СВЕТОДИОДНЫЙ ЦИФРОВОЙ ПРОЕКТОР
LIGHT-EMITTING DIODE DIGITAL PROJECTOR

Область техники
Настоящее изобретение связано с формированием изображений на экранах с помощью проекторов и может быть использовано в различных устройствах отображения информации, в частности в кино, в проекционных телевизорах, в домашних кинотеатрах.
Уровень техники
Наибольшее распространение в настоящее время получили устройства формирования изображений на экране, в которых используются цифровые проекторы, управляемые от различных источников изображений, таких как видеокамеры, DVD-проигрыватели, телевизионные приемники, компьютеры и т.п. Основной недостаток всех этих устройств - недостаточная яркость изображений на экране, что приводит к необходимости просматривать изображение в затемненном помещении. Известно устройство, которое позволяет устранить этот недостаток путем использования светодиодов в качестве проецируемых на экран источников света. Чтобы увеличить разрешение получающегося на экране изображения, это устройство выполнено с возможностью перемещения друг относительно друга матрицы светодиодов и объектива, с помощью которого матрица проецируется на экран, (см. заявку №2006138676/28(042157) дата публикации 2008. 05. 10). В этом случае с помощью одного светодиода появляется возможность формировать несколько сотен пикселов, что позволяет повысить разрешение формируемого изображения. Количество светодиодов в матрице светодиодов ограничивается ее размерами, которая, в свою очередь, ограничена размерами объектива. Это обстоятельство является ограничивающим фактором для получения максимального разрешения и яркости получаемого изображение.
Сущность изобретения
Сущность изобретения состоит в том, что объектив предлагается выполнить в виде массива, состоящего из N линз. В этом случае количество светодиодов, участвующих в формировании изображения на экране, возрастает в N раз. Максимальное разрешение или яркость также увеличиваются в N раз.
Перечень чертежей
На Фиг.1 показано взаимное расположение в пространстве экрана и проектора, состоящего из массива источников света и массива из нескольких линз.
На Фиг.2 показаны траектории на экране, по которым перемещаются изображения светящихся источников света при вращении массива линз.
На Фиг.3 показано размещение непрозрачной перегородки между линзами.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Рассмотрим работу устройства, в котором массив источников света 1 проектируется через объектив в виде вращающегося массива линз 2 на экран 3. Массив линз 2 расположен внутри кольца, как показано на Фиг.1 6, а массив источников света 1 размещен в кольцевой области, как показано на Фиг 1 в. Расстояние между плоскостью диска, в который вставлены линзы 6, и плоскостью, в которой размещены светящиеся источники света 5, таково, что изображения светящихся источников света 5 оказываются в плоскости экрана 3. Другими словами, светящиеся источники света 5 сфокусированы на экран 3. При определении местоположения светящихся источников света 5 на экране 3 следует иметь в виду следующее обстоятельство. Если рассматривать линзу 6 и проектируемые через нее светящиеся источники света 5 как самостоятельный проектор, то другую линзу 6 и другие проектируемые через нее светящиеся источники света 5 можно рассматривать как другой проектор, сдвинутый в плоскости массива источников света 1 на расстояние, равное расстоянию между линзами 6. При этом область, засвечиваемая на экране светящимися источниками света 5, также сдвинется на это расстояние. Так как размеры засвечиваемой на экране 3 области значительно превосходят это расстояние, то можно считать, что нет необходимости привлекать дополнительные средства, чтобы обеспечить нахождение изображения каждого светящегося источника света 5 в пределах площади, на которой будет формироваться изображение.
Линзы приспособлены совершать круговое движение вокруг оси, совпадающей с осью кольца. При вращении массива линз 2 электромотором 4 изображение каждого светящегося источника света 5 будет периодически перемещаться по замкнутой траектории, описывая на экране дугу окружности. При этом когда между экраном 3 и светящимся источником света 5 появляется очередная линза 6, изображением того же светящегося источника света 5 будет описываться очередная дуга, которая может совпадать или не совпадать с предыдущей. Формирование изображений возможно в том и другом случаях. На Фиг.2а показана при вращении массива линз 2 совокупность дуг, формируемых светящимися источниками света 5, находящимися около линзы 6, на которую указывает прямая линия на Фиг.1 с цифрой 6. Совокупность подобных дуг, находящихся около линзы 6, расположенной выше указанной, показана на Фиг.2б. Необходимо подчеркнуть, что эти дуги расположены на экране 3 на том же месте, что и дуги на Фиг.2а. Совокупность дуг, формируемых изображениями светящихся источников света 5, находящихся около линзы 6, расположенной еще выше, показана на Фиг.2в. На фиг. 2г показаны три совокупности дуг, формируемые на экране 3 изображениями светящихся источников света 5, находящихся под тремя упомянутыми линзами 6. Аналогичные совокупности дуг, находящиеся под всеми линзами 6, при соответствующей модуляции яркости светящихся источников света 5 позволяют сформировать произвольное изображение (светящееся изображение, формируемое светящимися источниками света).
