CN104994364A - 一种图像处理方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像处理方法和装置，属于图像显示领域。所述发明包括基于亮度补偿和对比度-色调调节的图像处理方法，通过对待显示图像依次进行亮度补偿和对比度-色调调节。本发明通过将待显示图像依次进行亮度补偿和对比度-色调补偿，得到补偿处理后的输出图像，使得在显示设备降低亮度的情况下，显示设备显示的输出图像依然具有足够的对比度和色调，同时最大程度保证图像细节。从而保证在降低显示设备功耗时依然令显示设备显示的图像具有足够的可视性。

Description

一种图像处理方法和装置

技术领域

本发明属于图像显示领域，特别涉及一种图像处理方法和装置。

背景技术

显示技术是人机联系和信息展示的窗口，广泛应用于工业、军事、交通、娱乐、教育、航空航天，以及医疗等各个领域。自发光性显示设备(如发光二极管显示(OLED)设备)和非自发光性显示设备(如液晶显示(LCD)设备)。其中，LCD设备以其画质清晰，视角宽阔，轻巧便携，低辐射益健康，价格低廉等特点倍受工程师和消费者青睐而发展迅速，已成为当前的主流显示设备。

在LCD这样的非自发性显示设备中，背光的功耗占据了显示设备整体功耗的90％以上，因此为了降低显示设备的功耗，降低背光功耗是首先需要解决的问题。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

如果单纯的降低显示设备中背光的功耗，会直接导致非自发性显示设备显示亮度的降低，尤其在正午阳光这样的高亮度环境下，使得显示设备显示的内容无法看清，使得显示内容的可视性变差。如果为了保证显示内容可视性提高显示亮度则又违背了降低功耗的初衷。因此较高的显示内容可视性和较低的背光功耗似乎成为鱼和熊掌不可兼得的矛盾体。

发明内容

为了解决现有技术的问题，第一方面，本发明提供了一种图像处理方法，所述图像处理方法，包括：

将待显示图像进行色彩空间转换，得到转换后的第一图像；

确定亮度补偿策略；

获取亮度变化数据，根据所述亮度变化数据，结合所述亮度补偿策略，对所述第一图像中的亮度分量进行亮度补偿，得到亮度补偿图像；

确定对比度-色调映射策略；

结合所述对比度-色调映射策略，对所述亮度补偿图像进行对比度-色调补偿，得到输出亮度图像；

根据所述输出亮度图像，确定图像转换矩阵，根据所述图像转换矩阵对所述待显示图像进行处理，得到处理后的输出图像。

可选的，所述确定亮度补偿策略，包括：

在第一显示亮度时，人眼感受到的设备第一亮度值为L＝B·t(k)＝b·B_max·t(k)，当在第二显示亮度时，人眼感受到的设备第二亮度值为L′＝b·B_max·t(y_k)，

令所述设备第一亮度值与所述设备第二亮度值相等，得到亮度补偿映射函数y

$y_k=255\·{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_1(1-b)+{\mathrm{\ω}}_2(k/255)}{{\mathrm{\ω}}_{2}b}\right)}^{1/\mathrm{\γ}}$

其中，L是人眼感知到的设备亮度，b为背光调整系数，B_max是背光最大值，t(k)＝ω₁+ω₂·(k/255)^γ是液晶屏透光率，k是图像像素值，ω₁＝0.057,ω₂＝1.224,γ＝1.691是三个设备参数，向量y表示亮度补偿映射函数，y_k表示将第一图像中像素值为k的像素映射为y_k。

可选的，所述确定对比度-色调映射策略，包括：

提取所述亮度补偿图像中的直方图；

根据所述直方图对所述亮度补偿图像的对比度进行最大化处理，即

$\underset{s_j}{\max }\underset{j=1}{\overset{I-1}{\mathrm{\Σ}}}{p}_j(s_j+s_{j+1}),$

s_j＝x_j-x_j-1，

$p_j=\frac{h_j}{1^{t}h},$

其中，h表示所述直方图，向量x表示对比度-色调映射函数，其中的元素x_k表示将所述亮度补偿图像中值为k的像素映射为x_k，s_j表示两个相差为1的像素值j和j-1映射成x_j和x_j-1后的差值，像素值j的对比度定义为s_j+s_j-1，I是亮度补偿图像的最大像素值，p是概率密度函数；

确定将所述亮度补偿图像进行映射时的损失函数；

构建对比度-色调映射优化约束条件

$\max \mathrm{mize}\underset{j=1}{\overset{I-1}{\mathrm{\Σ}}}{p}_j(s_j+s_{j+1})$

$\mathrm{subject\; to}\left(a\right)\underset{1\&le;j\&le;I}{\mathrm{\&Sigma;}}{s}_j<255,$

(b)s_j≥1/d,1≤j＜I,

(c)s_j≤t.

其中，目标函数maxmize表示最大化的对比度，(a)表示将输出图像的范围限定在显示设备最终可显示的范围内，(b)为所述损失函数

$D\left(s\right)=\underset{1\&le;i,j<I}{\max }\{j-i||x_i=x_j;p_i>0,p_j>0\}$

的简洁表达形式，D(s)≤d，参数d通常取2或3，(c)表示使色调映射的损失在可控范围内，参数的取值范围为t∈[1,2]；

根据所述优化约束条件，确定优化函数s，根据所述优化函数s确定对比度-色调映射函数x：

$x_i=\underset{1\&le;j<i}{\mathrm{\&Sigma;}}{s}_j,x_0=0.$

可选的，所述根据所述输出亮度图像，确定图像转换矩阵，根据所述图像转换矩阵对所述待显示图像进行处理，得到处理后的输出图像，包括：

根据所述输出亮度图像Y_out确定待输入亮度图像Y_in’

${Y_{\mathrm{in}}}^{\&prime;}=255\&CenterDot;{\left(\frac{{\mathrm{\&omega;}}_1(b-1)+{\mathrm{\&omega;}}_2\&CenterDot;b\&CenterDot;{(Y_{\mathrm{out}}/255)}^{\mathrm{\&gamma;}}}{{\mathrm{\&omega;}}_2}\right)}^{1/\mathrm{\&gamma;}};$

根据所述待输出图像和所述第一图像的亮度分量，确定图像转换系数ratio

$\mathrm{ratio}=\frac{{U_{\mathrm{in}}}^{\&prime;}}{Y_{\mathrm{in}}};$

根据所述图像转换系数，得到图像转换矩阵

$\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{ratio}& 0& 0\\ 0& \mathrm{ratio}& 0\\ 0& 0& \mathrm{ratio}\end{array}\right];$

