способ формирования цвета пикселя

Формула изобретения

1. Способ формирования цвета пикселя, содержащего три подпикселя различной цветности и яркости, каждый из подпикселей характеризуется известным максимальным значением векторного сигнала цвета Y _max,i, заключающийся в том, что принимают входной векторный сигнал цвета пикселя F_, выбирают векторный сигнал цвета каждого подпикселя Y_i так, чтобы компоненты этого векторного сигнала не превосходили входной векторный сигнал цвета F_i и максимальное значение векторного сигнала цвета Y_max,i этого подпикселя, отличающийся тем, что в пиксель дополнительно устанавливают произвольное число подпикселей различной цветности и яркости, измеряют зависимость векторного сигнала цвета Y_i каждого подпикселя от управляющего сигнала I_i, устанавливают приоритеты между подпикселями, последовательно от наиболее приоритетного к менее приоритетному подпикселю вычитают из входного векторного сигнала цвета подпикселя F_i выбранный векторный сигнал цвета Y_i подпикселя и используют результат F в качестве входного векторного сигнала цвета для следующего подпикселя F_i+1, в качестве входного векторного сигнала цвета первого подпикселя F₁ используют входной векторный сигнал цвета пикселя F, выбор управляющих сигналов I_i подпикселей производят с учетом зависимости векторного сигнала цвета каждого подпикселя от управляющего сигнала Y_i (I_i) и так, чтобы сумма векторных сигналов цвета Y _i всех подпикселей стремилась ко входному векторному сигналу пикселя F.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при наличии группы равноприоритетных подпикселей входной векторный сигнал цвета внутри группы распределяют по установленному правилу, а в качестве входного векторного сигнала цвета следующего после группы подпикселя используют разность между входным сигналом цвета группы подпикселей F_гр. и суммой выбранных векторных сигналов цвета Y_i группы подпикселей.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что выбирают максимальным векторный сигнал цвета для каждого подпикселя Y_i.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что многократно повторяют выбор векторных сигналов цвета Y_i, всех подпикселей, возвращаясь от наименее приоритетного подпикселя к наиболее приоритетному и увеличивая каждый раз модуль векторного сигнала цвета Y_i на выбранный шаг дискретизации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к схемам и устройствам управления визуальными матричными индикаторами, в которых цвет пикселя формируется из разноцветных подпикселей, выполненных из светодиодов, жидкокристаллических и других элементов. Способ может быть использован в различных устройствах визуализации изображений, системах освещения и т.п., в которых пиксели содержат множество подпикселей с произвольным спектром.

Известен [1], стр.9-10, способ формирования цвета пикселя, содержащего три подпикселя базовых цветов (RGB), каждый из которых характеризуется известным максимальным значением цвета Y_max,i, , заключающийся в том, что принимают входной векторный сигнал цвета пикселя F, выбирают вектор цвета каждого подпикселя Y _i равным компонентам входного векторного сигнала цвета пикселя.

В основу этого способа положена классическая идея формирования цвета пикселя за счет трех базовых подпикселей красного (R), зеленого (G), синего (В). Изменяя яркость подпикселей, можно добиться желаемых цветности и яркости пикселя. Линейно-независимая система RGB широко применяется как при формировании цветных изображений в телевидении, компьютерной технике, фотографии, так и в самих средствах отображения: электронно-лучевых трубках (ЭЛТ), жидкокристаллических (ЖК) мониторах, фотобумаге и т.п.

Недостатком этого способа являются ограниченные функциональные возможности, связанные с тем, что он применим только при наличии трех подпикселей "чистой" цветности R, G и В.

Наиболее близким к заявляемому является способ [2] формирования цвета пикселя, содержащего три подпикселя различной цветности и яркости, каждый из которых характеризуется известным вектором максимального значения цвета Y_max,i , , заключающийся в том, что принимают входной векторный сигнал цвета пикселя F, выбирают векторный сигнал цвета каждого подпикселя Y_i так, чтобы компоненты этого вектора не превосходили входной сигнал цвета F_i и максимальное значение цвета Y_max,i этого подпикселя.

В этом способе пиксель жидкокристаллической панели помимо базовых цветов RGB содержит один дополнительный - яркостный белый подпиксель W, который позволяет повысить яркость изображения. Белый цвет достаточно часто оказывается существенным компонентом изображений, поэтому его применение вполне оправдано. Реализация данного способа заключается в том, что для нормированных сигналов RGB (фиг.1А) определяют минимальный уровень (в данном случае G), что соответствует уровню W - белого цвета. Сигнал W подают на белый подпиксель, а цвет остальных подпикселей не меняют. В результате (фиг.1В) яркость пикселя повышается при сохранении цветности.

