CN107305309B - 用于在图像显示系统中衍射伪像减少的方法和装置 - Google Patents

Abstract

对于减少来自数字图像投影系统的显示图像中的衍射伪像的示例方法(图9，900)，数字控制器耦合到空间光调制器。空间光调制器包括二维像素阵列。该方法包括接收包含像素图像数据的信号(图9，901)并且处理该像素图像数据以确定像素的期望灰阶。将期望的灰阶与数字图像投影系统的可获得灰阶比较(图9，903)。确定上限可获得灰阶并且确定下限可获得灰阶(图9，911)。另外，确定用于期望灰阶的抖动百分比。该方法选取上限可获得灰阶和下限可获得灰阶中的一个(图9，913)。另外，选取修改的下限灰阶来减少抖动百分比(图9，915)。

Description

用于在图像显示系统中衍射伪像减少的方法和装置

技术领域

本发明总体涉及使用空间光调制器来调制具有图像像素信息的光以产生图像的视频显示系统，更具体地涉及使用反射空间光调制器来调制具有图像信息的照明光的数字图像投影光学设备，诸如图像投影和显示设备。

背景技术

通常在投影系统中使用空间光调制器(SLM)诸如数字微镜设备(DMD)、液晶显示器(LCD)和硅上液晶(LCoS)设备来投影图像。光学投影系统可以包括电视、视频显示器和投影仪。光学投影系统通常形成为两部分，这两部分是：用于生成和收集照明图像所需的光线的照明系统以及用于将照明图像光线收集到投射最终图像的投影透镜中的投影系统。至少一个空间光调制器接收来自照明系统的照明光线，调制接收的光具有视觉显示的图像数据，并将图像光线传输到投影系统用于投影。在许多系统中，空间光调制器是反射像素元件的阵列。SLM可为接收数字图像数据并反射(或不反射)照明光从而形成与数字图像数据对应的图像的DMD。

已经借助具有相对较小像素间距(pixel pitch)的DMD(诸如像素间距小于7微米的DMD)来实现投影系统。例如，当前可购自德州仪器公司的DMD设备在二维阵列中具有多达2百万个可单独寻址的像素镜像元件。结合这些新的较小设备的系统可由于像素元件和照明光之间的潜在相互作用而增加一些可见伪像。具有小于约7微米的小像素间距的DMD操作为用于所使用的照明光波长的衍射光栅。这种相互作用可以在显示的图像中产生可见的伪像。另外，经应用以在这些系统中的可直接产生的灰度级之间产生精确灰阶输出的抖动可以创建额外可见衍射伪像。虽然参考用作SLM的DMD来描述本文中所述的示例，但是可以在其他SLM设备(诸如LCoS设备)中发现相同的相互作用。

衍射伪像特别可见在所显示图像中的浅梯度(shallow gradient)上。使用抖动技术来创建用于阴影的灰阶再现，该阴影落在系统可以用脉冲宽度调制直接产生的有限数量的灰度之间。通过在可重现灰度之间交替，经由这些灰度之间的“抖动”创建所期望的灰度。当像素间距减少到这些新的小尺寸时，抖动技术也可以作为可见光波长的干涉图案(pattern)来操作。然后，可见的灰度比预期的更亮(由于相长干涉)或比预期更暗(由于相消干涉)。

发明内容

对于减少在来自数字图像投影系统的所显示图像中的衍射伪像的示例方法，数字控制器耦合到空间光调制器。该空间光调制器包括二维像素阵列。该方法包括接收包含像素图像数据的信号并且处理该像素图像数据以确定用于像素的期望灰阶。将期望的灰阶与数字图像投影系统的可获得灰阶(achievable gray scale)进行比较。确定上限可获得的灰阶并且确定下限可获得的灰阶。另外，确定用于所期望灰阶的抖动百分比。该方法选取上限可获得的灰阶和下限可获得的灰阶中的一个。另外，选择修改的下限灰阶以减少抖动百分比。

附图说明

图1描绘了结合嵌入式光学投影系统的设备的简化框图。

图2描绘了常规投影系统的一部分的简化框图。

图3描绘了常规光学投影系统的数据路径部分的简化框图。

图4描绘了当使用抖动以从空间光调制器产生灰阶强度时图像投影系统的非线性响应的曲线图。

图5描绘了具有衍射伪像减少的示例实施例的框图。

图6描绘了抖动百分比值对示例系统的灰度强度绘制的曲线图。

图7示出常规图像投影系统的性能结果与结合示例实施例的图像投影系统的性能结果相比较的曲线图。

图8示出了第一示例方法的流程图。

图9示出了第二示例方法的流程图。

图10示出用于衍射伪像减少的系统的框图。

具体实施方式

除非另有说明，不同图中的相应数字和符号通常指相应部分。附图不一定按比例绘制。

在所描述的示例中，由于衍射诱导的灰度阶(gray scale shade)再现的非线性，光学投影系统具有减少或消除的可见伪像。当抖动技术用于产生在系统可以直接获得的灰度阶之间的灰度阶时，示例实施例是特别有利的。在示例实施例中，抖动(dithering)仅应用到低强度位平面，从而将伪像减小到比人类视觉系统的可感知能级低的能级(level)。

术语“耦合”可以包括由中间元件进行的连接，并且可以在“耦合”的任何元件之间使用附加元件和各种连接。在一些情况下，数据传输的描述可以指“线(line)”。术语“线”也可以指行或列，且在本文中这些术语可以互换使用。虽然一些DMD控制器用于传输数据的线的布置，但是在其他布置传输列时，DMD中的像素的“行”和“列”可以互换，并且术语“线”、“行”和“列”都可以用来描述到DMD的数据传输。

