CN104464646A - 通过调整插入帧/场局部亮度改变视频动态范围的方法 - Google Patents

Abstract

发明涉及数字显示技术、数字视频处理技术，为提供一种低成本提高显示器主观感受对比度的方法。该方法不需复杂的硬件系统，通过软件算法和提高帧率来改变观众主观感受的显示对比度，使其能够方便、有效地改善用户的视觉体验。为此，本发明采取的技术方案是，通过调整插入帧/场局部亮度改变视频动态范围的方法，在根据相邻2帧运动情况生成具有中间运动状态的插入帧时，将插入帧根据亮度水平分成3部分：黑暗部分、高光部分和中间灰度部分，采用S函数对亮度不同的子区域进行映射，使映射后的插入帧低亮度部分更黑、高亮度部分更亮、中间灰度部分按照S函数的参数小幅度调整。本发明主要应用于数字视频处理。

Description

通过调整插入帧/场局部亮度改变视频动态范围的方法

技术领域

发明涉及数字显示技术,数字视频处理技术，具体讲，涉及通过调整插入帧/场局部亮度改变视频动态范围的方法。

技术背景

自然界中景物的亮度值具有非常大的动态范围，一般可以达到10个数量级。人眼可观察到的对比度范围为10,000:1左右。普通LCD显示器可达到的对比度范围远远不能达到人眼的水平。目前测试显示器对比度的方法主要有两种。第一种方法先让显示设备全屏显示白色，测量亮度值；再全屏显示黑色，测量亮度值，得出对比度值，也叫全开全关(Full ON Full OFF)对比度。在这种测试方法下，目前市场上主流液晶显示器的对比度大多集中在400：1至600：1的水平上。第二种方法是美国国家标准委员会ANSI的测试方法，这种方法在显示器上显示16棋盘格黑白相间图案，分别在屏幕上各个方块处测定黑色亮度和白色亮度，以平均值得出的对比度值可称为ANSI对比度。此种方法下，普通LCD显示器测试的对比度只有大约270：1。而Akiko Yoshida等[1]通过大量的心理物理学实验来寻找人的喜好和图像的各种参数的关系时发现，当人们希望看到令人愉悦的图片时，人们往往会增大对比度来达到这种目的，有时对比度甚至会达到原图像的四倍之多。

因此，如何提高显示器对比度具有很大的研究价值。目前，已有解决方案分为两类，第一类是高动态范围(HDR)显示器方法。。Helge Seetzen等[2]提出了两种HDR显示系统设计方案。第一种采用LCD面板和DLP投影仪双屏显示系统，DLP作为背光通过菲涅尔透镜将光束投到LCD面板上，可以将显示系统的动态范围提高到54,000：1。但是这种方案体积庞大，造价也比较高。另一种方案采用LED作为背光源，设计LED-LCD双屏显示。从输入的HDR图像中分离出两路信号，分别驱动LED、LCD，两屏效果相叠加以提高显示器的动态范围。但是该方案受LED成本、散热等问题的限制。Gabriele Guarnieri等[3]提出LCD-LCD结构的双液晶显示系统，使后板图像变模糊，前板图像变得更为锐利。这种方法需要提高背光亮度，并且会产生视差问题。黄炳乐等[4]提出高动态范围显示系统方案，以场致发射背光作为液晶显示器的背光源，实现背光显示面板与液晶显示器的点对点控制，对HDR图像进行前后面板的分割。场致背光源目前仍需解决集成度较低问题，以适应大规模生产的需要。

第二类提高显示器对比度的方法是通过动态控制全黑场景下背光强度来动态调整对比度范围。此种方法在黑色场景时将背光亮度适当调低，从而使黑色场景足够黑。易造成整体忽明忽暗。且无法同时调整在同一画面上的黑暗区域与高光区域。此外，还需解决背光变化速度、即全黑画面下背光由正常变化转成最低亮度的时候所需要的时间长短问题。因此并未受到消费者广泛青睐。

可以看出，在传统的高动态范围显示系统中，采用投影仪、LED阵列等双屏结构的显示器往往存在体积庞大、造价昂贵等缺点。另外，也会产生因背光源分辨力低而导致功耗高、局部对比度低和光晕等问题。而动态调整全黑场景下背光强度的方法易造成整体忽明忽暗、且无法同时调整同一画面中黑暗区域与高光区域。

参考文献

[1]Yoshida A,Mantiuk R,Myszkowski K,et al.Analysis of Reproducing Real‐World Appearance on Displays of Varying Dynamic Range[C]//Computer Graphics Forum.Blackwell Publishing,Inc,2006,25(3):415-426.

[2]Seetzen H,Heidrich W,Stuerzlinger W,et al.High dynamic range displaysystems[C]//ACM Transactions on Graphics(TOG).ACM,2004,23(3):760-768.

[3]Guarnieri G,Albani L,Ramponi G.Image-splitting techniques for a dual-layer highdynamic range LCD display[J].Journal of Electronic Imaging,2008,17(4):043009-043009-9.

[4]黄炳乐,郭太良,姚剑敏,等.一种高动态范围显示系统的设计[J].液晶与显示,2013,28(6):906-910.

