一種數(shù)字微鏡分步交織復(fù)位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于顯示圖像的微鏡器件DMD復(fù)位領(lǐng)域，是一種數(shù)字微鏡分步交織復(fù) 位方法?？捎糜贒LP微型投影機(jī)、DLP影院、以及DLP三維智能打印，尤其適用于4K*2K、 8K*4K等尚清顯不。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)字光處理技術(shù)（DLP)是目前數(shù)字顯示領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)。依靠其在分辨率、亮 度、對(duì)比度等方面的優(yōu)異表現(xiàn)，數(shù)字光處理技術(shù)已被廣泛運(yùn)用在各個(gè)場(chǎng)合的大屏幕投影設(shè) 備上，成為了市場(chǎng)的主力軍。數(shù)字光處理技術(shù)的基本原理是將光源產(chǎn)生的光束通過(guò)一個(gè)高 速旋轉(zhuǎn)的色輪濾波后產(chǎn)生出顏色，投射在數(shù)字微鏡器件（DMD)上，經(jīng)過(guò)反射產(chǎn)生灰度后再 通過(guò)光學(xué)透鏡投影，最終在大屏幕上成像。
[0003] 數(shù)字微鏡器件（DMD)是數(shù)字光處理技術(shù)的核心器件。它可以被理解為一個(gè)反射式 空間光調(diào)制器，其輸入信號(hào)與輸出信號(hào)都是光信號(hào)，利用反射鏡面的翻轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)的 "開(kāi)"、"關(guān)"狀態(tài)即對(duì)應(yīng)了二進(jìn)制的1、〇。當(dāng)數(shù)字微鏡器件處于"開(kāi)"態(tài)時(shí)，光通過(guò)鏡面反射 進(jìn)入投影透鏡被投影到屏幕上，畫(huà)面顯示為亮；當(dāng)其處于"關(guān)"態(tài)時(shí)，微鏡通過(guò)翻轉(zhuǎn)將入射光 線反射到光吸收器內(nèi)被其吸收掉，畫(huà)面為暗。
[0004] 數(shù)字微鏡器件是由與投影畫(huà)面像素相同數(shù)量的數(shù)字微鏡單元組成的矩陣，每個(gè)微 鏡單元受信號(hào)獨(dú)立控制，通過(guò)二進(jìn)制脈沖寬度調(diào)制可以實(shí)現(xiàn)不同的圖像灰度。
[0005] 視頻處理電路將接收到的每個(gè)顏色分量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成比特面（bit-planes)的形 式（即一幅圖像中所有像素的相同比特位組成的比特平面），每個(gè)比特都有權(quán)重，權(quán)重代表 該比特面顯示的時(shí)間長(zhǎng)度，顯示時(shí)間是以時(shí)間片（slice)為單位的，最低比特面顯示時(shí)間 片最少，最高比特面顯示時(shí)間片最多。在一幀圖像時(shí)間內(nèi)將固定的顯示時(shí)間按照權(quán)重比例 分配給每個(gè)比特面，讓這些比特面依次顯示。比特面中的數(shù)字" 1"表示將微鏡置于"開(kāi)"狀 態(tài)，數(shù)字"0"表示將微鏡置于"關(guān)"狀態(tài)。同一面微鏡經(jīng)過(guò)比特面控制不斷地被打開(kāi)和關(guān) 閉，當(dāng)所有比特面都顯示過(guò)后，人眼視覺(jué)系統(tǒng)將微鏡處于開(kāi)狀態(tài)的時(shí)間積分起來(lái)，最終形成 的光線強(qiáng)度與該像素處的視頻值成正比。
[0006] 顯示比特面時(shí)，DMD采用了加載-復(fù)位法。當(dāng)載入數(shù)據(jù)時(shí)，微鏡狀態(tài)保持不變，當(dāng) 這個(gè)比特面中所有數(shù)據(jù)都加載完畢后，需要進(jìn)行復(fù)位操作，此時(shí)微鏡才根據(jù)載入的內(nèi)容改 變狀態(tài)。
[0007]目前數(shù)字微鏡復(fù)位方法有全局復(fù)位（global reset)、分步復(fù)位（phased reset)兩 種：