图1示出示例常规投影系统100的俯视图或平面图的系统框图。使用常规反向全内反射(RTIR)投影架构来配置系统100。如下文进一步描述的，在RTIR架构中，反向全内反射棱镜用于在空间光调制器和投影光学器之间的投影路径。然而，示例实施例不限于特定照明系统或投影系统。

在系统100中，由红色LED 102、绿色LED 103和蓝色LED 106(RGB)LED提供照明。然而，也可以使用替换性的照明源，诸如具有反射器的白炽灯、带有色轮的单灯、激光和激光-磷光体照明。LED可以包括光学涂层或准直光学器41，其操作收集和准直由LED输出的光。可以使用其他配色方案，诸如白色、青色等。如图1所示，在单个集成设备上示出两个LED 102和106，并且在该示例中它们是红色LED设备和绿色LED设备，而蓝色LED 103是独立分立元件。在替换系统中，使用三个单独的LED，并且可以使用X盒形形式的两个二向色板以将三种颜色(RGB)组合成照明源。在图1所示的具体示例中，二向色板108在一个表面反射来自红色LED 106的光、在第二表面反射来自绿色LED 102的光，并使来自蓝色LED 103的光通过照明路径。在替换性布置中，可以使用许多LED或可以使用多个LED，而不是针对每种颜色使用一个LED。色轮也可以与白色照明灯一起使用，以便诸如创建颜色。

在图1中，附加准直器119被放置在LED 102、LED 106和二向色板108之间。准直器减小光束发散角度。积分器107放置在二向色板之后的照明路径中。积分器107可为“蝇眼式(fly’s-eye)”积分器(也称为透镜阵列)，或者是杆式积分器或管式积分器。积分器107产生更均匀的光束，其然后可以通过一个或多个中继透镜(诸如中继器111)传输。中继光学器诸如111可以延长照明路径的长度。

镜113折叠照明光路。该反射折叠镜还使得照明光线能够以一定角度到达空间光调制器121。因为DMD 121通过倾斜反射镜来调制光，所以照明光线必须以一定角度撞击镜。折叠镜113可以更容易地获得照明光线到DMD121表面的角度的控制。附加的中继光学器诸如117可以放置在反射镜113和DMD 121之间。

如图1所示，当采用反射空间光调制器(诸如DMD 121)时，进入DMD封装件的来自反射镜113的照明光线和离开DMD镜的反射图像光线需要物理分离以避免干涉。RTIR棱镜可将照明系统的进入光线与传输到投影光学器中的图像光线分离。标题为“Coupling PrismAssembly and Projection System Using Same”的编号为5,309,188的美国专利(其全部内容以引用方式并入本文)公开了使用全内反射以在小空间中分离照明光路和投影光路的棱镜布置。如图1所示，楔形棱镜115和TIR棱镜116一起形成耦合棱镜，其实现需要的引导到空间光调制器的照明光线与来自空间光调制器的图像光线的分离。图像光线离开棱镜116并耦合到包括光学元件124、126和129的投影系统中。

图2示出与上述紧凑型光学投影系统一起使用的示例布置200的简单电路框图。微处理器、混合信号处理器、数字信号处理器、微控制器或其他可编程设备211实施使其输出供显示的数字视频信号的指令。各种源可以提供图2中标记为DVI的数字视频信号，包括电视发射机、有线盒、网络浏览器、在视频卡、闪存卡和USB驱动器中存储的文件、相机、计算机和摄像录像机。微处理器211耦合到数字DMD控制器电路203。DMD控制器203为另一个数字视频处理集成电路。有时，该控制器203可以使用定制集成电路或专用集成电路(ASIC)来实现。还提供了模拟电路，该模拟电路被配置为管理功率和LED照明，被称为功率管理集成电路(PMIC)并且编号为215。PMIC 215控制LED 209的强度和功率。DMD控制器203将数字数据提供到DMD 201，以便调制撞击DMD表面的照明光，并且PMIC DMD控制器215还将功率和模拟信号提供到DMD 201。来自照明源LED 209的光线被输入到框215中的照明组件诸如上述盖棱镜和楔形物，并且撞击在DMD 201的封装件内部的反射镜。用于投影的反射光离开DMD201的表面并且行进到如上所述操作用于投影图像的投影光学器207中。集成电路203、215一起使DMD 201和光学组件215、207操作以将数字视频信号投影为图像。

在图2所示的电路中，可用的集成电路的示例包括来自德州仪器公司的DMD控制器IC。可用的DMD控制器IC的示例包括可以提供数字控制器功能和模拟控制器功能两者的DLPC3430DMD控制器和DLPC2601ASIC设备。来自德州仪器公司的模拟DMD控制器设备是可用的，诸如DLPA2000设备。例如，LED控制器设备可用于为RGB LED上电和断电。空间光调制器也可以使用可购自德州仪器公司的各种DMD设备来实现。

为了进一步解释示例实施例的操作，现在描述应用于使用空间光调制器的图像显示器的脉冲宽度调制(PWM)。

采用用于图像显示的数字数据便于处理和存储，并且当使用由“锁存”当前值的可寻址元件形成的像素阵列时，在离散时间段投影来自帧缓冲器的数据是相对实用的。然而，人类视觉系统(HVS)是集成图像的模拟系统，并且某些步骤是必要的，以将图像分割成更频繁更新的较小部分，从而避免显现给观察者的不需要的可见伪像(artifact)。