Недостатками данного способа являются ограниченная область применения, которые заключаются в следующем:

- Способ не учитывает нелинейность зависимости яркости подпикселей от управляющего сигнала, что приводит к цветовым искажениям.

- Способ применим по входным сигналам пикселя, представленным только в базисе RGB, в то время как во многих применениях более удобны другие базисы.

- Способ применим только при наличии RGB подпикселел, в то время как во многих случаях, например, при использовании светодиодов трудно, а иногда нецелесообразно получить "чистые" RGB цвета. При произвольном цвете подпикселей задача разделения входного сигнала между подпикселями не имеет очевидного решения.

- Способ применим только при 3-х (RGB) или 4-х (RGBW) подпикселях. В случае применения светодиодов, например, для больших индикационных панелей количество подпикселей может достигать десятков.

- Способ не учитывает стоимость изготовления и затраты на эксплуатацию подпикселей. Действительно, при изготовлении ЭЛТ и ЖКИ индикаторов различия в стоимости изготовления и эксплуатации этих элементов незначительны. При исполнении подпикселей из дискретных элементов эти различия могу оказаться существенными.

Задача, решаемая в заявляемом способе, состоит в повышении качества отображения цвета пикселя при различных способах задания входной информации, произвольном количестве и сочетании цветов подпикселей, а также в снижении стоимости изготовления и эксплуатации элементов отображения.

Для решения указанной задачи по п.1 формулы изобретения в способе формирования цвета пикселя, содержащего три подпикселя различной цветности и яркости, каждый из которых характеризуется известным максимальным значением векторного сигнала цвета Y_max,i, , заключающийся в том, что принимают входной векторный сигнал цвета пикселя F, выбирают векторный сигнал цвета каждого подпикселя Y_i так, чтобы компоненты этого векторного сигнала не превосходили входной векторный сигнал цвета F_i и максимальное значение векторного сигнала цвета Y_max,i этого подпикселя, в пиксель дополнительно устанавливают произвольное число подпикселей различной цветности и яркости, измеряют зависимость векторного сигнала цвета Y_i каждого подпикселя от управляющего сигнала I_i, устанавливают приоритеты между подпикселями, последовательно от наиболее приоритетного к менее приоритетному вычитают из входного векторного сигнала цвета подпикселя F_i выбранный векторный сигнал цвета Y_i подпикселя и используют результат F _i в качестве входного векторного сигнала цвета для следующего подпикселя F_i+1, в качестве входного векторного сигнала цвета первого подпиксела F_i используют входной векторный сигнал цвета пикселя F, формирование управляющих сигналов I_i, подпикселей производят с учетом зависимости векторного сигнала цвета каждого подпикселя от управляющего сигнала Y_i (I_i) и так, чтобы сумма векторных сигналов цвета Y _i всех подпикселей стремилась ко входному векторному сигналу пикселя F.

По пункту 2 формулы изобретения в способе по п.1, при наличии группы равноприоритетных подпикселей, входной векторный сигнал цвета внутри группы распределяют по установленному правилу, а в качестве входного векторного сигнала цвета следующего после группы подпикселя используют разность между входным сигналом цвета группы подпикселей F_гр. и суммой выбранных векторных сигналов цвета Y_i группы подпикселей.

По пункту 3 формулы изобретения в способе по п.п.1, 2 для каждого подпикселя выбирают максимальным векторный сигнал цвета Y_i.

По пункту 4 формулы изобретения в способе по п.п.1, 2 многократно повторяют выбор векторов цвета Y_i, всех подпикселей, возвращаясь от наименее приоритетного подпикселя к наиболее приоритетному и увеличивая каждый раз модуль векторного сигнала цвета Y_i на выбранный шаг дискретизации.

В основу заявляемого способа положены следующие соображения. В последние годы существенно возрос интерес к светодиодам. Эти приборы обладают высокой надежностью (время работы до сотен тысяч часов), что позволяет создавать на их основе долговечные приборы освещения и отображения информации, не нуждающиеся в ремонте. Такие устройства могут быть встроены в стены, полы и другие капитальные объекты. Вместе с тем, ограниченная яркость, трудность создания светодиодов заданной цветности, а также существенная нелинейность зависимости яркости от управляющего сигнала (тока I) создают определенные проблемы с их использованием для создания высококачественных цветных изображений и освещения. В этих условиях приходится использовать пиксели, состоящие не из традиционных "чистых" подпикселей RGB или W цветов, а из подпикселей, имеющих произвольный цвет и с ограниченными возможностями по яркости. Однако даже в этом случае подпиксели должны образовывать линейно-независимую систему, обеспечивающую получение любой яркости и цветности пикселя. При светодиодном выполнении пикселя для достижения заданных показателей яркости и цветности может потребоваться значительно большее количество подпикселей, чем применяющееся в аналогах. Стоимость светодиодов разных яркостей и цветностей и их энергетическая эффективность существенно различны, что позволяет найти наиболее выгодный вариант реализации и применения.

