在变化的占空度中减少运动模糊

摘要

在例如液晶或发光二极管显示器的非频闪显示器件中，减少显示的图像的运动模糊、闪烁和亮度损失的方法、显示器件和计算机程序产品，其中在显示时间ti期间，显示输入视频信号的每个图像，该显示时间ti小于或等于帧周期T。测量运动和运动特性，且根据该测得的运动和运动特性在0到T之间连续调整显示时间ti。为了在减少显示时间时，降低遇到的亮度的损失和闪烁，对输入视频信号进行反－运动模糊滤波，其中根据所测得的运动和运动特性来共同控制显示时间和滤波的量和种类。

说明书

本发明涉及减少在非频闪显示器件中显示的图像的运动模糊、闪烁和亮度损失的方法，其中在显示时间t_i期间，显示输入视频信号的每个图像，该t_i小于或等于帧周期T。本发明还涉及非频闪显示器件。

例如液晶显示器(LCD)、等离子体平板显示器(PDP)、薄膜晶体管(TFT)显示器、硅上液晶(LCOS)显示器或色彩顺序(ColourSequential)显示器的非频闪非发射型显示器包括，具有用于调制光的图像元素(像素)的行和列的阵列的显示板，用于从前或后侧照亮显示板的装置，以及根据所施加的输入视频信号来驱动像素的驱动装置。非常相似，例如有机发光二极管(O-LED)显示器或聚合物发光二极管(Poly-LED)显示器的非闪烁发射型显示器包括：具有像素(LED)的行和列阵列的显示板，以及用于根据所施加的输入视频信号来驱动像素(LED)的驱动装置。然而，像素(LED)由其自身发射和调制光，而不需要从前、或后侧照明。

在现有技术的阴极射线管(CRT)中，所显示图像的每个像素是作为脉冲产生，所述脉冲相对于帧周期T非常短。与现有技术的CRT不同，在新的平面、高质量、低成本的非闪烁显示器件中，在帧周期的大部分时间每个像素都被显示。当然，一些类型的CRT也拥有这种非闪烁行为，这些CRT的像素，例如慢磷原子，在帧周期中的有效时间是不可忽略的。因此在下列描述中，我们只区分闪烁和非闪烁显示器，并且如果是非闪烁显示器，将使用术语“像素”表示光调制/产生阵列的元件以及CRT型显示器的被激活的(慢)原子。

在显示于非闪烁显示器上的图像的任何部分中都包含运动的情况下，观察者将追踪该运动。由于每个像素基本在整个帧周期显示，显示该运动的像素的强度是沿运动轨道进行如下积分：

$>>>F>out>>>(ver>>x>\to >>,>n>)>>=>>1>>t>i>>>>\int >0>>t>i>>>F>>(ver>>x>\to >>+>>t>T>ver>>D>\to >>,>n>)>>dt>->->->>(>1>)>>>s>$

其中t_i为每一图像的显示时间，F作为输入视频信号，F_out作为输出视频信号，以及T作为帧周期。运动矢量 $>ver>>D>\to >>=ver>>\upsilon >\to >>T>>s>是物体速度和帧周期T的乘积。如果t$_i是常数，该积分与与取样-保持函数h(α)的卷积相同：

$>>>F>out>>>(ver>>x>\to >>,>n>)>>=>>T>>t>i>>>>\int >0>>>t>i>>T>>>F>>(ver>>x>\to >>+>\alpha ver>>D>\to >>,>n>)>>d\alpha >->->->>(>2>)>>>s>$

$>>=>>\int >>->\infty >>\infty >>F>>(ver>>x>\to >>+>\alpha ver>>D>\to >>,>n>)>>·>h>>(>\alpha >)>>d\alpha >>s>$

其中：

$>>h>>(>\alpha >)>>=>\begin{array}{}>>T>/>>t>i>>,>>0>\le >\alpha >\le >>t>i>>/>T>\; >>0>,>>otherwise>\; >\; >->->->>(>3>)>>>s>\end{array}$

是沿运动矢量的方向的1D模块(block)函数。因此，它实际上是2D函数其在线段 $>ver>>x>\to >>=>kver>>D>\to >>,>0>\le >k>\le >>t>i>>/>T>>s>之外是零值，而该2D积分面积被归一化为1。该2D空间傅立叶变换为：$