可以使用“60帧/秒”的典型度量来确定“帧显示时间”，该60帧/秒为对于人类视觉系统看见图像中连续运动所需的最小显示速率。然而，更快的帧速率减少或避免有时(特别是当使用颜色并且图像的某些部分具有多种颜色时)可以观看到的“彩虹”和其他可见的伪像。例如，可以使用每秒120帧的2倍速率。

可以定义另外的“位平面”以格式化用于空间光调制器的图像，并且还可以进一步用于显示到HVS的图像。因为用于二进制空间光调制器的像素元件为“开启”或“关闭”，所以针对特定像素所观看到的强度由在帧显示时间期间像素开启的时间量确定。针对每个颜色，进到ASIC设备中的图像数据对于每个像素可以具有若干比特，以表示特定帧的颜色强度。针对每个图像，二进制空间光调制器仅可以针对每像素处理一比特，因此执行映射以在帧显示时间期间在空间光调制器创建用于每个像素所需的强度级。通过将帧显示时间细分为比特平面(其中每个针对用于在空间光调制器处的二维阵列中的每个像素具有比特)，可以获得对应于一种颜色的“灰阶”的各种强度。如果像素在整个显示时间“开启”，则它将具有最大亮度或强度。如果像素在整个时间内“关闭”，则它将为黑暗的或者具有最小亮度或强度。通过使用位平面，可以使用空间光调制器中可用的一比特/像素来再现可用的整个颜色强度范围。

位平面可以具有与其相关联的不均匀显示时间。以此方式，实现加权函数。例如，可以显示第一位平面达半帧时间、显示第二位平面达四分之一秒，显示第三位平面达较小部分，而显示第四位平面达又一较小的时间部分。

为了进一步将位平面的显示适用于人类视觉系统，位平面显示时间可以被分割以在旋转中显示第一位平面两次，历时两个不同时间，因此所显示的可见图像被频繁地更新。HVS将看到所投影图像中更少的具有附加中断的可见伪像。因为每个位平面在DMD处显示的时间不均匀，所以传输到DMD阵列的脉冲被称为脉冲宽度调制，其中脉冲宽度与特定位平面给定的相对权重对应。因此，脉冲宽度调制(PWM)序列控制像素的强度。

在使用二进制空间光调制器的常规图像显示投影系统的另一方面，这些SLM仅具有图像存储的一比特/像素。像素包含锁存器和与锁存器相关联的反射设备诸如镜面(mirror)。另外，在这些常规设备中，一比特存储单元与像素相关联。当像素显示特定像素帧时，与像素相邻的单个位存储器单元被加载具有下一个用于显示的像素值。当像素数据线或像素数据的阵列被加载时，“复位”将导致所有像素元件更新(锁存)用于显示的下一个值，并且一个比特存储加载过程可以重新开始。复位和加载具有下一个位帧的像素阵列所需的时间会影响数据可以多快被显示。

图3示出使用DMD控制器ASIC 301和SLM设备303的常规数字成像系统的系统300和数据路径的部分。

在图3中，DMD控制器301接收像素数据。框311将进入的像素数据进行转换，该像素数据对于每个像素针对每种颜色具有多个比特，它们被映射到位平面中。在示例中，用于显示的帧可以包括红色、绿色和蓝色并且在一个示例中可以包括针对每种颜色的8比特/像素或24比特/像素。转换框311将由ASIC接收的图像帧数据转换为位平面，并将位平面存储在帧缓冲器305中。在将数据写入帧缓冲器305之前，数据可以被格式化。在第二帧缓冲器307中，从帧缓冲器305读取数据。通过在两个帧缓冲器之间切换，将被读取以传输到SLM的帧与用位平面写入的对应于进入的帧图像数据的帧分离。采用两个帧缓冲器使得系统可以连续操作，从而接收数据、将位平面转换和将其写入第一帧缓冲器，同时从先前加载的帧缓冲器读取位平面数据。在从图3中的帧缓冲器307读取数据之后，可以执行附加的数据格式化以准备数据以在高速接口I/F上传输。例如，在分组数据接口中，可以形成数据分组。

在每个帧显示时间段期间显示多个位平面。位平面经布置以便创建期望的像素强度。为了分割图像中的变化以更好地显示几乎没有或没有可见伪像的图像质量，传输到SLM的位平面数量可以从24个(针对3种颜色8比特每像素)增加到60个或更多，其中有一些重复。在常规应用中，一些位平面被重复，并且因为常规解决方案在传输用于各种位平面的数据之间没有进行任何相关，所以用于每个位平面的所有像素数据都通过图3中的数据接口I/F传输到SLM设备303。控制器电路301中的框311和框315提供格式化，该格式化根据读取帧缓冲器创建位平面，然后将这些位平面传输到标记为I/F的数据接口上的SLM 303。

图3中的SLM 303包括高速逻辑317和数据接收器319。从DMD控制器301传输的数据由高速逻辑317接收，高速逻辑317写入用于镜面阵列319的存储单元，并且当整个阵列、线或者另一部分准备就绪时，对DMD像素“复位”使得它们以来自存储单元的数据来进行更新并且显示对应于位平面的新图像。对所有位平面重复加载和复位处理达特定图像显示时间，以提供用于由HVS查看的颜色和强度信息。例如，通过对DMD镜面进行照明来显示图像，并且所反射的图像被投影以便在屏幕309处查看。每当加载位平面时，就复位显示器，使得在帧显示时间期间用于给定帧的所有位平面顺序地被显示。

