CN105516674B - 一种具有hdr显示功能的监视设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有HDR显示功能的监视设备，包括显示屏，还包括：输入模块，用于接收前端输入的Video、VGA、DVI、HDMI、SDI等监视图像信号；图像转换模块，用于将接收到的监视图像信号转换成RGB模式，方便对图像进行处理；HDR处理模块，对图像RGB数据进行映射处理；显示模块，将处理完后的图像信号发送到显示屏上显示。本发明具有如下优点：1、将前端输入的HDR图像进行映射处理，使其在动态范围有限的监视显示设备中显示出细节明显，颜色层次分明，具有高动态范围效果的图像，便于监控识别。2、实现采用FPGA可编程逻辑实现HDR处理功能，可编程性高，设计灵活。3、结构简单，成本较低，使用方便。

Description

一种具有HDR显示功能的监视设备
技术领域
本发明涉及监控领域，更具体地说，是一种具有HDR显示功能的监视设备。
背景技术
在自然场景中，光亮度有很广的范围，很黑的夜里，亮度为10-5cd/m2。强烈的太阳光亮度可以达到1010:1。相比之下，一般显示设备亮度的动态范围显得很小，如一般CRT的亮度范围为1～100cd/m2，一般LCD的亮度范围为1～400cd/m2，动态范围都不超过1000:1。两者的动态范围差别很大，普通的显示设备无法与真实的景象相匹配，显示的画面完全无法与自然界真实的画面相媲美。想要在普通的显示设备上显示具有高动态范围的效果，这就需要将一个宽广的亮度范围映射到纸张或屏幕所能表达的亮度范围。
HDR（High Dynamic Range），高动态范围，是一种图像后处理技术，是一种表达超过了显示器所能表达的亮度范围的图像映射技术。HDR技术能够很好地再现现实生活中丰富的亮度级别，产生逼真的效果。显示器只能够显示R、G、B分量在【0，255】之间的像素值，256个不同的亮度级别显然不能表示自然界中光线的亮度情况。比如说，太阳的亮度可能是一个白炽灯亮度的几千倍，是一个被白炽灯照亮的桌面的亮度的几十万倍，这远远超出了显示器的亮度表示能力，如何在有限的亮度范围内显示如此宽广的亮度范围，正是HDR技术所要解决的问题。
近年来，高动态范围图像在数字图像领域变得越来越普遍而且重要。随着硬件设备存储量的不断发展，真实场景的高动态范围图像变得非常容易获取，HDR技术越来越广泛应用于数字摄影、电影艺术、数字图像增强、虚拟现实、交互3D应用领域中。与此相应的一个矛盾是：目前绝大多数的常规显示设备都只能支持相对较低动态范围的显示输出，这一状况是由于受到硬件成本的制约，短时间内难以得到改变。常规显示设备不能保证用户观察到场景图像的全部信息，也无法保证场景感观的真实性。因此，如何使得高动态范围图像在低动态范围的显示设备上得到最优化的显示输出，及高动态范围图像的色阶重建问题，成为了一个越来越重要的课题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种具有HDR显示功能的监视设备。
本发明的技术方案如下：
一种具有HDR显示功能的监视设备，包括显示屏，其特征在于还包括：
——输入模块，用于接收前端输入的Video、VGA、DVI、HDMI、SDI等监视图像信号；
——图像转换模块，用于将接收到的监视图像信号转换成RGB模式，方便对图像进行处理；
——HDR处理模块，对图像RGB数据进行映射处理；
——显示模块，将处理完后的图像信号发送到显示屏上显示。
进一步的，所述HDR处理模块依次包括：
——数据接收模块，用于接收图像转换模块输出的图像RGB模式数据；
——数据转换模块，提取图像亮度数据，并将图像亮度数据转换为对数域数据；同时保存图像颜色信息；
——直方图映射模块，对图像亮度数据的直方图模型进行映射处理；
——局部映射模块，对图像中亮度较高或较低的像素集中区域进行进一步的处理，突出该处的细节信息；
——图像合成模块，将进行直方图映射处理和局部映射处理后的数据与图像颜色信息相结合，形成能够在有限动态范围的显示屏上显示的具有HDR（高动态范围）效果的图像。
进一步的，所述直方图映射模块依次包括：
——直方图划分模块，用于计算图像直方图模型分割点；
——直方图修正模块，对图像直方图模型进行分段修正；
——直方图映射模块，对图像直方图模型分段进行映射处理。
进一步的，所述的局部映射模块包括：
——图像分层模块，将图像亮度信息分成处理层和保留层；
——处理层映射模块，对处理层数据映射处理，获取更高动态范围局部细节信息；
——合成模块，将映射处理后的处理层与保留层的数据相结合。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、提供了一种具有HDR显示功能的监视设备，能够将前端输入的HDR（高动态范围）图像进行映射处理，使其在动态范围有限的监视显示设备中显示出细节明显，颜色层次分明，具有高动态范围效果的图像，便于监控识别。
2、本发明能够实现采用FPGA可编程逻辑实现HDR处理功能，可编程性高，设计灵活。
3、本发明结构简单，成本较低，使用方便。
附图说明
图1为本发明的系统方框图；
图2为HDR处理模块的方框图；
图3为直方图映射模块的工作流程图；
图4为局部映射模块的工作流程图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明一种具有HDR显示功能的监视设备的系统组成包括输入模块，图像转换模块、HDR处理模块、显示模块几个部分，前端监控视频图像信号经输入模块输入，经图像转换模块将输入的视频图像信号转换成RGB格式数据，在HDR处理模块中对图像的亮度数据进行直方图映射和局部映射处理，再结合图像的颜色信息形成新的在普通显示设备上显示的映射图像后，发送到显示模块转换成显示屏能显示的数据模式，在显示屏中显示出来。由于输入模块输入的监控信号有HDMI、DVI、VGA、SDI视频等，模式众多，图像信息多样，无法直接进行处理，因而图像转换模块采用FLI32626芯片对前端接收的多种信号模式转换成统一的RGB数据模式，以方便后续对图像数据进行处理。
图2 为HDR处理模块的方框原理图。本发明采用FPGA可编程逻辑实现图像的HDR（高动态范围）处理。如图所示，数据接收模块从图像转换模块接收了图像的RGB数据，在数据转换模块中提取图像的亮度数据，并将图像亮度数据转换成对数域数据，并在相应的RAM中保存图像的颜色分量数据。图像的亮度数据一方面通过直方图映射模块对整个图像进行全局映射处理，重新分配图像直方图，针对图像整体的亮度进行均衡化补偿处理，扩展图像的动态范围，且抑制噪声的增强，整体提高图像的细节信息；另一方面通过局部映射模块对图像的某些较亮或较暗的部分进行局部的映射处理，更进一步突出图像中不明显的细节部分。最后经图像合成模块将由直方图映射模块处理的结果和局部映射模块处理的局部信息以及图像的颜色分量数据进行合并，形成新的图像输出
图3为直方图映射模块的算法流程图，如图所示，根据图像亮度的对数域数据，对其进行直方图统计，建立直方图模型，针对图像的直方图模型，根据公式（1）（2）计算亮度平均值μ和图像的标准差σ；
（1）
（2）
其中Tp为图像的像数总和，N为量化后的亮度级数。
由于通常情况下图像的直方图是呈正态分布，在[μ-σ，μ+σ]区间内的像素数约占68.3%，对绝大部分图像来说，像素相对集中在该区域内，根据计算出的平均亮度值和标准差将直方图在μ-σ 和μ+σ处分割成三个区域，分别对图像直方图进行剪切补偿。对第一阶段的直方图采用递增的补偿方式，第二段像素相对集中的部分采用均匀增加的方法，使该部分的像素在输出图像中能够有很好的亮度衍生，增强整体图像细节，而对于第三段的亮部则采用递减的补偿方法。从而在输出图像中保持原来的整体视觉效果，减少由于低亮度增强后出现不连续或者高亮度部分增强后出现图像饱和的现象。对直方图进行剪切补偿后，各段直方图的总数未发生变化。
估算新图像的亮度平均值和标准差，根据下式（3）三段直方图的映射函数将原始图像映射到具有高动态范围显示效果的新图像：
（3）
其中为直方图的累计密度函数。
图4是局部映射处理的流程图。取图像亮度对数域数据，利用双边滤波技术将亮度分量分解为处理层和保留层，并将保留层的数据保存在RAM中。
(4)
(5)
其中，为图像的处理层数据，是经过双边滤波器滤波后的结果，为双边滤波器，为保留层数据。
针对处理层进行局部映射处理，从而使得原本较明亮或暗的细节不明显的部分细节凸显出来。由于双边滤波的边缘保护特性，避免了局部算法出现的光晕现象，得到的结果有良好的整体明暗效果，丰富的局部细节信息。最后将映射后的处理层数据和保留层数据相结合，形成新的具有局部细节信息的图像亮度数据。