Под цветностью обычно понимают обобщенную характеристику спектра излучения пикселя, ассоциированную с доминирующей длиной волны и выражаемую координатами точки в заданной единичной плоскости цветового трехмерного пространства, например, координатами (х,у) в системе XYZ МКО [3]. Под яркостью обычно понимают амплитудное значение светового излучения при заданной цветности. Под вектором цвета пикселя или подпикселя будем понимать совокупность параметров, характеризующих цветность и яркость. Вектор цвета обычно представляется в виде его координат в 3-мерном ортогональном базисе и состоит из соответствующего числа компонент, задающих вектор в этом базисе. Базис должен быть линейно-независимым, обеспечивающим возможность получения произвольных значений яркости и цветности. Кроме того, если базис ортогональный, то решение проблемы формирования заданного цвета упрощается. В таком базисе задается желаемый цвет пикселя, а также характеристики светоизлучающих элементов - подпикселей [1], стр.9-14. В качестве такого базиса могут выступать различные системы параметров. В частности, помимо широко распространенного базиса RGB, применяются системы CMY, CMYK, Lab и другие. Система CMY - субстрактивная, в которой в качестве параметров цвета задаются компоненты, получающиеся в результате вычитания из белого W компонент RGB, т.е. C=(W-R), M=(W-G) и K=(W-B). В системе CMYK к этим компонентам добавлен черный (black) цвет - К. В системе Lab яркость отделена от цветности, а цвет характеризуется яркостью L и двумя цветовыми составляющими: а - параметром, изменяющимся от зеленого до красного, и b - от синего до желтого. Выбор конкретного базиса осуществляется в зависимости от удобства технической реализации.

Большинство технических и программных систем формируют цвет пикселя для устройства отображения в одном из традиционных линейно-независимых и ортогональных базисов (x,y,z), фиг.2, например, RGB. В результате входной векторный сигнал цвета F поступает в пиксель в виде трех координат (x,y,z), показывающих положение требуемого цвета в выбранном базисе.

Пиксель образуют несколько подпикселей разной цветности и яркости, например, исполненных на основе светодиодов. Если цвета подпикселей совпадают с базисом RGB, как это имеет место в аналоге и прототипе, то проблем с попаданием в заданную точку F нет. Если цвет подпикселя не совпадает ни с одной из координат (x,y,z), то его свойства могут быть заданы в этом базисе, как векторная функция Y(I), которая показывает, как цвет подпикселя зависит от входного сигнала (тока) I, а также максимальные возможности данного подпикселя Y_max. Входной сигнал I выступает как параметр функции Y. Функции Y(I) всех подпикселей образуют совокупность векторных функций. Таким образом, возникает ситуация, когда имеется линейно-независимый ортогональный базис (x,y,z), в котором задан желаемый цвет (вектор) F и совокупность векторных функций цвета подпикселей Y_i(I) , заданных в базисе (x,y,z). Функции Y_i(I) образуют базис размерности n. Задача отображения цвета состоит в том, чтобы подобрать для каждого i-го подпикселя такое значение управляющего сигнала I_i так, чтобы сумма векторов Y_i(I_i) совпала с (приблизилась к) F, фиг.3. В математическом смысле эта проблема является задачей математического программирования, которая имеет достаточно сложное и трудоемкое точное решение при условии линейной независимости векторов Y _i(i) при любых значениях I. Задача еще более осложняется, если размерность базиса Y_i(I) велика. Однако можно получить ее приближенное решение, используя соответствующие методы.

Одним из наиболее простых приближенных (квазиоптимальных) является способ, в соответствии с которым на каждом шаге векторы Y_i(I) выбираются максимальными, но не превосходящими F_i и Y_max,i ни по одной из координат базиса. Эта процедура повторяется от наиболее приоритетного подпикселя к наименее приоритетному. Такой алгоритм наиболее прост, быстр и эффективен, если компоненты Y_i (I_i) близки к базису или, если число подпикселей велико. Однако в результате его применения может возникнуть ошибка, которая зависит в основном от того, насколько Y_i(I_i ) соответствуют ортогональному базису.