在图像显示器具有用于给定颜色的在预定颜色显示时间期间被显示的四个位平面(被称为位平面0-3)的示例中，每个位平面具有相关联的时间权重。对于四位平面示例，权重可以是1、2、4和8。基于时间权重的总和，在该示例中，总和为15，用于位平面0、1、2、3的相关联的时间比例可为1/15、2/15/、4/15、8/15。当特定位平面显示多个实例时，其总显示时间仍将匹配相应的显示比例。当在显示时间内显示多于一个实例的位平面时，位平面被称为被“拆分”。例如，在“30213”的位平面序列中，位平面3是分离位平面。

具有小于约7.5微米的像素间距的显示设备可以创建基于衍射(diffraction)的灰度(gray shade)非线性。这些非线性引起可见伪像。伪像越过浅梯度尤其可见。用于对灰阶重现(gray scale rendition)进行平滑的高频抖动图案可以操作为用于照明光的波长的干涉图案。在期望灰阶为两个可产生的灰度阶之间的中间路径的示例中，可以预期抖动以使用50％抖动图案在两个可产生的灰度阶之间创建所期望灰度。然而，所发生的干涉改变实际产生的灰度。取决于照明光的波长，所得灰度要么比期望的更亮(由于相长干涉)要么比预期的更暗(由于相消干涉)。

观察到的非线性量取决于局部高频特性。因为非线性取决于多个因子，所以简单的全局校正因子不足以纠正非线性。

图4示出对输出亮度的响应和抖动百分比的曲线400，对输出亮度的响应被示出在竖直或Y轴上增加，而抖动百分比被示出在水平轴或X轴上从左到右增加。线401示出线性的预期响应。在线401中，随着亮度增加，抖动百分比以相同速率或相似速率而增加。线403示出所观察的示例系统的实际响应。线403示出非线性，其为：随着抖动百分比增加，其非线性跟踪输出亮度，并且(如线403所示)方差不均匀，而是以复杂方式变化。

使用抖动技术以根据视觉显示系统中减少数量的产生的灰度创建所期望的灰度的范围。标题为“Spatial Temporal Multiplexing”的编号为7,075,506的美国专利(其以引用方式全文并入本文)公开了经操作以产生具有减少的可见伪像的轮廓的掩模。

在示例实施例中，通过限定仅用于低强度位平面的抖动来解决用于产生所需灰度强度范围的抖动的非线性响应。如图4所示，在抖动响应中发生的非线性随亮度的增加而增加。通过将高频抖动限定于这些低强度位平面，抖动被限定在照明光的一小部分。以此方式，可以将非线性降低到可感知级以下，即，当使用常规方法时对于观察者以其他方式显现的可见伪像被极大地减少或消除。因此，通过应用示例实施例，从来自系统的所显示或所投影图像中显著地消除或减少衍射伪像(diffraction artifact)。

图5示出用于执行衍射伪像减少的示例系统500的高层次框图。可以来自去γ校正(de-gamma correction)之后的数字视频输入的输入灰度被输入到二分搜索框501中。二分搜索501将输入的灰度与系统可以重现的一组可获得的灰度进行比较。对于给定的系统，可以精确地产生一小组灰度，同时可以使用抖动和脉冲宽度调制技术显示落在可产生的灰度之间的阴影。二分搜索框501将输入的灰度与可获得的灰度进行比较，并输出四个量。输出包括上限灰度(其为在输入灰度之上的可获得的灰度)、上限灰度地址(其为与查找表中的上限灰度相关联的索引或其他类似列表或存储机制)；下限灰度(其为刚好低于输入灰度值的可获得灰度)和下限灰度地址。

在示例布置中，框503使用查找表执行衍射伪像减少。框503使用下限灰度的位置、索引或地址以产生灰度校正量以及地址校正偏移。从下限灰度中减去灰度修正量，并将地址校正偏移添加到下限灰度地址。衍射伪像减少查找表允许使用多于一个脉冲宽度调制(PWM)图案创建可获得的灰度。PWM图案(pattern)取决于输入灰度是否在可获得的灰度之上或之下而被选择。在到达灰度阈值之后，位平面可以然后仅被打开而不是抖动。因此，可以使用巧妙的PWM序列设计和相应的LUT配置将抖动限定在某些位平面中。为了减少可见的衍射伪像，示例实施例将抖动限制于低强度位平面，将由衍射引起的任何非线性置于低于用于可见伪像的HVS可感知级。

如上所述，可以通过对下限灰度进行修改来确定输入灰度的抖动百分比。等式1提供抖动百分比：

在方框505中，使用用于下限灰度地址和下限灰度的校正值来执行高频抖动。根据使用的高频抖动算法，上限灰度或下限灰度被选路(route)用于给定像素，并且在可获得的灰度的排序列表中的对应位置(其中对下限灰度的位置的修改已完成)用于确定针对给定的可获得的灰度采用哪种PWM图案。因为可以使用多于一个PWM图案来产生期望的灰度，所以通过使用示例实施例来修改用于某些灰度的PWM序列而减少衍射伪像，从而减少所显示图像中的可感知伪像。

