，如圖13所示，每個(gè)盤601，603上的鏡面反射部分相互對(duì)位，結(jié)果是來(lái)自燈103的光線衰減50％，沒(méi)有被鏡面反射帶605截?cái)嗟墓庵苯哟┻^(guò)被光電檢測(cè)器611檢測(cè)。在如圖14所示的極端條件下，鏡面部分605全部脫離排列，沒(méi)有被前面設(shè)置的鏡面部分截?cái)嗟墓饩€，將被后板603上的鏡面部分截?cái)?，由此給出最小衰減的光線?？梢岳斫猓虚g的裝置可以給出各種衰減量。光電檢測(cè)器的輸出施加到馬達(dá)控制單元610上，使步進(jìn)馬達(dá)同步，產(chǎn)生要求的衰減。
可以理解，在DMD投影系統(tǒng)中相當(dāng)普通地采用45°反射鏡將來(lái)自燈的光線轉(zhuǎn)向90°，包括一個(gè)冷反光鏡用于去除紅外輻射。據(jù)此，可以在旋轉(zhuǎn)光閘上結(jié)合冷反光鏡以同時(shí)去除不想要的來(lái)自燈103輻射光中的紅外線波長(zhǎng)。
作為另一種方式，圖12所示的雙圓盤機(jī)械預(yù)調(diào)制器可通過(guò)一個(gè)電子裝置來(lái)取代，它包括一個(gè)LCD反射光閘701，在主面上帶有鍍銀條紋703，如圖15所示。這種裝置可避免機(jī)械部件調(diào)校的必要性，并可以獲得更大范圍的衰減水平。
圖16展示了另外一種光學(xué)裝置，包括一個(gè)反射棱鏡705，設(shè)置在燈103和DMD101之間的光路中。調(diào)制器如圖15所示，即一個(gè)液晶板701，典型地為鐵電液晶，具有覆蓋在液晶板上的鍍銀光柵703。預(yù)調(diào)制器使用時(shí)，棱鏡706相對(duì)于燈103的面將入射光的方向轉(zhuǎn)向液晶板701。液晶板701被電子方式切換使之可反射，來(lái)自液晶和上覆的光柵703將發(fā)生最大光反射，并將光束從棱鏡705的表面707反射向DMD101。與機(jī)械預(yù)調(diào)制器方式相似，液晶板701被切換到不反射狀態(tài)時(shí)，光將被衰減一定程度，取決于光柵703反射部分的寬度?？梢岳斫猓瑘D16的棱鏡也可以采用如圖10和11所示的機(jī)械調(diào)制。
可以理解使用棱鏡705可以使預(yù)調(diào)制的入射和出射光同軸。
上述實(shí)施例中，決定每對(duì)幀處于模式1、模式2或模式3是通過(guò)投影器自動(dòng)進(jìn)行的。但是可以將輸入圖像信號(hào)按各對(duì)幀將采用的模式信息編碼。這些編碼典型地通過(guò)著色師按相應(yīng)幀的光值或照度來(lái)完成。這些情況下，如圖8所示的電路可簡(jiǎn)化為如圖17所示。解碼器315、數(shù)據(jù)比特映像器317、門318、“強(qiáng)制全開(kāi)”電路319，以及幀K1或K2選擇器32 1均被省略，以及在輸入信號(hào)路徑上加入了一個(gè)預(yù)調(diào)制器數(shù)據(jù)提取單元801。單元801用于去除說(shuō)明碼，并提供合適的信號(hào)到預(yù)調(diào)制器雙數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，它用于存儲(chǔ)適當(dāng)?shù)念A(yù)調(diào)制信息以控制燈的電源105。比特?cái)?shù)據(jù)輸入到雙數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器305，307中，將結(jié)合更改的比特序列預(yù)編碼。
可以理解，圖17中當(dāng)用于調(diào)節(jié)燈電源供應(yīng)的電路改變時(shí)，用于預(yù)調(diào)制光401的電路可以相似地改變。
可以理解，為了簡(jiǎn)化對(duì)上面另一種實(shí)施例的解釋，僅結(jié)合一個(gè)單彩色通道，該實(shí)施例等價(jià)于一種投影系統(tǒng)，它包括一個(gè)或多個(gè)DMD，各具有三個(gè)平行的彩色通道用于從燈光103中分離出來(lái)的紅、藍(lán)和綠光，圖像信號(hào)包括R、G、B信號(hào)或另外的照度和色度數(shù)據(jù)。每個(gè)彩色通道通常經(jīng)過(guò)同樣的預(yù)調(diào)制，作為其標(biāo)準(zhǔn)，使用了三個(gè)取決于R、G、B值或照度值的模式。因此，作為例子，在包含高電平MSB的R、G、B彩色通道中，將在所有三個(gè)彩色通道中選用同樣的模式。本發(fā)明可利用于各種彩色系統(tǒng)，例如向一個(gè)或多個(gè)DMD順序地投射紅、綠和藍(lán)光的彩色輪。
可以理解本發(fā)明可適用于輸入的圖像信號(hào)是電影信號(hào)或除此以外的其他信號(hào)的系統(tǒng)，該信號(hào)特別適用于空間光調(diào)制器。
可以理解本發(fā)明可適用于采用除DMD以外的空間光調(diào)制器，例如液晶裝置，特別是具有更快切換時(shí)間的鐵電液晶。
上面所解釋的實(shí)施例基于脈沖寬度調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生的灰階，帶有用于MSB降低到LSB的比特映像，由比特幀存儲(chǔ)器中產(chǎn)生，本發(fā)明還適用于改變比特序列，例如，包括一個(gè)低光電平空間振動(dòng)，如美國(guó)專利6,064,366所描述的，美國(guó)專利5,686,939所描述的比特分量，美國(guó)專利5,986,640所描述的比特分流，以改進(jìn)各幀間的視暫存平衡，以及美國(guó)專利6,057,816(相應(yīng)于EP0755556)所描述的比特充填，這些專利的要點(diǎn)以其完全的相關(guān)性結(jié)合于此進(jìn)行引用。