Для того чтобы при любом положении массива линз 2 любой светящийся источник света 5 проектировался в любой момент времени на экран только через одну линзу 6 (ближайшую к нему линзу), между линзами 6 помещены непрозрачные перегородки 7, показанные на Фиг.3. Чтобы имелась возможность фокусировать изображения светящихся источников света 5 на экран 3 при различных расстояниях от проектора до экрана, устройство выполнено с возможностью плавно изменять расстояние между массивом линз 6 и плоскостью, в которой размещен массив источников света 1 (введены средства, позволяющие изменять расстояние между массивом точечных источников света и массивом линз).
Перед формированием на экране требуемого изображения необходимо выполнить определенную калибровку всей системы, позволяющую определить, какие светящиеся источники света (например, светодиоды) ответственны за показ каждого пиксела полного изображения. Пусть полный период вращения массива линз 2 состоит из I временных интервалов одинаковой длительности. Составляется таблица, содержащая координаты пятна на экране, создаваемого j-м светодиодом (j=0, 1 … J-1) в i-й временной интервал (i=0, 1, … I-1). Кроме того, таблица содержит такие параметры пятна, как его интенсивность и цвет.
Пусть на экране требуется создать изображение, состоящее из Р пикселов по горизонтали и Q пикселов по вертикали. Сторона квадрата е, занимаемая одним пикселом, определяется соотношением e=L/P, где L - ширина изображения на экране. В этом случае полученная при калибровке проектора информация может быть преобразована в массив из PQ строк вида
min
В этом массиве для каждого формируемого на экране пиксела {р,q} (р=0, 1, Р-1; q=0, 1, … Q-1) имеется одна строка, в которой целое n определяет количество следующих за ним пар в фигурных скобках. Пара определяет номер временного интервала i, в который светодиод с номером j засвечивает на экране q-й пиксел в строке с номером р. На заключительном этапе калибровки определяется отображение {р,q} с минимальным n. Это значение определяет максимальную яркость формируемого на экране изображения. Таким образом, калибровка заканчивается после получения соотношений (1). Калибровка производится один раз при инициализации системы.
pq
pq
pq
pq
ij
Пусть требуется воспроизвести изображение, содержащее Р пикселов по горизонтали и Q пикселов по вертикали. Представим это изображение в BMP формате в виде матрицы A (p=0, 1 … Р-1; q=0, 1 … Q-1). Элементом матрицы A является 24-разрядное целое, определяющее интенсивность красного (разряды 16…23), зеленого (разряды 8…15) и голубого (разряды 0…7) цветов. В том случае, когда изображение формируется с помощью красных, зеленых и голубых пикселов, задача упрощается и сводится к трем одинаковым более простым задачам по формированию красной, зеленой и голубой составляющих общего изображения. При формировании изображения одного цвета элемент матрицы A является 8-разрядным целым. Заметим, что подобный прием формирования цветного изображения путем суперпозиции чистых красного, зеленого и голубого цветов используется во всех системах формирования цветных изображений. Поэтому рассмотрим формирование изображения только одного, например, красного цвета. Задача состоит в том, чтобы получить из матрицы A матрицу P (i=0, 1, … I-1; j=0, 1,.J-1), которая используется микропроцессорами, которые управляют яркостью светодиодов, для формирования результирующего изображения на экране.
pq
min
pq
pq
ij
ij
С этой целью для каждого элемента матрицы A находится соответствующее отображение (1), в котором указаны номера временных интервалов и номера светодиодов, которые могут участвовать в формировании рассматриваемого пиксела на экране. При калибровке получено, что максимальная яркость пиксела на экране может быть в n раз больше, чем яркость, создаваемая одним включенным светодиодом. Эта максимальная яркость соответствует значению элемента матрицы A, равному максимально возможному значению, то есть 255. Далее поочередно обрабатываются все строки отображения (1). При этом, если формируются контрастные изображения, для которых элементы матрицы A равны либо 0, либо 255, то соответственно в n элементов матрицы P засылаются либо нули, либо единицы. В этом случае элементами матриц P являются битовые величины.
