CN104882097B - 基于环境光的图像显示方法及系统 - Google Patents
基于环境光的图像显示方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及基于环境光的图像显示方法及系统，所述图像显示方法包括步骤：感测目标显示装置的环境光亮度；获取输入图像；通过低通滤波处理分离出所述输入图像的亮度信息的低频分量和高频分量；将所述目标显示装置的所述环境光亮度、环境光参考亮度作为影响因素对所述低频分量进行变换映射得到变换后的低频分量；将所述变换后的低频分量减去所述环境光亮度后和所述高频分量进行合并以生成与所述输入图像相对应的输出图像；以及将所述输出图像提供至所述目标显示装置进行显示。本发明从图像处理角度通过对输入图像进行处理以提升显示图像质量，能够以较低的硬件成本使不同环境光下的显示图像正确再现更多的细节。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理及显示技术领域，特别涉及基于环境光的图像显示方法及系统。
背景技术
LED(Light Emitting Diode,发光二极管)全彩显示屏越来越广泛的应用于户外场景，如商场、娱乐场所、工厂、学校等大型场所，由于户外强光的作用，导致白天显示屏对比度下降，图像变暗。为了使显示图像在环境光下依然有良好的视觉效果，LED全彩显示屏行业也越来越关注环境光下LED显示质量提升技术。
最高对比度是能客观评价LED显示屏视频显示效果的重要指标，决定了显示屏的清晰程度，对显示效果有很大影响。如果存在环境光线，显示器的图像就不可避免会受到干扰，因为还没有不反光的面板材料出现。面板反光是要叠加在显示器发出的光线之上的，因此即便是一台100000：1的显示器在太阳底下也很难看清东西。举例说明，一台显示器的全白亮度为250cd/m2，全黑亮度为0.1cd/m2，那么在不存在环境光线的情况下的最大对比度为2500：1，当面板反射光在特定角度下带来的亮度为0.5cd/㎡时，它的对比度就变为(250+0.5)/(0.1+0.5)＝417:1，一点点环境光线就会明显影响显示器的对比度，更要注意的是环境光线基本是有色光线，叠加在显示器上还会影响色彩表现，因此行业内显示屏制造商会尽可能提高显示屏最大亮度，降低屏幕反射率，例如用黑面罩等。目前LED行业解决此问题的主要方法有：
1)降低LED显示屏表面反射率。根据LED显示屏测量方法得知，对比度指标的表达式为C＝(Lmax-LD)/LD，其中，Lmax为显示屏的最大亮度，LD为背景亮度。背景亮度是由LED显示屏的面板和LED发光管反射外界光照产生的，即测得的背景亮度LD数值是由面板的反射系数和发光管的反射系数决定。面板的反射系数越大，测得的背景亮度的数值也越大，得到的对比度的数值会越小。故目前主要是在LED面板及LED发光管进行特殊工艺处理，降低LED面板反射率，从而提高LED显示屏对比度。目前市面上使用较多的是LED发光管表面刷墨和LED发光管使用黑色PPA材质。虽然这种方法可以有效提升显示图像的对比度、改善图像质量，但是在制作工艺上存在一定的难度，硬件实施起来比较困难，同时也会大大增加生产商的成本。
2)提高显示屏的最大亮度。当外界环境光的作用导致显示屏背景亮度变大时，提高显示屏最大亮度，增大最大亮度与背景亮度的差值，可有效提高户外显示屏的对比度效果；但这种方法也直接带来了功耗的问题，亮度越大，耗能越多，这也会降低LED显示屏的寿命。又由于设备自身条件的限制，显示屏的亮度范围是有限的，在技术上实现也是一个难点。另外，显示亮度在某些场合并不是越大越好，如暗环境下，如果亮度过高，会形成光污染，对观察者的视力造成伤害。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种基于环境光的图像显示方法以及一种基于环境光的图像显示系统。
