CN106097948A - 图像处理方法、图像处理电路及使用其的显示装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种图像处理方法和电路以及使用其的显示装置，用来使高动态范围(HDR)图像的图像质量劣化最小并且在标准动态范围(SDR)显示装置中显示该图像，而没有数据驱动集成电路(IC)的伽马变换。所述图像处理方法包括：在对应于显示装置的多个伽马曲线之中选择具有第一图像和最小累积亮度误差的伽马曲线，所述第一图像具有高动态范围(HDR)，以便在具有标准动态范围(SDR)的显示装置中显示具有HDR的所述第一图像；和根据所述选择的伽马曲线将所述第一图像转换为具有SDR的第二图像。

Description

图像处理方法、图像处理电路及使用其的显示装置
本申请要求2015年4月29日提交的韩国专利申请No.10-2015-0060518的优先权，在此援引该专利申请作为参考，如同在这里完全阐述一样。
技术领域
本发明涉及一种显示装置，尤其涉及一种图像处理方法和电路以及使用其的显示装置，用来使高动态范围(HDR)图像的图像质量劣化最小并在标准动态范围(SDR)显示装置中显示该图像。
背景技术
一般来说，被捕获的图像需要数字化，以便在显示装置上显示该图像。在该情形中，需要伽马编码和伽马解码处理。伽马编码用于尽可能地包含指定带宽(例如，8比特图像信号具有256的灰度级)中的大量信息，根据人视觉的认知特性，与高亮度周期相比，伽马编码对于低亮度周期中的亮度变化相对敏感，就是说，伽马编码具有非线性特性。考虑这一点，在伽马编码过程使用非线性转换函数，非线性转换函数按照使用2.4的倒数作为指数的推荐值(Recommendation，Rec.)709和Rec.1886标准进行定义。为了将伽马编码的图像转换为每个灰度级的最初想要的亮度，显示装置鉴于具有指数2.4的函数作为在编码中使用的转换函数的逆函数，确定伽马基准电压。
按照常规的Rec.709标准考虑的显示装置是阴极射线管(CRT)，因而该显示装置具有大约0到100cd/m2的窄动态范围。然而，2.4对于CRT的动态范围是适当的，因而当动态范围增大时，2.4不适合于人视觉的认知特性。实际上，人在现实世界中具有大约10-4-108cd/m2的宽动态范围。鉴于此的技术为高动态范围(HDR)，因此迄今为止，HDR技术大多集中在相机领域。
近来，有HDR扩展至图像制作、显示器开发等的趋势，并且已代表性地讨论并建立了电影和电视工程师协会(SMPTE)标准(ST.)2084标准、蓝光光盘协会(BDA)HDR标准等。SMPTE ST.2084标准是指将用于HDR显示装置的HDR图像编码的电光转换函数(EOTF)，其还被称作感知量化(PQ，perceptual quantizer)。
如上所述，伽马编码用于尽可能地包含指定带宽中的大量信息，解码是用于将编码的信息转换为初始亮度表达的处理。因此，编码和解码具有逆函数的关系，因而当编码函数和解码函数不同时，不可避免地导致图像质量劣化。
就是说，尽管HDR图像需要具有比标准动态范围(SDR)图像高的图像质量，但当在常规的SDR显示装置中显示HDR图像时，由于不同的编码函数和解码函数，与SDR图像相比，HDR图像的图像质量劣化。
这是因为大多数常规的SDR显示装置使用按照常规的SDR标准(Rec.709/Rec.1886)定义的伽马来解码图像，因而没有解码按照HDR标准(ST.2084)编码的HDR图像，即使显示装置的动态范围增大时这也不会被克服。
另一方面，在符合HDR标准(ST.2084)的显示装置的情形中，HDR图像被精确地显示，但SDR图像没有被精确地显示。
