CN103440030B - 一种面向oled显示器的三维绘制图像的节能显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向OLED显示器的三维绘制图像的节能显示方法。包括：采用双边滤波方法分别简化绘制系统输出的三维绘制图像的深度缓存和颜色缓存，以保留深度缓存和颜色缓存中的高对比度区域并实现对低对比度区域的平滑处理；分别对简化处理后的深度缓存和颜色缓存进行边缘检测；依据边缘检测结果，评估输入三维绘制场景的空间显著性和视觉显著性；根据用户指定参数，对空间显著性和视觉显著性进行线性组合，得到输入三维绘制场景的综合显著性描述结果；以综合显著性描述结果作为指导，根据用户指定的输入参数自适应地调节三维绘制结果中颜色缓存中每个像素R、G、B通道的值，然后将调节后的结果拷贝至绘制系统的帧缓存，输出到OLED显示器。

Description

一种面向OLED显示器的三维绘制图像的节能显示方法

技术领域

本发明涉及一种面向OLED显示器的三维绘制图像的节能显示方法，属于图像绘制领域和图像处理领域。

背景技术

近年来，基于OLED(有机发光二极管)的显示设备，逐渐展现了其强大的市场竞争力。其功耗与显示颜色的强度(即R、G、B通道的值)直接相关，值越大，则功耗越高。基于此，面向OLED的节能的颜色优化设计已成为一个新的热点。

在移动设备的界面设计中，通过离线优化界面元素的颜色，极大地降低了显示设备的功耗，进而延长了移动设备的待机时间(相关技术参考MianDong,LinZhong.PowermodelingandoptimizationforOLEDdisplays[J].IEEETransactionsonMobileComputing,2011,99(1).)。在移动设备的浏览器设计中，通过解析网页，优化文本、图片的颜色和布局，亦可降低能耗、提高待机时长(相关技术参考MianDong,LinZhong.Chameleon:acolor-adaptivewebbrowserformobileOLEDdisplays[J].InThe9thInternationalConferenceonMobilesystems,applications,andservices,2011.)。但是，这类离线优化颜色设计方法并不适合元素的颜色具有某些固定的含义、并且不可被更改的应用情形，如在手机游戏中，常常使用绿色表示草地。全局地调节显示设备的亮度是另一种常用节能方案，但该类方法在降低显示输出亮度的同时也会降低相应的对比度等重要感知细节信息，进而影响用户对三维绘制图像的理解。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向OLED显示器的三维绘制图像的节能显示方法。

本发明的发明构思是：采用降低图像颜色强度的方法作为基本的节能手段，并考虑三维绘制图像本身的颜色域内和空间域内的特征，以保证在降低亮度的同时可保持三维绘制图像的视觉和空间特征；为了满足实时性要求，本发明方法进一步充分利用GPU提供的并行计算能力，成为可达到实时性能要求的后处理方法。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：本发明面向OLED显示器的三维绘制图像的节能显示方法要包括以下步骤：

(1)对绘制系统输出的三维绘制图像所包含的原始深度缓存和原始颜色缓存进行简化处理，以保留原始深度缓存和原始颜色缓存的高对比度区域并平滑原始深度缓存和原始颜色缓存的低对比度区域；

(2)对简化后的深度缓存和颜色缓存分别进行边缘检测，对应得到深度缓存边图和颜色缓存边图；

(3)应用以下公式(1)对深度缓存边图和颜色缓存边图分别进行变换，对应得到空间显著性描述图和视觉显著性描述图，

$S\left(p\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \begin{array}{cc}if& E\left(p\right)>0\end{array}\\ 1+\tanh \left(\mathrm{\λ}E\right(p))& otherwise\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中，p表示像素，E(p)表示深度缓存边图或颜色缓存边图，tanh(·)表示双曲正切变换，λ表示一个用户可调参数，λ>0，λ决定了显著区域的大小，λ越大则显著区域越大，S(p)表示空间显著性描述图或视觉显著性描述图；

(4)应用以下公式(2)对空间显著性描述图和视觉显著性描述图进行线性组合，得到综合显著性描述图，

M(p)＝τS_D(p)+(1-τ)S_C(p)(2)

式(2)中，τ表示线性组合参数，τ∈[0,1]，S_D(p)表示空间显著性描述图，S_C(p)表示视觉显著性描述图，M(p)表示综合显著性描述图；

(5)应用以下公式(3)分别调节所述原始颜色缓存中每个像素的R、G、B三个通道的值，然后将调节后的结果拷贝到所述绘制系统的帧缓存并输出至OLED显示器，

$I_C^{*}\left(p\right)=Y(\mathrm{\α},\mathrm{\β},p)\[{\mathrm{\αI}}_C\left(p\right)+(1-\mathrm{\α}){\tilde{I}}_C\left(p\right)\]---\left(3\right)$

其中，

Y(α,β,p)＝β[1_[0,1)(α)M(p)+1_[0,1)(α-1)](4)