具体地，本发明实施例提供的一种基于环境光的图像显示方法，包括步骤：感测目标显示装置的环境光亮度；获取输入图像；通过低通滤波处理分离出所述输入图像的亮度信息的低频分量和高频分量；将所述目标显示装置的所述环境光亮度、环境光参考亮度作为影响因素对所述低频分量进行变换映射得到变换后的低频分量；将所述变换后的低频分量减去所述环境光亮度后和所述高频分量进行合并以生成与所述输入图像相对应的输出图像；以及将所述输出图像提供至所述目标显示装置进行显示。
此外，本发明实施例提供的一种基于环境光的图像显示系统，包括：环境光感测装置、图像处理装置以及目标显示装置；其中，环境光感测装置用于感测目标显示装置的环境光亮度；图像处理装置用于获取输入图像，通过低通滤波处理分离出所述输入图像的亮度信息的低频分量和高频分量，将所述目标显示装置的所述环境光亮度、环境光参考亮度作为影响因素对所述低频分量进行变换映射得到变换后的低频分量以及将所述变换后的低频分量减去所述环境光亮度后和所述高频分量进行合并以生成与所述输入图像相对应的输出图像；目标显示装置用于根据所述输出图像进行显示。
由上可知，本发明上述实施例从图像处理角度通过对输入图像进行处理以提升显示图像质量，其可以达成以下一个或多个有益效果：(1)降低硬件成本；(2)根据目标显示装置周围环境光的变化，对图像的亮度资源进行重新分配，以提高环境光下显示图像的感观质量；(3)提高显示图像的局部对比度，使不同环境光下的显示图像都能正确再现更多的细节。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明第一实施例提供的局部映射算法的处理框图。
图2为本发明第一实施例的图像亮度信息的低通滤波处理原理示意图。
图3A至3D分别为相关于本发明第一实施例的输入图像的原图、环境光影响下的降质图、不进行低通滤波处理而直接进行变换映射的显示效果图以及进行低通滤波处理后再进行变换映射的显示效果图。
图4为本发明第二实施例提供的局部映射算法的处理框图。
图5为本发明第二实施例的gamma变换映射的变换映射曲线。
图6A至6D分别为相关于本发明第二实施例的输入图像的原图、环境光影响下的降质图、不进行低通滤波处理而直接进行gamma变换映射的显示效果图以及进行低通滤波处理后再进行gamma变换映射的显示效果图。
图7为本发明第三实施例提供的一种图像处理装置的功能模块示意图。
图8为本发明第四实施例提供的一种图像显示系统的架构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
【第一实施例】
本发明第一实施例提出的图像处理方法采用局部映射算法，也即将输入图像的亮度信息进行分离以得到图像亮度信息低频分量和图像亮度信息高频分量，并使图像亮度信息高频分量保持不变，而仅对图像亮度信息低频分量执行保留图像亮度感知差异的变换映射算法；其中，图像亮度信息低频分量反映光照强度，图像亮度信息高频分量则包含图像细节信息。
下面将结合图1对本实施例的局部映射算法的流程进行详细说明：
首先，将原始输入图像和环境光参考亮度Ldark进行叠加得到输入图像I(x,y)，其中(x,y)为图像中的像素点坐标。此处的环境光参考亮度Ldark在实际应用中为目标显示装置在暗环境下(例如暗室)显示全黑画面(对应图像最小灰度)时测得的屏幕亮度，其取值通常较小，甚至可能为0。
然后，将输入图像I(x,y)的亮度信息分成两层，也即分成基础层(对应图像亮度信息低频分量)和细节层(对应图像亮度信息高频分量)；如图2所示，图2左侧为原图，图2中间为图像基础层，图2右侧为图像细节层。至于输入图像I(x,y)的亮度信息和色度信息则可以利用LAB颜色模型进行分离，在此不作详述。此处的基础层和细节层的获得方法如下：
对输入图像I(x,y)进行低通滤波处理，得到基础层B(x,y)，然后用原图I(x,y)减去基础层B(x,y)可得到细节层D(x,y)；表示如下：
