CN1440617A - 用于增强透射***动态范围的设备和技术 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于增强电子透射***动态范围的设备和技术。该技术包括预调制、光度补偿和局部光度补偿。

Description

用于增强透射***动态范围的设备和技术

技术领域

本发明一般地涉及图像的投射，特别是用于增强以数字投影器为典型的电子技术投射图像的技术和设备。

背景技术

本申请基于在美国的申请临时序号为60/215,716，申请日2000年7月3日，以及英国的申请序号为00163402，申请日2000年7月3日的在先申请优先权，在此作为参考。

结合于此的美国专利5,386,253具有与此完全相关的领域，论及应用一个或多个空间光调制器(SLM)的投影***示例。如所摘录的专利领域：

空间光调制器装置包括所谓“有源矩阵”装置，由排列的光调制器件或“光闸”构成，它们均可通过控制信号(通常为电信号)控制，光根据控制信号反射或穿过。液晶阵列就是一种有源矩阵装置的例子；另一个例子是德克萨斯仪器公司开发的变形镜面装置(DMD)……

见第1栏13-21行领域部分。当然，现有的其他类型的光“引擎”，或光源，以及它们的变化形式可能用于结合在下面描述的本发明中。

无论使用哪种类型的光源和调制器，观众通常都期望看到细节和层次较高的图像，以及降低有害的不自然现象。特别是较高的分辨率和图像质量利于观众打消对所投射图像真实性的怀疑。这种画质确实经常成为现今的观众在看电影过程中的一种重要因素。

然而，产生这种高分辨率图像无法脱离成本的增加。例如Imax公司打算具此提出的申请，不但适用于专业的照相机和投影器，还包括70毫米15孔胶片投影图像分辨率和画质的提高。传统电子投影器(特别是使用SLM的)，其对比度通常不能满足与投射的图像分辨率相当匹配。以及，此类电子投影器经常无法满足大型胶片所提供图像的动态范围和全部亮度。尽管如此，它们可以满足(或必要的)作为非胶片像源图像，如(并非限定)计算机产生的影像或电子照相机所得到的素材方面的应用。

一种DMD类型的SLM，由两个按尺寸排列的反光镜构成。反光镜的排列通过投射镜头成像在屏幕上，使各反光镜起到一个像素的作用。各反光镜可通过电子控制定位在两个位置，一个位置将入射的光反射到投影镜头，作为”ON”状态，以及在另一个位置，不将入射光反射到投影镜头，但将其转向到如束流收集器中，此时为”OFF”状态。

因此，DMD是二元光调制器。通过时间控制的反光镜在各开或关状态转换期间会产生两度的变化，各反光镜在开和关状态之间依据画面次序的规则方式循环重复，如传统的活动画面显示。根据变化的时间值，各反光镜在每一帧期间处于开状态，各像素的亮度可被控制。这种技术称为脉冲宽度调制或PWM。

采用PWM，灰阶可通过DMD装置产生。该灰阶可通过输入二进制数码形式的数字数据进行控制。例如，将各帧时间分割成不同长度的十个周期，可产生10比特的灰阶。时间周期的长度与设定为一个预定值的，针对任意特定帧的地址选择信号中最小的有效单元(LSB)相关，周期的持续与下一相对于LSB两倍长的有效单元(LSB+1)相关，等等。如此，相应于最长有效单元(MSB)的10比特输入信号周期长度相对于LSB是512倍。这样总共给出1024种可能的灰阶值，介于全黑(DMD反光镜在整个帧周期中保持关状态)到全白(DMD反光镜在整个帧周期中保持开状态)之间。设置最低的PWM频率用于MSB，高于肉眼可视***的“停闪频率”，每个PWM循环将根据输入的二进制信号值进行结合并设置成连续灰阶变化的感觉。这种技术称为二元PWM。

采用二元PWM，从各反射镜输出的亮度水平与反射镜处于帧之间”ON”状态的时间比例相符合。其结果是从信号DMD像素输出亮度水平B可通过下列公式建模：

    B＝(αy+δ)TL＝αyTL+δTL       (1)

公式(1)中，L是来自光源的入射光亮度，y是规格化值范围从0到1的数字信号，以及T是各显示帧的持续时间。因数α＜1表示DMD像素的光学效率。其最大输出，或DMD装置的“白电平”，是当信号值达到最大，或例如y＝1时获得：

    B_w＝B_y＝1＝(α+δ)TL            (2)

类似地，其最小输出，或DMD装置的“黑电平”是当，例如y＝O时达到：

    B_b＝B_y＝0＝δTL                 (3)

最大到最小电平的比率决定了基于DMD的投影器的对比度比例。最小电平是当反射镜处于关状态时多余的光反射进投射镜头的瞳孔的结果。这是由多种因素引起的，包括反射镜边缘和反射镜下面结构的散射。关状态下多余的光源结合进公式(1)的δ项。对于DMD装置，确实支持一个n比特的动态范围，其黑电平必须小于由最小有效比特(LSB)数字输入信号表征的亮度电平。或者说，必须维持下列关系： $\mathrm{\&delta;}<\frac{1}{2^n-1}---\left(4\right)$

黑电平或最低光电平可以被显示为一个设置的发生在黑场下细节量度的极限。在采用DMD的投影***中，DMD装置的切换速度决定了最低比特时间(LSB)。另外，黑电平表征当DMD处于完全关状态时最低可显示的水平。降低LSB显示亮度到某些临界值之下，产生一些灰阶比特深度的增益效果，据此增加了被DMD黑电平掩盖的灰度分辨率。黑电平还限定了***可显示的对比度比例。典型的基于SLM的投射***，介于200∶1和500∶1之间，取决于光学设计。