根据所述图像转换矩阵，结合所述待显示图像中每个像素的R、G、B值，得到处理后的输出图像中每个像素的R′、G′、B′值，进而得到所述输出图像。

第二方面，本发明还提供一种图像处理装置，所述图像处理装置，包括：

转换单元，用于将待显示图像进行色彩空间转换，得到转换后的第一图像；

策略确定单元，用于确定亮度补偿策略；

图像补偿单元，用于获取亮度变化数据，根据所述亮度变化数据，结合所述亮度补偿策略，对所述第一图像中的亮度分量进行亮度补偿，得到亮度补偿图像；

策略确定单元，还用于确定对比度-色调映射策略；

图像补偿单元，用于结合所述对比度-色调映射策略，对所述亮度补偿图像进行对比度-色调补偿，得到输出亮度图像；

图像输出单元，用于根据所述输出亮度图像，确定图像转换矩阵，根据所述图像转换矩阵对所述待显示图像进行处理，得到处理后的输出图像。

可选的，所述策略确定单元，具体用于：

在第一显示亮度时，人眼感受到的设备第一亮度值为L＝B·t(k)＝b·B_max·t(k)，当在第二显示亮度时，人眼感受到的设备第二亮度值为L′＝b·B_max·t(y_k)，

令所述设备第一亮度值与所述设备第二亮度值相等，得到亮度补偿映射函数y

$y_k=255\&CenterDot;{\left(\frac{{\mathrm{\&omega;}}_1(1-b)+{\mathrm{\&omega;}}_2(k/255)}{{\mathrm{\&omega;}}_{2}b}\right)}^{1/\mathrm{\&gamma;}}$

其中，L是人眼感知到的设备亮度，b为背光调整系数，B_max是背光最大值，t(k)＝ω₁+ω₂·(k/255)^γ是液晶屏透光率，k是图像像素值，ω₁＝0.057,ω₂＝1.224,γ＝1.691是三个设备参数，向量y表示亮度补偿映射函数，y_k表示将第一图像中像素值为k的像素映射为y_k。

可选的，所述策略确定单元，还用于：

提取所述亮度补偿图像中的直方图；

根据所述直方图对所述亮度补偿图像的对比度进行最大化处理，即

$\underset{s_j}{\max }\underset{j=1}{\overset{I-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_j(s_j+s_{j+1}),$

s_j＝x_j-x_j-1，

$p_j=\frac{h_j}{1^{t}h},$

其中，h表示所述直方图，向量x表示对比度-色调映射函数，其中的元素x_k表示将所述亮度补偿图像中值为k的像素映射为x_k，s_j表示两个相差为1的像素值j和j-1映射成x_j和x_j-1后的差值，像素值j的对比度定义为s_j+s_j-1，I是亮度补偿图像的最大像素值，p是概率密度函数；

确定将所述亮度补偿图像进行映射时的损失函数；

构建对比度-色调映射优化约束条件

$\max \mathrm{mize}\underset{j=1}{\overset{I-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_j(s_j+s_{j+1})$

$\mathrm{subject\; to}\left(a\right)\underset{1\&le;j\&le;I}{\mathrm{\&Sigma;}}{s}_j<255,$

(b)s_j≥1/d,1≤j＜I,

(c)s_j≤t.

其中，目标函数maxmize表示最大化的对比度，(a)表示将输出图像的范围限定在显示设备最终可显示的范围内，(b)为所述损失函数

$D\left(s\right)=\underset{1\&le;i,j<I}{\max }\{j-i||x_i=x_j;p_i>0,p_j>0\}$

的简洁表达形式，D(s)≤d，参数d通常取2或3，(c)表示使色调映射的损失在可控范围内，参数的取值范围为t∈[1,2]；

根据所述优化约束条件，确定优化函数s，根据所述优化函数s确定对比度-色调映射函数x：

$x_i=\underset{1\&le;j<i}{\mathrm{\&Sigma;}}{s}_j,x_0=0.$

可选的，所述图像输出单元，具体用于：

根据所述输出亮度图像Y_out确定待输入亮度图像Y_in’

${Y_{\mathrm{in}}}^{\&prime;}=255\&CenterDot;{\left(\frac{{\mathrm{\&omega;}}_1(b-1)+{\mathrm{\&omega;}}_2\&CenterDot;b\&CenterDot;{(Y_{\mathrm{out}}/255)}^{\mathrm{\&gamma;}}}{{\mathrm{\&omega;}}_2}\right)}^{1/\mathrm{\&gamma;}};$

根据所述待输出图像和所述第一图像的亮度分量，确定图像转换系数ratio

$\mathrm{ratio}=\frac{{U_{\mathrm{in}}}^{\&prime;}}{Y_{\mathrm{in}}};$

根据所述图像转换系数，得到图像转换矩阵

$\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{ratio}& 0& 0\\ 0& \mathrm{ratio}& 0\\ 0& 0& \mathrm{ratio}\end{array}\right];$

根据所述图像转换矩阵，结合所述待显示图像中每个像素的R、G、B值，得到处理后的输出图像中每个像素的R′、G′、B′值，进而得到所述输出图像。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

通过将待显示图像依次进行亮度补偿和对比度-色调补偿，得到补偿处理后的输出图像，使得在显示设备降低亮度的情况下，显示设备显示的输出图像依然具有足够的对比度和色调，同时最大程度保证图像细节。从而保证在降低显示设备功耗时依然令显示设备显示的图像具有足够的可视性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种图像处理方法的流程示意图；

图2是本发明提供的一种图像处理方法的亮度补偿图像的直方图h示意图；

图3是本发明提供的一种图像处理装置的部件的结构示意图；

图4是本发明提供的一种图像处理方法对Android平台进行针对性优化的求解过程示意图；

图5是本发明提供的一种图像处理方法的仿真一的结果示意图；

图6是本发明提供的一种图像处理方法的仿真二的结果一的示意图；

图7是本发明提供的一种图像处理方法的仿真二的结果二的示意图；

图8是本发明提供的一种图像处理方法的仿真四的结果示意图；

图9是本发明提供的一种图像处理方法的仿真五的结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地描述。

实施例一

本发明提供了一种图像处理方法，如图1所示，所述图像处理方法，包括：

101、将待显示图像进行色彩空间转换，得到转换后的第一图像。

102、确定亮度补偿策略。

103、获取亮度变化数据，根据所述亮度变化数据，结合所述亮度补偿策略，对所述第一图像中的亮度分量进行亮度补偿，得到亮度补偿图像。

104、确定对比度-色调映射策略。

105、结合所述对比度-色调映射策略，对所述亮度补偿图像进行对比度-色调补偿，得到输出亮度图像。

106、根据所述输出亮度图像，确定图像转换矩阵，根据所述图像转换矩阵对所述待显示图像进行处理，得到处理后的输出图像。

在实施中，为了解决当前存在的非自发光性显示设备(如液晶显示(LCD)设备)为了降低功耗从而降低背光亮度，导致显示效果下降的情况，本发明提出了一种图像处理方法，具体的是基于亮度补偿和对比度-色调调节的图像处理方法，通过对待显示图像依次进行亮度补偿和对比度-色调调节，达到降低显示设备背光亮度时，在保证显示细节的情况下令显示图像依然具有可视性的效果。

