CN102655594B

CN102655594B - 用于提高投影图像的亮度的方法

Info

Publication number: CN102655594B
Application number: CN201210048865.6A
Authority: CN
Inventors: 石井隆俊
Original assignee: Spatial Photonics Inc
Current assignee: Himax Display USA Inc
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2032-02-28
Also published as: TW201242379A; CN102655594A; US20120218283A1

Abstract

本发明公开了一种用于提高投影图像的亮度的方法，其中，所述投影图像来自使用多个不同颜色的LED的LED投影仪，该方法根据要投影的图像的帧的直方图来确定有效最大饱和度。创建多个主通道和多个子通道，其中每种颜色的LED对应于一个主通道和至少一个子通道。然后，根据图像的帧的有效最大饱和度来确定每种颜色的主通道和子通道的幅度，随后使用特定颜色的主通道和至少一个子通道来驱动该颜色的LED以生成图像。

Description

用于提高投影图像的亮度的方法

技术领域

本发明涉及LED数字投影仪的领域，并且更特别地涉及用于提高那些投影仪的投影图像的亮度的自适应技术。

背景技术

桌上式和吊装式数字投影仪，例如，用于商业的投影仪已经出现了很长时间。它们的尺寸随着时代而减小，并且它们的投影图像也变得更加明亮。直到最近，大部分此类投影仪都将UHP(超高性能)灯用作它们的照明光源，但是现在许多投影仪正使用LED作为它们的光源。

这些投影仪所投影的数字图像是通过使来自LED的光穿过空间光调制器(SLM)而产生。两种类型的SLM是使用液晶技术的LCOS以及使用与数字控制电子装置一起形成于硅衬底上的微型反射镜(tinymirror)的微镜装置。典型地，微镜装置对于要投影的每个像素都具有一个反射镜。微镜阵列在时间序列中与三个LED一起工作，其中，每种颜色一个LED。在时间序列内控制红(R)、绿(G)和蓝(B)这三种基色，以显示每个像素。

投影图像的三个最重要的属性是亮度、对比度和饱和度。在光线良好的房间里可以看见更明亮的图像。对比度强调图像中的细节。饱和度确定颜色呈现出的鲜艳程度。在LED投影仪中，在某种程度上叠加三种基色以使得LED在更长的时间段内保持导通，从而提高亮度。但是，这种叠加降低了显示纯的红色、绿色或蓝色的能力，由此使得难以或不可能再现完全饱和的图像。过分降低饱和度会导致图像褪色。最好的投影仪可以显示明亮和清晰的图像，即使在图像完全饱和时。

发明内容

本发明公开了一种用于提高使用不同颜色的多个LED的LED投影仪的投影图像的亮度的方法。该方法首先根据要投影的图像的帧的直方图来确定有效最大饱和度。然后，创建多个主通道和多个子通道，其中每种颜色的LED对应于一个主通道和至少一个子通道。然后，根据图像的帧的有效最大饱和度来确定每种颜色的主通道和子通道的幅度。然后，使用颜色的主通道和该颜色的一个子通道来驱动该颜色的LED以生成图像。

另一方面，根据要投影的图像的帧中的像素的各颜色分量的饱和度值，确定该像素的有效最大饱和度。根据饱和度值落入针对组所确定的饱和度值的范围内的像素的数量，对帧的像素的饱和度值进行分组。然后，确定最大饱和度阈值(有效最大饱和度值)。然后，使饱和度值在有效最大饱和度值以下的像素的饱和度值提升(boost)根据经验确定的倍数，由此通过利用用以驱动该颜色的LED的叠加电流来驱动子通道而减少可能引起的褪色(washout)。最后，将每种颜色的具有所提升的饱和度值的像素投影在屏幕上以生成图像。

另一方面，从构成像素的帧的每个像素的颜色的多个分量值中确定最大的分量值。通过从构成像素的具有最大像素构成颜色分量值的颜色的分量值，减去构成该像素的具有最小像素构成颜色饱和度值的颜色的分量值，来计算各所述多个分量值。

可以对所述多个饱和度值进行分组，并且可以确定饱和度截止值或阈值。可以截断在阈值以外的像素。

可以提升饱和度值在有效最大饱和度值以下的像素的饱和度值。可以使像素的饱和度值提升根据经验确定的量，其中，可以通过测试许多个图像并且确定给出最佳结果的提升量来确定该根据经验确定的量。可以提升构成像素的每个颜色分量，并且可以使用于构成像素的最大颜色分量、最小颜色分量以及在最大和最小颜色分量之间的颜色分量不同地提升以获得像素的饱和度提升。