为了克服这些问题，需要在显示装置中包含与将图像编码的转换函数精确对应的解码函数。因此，就显示装置而言为了适当地显示SDR图像和HDR图像二者，最理想的是在数据驱动IC中包含SDR和HDR各自的解码函数EOTF，但这涉及高成本的问题。
发明内容
因此，本发明涉及一种基本上避免了由于现有技术的限制和缺点而导致的一个或多个问题的图像处理方法、图像处理电路以及使用其的显示装置。
本发明的一个目的是提供一种图像处理方法和电路以及使用其的显示装置，用来使高动态范围(HDR)图像的图像质量劣化最小并且在标准动态范围(SDR)显示装置中显示该HDR图像，而没有数据驱动集成电路(IC)的伽马变换。
在下面的描述中将部分列出本发明的其它优点、目的和特征，这些优点、目的和特征的一部分根据下面的解释对于本领域普通技术人员将变得显而易见或者可通过本发明的实施领会到。通过说明书、权利要求以及附图中特别指出的结构可实现和获得本发明的这些目的和其他优点。
为了实现这些目的和其他优点并根据本发明的目的，如在此具体和概括描述的，一种图像处理方法，包括：在对应于显示装置的多个伽马曲线之中选择具有第一图像和最小累积亮度误差的伽马曲线，所述第一图像具有高动态范围(HDR)，以便在具有标准动态范围(SDR)的显示装置中显示具有HDR的所述第一图像；和根据所述选择的伽马曲线将所述第一图像转换为具有SDR的第二图像。
选择所述伽马曲线可包括：将所述第一图像映射到具有不同最大亮度的所述多个伽马曲线的每一个，以在每一帧计算亮度误差，累积所述计算的亮度误差，并且针对所述多个伽马曲线的每一个检测累积亮度误差；在所述多个伽马曲线的每一个的所述累积亮度误差之中选择具有所述最小累积亮度误差的所述伽马曲线；和确定并输出所述选择的伽马曲线的最大亮度。
将所述第一图像转换为所述第二图像可包括：在对应于各个伽马曲线的预设HDR-SDR转换查找表(LUT)之中选择与所述确定的最大亮度对应的LUT；和使用所述选择的LUT将所述第一图像映射为所述第二图像。
在选择所述多个伽马曲线中的任意一个之前，所述图像处理方法可进一步包括：基于通过所述第一图像的分析而获得的结果，根据图像特性确定滚降拐点；和对所述第一图像中的等于或大于所述确定的滚降拐点的高灰度级进行滚降处理。
确定所述滚降拐点可包括：分析所述第一图像的直方图，以计算n％高或更高的高灰度频率，并且根据所述计算的高灰度频率适应性地确定所述滚降拐点，其中n是小于100的自然数。
在分析所述第一图像之前，所述图像处理方法可进一步包括：根据选项图像确定输入图像是HDR图像还是SDR图像；和当所述输入图像是SDR图像时绕过所述输入图像，并且当所述输入图像是HDR图像时将所述输入图像作为所述第一图像提供。
在本发明的另一个方面中，一种图像处理电路，包括：滚降处理器，所述滚降处理器基于通过具有高动态范围(HDR)的第一图像的分析而获得的结果，根据图像特性确定滚降拐点，并对所述第一图像中的等于或大于所述确定的滚降拐点的高灰度级进行滚降处理，以便在具有标准动态范围(SDR)的显示装置中显示具有HDR的所述第一图像；和图像映射器，所述图像映射器用于在对应于所述显示装置的多个伽马曲线之中选择具有所述第一图像和最小累积亮度误差的伽马曲线，并且根据所述选择的伽马曲线将所述第一图像转换为具有SDR的第二图像。
所述滚降处理器可包括：直方图分析器，所述直方图分析器分析所述第一图像的直方图，以计算并输出n％高或更高的高灰度频率，其中n是小于100的自然数；和滚降拐点确定器，所述滚降拐点确定器根据所述计算的高灰度频率适应性地确定所述滚降拐点。