Вторым приближенным способом является последовательное, в соответствии с приоритетами, увеличение модулей Y_i(I_i) с выбранным шагом, возвращаясь от наименее приоритетного подпикселя к наиболее приоритетному. В результате ошибка приближения может не превышать выбранный шаг.

Существенные отличия заявляемого способа по сравнению с аналогами характеризуют следующие признаки.

В пиксель дополнительно устанавливают произвольное число подпикселей различной цветности и яркости. Общее число подпикселей может составлять от 3 до произвольного числа n. В результате заявляемый способ применим при любом числе подпикселей. Дополнительные подпиксели позволяют, например, расширить динамический диапазон яркости пикселя, т.е. добиться произвольной яркости за счет параллельной работы нескольких одноцветных подпикселей. Кроме того, появляется возможность управлять цветом внутри пикселя, обеспечивая равномерное свечение, концентрацию свечения у центра, периферии и другие варианты. Таким образом, заявляемый способ применим при любом числе подпикселей.

В прототипе помимо трех обычных RGB подпикселей установлен только один яркостный подпиксель - W. Большее количество подпикселей не может использоваться принципиально из-за особенностей способа [2].

Измеряют зависимость вектора цвета Y_i каждого подпикселя от управляющего сигнала I_i. Как уже отмечалось, для светодиодов эта зависимость существенно нелинейна, и при выборе управляющего сигнала I учет этой зависимости необходим для улучшения цветопередачи.

В прототипе указанная нелинейность не учитывается.

Устанавливают приоритеты между подпикселями. Приоритеты позволяют выбрать наилучшую, например, с энергетической точки зрения последовательность выбора вектора цвета Y_i. Это позволяет сократить энергопотребление пикселя, т.е. улучшить световую отдачу. Например, если пиксель состоит из четырех светодиодов RGBW, то энергетически выгоднее засветить один белый светодиод, чем добиваться того же уровня яркости, применяя сочетание трех светодиодов RGB. В этом случае белый светодиод назначается наиболее приоритетным, а остальные - в произвольной последовательности. При построении светодиодного прожектора, содержащего множество (десятки) светодиодов, излучатели, расположенные ближе к оптической оси прибора, должны быть более приоритетными по отношению к периферийным, поскольку обеспечивают лучшие условия прохождения света через отражатели и линзы.

В прототипе все подпиксели равны по приоритетам.

Последовательно от наиболее приоритетного к менее приоритетному вычитают из входного векторного сигнала цвета подпикселя F_i выбранный вектор цвета Y_i подпикселя и используют результат F в качестве входного векторного сигнала цвета для следующего подпикселя F_i+1, в качестве входного векторного сигнала цвета первого подпикселя F₁ используют входной векторный сигнал цвета пикселя F. Такой подход (фиг.3) позволяет постепенно приблизить вектор цвета пикселя Y={Y₁,Y₂ ,...,Y_n} к желаемому входному вектору цвета F. Причем сначала параметры вектора цвета F стараются удовлетворить за счет более приоритетных подпикселей. На долю менее приоритетных подпикселей остается лишь остаток, не реализованный предшествующими. В результате в наибольшей степени задействованными оказываются приоритетные подпиксели, что позволяет снизить стоимость эксплуатации, например энергопотребление.

В прототипе подпиксели взаимонезависимы и необходимости в установлении приоритетов нет.

Формирование управляющих сигналов I_i, подпикселей производят с учетом зависимости вектора цвета каждого подпикселя от управляющего сигнала Y_i(I_i ). В результате этой процедуры нужно получить сигнал I_i (ток, который надо подать в i-й подпиксель), являющийся нелинейной обратной функцией цвета подпикселя I(Y_i) и известной в результате измерений, описанных выше. Эта процедура позволяет скомпенсировать нелинейную зависимость цвета подпикселя от управляющего сигнала I_i, и за счет этого адекватно отобразить цвет подпикселя. Таким образом, пиксель оказывается независимым от индивидуальных особенностей подпикселей. Нелинейность подпикселей учитывается в его устройстве управления, и не требуется предварительного преобразования входного векторного сигнала F в какую-либо форму. Такой прием позволяет получить высокое качество отображения и использовать пиксель (матрицу пикселей) при обычных входных сигналах.

В прототипе указанная нелинейность излучающих свойств подпикселя не учитывается.

Выбор векторных сигналов цвета подпикселей Y_i выполняют так (фиг.3), чтобы их суммарное значение стремилось ко входному векторному сигналу пикселя F. Этот признак означает, суммарный сигнал цветов Y_i всех подпикселей должен быть как можно ближе ко входному сигналу пикселя F.