本发明的一个或多个实施例的细节将在下面的附图和具体实施方式中阐明。本发明的其它特征、目的和优点根据具体实施方式和附图以及根据权利要求书将变得清楚。

附图说明

图1是本发明的实施例的***的框图；

图2是本发明的实施例的内容自适应模块和光源控制器的框图；

图3是本发明的实施例的光源控制器的框图；

图4是本发明的实施例的LED驱动控制器的框图；

图5是本发明的实施例的用来选择饱和度值的示例表；

图6是本发明的实施例的与饱和度值对应的LED驱动电流设置的示例表；

图7是本发明的实施例的红色、绿色和蓝色的LED驱动电流相对时间的图；以及

图8是在本发明的实施例中使用的根据经验确定的饱和度乘数的示例表。

在各附图中的相同的附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

在此所描述的用于提高图像亮度的内容自适应方法在使饱和度损失的视觉影响最小化的同时提供了显著的亮度增加。简言之，内容自适应亮度控制使用算法来创建用于逐帧地调整所输入的图像数据的颜色饱和度值和亮度值的直方图。该方法根据最大饱和度/亮度的直方图值来调整三种LED光源的重叠量。在最大饱和度值为低的地方，可以增加重叠量，从而使光源变得更亮。但是，增加重叠量会使图像的色域三角形(gamuttriangle)变窄。变窄的色域三角形降低了图像饱和度，并且可能导致显示画面颜色褪色。所公开的方法修改显示数据以增加亮度和饱和度，补偿画面颜色，但是仍然避免饱和度降低至足以使图像褪色。

图1示出了本发明的实施例的***。视频输入源10可以是个人计算机、平板电脑(tablet)、蜂窝电话或者提供图像的其它数字装置。如在本领域中众所周知的，图像被传递给传统的视频处理器，逐帧地输出多种颜色的图像的像素。可以使用各种颜色空间或分量，例如，RGB、CMYK或其它颜色***来创建图像。将使用RGB颜色空间(或RGB颜色分量)来描述本发明的实施例。

视频处理器将图像传递给内容自适应亮度控制器(CABC)30，这将在下面更详细地描述。将图像从CABC传递给帧序列器40以产生帧，然后传递给用于将图像投射到显示屏幕60上的诸如数字投影仪的显示装置50。

CABC30还将控制信号传递给光源控制器70，以控制光源开启和关闭的时序和电流。要产生更明亮的图像，该时序使光源，例如，以下将更详细地描述的示例中的LED更长时间地保持为开启，并且在一种颜色的LED为开启的同时也使另一种颜色的LED保持为开启，从而产生光源叠加。光源控制器70的输出信号被传递给诸如LED的光源80，以在所期望的时间和电流下开启它们，并且光源将它们的光传递给成像表面，例如显示装置50中的透镜，然后传递到显示屏幕60。

图2更详细地示出了CABC。视频处理器20所处理的视频输入200进入CABC30。图像的每个帧首先进入最大/最小RGB检测器205，其中，在该最大/最小RGB检测器205中确定图像的帧的各种颜色的像素的最大RGB值、最小RGB值和中间RGB值。将最大值、最小值和中间值从最大/最小RGB检测器205传递给亮度直方图生成器210和饱和度直方图生成器220。这些操作将在下面描述。这些直方图生成器的输出分别被用来在亮度补偿单元230和饱和度补偿单元240中确定亮度补偿和饱和度补偿。这两个补偿单元也接收所处理的视频输入信号。选择器250将亮度补偿单元230和饱和度补偿单元240的输出分别传递给帧序列器40和显示装置50(图1)，以在屏幕60上显示。

亮度直方图生成器210和饱和度直方图生成器220的输出还被传递给光源控制器260。光源控制器260按照以下将要描述的方式使用控制表270来生成光源控制信号180。该信号由光源控制器70传递给光源80(图1)。

图3更详细地示出了光源控制器260。该光源控制器260包括三个LED驱动控制器，一个LED驱动控制器用于驱动一种颜色的LED。LED驱动控制器300给红色LED330提供红色驱动信号D_R0、D_R1、D_R2。LED驱动控制器310给绿色LED340提供绿色驱动信号D_G0、D_G1、D_G2。LED驱动控制器320给蓝色LED350提供蓝色驱动信号D_R0、D_B1、D_B2。