考虑具有输入灰阶或期望灰阶为5的示例。在这里讨论的示例中，使用的符号灰度强度越大，图案显现越亮，使得0将是最暗或黑色。如果示例系统具有可获得的4和10的灰度，则可以进行关于如何使用位平面序列显示所期望的灰阶5的计算。在下限灰度4与期望灰度5之间的差值为1，上限灰度10和下限灰度4之间的差值为6，所以来自等式1的比例为1/6。采取抖动组合PWM 10*1/6+PWM 4*5/6将引起在显示器上显现给观察者的期望灰度强度5。

为了便于解释：(a)衍射伪像减少的第一示例省略示例实施例的DAR；而(b)衍射伪像减少的第二个示例包括且使用示例实施例的DAR以进一步说明操作和示出所获得的结果。

考虑具有用于16位平面的脉冲宽度调制序列位权重的系统，该脉冲宽度调制序列位权重被提供为：(1、2、4、8、12、20、32、48、72、104、120、120、120、120、120、120)/1023。如果所有16位平面都打开，则获得的灰度为1023。灰度码将被表示为二进制数b1111111111111111。通过添加代码中打开的所有位平面权重，可以计算灰度。

表1示出用于示例系统的可直接实现的灰度。在这个示例中，(在可能的1023中)只有127个可获得的灰度被填充在用作二分搜索列表的查找表中。表1示出所使用的特定可获得的灰度。表1取自实际示例，因此其可获得的灰度中的一些不直接等于位平面的总和。这是因为在使用DMD作为空间光调制器的系统中，对镜面进行复位所要求的时间以及需要或切换镜面的时间会引入一些非线性。

表1-二分搜索LUT，无DRA

在表1中，可以通过对两个位平面代码字之间的唯一位平面的位权重求和来计算对于给定灰度转变抖动的总光的百分比。作为示例，如果输入灰度在302和310(在表1中对应于灰度位置81和82)之间，则在空间上抖动的光的百分比由等式2中的表达式给出：

xor(1023,1528)·[120 120 120 120 120 120 104 72 48 32 20 12 8 4 2 1]＝xor(b01111111111,b10111111000)·[120 120 120 120 120 120 104 72 48 32 20 128 4 2 1]＝[1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1]·[120 120 120 120 120 120 104 72 48 32 2012 8 4 2 1]＝120+104+0+0+0+0+0+0+4+2+1＝231/1023＝22.58％

等式2

在使用常规方法的示例中，高频抖动图案被施加到约23％的照明光。这种相对大量的空间抖动光将在显示的图像中产生令人不快的(可见的)衍射相关的非线性。

图6是数据图，其相对于灰度位置(绘制在水平轴或X轴上)示出抖动光百分比(绘制在竖直轴或Y轴上)。对于位置81-82，等式2中计算的百分比被示出为大约23％。

为了进一步解释示例实施例的操作和优势，将使用衍射伪像减少(DAR)来执行上述示例。在系统中使用DAR，针对输入灰度识别出令人不快的抖动光能级，且然后使用不同PWM图案创建相应的可获得的灰度。对于更高明度的位平面避免抖动，使得衍射伪像被约束到对人类观察者不可感知的低强度级。

在上面给出的示例中，在表1中灰度位置为81和82的情况下，令人不快的转变是由于位平面9和10(对于上面显示的16位平面权重，这些对应于位权重120和104)抖动。这可以通过使用上述位平面权重根据PWM序列形成位平面代码字来观察。使用示例实施例，应用DAR而非使这些位平面抖动，位平面仅在灰度阈值处打开。通过打开位平面代码字1023来创建可获得的灰度302。通过打开位平面代码字1799，也可以创建类似灰度，如表2所示的灰度295。位平面代码字1799对应于对“开启”位进行求和并将其每个乘以位平面权重，在该示例中，对于位平面代码字和1799，得到灰度值295。为了避免在该示例中的抖动，DAR LUT被编程为当输入灰度小于302时采用灰度302(和位平面代码字1023)以及当灰度大于或等于302时采用灰度295。对于二分搜索列表中的位置，DAR LUT将为灰度校正量选择值7(302-295)，并且将选择地址校正量，该地址校正量将新的位平面代码字附加到可获得的灰度列表。通过调节下限灰度，抖动光的百分比可以减少到人类观察者看不到衍射伪像的能级。

示例实施例的方法可以被应用用于创建将抖动百分比限制为低于预定百分比的二分搜索和DAR LUT。表2示出使用DAR创建的用于以上系统的示例查找表，以将抖动百分比限定成小于10％或约10％。在图像投影系统被表征之后，可以开发该查找表，然后可以存储查找表，以便实时处理作为输入数据的进入的期望灰度像素值。在一种布置中，通过用一组新的可获得的灰度PWM序列代替不需要或不期望的行，在固定大小的查找表中创建表2的行。在另选布置中，其中查找表的存储器不受尺寸限制，具有减少的衍射伪像的表的新条目可以被添加到现有表，而非替换现有的行。

表2-包括的二分搜索(binary search)LUB、DAR

在表2中，示出具有正DAR地址校正量的行127、198、302、420、540、657、776和897，其中脉冲宽度调制(PWM)组合仅被打开(而非抖动的常规方法)，以避免创建令人不快的衍射引起的非线性。在施加适当高频抖动图案并且已经选路单个可获得的灰度之后，使用LUT将该灰度的位置映射到位平面代码字。表3示出与上面示出的二分搜索和DAR LUT结合使用的位平面转换LUT。

表3-用于DAR的位平面转换LUT

在表3中，在灰度位置60、73、84、93、100、106、111和116处的行对应于在表2中的行127、198、302、420、540、657、776和897。表3中的行121-127在末端被添加，诸如上述示例中所描述的代码字1799被放置在行122。可以在系统表征期间针对系统确定表3中示出的查找表并将其存储。然后，使用系统可以实现的脉冲宽度调制序列，查找表可用于将高精度灰阶输入数据处理成可获得的灰度。