简要来说，首先将待显示图像进行色彩空间的转换，即从原始的RGB色彩空间转换至YUV色彩空间，由于后者是以亮度和亮度色差信号进行图像保存以及传输的，便于单独对图像的亮度分量单独进行调节，因此本发明提出的图像处理方法的大部分步骤均在YUV色彩空间内进行。下边给出示例性的色彩空间转换事例。具体体现为步骤101。

将原始RGB图像转化到YUV颜色空间，得到第一图像。

$T=\left[\begin{array}{ccc}0.2126& 0.7152& 0.0722\\ -0.1146& -0.3854& 0.5\\ 0.5& -0.4542& -0.0468\end{array}\right],$

上述矩阵T从RGB色彩空间向YUV色彩空间进行转换时使用的转换矩阵。根据上述转换矩阵T，在进行图像中每个像素在YUV色彩空间中的Y、U、V分量时，分别用该像素的R、G、B值与矩阵T的第一行、第二行、第三行中的三个元素作乘法，获取该像素在第一图像中对应的Y、U、V分量，详情如下：

Y_in＝T(1,1)·R+T(1,2)·G+T(1,3)·B，

U_in＝T(2,1)·R+T(2,2)·G+T(2,3)·B+128，

V_in＝T(3,1)·R+T(3,2)·G+T(3,3)·B+128。

接着，在进行完色彩空间转换后，需要确定亮度补偿策略和对比度-色调补偿策略，上述两种策略在本质上说为两套图像处理函数，分别用于对待显示图像在亮度和对比度-色调上根据背光亮度降低的程度进行调节，得到在背光亮度降低一定数值的基础上，显示设备在保证图像可视性前提下，最终显示图像的亮度、对比度等参数。具体体现为步骤102至步骤105。

最终，根据之前确定的图像相关参数，确定一个图像转换矩阵，结合该图像转换矩阵，在RGB色彩空间内，将待显示图像中的每个像素的R、G、B数值进行运算，得到每个像素对应的处理后的R′、G′、B′值，进而得到了处理后的输出图像。可以在显示设备背光降低的情况下，该输出图像依然能具有一定的可视性，还保留有待显示图像中的大部分细节，提升了低背光下图像的可视性。

本发明提供一种图像处理方法，通过将待显示图像依次进行亮度补偿和对比度-色调补偿，得到补偿处理后的输出图像，使得在显示设备降低亮度的情况下，显示设备显示的输出图像依然具有足够的对比度和色调，同时最大程度保证图像细节。从而保证在降低显示设备功耗时依然令显示设备显示的图像具有足够的可视性。

可选的，所述确定亮度补偿策略即步骤102，包括：

在第一显示亮度时，人眼感受到的设备第一亮度值为

L＝B·t(k)＝b·B_max·t(k)，

当在第二显示亮度时，人眼感受到的设备第二亮度值为L′＝b·B_max·t(y_k)，

令所述设备第一亮度值与所述设备第二亮度值相等，得到亮度补偿映射函数y

$y_k=255\&CenterDot;{\left(\frac{{\mathrm{\&omega;}}_1(1-b)+{\mathrm{\&omega;}}_2(k/255)}{{\mathrm{\&omega;}}_{2}b}\right)}^{1/\mathrm{\&gamma;}}$

其中，L是人眼感知到的设备亮度，b为背光调整系数，B_max是背光最大值，t(k)＝ω₁+ω₂·(k/255)^γ是液晶屏透光率，k是图像像素值，ω₁＝0.057,ω₂＝1.224,γ＝1.691是三个设备参数，向量y表示亮度补偿映射函数，y_k表示将第一图像中像素值为k的像素映射为y_k。

在实施中，在使用显示设备时，背光发出的设备第一值与人眼实际感受的亮度并不相等，根据公式1可知：

L＝B·t(k)＝b·B_max·t(k)，  (1)

L是人眼感知到的设备亮度，b为背光调整系数，B_max是背光最大值，t(k)＝ω₁+ω₂·(k/255)^γ是液晶屏透光率，在现有技术中，设备参数具体为ω₁＝0.057,ω₂＝1.224,γ＝1.691。结合公式1，当背光亮度降低后，人眼感知到的亮度为设备第二亮度值

L′＝b·B_max·t(y_k)，  (2)

其中向量y表示亮度补偿映射函数，y_k表示将第一图像中像素值为k的像素映射为y_k。

为了保证在亮度降低后，人眼感知到的亮度不变，需要令t(y_k)的数值发生变化，因此令公式1和公式2的值相等，可以得到对于第k个像素，亮度补偿函数的表达式为：

$y_k=255\&CenterDot;{\left(\frac{{\mathrm{\&omega;}}_1(1-b)+{\mathrm{\&omega;}}_2(k/255)}{{\mathrm{\&omega;}}_{2}b}\right)}^{1/\mathrm{\&gamma;}}.$

后续的，根据该步骤最终到的亮度函数的表达式，将第一图像中每个像素的亮度分量即Y_in进行亮度补偿，得到补偿后的亮度补偿图像。

为了便于理解，此处结合具体数据对上述亮度补偿过程进行说明，假设背光调节系数为0.5，即背光强度变为最大值的50％，此时选取像素值为200的像素进行运算，k＝200×0.5＝100，在亮度补偿函数的表达式

$y_k=255\&CenterDot;{\left(\frac{{\mathrm{\&omega;}}_1(1-b)+{\mathrm{\&omega;}}_2(k/255)}{{\mathrm{\&omega;}}_{2}b}\right)}^{1/\mathrm{\&gamma;}}$

中，依次代入ω₁＝0.057,ω₂＝1.224,γ＝1.691的设备参数值，可以得到针对该像素的亮度补偿结果为y_k＝306.0622＞255，即对该像素亮度补偿后的像素值无法进行显示，出现该情况时，将类似于无法显示的高亮度值默认取值最大亮度255进行显示，如果得到的亮度补偿后的像素值<255，则以亮度补偿后的数值进行显示。

可选的，所述确定对比度-色调映射策略即步骤104，包括：

提取所述亮度补偿图像中的直方图；

根据所述直方图对所述亮度补偿图像的对比度进行最大化处理，即

$\underset{s_j}{\max }\underset{j=1}{\overset{I-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_j(s_j+s_{j+1}),$

s_j＝x_j-x_j-1，

$p_j=\frac{h_j}{1^{t}h},$

其中，h表示所述直方图，向量x表示对比度-色调映射函数，其中的元素x_k表示将所述亮度补偿图像中值为k的像素映射为x_k，s_j表示两个相差为1的像素值j和j-1映射成x_j和x_j-1后的差值，像素值j的对比度定义为s_j+s_j-1，I是亮度补偿图像的最大像素值，p是概率密度函数；

确定将所述亮度补偿图像进行映射时的损失函数；

构建对比度-色调映射优化约束条件

$\max \mathrm{mize}\underset{j=1}{\overset{I-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_j(s_j+s_{j+1})$

$\mathrm{subject\; to}\left(a\right)\underset{1\&le;j\&le;I}{\mathrm{\&Sigma;}}{s}_j<255,$

(b)s_j≥1/d,1≤j＜I,

(c)s_j≤t.