图4更详细地示出了作为这三个LED驱动控制器之一的控制器300(图3)。“D_x0”410是用于红色、绿色或蓝色LED中的一种LED的三个驱动控制器之一(“x”通用于这三种颜色)。D_x1是用于红色、绿色或蓝色LED中的同一LED的第二驱动控制器420，而D_x2是用于红色、绿色或蓝色LED中的同一LED的第三驱动控制器430。来自三个驱动控制器410、420和430的三个驱动电流被馈入AMUX(模拟多路复用器)440，其中，在该AMUX440中它们被多路复用并且被传输给LED驱动器450，以驱动该颜色的LED。还有另外两个驱动控制器(没有示出)，每个都具有AMUX，用于驱动另两种颜色的LED。

内容自适应亮度调整方法从像素构成的图像的帧开始。在本实施例中，像素是三种颜色分量：红色、绿色和蓝色。应当理解，还可以使用其它颜色方案，例如CMYK。假定图像含有标准的1280×800个像素(但是任何其它尺寸或高宽比的图像和像素密度都可以使用)，则总计有1,024,000个像素，并且每个像素都具有红色、蓝色和绿色的颜色分量值。例如，假定存在具有红色值R＝250、绿色值G＝200且蓝色值B＝150的像素A。而且，还假定颜色分量值的总范围为0-255(但是可以使用更小的或大得多的范围，例如最大值为1024、2048或许多更高的值)。

现在开始用于确定每种颜色的每个像素的优选的颜色饱和度的处理。一种这样的处理首先开始计算每个像素的饱和度值“SatVal”，该处理由以下等式来确定：SatVal＝MaxVal-MinVal。在针对像素A的以上示例中，最大的颜色分量值(MaxVal)是为250的红色像素的值，而最小的颜色分量值(MinVal)是为150的蓝色像素的值。因此，SatVal＝MaxVal(250)-MinVal(150)＝100。中间值MdlVal是为200的绿色值。

在例如RGB颜色空间中进行以上的饱和度计算。也可以使用其它颜色空间(YIQ、YUV、YCrCb、HVS或HVI)和颜色分量，但是它们将需要不同的等式，所述不同的等式可以由本领域技术人员使用在此针对RGB颜色空间所描述的原理来算出。例如，可以使用矩阵乘法来将RGB颜色空间转换成YUV(或YIQ)颜色空间，其中Y表示幅度调制的黑白信息，而UV(或IQ)表示在极坐标中的颜色信息。UV和IQ是两种不同的标准。它们具有相同的颜色信息，但是极轴存在相移。颜色饱和度是UV(或IQ)矢量的大小，而色相(或颜色色调)是角度。在UV和IQ标准中，颜色饱和度的等式分别为SQRT(U^2+V^2)或SQRT(I^2+Q^2)。在RGB颜色空间中的计算对于实时应用是最简单并且最佳的。

然后，需要根据经验来确定一组饱和度范围。可以根据色域图来确定这些范围。通过在图5的表的第一列中列出的组号来对这些范围进行分组。在标记为“饱和度值”的第二列中列出组的上边界值。可以将以上所算出的每个像素的实际饱和度值(SatVal)归入在一个组的边界值到下一个相邻组的边界值之间的组中。对于所讨论的像素A，具有算出为100的SatVal，该SatVal≤102(对于组号6的上限)，所以它落在组6内。对于每一帧的1,024,000个像素中的每个像素的SatVal进行同样的计算。

注意，在标题为“像素百分比”的第三列中，在组6的那行的值为6。该“6”表示在该帧内的1,024,000个像素中6％或约61,440个像素的SatVal落入组6内(SatVal在102-85之间)。在图5的同一表中，1,024,000个像素中SatVal落入范围255-228(组15)、129-146(组9)、115-128(组8)和103-114(组7)分别占1％。类似地，分别有48％、2％、8％、12％、9％、11％和6％的像素落入组0、1、2、3、4、5和6内。

在图5中的表的第四列(标题为“累积百分比”)示出了落入每个组内的像素的累积百分比，从表的底部开始计数。因此，1％的像素落入底部组15内。由于在组14、13、12、11和10中没有像素，在组15-10中的像素的累积百分比也为1％。由于1％的像素落入组9内，因而在组15-9内的像素的累积百分比(示出于组9所在的行内)为2％。由于该表涵盖了该帧内的100％的像素，因而断定全部16个组所示出的累积百分比(在第一组0所在行的累积百分比列中)为100％。

在该处理中的下一步骤是确定阈值SatVal。参照图5的表的“累积百分比”列，我们看到，所考虑的帧只有4％的像素落入组7到组15内。因此，如果将截止数选择为5％，则阈值SatVal被选为102(组6的上边界值)，将会存在该帧的96％像素的充足像素。