所述图像映射器可包括：累积亮度误差检测器，所述累积亮度误差检测器将所述第一图像映射到具有不同最大亮度的所述多个伽马曲线的每一个，以在每一帧计算亮度误差，累积所述计算的亮度误差，并且针对所述多个伽马曲线的每一个检测累积亮度误差；最大亮度确定器，所述最大亮度确定器在所述多个伽马曲线的每一个的所述累积亮度误差之中选择具有所述最小累积亮度误差的所述伽马曲线，并且确定和输出所述选择的伽马曲线的最大亮度；和HDR-SDR转换器，所述HDR-SDR转换器在对应于各个伽马曲线的预设HDR-SDR转换查找表(LUT)之中选择与所述确定的最大亮度对应的LUT，并且使用所述选择的LUT将所述第一图像映射为所述第二图像。
所述图像处理电路可进一步包括：设置在所述滚降处理器前方的内容器选择器，所述内容器选择器根据选项图像确定输入图像是HDR图像还是SDR图像，当所述输入图像是SDR图像时绕过所述输入图像，并且当所述输入图像是HDR图像时将所述输入图像作为所述第一图像提供至所述滚降处理器。
在本发明的另一个方面中，一种显示装置，包括：显示面板；图像处理电路；面板驱动器，所述面板驱动器用于在所述显示面板中显示从所述图像处理电路提供的图像；和时序控制器，所述时序控制器用于控制所述面板驱动器的驱动时序，其中所述图像处理电路安装在所述时序控制器中、设置在所述时序控制器与所述面板驱动器之间、或者设置在所述时序控制器的前端处。
所述显示装置可进一步包括：背光单元，所述背光单元用于给所述显示面板照射光；和背光驱动器，所述背光驱动器用于响应于从所述时序控制器输出的调光值调整所述背光单元的亮度，所述调光值使用通过所述图像处理电路确定的所述最大亮度。
应当理解，本发明前面的一般性描述和下面的详细描述都是例示性的和解释性的，意在对要求保护的本发明提供进一步的解释。
附图说明
给本发明提供进一步理解并并入本申请组成本申请一部分的附图图解了本发明的实施方式，并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1是为了理解本发明，显示按照HDR转换函数(ST.2084)的PQ编码曲线与按照标准动态范围(SDR)转换函数(Rec.1886)的伽马编码曲线之间的对比的图表；
图2是为了理解本发明，显示按照HDR转换函数(ST.2084)的PQ解码曲线与按照SDR转换函数(Rec.1886)的伽马解码曲线之间的对比的图表；
图3是为了理解本发明，图解当HDR图像的灰度级按照2.2伽马曲线被映射时发生灰度损失的示例；
图4是图解根据本发明一实施方式的图像处理电路的组件的示意性框图；
图5是用于解释裁剪(clipping)处理与图4中所示的滚降(roll-off)处理器的用于将高灰度饱和最小化的滚降处理之间的对比的图表；
图6A和6B图解了HDR图像的直方图分析的示例，其用于解释根据图4中所示的滚降处理器的图像特性来适应性地确定滚降起点的方法；
图7是图解图4中所示的累积亮度误差计算器的内部组件的框图；
图8是逐步图解根据本发明一实施方式的图像处理方法的流程图；
图9是图解应用根据本发明一实施方式的图像处理电路的液晶显示装置的示例的框图。
具体实施方式
图1是为了理解本发明，显示按照HDR转换函数(ST.2084)的PQ编码曲线与按照标准动态范围(SDR)转换函数(Rec.1886)的伽马编码曲线之间的对比的图表。
考虑HDR显示装置的SMPTE ST.2084可具有0到10,000cd/m2的动态范围，该动态范围是考虑到比常规SDR显示装置的0到100cd/m2宽得多的动态范围而确定的。因此，将HDR图像编码的ST.2084转换函数和将SDR图像编码的BT.1886转换函数可具有很大差异。