可以理解另一種實(shí)施例中，幀可以組合進(jìn)一對(duì)幀組中，本發(fā)明可適用于包括三個(gè)或更多幀的幀組的投影系統(tǒng)。
可以理解光強(qiáng)度可以調(diào)制成兩個(gè)不同的強(qiáng)度(即N＝2)，可進(jìn)一步通過(guò)將光調(diào)制成三個(gè)或更多不同強(qiáng)度來(lái)提高分辨率。
由于前面提供的本發(fā)明目的的圖示，解釋和對(duì)實(shí)施例的描述，進(jìn)一步的實(shí)施例和更改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的，并不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)。另外，鐵電裝置、液晶顯示器(LCD)或其他光源或閥門或?yàn)V鏡可作為必需或期望的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種降低幀黑電平的方法，該方法包括接收用于幀的像素編碼值；確定幀的亮度；基于幀的亮度確定預(yù)調(diào)制因數(shù)，其中預(yù)調(diào)制因數(shù)用于至少在兩個(gè)不同的強(qiáng)度之間，改變?nèi)肷涞酵队跋到y(tǒng)空間光調(diào)制器光的強(qiáng)度和改變的用于幀的像素編碼值之間變化，當(dāng)幀的黑電平降低時(shí)使各像素的亮度充分保持不變。
2.如權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括通過(guò)具有空間光調(diào)制器的投影系統(tǒng)接收一個(gè)包含預(yù)調(diào)制因數(shù)和更改像素編碼值的數(shù)據(jù)流。
3.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，預(yù)調(diào)制因數(shù)通過(guò)投影系統(tǒng)選擇，以及像素編碼值通過(guò)投影系統(tǒng)更改。
4.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，預(yù)調(diào)制因數(shù)通過(guò)幀中像素編碼極限值來(lái)確定。
5.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，預(yù)調(diào)制因數(shù)通過(guò)在幀中將像素編碼值平均化來(lái)確定。
6.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，預(yù)調(diào)制因數(shù)的選擇，使其覆蓋幀中的整個(gè)照度范圍。
7.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，預(yù)調(diào)制因數(shù)用于控制光源的輸出。
8.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，預(yù)調(diào)制因數(shù)用于控制第二空間光調(diào)制器。
9.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，像素編碼值的改變通過(guò)每個(gè)像素碼值乘以調(diào)制因數(shù)進(jìn)行。
10.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，像素編碼值的改變通過(guò)一個(gè)同時(shí)依據(jù)像素碼值和入射到空間光調(diào)制器的光量的可變量進(jìn)行。
11.一種降低幀黑電平的方法，該方法包括接收用于幀的像素編碼值；確定幀的亮度；基于幀的亮度確定預(yù)調(diào)制因數(shù)，其中預(yù)調(diào)制因數(shù)用于至少在兩個(gè)不同的強(qiáng)度之間，改變?nèi)肷涞酵队跋到y(tǒng)空間光調(diào)制器的強(qiáng)度；和部分改變的用于各幀的像素碼值之間變化，當(dāng)幀的黑電平和高光削波降低時(shí)使各像素的亮度充分保持不變。
12.如權(quán)利要求11的方法，其特征在于，像素碼值部分地改變，使其向削波中產(chǎn)生逐漸的變化。
13.如權(quán)利要求11的方法，其特征在于，像素碼值部分地改變通過(guò)每個(gè)像素碼值乘以調(diào)制因數(shù)使每個(gè)像素的最大亮度不被超過(guò)。
14.一種投影系統(tǒng)，包括一個(gè)空間光調(diào)制器，包括陣列可轉(zhuǎn)換元件，每個(gè)可轉(zhuǎn)換元件可轉(zhuǎn)換到”O(jiān)N”狀態(tài)，此時(shí)入射到陣列的光直接投射到鏡頭，以表示圖像數(shù)據(jù)信號(hào)的連續(xù)幀的比特形式響應(yīng)數(shù)據(jù)信號(hào)，空間光調(diào)制器產(chǎn)生灰階圖像，表示各幀處于脈沖寬度調(diào)制的”O(jiān)N”狀態(tài)；用于在兩個(gè)或更多個(gè)光強(qiáng)度之間進(jìn)行改變的裝置，入射到空間光調(diào)制器連續(xù)的幀組中，其光強(qiáng)度取決于各幀組的亮度值；以及用于調(diào)節(jié)比特用于顯示各幀組的裝置，取決于入射到空間光調(diào)制器的光強(qiáng)度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的投影系統(tǒng)，其中，調(diào)制裝置包括對(duì)影響空間光調(diào)制器的照度的光源的電源進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的投影系統(tǒng)，其中，調(diào)制裝置包括可變的衰減裝置，位于到空間光調(diào)制器的光路上。