在选择阈值SatVal时，可以使用观看偏好。例如，如果要显示的图像需要最大饱和度(例如，用于影片)，则在表中可以将截止值选择为较低并且可以将阈值选择为较高，例如，将截止值选择为1％以使得包含组0-9，由此具有足够的占99％的像素作为可用像素。另一方面，如果所显示的图像是饱和度较不重要的Powerpoint幻灯片，则截止值是12％并且可以将阈值选择为仅包含组0-5，由此占像素的90％的可用像素仍将足够用以显示。

存在众多方式来选择最佳的阈值SatVal，或者手动地或者通过使用算法，或者二者的某种组合。例如，如果图像内容逐帧地变化，则图像很可能是视频。如果图像在大部分时间内都是静态的，则很可能正投影Powerpoiht或其它幻灯片放映。使用图像处理，通常有可能检测到在图片的幻灯片放映与Powerpoiht幻灯片之间的差异。由此，可以选择优选的阈值SatVal，对于视频图片优选具有较低的像素截止值的阈值SatVal、而对于Powerpoint演示则优选具有较高的像素截止值的阈值SatVal。在这些组内，在选择阈值SatVal时可以考虑到用户偏好。

参照图6，在截止组6之上的SatVal的示例中，使用在图6的第一列内的组6所在行中的驱动电流值。所使用的准确的驱动电流值取决于被用来生成驱动电流的DAC。在图6的示例中，最大的驱动电流是4095。因此，在组6内的Rr0值(2264)意味着在显示红色数据时，最大的红色LED驱动电流的2264/4095将被用来驱动红色LED。项“Rr0”具有三个分量：大写“R”表示红色LED；小写“r”意味着在该时间段内，红***数据正被显示(这与绿色或蓝色数据相对)；并且“0”表示这是9个通道编号值的第一个。

参照图7，上图被标记为“红色”并且示出了用于红色LED的驱动电流。如顶部的标题所示，在每个图中的第一时间段显示了正显示“红色数据”的时间段。该“红色数据”来自图像并且基于在该时间段内将要显示的图像中的红色的强度。类似地，第二时间段是正显示绿色数据的时间段，并且第三时间段是正显示蓝色数据的时间段。

参照图6和7，使用组6作为示例，在第一图中示出的第一Rr0值(“Rr0”表示红色(R)LED、红色数据(r)以及9个值中的第0个值)是2264，表示在该红色数据时间段内红色LED驱动电流为最大驱动电流值的2264/4095。类似地，在图6的表中标记为“绿色”的用于绿色LED的第二图中，Gg1值2951意味着：在正显示绿色数据的时间段内，绿色LED驱动电流为2951(2951/4095)；以及最后的Bb2值意味着在蓝色数据的时间段内，蓝色LED驱动电流为1571(1571/4095)。

在2009年3月9日提交的且被转让给与本发明相同的受让人的美国专利申请12/400,668所描述的发明在此以引用方式被并入本文中，根据该发明，与正显示数据的颜色的LED同步地、将其它颜色的LED也照明至某种程度，以增加图像的亮度。因此，在绿色数据显示期间，红色LED保持为以1037(Rg6，在图6的组6中的第7个值)的驱动电流发光。类似地，蓝色LED保持为以996(Rb3，在图6的组6中的第4个值)的驱动电流发光。

总之，在红色数据时间段内，如图7所示，红色LED的电流为最大电流的2264/4095(Rr0)，绿色LED的电流为最大电流的1663/4095(Gr8)，并且蓝色LED的电流为最大电流的506/4095(Br8)。

在图3和4中的LED驱动控制器以及在图6和7中的驱动电流表和波形根据下列关系相对应：

D_R0＝Rr0，D_R1＝Rg6，D_R2＝Rb3，

D_G0＝Gr4，D_G1＝Gg1，D_G2＝Gb7，以及

D_B0＝Br8，D_B1＝Bg5，D_B2＝Bb2

如前面所描述的，参照图5，已作出了饱和度的阈值为102以及截止组6之上的像素分量的决定。因此，在该阶段，要避免“褪色的”图像，在投影屏幕上必须将总体饱和度再提高到补偿的饱和度值。对于前面的示例(R＝250，G＝200，以及B＝150)，在截止和补偿之后，组6的阈值SatVal为102，如图5所示，MinVal和MdlVal变为新的最小值和中间值。MaxVal保持为与R的先前值相同，即为250。