В аналоге [1] три компоненты (RGB) входного векторного сигнала пикселя F подаются на соответствующие подпиксели. В результате суммарный выходной сигнал подпикселей RGB совпадает с входным F, так что этот признак в заявляемом способе и аналоге совпадает. В прототипе [2] формируется дополнительный сигнал яркости W, в результате выходной суммарный сигнал RGBW оказывается большим, чем F, но при сохранении цветности.

По п.2. формулы признак: при наличии группы равноприоритетных подпикселей входной векторный сигнал цвета внутри группы распределяют по установленному правилу, а в качестве входного векторного сигнала цвета, следующего после группы подпикселя, используют разность F _гр между входным сигналом цвета группы подпикселей F_гр и суммой выбранных векторных сигналов цвета Y _i группы подпикселей или равную ей сумму разностей между векторным входным сигналом каждого подпикселя в группе F _i и выбранным для этого подпикселя векторным сигналом цвета Y_i. Поясним это на примере. Пусть в состав пикселя входит несколько К одинаковых по цветности подпикселей, которые установлены для повышения яркости. Этим подпикселям присваивается одинаковый приоритет, и они образуют группу, имеющую общий входной сигнал F_гр. Указанный сигнал может быть распределен между ними с использованием различных, априорно установленных правил. Например, равномерно. При этом входной векторный сигнал каждого подпикселя становится равным F_гр/K. Такой вариант обеспечивает равномерность в распределении цвета пикселя. В светодиодном прожекторе для большей дальности освещения целесообразно отдать предпочтение подпикселям, расположенным ближе к оптической оси, а для получения рассеянного света - периферийным подпикселям. Возможны и другие правила распределения. При этом на вход подпикселя, следующего после группы, нужно подать, как и в предыдущих случаях, разность между входным сигналом F_гр и суммой выбранных векторных сигналов цвета Y_i группы.

В прототипе пиксель образуют всего 4 подпикселя разной (RGBW) цветности, и эта задача не решается.

По п.3 формулы изобретения признак: векторный сигнал цвета Y_i каждого подпикселя выбирают максимальным, означает следующее. При выборе управляющего сигнала I_i каждого подпикселя нужно стремиться к тому, чтобы хотя бы одна компонента векторного сигнала цвета Y_i совпала с соответствующей компонентой или входного векторного сигнала цвета F_i или максимального значения цвета Y_max,i этого подпикселя. Это означает, что возможности каждого подпикселя используются в полной мере для достижения требуемой яркости свечения. Таким образом, двигаясь от наиболее приоритетного подпикселя к наименее приоритетному на каждом шаге, выбираются максимальные по модулю сигналы Y_i. В результате за один проход удается получить все значения управляющих сигналов I_i.

В прототипе также может решаться задача максимизации Y_i, но только для одного - яркостного - подпикселя. Для остальных подпикселей имеется строгое соответствие между входными и выходными RGB сигналами.

По п.4 формулы изобретения признак: многократно повторяют выбор векторов цвета Y_i, всех подпикселей, возвращаясь от наименее приоритетного подпикселя к наиболее приоритетному и последовательно увеличивая каждый модуль векторного сигнала цвета на выбранный шаг дискретизации, означает следующее. При выборе векторного сигнала цвета Y _i максимальным на каждом шаге, как это предусматривалось в предыдущем пункте, может возникнуть значительная ошибка - рассогласование F (фиг.3), между входным сигналом F и суммой векторных сигналов цвета Y_i. Эта ошибка связана с тем, что в рассматриваемом случае базис подпикселей является линейно-независимым, но не ортогональным. В ортогональном базисе (x,y,z) движение к желаемой точке F (фиг.1) может происходить по любому из маршрутов: x-y-z, y-z-x и т.п. с одинаковым успехом. При не ортогональном базисе продвижение максимальными шагами по векторам базиса в произвольном порядке может не дать хорошего результата. Для получения более качественного результата целесообразно продвигаться к F небольшими дискретными шагами, постепенно увеличивая модули векторных сигналов Y_i, . В результате после нескольких итераций ошибка может быть уменьшена до величины шага дискретизации.

В прототипе используется ортогональный базис RGB, и данная задача не решается.

Заявляемый способ иллюстрируют следующие графические материалы:

Фиг.1 - принцип действия прототипа.

Фиг.2 - положение входного векторного сигнала F и функции Y(I) в базисе (x,y,z).

Фиг.3 - процесс формирования заданного входного векторного сигнала F из функций Y(I).

Фиг.4 - схема управления подпикселем.

Рассмотрим варианты реализации заявляемого способа.