从图1可以看出，PQ编码曲线和伽马编码曲线具有非常大的差异，所述PQ编码曲线显示出根据作为HDR标准的ST.2084转换函数的灰度级与亮度的关系图，所述伽马编码曲线显示出根据作为SDR标准的BT.1886转换函数的灰度级与亮度的关系图。
本发明提出了一种方法，所述方法用于在符合SDR转换函数(Rec.709/Rec.1886)的SDR显示装置中实现具有最小图像质量劣化的SDR图像和HDR图像，而没有驱动集成电路(IC)的伽马变换。
为此，本发明的基本构思可理解为按照HDR转换函数(ST.2084)，即PQ编码的图像到按照SDR转换函数(Rec.709/Rec.1886)编码的图像的数据转换。
图2是为了理解本发明的基本构思，显示按照HDR转换函数ST.2084(＝PQ)在解码时间点处的PQ曲线与按照SDR转换函数在解码时间点处的2.2伽马曲线之间的对比的图表。
参照图2，按照PQ编码的图像的150灰度级需要在显示装置中显示为大约250nit，但其在符合伽马2.2的最大值为400nit的SDR显示装置中不可避免地显示为120nit。因此，如现有技术的讨论中所述，HDR图像被SDR显示装置显示得较暗。
另一方面，参照图2，当SDR显示装置将HDR图像的150灰度级变为(映射为)180灰度级时，150灰度级可被显示为与编码的情形中相同的值，即250nit。
然而，这种简单的数据映射方法可导致几个问题。第一，在同一带宽(例如，假设PQ和2.2伽马均具有8比特)中1：1配对是不可能的，因而不可避免地导致灰度损失。第二，PQ的动态范围一般比显示装置的动态范围宽。因此，在图2中，按照PQ编码的图像的200灰度级超过了大约1,000nit，但是其在最大值为400nit的SDR显示装置中不能被显示，因而高灰度级亮度饱和，从而在高灰度级中导致灰度集聚。
图3图解在根据2.2伽马曲线将按照前述PQ编码的HDR图像的灰度级进行数据映射的情形中，发生灰度损失的示例。
从图3可以看出，随着SDR显示装置的最大亮度400、800、1000、1500、2000和4000增加，低灰度级中的损失增加。不完整地，按照PQ编码的16灰度级在最大值为400nit的2.2伽马显示装置中可被映射到6灰度级，但在最大值为4000nit的2.2伽马显示装置中可被映射到2灰度级，因而可以看出在低灰度级中发生较高灰度损失。
为了克服这些问题，本发明提出了一种图像处理方法和图像处理电路，其用于将由于HDR图像按照SDR伽马曲线的映射而导致的灰度损失以及当HDR图像的动态范围比SDR显示装置的动态范围宽时可能发生的高灰度饱和最小化。
图4是图解根据本发明一实施方式的图像处理电路50的组件的示意性框图。
图4中所示的图像处理电路50可包括内容选择器10、滚降(roll-off)处理器20、以及图像映射器30。滚降处理器20可包括直方图分析器22、滚降拐点确定器24、以及滚降计算器26。图像映射器30可包括累积亮度误差检测器32、最大亮度确定器34、以及HDR-SDR转换器36。
内容选择器10可从外部源接收输入图像RGB和选项信息并且根据选项信息确定输入图像RGB是HDR图像还是SDR图像。选项信息可包括表示输入图像RGB是HDR图像还是SDR图像的图像信息。当输入图像RGB是HDR图像时，内容选择器10将输入图像RGB输出至滚降处理器20，并且当输入图像RGB是SDR图像时，内容选择器10将输入图像RGB输出至数据驱动器。