为了使观看者感觉图像具有全部范围的色调，使最饱和的成像尽可能接近自然，有必要设定投影***的各种对比度水平，取决于***提供的光能级，并且还依据观看环境周围的环境光量。目视观察***具有一个同时对比度范围，它与典型的在某一给定状态下通过肉眼同时能看到的场景亮度相关。一般认可的范围是200∶1。然而，目视观看***的同时对比度范围与一个很宽的全部场景亮度相配合，从场景的最黑部分到最亮，总共大约有七个十进位。与观察者变换适应于该范围的整个有效部分相同，如同观察者在场景中的注视点发生变化。例如在明亮的阳光下观看建筑物外形，然后向地下停车场位置观看。正常的观察者既能看见停车场区域所有的汽车，也能看见光亮建筑物的特征，尽管总对比度超出观察者可感觉的同时对比度。

投射***的对比度需要产生一种全范围增加色调，如同投射光量降低，以及增加时如同周围变暗的感觉。典型的电影院观看环境中投射对比度为1000∶1或更高，需要使观看者在相当于其同时对比度200∶1的对比度范围去感觉整个范围的色调。另外，需要不同的灰阶步长，以感觉其亮度变化。观察者可以在较低的亮度下较之在较强的亮度下更能区分灰阶的更小步长。

当代表灰阶采用二进制数据时，与按“比特深度”使用的二进制数中的比特数相关。较大的比特数显然可以产生细密的灰阶步进，一直到某种极限，部分取决于观看条件，较大数字的灰阶步进，因而较大的比特数是理想的。但如上所论述，在刚刚能够感觉投影***黑级的最小步长下进一步细分灰阶步长是没有意义的。

在国际专利申请WO94/10675(以其完全相关性结合于此)中描述了一种增加基于DMD的显示***的比特深度方法，其中光源的亮度用于照明，DMD以二进制基础进行调制。但是，当延伸正常的灰阶比特深度时(由于该二进制调制发生在单独的视频帧幅中)，它对DMD的黑电平没有影响。再有，在这类照明调制中，电源必须非常快地改变其输出，因此被迫需要对照明电源进行苛刻的设计，并可能产生大量显著的电磁冲突。

黑电平可以通过DMD构建结构设计上的改进和其他光调制装置来降低，但不能完全消除。因此，需要一种设备和技术来降低黑电平，从而增加SLM投影器的动态范围。

发明内容

本发明寻求提供一种对寻址缺陷改进的，典型(但并非必须专用)电子的，采用SLM的投影器。进一步通过较前述更广泛的方式，试图创建可提供足够全面质量图像的设备和技术，可用于聚会点代替或补充传统的大规格胶片投影器，所观看的高质量图像没有对观众感觉的扰乱。如上所述，这种感觉对现代的观看体验是重要相关的，有时会助于决定公映电影的全面成功。

本发明所选的实施例可以采用附加的SLM预调制器以改善***的动态范围。本发明的一些优选实施例可用作全局或单像素的预调制器(典型的SLM)以适用于整个下游SLM动态范围的改善。运行中，该预调制器起阻断下游SLM光线的作用，以使整个画面变黑，并增强所选场景的黑电平。下游SLM可以保持其全动态范围适应能力，但应考虑适当时候或需要时输入新的照度电平。对于亮的场景，预调制器不需要起作用，此过程将维持正常的亮度电平。预调制器因而可用于配合投影器的场景亮度，总体上匹配于目视观察***的功能。在另一实施例中，布置了两个或更多SLM，使它们相应的像素具有精确的一对一关系。在另一个实施例中，一个分开的预调制器可用于暗化选定的区域(例如一个象限)，因此像素的一对一精确对应在特定的预调制器和下游SLM之间就不再需要了。任一过程中，各SLM可独自驱动，但协调一致，使其动态范围性能相结合以扩大合成的动态范围。

本发明的再一个特征包括亮度补偿，可选用来增加下游SLM的照度电平，例如，当希望增进全场景的对比度时。补偿规则特别适用于采用单像素预调制器时，而在全局预调制器中有时会过度地减小了向下游SLM的输入。本发明的进一步特征包括局部亮度补偿，用于避免亮度和彩色构成中的高光削波失真。

本发明的进一步特征涉及一种向预调制器提供控制信号，与供给到SLM的图像数据相一致的方法。

本发明的其他特点和优点通过本申请其余的文字和附图，对相关领域技术人员而言是显而易见的。

附图说明

图1是本发明实施例***的示意图。

图2是动态范围窗口概念的图解。

图3是一种光度补偿规则的示例图解。

图4是部分光度补偿以消除高光削波失真的示例。

图5是用于每个彩色通道的预调制器实施例的示意图。

图6是根据本发明另一显示***实施例的示意图。

图7是用于驱动图6中DMD的信号的寻址信号比特映像图解。

图8是可用于构成图6所示预调制器的电路图解。

图9是本发明显示***的另一实施例示意图。

图10和11分别是用于图9***中的调制器侧视和俯视图。

图12是图10和11所示调制器与图9所示***结合使用的示意图解。

图13和14是是图10和11所示调制器反射部分的不同排列形式图解。

图15是另一种用于图9所示***的调制器图解。

图16是用于图10和11或15所示调制器的另一种光学布置图解。

图17是进一步实施例的图解，其中预调制器应用于各帧的识别已编码在输入信号中。

具体实施方式

图1是本发明实施例***的示意图。如图1所示，光源1例如灯泡的光束直射到预调制器2上。图1所示的预调制器2是单像素或全局预调制器，诸如可变反射镜或可变穿透率中密度滤镜。还可以采用一个复合像素可寻址的SLM装置。图1中展示了一个DMD，其他本领域公知的空间光调制装置也可加以使用。