[0008] 全局復(fù)位是指所有單元都同時(shí)加載、同時(shí)復(fù)位。在全局模式中數(shù)據(jù)加載時(shí)間可以 表示為^d=忐-諉，其中TR為DMD數(shù)據(jù)最高傳輸速率、MR為微鏡分辨率、DW為數(shù)據(jù)帶 寬。在顯示最低位時(shí)，加載時(shí)間與復(fù)位時(shí)間之和必須小于單位時(shí)間片，因此數(shù)據(jù)帶寬對(duì)顯示 精度產(chǎn)生了限制。雖然德州儀器公司一度用"清零復(fù)位"法解決了這個(gè)問(wèn)題，但由于黑屏段 的加入，光利用率明顯降低了，對(duì)圖像亮度產(chǎn)生了影響。
[0009] 分步復(fù)位將比特面水平的分為幾個(gè)復(fù)位組，每一組都是獨(dú)立的進(jìn)行加載和復(fù)位。 在執(zhí)行復(fù)位操作時(shí)同一時(shí)間只有一個(gè)組能加載數(shù)據(jù)，因此在其它參數(shù)不變的情況下，其加 4 %fS 載時(shí)間就是全局復(fù)位的N分之一，即= N為分組的個(gè)數(shù)。在加載時(shí)間不變 的情況下，分步復(fù)位的數(shù)據(jù)最高傳輸速率即可以減少為全局復(fù)位的N分之一。但其缺點(diǎn)也 非常明顯，它會(huì)產(chǎn)生塊效應(yīng)，即在顯示圖像上能明顯的觀察到邊界上的亮度不一致，畫(huà)面出 現(xiàn)明顯的分塊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提出的一種數(shù)字微鏡分步交織復(fù)位方法， 在微鏡分辨率、數(shù)據(jù)帶寬不變，且保證圖像亮度的前提下，能顯著降低數(shù)據(jù)最高傳輸速率、 提高帶寬利用率，并能有效減少塊效應(yīng)。
[0011] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術(shù)方案是：
[0012] 一種數(shù)字微鏡分步交織復(fù)位方法，該方法包括以下具體步驟：
[0013] a)將R行C列與投影畫(huà)面像素相同數(shù)量的微鏡單位構(gòu)成的微鏡陣列，以行為單位 劃分成N組，每組包含R/N行，其中N為2的冪次方；
[0014] b)對(duì)各組以行為單位進(jìn)行排序，使相鄰的行不被分配在同一組中；
[0015] c)在一位比特面進(jìn)行顯示時(shí)，同一時(shí)間內(nèi)只有一組能夠被加載或復(fù)位；依次對(duì)各 組進(jìn)行加載、復(fù)位操作，驅(qū)動(dòng)微鏡根據(jù)加載數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換；通過(guò)人眼的積分效應(yīng)，顯示 出這一比特面的圖像；
[0016] d)利用幀分割（bit-splitting)技術(shù)，將高權(quán)重子場(chǎng)的顯示時(shí)間分割成多個(gè)較短 的時(shí)間，然后與其它比特面相互打亂順序顯示出來(lái)。利用幀分割技術(shù)后PWM的亮暗轉(zhuǎn)換速 率得到提高，增加了均勻性，能進(jìn)一步減輕塊效應(yīng)。
[0017] 與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0018] (1)、與全局復(fù)位法相比，該方法在微鏡分辨率、數(shù)據(jù)帶寬不變，且不降低顯示亮度 的情況下，顯著降低數(shù)據(jù)最高傳輸速率、提高帶寬利用率、有效增加顯示精度，降低了硬件 設(shè)計(jì)的成本，同時(shí)適用的數(shù)字微鏡器件范圍也更廣；
[0019] (2)、與分步復(fù)位法相比，該方法在保證微鏡分辨率、數(shù)據(jù)帶寬、數(shù)據(jù)最高傳輸速率 不變的情況下，能有效減輕塊效應(yīng)、改善圖像視覺(jué)效果。