$>>>F>out>>>(ver>>f>\to >>,>n>)>>=>>\int >>->\infty >>\infty >>>\int >>->\infty >>\infty >>>F>out>>>(ver>>x>\to >>,>n>)>{}^{}>dver>>x>\to >>->->->>(>4>)>>>s>$

$>>=>F>>(ver>>f>\to >>,>n>)>>·>H>>(ver>>f>\to >>)>>>s>$

其中是原始信号的2D空间傅立叶变换，且是的2D空间傅立叶变换：

$>>H>>(ver>>f>\to >>)>>=>>>sin>>(>\pi ver>>D>\to >>>>t>i>>T>ver>>f>\to >>)>>>>\pi ver>>D>\to >>>>t>i>>T>ver>>f>\to >>>>.>->->->>(>5>)>>>s>$

明显地，运动循迹/时间取样-保持特性是在运动方向上使用sinc频率响应以及反比于量的截止频率的低通滤波，其中表示显示的占空度。非频闪光的产生与试图从一个图像到下一个图像的跟随运动物体的观察者的眼睛的追踪相结合，因而导致感觉在图像中有依赖于运动的模糊。当图像中的运动矢量增加时，可以通过减小显示时间t_i(或占空度)以及亮度损失和闪烁增加的缺点，将空间低通滤波器的截止频率保持为常数并因此将感觉到的运动模糊的程度保持为常数。

从US2002/0003522 A1可知，可以通过减小每个图像的显示时间t_i来减轻非频闪显示器件中的运动模糊。可以通过开关照亮显示平板的灯，或通过适当驱动能够阻挡通过显示板的光通量的挡板元件来有效控制光调制显示器中的显示时间。在发射型O-LED或Poly-LED显示器中，甚至可以通过开关LED本身而更简单地控制显示时间。显示时间的减少增加了空间频率域中低通滤波器的截止频率，从而在空间频率域中更少的图像被压缩且发生更少运动模糊。US2002/0003522 A1提出确定一个图像是运动图像还是静止图像。然后，根据二进制确定的基于阈值的结果，例如对于运动图像t_i＝T/2和对于静止图像t_i＝T，将显示时间t_i指定为两个预定值中的一个。

当减少显示时间以减少运动模糊时，通常遇到的缺点是伴随图像亮度的下降。此外，在为期T的帧周期内的显示(t_i)和非显示(T-t_i)周期的出现被观察者感觉为闪烁。运动模糊的减少是以亮度损失和闪烁增加为代价的。

US 2002/0003522 A1提出根据图像是运动图像还是静止图像的二进制确定，来调整显示时间，根据用于确定运动图像和静止图像之间所定义的阈值，导致对具有大量运动的图像和对具有中等运动的图像的相同显示时间的调整，该具有中等运动的图像仅仅大到使得该图像被认为是运动图像的程度。因此尤其对于所述具有接近确定阈值的中等运动量(amount of motion)的图像，到目前为止可以接受与实际需要相比的太多的闪烁和亮度损失。以类似的方式，具有接近确定阈值的、被认为是静止图像的中等运动量的图像，到目前为止与实际需要相比经历了太多运动模糊。

本发明的一个目的是为非频闪显示器件提供改善的运动描绘，同时减少运动模糊、闪烁以及亮度损失。

为了实现本发明的目的，提出了测量输入视频信号的图像中的运动和运动特性，以及根据该测得的运动和运动特性在0～T之间连续调整显示时间t_i。

以这种方式，显示时间只是被较小到一定程度，该程度是有效地抑制运动模糊所不可避免的，并且相对应地，大大减少了闪烁和亮度损失的副作用。

运动量和特性是从运动矢量导出，例如运动矢量的长度和方向arg并可以用于确定显示器的每个像素或像素群。

在闪光的背光的情况下，根据一个共同的被调整的显示时间，来共同开关所有背光。

在扫描背光的情况下，可以根据相对应的像素的运动特性和量，为与一个或多个像素相关的每个背光来调整不同的显示时间，所述一个或多个像素是例如一个或多个被分割的像素的行或列。

类似地，在例如O-LED或Poly-LED显示器的发射型显示器的情况下，既可以根据一个共同的被调整的显示时间来共同开关所有像素(LED)，也可以根据相对应的像素的运动特性和量，调整用于一个或多个像素例如一个或多个被分割的像素的行或列的不同的显示时间。