Claims (1)

1.一种具有HDR显示功能的监视设备，包括显示屏，其特征在于，还包括：
(1)输入模块，用于接收前端输入的Video、VGA、DVI、HDMI、SDI监视图像信号；
(2)图像转换模块，用于将接收到的监视图像信号转换成RGB模式，方便对图像进行处理；
(3)HDR处理模块，对图像RGB数据进行映射处理；依次包括：
①数据接收模块，用于接收图像转换模块输出的图像RGB模式数据；
②数据转换模块，提取图像亮度数据，并将图像亮度数据转换为对数域数据；同时保存图像颜色信息；
③直方图映射模块，对图像亮度数据的直方图模型进行映射处理；依次包括：
——直方图划分模块，用于计算图像直方图模型分割点；
——直方图修正模块，对图像直方图模型进行分段修正；
——直方图映射模块，对图像直方图模型分段进行映射处理；
④局部映射模块，对图像中亮度较高或较低的像素集中区域进行进一步的处理，突出该处的细节信息；包括：
——图像分层模块，将图像亮度信息分成处理层和保留层；
——处理层映射模块，对处理层数据映射处理，获取更高动态范围局部细节信息；
——合成模块，将映射处理后的处理层与保留层的数据相结合；
⑤图像合成模块，将进行直方图映射处理和局部映射处理后的数据与图像颜色信息相结合，形成能够在有限动态范围的显示屏上显示的具有HDR效果的图像；
(4)显示模块，将处理完后的图像信号发送到显示屏上显示。
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