图7中的曲线图示出曲线700，其对以下进行比较：(a)在没有示例实施例的DAR减少算法的情况下使用常规方法得到的系统性能；和(b)使用示例实施例得到的性能。该比较示出用于所显示的灰度的抖动能量。图7中的竖直轴描绘在0和1之间标准化的所得的灰度强度。图7中的水平轴描绘了灰度指数。编号为701的实线曲线(solid curve)指示系统可获得的灰度。曲线703指示使用常规抖动方法形成灰度时使用的抖动能量。曲线705指示在使用具有上述查找表的示例DAR算法形成这些灰度以减少衍射伪像而使用的抖动能量。示例实施例的DAR算法通过将抖动限定到低强度位平面而减少抖动能量，使得可以引起的任何衍射伪像低于人类视觉系统的可感知极限。

图8示出用于DAR算法的方法的流程图800。在方框801中，针对数字图像投影系统形成可获得的灰度的表，如上述表1。这些是可以使用位平面而没有抖动形成的灰度级(gray shade level)，。为了形成附加灰度级，将需要抖动。

在步骤803，分析来自步骤801的查找表，并且对于在可获得的灰度级之间所需的抖动百分比将大于阈值的那些行，作出转移到步骤809的判定。如果在可获得的灰度级之间的抖动百分比不太大，则该方法转移到步骤801并且继续。在步骤809，通过在查找表中创建新条目来修改用于可获得的灰度的下限灰阶。在步骤811，确定并存储灰阶校正因子和灰阶地址校正因子。在步骤805，将新条目添加到查找表中。这些步骤中的每一个对应于具有在形成表2和表3中的DAR的在以上给定的示例中描述的步骤。图8的方法继续，直到完全分析了可获得的灰度表(诸如在上面给出的示例中的表1)。在一个示例中，图8中的方法被离线执行或在处理像素数据之前执行图8中的方法，并且查找表中的条目是针对特定系统的，但是这些条目可以在该系统的设计和制造期间或在后期制造测试期间确定，并且在使用用于显示图像的系统之前被存储在查找表中。在替换性的示例方法中，查找表可以在系统操作期间被实时填充。

图9示出了方法的另一个流程图900，该流程图示出在处理视频数据中的示例布置的DAR算法的操作。在图9中，在步骤901处系统接收与以期望灰度显示的像素对应的数据。在步骤903处，基于像素灰度是否为可获得的灰度进行判定，其中不需要抖动。在步骤905处，如果对可获得的灰度的查找表的二分搜索指示该像素为可获得的灰度，则显示灰度。如果在步骤903判定为假，则在步骤909使用DAR查找表以确定上限灰度和下灰度，并且使用如上所述的查找表选择DAR灰度。在步骤913，转换查找表(translation look up table)用于转换到DAR查找表中的条目。在步骤913之后，该方法转移到步骤915，并且施加必要的抖动以获得期望的像素强度。然后，该方法最终前进到步骤905且显示灰度。

图10以方框图1000示出与示例实施例一起使用的系统。通过所执行功能来描述图10的各个框。例如，这些框可以使用专用硬件(诸如布置在数字控制器或ASIC中的专用逻辑门)来实现。可以使用数字电路(例如寄存器、堆栈、乘法器、ALU和比较器)。在替换性布置中，可以使用包括数字控制器或ASIC内的控制器或微处理器的可编程逻辑来形成图10中的框。另外，使框执行所述功能所需的指令可以存储在ASIC内。这些指令可以提供为固件、机器代码或软件。如果指令未被存储在ASIC内，则可以提供外部存储器并将其耦合到ASIC，该外部存储器可为非易失性存储器，诸如闪存、ROM、EEPROM或适用于储存和检索程序指令的其它存储器。

在图10中，像素数据被接收到ASIC 1003中以便处理。框1005执行包括上述DAR减少方法的位平面处理。框1005使用存储器在框1006中存储查找表。替换地，查找表可以被存储在外部存储器设备中。DAR处理框将位平面数据存储到图像帧缓冲器1015中，该图像帧缓冲器1015包含与用于显示的帧对应的数据。显示驱动器1007从图像帧缓冲器1015中提取用于显示的数据。该数据可以在框1009编码，以便传输到SLM 1001。本地存储器1017与编码器1009一起使用，而高速传输框1011和控件1019用于将数据放置在到SLM 1001的高速接口上。

SLM 1001包括用于接收图像数据的高速接收器1021、用于对所编码的图像数据进行解码的解码器1023、以及用于收集线缓冲器(line buffer)1013中的线的设置缓冲器(set up buffer)，并将SLM中的像素存储器加载在框1035中。在位平面被加载到像素存储器中之后，显示帧并且将与该帧对应的反射光输出到投影光学器。

对于用于从数字图像投影系统减少显示图像中的衍射伪像的示例方法，数字控制器通过数据接口耦合到空间光调制器。空间光调制器包括二维像素阵列。另外，该方法包括：在数字控制器接收包含像素图像数据的信号；处理图像数据以确定由空间光调制器产生的像素的期望灰阶；将期望的灰阶与数字图像投影系统的可获得的灰阶进行比较；确定大于所期望灰阶的上限可获得的灰阶；确定小于所期望灰阶的下限可获得灰阶；确定用于所期望灰阶的抖动百分比；响应于该确定，选取上限可获得灰阶和下限可获得灰阶中的一个；如果选择下限可获得的灰阶，则选取修改的下限灰阶以减少抖动百分比。