图8是图5所示的每个组的根据经验确定的乘数值的表。这些值是通过查看许多图像并确定什么乘数产生最满意的结果而确定的。从图8的表中，对于在示例中所使用的组6，乘数为1.56。该乘数被用来按以下方式确定每个有色像素的新的、提升的饱和度值(NewMax、NewMin和NewMdl)。

NewMax＝MaxVal(最饱和的像素，R，不改变)

NewMin＝MinVal-[(MaxVal-MinVal)×(乘数-1)]

NewMdl＝[(MdlVal-MinVal)*乘数]+NewMin

因此，

NewMax＝MaxVal＝250

NewMin＝150-(250-150)×(1.56-1)＝150-[(100)×0.56]

＝150-56＝94

NewMdl＝[(200-150)×(1.56)]+94＝[50×1.56]+94＝78+94

＝172

参照图2，这些计算在饱和度补偿单元240中进行，并且所产生的新的饱和度值NewMax、NewMin和NewMdl从饱和度补偿单元240通过选择器250传递给帧序列器40和显示装置50(图1)以用于显示。

作为例子，在RGB颜色空间中进行以上饱和度提升。还可以使用本领域技术人员可确定的其它等式来应用其它颜色空间(YIQ、YUV或YCrCb)和颜色分量，以实现饱和度提升。

以上已经描述了本发明的多种实施例。但是，应当意识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。因此，其它实施例都处于所附的权利要求书的范围之内。

Claims

1.一种用于提高投影图像的亮度的方法，其中所述投影图像来自使用不同颜色的多个LED的LED投影仪，该用于提高投影图像的亮度的方法包括：

根据要投影的图像的帧的直方图来确定有效最大饱和度；

创建多个主通道和多个子通道，其中每种颜色的LED对应于一个主通道和至少一个子通道；

基于所述图像的帧的有效最大饱和度来确定每种颜色的所述主通道和所述子通道的幅度；以及

使用特定颜色的所述主通道以及该颜色的所述至少一个子通道来驱动该颜色的LED以生成所述图像。

2.根据权利要求1所述的用于提高投影图像的亮度的方法，其特征在于，根据构成所述帧的每个像素的颜色的多个饱和度值来确定所述有效最大饱和度，其中，所述帧包括多个像素。

3.根据权利要求2所述的用于提高投影图像的亮度的方法，其特征在于，通过从构成像素的具有最大像素构成颜色分量值的颜色的分量值，减去构成该像素的具有最小像素构成颜色分量值的颜色的分量值，来计算各所述多个饱和度值。

4.根据权利要求2所述的用于提高投影图像的亮度的方法，其特征在于，对所述多个饱和度值进行分组，确定饱和度值的阈值，并且截断落在所述阈值之上的像素。

5.根据权利要求4所述的用于提高投影图像的亮度的方法，其特征在于，还包括以下步骤：使饱和度值在有效最大饱和度值以下的像素的饱和度值提升。

6.根据权利要求5所述的用于提高投影图像的亮度的方法，其特征在于，使所述像素的饱和度值提升根据经验确定的量。

7.根据权利要求6所述的用于提高投影图像的亮度的方法，其特征在于，通过测试许多个图像并且确定给出最佳结果的提升量，来确定所述根据经验确定的量。

8.根据权利要求6所述的用于提高投影图像的亮度的方法，其特征在于，使构成像素的各种颜色都被提升。

9.一种用于提高投影图像的亮度的方法，其中所述投影图像来自使用不同颜色的多个LED的LED投影仪，该用于提高投影图像的亮度的方法包括：

根据要投影的图像的帧中的像素的各颜色分量的饱和度值，来确定该像素的有效最大饱和度值，其中，根据帧的饱和度值落入针对组所确定的饱和度值范围内的像素的数量，对该帧的像素的饱和度值进行分组并确定有效最大饱和度值；

使饱和度值在有效最大饱和度值以下的像素的饱和度值提升根据经验确定的倍数，以获得用来驱动该颜色的LED的叠加电流，由此减少褪色；以及

针对每种颜色使用提升后的像素饱和度值，来生成所述图像。

10.根据权利要求9所述的用于提高投影图像的亮度的方法，其特征在于，通过从构成像素的具有最大像素构成颜色分量值的颜色的分量值，减去构成该像素的具有最小像素构成颜色分量值的颜色的分量值，来计算所述提升后的饱和度值。

11.根据权利要求10所述的用于提高投影图像的亮度的方法，其特征在于，通过测试许多个图像并且确定给出最佳结果的提升量，来确定所述根据经验确定的量。