根据本发明的优选实施例，可以根据显示时间，在非发射型显示器的情况下通过控制显示器的前光或背光的瞬时的光输出，或者在发射型显示器的情况下可以通过控制发光像素(LED)的瞬时光输出，来减轻由于减少显示时间而导致的亮度损失。在发射型显示器的情况下，瞬时光输出定义为在显示器的所有发光像素所进行的平均瞬时光输出。

作为另一个优选实施例，这种控制目的在于，通过要求瞬时光输出和显示时间的乘积为常数，获得前光、背光或发光像素的恒定全部光输出。当减少显示时间时，可以避免亮度损失。

本发明的另一个实施例使用产生前光或后光的驱动器的状态上的信息或发光像素的驱动器上的信息，来改善对依赖于运动的显示时间的控制。用信号通知前光或背光或发光像素的最大或最小瞬时光输出已经到达的驱动器代表了对于显示时间控制的有价值的信息。

所提出的通过调整依赖运动的显示时间来减少运动模糊、闪烁和亮度损失的方法，通过与输入视频信号的反-运动模糊滤波相结合可以被进一步改善。根据测得的运动和运动特性，来共同控制显示时间和滤波的种类和量。由于额外的反-运动模糊滤波，可以使用更大的显示时间来实现运动模糊的抑制，从而产生更少的闪烁和降低的亮度损失。

例如可以通过高空间频率增强滤波器(boosting filter)来实现反运动模糊滤波，所述高空间频率增强滤波器在空间频率域中对依赖运动的低通滤波进行预补偿。根据方程式5，运动量确定所述空间频率域低通滤波器的截止频率。根据测得的视频信号中的运动量，一个适合的空间频率域滤波器可以被施加到输入视频信号，其中通常随着运动量的增加，甚至空间频率更低的输入视频信号也将会被加强。运动矢量的方向上的信息可以被用来控制反-运动模糊滤波器的频率特性的方向。

为了在很少细节或无细节的区域(在这些区域运动矢量可能不可靠)减少不希望的噪声调制，可以在滤波处理中考虑确定高空间频率的输入视频信号的局部图像特性，例如图像细节、图像对比度、图像结构、平均信号值或峰到峰值。此外，通过适当屏蔽或剪裁被滤波的输入视频信号或发生在反-运动模糊滤波过程中的中间信号，可以避免对平面图像区域或具有高对比度细节的区域进行滤波。

本发明的另一个优选实施例使用产生前光或背光的驱动器的状态上的信息或像素驱动器的状态上的信息，例如前光、背光或发光像素的瞬时光输出已经达到最大或最小的信息，以改善依赖运动的对显示时间和反运动模糊滤波的种类和量的共同控制。

然而，本发明的另一优选实施例将输入视频信号的高空间频率特性结合到依赖于运动的对显示时间和反运动模糊滤波的种类和量的共同控制中。这些特性主要包含这样的信息：如何能可靠地进行反运动模糊滤波。

在另一个优选实施例中，将黑色电平、白色峰值、噪声电平、边缘信息、图像细节、图像对比度、图像结构、平均信号值或峰到峰值作为高空间频率特性结合到依赖于运动的对显示时间和反运动模糊滤波的种类和量的共同控制中。

本发明的另一优选实施例，使用反运动模糊滤波过程中获得的信息以改善依赖于运动的对显示时间和滤波的种类和量的共同控制。例如，被滤波的输入视频信号超出显示的动态范围、以及超出被滤波的输入视频信号其本身代表的动态范围的事件频率，表示了只能在滤波期间获得的信息。

本发明的另一优选实施例的特征在于，随着测得的运动量的增加，反运动模糊滤波的量稳定增加直至到达反运动模糊滤波的最大量，并且随着所述测得的运动量的增加，显示时间t_i首先保持为常数，然后稳定减小到帧周期T以下，直至达到最小显示时间。随着测得的运动量的增加，反运动模糊滤波的量增加，直至其引起可视赝像。为了减少闪烁和亮度损失，显示时间的减小被延迟，并且只有更高的测得的运动量才开始减小显示时间。可以通过前光或背光或发光像素的最大光输出能力来确定最小显示时间。

另一个优选实施例的特征在于，只要测得的运动量在第一阈值之下，反运动模糊滤波的量随着测得的运动量的增加而增加，而没有减少显示时间t_i使其小于帧周期T；只要测得的运动量在第一阈值之上且在第二阈值之下，随着测得的运动量的增加，反运动模糊滤波的量保持为常数且显示时间减小；如果测得的运动量在第二阈值之上，显示时间不再减少且反运动模糊滤波的量保持为常数。