在将从内容选择器10提供的HDR图像映射为SDR图像之前，为了使经由映射的高灰度饱和最小，滚降处理器20可使用用于将高灰度区域的整体亮度调整为暗的滚降处理方案。特别是，滚降处理器20可根据通过分析输入的HDR图像所获得的图像特性来适应性地执行滚降处理。滚降处理器20可确定拐点(滚降起点)，从而将由于高灰度饱和及拐点导致的图像质量劣化最小，所述拐点表示根据图像特性适应性地开始滚降的灰度位置。换句话说，滚降处理器20可分析基于HDR图像的直方图，以根据n％高或更高的高灰度频率适应性地确定滚降拐点(滚降起点)，并且执行和输出对所确定的拐点的高灰度或更高灰度的滚降处理。
为此，滚降处理器20可包括：直方图分析器22，直方图分析器22分析基于HDR图像的直方图并输出n％高或更高的高灰度频率；滚降拐点确定器24，滚降拐点确定器24根据从直方图分析器22确定的高灰度频率适应性地确定滚降拐点；以及滚降计算器26，滚降计算器26对所确定的拐点的高灰度级或更高灰度级执行滚降处理的计算。
图5是用于解释图4中所示的滚降处理器20的滚降方法的图表。
在图5中，虚线表示当输入图像的动态范围比显示装置的动态范围宽时的简单裁剪(clipping)方法。例如，该方法可以是当在HDR图像中与170灰度级对应的亮度为400nit时，将170或更大的所有高灰度级变为170的方法。
另一方面，如图5中所示的虚线表示的，滚降是一种将任意灰度级确定为拐点并使该拐点弯折变化的方法。在这点上，尽管与裁剪相比能够减小高灰度级饱和，但能够识别到基于该拐点的图像质量劣化，因而可通过输入图像的分析适应性地确定该拐点。换句话说，滚降处理器20可通过HDR图像的直方图分析根据图像特性适应性地确定拐点，从而使由于高灰度饱和及拐点导致的图像质量劣化最小。
图6是用于解释根据图4中所示的滚降处理器20的图像特性来适应性地确定滚降起点的方法的示图。
图6A和6B图解了HDR图像直方图分析的示例，在该示例中，X轴表示归一化的亮度，Y轴表示频率。
将HDR图像编码的转换函数(ST.2084)，即PQ EOTF可按照下面的方程1定义，并且可使用下面的方程1获得针对输入灰度级的亮度。
[方程1]
L = ( max [ ( N 1 / m 2 - c 1 ) , 0 ] c 2 - c 3 N 1 / m 1 ) 1 / m 1
在上面的方程1中，L是亮度，N是输入灰度级，m1到m2以及c1到c3每个都是常数。例如，m1＝2610/4096×(1/4)＝0.1593017578125，m2＝2523/4096×128＝78.84375，c1＝3424/4096＝0.8359375＝c3-c2+1，c2＝2413/4096×32＝18.8515625，c3＝2392/4096×32＝18.6875。
在如图6A中所示具有少许高灰度区域的暗图像的情形中，滚降拐点位于较高灰度级处是没有关系的，但是在如图6B中所示具有许多高灰度区域的亮图像的情形中，优选的是滚降拐点尽可能位于低灰度级中并且考虑到图像亮度进行确定。
详细地说，滚降拐点确定器24可考虑来自直方图分析器22的n％高的高灰度区域的频率，根据下面的方程2确定滚降拐点(Roll-offpos)。
[方程2]
如果灰度(n)的数量>阈值，Roll-offpos＝(1-a)×Roll-offinitial
否则Roll-offpos＝Roll-offinitial
当n％高的高灰度区域的频率“灰度(n)的数量”高于阈值时，滚降拐点“Roll-offpos”可被确定为“(1-a)×Roll-offinitial”，此外，“滚降拐点(Roll-offpos)”可被确定为最初设置的滚降初始拐点“Roll-offinitial”。在此，“a”是实验常数，并且“a”随着亮度增加而增大且随着亮度降低而减小。“a”可以是通过实验的经验数并且可设为与具有固定的最小和最大值的亮度成线性比例。可根据显示装置的最大亮度预先设置滚降初始拐点“Roll-offinitial”。