式(3)中，Y(α,β,p)为中间变量，α、β均表示用户可调参数，α∈[0,1]，β∈[0,1]；I_C(p)表示原始颜色缓存在像素p处的R、G、B通道的值；表示简化处理后的颜色缓存在像素p处的R、G、B通道的值；表示经过调节后的在像素p处的R、G、B通道的值；式(4)中，M(p)表示综合显著性描述图，1_[0,1)(·)是一个指标函数。

进一步地，本发明在步骤(1)中，采用GPU加速的双边滤波算法对绘制系统输出的三维绘制图像所包含的原始深度缓存和原始颜色缓存进行简化处理。

进一步地，本发明在步骤(2)中，采用高斯差分方法对简化后的颜色缓存和深度缓存分别进行边缘检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过降低显示内容颜色的强度的方法，提供了一种面向OLED显示器的三维绘制图像的节能显示方法；与现有的通过直接全局地降低绘制图像亮度的节能方法相比，本发明方法在降低显示能耗的同时亦可保持或增强三维绘制结果中的感知重要性较高区域内的对比度，避免了因降低显示颜色的强度所带来的信息丢失的问题。本发明的输入可以是任何绘制系统输出的三维绘制结果，如游戏引擎、科学数据可视化系统等，是一种后处理方法，不需要做任何关于绘制过程的假设，因此，本发明方法可以方便地嵌入至任何其他方法或绘制系统中。当本发明将整个计算过程都运行于GPU上时，可充分地利用GPU的优势，满足实时处理的性能要求。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合图1对本发明的面向OLED显示器的三维绘制图像的节能显示方法作进一步说明，具体步骤如下：

步骤1)：读取绘制系统输出的三维绘制结果所包含的原始深度缓存和原始颜色缓存作为后续步骤的输入。采用GPU加速的双边滤波方法(相关技术可参考J.Chen,S.Paris,andF.Durand.Real-timeedge-awareimageprocessingwiththebilateralgrid.ACMTrans.Graph.,26(3),2007)对原始深度缓存和原始颜色缓存分别进行简化处理，对应得到简化后的深度缓存和颜色缓存。本步骤亦可采用其它GPU加速的图像简化方法和非GPU加速方法，如基于L₀梯度最小化的图像平滑方法(相关技术可参考L.Xu,C.Lu,Y.Xu,andJ.Jia.ImagesmoothingviaL0gradientminimization.ACMTrans.Graph.,30(6),2011.)。简化处理过程不仅可保持原始深度缓存和原色缓存中的高对比度区域，还可平滑低对比度区域中的噪声，进而降低了噪声对步骤2)执行边缘检测的影响。使用GPU加速的图像简化方法可充分利用GPU提供的并行计算能力，以进一步满足实时性的要求(参见表1)。

步骤2)：采用高斯差分方法(相关技术可参考H.Winnemoller,S.C.Olsen,andB.Gooch.Real-timevideoabstraction.ACMTrans.Graph.,25(3):1221–1226,2006.)对简化处理后的深度缓存和颜色缓存分别进行边缘检测，对应得到深度缓存边图和颜色缓存边图。相比于其他二值型边缘检测方法(如基于Sobel算子或Canny算子的边缘检测方法)，高斯差分方法可得到一个连续的平滑的边缘检测结果。

步骤3)：对深度缓存边图和颜色缓存边图分别应用公式(1)，对应得到空间显著性描述图和视觉显著性描述图。空间显著性描述图概括了三维绘制场景中物体之间的空间前后关系。空间显著性描述图中值越小的像素，表示在该像素局部邻域内像素的深度信息差异越大、显著性也越大。视觉显著性描述图则概括了三维绘制场景中颜色对比度特征。视觉显著性描述图中值越小的像素，表示在该像素局部邻域内像素的颜色差异越大、显著性也越大。

$S\left(p\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \begin{array}{cc}if& E\left(p\right)>0\end{array}\\ 1+\tanh \left(\mathrm{\λ}E\right(p))& otherwise\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中，p表示像素；E(p)表示深度缓存边图或颜色缓存边图；tanh(·)表示双曲正切变换；λ表示一个用户可调参数，λ>0，λ决定了显著区域的大小，λ越大则显著区域越大；S(p)表示空间显著性描述图或视觉显著性描述图，S(p)＝1的区域无显著性，S(p)越小显著性越强。

步骤4)：应用以下公式(2)对空间显著性描述图和视觉显著性描述图进行线性组合，得到综合显著性描述图。

M(p)＝τS_D(p)+(1-τ)S_C(p)(2)

式(2)中，τ表示线性组合参数，τ∈[0,1]；τ用于调节空间显著性和视觉显著性对综合显著性描述图的影响，τ越大表示综合显著性描述图将考虑更多输入三维绘制结果中空间域内的特征，反之，τ越小表示综合显著性描述图将编码更多输入三维绘制结果中颜色域内的特征；S_D(p)表示空间显著性描述图；S_C(p)表示视觉显著性描述图；M(p)表示综合显著性描述图。