预调制器2控制入射到DMD装置3的光量。当预调制器减少入射到DMD的光，DMD的黑电平将降低。预调制器根据执行方法以不连续或连续的方式变化入射到DMD的光亮度。

预调制器的动作可通过一个可变量β(β≤1)，称作预调制因数来模仿。当β小于1时，到达DMD上的入射光被减少。

与全局预调制器一起，从DMD装置输出的亮度可简单地表达为：

    B_β＝βB                                     (5)

全局预调制器的应用在任何给定情况下不能改变SLM投影器的对比度比率，因为白和黑电平同样被一个因数β降低，

    B_β，w＝βB_w

    以及                                         (6)

    B_β，b＝βB_b

但是，由于全局预调制器全标度地改变通过SLM动态范围表示的值，它可以有效地改变通过SLM显示的连续灰阶电平之间的步长。目视观察***对于灰阶步长的变化的敏感，如同全场景亮度的变化，因此一个在场景内容上可改变显示灰阶步长尺寸的***，会感觉有较高的图像质量。

另外，通过最大衰减地设定预调制器对黑电平的降低，以及最小衰减地设置投影器所保持的实质上的全白电平，预调制器能增加***的动态范围，或其总对比度范围。

在电影胶片中，同时存在有些场景亮调占主导地位，有些场景黑调占主导地位。在这些较黑的场景中，增加传统SLM投影器的黑电平是最无法采用的。另外，场景变化中的新场景亮度或黑度的感觉受观看者适应状态的影响。由于是作为连续变化的系列场景来观看，投影器对场景亮度的适配能力的操作，如同附送给观看者的适应状态，并产生对比度范围增加的感觉。

因此，通过控制预调制的量，SLM投影器可以适配场景亮度的变化，使亮度范围的传送符合最佳的观看感觉。这个技术被称为“适应性动态范围窗口”(ADRAW)投射。如前所述，我们对对比度的感觉如同工作在一个沿最大适应范围滑动的窗口中，以及“对比度范围窗口”的圈定取决于特定的观看条件。

目视***中存在的滑动对比度范围窗口，提出最有效的投影***应适配于场景的亮度及观看条件。用于电影中，其观看条件被良好地控制，观看者只需适应变化场景中的亮度。由于观看者只感觉在具体对比度窗口中一个限定范围的亮度水平，有利于投影器提供一个匹配于该窗口的对比度范围，同时根据场景亮度的各种变化向上和向下移动该窗口。

图2示出了适应性动态范围窗口(ADRAW)投影器。如图2所示，动态范围窗口10向上和向下移动在如虚线所示的亮度范围标度11上。

全局预调制器2如图1相关的描述，提供了一个简单方法来实现SLM投影器的ADRAW思路。如果场景是亮的，预调制器处在最小衰减设置(β＝1)，投影***输出最大的亮度。此时，***动态范围窗口10位于标度11的顶端12。当场景是黑的时，预调制器对光进行衰减(β＜1)，其输出亮度降低，作为一个黑电平。当预调制器在最大衰减设置时，动态范围窗口10向下移动到标度11的底端14。没有预调制时，动态范围窗口10仅扩张到标度11上的位置13。结果是，ADRAW投影器***适用于支持比传统SLM投影器对比度范围更大的动态范围。

窗口10的定位通过预调制因数β控制。因数β值的选择基于场景的亮度，并可以在连续的范围或以不连续的阶段变化。β的值可以由各种方式，如图像中的像素阈值、图像中的平均像素值或其他与亮度有关的方式，按观看者的感觉来决定。

图2展示了来自带有全局预调制的投影器扩展的动态范围。假定预调制因数在下列范围内变化：

    β_min≤β≤β_max                              (7)

与没有预调制的DMD***相比较，***的“白”电平是：

    B_β，w＝β_maxB_w                              (8)

如果β_max＝1，则保持无变化，但***黑电平被降低：

    B_β，b＝β_minB_b                              (9)

由投影器送出的实际上的“白”和“黑”电平通过预调制量决定，并可通过公式(6)计算。数据格式化

模拟电影的图像数据通过代表预调制因数β的数据来完善，以及同样可以展示其他补偿信息。所有数据可以结合于一个数据流提供给投影器。例如，如果使用高清晰度电影标准SMPTE274M，需要一个格式成消隐这些信号间隔的信息去控制预调制器。另外，可采用连续数字电影标准SMPTE292，并将信息编码成连续数字电影信号中的“元数据”以扩充SMPTE292标准目前也在考虑中。当采用支持如SMPTE292的双重链接4：4：4：4模式时，图像格式还可以使用“alpha”通道以携带预调制因数。

当通过装备有预调制器的投影器，较好地适合于典型条件下观看的各场景，其预调制因数和其他补偿信息可通过人机对话由专业操作者决定，也可以通过投影器中的电路自动地选择预调制因数和其他补偿。这些电路将结合场景亮度并根据预调制的规则选择适当的预调制因数。其他设置在输入数据和SLM之间按要求变更像素值以完成额外的补偿功能的硬件如下所述。照度补偿

