CN105867863B - 一种大色域显示设备的图像复现质量提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种大色域显示设备的图像复现质量提升方法，用于解决现有大色域显示设备图像复现中存在的复现图像质量差的技术问题，包括如下步骤：提取每个像素的数字驱动值；将每个像素的数字驱动值转换为其对应的CIE三刺激值；利用CIECAM02模型计算CIE三刺激值的色貌空间量；获得像素调制后色貌空间量；分别计算红、绿、蓝三个通道的增益系数及伽马系数；建立反向特征化模型；将色貌空间量转换为调制后CIE三刺激值；利用反向特征化模型将调制后CIE三刺激值转换为调制后数字驱动值。本发明能有效提升复现图像质量，保证记忆色的真实感和非记忆色的绚丽视觉效果，可用于智能移动电话、平板电脑等智能移动终端的图像显示。

Description

一种大色域显示设备的图像复现质量提升方法

技术领域

本发明属于颜色科学与图像技术领域，涉及一种图像复现质量提升方法，具体涉及一种针对大色域显示设备的图像复现质量提升方法，可用于智能移动电话、平板电脑等智能移动终端的图像显示。

背景技术

色域是指数字图像显示设备所能呈现颜色的最大范围，大色域作为显示设备重要性能之一，可使显示设备在图像复现时具有更强的颜色展现力，获得更鲜艳、绚丽的视觉效果。随着AMOLED(Active matrix organic light emitting diode)等新技术兴起，具备大色域性能的显示设备迅速推广，现已普及于桌面显示器、便携式计算机、平板电脑、智能移动电话、数字电视中。

然而，现有大色域显示设备却未能带来与预期相符的更高图像质量与更优视觉效果，尤其在复现皮肤、蓝天、绿树等内容时可能因过于艳丽而丧失真实感，原因是现有数字图像显示和电视信号传播均根据sRGB标准的小色域空间制定，当来自于sRGB标准的颜色信息不加处理直接复现在大色域显示设备时，颜色信息被统一放大，导致皮肤、蓝天等记忆色与人们喜好严重不符，大大降低了复现图像的质量。在视觉感知中人们更希望能在保证记忆色不改变的情况下对非记忆色能有更绚丽的恢复效果。

理论上，可以通过修改sRGB标准的方法或者通过对小色域图像调制后再进行复现的方法实现图像高质量复现的目的。但是目前众多厂家生产的显示设备尽管大多拥有大色域性能，但其色域范围仍各有不同，难以通过修改sRGB标准的方式使所有显示设备均达到最优视觉效果。在显示设备已在技术层面实现更强颜色展现力的背景下，如何进一步科学有效的对小色域图像进行色域调制然后再进行图像复现以提高其图像复现质量，使来自sRGB标准的数字图像或电视信号传输至大色域显示设备时能达到更优的视觉效果，是图像领域中尤为重要的学术问题，也是推动大色域显示设备广泛应用、促进显示行业健康发展的迫切需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种大色域显示设备的图像复现质量提升方法，通过对色貌空间量进行调制并建立反向特征化模型，实现调制后CIE三刺激值与数字驱动值之间的转换，从而兼顾记忆色的真实感和非记忆色的绚丽视觉效果，得到符合人们喜好的大色域显示设备中颜色信息呈现，用于解决现有大色域显示设备图像复现中存在的复现图像质量差的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案，包括如下步骤：

步骤1：从一幅待处理的图像中提取每个像素的数字驱动值(R_i,G_i,B_i)，其中i表示第i个像素；

步骤2：利用sRGB标准规定的计算方法，将所述的每个像素的数字驱动值(R_i,G_i,B_i)转换为其对应的CIE三刺激值(X_i,Y_i,Z_i)；

步骤3：根据sRGB标准规定的观察环境，输入CIECAM02模型的环境设置参数，并利用包含输入参数的CIECAM02模型的计算方法，计算所述的CIE三刺激值(X_i,Y_i,Z_i)的色貌空间量(J_i,C_i,h_i)，其中J_i表示明度、C_i表示彩度和h_i表示色调角；

步骤4：根据图像颜色内容将所述色貌空间量(J_i,C_i,h_i)分成三类，并对每类像素设定对应的明度J_i和彩度C_i复现的调制因子，色调角h_i保持不变，对色貌空间量进行调制，得到各像素点调制后色貌空间量(J'_i,C'_i,h'_i)，调制过程包括以下三类：