B(x,y)＝F(I(x,y)) ……(1)
D(x,y)＝I(x,y)－B(x,y) ……(2)
其中，F(*)为低通滤波函数，(x,y)为图像中的像素点坐标。
优选地，本实施例的低通滤波函数采用双边滤波器；双边滤波器不仅能对图像进行滤波、还能保留图像的边缘信息，至于双边滤波器的具体算法为公知技术，在此不作详述。
接下来，执行保留图像亮度感知差异的变换映射算法，具体为对图像基础层的各像素点实现一对一的映射(或称基础层全局映射)以实现对基础层亮度的重新分配，所采用的算法公式例如为：
其中，RB(i)为在环境光参考亮度Ldark的环境下低频分量值B(i)所对应的亮度响应值，i为整数且取值范围为图像最小灰度(例如灰度0)至最大灰度(例如灰度255)，RB'(i)为对应于RB(i)的变换映射后亮度响应值且为对应环境光亮度Lamb的环境下低频分量值B'(i)所对应的亮度响应值，rangeamb为在环境光亮度Lamb的环境下人眼对图像亮度的响应范围，rangedark为在环境光参考亮度Ldark的环境下人眼对图像亮度的响应范围；当i取图像最小灰度时，B(i)等于环境光参考亮度Ldark且B'(i)等于环境光亮度Lamb。此处，环境光亮度Lamb在实际应用中为目标显示装置在目标显示环境中显示全黑画面(对应图像最小灰度)时量测的屏幕亮度。
在公式(3)中，低频分量值B'(i)为低频分量值B(i)经本实施例变换映射后的值，相应地，低频分量值B'(i+1)为低频分量值B(i+1)经本实施例变换映射后的值。
承上述，在执行上述变换映射算法得到在环境光亮度Lamb的环境下低频分量值B'(i)所对应的亮度响应值RB'(i)后，经由人眼亮度响应曲线即可得到对应环境光亮度Lamb的环境下各个图像灰度i的低频分量值B'(i)，再根据输入图像I(x,y)中各个像素点(x,y)的灰度，即可得到输入图像I(x,y)中各个像素点(x,y)在上述变换映射后的图像亮度信息低频分量值B'(x,y)，从而实现对输入图像中的低频分量B(x,y)的变换映射。
在得到输入图像I(x,y)中各个像素点(x,y)的变换映射后图像亮度信息低频分量值B'(x,y)之后，将各个图像像素点的B'(x,y)均减去环境光亮度Lamb，以得到各个图像像素点(x,y)的最终图像亮度信息低频分量值B”(x,y)。此处减去环境光亮度Lamb是因为：变换映射时将环境光亮度Lamb的影响已考虑了进来，而在对输出图像进行显示时环境光亮度Lamb会自动叠加到目标显示装置的屏幕上。
最后，将最终图像亮度信息低频分量值B”(x,y)、前述未进行变换映射的图像亮度信息高频分量D(x,y)以及图像色度信息进行合并，即可生成输出图像I'(x,y)。此处可以理解的是，如果输入图像I(x,y)为灰度图像，则将B”(x,y)和D(x,y)进行合并即可生成输出图像I'(x,y)。
请参见图3A至3D，其中，图3A为输入图像的原图，图3B为未对输入图像进行变换映射处理而在环境光Lamb影响下的降质图，图3C为未对输入图像进行亮度信息分层(例如低通滤波处理)而直接进行变换映射的显示效果图，图3D为对输入图像进行亮度信息分层后再进行变换映射的显示效果图。比较图3B至图3D可知，本实施例的先分层再进行变换映射的图像处理方法可以使得处理后的图像的显示效果具有与原图接近的感知印象。
【第二实施例】
本发明第二实施例提出的图像处理方法采用局部映射算法，也即将输入图像的亮度信息进行分离以得到图像亮度信息低频分量和图像亮度信息高频分量，并使图像亮度信息高频分量保持不变，而仅对图像亮度信息低频分量执行gamma变换映射算法；其中，图像亮度信息低频分量反映图像强度，图像亮度信息高频分量则包含图像细节信息。
下面将结合图4对本实施例的局部映射算法的流程进行详细说明：