在另一个变型中，该方法包括将期望的灰阶与数字图像投影系统的可获得的灰阶进行比较，其还包括：形成数字图像投影系统可以物理产生的灰阶强度的查找表；并使用所期望的灰阶来搜索查找表。

在至少一个替换性方案中，该方法包括使用期望的灰阶来搜索表格，其还包括使用二分搜索来搜索查找表。在另一种布置中，方法包括：根据查找表和相应上限灰度地址输出上限灰度；并且根据查找表和相应下限灰度地址输出下限灰度。在另一个另选方案中，方法包括选取修改的下限可产生的灰度级以减少抖动百分比，其还包括：使用用于数字图像投影系统的可获得的灰度的查找表；在可获得的灰度的查找表中的条目之间确定灰度的抖动百分比；识别查找表中的抖动百分比大于预定的期望最大抖动百分比的行；对于所识别的行，创建修改的下限灰度，其具有类似于下限灰度但将引起降低的抖动百分比的不同灰度；并将修改的下限灰度附加到衍射伪像减少查找表。

在另一替换性方案中，方法包括形成包含用于修改的下限灰度的地址校正的转换查找表以访问衍射伪像减少查找表。在另一版本中，方法还包括：接收具有所期望的灰度的像素图像数据；使用衍射伪像减少查找表执行搜索以识别上限灰度和下限灰度；确定是否选择上限灰度或下限灰度进行显示；并且如果选择了下限灰度，则使用来自转换查找表的地址校正来确定地址校正。

在另一替换性方案中，方法还包括存储灰度校正因子，其对应于在用于修改的下限灰度的衍射伪像减少查找表的行中的下限灰度和修改的下限灰度之间的差异。在另一替换性方案中，方法还包括使用所选择的灰度来显示像素。

在另一变型中，空间光调制器为数字微镜设备。在另一另选方案中，数字微镜设备具有小于或等于约七微米的像素间距。在至少一种布置中，空间光调制器包括硅设备上的液晶。

在另一个示例中，用于使用衍射伪像减少显示图像的系统包括耦合到数据接口的数字控制器电路。该数字控制器电路被配置为接收用于显示的像素图像数据并且还被配置为形成位平面，该位平面包括通过数据接口传输到空间光调制器的数据的线。数字控制器电路还被配置为采用可获得的灰度来创建与像素图像数据的灰度相对应的位平面。空间光调制器电路耦合到数据接口并被配置为从数字控制器电路接收与像素数据相对应的数据，用于在空间光调制器中的像素阵列上显示。从数字控制器电路传输到空间光调制器的数据还包括使用衍射伪像减少通过位平面形成的可获得的灰度，以创建用于像素显示的灰度。

在另一替换性方案中，数字控制器被配置为：接收具有所期望灰度的像素数据；将所期望的灰度与系统的可获得灰度的表进行比较；从可获得的灰度表中确定上限灰度和下限灰度；确定上限灰度和下限灰度的抖动百分比；确定抖动百分比是否超过预定阈值；并响应于该确定在上限灰度和下限灰度之间进行选择；并且数字控制器还被配置为用修改的下限灰度替换下限灰度；使得抖动百分比将低于预定阈值。

在另一替换性方案中，数字控制器还包括存储部分，其存储指示系统的可获得的灰度的查找表。在另一替换性方案中，数字控制器还包括存储部分，其存储指示上限灰度和下限灰度(包括修改的下限灰度)的衍射伪像减少查找表。

在另一另选方案中，数字控制器还包括存储部分，其存储转换查找表，其指示用于修改的下限灰度的地址校正值。

在另一另选方案中，空间光调制器包括数字微镜设备。在另一个示例中，数字微镜设备包括像素元件阵列，其用于显示具有小于或等于约7微米的像素间距的数据。

在具有衍射伪像减少的数字图像投影系统中使用的集成电路的又一示例中，数字控制器电路耦合到数据接口。数字控制器电路被配置为接收用于显示的像素图像数据且还被配置为形成包括数据的线的位平面以通过数据接口传输到空间光调制器。数字控制器电路还被配置为采用可获得的灰度来创建与像素图像数据的灰度对应的位平面。第一存储器部分存储指示用于数字图像投影系统的可获得灰度的查找表。第二存储器部分存储指示上限灰度和下限灰度(包括修改的下限灰度)的衍射伪像减少查找表。第三存储器部分存储指示用于修改的下限灰度的地址校正值的转换查找表。数字控制器电路还被配置为接收具有期望灰度的像素数据，以将期望的灰度与可获得的灰度的查找表进行比较，以从可获得的灰度的查找表中确定上限灰度和下限灰度，并响应于该确定而在上限灰度和下限灰度之间进行选择。数字控制器还被配置为采用衍射伪像减少查找表和转换查找表以用修改的下限灰度替换下限灰度。

在权利要求的范围内，在所描述的实施例中的修改是可以的，并且其他实施例是可能的。

Claims (19)

1.一种减少来自数字图像投影系统的显示图像中的衍射伪像的方法，所述数字图像投影系统包括通过数据接口耦合到空间光调制器的数字控制器，其中所述空间光调制器包括二维像素阵列，所述方法包括：