随着测得的运动量的增加，为了避免闪烁和亮度损失，显示时间t_i没有减小到帧周期T以下，并且通过增加反运动模糊滤波的量，例如当反运动模糊滤波由高空间频率增强滤波器实现时，通过提高低空间频率来抑制模糊。随着运动进一步增加超出第一阈值，反运动模糊滤波不再能够单独地抑制模糊，因而然后随着增加运动量，减少了显示时间，而反运动模糊滤波的量保持为常数。随着测得的运动量进一步增加而超出第二阈值，显示时间不能再进一步被减少因而被保持为常数，反运动模糊滤波的量也同样如此。

本发明的另一优选实施例描述了第一阈值的定义是，以反运动模糊滤波所导致的可视赝像为标志。

本发明的另一优选实施例将第二阈值与前或背光或发光像素的最大瞬时光输出能力相关联。当显示时间进一步减小而反比于测得的运动量，且测得的运动超过第二阈值时，发生亮度降低。然后所述光和发光像素已经达到它们的最大输出，并且不能再为由减小显示时间所导致的亮度损失进行补偿。在发射型显示器的情况下，为了确定像素的最大瞬时光输出能力，从显示器的所有像素中接收(take over)平均瞬时光输出。

本发明还包括非频闪显示器件，该非频闪显示器件具有在显示时间t_I(小于或等于帧周期T)期间显示输入视频信号的每个图像的装置，其特征在于，提供了测量输入视频信号的图像中的运动和运动特性的装置，以及提供了根据所测量的运动和运动特性在0～T之间连续调整显示时间t_i的装置。

本发明还包括非频闪显示器件，该非频闪显示器件具有在显示时间t_i(小于或等于帧周期T)期间显示输入视频信号的每个图像的装置，其特征在于，提供了测量输入视频信号的图像中的运动和运动特性的装置；提供了一种装置，用于过滤输入视频信号以在输入信号中预补偿观察者的沿运动物体的运动轨迹的像素强度的积分，这可以被解释为在空间频率阈中依赖于运动的低通滤波；以及提供了一种装置，用于根据所测得的运动和运动特性来共同控制该反运动模糊滤波的量和种类以及显示时间t_i。

本发明还包括直接安装到数字计算机的内部存储器内的计算机程序产品，包括当所述产品在计算机上运行时用于执行上述方法步骤的软件代码部分。

通过参考下面将要描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得显而易见。附图中示出了：

图1是具有减少的运动模糊、闪烁和亮度损失的显示系统的第一实施例，

图2示出了该实施例的显示时间和瞬时光输出之间的关系，

图3示出了具有减少的运动模糊、闪烁和亮度损失的显示系统的第二实施例，

图4示出了显示时间与反运动模糊滤波的量和种类之间的关系。

图1描述了根据本发明的第一实施例的依赖于运动的显示时间控制的框图。在运动评估/测量事件3中提取输入视频信号1的图像的运动和运动特性，该输入视频信号1驱动非发射型液晶显示板2的行和列像素，然后该输入视频信号1的图像的运动和运动特性馈至控制事件4，该控制事件4根据测得的或评估的运动和运动特性来调整显示时间t_i。被调整的显示时间然后被输入以闪烁模式(即，所有光被共同开关)、或以扫描模式(即，为单个像素或像素组，例如被分割的像素的行和列，顺序进行光的开关)驱动显示器的前或背光6的光驱动器5中，以便当一个区域中所有像素都达到适当的透射值时，显示板的该区域被照亮。优选光驱动器5根据输入的显示时间来调整瞬时光输出，例如，通过调整反比于显示时间的瞬时光输出来获得恒定的整个光输出的方式。达到最大或最小瞬时光输出能力的消息从驱动器5传递回显示时间控制事件4，以进一步提供关于适当调整显示时间的信息。

图2示意性示出了根据测得的运动的量的前或背光的显示占空度(上图)和瞬时光输出(下图)之间可能的关系。对于低的运动量，不发生运动模糊，且可以使用大的占空度以保持亮度和减小闪烁。在此阶段瞬时光输出可能是低的，但是不一定取其最小值。随着运动量的增加，运动模糊增加，占空度减小，而光的瞬时光输出增加。占空度可以被进一步减小直至达到其实际极限，该实际极限可以由例如光的最大光输出能力确定。