滚降计算器26可根据下面的方程3对滚降拐点确定器24根据前述图像分析所确定的滚降拐点“Roll-offpos”和输入灰度级“Grayin”执行乘法运算，以输出滚降处理的输出灰度级“Grayout”。
[方程3]
Grayout＝(Roll-offpos)×(Grayin)
例如，在具有100×100像素尺寸的图像中，可在R、G、B灰度数据项之中检测每个像素的最大值GrayMax(当灰度数据具有8比特时，0≤GrayMax≤255)。当直方图由每个像素的最大值GrayMax形成时，X轴是0到255范围内的灰度级，Y轴是频率。例如，可考虑10％高的高灰度区域的频率(100×100×0.1)来确定滚降拐点“Roll-offpos”。
满足条件初始X＝255(直方图[X]+直方图[X-1]+…+直方图[X-m])>(100×100×0.1))的灰度级(X-m)与相应图像的10％高的高灰度区域对应。当图像全部为暗时，(X-m)可接近0，当图像为亮时，(X-m)可接近255。
例如，当用于确定滚降拐点的阈值假设为192的灰度级且(X-m)小于192时，a＝0且滚降拐点“Roll-offpos”可确定为不做调整而是被确定为滚降初始拐点“Roll-offinitial”。
另一方面，当(X-m)大于192时，a>0且与滚降初始拐点“Roll-offinitial”相比，滚降拐点“Roll-offpos”可变为接近0。
在图4中，图像映射器30可选择用于使图像质量劣化最小的伽马曲线并且使用所选择的伽马曲线将HDR图像映射到SDR图像，以使由于映射导致的灰度损失最小。换句话说，图像映射器30可通过接收被滚降处理器20进行滚降处理的HDR图像并且从具有不同亮度的多个伽马曲线计算累积亮度误差，在具有最小累积亮度误差的伽马曲线上执行图像映射。
为此，图像映射器30可包括：累积亮度误差检测器32，累积亮度误差检测器32通过根据具有不同亮度的多个伽马曲线映射从滚降处理器20输入的HDR图像来检测累积亮度误差，以计算和累积各个帧的亮度误差；最大亮度确定器34，最大亮度确定器34用于在来自累积亮度误差检测器32的累积亮度误差之中选择具有最小误差的伽马曲线，并且输出所选择的伽马曲线的最大亮度(L)；以及HDR-SDR转换器36，HDR-SDR转换器36用于根据所确定的最大亮度(L)使用HDR-SDR查找表(LUT)将HDR图像转换为SDR图像，并且将转换的SDR图像输出至数据驱动器。在此，累积亮度误差检测器32和HDR-SDR转换器36可以以LUT的形式实施。
下面将描述通过图像映射器30的映射使图像质量劣化最小的方法。
如上面参照图2所述，对于伽马曲线来说，随着最大亮度增大，低灰度映射可变得更加困难，而高灰度映射可变的容易。在HDR-SDR映射过程中，随着更多亮度被初始表示在按照PQ编码的图像中的所有像素中，可获得该特性并且可使图像质量劣化最小，因而图像映射器30可选择并映射具有最小图像质量劣化的伽马曲线。
换句话说，图像映射器30可利用如图7中所示的100-Max nit伽马曲线计算累积亮度误差，选择具有最小累积亮度误差的伽马曲线，并在所选择的伽马曲线上执行图像映射。
当根据方程计算累积亮度误差时，电路负载可能变得更加严重，因而累积亮度误差检测器32可根据下面的方程4以LUT的形式实施。
[方程4]
i＝输入灰度级，n是比特数，r是伽马指数(gamma exp，例如2.2)，
上面的方程1是参照PQ(i)，Gamma(i)＝(i/(2n-1))r,
最小亮度差LUT(i)＝(PQ(i)-Gamma(i))/PQ(i)