4a)对记忆色中的皮肤色，设定明度调制因子k₁＝1，彩度调制因子t₁＝1，通过公式(1)获得调制后色貌空间量(J'_i,C'_i,h'_i)；

4b)对记忆色中的蓝天、绿树，设定明度调制因子k₂＝1.1，彩度调制因子设置为t₂，其中1≤t₂≤1.3，通过式(2)获得调制后色貌空间量(J'_i,C'_i,h'_i)；

4c)对非记忆色，设定明度调制因子k₃＝1.4，彩度调制因子设置为t₃，其中1.3≤t₃≤1.5，通过式(3)获得调制后色貌空间量(J'_i,C'_i,h'_i)_；

步骤5：从N位显示的大色域显示设备中的红、绿、蓝三个通道中，分别选取包括驱动值是0和(2^N-1)的M个样本，得到3×M个样本；

步骤6：测量所述3×M个样本在大色域显示设备中对应的CIE三刺激值，其中所述样本中的数字驱动值(0,0,0)对应的CIE三刺激值记为(X₀,Y₀,Z₀)，数字驱动值(2^N-1,0,0)对应的CIE三刺激值记为(X_RM,Y_RM,Z_RM)，数字驱动值(0,2^N-1,0)对应的CIE三刺激值记为(X_GM,Y_GM,Z_GM)，数字驱动值(0,0,2^N-1)对应的CIE三刺激值记为(X_BM,Y_BM,Z_BM)；

步骤7：利用步骤6)中测量到的3×M个样本的CIE三刺激值，分别计算红、绿、蓝三个通道的增益系数及伽马系数，具体计算步骤如下：

7a)将选取的红通道样本的数字驱动值(R_j,0,0)和测量的CIE三刺激值(X_Rj,Y_Rj,Z_Rj)代入式(4)，采用最小二乘法进行拟合，得到红通道的增益系数τ_R和伽马系数γ_R，其中，1≤j≤M；

7b)将选取的绿通道样本的数字驱动值(0,G_j,0)和测量的CIE三刺激值(X_Gj,Y_Gj,Z_Gj)代入式(5)，采用最小二乘法进行拟合，得到绿通道的增益系数τ_G和伽马系数γ_G，其中，1≤j≤M；

7c)将选取的蓝通道样本的数字驱动值(0,0,B_j)和测量的CIE三刺激值(X_Bj,Y_Bj,Z_Bj)代入式(6)，采用最小二乘法进行拟合，得到蓝通道的增益系数τ_B和伽马系数γ_B，其中，1≤j≤M；

步骤8：利用红、绿、蓝三个通道的增益系数τ_R、τ_G、τ_B，伽马系数γ_R、γ_G、γ_B和CIE三刺激值(X_RM,Y_RM,Z_RM)、(X_GM,Y_GM,Z_GM)、(X_BM,Y_BM,Z_BM)，建立反向特征化模型(7)～(8)，用于将任意像素的CIE三刺激值(X,Y,Z)转换为其数字驱动值(R,G,B)：

其中，(X,Y,Z)指待求CIE三刺激值，(R,G,B)指其对应的数字驱动值，(L_R,L_G,L_B)是模型中间计算值；

步骤9：根据大色域显示设备所处的观察环境，输入CIECAM02模型的环境测量参数，结合步骤6)获得的CIE三刺激值(X_RM,Y_RM,Z_RM)、(X_GM,Y_GM,Z_GM)、(X_BM,Y_BM,Z_BM)，利用CIECAM02模型的计算方法，将步骤4)中所述的色貌空间量(J'_i,C'_i,h'_i)转换为调制后CIE三刺激值(X'_i,Y'_i,Z'_i)；

步骤10：将所述调制后CIE三刺激值(X'_i,Y'_i,Z'_i)输入至步骤8中建立的反向特征化模型(7)～(8)中，利用如下公式(9)～(10)计算其对应的调制后数字驱动值(R'_i,G'_i,B'_i)，作为大色域显示设备呈现图像的第i个像素的颜色信息；

上述大色域显示设备图像复现质量提升方法，步骤5)中所述的分别选取包括驱动值是0和(2^N-1)的M个样本，是利用光谱辐射计测量显示设备的红、绿、蓝三个通道样本的CIE三刺激值，其中M≥5，当大色域显示设备型号改变时，该操作需要重复进行。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明中由于在图像复现时通过将待呈现图像的数字驱动值转换为CIE三刺激值并获取其CIECAM02色貌空间量，然后根据颜色内容进行不同程度的调制，获得调制后CIE三刺激值，最后通过建立反向特征化模型将调制后CIE三刺激值转换至调制后数字驱动值，从而在大色域显示设备精确呈现，与现有技术中采用对颜色信息不加处理直接复现在大色域显示设备上的方法相比，可以对基于sRGB标准小色域空间的图像颜色信息实施有针对性的调制，保证记忆色的真实复现和非记忆色的艳丽复现，有效地提升了复现图像质量。