简单地在亮度标度上上下滑动动态范围窗口不总是提供最好的视觉结果。例如，测试中，全局预调制施加到相对黑的场景中，预调制因数β设置成0.5。虽然图像亮度降低50％，对比度比率仍保持不变，因为黑电平也由于同一个因数降低了。然而，如可从目视***的数据预知的，由于图像整体亮度的降低，会呈现对比度的损失。更进一步，当全部场景亮度降低时，颜色呈现饱和度缺失。

为了改善发送图像的质量，对比度的损失可以通过亮度的补偿运算进行补偿。运算的目的是修改像素代码值，以维持全部显示图像的对比度。

图3示出了投影器的灰阶传递函数的预调制效果，展示了关于投影器在调制前20和调制后21照度Y和像素代码值p之间的关系。假定Y是p的大约的函数(投影器的特性曲线)，照度Y和像素代码p之间的关系表示为：

    Y＝f(p)                                          (10)

于是，预调制降低的输出照度为：

    Y＝f_β(p)＝βf(p)                                (11)

图3中虚线22表示最大照度Y＝50％，即β＝0.5时决定的最高白电平。如该图所示，亮度被降低了。照度补偿通过对每个像素值乘以一个补偿因数c被引入以增加对比度，即：

    f_β(cp)＝f(p)                                    (12)

对于每个像素的补偿量c可从公式(12)计算得到，其结果为： $c=\frac{f_{\mathrm{\&beta;}}^{-1}\left(f\left(p\right)\right)}{p}=\frac{1}{p}{f}^{-1}\left(\frac{f\left(p\right)}{\mathrm{\&beta;}}\right)---\left(13\right)$

图4展示了如何进行补偿操作。这里投影器传递函数没有预调制30，沿预调制函数31展示。完全补偿的传递函数33在中间色调和高光区有相同的斜率，直至达到Y＝50％的最大值。高光削波和部分补偿

照度补偿运算改进了视觉质量，但可能带来高光削波。高光削波发生在当补偿的码值需要全面补偿，超过n比特像素码p最大值时， $\mathrm{cp}=f^{-1}\left(\frac{f\left(p\right)}{\mathrm{\&beta;}}\right)>2^n-1---\left(14\right)$

或者说，补偿码c不能使像素码p达到适当的水平。高光削波可通过图4看见，其中补偿传递函数33在超过由线32，取决于预调制因数β＝0.5，定义的最大可能亮度时被削波。对于全部像素值p大于补偿传递函数33与线32交叉点相对应的像素值时将发生削波，因为所有这些较大的像素值都将获得同一个照度值Y＝50％。

图像高光削波删除了高光部分的细节并带来可见的图像衰退。通常需要通过调整三原色通道的增益来平衡SLM基显示装置RGB色彩的白点。如果削波发生在仅仅一个或两个彩色通道上，会产生高光区的彩色偏移，这是由于三个通道不同的增益。作为例子，削波后蓝天将呈现偏黄的颜色，因为饱和的蓝通道是最受削波影响的。

高光削波可以被避免，如果预调制量经选择使其覆盖整个原始图像的照度范围：

    f_β(2ⁿ-1)≤f(p_max)                                (15)

其中p_max是原始图像数据中的最大像素值。然而，预调制量满足条件(15)对于给定的场景也许不能提供需要的黑电平。另外，简单的预调制方案可能仅允许某些离散的β值。因而将永远交替地介于加强黑电平和高光削波之间。

对于满足公式(15)时不能得到预期的黑电平的图像，可采用部分补偿来降低高光削波。部分补偿是放松全补偿条件(12)的结果，使：

    f_β(cp)＜f(p)                                  (16)

图4中当预调制因数β＝0.5时，用于得到传递函数31，当全补偿按所示的函数33使用时发生了高光削波。部分补偿(c’＜c)可以按所示的传递函数34加入，其中照度Y补偿后将是f_β1(c′p)，不会发生削波。还可以设想在削波发生的地方加一个肩或“软削”，如所示的补偿函数35，使高光的补偿逐渐地进行。

可以有各种可用的补偿方案用于图像数据，以及依据场景内容设定进行有效的全面或部分补偿的点。最好是通过对场景的观察并设定补偿和预调制量来完成。对各场景中的每一帧像素值的补偿由此通过成像过程达到。可以采用一个硬件指令表来进行像素数据的补偿。此时，指令表通过输入数据来定位，以及通过预调制设置和补偿因数来更改纪录，使指令表的输出是各预调制器设置所需要的补偿像素值。

了解投影器的特性曲线是基本的条件。最好通过实际投射条件下的测量来获得。此测量将编入输入像素值以输出亮度，同时需考虑***中所有由于图像数据格式和传递函数的非线性因素，它们或许是数据所固有的，如电影画面的伽马校正或胶片扫描图像的伽马值。

在一种实施例中，离开屏幕的照度采用Minolta CS-100测光表测量。该测量在靠近屏幕中心的同一个位置进行。一个17级全帧灰级光楔用于整个数据范围，以及一个32级灰级光楔用于低照度值。各灰级光楔投射到一个高增益屏幕上，相关的CIE Y分量从靠近屏幕中心的固定位置测量。数据因而适合于一个分段曲线：

灰阶系数值γ1和γ2各为由选配曲线定义的曲线顶部和最下面部分。

虽然本实施例是结合用于发射信号DMD的光源来描述的，但可以理解许多常用的包含分开的彩色通道的DMD可以结合使用。而且，每外彩色通道本身可以包含一个以上DMD，DMD以外的空间光调制器也可以采用，对本领域技术人员是公知的。