其中，目标函数maxmize表示最大化的对比度，(a)表示将输出图像的范围限定在显示设备最终可显示的范围内，(b)为所述损失函数

$D\left(s\right)=\underset{1\&le;i,j<I}{\max }\{j-i||x_i=x_j;p_i>0,p_j>0\}$

的简洁表达形式，D(s)≤d，参数d通常取2或3，(c)表示使色调映射的损失在可控范围内，参数的取值范围为t∈[1,2]；

根据所述优化约束条件，确定优化函数s，根据所述优化函数s确定对比度-色调映射函数x：

$x_i=\underset{1\&le;j<i}{\mathrm{\&Sigma;}}{s}_j,x_0=0.$

在实施中，首先，提取前一步得到的亮度补偿图像的直方图h。该直方图h具体如图2所示。

该直方图反映了亮度补偿图像各个灰度级的像素个数，其中，横轴为灰度级，纵轴为像素个数。可以看出，亮度补偿图像的灰度范围已经扩展为[0,389]。

其次，根据提取到的直方图h，对亮度补偿图像的对比度进行最大化处理。具体的，如公式3所示；

$\underset{s_j}{\max }\underset{j=1}{\overset{I-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_j(s_j+s_{j+1}),---\left(3\right)$

在公式3中，s_j＝x_j-x_j-1，向量x表示对比度-色调映射函数，其中的元素x_k表示将亮度补偿图像中值为k的像素映射为x_k，s_j表示两个相差为1的像素值j和j-1映射成x_j和x_j-1后的差值，像素值j的对比度定义为s_j+s_j-1，I是亮度补偿图像的最大像素值。而为直方图h中像素值为j的元素对应的概率密度函数。

需要注意的是，在将亮度补偿图像中进行对比度最大化的过程中，亮度补偿图像具有高动态范围，超出了图像显示设备的显示能力，因此在显示设备进行图像显示时，会存在一定的损失量，该损失量对应的损失函数D(s)为

$D\left(s\right)=\underset{1\&le;i,j<I}{\max }\{j-i||x_i=x_j;p_i>0,p_j>0\},---\left(4\right)$

再次，为了解决之间将亮度补偿图像对比度进行最大化处理的问题，本发明使用了优化约束的算法，与该算法对应的目标函数maxmize以及约束条件subject分别为：

$\max \mathrm{mize}\underset{j=1}{\overset{I-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_j(s_j+s_{j+1})$

$\mathrm{subject\; to}\left(a\right)\underset{1\&le;j\&le;I}{\mathrm{\&Sigma;}}{s}_j<255,$

(b)s_j≥1/d,1≤j＜I,

(c)s_j≤t.

很明显，目标函数maxmize对应的即为对比度最大化的表达式，而在约束条件中，

(a)表示将输出图像的范围限定在显示设备最终可显示的范围内；

(b)为所述损失函数

$D\left(s\right)=\underset{1\&le;i,j<I}{\max }\{j-i||x_i=x_j;p_i>0,p_j>0\}$

的简洁表达形式，D(s)≤d，参数d通常取2或3；

(c)表示使色调映射的损失在可控范围内，参数的取值范围为t∈[1,2]。

根据目标函数以及约束条件，通过线性优化的方式，在约束条件确定的函数取值范围内，得到能够令目标函数去的最大值的解s。

最终，通过已经获取的解s，通过的公式，确定对比度-色调映射函数x，以便于根据该映射函数，将亮度补偿图像中每个像素的对比度进行调整，得到调整后的输出亮度图像。

与前文类似，此处依旧结合数值进行说明，同样选取第一图像中像素值为200的像素，在背光调节系数为0.5的情况下k＝200×0.5＝100，亮度补偿后y_k＝306.0622，根据上述公式进行对比度-色调补偿后，x_k＝144.2000。100<x_k<255，由此表明，该发明方法在提升亮度的同时保证其处于设备可以显示的范围。

可选的，所述根据所述输出亮度图像，确定图像转换矩阵，根据所述图像转换矩阵对所述待显示图像进行处理，得到处理后的输出图像，即步骤106，包括：

根据所述输出亮度图像Y_out确定待输入亮度图像Y_in’

${Y_{\mathrm{in}}}^{\&prime;}=255\&CenterDot;{\left(\frac{{\mathrm{\&omega;}}_1(b-1)+{\mathrm{\&omega;}}_2\&CenterDot;b\&CenterDot;{(Y_{\mathrm{out}}/255)}^{\mathrm{\&gamma;}}}{{\mathrm{\&omega;}}_2}\right)}^{1/\mathrm{\&gamma;}};$

根据所述待输出图像和所述第一图像的亮度分量，确定图像转换系数ratio

$\mathrm{ratio}=\frac{{U_{\mathrm{in}}}^{\&prime;}}{Y_{\mathrm{in}}};$

根据所述图像转换系数，得到图像转换矩阵

$\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{ratio}& 0& 0\\ 0& \mathrm{ratio}& 0\\ 0& 0& \mathrm{ratio}\end{array}\right];$

根据所述图像转换矩阵，结合所述待显示图像中每个像素的R、G、B值，得到处理后的输出图像中每个像素的R′、G′、B′值，进而得到所述输出图像。

在实施中，基于上一步的处理得到输出亮度图像Y_out。但是这里的输出亮度图像Y_out仅仅是基于之前的理论运算得到的运算结果，作为需要在显示设备中进行显示的图像，还需要进行色彩空间的转换才可以进行最终显示，这里的转换步骤如下：

首先，根据输出亮度图像Y_out确定待输入亮度图像Y_in’。这里的确定过程可以参考公式(4)

${Y_{\mathrm{in}}}^{\&prime;}=255\&CenterDot;{\left(\frac{{\mathrm{\&omega;}}_1(b-1)+{\mathrm{\&omega;}}_2\&CenterDot;b\&CenterDot;{(Y_{\mathrm{out}}/255)}^{\mathrm{\&gamma;}}}{{\mathrm{\&omega;}}_2}\right)}^{1/\mathrm{\&gamma;}},---\left(4\right)$

其中，ω₁＝0.057,ω₂＝1.224,γ＝1.691依然为设备参数，而b则是步骤102中的b为背光调整系数，根据公式4可以确定待输入亮度图像Y_in’。

其次，根据已经确定的待输入亮度图像Y_in’，结合步骤101中第一图像的亮度分量Y_in，确定图像转换系数ratio，具体的该图像转换系数ratio为

$\mathrm{ratio}=\frac{{U_{\mathrm{in}}}^{\&prime;}}{Y_{\mathrm{in}}}.$

有定义可知，该图像转换系数ratio为待输入亮度图像Y_in’和第一图像亮度分量Y_in的比值，即包含了从YUV色彩空间转换至RGB色彩空间转换关系的同时，还包括与背光调整系数b变化对应的亮度补偿关系和对比度-色调补偿关系，使待显示图像根据该图像转换系数ratio，就可以直接得到在背光调整后图像的R、G、B值，并进行显示。