[0020] 本發(fā)明能夠在不降低光利用率的前提下，顯著降低數(shù)據(jù)傳輸速率、減少所需帶寬， 同時(shí)有效減少塊效應(yīng)，且具有較強(qiáng)的可行性及廣泛的適用性，在4K*2K、8K*4K等高清顯示 領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)更加明顯。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1為數(shù)字微鏡器件的工作原理示意圖；
[0022] 圖2為二進(jìn)制脈寬調(diào)制示意圖，圖中：□為微鏡處于"開(kāi)"態(tài)；為微鏡處于"關(guān)" 態(tài)；
[0023] 圖3為數(shù)字微鏡驅(qū)動(dòng)流程圖；
[0024] 圖4為本發(fā)明分步交織復(fù)位法微鏡陣列分組示意圖；
[0025]圖5為本發(fā)明分步交織復(fù)位法微鏡陣列具體分組示意圖；
[0026]圖6為本發(fā)明數(shù)據(jù)加載復(fù)位時(shí)序圖，圖中：〇；為加載J為復(fù)位；
[0027] 圖7為本發(fā)明幀分割示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 參閱圖1，圖1為數(shù)字微鏡器件的工作原理示意圖。微鏡有"開(kāi)"、"關(guān)"和"平"三個(gè) 狀態(tài)，器件不工作時(shí)微鏡處于"平"的狀態(tài)；當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為"1"時(shí)，微鏡處于"開(kāi)"狀態(tài)（向右 傾斜12° )，光源的光線被鏡面反射后正好經(jīng)過(guò)透鏡被投射出去，在屏幕上形成一個(gè)亮點(diǎn)； 當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為"〇"時(shí)，微鏡處于"關(guān)"狀態(tài)（向左傾斜12° )，光線被吸收器吸收，屏幕上顯 示一個(gè)黑點(diǎn)。
[0029]參閱圖2,圖2為二進(jìn)制脈寬調(diào)制示意圖。圖像灰度等級(jí)是由二進(jìn)制脈寬調(diào)制產(chǎn) 生的，通過(guò)PWM脈沖來(lái)控制各像素單元"開(kāi)"、"關(guān)"的時(shí)間長(zhǎng)短，并且利用了人眼視覺(jué)暫留把 多個(gè)數(shù)字光脈沖整合成完整的圖像，可以實(shí)現(xiàn)很高等級(jí)灰度劃分。用4bit的PWM脈沖可以 表示2 4個(gè)灰度等級(jí)，這四位二進(jìn)制數(shù)的權(quán)重與狀態(tài)保持時(shí)間的長(zhǎng)短成正比。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為 "1111"、"1001"、"0110"、"0000"時(shí)，其對(duì)應(yīng)的灰階即為15、9、6、0。
[0030]參閱圖3,圖3為數(shù)字微鏡驅(qū)動(dòng)流程圖。在接收到一幀圖像的數(shù)據(jù)后，將每個(gè)顏色 分量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成比特面的形式，即所有像素的相同比特位組成的比特平面。在顯示一位 比特面時(shí)，先將數(shù)據(jù)加載至微鏡上，再對(duì)微鏡進(jìn)行復(fù)位操作，在微鏡進(jìn)行復(fù)位后才會(huì)根據(jù)載 入數(shù)據(jù)改變狀態(tài)，顯示出這一比特面的圖像。依次對(duì)各比特面進(jìn)行加載復(fù)位操作，通過(guò)人眼 的積分效應(yīng)，最終顯示出這一幀圖像。
[0031] 實(shí)施例
[0032] 本發(fā)明為一種數(shù)字微鏡分步交織復(fù)位方法，包括如下步驟：
[0033] a)將R行C列與投影畫(huà)面像素相同數(shù)量的微鏡單位構(gòu)成的微鏡陣列，以行為單位 劃分成N組，每組包含R/N行，其中N為2的冪次方。數(shù)字微鏡器件按照分辨率的不同，可 分為1920x1080、1024x768、1280x720等等。本實(shí)施例中將1080行1920列微鏡單元以行為 單位分為8組，每組包含了 135行（1080/8)。