本领域技术人员还应当清楚，如果预调制器可用于比单像素更多的，或全局作用的，预调制器可通过上述的同样原理施加到部分图像上。这些描述的原理对或包括采用另一个SLM，其中两个SLM装置的像素之间一对一相关，的预调制器仍然有效。在照度和彩色成分上的预调制

上述实施例中，单个预调制器施加在光源后面和DMD棱镜前面。因此，该分析聚焦在照度分量Y上面，可通过测光表测出或从图像数据的RGB值计算得出。对于电影摄影机或电影放映过程获得的图像，RGB分量是非线性的，可采用ITU-R 601推荐的标准：

Y＝0.299R+0.587G+0.114B                            (18)

对于线性RGB数据，照度通过ITU-R 709所推荐的定义：

Y＝0.2125R+0.7154G+0.0721B                         (19)

所有照度补偿基于计算的照度值完成。如上所述，问题是单预调制器伴随高光削波可导致彩色偏移。

一个解决方法是在每个彩色通道有一个预调制器，每个通道的预调制量由各独立的彩色照度控制。该实施例在图5中描绘。如图5所示，预调制器40用于红色通道，预调制器41用于绿色通道以及预调制器42用于蓝色通道。

如果总照度被各独立彩色通道的照度所取代，都采用先前的数学分析。独立彩色通道的特性曲线可能不一样，必须加以考虑。针对独立彩色通道的预调制量可以与其他通道的不一样，因此达到了对彩色平衡的较好控制。这种方式也允许黑电平的平衡。其他实施例

在前面的实施例中，预调制器的操作集中在SLM，同时作用于各帧，通过预调制器的亮度选择以及SLM各像素的亮度选择得到各画面的亮度结果。在另外的实施例中，预调制器的设置建立在针对数个帧，通常是一个场景，并在场景转换时改变预调制的设置。

这可以对目视***产生有益的综合作用，以及，通过依据各帧所结合的不同亮度对两个或更多的帧进行预调制，产生了更宽的灰度级。本发明这些相关方面将在此后说明。

首先参照图6，该图展示了一种显示***的示意，包括一个包含DMD101的投影器***、灯103和镜头106，投影***设置成向电影屏幕109投射画面的形式。DMD101通过由电源装置105供电的光源103照射。DMD典型地由1280x1024的镜面元件排列而成，每个元件的方向通过提供给DMD的数据信号控制。典型的光源为高压电弧氙灯。由DMD按数据信号产生的经空间调制的光经镜头107聚焦到电影屏幕109上。

上述的布置是传统的投影器***。但根据一种实施例，进入DMD101的光经过电源装置105对电弧灯电流的调制，使灯103具有N-比特的调制输出而进行了预调制。

如果灯的亮度通过等于N的二进制值改变，可以看出DMD的黑电平被降低了2^N的量。如后面将进行的详述，预调制量可选择地施加于一组帧幅中，例如一对儿连续的帧K1，K2，根据图像相关的特定帧具有亮度值的数据信号，决定是否相应于明亮场景(模式1)，黑场景(模式2)还是中间亮度场景(模式3)。

比特的变换通过DMD的镜面元件显示，还可以进行符合操作模式的修改。

在已描述的特定实施例中，通过电子控制投影器决定所需的预调制模式以及据此进行设置。

在其最简单形式中，如果出现输入MSB，便需要模式1。如果既不出现MSB，也没有MSB-1，则需要模式2，如果MSB不起作用，而MSB-1运作，就需要模式3。之后，在即将更详细描述的模式1中，一个比特映射程序将发送峰M的输入信息到K1和K2，相似地，在模式2中，比特映射程序将发送谷M比特。模式3中，比特映射程序将发送峰“α”比特，从输入MSB-1开始到K1以及谷(M+N-α)比特，包括零级比特到K2的谷比特。

然而，当只有一个像素具有MSB设置(或MSB-1”ON”以及MSB”OFF”)时，会发生一种状况。在这些条件下，在上面探测到的条件下，由于其中的一个像素，算法将实施模式1(模式3)的操作，而场景图像内容暗示模式3(模式2)为更适合的方式。

一种选择是统计MSB和MSB-1中比特水平中活动的比特数量。模式选择的触发点，当活动的像素数超过某些限定时将被启动。若不是对于全部像素MSB起作用，这样确实不错。由于这在模式3中被取消，于是所有像素将显示为错误的灰度水平。其解决方法是迫使这些像素达到饱和。当模式3和输入MSB同时作用时，可通过将所有输入比特设置成逻辑1来得到。模式2运行期间，可以用相似的排列施加到MSB-1上。

可以进一步延伸考虑相邻像素的数量，提供一个总和，由此考虑高光区的影响。实际上，起始运算规则可延伸考虑到许多场景的场合，当设计预调制器时将其看作是必要的。这些和与图像各帧的数据一起储存，作为处理的引入数据。之后，这些和的值与起始值进行比较，同时显示图像帧的数据并据此设定预调制模式。

在下面例子中，为了简化说明，假定图像数据信号去伽马校正后具有9比特，以及DMD具有6比特分辨力(即M＝6)优于通用的10比特分辨力，并且预调制提供2比特的调制幅度(即N＝2)。这些比特在图7(a)，7(b)和7(c)各幅中如中间的那个序列。每组比特序列的左手比特相应于MSB。每组比特序列的右手比特相应于各种符合LSB/2的低光电平，该低光电平通常不能通过DMD显示出来。因此，这些比特用点线展示。