再次，与前文中的将原始RGB图像转化到YUV颜色空间使用的转换矩阵T类似，为了便于图像处理，此处还需要根据已经获取的图像转换系数ratio，确定图像转换矩阵，该图像转换矩阵为：

$\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{ratio}& 0& 0\\ 0& \mathrm{ratio}& 0\\ 0& 0& \mathrm{ratio}\end{array}\right].$

最后，根据图像转换矩阵，结合所述待显示图像中每个像素的R、G、B值，得到处理后的输出图像中每个像素的R′、G′、B′值，进而得到所述输出图像，即

$\left[\begin{array}{c}{R}^{\&prime;}\\ G^{\&prime;}\\ B^{\&prime;}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{ratio}& 0& 0\\ 0& \mathrm{ratio}& 0\\ 0& 0& \mathrm{ratio}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right].$

此处同样选取第一图像中像素值为200的像素，其对应的输入亮度Yin’＝140.11，图像转换系数ratio值为0.7006。分析如下：像素值为200的像素在原始RGB颜色空间中对应的R，G，B值为[R,G,B]^T＝[191,201,211]^T,在背光调节系数为0.5的情况其值降为[95.5,100.5,105.5]^T，经该发明方法处理，最终输出R′，G′，B′值为[R′,G′,B′]^T＝[134,141,148]^T。由此可见，亮度得到了补偿。

本发明提供一种图像处理方法，通过将待显示图像依次进行亮度补偿和对比度-色调补偿，得到补偿处理后的输出图像，使得在显示设备降低亮度的情况下，显示设备显示的输出图像依然具有足够的对比度和色调，同时最大程度保证图像细节。从而保证在降低显示设备功耗时依然令显示设备显示的图像具有足够的可视性。

实施例二

本发明还提供一种图像处理装置2，如图3所示，所述图像处理装置2包括用于连接各模块的总线20，以及连接在该总线20上的模块，具体如下：

转换单元21，用于将待显示图像进行色彩空间转换，得到转换后的第一图像；

策略确定单元22，用于确定亮度补偿策略；

图像补偿单元23，用于获取亮度变化数据，根据所述亮度变化数据，结合所述亮度补偿策略，对所述第一图像中的亮度分量进行亮度补偿，得到亮度补偿图像；

策略确定单元22，还用于确定对比度-色调映射策略；

图像补偿单元23，用于结合所述对比度-色调映射策略，对所述亮度补偿图像进行对比度-色调补偿，得到输出亮度图像；

图像输出单元24，用于根据所述输出亮度图像，确定图像转换矩阵，根据所述图像转换矩阵对所述待显示图像进行处理，得到处理后的输出图像。

可选的，所述策略确定单元22，具体用于：

在第一显示亮度时，人眼感受到的设备第一亮度值为L＝B·t(k)＝b·B_max·t(k)，当在第二显示亮度时，人眼感受到的设备第二亮度值为L′＝b·B_max·t(y_k)，

令所述设备第一亮度值与所述设备第二亮度值相等，得到亮度补偿映射函数y

$y_k=255\&CenterDot;{\left(\frac{{\mathrm{\&omega;}}_1(1-b)+{\mathrm{\&omega;}}_2(k/255)}{{\mathrm{\&omega;}}_{2}b}\right)}^{1/\mathrm{\&gamma;}}$

其中，L是人眼感知到的设备亮度，b为背光调整系数，B_max是背光最大值，t(k)＝ω₁+ω₂·(k/255)^γ是液晶屏透光率，k是图像像素值，ω₁＝0.057,ω₂＝1.224,γ＝1.691是三个设备参数，向量y表示亮度补偿映射函数，y_k表示将第一图像中像素值为k的像素映射为y_k。

可选的，所述策略确定单元22，还用于：

提取所述亮度补偿图像中的直方图；

根据所述直方图对所述亮度补偿图像的对比度进行最大化处理，即

$\underset{s_j}{\max }\underset{j=1}{\overset{I-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_j(s_j+s_{j+1}),$

s_j＝x_j-x_j-1，

$p_j=\frac{h_j}{1^{t}h},$

其中，h表示所述直方图，向量x表示对比度-色调映射函数，其中的元素x_k表示将所述亮度补偿图像中值为k的像素映射为x_k，s_j表示两个相差为1的像素值j和j-1映射成x_j和x_j-1后的差值，像素值j的对比度定义为s_j+s_j-1，I是亮度补偿图像的最大像素值，p是概率密度函数；

确定将所述亮度补偿图像进行映射时的损失函数；

构建对比度-色调映射优化约束条件

$\max \mathrm{mize}\underset{j=1}{\overset{I-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_j(s_j+s_{j+1})$

$\mathrm{subject\; to}\left(a\right)\underset{1\&le;j\&le;I}{\mathrm{\&Sigma;}}{s}_j<255,$

(b)s_j≥1/d,1≤j＜I,

(c)s_j≤t.

其中，目标函数maxmize表示最大化的对比度，(a)表示将输出图像的范围限定在显示设备最终可显示的范围内，(b)为所述损失函数

$D\left(s\right)=\underset{1\&le;i,j<I}{\max }\{j-i||x_i=x_j;p_i>0,p_j>0\}$

的简洁表达形式，D(s)≤d，参数d通常取2或3，(c)表示使色调映射的损失在可控范围内，参数的取值范围为t∈[1,2]；

根据所述优化约束条件，确定优化函数s，根据所述优化函数s确定对比度-色调映射函数x：

$x_i=\underset{1\&le;j<i}{\mathrm{\&Sigma;}}{s}_j,x_0=0.$

可选的，所述图像输出单元24，具体用于：

根据所述输出亮度图像Y_out确定待输入亮度图像Y_in’

${Y_{\mathrm{in}}}^{\&prime;}=255\&CenterDot;{\left(\frac{{\mathrm{\&omega;}}_1(b-1)+{\mathrm{\&omega;}}_2\&CenterDot;b\&CenterDot;{(Y_{\mathrm{out}}/255)}^{\mathrm{\&gamma;}}}{{\mathrm{\&omega;}}_2}\right)}^{1/\mathrm{\&gamma;}};$

根据所述待输出图像和所述第一图像的亮度分量，确定图像转换系数ratio

$\mathrm{ratio}=\frac{{U_{\mathrm{in}}}^{\&prime;}}{Y_{\mathrm{in}}};$

根据所述图像转换系数，得到图像转换矩阵

$\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{ratio}& 0& 0\\ 0& \mathrm{ratio}& 0\\ 0& 0& \mathrm{ratio}\end{array}\right];$

根据所述图像转换矩阵，结合所述待显示图像中每个像素的R、G、B值，得到处理后的输出图像中每个像素的R′、G′、B′值，进而得到所述输出图像。

本发明提供一种图像处理装置，通过将待显示图像依次进行亮度补偿和对比度-色调补偿，得到补偿处理后的输出图像，使得在显示设备降低亮度的情况下，显示设备显示的输出图像依然具有足够的对比度和色调，同时最大程度保证图像细节。从而保证在降低显示设备功耗时依然令显示设备显示的图像具有足够的可视性。