步骤5)：以综合显著性描述图作为引导，根据用户指定参数α、β，应用公式(3)对原始颜色缓存中的每个像素的R、G、B通道的值进行调节，然后将结果拷贝到绘制系统的帧缓存并输出到OLED显示器。

$I_C^{*}\left(p\right)=Y(\mathrm{\α},\mathrm{\β},p)\[{\mathrm{\αI}}_C\left(p\right)+(1-\mathrm{\α}){\tilde{I}}_C\left(p\right)\]---\left(3\right)$

其中，

Y(α,β,p)＝β[1_[0,1)(α)M(p)+1_[0,1)(α-1)](4)

式(3)中，Y(α,β,p)为中间变量，α、β均表示用户可调参数，α∈[0,1]，β∈[0,1]；I_C(p)表示原始颜色缓存在像素p处的R、G、B通道的值；表示简化处理后的颜色缓存在像素p处的R、G、B通道的值；表示经过调节后的在像素p处的R、G、B通道的值；式(4)中，M(p)表示综合显著性描述图，1_[0,1)(·)是一个指标函数。

用户可调参数α决定了最终的节能三维绘制结果的细节保真度，α∈[0,1]。α越小，最终的节能绘制结果所包含的细节信息越少，当α＝0时，最终的节能绘制结果将呈现一种卡通化风格。用户参数β决定了最终的绘制结果的全局亮度，β∈[0,1]。β越大，输出结果越趋近于原始输入结果；反之，β越小，输出结果的亮度则越低，所需要的能耗也越少。此外，综合显著性描述图中值较小的区域(即M(p)较小的区域)，也就是显著性较高的区域，颜色强度的降低比例将越大，进而保证了在降低绘制结果颜色强度的同时保持或增强了显著性较高区域内颜色的对比度，即可保持或增强三维绘制结果中的感知重要性较高区域内的对比度，避免了因降低显示颜色的强度所带来的信息丢失的问题。

表1列出了使用本发明方法在一台配备英伟达GTX580显卡系统上运行的时间，其中使用了GPU加速的图像简化方法和基于GPU实现的高斯差分算法。

由表1可知，本发明方法可在10毫秒内(帧率大于100帧/秒)完成对分辨率为1024x1024大小的三维绘制图像的节能处理，具有较高的实时性。

表1

Claims (2)

1.一种面向OLED显示器的三维绘制图像的节能显示方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对绘制系统输出的三维绘制图像所包含的原始深度缓存和原始颜色缓存进行简化处理，以保留原始深度缓存和原始颜色缓存的高对比度区域并平滑原始深度缓存和原始颜色缓存的低对比度区域；

(2)采用高斯差分方法对简化后的深度缓存和颜色缓存分别进行边缘检测，对应得到深度缓存边图和颜色缓存边图；

(3)应用以下公式(1)对深度缓存边图和颜色缓存边图分别进行变换，对应得到空间显著性描述图和视觉显著性描述图，

$S\left(p\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& ifE\left(p\right)>0\\ 1+\tanh \left(\mathrm{\λ}E\right(p\left)\right)& otherwise\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中，p表示像素，E(p)表示深度缓存边图或颜色缓存边图，tanh(·)表示双曲正切变换，λ表示用户可调参数，λ>0，S(p)表示空间显著性描述图或视觉显著性描述图；

(4)应用以下公式(2)对空间显著性描述图和视觉显著性描述图进行线性组合，得到综合显著性描述图，

M(p)＝τS_D(p)+(1-τ)S_C(p)(2)

式(2)中，τ表示线性组合参数，τ∈[0,1]，S_D(p)表示空间显著性描述图，S_C(p)表示视觉显著性描述图，M(p)表示综合显著性描述图；

(5)应用以下公式(3)分别调节所述原始颜色缓存中每个像素的R、G、B三个通道的值，然后将调节后的结果拷贝到所述绘制系统的帧缓存并输出至OLED显示器，

$I_C^{*}\left(p\right)=Y(\mathrm{\α},\mathrm{\β},p)\[{\mathrm{\αI}}_C\left(p\right)+(1-\mathrm{\α}){\tilde{I}}_C\left(p\right)\]---\left(3\right)$

其中，

Y(α,β,p)＝β[1_[0,1)(α)M(p)+1_[0,1)(α-1)](4)

式(3)中，Y(α,β,p)为中间变量，α、β均表示用户可调参数，α∈[0,1]，β∈[0,1]；I_C(p)表示原始颜色缓存在像素p处的R、G、B通道的值；表示简化处理后的颜色缓存在像素p处的R、G、B通道的值；表示经过调节后的在像素p处的R、G、B通道的值；式(4)中，M(p)表示综合显著性描述图，1_[0,1)(·)是一个指标函数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：在步骤(1)中，采用GPU加速的双边滤波算法对绘制系统输出的三维绘制图像所包含的原始深度缓存和原始颜色缓存进行简化处理。