图7(a)和7(b)中对于每帧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)相应于M＝6的DMD101的分辨力。在图7(a)所示的模式1中，入射到DMD101的光强度没有衰减。在明亮场景情况下，同时对于帧K1和K2的DMD用来显示六个最上的比特，即这些比特相应于最高的光电平。在模式2中，从电源装置提供的灯电流是降低的，相当于以2^N衰减灯光输出达到最低的光电平。如图7(b)所示的，同时在帧K1和K2中的DMD用来显示最低的六个可显示比特，但不包括LSB/2比特(此时DMD不能显示)。

如上所述，即使图像大体上黑暗，也存在处于”ON”状态的像素，如同显示MSB或MSB-1比特，即左手比特。这种情况下，模式2中，如果设置成MSB或MSB-1处于”ON”来显示这些比特，下面六个最低的比特全切换到”ON”。但是，可以理解，这将稍微降低用于像素的亮度，其中MSB是切换到”ON”状态的。

最后，如图7(c)所示，其中已确定图像大体上具有一个中间照度值，灯切换于变换的帧亮度电平之间，同时K2对应于低亮度状态。如此，灯的输出不在帧K1中衰减，但衰减于帧K2中。当灯的亮度高时，K1在MSB下被加载峰值M比特(即2倍的乘积，并放弃LSB)，以及当灯亮度低时，K2加载上包括LSB/2比特的谷值M比特。

第一个帧K1中，选出的数个比特(在这个特例中，为α是4的α比特)被选用于显示。α的值是确定的，使之对任意特定的图像信号得出符合要求的结果。对于帧K1，MSB不显示，但在模式2中，MSB对于特定像素处于”ON”状态，所有余下的比特被变更设置成”ON”。据此，K1中显示出高光电平。

然而，在第二帧K2中，显示了最低的四个比特水平。在此特例中，尽管额外的比特LSB/2不能正常地显示出来，但通过LSB在各其他帧(即仅在K2期间)显示的方式，LSB/2可以被显示出来。当然肉眼将有效地将超出K1和K2的亮度水平结合起来得到额外的比特分辨力。

转到图8，该图示出了一个用于完成与图6和7所描述相关的入射到DMD101的光的预调制电路。图8中与图6中等效的元件具有相应的标记。

图像输入信号，在将要描述的特定例子中是七比特数字信号，表示电影胶片连续的帧，包括帧同步信号和呼叫信号，输入去伽马电路301。去伽马电路用来去除输入信号上的伽马调制，其中包括用于在显示装置上显示的图像格式匹配信号，例如具有非线性传递特性的阴极射线管。应该理解去除伽马调制使信号匹配于DMD101的线性传递特性是必要的。这已在以其完全相关性结合在这里的美国专利6,034,660中解释。

由于去伽马操作，需要加入去伽马电路，在特定的例子中，向输入图像信号加入两个另外的比特。去伽马电路301的九比特输出相应于图7所示的输入信号M+N+1比特。它输入到格式器303，针对图像各帧各像素的信号，用来产生LSB、LSB+1、……、MSB-1、MSB的比特量，如以其完全相关性结合于此的美国专利5,673,060中所详细解释的。格式器303的输出施加到双帧存储器305、307，其设置使同一时间里双帧存储器的一半被加载而另一半卸载。适当的切换装置(未示出)用于在帧存储器305、307的两个部分之间切换。

此前所述的用于DMD101的寻址***是常规的。但投影***还包括一个用于决定模式的电路，如上所述的模式1、模式2和模式3将被用于显示每一对帧K1，K2，如下所述。

从格式器303的输出还连接到有效比特和加权发生器309，它寻找峰值N(此例中N＝2)比特以决定帧中的多少像素处于峰值中两个比特MSB，MSB-1切换到”ON”状态以及是哪些像素。和发生器309的输出施加到和数据双存储器311、313，它们成双设置使其中一个存储器写入时另一个数据存储器正在读出，此外，还有图中未示出的适当转换装置。

数据存储器311或313相应的输出施加到解码器315，它用于与一个阈值比较哪些MSB或MSB-1转换成”ON”的数个像素，以决定哪些帧相对于高照度帧(模式1)，低照度帧(模式2)或中间帧(模式3)。解码器315的输出用来提供适当的控制信号到电源105，引起送到灯103的电流变化，使灯进行不衰减(模式1和模式3中的帧K1)或衰减的(模式2和模式3中的K2)输出。适当的信号还可以通过解码器315施加到单元316中，用来进行将帧存储器305或307的数据转换施加到选择器321，它用于选择用于K1的比特值或用于K2的比特值。应当理解，在模式1和2的情况下，用于帧K1和K2的值是一样的。但是，在模式3的情况下，比特图形如图7(c)所示，用于其中顶部四个比特施加在帧K1中，同时其最下面的四个比特，包括LSB/2比特施加于帧K2上。这些值用于DMD在比特平面中寻址以切换选出的像素到”ON”。

为了防止由MSB或MSB-1引起的，当选用模式2或3时，图像的明亮区并没有光显示的图像亮度错误，投影***包括一个门319，其中，当此类像素确定后，可以使电路319对模式2中的所有MSB-2到LSB输入比特，或模式3中的所有MSB-1到LSB/2输入比特设置成激活状态用于指定的像素。