min
min
pq
ij
pq
ij
ij
pq
min
min
Если формируются полутоновые изображения, то количество полутонов при простейшем способе формирования изображений не может больше n. В этом случае яркость пиксела с координатами {р,q} определяется выражением b=(n A)/255 и может быть меньше количества пар в отображение (1) для этого пиксела. Тогда выбираются первые b пар и в соответствующие элементы матрицы P засылаются единицы, а в оставшиеся - нули. После обработки всех элементов матрицы A матрица P содержит битовые элементы. Однако количество элементов в матрице P, равное IJ, значительно превосходит количество элементов в матрице A, равное Р Q. Нетрудно убедиться, что максимальное количество градаций в рассматриваемом случае равно n. При равномерном освещении светодиодами всей поверхности экрана n≤(IJ)/(PQ}.
ij
ij
В некоторых случаях при использовании быстродействующих управляющих микропроцессоров количество полутонов в формируемом изображении может быть увеличено в несколько раз без увеличения объема аппаратных средств путем показа одного и того же изображения несколько раз подряд в одном и том же временном интервале. Например, если микропроцессор успевает показать изображение 3 раза, то элементом матрицы P могут являться целые, принимающие значения 0, 1, 2, 3, которые определяют количество повторений. Однако каждое повторение отличается от предыдущего. Если значение элемента равно 0, то светодиод с номером j не включается в i-м временном интервале ни разу. Если значение элемента равно 1, то этот светодиод включается только при начальном показе. Если значение элемента равно 2, то этот светодиод включается только при начальном и втором показах. Если значение элемента равно 3, то этот светодиод включается во всех трех показах. В этом случае соответственно изменяется алгоритм работы микропроцессора при обработке матрицы P, элементы которой состоят из двух разрядов. Казалось бы, тот же эффект может быть достигнут, если количество временных интервалов просто увеличить в 4 раза. Однако в этом случае объем управляющей информации в микропроцессоре возрастает в 4 раза, а не в 2 раза, как в рассмотренном случае.
pq
ij
ij
pq
ij
После того как будут последовательно обработаны все элементы матрицы A, окажутся заполненными все элементы матрицы P (i=0, 1, … I-1; j=0, 1, … J-1). Элементы матрицы P передаются из ПК, где производилось формирование этой матрицы, в соответствующий микропроцессор, управляющий включением определенной группы светодиодов, и система готова к показу красного изображения, заданного матрицей A. Например, если каждый микроконтроллер управляет яркостью 100 светодиодов, то на первый микроконтроллер передаются соответствующие 100 строк матрицы P, относящиеся к тем светодиодам, которыми управляет этот микропроцессор, на второй микроконтроллер передаются другие 100 строк и т.д. Аналогичная процедура выполняется для показа зеленого и голубого изображений.
Заметим, что добавление совершенно нового проектора в рассмотренном алгоритме сводится только к изменению количества светодиодов J. Это обстоятельство позволяет рассматривать множество проекторов как один распределенный проектор, автоматически настраиваемый на этапе калибровки на показ общего изображения независимо от характеристик и взаимного расположения компонентов такого проектора. Так как проекторы рассматриваются в рамках одного обобщенного проектора, то исчезает понятие границы между отдельными проекторами. Изображение в областях, засвечиваемых несколькими проекторами, формируется этими проекторами совместно.
Разумеется, описанный алгоритм может быть оптимизирован по многим направлениям. Например, на этапе калибровки можно засвечивать не по одному, а по несколько светодиодов. Однако и без оптимизации он вполне работоспособен.
Как и в традиционных проекторах, перед показом изображений проекторы должны быть настроены. Настройка традиционных проекторов сводится к ориентации проектора в пространстве и фокусировке изображения. Эти же процедуры требуются от человека и в рассматриваемом случае. Дальнейшая настройка всей системы производится в автоматическом режиме один раз перед началом показа.
Следует обратить внимание на следующие привлекательные свойства рассматриваемого подхода.
Отсутствует необходимость в точной ориентации проекторов.
Для получения необходимой яркости изображения количество проекторов может как увеличиваться, так и уменьшаться.
Исключаются весьма серьезные проблемы традиционных проекторов, связанные с искажениями, вносимыми оптикой, такие как астигматизм, кома, сферическая и хроматическая аберрации, бочкообразная и подушкообразная дисторсия и т.п. [3].
Устраняются эффекты, связанные со старением оборудования, так как при настройке проекторов эти обстоятельства автоматически принимаются во внимание.
В традиционных LCD и DLP проекторах со временем появляются дефектные пикселы [4]. Это явление отсутствует в рассматриваемой системе, так как пиксел на экране формируется многими проекторами. Дефектные пикселы автоматически исключаются из работы на этапе калибровки, так как они дают пятно нулевой интенсивности.
Может быть выбрана оптимальная цветопередача.
Настройка проекторов с помощью программного обеспечения гораздо быстрее, дешевле, точнее, гибче и оперативнее, чем настройка аппаратуры с помощью механических регуляторов.