首先，将原始输入图像和环境光参考亮度Ldark进行叠加得到输入图像I(x,y)，其中(x,y)为图像中的像素点坐标。此处的环境光参考亮度Ldark在实际应用中为目标显示装置在暗环境下显示全黑画面(对应图像最小灰度)时测得的屏幕亮度，其取值通常较小，甚至可能为0。
然后，将输入图像I(x,y)的亮度信息分成两层，也即分成基础层(对应图像亮度信息低频分量)和细节层(对应图像亮度信息高频分量)；如图2所示，图2左侧为原图，图2中间为图像基础层，图2右侧为图像细节层。至于输入图像I(x,y)的亮度信息和色度信息则可以利用LAB颜色模型进行分离，在此不作详述。此处的基础层和细节层的获得方法如下：
对输入图像I(x,y)进行低通滤波处理，得到基础层B(x,y)，然后用原图I(x,y)减去基础层B(x,y)可得到细节层D(x,y)；表示如下：
B(x,y)＝F(I(x,y)) ……(1)
D(x,y)＝I(x,y)－B(x,y) ……(2)
其中，F(*)为低通滤波函数，(x,y)为图像中的像素点坐标。
优选地，本实施例的低通滤波函数采用双边滤波器；双边滤波器不仅能对图像进行滤波、还能保留图像的边缘信息，至于双边滤波器的具体算法为公知技术，在此不作详述。
接下来，执行gamma变换映射算法，具体为对图像各像素点的基础层B(x,y)实现一对一的gamma变换映射(或称gamma全局映射)以实现对基础层亮度B(x,y)的重新分配，所采用的算法公式例如为：
B'(x,y)＝B(x,y)γ ……(4)
其中，Lamb为环境光亮度，Ldark为环境光参考亮度，Lrange为目标显示装置的屏幕亮度。
在公式(4)中，B'(x,y)为B(x,y)进行gamma变换映射后的值。
由公式(4)可知，gamma变换映射为一种非线性变换映射。假设环境光亮度Lamb为100cd/m2,屏幕亮度范围Lrange为1000cd/m2，环境光参考亮度Ldark为2cd/m2，则对应的gamma变换映射曲线为如图5所示。此处可以理解的是，对于确定的目标显示装置，不同的环境光亮度对应不同的gamma变换映射曲线。
在得到输入图像I(x,y)中各个像素点(x,y)的变换映射后图像亮度信息低频分量值B'(x,y)之后，将各个图像像素点的B'(x,y)均减去环境光亮度Lamb，以得到各个图像像素点(x,y)的最终图像亮度信息低频分量值B”(x,y)。此处减去环境光亮度Lamb是因为：变换映射时将环境光亮度Lamb的影响已考虑了进来，而在对输出图像进行显示时环境光亮度Lamb会自动叠加到目标显示装置的屏幕上。
最后，将最终图像亮度信息低频分量值B”(x,y)、前述未进行变换映射的图像亮度信息高频分量D(x,y)以及图像色度信息进行合并，即可生成输出图像I'(x,y)。此处可以理解的是，如果输入图像I(x,y)为灰度图像，则将B”(x,y)和D(x,y)进行合并即可生成输出图像I'(x,y)。
请参见图6A至6D，其中，图6A为输入图像的原图，图6B为未对输入图像进行变换映射处理而在环境光Lamb影响下的降质图，图6C为未对输入图像进行亮度信息分层(例如低通滤波处理)而直接进行gamma变换映射的显示效果图，图6D为对输入图像进行亮度信息分层后再进行gamma变换映射的显示效果图。比较图6B至图6D可知，本实施例的先分层再进行gamma变换映射的图像处理方法可以使得处理后的图像的显示效果具有与原图接近的感知印象。
【第三实施例】
结合图1、图4和图7，本发明第三实施例的一种图像处理装置70例如是由安装于上位机操作系统的软件来实现，其包括：输入图像获取模块71、图像低通滤波模块73、图像低频分量变换映射模块75以及输出图像生成模块77。其中，输入图像获取模块71用于获取输入图像I(x,y)；图像低通滤波模块73用于对输入图像I(x,y)的亮度信息进行低通滤波处理分离出低频分量B(x,y)和高频分量D(x,y)；图像低频分量变换映射模块75用于将输入图像的欲显示环境的环境光亮度Lamb、环境光参考亮度Ldark、甚至是目标显示装置的屏幕亮度范围Lrange作为影响因素对低频分量B(x,y)进行变换映射得到变换后的低频分量B'(x,y)；以及输出图像生成模块77用于将变换后的低频分量B'(x,y)减去所述环境光亮度Lamb后和所述高频分量D(x,y)进行合并以生成与输入图像I(x,y)相对应的输出图像I'(x,y)。上述各个模块71至77的执行细节可参见前述第一和第二实施例的图像处理方法，在此不再赘述。