从上面可以理解，各帧以模式1和2情况下显示的相同的值，以及在模式3情况下不同的值有效地显示两次，肉眼可以有效地将来自连续画面上的两个不同光电平进行结合形成一个平均值。引入的图像信号通常按每秒24帧的分隔输入，由此双重显示为每秒48帧，每帧重复两次。但是，一些情况下可应用同样原理提供不同的帧。

转向图9，对入射到DMD的光强度的预调制可通过包括在灯103和DMD101之间的预调制器401得到。这种情况下，图8所示的控制信号施加到灯电源装置105上，代替施加到预调制器401上。

预调制器可以采用机械装置影响来自灯的光线传送，或者，也可以通过电子装置进行。

参见图10至14，一种机械预调制器401的例子，通过两个圆形板601、603构成。每个板由一组梯形的反射镜面辐带605构成，如图11所示，板的其余部分607是透明的。板601，603重叠排列如图10所示，前板601保持静止，而后板603通过一个步进马达609在马达控制单元610控制下转动。

根据特定的图12，图中示出了预调制器***到灯103和DMD101之间的光路上。步进马达609的转动通过施加到马达控制单元610的预调制数据控制，如图13所示，每个盘601，603上的镜面反射部分相互对位，结果是来自灯103的光线衰减50％，没有被镜面反射带605截断的光直接穿过被光电检测器611检测。在如图14所示的极端条件下，镜面部分605全部脱离排列，没有被前面设置的镜面部分截断的光线，将被后板603上的镜面部分截断，由此给出最小衰减的光线。可以理解，中间的装置可以给出各种衰减量。光电检测器的输出施加到马达控制单元610上，使步进马达同步，产生要求的衰减。

可以理解，在DMD投影***中相当普通地采用45°反射镜将来自灯的光线转向90°，包括一个冷反光镜用于去除红外辐射。据此，可以在旋转光闸上结合冷反光镜以同时去除不想要的来自灯103辐射光中的红外线波长。

作为另一种方式，图12所示的双圆盘机械预调制器可通过一个电子装置来取代，它包括一个LCD反射光闸701，在主面上带有镀银条纹703，如图15所示。这种装置可避免机械部件调校的必要性，并可以获得更大范围的衰减水平。

图16展示了另外一种光学装置，包括一个反射棱镜705，设置在灯103和DMD101之间的光路中。调制器如图15所示，即一个液晶板701，典型地为铁电液晶，具有覆盖在液晶板上的镀银光栅703。预调制器使用时，棱镜706相对于灯103的面将入射光的方向转向液晶板701。液晶板701被电子方式切换使之可反射，来自液晶和上覆的光栅703将发生最大光反射，并将光束从棱镜705的表面707反射向DMD101。与机械预调制器方式相似，液晶板701被切换到不反射状态时，光将被衰减一定程度，取决于光栅703反射部分的宽度。可以理解，图16的棱镜也可以采用如图10和11所示的机械调制。

可以理解使用棱镜705可以使预调制的入射和出射光同轴。

上述实施例中，决定每对帧处于模式1、模式2或模式3是通过投影器自动进行的。但是可以将输入图像信号按各对帧将采用的模式信息编码。这些编码典型地通过着色师按相应帧的光值或照度来完成。这些情况下，如图8所示的电路可简化为如图17所示。解码器315、数据比特映像器317、门318、“强制全开”电路319，以及帧K1或K2选择器32 1均被省略，以及在输入信号路径上加入了一个预调制器数据提取单元801。单元801用于去除说明码，并提供合适的信号到预调制器双数据存储***，它用于存储适当的预调制信息以控制灯的电源105。比特数据输入到双数据存储器305，307中，将结合更改的比特序列预编码。

可以理解，图17中当用于调节灯电源供应的电路改变时，用于预调制光401的电路可以相似地改变。

可以理解，为了简化对上面另一种实施例的解释，仅结合一个单彩色通道，该实施例等价于一种投影***，它包括一个或多个DMD，各具有三个平行的彩色通道用于从灯光103中分离出来的红、蓝和绿光，图像信号包括R、G、B信号或另外的照度和色度数据。每个彩色通道通常经过同样的预调制，作为其标准，使用了三个取决于R、G、B值或照度值的模式。因此，作为例子，在包含高电平MSB的R、G、B彩色通道中，将在所有三个彩色通道中选用同样的模式。本发明可利用于各种彩色***，例如向一个或多个DMD顺序地投射红、绿和蓝光的彩色轮。

可以理解本发明可适用于输入的图像信号是电影信号或除此以外的其他信号的***，该信号特别适用于空间光调制器。

可以理解本发明可适用于采用除DMD以外的空间光调制器，例如液晶装置，特别是具有更快切换时间的铁电液晶。

上面所解释的实施例基于脉冲宽度调制技术产生的灰阶，带有用于MSB降低到LSB的比特映像，由比特帧存储器中产生，本发明还适用于改变比特序列，例如，包括一个低光电平空间振动，如美国专利6,064,366所描述的，美国专利5,686,939所描述的比特分量，美国专利5,986,640所描述的比特分流，以改进各帧间的视暂存平衡，以及美国专利6,057,816(相应于EP0755556)所描述的比特充填，这些专利的要点以其完全的相关性结合于此进行引用。