发明内容

为了克服现有技术的不足，提供一种低成本提高显示器主观感受对比度的方法。该方法不需复杂的硬件系统，通过软件算法和提高帧率来改变观众主观感受的显示对比度，使其能够方便、有效地改善用户的视觉体验。为此，本发明采取的技术方案是，通过调整插入帧/场局部亮度改变视频动态范围的方法，在根据相邻2帧运动情况生成具有中间运动状态的插入帧时，将插入帧根据亮度水平分成3部分：黑暗部分、高光部分和中间灰度部分，采用S函数对亮度不同的子区域进行映射，使映射后的插入帧低亮度部分更黑、高亮度部分更亮、中间灰度部分按照S函数的参数小幅度调整。

S函数的标准公式为：

$y=f\left(x\right)=\frac{1}{1+e^{-a(x-c)}}---\left(1\right)$

其中，参数a决定S函数的形状，参数c决定S函数的位置，x为待处理的对象。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

发明不改变现有普通显示器硬件结构，也无需增加或者改变背光源，仅通过软件算法、根据原始亮度合理调整插入帧或场亮度，来提高显示器的动态范围。此方法成本低、投入少、效果明显，普遍适用于各种显示器。为此，本发明采用的技术方案是，待插入帧或场生成模块根据相邻帧运动情况生成具有中间运动状态的插入帧后，采用图像分割技术将插入帧根据亮度水平分成若干子区域，采用具有“低端压缩、高端提升、中间部分保持”特性的函数对各具有不同亮度水平的子区域分别进行映射处理，使映射后的插入帧低亮度部分更黑、高亮度部分更亮、中间灰度部分基本保持不变。将亮度调整后的插入帧与原视频一起以高帧率播放，获得运动更平滑、且对比度更高的视频观看感受。

附图说明

图1本发明采用的亮度调整插入帧生成框图。

图2形状参数a取不同值时S函数的形状示意图。

具体实施方式

本发明提出一种采用普通LCD液晶显示屏，利用软件插帧算法，针对同一画面中的黑暗区域和高光区域分别处理，提高显示器动态范围的方法。

相对于自然界中广阔的动态范围，现有普通显示器并不能完全真实地再现人眼所观察到的场景。液晶显示器厂商致力于提高显示器主要指标，如亮度、对比度、色饱和度等，以提高产品显示高动态范围图像或视频的能力，使场景能够在显示器上得到最优化的再现。提高显示器的动态范围有助于显示画面质量的改进，以营造更具真实感的画面，给观看者带来更为愉悦的视觉感受。因此，开发具有高动态范围的显示器或能够拓展对比度的显示方法具有很高的研究以及市场应用价值。

提高显示器的刷新频率是显示器研制领域的趋势。韩国三星公司已于2008年研制出刷新频率可达240赫兹(Hz)的蓝相位模式液晶显示器。在高帧率模式下，于原视频序列的帧之间插入亮度合理调整的帧后，观众不但不会感觉到闪烁，反而会增强视频观看效果。

本发明基于高帧率显示模式，不改变现有普通显示器硬件结构，也无需增加或者改变背光源，通过插入亮度合理调整的帧/场来提高显示器的动态范围。

目前市场上已有利用输入视频中的相邻2帧(场)、合成一帧、以提高帧率至100/120帧/秒以上、得到运动更为平滑的视频的液晶显示器。本发明可直接应用于此类显示器的插入帧生成模块，改写插入帧或场生成算法，增加根据插入帧原亮度计算插入帧或场新亮度的代码，改变插入帧或场的局部亮度，使得视频整体看起来暗处更暗、亮处更亮，以增大显示器的动态范围。具体实施方法如下：

待插入帧或场生成模块根据相邻帧运动情况生成具有中间运动状态的插入帧后，采用图像分割技术将插入帧根据亮度水平分成若干子区域，采用具有“低端压缩、高端提升、中间部分保持”特性的函数对各具有不同亮度水平的子区域分别进行映射处理，使映射后的插入帧低亮度部分更黑、高亮度部分更亮、中间灰度部分基本保持不变。将亮度调整后的插入帧与原视频一起以高帧率播放，获得运动更平滑、且对比度更高的视频观看感受。

同样方法可应用于插入帧或场色度调整。

在能够根据输入视频中的相邻2帧(场)、合成中间一帧、以提高帧率至120帧/秒以上、得到运动更为平滑的视频的液晶显示器中，找到其插入帧生成模块，改写插入帧生成算法：待插入帧生成模块根据相邻2帧运动情况生成具有中间运动状态的插入帧后，将插入帧根据亮度水平分成3部分：黑暗部分、高光部分和中间灰度部分。采用S函数对亮度不同的子区域进行映射，使映射后的插入帧低亮度部分更黑、高亮度部分更亮、中间灰度部分按照S函数的参数小幅度调整。将亮度和色度调整后的插入帧与原视频一起以高帧率播放，得到运动更平滑、且显示动态范围更高的视频观看感受。

S函数的标准公式为：

$y=f\left(x\right)=\frac{1}{1+e^{-a(x-c)}}---\left(1\right)$

其中，参数a决定S函数的形状，参数c决定S函数的位置。在本发明中，参数c应取0.5。x为待处理的对象，例如亮度。根据设计要求选择合适的参数a值。不同a值对应的S函数的形状如图2所示。从图中可以看出，a值越大，对图像动态范围的调整就越明显。同样方法可应用于色度。

Claims (2)

1.一种通过调整插入帧/场局部亮度改变视频动态范围的方法，其特征是，在根据相邻2帧运动情况生成具有中间运动状态的插入帧时，将插入帧根据亮度水平分成3部分：黑暗部分、高光部分和中间灰度部分，采用S函数对亮度不同的子区域进行映射，使映射后的插入帧低亮度部分更黑、高亮度部分更亮、中间灰度部分按照S函数的参数小幅度调整。

2.如权利要求1所述的通过调整插入帧/场局部亮度改变视频动态范围的方法，其特征是，S函数的标准公式为：

$y=f\left(x\right)=\frac{1}{1+e^{-a(x-c)}}---\left(1\right)$

其中，参数a决定S函数的形状，参数c决定S函数的位置，x为待处理的对象。