2、本发明在获取色貌空间量时由于采取了基于CIECAM02模型的计算方法，可以使颜色信息的表征传递与人眼视觉感知更为相符，保证了复现图像的真实感。

3、本发明通过建立反向特征化模型实现调制后CIE三刺激值与数字驱动值之间的转换，能够针对具体的大色域显示设备精确地呈现出颜色信息，使得复现图像与显示设备更匹配，保证了复现图像的精确性。

4、本发明方法只需要对不同大色域显示设备部分像素点样本测量，便可实现图像高质量复现，实施方式简单，操作成本低，适用性强。

附图说明

图1为大色域显示设备图像复现质量提升的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与实施例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1

参照图1，以一台显卡位数为8位控制的桌面显示器EIZO CG241W为例，图像复现质量提升包括以下步骤：

步骤一，对任一幅传输至EIZO CG241W待呈现的数字图像，提取其每个像素的数字驱动值，第i个像素的数字驱动值记为(R_i,G_i,B_i)；

步骤二，由sRGB标准规定的计算方法，如式(11)～(14)所示，将步骤一获得的每个像素数字驱动值(R_i,G_i,B_i)转换至其对应的CIE三刺激值(X_i,Y_i,Z_i)，其中，(T_R,T_G,T_B)是中间计算值；

步骤三，根据CIECAM02模型的计算方法，由sRGB标准规定的观察环境输入CIECAM02模型的环境设置参数，各个参数取值如式(15)所示，将步骤二获取的CIE三刺激值(X_i,Y_i,Z_i)输入CIECAM02模型，经计算得明度J_i、彩度C_i和色调角h_i，即第i个像素的色貌空间量(J_i,C_i,h_i)；

步骤四，根据图像颜色内容将上述色貌空间量分为三类，分别对应设定明度J_i和彩度C_i复现的调制因子，色调角h_i保持不变，由此获得该像素的调制后色貌空间量(J'_i,C'_i,h'_i)，具体实施包括下述三类方法：

1)对记忆色中的皮肤色，明度调制因子k₁＝1，彩度调制因子t₁＝1，通过式(1)获得调制后色貌空间量(J'_i,C'_i,h'_i)；

2)对记忆色中的蓝天、绿树，明度调制因子k₂＝1.1，彩度调制因子设置为t₂，其中1≤t₂≤1.3，本实施例中t₂＝1.1，通过式(2)获得调制后色貌空间量(J'_i,C'_i,h'_i)；

3)对非记忆色，明度调制因子k₃＝1.4，彩度调制因子设置为t₃，其中1.3≤t₃≤1.5，本实施例中t₃＝1.4，通过式(3)获得调制后色貌空间量(J'_i,C'_i,h'_i)；

步骤五，对于显卡位数为8位控制的桌面显示器EIZO CG241W而言，红、绿、蓝每个通道的数字驱动值范围为0～(2⁸-1)，即0～255，根据数字驱动值在红、绿、蓝每个通道分别取M个样本，包括驱动值是0和255的样本，三通道共计3×M个样本，其中M≥5，本实施例取M＝14，三通道样本的数字驱动值分别如式(16)～(18)所示；

红通道样本：

绿通道样本：

蓝通道样本：

步骤六，利用光谱辐射计测量3×M个样本在桌面显示器EIZO CG241W对应的CIE三刺激值，所述样本中的数字驱动值(0,0,0)对应的CIE三刺激值记为(X₀,Y₀,Z₀)，数字驱动值(255,0,0)对应的CIE三刺激值记为(X_RM,Y_RM,Z_RM)，数字驱动值(0,255,0)对应的CIE三刺激值记为(X_GM,Y_GM,Z_GM)，数字驱动值(0,0,255)对应的CIE三刺激值记为(X_BM,Y_BM,Z_BM)；

步骤七，利用步骤六中测量到的3×M个样本的CIE三刺激值，分别获取红、绿、蓝三通道的增益系数及伽马系数，具体步骤包括下述三个过程：

7a)根据红通道样本的数字驱动值(R_j,0,0)及其测量的CIE三刺激值(X_Rj,Y_Rj,Z_Rj)，将其代入式(4)，采用最小二乘法拟合得到红通道的增益系数τ_R及伽马系数γ_R，其中，1≤j≤M；