最大亮度确定器34可在从累积亮度误差检测器32输出的累积亮度误差之中选择具有最小累积亮度误差的伽马曲线，并且将选择的伽马曲线的最大亮度(L)输出至HDR-SDR转换器36。为了防止由于突然的变化或噪声导致的闪烁，最大亮度确定器34使用时间滤波器(time filter)将在相邻帧期间从最大亮度确定器34输出的最大亮度(L)用加权进行等平(level)。时间滤波器可以是无限脉冲响应(IIR)滤波器。
当最大亮度确定器34根据具有最小累积亮度误差的伽马曲线确定最大亮度(L)时，HDR-SDR转换器36可根据确定的最大亮度(L)使用HDR-SDR LUT将HDR图像转换为SDR图像。HDR-SDR LUT可根据下面的方程5预先实现。PQ(i)可符合上面的前述方程1并且可具有0到1范围内的值。针对0到n(n是根据显示装置的最大比特数确定的，8比特为255并且r＝显示装置的伽马)的灰度级，HDR-SDR LUT可按照下面的方程5定义。
[方程5]
HDR-SDR LUT(i)＝Power(PQ(i)*10,000/L,1/r)×n
根据伽马曲线的最大亮度(L)，HDR-SDR转换器36可包括多个LUT，HDR-SDR转换器36可选择与最大亮度确定器34确定的最大亮度(L)对应的LUT，并通过选择的LUT将HDR图像转换为SDR图像。在该情形中，HDR-SDR转换器36可将确定的最大亮度(L)，即具有最小累积亮度误差的伽马曲线的最大亮度(L)提供至调光控制器(未示出)，因而调光控制器可使用前述最大亮度(L)来确定用于控制液晶显示装置的背光亮度的调光增益。
下面的表1显示了通过图4中所示的累积亮度误差检测器32计算七个图像的最小累积亮度误差而获得的结果的示例。
在下面的表1中，左侧亮度对应于具有最小累积亮度误差的伽马曲线的最大亮度L。
从下面的表1可以看出，图像#1、#2和#4在100nit伽马曲线中具有最小累积亮度误差，图像#3在200nit伽马曲线中具有最小累积亮度误差，图像#5和#7在300nit伽马曲线中具有最小累积亮度误差，图像#6在500nit伽马曲线中具有最小累积亮度误差。因此，可根据图像特性确定具有最小累积亮度误差的伽马曲线的最大亮度L。
[表1]
图8是逐步图解根据本发明一实施方式的图像处理方法的流程图，该方法可通过图4中所示的图像处理电路50执行，因而将结合图4进行描述。
当在步骤2(S2)中输入图像RGB至图4中所示的内容选择器10时，在步骤4(S4)中使用选项图像确定输入图像RGB是HDR图像还是SDR图像。
当在步骤4(S4)中确定输入图像RGB为HDR图像时：
在步骤6(S6)中，在将HDR图像映射之前，为了使经由数据映射的高灰度饱和最小，滚降处理器20可根据通过分析输入HDR图像而获得的图像特性适应性地执行滚降处理。滚降处理器20可分析基于HDR图像的直方图，以根据n％高或更高的高灰度频率适应性地确定滚降拐点(滚降起点)，并且可滚降处理并输出所确定的拐点或其上的高灰度级。
图像映射器30在步骤8(S8)中可选择具有最小图像质量劣化的伽马曲线，并且在步骤10(S10)中使用选择的伽马曲线将HDR图像映射为SDR图像，以使由于图像映射导致的灰度损失最小。图像映射器30可使用根据具有不同最大亮度的多个伽马曲线分别设置的累积亮度误差LUT，针对每个伽马曲线检测从滚降处理器20提供的HDR图像的累积亮度误差，选择具有最小累积亮度误差的伽马曲线，并且使用选择的伽马曲线将HDR图像转换为SDR图像。
在步骤12(S12)中，在步骤10(S10)中转换的SDR图像或在步骤4(S4)中确定的SDR图像被输出至数据驱动器。当使用根据本发明一实施方式的图像处理方法在SDR显示装置上显示HDR图像时，与对HDR初始图像执行简单的数据映射的情形相比，可增强亮度并且可提高图像质量。