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的投影系統(tǒng)，其中，調(diào)制裝置包括兩個(gè)反射區(qū)域，以及改變其中一個(gè)區(qū)域反射能力的裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的投影系統(tǒng)，其中，兩個(gè)反射裝置可相對(duì)移動(dòng)，以及一個(gè)改變其效果的裝置，以移動(dòng)相對(duì)的區(qū)域使所述一個(gè)區(qū)域被另一個(gè)區(qū)域遮擋而降低全部的反射。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的投影系統(tǒng)，其中，帶有可轉(zhuǎn)換反射能力的反射區(qū)域是液晶板。
20.根據(jù)權(quán)利要求14的投影系統(tǒng)，其中，空間光調(diào)制器是DMD。
21.根據(jù)權(quán)利要求14的投影系統(tǒng)，其中，空間光調(diào)制器是LCD。
22.根據(jù)權(quán)利要求14的投影系統(tǒng)，其中，每組包括兩個(gè)幀。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的投影系統(tǒng)，其中，調(diào)制裝置設(shè)置為在兩個(gè)不同的光強(qiáng)度之間調(diào)制，可調(diào)節(jié)的一對(duì)幀上的光強(qiáng)度同時(shí)被衰減、不衰減或其中一個(gè)幀被衰減而另一個(gè)不衰減。
24.根據(jù)權(quán)利要求14的投影系統(tǒng)，其中，投影器系統(tǒng)包括用于決定光調(diào)制的裝置，取決于每個(gè)具有大于或低于亮度極值的幀上像素的數(shù)量。
25.根據(jù)權(quán)利要求14的投影系統(tǒng)，其中，圖像數(shù)據(jù)信號(hào)包括用于決定對(duì)每個(gè)幀進(jìn)行光調(diào)制的編碼，以及投影器系統(tǒng)包括響應(yīng)所述的編碼控制光調(diào)制的裝置。
26.根據(jù)權(quán)利要求14的投影系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)有效光源用于照射空間光調(diào)制器。
27.一種增加投影系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的方法，包括一個(gè)由陣列可轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的空間光調(diào)制器，該方法包括至少在兩個(gè)不同光強(qiáng)度之間改變?nèi)肷涞娇臻g光調(diào)制器的光強(qiáng)度，在連續(xù)的幀組中取決于各幀組的亮度值調(diào)節(jié)用于顯示各幀組比特形式的信號(hào)，取決于入射到空間光調(diào)制器上的光強(qiáng)度；以及轉(zhuǎn)換空間光調(diào)制器的一個(gè)元件到”O(jiān)N”狀態(tài)，以響應(yīng)數(shù)據(jù)信號(hào)，如同產(chǎn)生于光源的光射向投影鏡頭。
28.一種投影系統(tǒng)，包括一個(gè)空間光調(diào)制器，包括陣列可轉(zhuǎn)換元件，每個(gè)可轉(zhuǎn)換元件可轉(zhuǎn)換到”O(jiān)N”狀態(tài)，此時(shí)入射到陣列的光直接投射到鏡頭，以表示圖像數(shù)據(jù)信號(hào)的連續(xù)幀的比特形式響應(yīng)數(shù)據(jù)信號(hào)，空間光調(diào)制器產(chǎn)生灰階圖像，表示各幀處于脈沖寬度調(diào)制的”O(jiān)N”狀態(tài)；用于在兩個(gè)或更多個(gè)光強(qiáng)度之間，改變?nèi)肷涞娇臻g光調(diào)制器相鄰的幀組中光強(qiáng)度的裝置，其中幀組包括至少兩個(gè)幀，光強(qiáng)度取決于各幀組的亮度值；以及用于調(diào)節(jié)比特以顯示各幀組的裝置，取決于入射到空間光調(diào)制器的光強(qiáng)度。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用于增強(qiáng)電子透射系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的設(shè)備和技術(shù)。該技術(shù)包括預(yù)調(diào)制、光度補(bǔ)償和局部光度補(bǔ)償。
文檔編號(hào)H04N5/74GK1440617SQ01812250
公開(kāi)日2003年9月3日 申請(qǐng)日期2001年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月3日
發(fā)明者邁克爾A·吉本, 塞繆爾Z·周, 西恩阿德金斯, 瑟根G·安尼齊特謝, 格雷厄姆H·摩斯, 布賴恩艾克斯利 申請(qǐng)人:圖象公司