7b)根据绿通道样本的数字驱动值(0,G_j,0)及其测量的CIE三刺激值(X_Gj,Y_Gj,Z_Gj)，将其代入式(5)，采用最小二乘法拟合得到绿通道的增益系数τ_G及伽马系数γ_G，其中，1≤j≤M，

7c)根据蓝通道样本的数字驱动值(0,0,B_j)及其测量的CIE三刺激值(X_Bj,Y_Bj,Z_Bj)，将其代入式(6)，采用最小二乘法拟合得到蓝通道的增益系数τ_B及伽马系数γ_B，其中，1≤j≤M；

步骤八，利用红、绿、蓝三通道的增益系数τ_R、τ_G、τ_B，伽马系数γ_R、γ_G、γ_B和CIE三刺激值(X_RM,Y_RM,Z_RM)、(X_GM,Y_GM,Z_GM)、(X_BM,Y_BM,Z_BM)，建立起反向特征化模型(7)～(8)，用于将任意CIE三刺激值(X,Y,Z)转换至其数字驱动值(R,G,B)；

其中，(X,Y,Z)指待求CIE三刺激值，(R,G,B)指其对应的数字驱动值，(L_R,L_G,L_B)是模型中间计算值。

步骤九，根据CIECAM02模型的计算方法，由桌面显示器EIZO CG241W所处观察环境，设置背景相对亮度Y_b＝20，测量得适应场亮度L_A，结合步骤五获得的CIE三刺激值(X_RM,Y_RM,Z_RM)、(X_GM,Y_GM,Z_GM)、(X_BM,Y_BM,Z_BM)，由式(19)得参考白三刺激值(X_W,Y_W,Z_W)，根据式(20)中比值S_R的不同范围，对应表1中CIECAM02模型的三种环境类型测量参数设置，包括周围环境因子c、色诱导因子N_C及色适应程度因子F，将步骤四中的第i个像素调制后色貌空间量(J'_i,C'_i,h'_i)转换至调制后CIE三刺激值(X'_i,Y'_i,Z'_i)；

S_R＝L_A/Y_W (20)

表1不同S_R取值范围的CIECAM02环境类型参数设置

判断条件	环境类型	c	NC	F
					SR≥0.2	平均	0.69	1	1
0<SR<0.2	昏暗	0.59	0.9	0.9
					SR＝0	黑暗	0.525	0.8	0.8

步骤十，将步骤九获得的调制后CIE三刺激值(X'_i,Y'_i,Z'_i)输入至步骤八建立的反向特征化模型，如式(9)～(10)所示，求得对应的调制后数字驱动值(R'_i,G'_i,B'_i)，以该调制后数字驱动值作为桌面显示器EIZO CG241W呈现图像的第i个像素颜色信息，针对待呈现图像所有像素执行上述步骤，由此完成桌面显示器EIZO CG241W图像复现质量的提升。

实施例2

实施例2的方法与实施例1相同，仅对如下参数进行调整：

对记忆色中的蓝天、绿树的彩度调制因子设置为t₂＝1，

对非记忆色的彩度调制因子设置为t₃＝1.3。

实施例3

实施例3的方法与实施例1相同，仅对如下参数进行调整：

对记忆色中的蓝天、绿树的彩度调制因子设置为t₂＝1.3，

对非记忆色的彩度调制因子设置为t₃＝1.5。

以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种大色域显示设备的图像复现质量提升方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)：从一幅待处理的图像中提取每个像素的数字驱动值(R_i,G_i,B_i)，其中i表示第i个像素；

2)：利用sRGB标准规定的计算方法，如式(1)～(4)所示，将所述的每个像素的数字驱动值(R_i,G_i,B_i)转换为其对应的CIE三刺激值(X_i,Y_i,Z_i)，其中，(T_R,T_G,T_B)是中间计算值；

3)：根据sRGB标准规定的观察环境，输入CIECAM02模型的环境设置参数，并利用包含输入参数的CIECAM02模型的计算方法，计算所述的CIE三刺激值(X_i,Y_i,Z_i)的色貌空间量(J_i,C_i,h_i)_，其中J_i表示明度_、C_i表示彩度和h_i表示色调角；

4)_：根据图像颜色内容将所述色貌空间量(J_i,C_i,h_i)分成三类_，并对每类像素设定对应的明度J_i和彩度C_i复现的调制因子，色调角h_i保持不变，对色貌空间量进行调制，得到各像素点调制后色貌空间量(J'_i,C'_i,h'_i)，调制过程包括以下三类：