【第四实施例】
结合图1、图4、图7和图8，本发明第四实施例的一种基于环境光的图像显示系统80，其包括：环境光感测装置81、图7所示的图像处理装置70以及目标显示装置85。其中，环境光感测装置81用于实时感测目标显示装置85的环境光亮度Lamb，其例如是安装在目标显示装置85上以感测目标显示装置85的屏幕亮度作为环境光亮度Lamb；图像处理装置70用于获取输入图像I(x,y)、对输入图像I(x,y)的亮度信息进行低通滤波处理分离出低频分量B(x,y)和高频分量D(x,y)、将输入图像的欲显示环境的环境光亮度Lamb、环境光参考亮度Ldark、甚至是目标显示装置85的屏幕亮度范围Lrange作为影响因素对低频分量B(x,y)进行变换映射得到变换后的低频分量B'(x,y)、以及将所述变换后的低频分量B'(x,y)减去所述环境光亮度Lamb后和高频分量D(x,y)进行合并以生成与输入图像I(x,y)相对应的输出图像I'(x,y)；以及目标显示装置85用于根据输出图像I'(x,y)进行显示。
此外，本发明其他实施例还提供一种基于环境光的图像显示方法，其例如包括步骤：感测目标显示装置的环境光亮度；进行例如前述第一实施例或第二实施例的图像处理方法以得到输出图像；以及将所述输出图像提供至所述目标显示装置进行显示。在此，值得一提的是，一般而言，环境光亮度是通过光学传感器来直接感测，但也不排除通过时间段来区分环境光亮度(也即通过时间段间接获取环境光亮度)，这是因为室外目标显示装置在不同时间段的环境光亮度是不同的。相应地，上述第四实施例的环境光感测装置可以是光学传感器；又或者是时间获取装置，以用于获取当前时间再配合时间与环境光亮度的映射关系间接感测环境光亮度。
综上所述，本发明上述实施例从图像处理角度通过对输入图像进行处理以提升显示图像质量，其可以达成以下一个或多个有益效果：(1)降低硬件成本；(2)根据目标显示装置周围环境光的变化，对图像的亮度资源进行重新分配，以提高环境光下显示图像的感观质量；(3)提高显示图像的局部对比度，使不同环境光下的显示图像都能正确再现更多的细节。
至此，本文中应用了具体个例对本发明基于环境光的图像显示方法及系统的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。
Claims (10)
1.一种图像显示方法，其特征在于，包括步骤：
(a)感测目标显示装置的环境光亮度
(b)获取输入图像；
(c)通过低通滤波处理分离出所述输入图像的亮度信息的低频分量和高频分量；
(d)将所述目标显示装置的环境光亮度、环境光参考亮度作为影响因素对所述低频分量进行变换映射得到变换后的低频分量；
(e)将所述变换后的低频分量减去所述环境光亮度后和所述高频分量进行合并以生成与所述输入图像相对应的输出图像；
(f)将所述输出图像提供至所述目标显示装置进行显示。
2.如权利要求1所述的图像显示方法，其特征在于，步骤(b)中的所述输入图像是由原始输入图像叠加所述环境光参考亮度后得到。
3.如权利要求1所述的图像显示方法，其特征在于，步骤(c)中，所述低通滤波处理采用双边滤波器。
4.如权利要求1所述的图像显示方法，其特征在于，步骤(d)中，所述变换映射采用的变换映射算法公式为：