注意，与图2所示的示例性曲线相反，描述占空度的减小和前或背光的瞬时光输出的增加的可能是非线性曲线。

图3描述了根据本发明的第二优选实施例的框图，在该实施例中依赖于运动对非频闪非发射型显示器的显示时间和反运动模糊滤波的量进行共同控制。

从运动评估/测量事件3中提取输入视频信号1的图像的运动和运动特性。同样，从HF评估/测量事件7中提取确定输入视频信号的高空间频率特性的图像特性。

确定的运动量和运动特性以及输入视频信号的高空间频率特性被馈至控制事件4，该控制事件4共同控制反运动模糊滤波的量和种类以及显示时间。

反运动模糊滤波的量和种类上的信息，例如，计算出的滤波系数，然后被传递至反运动模糊滤波器8，该反运动模糊滤波器8滤波输入视频信号1并产生滤过的输入视频信号9。该滤过的输入视频信号9然后驱动显示板2的行和列像素。反运动模糊滤波器8可以实施为高空间频率增强滤波器2，其在跟踪所显示的视频中的运动时，对由观察者所执行的低通滤波操作进行补偿，并且可以呈现为例如有限或无限脉冲响应滤波器的形式。由于超出了显示板的动态范围所导致的滤过的输入视频信号中的信号剪裁上的信息，可以被馈回控制事件4。

由控制事件4计算出的显示时间被传递至光驱动器5，该光驱动器5调整前或背光6的瞬时光输出，并将已经到达最大或最小光输出能力的信息馈回至控制事件4。

图4描述了根据图像复杂性测量的占空度(上图)和反运动模糊滤波(下图)之间可能的关系。该图像复杂性测量包括运动量和运动特性，运动的复杂性(指当在具有多样的运动的图像中，存在不同区域时的情况)、噪声的量、滤过的输入视频信号的剪裁的水平(在高对比度的情况下是关键的)、高频详示的图像和/或高运动以及由反运动模糊滤波引入的赝像的量。

从方程式5，明显地，如果运动很少或实际上乘积小，则产生的运动模糊就不严重。然后可以进行反运动模糊滤波，而不引入太多赝像。如果运动增加或如果运动复杂，就出现某一点，在该点反运动模糊滤波引入可视赝像。在该点(在图4中由阈值1标出)以前，优选将占空度保持得尽可能的大，以保持图像亮度并且消除闪烁。当图像复杂性超出此阈值1时，单独的反运动模糊滤波不再能处理图像模糊，这是因为引入的可视赝像将会变得更差。从那时起，通过反运动模糊滤波和减小占空度来执行图像模糊的组合减小。这可以通过与运动的增加成比例的方程式5中的占空度减小来实现。当通过高空间频率增强来进行反运动模糊滤波时，滤波的量取决于引起运动模糊的空间频率低通滤波器的截止频率，且与乘积成反比。通过与运动的增加成比例地减小占空比，反运动模糊滤波的量(例如，增强开始处的截止频率)以及因此引入的可视赝像的量保持不变。

随着图像复杂性的进一步增加，占空度可以进一步减小，直至达到图4中的阈值2处的其实际极限。该阈值2可以由所述光的最大瞬时光输出能力标记，如图4的上图中的恒定占空度所示。进一步减小占空度而超过阈值2则将导致亮度降低，当优先考虑的是消除图像模糊时，这一点是可以接受的。如图4中的下图所示，即使占空度已经达到最小，超过阈值2的反运动模糊滤波的量保持相同，即当计算反运动模糊滤波系数时，假设占空度进一步减小，以便乘积保持恒定。

注意，图4中描述的占空度和反运动模糊滤波的量的曲线应被理解为，用于共图控制占空度和反运动模糊滤波的一个可能的实例。这些曲线的线性形状以及图像复杂性轴被具体分割成三部分(由阈值标记)都不是必须的。例如，可以想象，如图4，开始于占空度1且结束于最小占空度的非线性曲线，但是在到达阈值1之前开始下降到占空度1之下，在阈值1和阈值2之间由拐点，且表现出超过阈值2的占空度的进一步减小。相当类似，用于反运动模糊滤波的量的曲线可以开始于0，且平滑地到达滤波的最大量的值，而不受阈值1和2的影响。