[0034] b)對(duì)各組以行為單位進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐判?，使相鄰的行不被分配在同一組中。在本實(shí) 施例中每隔八行進(jìn)行交錯(cuò)排序，即第一組包括1、8、16、…、1072行，第二組包括1、9、17、…、 1073行，第三組包括3、10、18、~、1074行，依次類(lèi)推，如圖4所示。其中左側(cè)為顯示數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)圖，右側(cè)為顯示像素圖。圖5在陣列中更具體的展示了其分組情況。
[0035] c)在一位比特面進(jìn)行顯示時(shí)，同一時(shí)間內(nèi)只有一組能夠被加載或復(fù)位。依次對(duì)各 組進(jìn)行加載、復(fù)位操作，驅(qū)動(dòng)微鏡根據(jù)加載數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。通過(guò)人眼的積分效應(yīng)，顯示 出這一比特面的圖像，如圖6所示，其中為了避免數(shù)據(jù)載入沖突，比特面0的加載操作要提 刖。
[0036] d)利用幀分割（bit-splitting)技術(shù)，將高權(quán)重子場(chǎng)的顯示時(shí)間分割成多個(gè)較短 的時(shí)間，然后與其它比特面相互打亂順序顯示出來(lái)，如圖7所示。利用幀分割技術(shù)后PWM的 亮暗轉(zhuǎn)換速率得到提高，增加了均勻性，能進(jìn)一步減輕塊效應(yīng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種數(shù)字微鏡分步交織復(fù)位方法，其特征在于該方法包括以下具體步驟： a) 將R行C列與投影畫(huà)面像素相同數(shù)量的微鏡單位構(gòu)成的微鏡陣列，以行為單位劃分 成N組，每組包含R/N行，其中N為2的冪次方； b) 對(duì)各組以行為單位進(jìn)行排序，使相鄰的行不被分配在同一組中； c) 在一位比特面進(jìn)行顯示時(shí)，同一時(shí)間內(nèi)只有一組能夠被加載或復(fù)位；依次對(duì)各組進(jìn) 行加載、復(fù)位操作，驅(qū)動(dòng)微鏡根據(jù)加載數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換；通過(guò)人眼的積分效應(yīng)，顯示出這 一比特面的圖像； d) 利用幀分割技術(shù)，將高權(quán)重子場(chǎng)的顯示時(shí)間分割成多個(gè)較短的時(shí)間，然后與其它比 特面相互打亂順序顯示出來(lái)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種數(shù)字微鏡交織分步復(fù)位方法，通過(guò)將微鏡陣列劃分為幾個(gè)獨(dú)立控制的組，再以行為單位重新進(jìn)行排序后，按組對(duì)微鏡進(jìn)行分時(shí)復(fù)位操作，驅(qū)動(dòng)微鏡根據(jù)輸入數(shù)據(jù)完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換，最終進(jìn)行顯示。本發(fā)明能夠在微鏡分辨率、數(shù)據(jù)帶寬不變，且不降低光利用率的前提下，顯著降低數(shù)據(jù)最高傳輸速率、提高帶寬利用率，同時(shí)有效減少DMD投影顯示中的塊效應(yīng)，具有較強(qiáng)的可行性及廣泛的適用性。在超高清4K*2K、8K*4K投影顯示應(yīng)用中，本發(fā)明優(yōu)勢(shì)更加明顯。
【IPC分類(lèi)】H04N9-31, G02B26-08
【公開(kāi)號(hào)】CN104735432
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510102698
【發(fā)明人】劉一清, 楊健樂(lè), 王淑仙
【申請(qǐng)人】華東師范大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2015年3月9日