В зависимости от назначения в пиксель устанавливают произвольное число подпикселей различной цветности и яркости. Количество подпикселей зависит, например, от требований по динамическому диапазону яркости. Яркостные возможности одного подпикселя ограничены некоторой величиной Y_max. Устанавливая несколько одинаковых подпикселей, можно в соответствующе число раз расширить динамический диапазон. В классических применениях (электронно-лучевых трубках, жидкокристаллических мониторах и т.п.) разработчики затратили огромные средства на создание структуры пикселя, содержащего 3-4 подпикселя базовых цветов. Эти затраты окупились массовым производством. При создании рекламных щитов, табло и других устройств визуализации в силу разнообразия требований приходится довольствоваться существующей элементной базой и выполнять такие объекты из дискретных элементов, например из светодиодов. Для достижения заданного цвета эти элементы должны иметь различные характеристики по цветности, например RGB. Однако как будет показано ниже, могут применяться подпиксели и других, в том числе смешанных, цветов, которые дешевле. Пиксель обычно рассматривается, как точечный источник с неразличимыми для наблюдателя деталями - подпикселями. Однако в некоторых применениях, например в светодиодных прожекторах, приходится управлять внутренней структурой пикселя. В частности, при наличии множества разноцветных подпикселей важное значение приобретают их взаимное положение, способы управления одноименными подпикселями и другие обстоятельства.

Измеряют зависимость векторного сигнала цвета Y каждого подпикселя от управляющего сигнала I. Сигнал цвета Y_i , излучаемого подпикселем, можно считать монохроматическим и линейно зависящим от управляющего сигнала только в простейших случаях, например в классических системах RGB каждый цвет считается "чистым", а яркость каждого подпикселя - линейной функцией входного сигнала I. Однако во многих случаях, например, для светодиодов такой подход не оправдан. Для оценки Y(I) могут использоваться либо паспортные данные светодиодов, либо проводиться соответствующие измерения. При этом зависимость Y(I) оказывается векторной функцией, заданной в некотором базисе (х,у,z), например (RGB).

Устанавливают приоритеты между подпикселями. Основаниями для установления приоритетов могут служить энергетические соображения, например, один белый подпиксель потребляет энергии меньше, чем сумма RGB, геометрические соображения - светодиод, расположенный в центре пикселя выгоднее, чем расположенный на периферии и другие соображения. При наличии нескольких, например, одинаковых подпикселей им может быть задан одинаковый приоритет.

Принимают входной векторный сигнал цвета пикселя F. Задача всех схем управления подпикселями состоит в том, чтобы найти управляющие сигналы I_i для всех подпикселей, такие, чтобы сумма векторных сигналов Y_i (I_i) стремилась ко входному векторному сигналу пикселя F.

Для решения этой задачи входной векторный сигнал цвета пикселя F сначала подают на самый приоритетный подпиксель. При этом задача схемы управления данного и всех последующих подпикселей состоит в том, чтобы выбрать значение векторной функции Y _i(I_i) и соответствующий ей управляющий сигнал I_i. Это сделать возможно, так как зависимость Y _i(I) известна. Значение векторной функции (ее координаты в выбранном базисе) Y_i(I_i) должны удовлетворять ряду условий. Во-первых, Y_i(I_i) не должна превосходить максимальное значение цвета соответствующего подпикселя Y_max,i. Это условие означает, что подпиксель может выработать лишь ограниченный цвет. Во-вторых, Y_i(I _i) не должна превышать ни по одной из координат входной сигнал подпикселя F_i, т.е. цвет подпикселя не должен превышать задание. В первом подпикселе - это величина F, а в остальных F_i.

Вычитают из входного векторного сигнала цвета каждого подпикселя F_i выбранный векторный сигнал цвета Y_i этого подпикселя. Результирующая величина F _i, фиг.2, показывает насколько сумма сигналов Y _i близка к F.

Полученный результат используют в качестве входного векторного сигнала цвета для следующего менее приоритетного подпикселя F_i+1. Таким образом, схема управления следующим подпикселем продолжает приближать сумму сигналов Y_i к F.

Указанную для одного подпикселя процедуру повторяют, продвигаясь от наиболее приоритетных подпикселей к менее приоритетным. По окончании процедуры будут сформированы управляющие сигналы I всех подпикселей, которые обеспечивают некоторое приближение суммы цветов подпикселей к заданному цвету F.