可以理解另一种实施例中，帧可以组合进一对帧组中，本发明可适用于包括三个或更多帧的帧组的投影***。

可以理解光强度可以调制成两个不同的强度(即N＝2)，可进一步通过将光调制成三个或更多不同强度来提高分辨率。

由于前面提供的本发明目的的图示，解释和对实施例的描述，进一步的实施例和更改对本领域技术人员而言是显而易见的，并不脱离本发明的实质。另外，铁电装置、液晶显示器(LCD)或其他光源或阀门或滤镜可作为必需或期望的应用。

Claims (28)

1、一种降低帧黑电平的方法，该方法包括：

接收用于帧的像素编码值；

确定帧的亮度；

基于帧的亮度确定预调制因数，其中预调制因数用于至少在两个不同的强度之间，改变入射到投影***空间光调制器光的强度和改变的用于帧的像素编码值之间变化，当帧的黑电平降低时使各像素的亮度充分保持不变。

2、如权利要求1的方法，进一步包括：通过具有空间光调制器的投影***接收一个包含预调制因数和更改像素编码值的数据流。

3、如权利要求1的方法，其特征在于，预调制因数通过投影***选择，以及像素编码值通过投影***更改。

4、如权利要求1的方法，其特征在于，预调制因数通过帧中像素编码极限值来确定。

5、如权利要求1的方法，其特征在于，预调制因数通过在帧中将像素编码值平均化来确定。

6、如权利要求1的方法，其特征在于，预调制因数的选择，使其覆盖帧中的整个照度范围。

7、如权利要求1的方法，其特征在于，预调制因数用于控制光源的输出。

8、如权利要求1的方法，其特征在于，预调制因数用于控制第二空间光调制器。

9、如权利要求1的方法，其特征在于，像素编码值的改变通过每个像素码值乘以调制因数进行。

10、如权利要求1的方法，其特征在于，像素编码值的改变通过一个同时依据像素码值和入射到空间光调制器的光量的可变量进行。

11、一种降低帧黑电平的方法，该方法包括：

接收用于帧的像素编码值；

确定帧的亮度；

基于帧的亮度确定预调制因数，其中预调制因数用于至少在两个不同的强度之间，改变入射到投影***空间光调制器的强度；和

部分改变的用于各帧的像素码值之间变化，当帧的黑电平和高光削波降低时使各像素的亮度充分保持不变。

12、如权利要求11的方法，其特征在于，像素码值部分地改变，使其向削波中产生逐渐的变化。

13、如权利要求11的方法，其特征在于，像素码值部分地改变通过每个像素码值乘以调制因数使每个像素的最大亮度不被超过。

14、一种投影***，包括：

一个空间光调制器，包括阵列可转换元件，每个可转换元件可转换到”ON”状态，此时入射到阵列的光直接投射到镜头，以表示图像数据信号的连续帧的比特形式响应数据信号，空间光调制器产生灰阶图像，表示各帧处于脉冲宽度调制的”ON”状态；

用于在两个或更多个光强度之间进行改变的装置，入射到空间光调制器连续的帧组中，其光强度取决于各帧组的亮度值；以及

用于调节比特用于显示各帧组的装置，取决于入射到空间光调制器的光强度。

15、根据权利要求14的投影***，其中，调制装置包括对影响空间光调制器的照度的光源的电源进行调节的装置。

16、根据权利要求14的投影***，其中，调制装置包括可变的衰减装置，位于到空间光调制器的光路上。

17、根据权利要求16的投影***，其中，调制装置包括两个反射区域，以及改变其中一个区域反射能力的装置。

18、根据权利要求16的投影***，其中，两个反射装置可相对移动，以及一个改变其效果的装置，以移动相对的区域使所述一个区域被另一个区域遮挡而降低全部的反射。

19、根据权利要求17的投影***，其中，带有可转换反射能力的反射区域是液晶板。

20、根据权利要求14的投影***，其中，空间光调制器是DMD。

21、根据权利要求14的投影***，其中，空间光调制器是LCD。

22、根据权利要求14的投影***，其中，每组包括两个帧。

23、根据权利要求22的投影***，其中，调制装置设置为在两个不同的光强度之间调制，可调节的一对帧上的光强度同时被衰减、不衰减或其中一个帧被衰减而另一个不衰减。

24、根据权利要求14的投影***，其中，投影器***包括用于决定光调制的装置，取决于每个具有大于或低于亮度极值的帧上像素的数量。

25、根据权利要求14的投影***，其中，图像数据信号包括用于决定对每个帧进行光调制的编码，以及投影器***包括响应所述的编码控制光调制的装置。

26、根据权利要求14的投影***，进一步包括一个有效光源用于照射空间光调制器。

27、一种增加投影***动态范围的方法，包括一个由阵列可转换元件构成的空间光调制器，该方法包括：

至少在两个不同光强度之间改变入射到空间光调制器的光强度，在连续的帧组中取决于各帧组的亮度值：

调节用于显示各帧组比特形式的信号，取决于入射到空间光调制器上的光强度；以及

转换空间光调制器的一个元件到”ON”状态，以响应数据信号，如同产生于光源的光射向投影镜头。

28、一种投影***，包括：

一个空间光调制器，包括阵列可转换元件，每个可转换元件可转换到”ON”状态，此时入射到阵列的光直接投射到镜头，以表示图像数据信号的连续帧的比特形式响应数据信号，空间光调制器产生灰阶图像，表示各帧处于脉冲宽度调制的”ON”状态；

用于在两个或更多个光强度之间，改变入射到空间光调制器相邻的帧组中光强度的装置，其中帧组包括至少两个帧，光强度取决于各帧组的亮度值；以及

用于调节比特以显示各帧组的装置，取决于入射到空间光调制器的光强度。

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