上述内容为对一种图像处理方法在方法、装置的示例性的描述，在实际使用情景中，电视、平板电脑以及移动终端均可以作为该图像处理方法的使用环境，下边以Android平台为例，将这一基于亮度补偿和对比度-色调映射方法的图像处理技术植入Android平台，并针对Android平台进行针对性优化。

对实施例一中步骤104中提出的约束优化问题的近似解：

与PC平台中直接调用Matlab编程工具中的linprog函数可以方便对此问题求解不同，当植入Andriod平台用JAVA编程语言实现时该约束问题需要自行求解，如图4所示，具体求解步骤如下：

301、化简目标函数：

$\begin{array}{c}\underset{j=1}{\overset{I-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_j(s_j+s_{j+1})=p_1{s}_1+(p_1+p_2)s_2+...+(p_{j-1}+p_j)s_j+...(p_{I-2}-p_{I-1})s_{I-1}\\ =\underset{j=1}{\overset{I-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p_j}^{\&prime;}{s}_j\end{array},$

p_j′＝p_j-1+p_j,p₁′＝p₁。

302、化简约束优化问题：

$\max \mathrm{mize}\underset{j=1}{\overset{I-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p_j}^{\&prime;}{s}_j$

$\mathrm{subject\; to}\left(a\right)\underset{1\&le;j<I}{\mathrm{\&Sigma;}}{s}_j<255,.$

(b)1/d≤s_j≤t,1≤j＜I.

303、求解s的近似解：

p_j’>0，所以目标函数非单调递减，为了使其最大化，需要给较大的p_j’设定较大的sj，反之亦然。取约束条件的极限情况进行近似，即

$\underset{1\&le;j<I}{\mathrm{\&Sigma;}}{s}_j=I^{\&prime;},$

max s_j＝t,min s_j＝1/d，

较大p_j’设定s_j＝t，设个数为n1，较小的p_j’设定s_j＝1/d，设个数为n₂，则

$n_{1}t+\frac{n_2}{d}=255,n_1+n_2=I,$

求解上式可以得到n₁，n₂的值，至此，我们将线性规划问题近似转化为一个低复杂度的排列问题，较大的n₁个p_j’，设定s_j＝t，较小的n₂个p_j’设定s_j＝1/d，由此便得到了s的近似解。

304、设计图像化用户界面(GUI)。

305、用JAVA语言实现基于亮度补偿和对比度-色调映射的图像处理方法，并且与该Android设备中的液晶显示设备背光调节方案并形成一款相互关联的应用Application。

本方案与现有图像处理技术，相比具有以下优点：

1.本发明结合LCD设备特性和人眼视觉感知的特点，建立了LCD设备的亮度感知模型，并以此模型为基础对低光照下的图像进行亮度增强以补偿因降低背景光造成的亮度损失。亮度的提升对视觉效果的改善至关重要，它从根本上解决了因背光调节引起的显示画面变暗的问题。

2.本发明利用了色调映射的特点，即将高动态范围图像映射成设备可以显示范围的图像同时最大程度保留原始信息，将其与对比度增强相结合形成对比度-色调映射函数来处理亮度补偿后的结果图，该函数一方面尽可能减小损失地将高动态范围的亮度补偿图像映射成设备可以显示的图像，另一方面增强图像对比度使画面更加清晰鲜艳。对比度-色调映射函数提高了图像的对比度和保真度，有效改善了画面的可视性。

3.本发明基于Android平台测试算法的实用性。在实现的过程中利用数学方法求解了约束优化问题的近似解，将线性规划问题近似转化为一个低复杂度的排列问题，还设计了人性化的图形化用户界面，最后用JAVA语言形成一款软件。这一操作将理论化的算法与实际应用相结合，极有说服力地展示了算法的稳定性和有效性。

仿真实验结果表明，本发明结合设备特性和人眼视觉特点进行亮度补偿有效改善了降低背光以节省功耗时出现的画面变暗的现象，同时融合对比度增强和色调映射技术形成对比度-色调映射函数，不仅减小了失真，而且增强了图像对比度。本发明从亮度，对比度和保真度三个方面改善了低背光条件下显示设备画面的质量，使其在节省功耗的同时不损害画面的视觉效果。此外，将该基于亮度补偿和对比度-色调映射方法的液晶显示设备背光调节技术植入Android平台的结果进一步说明了其实用性。

实验结果对比：

1.仿真条件：

在CPU为Intel(R)Core^TM4核处理器i3：主频2.27GHZ，内存2G，操作系统：WINDOWS 7，仿真平台：MATLAB。

在三星平板SAMSUNG Galaxy Tab Pro T3204核处理器ARM：主频2.3GHZ，内存2G，操作系统：Android 4.4，屏幕尺寸：8.4英寸，分辨率：2560×1600，仿真平台：Eclipse。

仿真选择测试图像分别率是768×512。

2.仿真内容：

仿真实验中，利用本发明方法在图像Valle即图5a上进行背光调节，对结果进行质量评估，并与已有方法进行比较。

仿真1，背光强度为最大值(b＝1)时，本发明的方法与原始图像，传统的直方图均衡化方法(HE)，CVC，WTHE方法对图像Beach，Valley和Face增强结果的比较。其中CVC为Turgay Celik等人于2011年在IEEE Transcations onImage Processing上发表的“Contextual and variational contrast enhancement”中提出，WTHE为Qing Wang等人于2007年在IEEE Transctions on ConsumerElectronics上发表的“Fast image/video contrast enhancement based on weightedthresholded histogram equalization”中提出。如图6所示，其中：

图5(a)为原始图像，图5(b)为HE的增强结果，图5(c)为CVC的增强结果，图5(d)为WTHE的增强结果，图5(e)为本发明方法的增强结果，图5(f)为相应的映射曲线。

由图可以看出，HE往往产生过增强，噪声和不自然的结果。CVC，WTHE和本发明的方法得到的结果相对较好，但是，CVC有一定程度的色彩损失，WTHE会产生过亮或过暗的图像。本发明的方法不仅增强了对比度而且细节和色彩损失较小，。此外，映射曲线表明本发明方法的曲线更接近原始图像，尤其是低亮度区域，也就是说，本发明在保真度方面优于其它几种方法。

仿真2，调低背光强度时(b＝0.7和b＝0.5)本发明方法与Pei-Shan Tsai等人在IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology上发表的“Image enhancement for backlight-scaled TFT-LCD displays”中提出的方法(简写为Tsai et al.)以及Chul Lee等人在IEEE Transactions on Circuits and Systems forVideo Technology上发表的“Optimized brightness compensation and contrastenhancement for transmissive liquid crystal displays”中的提出的方法(简写为BCCE)对图像Valley背光调节结果的比较。如图6和图7所示，其中：