В состав пикселя могут входить несколько подпикселей, которым присвоен одинаковый приоритет. Эти подпиксели объединяют в группу. Например, при наличии группы из нескольких одинаковых красных подпикселей задача достижения требуемой яркости по данному цвету может быть решена различными способами: совместной и равномерной засветкой этих пикселей, максимальным использованием яркости части из них и другими способами. В зависимости от выбранного способа устанавливают правило и распределяют входной сигнал цвета этой группы F _гр между подпикселями, например, разделяя его равномерно между ними. При этом принцип действия схемы управления подпикселями остается прежним, т.е. в каждом подпикселе будет сформирован управляющий сигнал I_i и разность Р _i между распределенным по установленному правилу входным сигналом F_i этого подпикселя и выбранным значением вектора цвета Y_i. Тогда в качестве входного векторного сигнала цвета F следующего после группы подпикселя нужно использовать разность между входным сигналом цвета группы подпикселей F _гр и суммой выбранных векторных сигналов цвета Y_i группы подпикселей либо, что эквивалентно, - разность между F_гр и суммой F _i в группе.

При реализации заявляемого способа может использоваться разная стратегия выбора векторного сигнала цвета Y_i(I_i).

Простейшим вариантом является выбор максимального значения Y_i(I_i ) для каждого подпикселя. При этом возможности приоритетных подпикселей будут использованы в наибольшей степени по сравнению с менее приоритетными. Такой способ обеспечивает быстрое приближение к желаемому цвету пикселя. Однако в этом случае менее приоритетные пиксели могут остаться незадействованными, а ошибка приближения F_ош, фиг.2, может оказаться большой, особенно при смешанных цветностях подпикселей.

Другой вариант выбора векторных сигналов цвета Y_i, подпикселей предполагает возвращение от наименее приоритетного подпикселя к наиболее приоритетному, увеличивая каждый раз модуль векторного сигнала цвета Y_i на выбранный шаг дискретизации. Такая многократно повторяющаяся процедура обеспечивает постепенное продвижение суммы векторов Y_i к желаемому значению F. При этом окажутся задействованными все необходимые подпиксели, а точность приближения окажется выше.

Заявляемый способ может быть реализован программно с использованием микроконтроллера и аппаратно-аналоговым или цифровым способом. В первом варианте один микроконтроллер может управлять всеми подпикселями, что делает этот вариант более дешевым и предпочтительным. Однако для большей наглядности рассмотрим приведенную на фиг.4 схему устройства управления подпикселем 7, реализующего заявляемый способ для одного подпикселя в аналоговом варианте, где:

1. излучатель (светодиод).

2. формирователь управляющего сигнала I_i.

3. формирователь векторного сигнала цвета подпикселя Y_i.

4. вычитатель векторов.

5. вычитатель векторов.

6. схема обнаружения нуля.

7. схема устройства управления подпикселем.

Излучатель 1 (светодиод) предназначен для формирования светового сигнала.

Формирователь 2 управляющего сигнала I_i предназначен для выработки тока светодиода. Формирователь 1 может быть выполнен в виде генератора нарастающего тока на основе операционного усилителя. Генератор имеет входы запуска и остановки, которые могут быть реализованы соответствующими коммутирующими элементами (ключами).

Формирователь 3 векторного сигнала цвета подпикселя Y _i предназначен для преобразования тока I_i в векторный сигнал Y_i, который отображает нелинейную зависимость цвета данного подпикселя от входного сигнала. Формирователь 3 в трехмерном базисе содержит три независимых блока. Каждый из блоков формирует одну координату Y_i в выбранном базисе. Блоки могут быть реализованы в виде операционного усилителя с нелинейной обратной связью.

Вычитатель векторов 4 предназначен для нахождения разности F _i, фиг.2, между векторным сигналом цвета Y_i и входным векторным сигналом F_i. Вычитание осуществляется раздельно по координатам выбранного базиса с использованием операционных усилителей.

Вычитатель векторов 5 предназначен для нахождения разности между векторным сигналом цвета Y_i и максимальным векторным сигналом цвета данного подпикселя Y_max,i . Вычитание осуществляется раздельно по координатам выбранного базиса с использованием операционных усилителей.

Схема обнаружения нуля 6 предназначена для определения момента, когда на одном из выходов вычитателей 4 и 5 будет обнаружено нулевое значение, и выработки сигнала окончания работы схемы управления подпикселем. Схема обнаружения нуля 6 может быть реализована на основе компараторов, обнаруживающих появление нуля на одном из выходов, объединенных выходами логической схемой ИЛИ.

Устройство управления подпикселем 7 предназначено для управления цветом одного подпикселя. Все подпиксели имеют аналогичные схемы, а варианты реализации заявляемого способа отличаются внешними схемами.