在所述数字控制器处接收包含像素图像数据的信号；

处理所述图像数据以确定将由所述空间光调制器产生的像素的期望灰度；

将所述期望灰度与所述数字图像投影系统的可获得灰度进行比较；

确定大于所述期望灰度的上限灰度；

确定小于所述期望灰度的下限灰度；

确定用于所述期望灰度的抖动百分比；

响应于所述确定，选择所述上限灰度和所述下限灰度中的一个；

如果选择所述下限灰度，则选取修改的下限灰度以降低所述抖动百分比；

使用所述期望灰度搜索查找表；

根据所述查找表和对应的上限灰度地址输出上限灰度；以及

根据所述查找表和对应的下限灰度地址输出下限灰度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述期望灰度与所述数字图像投影系统的可获得灰度进行比较还包括：

形成所述数字图像投影系统能够物理产生的灰度强度的所述查找表。

3.根据权利要求2所述的方法，其中使用所述期望灰度搜索所述查找表还包括使用二分搜索来搜索所述查找表。

4.根据权利要求2所述的方法，其中选取所述修改的下限灰度以降低所述抖动百分比还包括：

使用用于所述数字图像投影系统的可获得灰度的所述查找表，确定用于在可获得灰度的所述查找表中的条目之间的灰度的所述抖动百分比；

识别所述查找表中所述抖动百分比大于预定期望的最大抖动百分比的行；

对于识别的行，创建具有不同灰度的修改的下限灰度，该修改的下限灰度类似于所述下限灰度但其将引起降低的抖动百分比；以及

将所述修改的下限灰度附加到衍射伪像减少查找表。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括形成包含用于所述修改的下限灰度的地址校正的转换查找表，以便访问所述衍射伪像减少查找表。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括：

接收具有期望灰度的像素图像数据；

使用所述衍射伪像减少查找表执行搜索以识别上限灰度和下限灰度；

确定选择所述上限灰度还是所述下限灰度进行显示；以及

如果选择所述下限灰度，则使用来自所述转换查找表的地址校正来确定所述地址校正。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括存储对应于所述下限灰度和在用于所述修改的下限灰度的所述衍射伪像减少查找表的行中的所述修改的下限灰度之间的差异的灰度校正因子。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括使用选择的灰度来显示所述像素。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述空间光调制器包括数字微镜设备即DMD。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述DMD具有小于或等于7微米的像素间距。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述空间光调制器包括硅上液晶设备。

12.一种用于使用衍射伪像减少来显示图像的系统，其包括：

耦合到数据接口的数字控制器电路，所述数字控制器电路被配置为接收用于显示的像素图像数据并且还被配置为形成包括数据的线的位平面以通过所述数据接口传输到空间光调制器，所述数字控制器电路还被配置为采用可获得灰度来创建与所述像素图像数据的灰度对应的位平面；以及

空间光调制器电路，其耦合到所述数据接口，所述空间光调制器电路被配置为从所述数字控制器电路接收与像素数据对应的数据，以便在所述空间光调制器中的像素阵列元件上显示；

其中从所述数字控制器电路传输到所述空间光调制器的数据包括使用衍射伪像减少根据所述位平面形成的可获得灰度，以创建用于所述像素元件显示的灰度。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述数字控制器还被配置为：

接收具有期望灰度的像素数据，将所述期望灰度与所述系统的可获得灰度的表进行比较，根据所述可获得灰度的表确定上限灰度和下限灰度，确定所述上限灰度和所述下限灰度的抖动百分比，确定所述抖动百分比是否超过预定阈值，以及响应于所述确定在所述上限灰度和所述下限灰度之间进行选择；

其中所述数字控制器还被配置为用修改的下限灰度替换所述下限灰度，使得所述抖动百分比将低于所述预定阈值。

14.根据权利要求12所述的系统，其中所述数字控制器包括存储指示用于所述系统的可获得灰度的查找表的存储器部分。

15.根据权利要求12所述的系统，其中所述数字控制器包括存储器部分，其存储指示上限灰度和包括修改的下限灰度的下限灰度的衍射伪像减少查找表。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述数字控制器包括存储器部分，其存储指示用于所述修改的下限灰度的地址校正值的转换查找表。

17.根据权利要求12所述的系统，其中所述空间光调制器包括数字微镜设备。

18.根据权利要求17所述的系统，其中所述数字微镜设备包括像素元件阵列，其用于显示具有小于或等于7微米的像素间距的数据。

19.一种用于具有衍射伪像减少的数字图像投影系统的集成电路，其包括：

耦合到数据接口的数字控制器电路，所述数字控制器电路被配置为接收用于显示的像素图像数据并且还被配置为形成包括数据的线的位平面以通过所述数据接口传输到空间光调制器，所述数字控制器电路还被配置为采用可获得灰度来创建与所述像素图像数据的灰度对应的位平面；

第一存储器部分，其存储指示用于所述数字图像投影系统的可获得灰度的查找表；

第二存储器部分，其存储指示上限灰度和包括修改的下限灰度的下限灰度的衍射伪像减少查找表；以及

第三存储器部分，其存储指示用于所述修改的下限灰度的地址校正值的转换查找表；

其中所述数字控制器电路还被配置为接收具有期望灰度的像素数据，将所述期望灰度与可获得灰度的查找表进行比较，根据可获得灰度的所述查找表确定上限灰度和下限灰度，以及响应于所述确定在所述上限灰度和所述下限灰度之间进行选择；以及

其中所述数字控制器还被配置为采用所述衍射伪像减少查找表和所述转换查找表以用修改的下限灰度替换所述下限灰度。

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