图6和图7中第一行为背光强度降为最大值的70％(b＝0.7)的结果，第二行为背光强度降为最大值得50％(b＝0.5)的结果；

图6(a)和图7(a)为原始图像降低背光的结果；

图6(b)和图7(b)为Tsai et al.背光调节的结果；

图6(c)和图7(c)为BCCE背光调节的结果；

图6(d)和图7(d)为本发明方法背光调节的结果；

由图可以看出，当图像的背景亮度降低后，画面会变暗，可视性明显变差。Tsai et al.的结果一定程度上提升了图像的亮度和对比度，但图像整体呈现一种“雾蒙蒙”的感觉，处理效果差强人意。BCCE的结果在亮度上有很大提升，而且对比度增强得较为明显，但它信息损失很严重，尤其是图6(c)中墙上的纹路区域和图7(c)中的云朵部分，而且背光强度调节得越低，损失越严重。本发明的方法弥补了上述方法的不足，在亮度，对比度，保真度方面都有所改善，在节省功耗的同时呈现出了清晰，明亮，信息丰富的画面。

仿真3，利用三个量化指标：亮度差异(AMBE)，离散熵(DE)和增强程度(EME)对本发明方法的实验结果从亮度，离散熵和对比度三个方面进行衡量，并与Tsai et al.和BCCE的结果进行对比(b＝0.5)，如下表所示：

上表利用AMBE，DE和EME对本发明的方法以及Tsai et al.和BCCE的结果进行客观评价和比较。AMBE的大小与亮度提升的多少成正比；DE值越大，表明图像的信息越丰富；EME则用来衡量图像的对比度，其值越大，图像对比度越高。可以看出，Tsai et al.虽然在亮度，保真度和对比度上都有所提升，但提升幅度都较小，视觉效果依然不太理想。BCCE在亮度增强方面远远高于其它两种方法，然而它的保真度很差，DE值甚至低于低光照下的原始图像，信息损失过多。本发明方法的结果有效补偿了亮度，而且在保真度和对比度方面都取得了最高的评价值。

仿真4，背光因子b取不同值时本发明方法在图像Passage，Beach，Valley，Baboon上的测试结果，如图8所示，其中：

图8(a)为原始图像；

图8(b)为背光强度最大时(b＝1)本发明方法的增强结果；

图8(c)为背光强度降为最大值的85％(b＝0.85)时本发明方法的背光调节结果；

图8(d)为背光强度降为最大值的60％(b＝0.6)时本发明方法的背光调节结果；

图8(e)为背光强度降为最大值的45％(b＝0.45)时本发明方法的背光调节结果；

图8(f)为背光强度降为最大值的30％(b＝0.3)时本发明方法的背光调节结果。

当b＝1时背光强度最大，本发明的方法不进行亮度补偿，只执行图像增强功能。当b的值减小时，背景光强度降低，本发明的方法通过提升像素值对图像进行亮度补偿，同时增强对比度并最大程度保留图像信息以优化图像质量，最终产生相对清晰明亮的结果。可以看出，b＝1和b＝0.85时的结果差异不大，尤其是当使用LCD设备观察时，图像效果相近，也就是说，本发明方法可以实现功耗降低而画面质量优化的功能，甚至当背光亮度调为最大值的30％(b＝0.3)时，观察者依然可以获得图像主要信息。

仿真5，将本发明的方法植入Android平台测试其实用性，测试图像为Face，如图9所示，其中：

图9(a)为背光强度降为最大值的50％时(b＝0.5)设备上观察到的原始图像；

图9(b)为背光强度降为最大值的50％时(b＝0.5)设备上观察到的本发明方法背光调节的结果。

由图可以看出本发明的方法无论从亮度还是对比度方面都有了很大提升，而且图像信息保留的很完整，提升了画面视觉效果，真正实现了在降低背景光强度以节约LCD设备功耗的同时保持其显示画面的可视性。此外，本发明方法的Android平台测试也进一步说明了该方法的稳定性和有效性。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种图像处理方法，其特征在于，所述图像处理方法，包括：

将待显示图像进行色彩空间转换，得到转换后的第一图像；

确定亮度补偿策略；

获取亮度变化数据，根据所述亮度变化数据，结合所述亮度补偿策略，对所述第一图像中的亮度分量进行亮度补偿，得到亮度补偿图像；

确定对比度-色调映射策略；

结合所述对比度-色调映射策略，对所述亮度补偿图像进行对比度-色调补偿，得到输出亮度图像；

根据所述输出亮度图像，确定图像转换矩阵，根据所述图像转换矩阵对所述待显示图像进行处理，得到处理后的输出图像。

2.根据权利要求1所述的图像处理方法，其特征在于，所述确定亮度补偿策略，包括：

在第一显示亮度时，人眼感受到的设备第一亮度值为L＝B·t(k)＝b·B_max·t(k)，当在第二显示亮度时，人眼感受到的设备第二亮度值为L′＝b·B_max·t(y_k)；

令所述设备第一亮度值与所述设备第二亮度值相等，得到亮度补偿映射函数y

$y_k=255\&CenterDot;{\left(\frac{{\mathrm{\&omega;}}_1(1-b)+{\mathrm{\&omega;}}_2(k/255)}{{\mathrm{\&omega;}}_{2}b}\right)}^{1/\mathrm{\&gamma;}};$

其中，L是人眼感知到的设备亮度，b为背光调整系数，B_max是背光最大值，t(k)＝ω₁+ω₂·(k/255)^γ是液晶屏透光率，k是图像像素值，ω₁＝0.057,ω₂＝1.224,γ＝1.691是三个设备参数，向量y表示亮度补偿映射函数，y_k表示将第一图像中像素值为k的像素映射为y_k。

3.根据权利要求1所述的图像处理方法，其特征在于，所述确定对比度-色调映射策略，包括：

提取所述亮度补偿图像中的直方图；

根据所述直方图对所述亮度补偿图像的对比度进行最大化处理，即

$\underset{s_j}{\max }\underset{j=1}{\overset{I-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_j(s_j+s_{j+1}),$

s_j＝x_j-x_j-1，

$p_j=\frac{h_j}{1^{t}h},$

其中，h表示所述直方图，向量x表示对比度-色调映射函数，其中的元素x_k表示将所述亮度补偿图像中值为k的像素映射为x_k，s_j表示两个相差为1的像素值j和j-1映射成x_j和x_j-1后的差值，像素值j的对比度定义为s_j+s_j-1，I是亮度补偿图像的最大像素值，p是概率密度函数；

确定将所述亮度补偿图像进行映射时的损失函数；

构建对比度-色调映射优化约束条件

$\max \mathrm{mize}\underset{j=1}{\overset{I-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_j(s_j+s_{j+1})$

$\mathrm{subject\; to}\left(a\right)\underset{1\&le;j<I}{\mathrm{\&Sigma;}}{s}_j<255,,$

(b)s_j≥1/d,1≤j＜I,

(c)s_j≤t.