4a)对记忆色中的皮肤色，设定明度调制因子k₁＝1，彩度调制因子t₁＝1，通过公式(5)获得调制后色貌空间量(J'_i,C'_i,h'_i)；

4b)对记忆色中的蓝天、绿树，设定明度调制因子k₂＝1.1，彩度调制因子设置为t₂，其中1≤t₂≤1.3，通过式(6)获得调制后色貌空间量(J'_i,C'_i,h'_i)；

4c)对非记忆色，设定明度调制因子k₃＝1.4，彩度调制因子设置为t₃，其中1.3≤t₃≤1.5，通过式(7)获得调制后色貌空间量(J'_i,C'_i,h'_i)；

5)：从N位显示的大色域显示设备中的红、绿、蓝三个通道中，分别选取包括数字驱动值是0和(2^N-1)的M个样本，得到3×M个样本；

6)：测量所述3×M个样本在大色域显示设备中对应的CIE三刺激值，其中所述样本中的数字驱动值(0,0,0)对应的CIE三刺激值记为(X₀,Y₀,Z₀)，数字驱动值(2^N-1,0,0)对应的CIE三刺激值记为(X_RM,Y_RM,Z_RM)，数字驱动值(0,2^N-1,0)对应的CIE三刺激值记为(X_GM,Y_GM,Z_GM)，数字驱动值(0,0,2^N-1)对应的CIE三刺激值记为(X_BM,Y_BM,Z_BM)；

7)：利用步骤6)中测量到的3×M个样本的CIE三刺激值，分别计算红、绿、蓝三个通道的增益系数及伽马系数，具体计算步骤如下：

7a)将选取的红通道样本的数字驱动值(R_j,0,0)和测量的CIE三刺激值(X_Rj,Y_Rj,Z_Rj)代入式(8)，采用最小二乘法进行拟合，得到红通道的增益系数τ_R和伽马系数γ_R，其中，1≤j≤M；

7b)将选取的绿通道样本的数字驱动值(0,G_j,0)和测量的CIE三刺激值(X_Gj,Y_Gj,Z_Gj)代入式(9)，采用最小二乘法进行拟合，得到绿通道的增益系数τ_G和伽马系数γ_G，其中，1≤j≤M；

7c)将选取的蓝通道样本的数字驱动值(0,0,B_j)和测量的CIE三刺激值(X_Bj,Y_Bj,Z_Bj)代入式(10)，采用最小二乘法进行拟合，得到蓝通道的增益系数τ_B和伽马系数γ_B，其中，1≤j≤M；

8)：利用红、绿、蓝三个通道的增益系数τ_R、τ_G、τB，伽马系数γ_R、γ_G、γ_B和CIE三刺激值(X_RM,Y_RM,Z_RM)、(X_GM,Y_GM,Z_GM)、(X_BM,Y_BM,Z_BM)，建立反向特征化模型(11)～(12)，用于将任意像素的CIE三刺激值(X,Y,Z)转换为其数字驱动值(R,G,B)：

其中，(X,Y,Z)指待求CIE三刺激值，(R,G,B)指其对应的数字驱动值，(L_R,L_G,L_B)是模型中间计算值；

9)：根据大色域显示设备所处的观察环境，输入CIECAM02模型的环境测量参数，结合步骤6)获得的CIE三刺激值(X_RM,Y_RM,Z_RM)、(X_GM,Y_GM,Z_GM)、(X_BM,Y_BM,Z_BM)，利用CIECAM02模型的计算方法，将步骤4)中所述的色貌空间量(J'_i,C'_i,h'_i)转换为调制后CIE三刺激值(X'_i,Y'_i,Z'_i)；

10)：将所述调制后CIE三刺激值(X'_i,Y'_i,Z'_i)输入至步骤8)中建立的反向特征化模型(11)～(12)中，利用如下公式(13)～(14)计算其对应的调制后数字驱动值(R'_i,G'_i,B'_i)，作为大色域显示设备呈现图像的第i个像素的颜色信息；

2.根据权利要求1所述的一种大色域显示设备的图像复现质量提升方法，其特征在于，步骤5)中所述的分别选取包括数字驱动值是0和(2^N-1)的M个样本，是利用光谱辐射计测量显示设备的红、绿、蓝三个通道样本的CIE三刺激值，其中M≥5，当大色域显示设备型号改变时，步骤5)需要重复进行。