Устройство работает следующим образом. Будем считать, что пиксель состоит из произвольного числа подпикселей с известными характеристиками. В исходном состоянии формирователи управляющего сигнала I_i всех подпикселей обнулены. На вход вычитателя 4 наиболее приоритетного - первого - подпикселя подан входной векторный сигнал пикселя F. На входы F_i вычитателей 4 последующих подпикселей подаются выходные сигналы F _i с вычитателей 4 предшествующих подпикселей F _i-1. Сигнал запуска первого подпикселя подается извне и служит для запуска схемы. Выходной сигнал "окончание i" схемы обнаружения нуля 6 i-го, подпикселя подан на вход запуска следующего подпикселя и на собственный вход "остановка i". Перед началом работы измеряют свойства каждого подпикселя. Для этого оценивают максимальные значения векторов Y_max,i и зависимость вектора Y _i(I_i). Эту информацию можно получить путем измерений или из справочников. Векторную величину Y_max,i подают на вход вычитателя 5 каждого подпикселя, а зависимость Y _i(I_i) вводят в виде параметров формирователей 3 векторного сигнала цвета подпикселя.

При подаче запускающего сигнала на вход формирователя 2 первого подпикселя сигнал I ₁ на его выходе начинает нарастать и увеличивается яркость свечения светодиода 1. Формирователь 3 вырабатывает нарастающий векторный сигнал Y₁(I₁), который соответствует текущей яркости и цветности первого светодиода. Это сигнал путем вычитания в блоках 4 и 5 сравнивается с максимальным вектором Y_max,1 и со входным сигналом подпикселя F₁ =F. Если сигнал Y₁(I₁) в некоторый момент времени хотя бы по одной из координат Y_max,1 или F ₁ совпадет с указанными величинами, то это означает, что либо цвет первого пикселя достиг максимальной для данного подпикселя величины, либо выходной сигнал светодиода по этой координате достиг требуемого значения. Совпадение координат фиксирует схема обнаружения нуля 6, которая через вход "Остановка i" прекращает работу формирователя 2 этого подпикселя и запускает в работу устройство управления следующим подпикселем, на вход которого подан векторный сигнал F=(F ₁-Y₁(I₁)). Этот сигнал показывает, насколько цвет первого подпикселя не соответствует входному сигналу. Последующие подпиксели работают аналогично. После окончания работы последнего наименее приоритетного подпикселя в пикселе будет сформирован цвет, приближенно совпадающий с заданным. Описанный вариант соответствует схеме последовательного выбора максимальных значений Y_i(I_i), по п.п.1 и 3 формулы изобретения.

Для реализации п.2 формулы схему необходимо использовать следующую схему. Входной сигнал F группы равноприоритетных подпикселей делят между группой с использованием масштабирующих операционных усилителей с заданными коэффициентами. Условием окончания формирования цвета в группе является окончание работы всех подпикселей, т.е. поступление сигналов "окончание" со всех устройств 7. Выходной сигнал запуска схемы управления следующим после группы подпикселем формируется логической схемой И. Для формирования входного векторного сигнала цвета F следующего подпикселя необходимо сложить все сигналы F _i внутри группы. Эту операцию может выполнить суммирующий операционный усилитель.

Для реализации п.4 формулы сигналы запуска и остановки схем управления подпикселями 7 подают извне на короткое время последовательно от наиболее приоритетного подпикселя к менее приоритетному с последующим возвратом и повторением процедуры. Такие сигналы могут быть сформированы распределителем импульсов (сдвиговым регистром). Признаком окончания работы всей схемы является появление сигналов "окончание" на выходах всех подпикселей.

Таким образом, описанное устройство подтверждает возможность технической реализации заявляемого способа.

Достоинствами заявляемого способа по сравнению с известными авторам аналогами являются:

1. Расширенные возможности по яркости пикселя.

2. Высококачественная цветопередача.

3. Сниженная стоимость эксплуатации.

4. Возможность применения при любом типе подпикселей (от ламп накаливания до светодиодов).

5. Возможность использования при любом способе задания исходной информации (произвольном базисе).

6. Возможность построения различных устройств отображения и освещения с заданными свойствами из недорогих компонентов.

Источники информации

1. Глушаков С.В., Кнабе Г.А. Компьютерная графика. Учебный курс, Харьков - "Фолио", Москва "ACT", 2001, 500 с.

2. Патент WO 0 137251 "LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE WITR HIGH BRIGHTNESS" G 09 G 3/36, опубликовано 2001-05-25, приоритет JP 19990321902 19991112; JP 20000330859 20001030.

3. Справочная книга по светотехнике / под ред. Ю.Б.Айзенберга. М.: Энергоатомиздат, 1995. - 528 с.