其中，目标函数maxmize表示最大化的对比度，(a)表示将输出图像的范围限定在显示设备最终可显示的范围内，(b)为所述损失函数

$D\left(s\right)=\underset{1\&le;i,j<I}{\max }\{j-i||x_i=x_j;p_i>0,p_j>0\}$

的简洁表达形式，D(s)≤d，参数d通常取2或3，(c)表示使色调映射的损失在可控范围内，参数的取值范围为t∈[1,2]；

根据所述优化约束条件，确定优化函数s，根据所述优化函数s确定对比度-色调映射函数x：

$x_i=\underset{1\&le;j<i}{\mathrm{\&Sigma;}}{s}_j,x_0=0$

4.根据权利要求1所述的图像处理方法，其特征在于，所述根据所述输出亮度图像，确定图像转换矩阵，根据所述图像转换矩阵对所述待显示图像进行处理，得到处理后的输出图像，包括：

根据所述输出亮度图像Y_out确定待输入亮度图像Y_in’

${Y_{\mathrm{in}}}^{\&prime;}=255\&CenterDot;{\left(\frac{{\mathrm{\&omega;}}_1(b-1)+{\mathrm{\&omega;}}_2\&CenterDot;b\&CenterDot;{(Y_{\mathrm{out}}/255)}^{\mathrm{\&gamma;}}}{{\mathrm{\&omega;}}_2}\right)}^{1/\mathrm{\&gamma;}};$

根据所述待输出图像和所述第一图像的亮度分量，确定图像转换系数ratio

$\mathrm{ratio}=\frac{{Y_{\mathrm{in}}}^{\&prime;}}{Y_{\mathrm{in}}};$

根据所述图像转换系数，得到图像转换矩阵

$\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{ratio}& 0& 0\\ 0& \mathrm{ratio}& 0\\ 0& 0& \mathrm{ratio}\end{array}\right];$

根据所述图像转换矩阵，结合所述待显示图像中每个像素的R、G、B值，得到处理后的输出图像中每个像素的R′、G′、B′值，进而得到所述输出图像。

5.一种图像处理装置，其特征在于，所述图像处理装置，包括：

转换单元，用于将待显示图像进行色彩空间转换，得到转换后的第一图像；

策略确定单元，用于确定亮度补偿策略；

图像补偿单元，用于获取亮度变化数据，根据所述亮度变化数据，结合所述亮度补偿策略，对所述第一图像中的亮度分量进行亮度补偿，得到亮度补偿图像；

策略确定单元，还用于确定对比度-色调映射策略；

图像补偿单元，用于结合所述对比度-色调映射策略，对所述亮度补偿图像进行对比度-色调补偿，得到输出亮度图像；

图像输出单元，用于根据所述输出亮度图像，确定图像转换矩阵，根据所述图像转换矩阵对所述待显示图像进行处理，得到处理后的输出图像。

6.根据权利要求5所述的图像处理装置，其特征在于，所述策略确定单元，具体用于：

在第一显示亮度时，人眼感受到的设备第一亮度值为L＝B·t(k)＝b·B_max·t(k)，当在第二显示亮度时，人眼感受到的设备第二亮度值为L′＝b·B_max·t(y_k)；

令所述设备第一亮度值与所述设备第二亮度值相等，得到亮度补偿映射函数y

$y_k=255\&CenterDot;{\left(\frac{{\mathrm{\&omega;}}_1(1-b)+{\mathrm{\&omega;}}_2(k/255)}{{\mathrm{\&omega;}}_{2}b}\right)}^{1/\mathrm{\&gamma;}},$

其中，L是人眼感知到的设备亮度，b为背光调整系数，B_max是背光最大值，t(k)＝ω₁+ω₂·(k/255)^γ是液晶屏透光率，k是图像像素值，ω₁＝0.057,ω₂＝1.224,γ＝1.691是三个设备参数，向量y表示亮度补偿映射函数，y_k表示将第一图像中像素值为k的像素映射为y_k。

7.根据权利要求5所述的图像处理装置，其特征在于，所述策略确定单元，还用于：

提取所述亮度补偿图像中的直方图；

根据所述直方图对所述亮度补偿图像的对比度进行最大化处理，即

$\underset{s_j}{\max }\underset{j=1}{\overset{I-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_j(s_j+s_{j+1}),$

s_j＝x_j-x_j-1，

$p_j=\frac{h_j}{1^{t}h},$

其中，h表示所述直方图，向量x表示对比度-色调映射函数，其中的元素x_k表示将所述亮度补偿图像中值为k的像素映射为x_k，s_j表示两个相差为1的像素值j和j-1映射成x_j和x_j-1后的差值，像素值j的对比度定义为s_j+s_j-1，I是亮度补偿图像的最大像素值，p是概率密度函数；

确定将所述亮度补偿图像进行映射时的损失函数；

构建对比度-色调映射优化约束条件

$\max \mathrm{mize}\underset{j=1}{\overset{I-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_j(s_j+s_{j+1})$

$\mathrm{subject\; to}\left(a\right)\underset{1\&le;j<I}{\mathrm{\&Sigma;}}{s}_j<255,,$

(b)s_j≥1/d,1≤j＜I,

(c)s_j≤t.

其中，目标函数maxmize表示最大化的对比度，(a)表示将输出图像的范围限定在显示设备最终可显示的范围内，(b)为所述损失函数

$D\left(s\right)=\underset{1\&le;i,j<I}{\max }\{j-i||x_i=x_j;p_i>0,p_j>0\}$

的简洁表达形式，D(s)≤d，参数d通常取2或3，(c)表示使色调映射的损失在可控范围内，参数的取值范围为t∈[1,2]；

根据所述优化约束条件，确定优化函数s，根据所述优化函数s确定对比度-色调映射函数x：

$x_i=\underset{1\&le;j<i}{\mathrm{\&Sigma;}}{s}_j,x_0=0.$

8.根据权利要求5所述的图像处理装置，其特征在于，所述图像输出单元，具体用于：

根据所述输出亮度图像Y_out确定待输入亮度图像Y_in’

${Y_{\mathrm{in}}}^{\&prime;}=255\&CenterDot;{\left(\frac{{\mathrm{\&omega;}}_1(b-1)+{\mathrm{\&omega;}}_2\&CenterDot;b\&CenterDot;{(Y_{\mathrm{out}}/255)}^{\mathrm{\&gamma;}}}{{\mathrm{\&omega;}}_2}\right)}^{1/\mathrm{\&gamma;}};$

根据所述待输出图像和所述第一图像的亮度分量，确定图像转换系数ratio

$\mathrm{ratio}=\frac{{Y_{\mathrm{in}}}^{\&prime;}}{Y_{\mathrm{in}}};$

根据所述图像转换系数，得到图像转换矩阵

$\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{ratio}& 0& 0\\ 0& \mathrm{ratio}& 0\\ 0& 0& \mathrm{ratio}\end{array}\right];$

根据所述图像转换矩阵，结合所述待显示图像中每个像素的R、G、B值，得到处理后的输出图像中每个像素的R′、G′、B′值，进而得到所述输出图像。