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其中，RB(i)为在所述环境光参考亮度的环境下低频分量值B(i)所对应的亮度响应值，i为整数且取值范围为图像最小灰度至最大灰度，RB'(i)为对应于RB(i)的变换映射后亮度响应值且为对应所述环境光亮度的环境下低频分量值B'(i)所对应的亮度响应值，rangeamb为在所述环境光亮度的环境下人眼对图像亮度的响应范围，rangedark为在所述环境光参考亮度的环境下人眼对图像亮度的响应范围；当i取图像最小灰度时，B(i)等于所述环境光参考亮度且B'(i)等于所述环境光亮度。
5.如权利要求1所述的图像显示方法，其特征在于，步骤(d)包括：
将所述目标显示装置的环境光亮度、环境光参考亮度、所述目标显示装置的屏幕亮度范围作为影响因素对所述低频分量进行gamma变换映射得到变换后的低频分量，其中所述gamma变换映射采用的算法公式为：
B'(x,y)＝B(x,y)γ，
其中，
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Lamb为所述环境光亮度，
Lrange为所述屏幕亮度范围，Ldark为所述环境光参考亮度，B(x,y)为图像像素点(x,y)在
所述环境光参考亮度的环境下的低频分量值，B'(x,y)为对应于B(x,y)的变换映射后低频
分量值。
6.如权利要求1所述的图像显示方法，其特征在于，步骤(a)中，所述环境光亮度是通过光学传感器测量来获取、或者是通过时间获取装置再配合时间与环境光亮度的映射关系间接获取。
7.一种基于环境光的图像显示系统，其特征在于，包括：
环境光感测装置，用于感测目标显示装置的环境光亮度；
图像处理装置，用于获取输入图像、通过低通滤波处理分离出所述输入图像的亮度信息的低频分量和高频分量、将所述目标显示装置的所述环境光亮度、环境光参考亮度作为影响因素对所述低频分量进行变换映射得到变换后的低频分量以及将所述变换后的低频分量减去所述环境光亮度后和所述高频分量进行合并以生成与所述输入图像相对应的输出图像；以及
所述目标显示装置，用于根据所述输出图像进行显示。
8.如权利要求7所述的图像显示系统，其特征在于，所述图像处理装置采用的低通滤波处理包括使用双边滤波器。
9.如权利要求7所述的图像显示系统，其特征在于，所述图像处理装置采用的变换映射的算法公式为：
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<mo>,</mo>
</mrow>
其中，RB(i)为在所述环境光参考亮度的环境下低频分量值B(i)所对应的亮度响应值，i为整数且取值范围为图像最小灰度至最大灰度，RB'(i)为对应于RB(i)的变换映射后亮度响应值且为对应所述环境光亮度的环境下低频分量值B'(i)所对应的亮度响应值，rangeamb为在所述环境光亮度的环境下人眼对图像亮度的响应范围，rangedark为在所述环境光参考亮度的环境下人眼对图像亮度的响应范围；当i取图像最小灰度时，B(i)等于所述环境光参考亮度且B'(i)等于所述环境光亮度。
10.如权利要求7所述的图像显示系统，其特征在于，所述图像处理装置采用的变换映射的算法公式为：
B'(x,y)＝B(x,y)γ，
其中，
<mrow>
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<mo>,</mo>
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Lamb为所述环境光亮度，
Lrange为所述目标显示装置的屏幕亮度范围，Ldark为所述环境光参考亮度，B(x,y)为图像
像素点(x,y)对应所述环境光参考亮度的环境下的低频分量值，B'(x,y)为对应于B(x,y)的
变换映射后低频分量值。 2
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