因此，根据本发明，不符合HDR标准(ST.2084)的SDR显示装置也也可以以最小化的图像质量劣化实现按照ST.2084编码的HDR图像，从而选择性地显示SDR图像和HDR图像，而没有数据驱动器的伽马变化，由此使数据驱动器、时序控制器等的成本增加最小。
根据本发明的前述图像处理电路和方法也可应用于液晶显示装置、有机发光二极管显示装置等的全部。
图9是图解应用根据本发明一实施方式的图像处理电路的液晶显示装置的示例的框图。
图9中所示的液晶显示装置可包括：作为面板驱动器的时序控制器100、数据驱动器200和栅极驱动器300；显示面板400；伽马电压发生器500；背光单元600；背光驱动器700；未示出的电源单元等。
显示面板400可通过其中像素布置成矩阵形式的像素阵列显示图像。像素阵列的每个像素可包括红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)子像素。另一方面，每个像素可包括通过增加具有比RGB子像素更高发光效率的白色(W)子像素而形成的R/W/B/G子像素。LCD面板、OLED面板或类似面板可应用于显示面板400。
数据驱动器200可从时序控制器100接收数据控制信号和图像数据。数据驱动器200可根据数据控制信号被驱动，可将从伽马电压发生器500提供的基准伽马电压组细分为与数据的各个灰度级对应的灰度电压，然后可使用细分的灰度电压将数字图像数据转换为模拟图像数据信号。
数据驱动器200可包括用于单独驱动显示面板400的数据线的多个数据驱动IC，每个数据驱动IC可安装在诸如载带封装(TCP)、覆晶薄膜(COF)和柔性印刷电路(FPC)之类的电路膜上，并使用带式自动焊接(TAB)方法附接至显示面板400或者可使用玻上芯片(COG)方法安装在显示面板400上。
栅极驱动器300可使用从时序控制器400提供的栅极控制信号单独驱动显示面板400的多条栅极线。栅极驱动器300可响应于栅极控制信号在相应扫描周期中将栅极导通电压的扫描脉冲提供至每条栅极线，并且在其余周期中提供栅极断开电压。栅极驱动器300可从时序控制器100接收栅极控制信号或者通过数据驱动器200从时序控制器100接收栅极控制信号。栅极驱动器300可包括至少一个栅极IC并且可安装在诸如TCP、COF和FPC之类的电路膜上，并使用TAB方法附接至显示面板400或者可使用COG方法安装在显示面板400上。另一方面，栅极驱动器300可与组成显示面板400的像素阵列的薄膜晶体管阵列一起形成，从而实现为安装在显示面板400的非显示区域中的面板内栅极(GIP)的类型。
时序控制器100可从外部主机系统接收图像数据、时序信号等。时序控制器100可对输入图像数据执行诸如所需的图像补偿之类的图像处理并将图像数据输出至数据驱动器200。时序控制器100可使用输入时序信号产生用于分别控制数据驱动器200和栅极驱动器300的驱动时序的数据控制信号和栅极控制信号，并且分别将数据控制信号和栅极控制信号输出至数据驱动器200和栅极驱动器300。从主机系统提供至时序控制器100的时序信号可包括点时钟、数据使能信号、垂直同步信号、水平同步信号，但可省略垂直同步信号和水平同步信号。当省略垂直同步信号和水平同步信号时，时序控制器100可根据点时钟对数据使能信号计数并产生和使用垂直同步信号和水平同步信号。从时序控制器100提供至源极驱动器200的数据控制信号可包括源极起始脉冲、源极采样时钟、极性控制信号、源极输出使能信号等。从时序控制器100提供至栅极驱动器300的栅极控制信号可包括栅极起始脉冲、栅极移位时钟、栅极输出使能信号等。
参照图4描述的图像处理电路50可如图9中所示安装在时序控制器100中、可设置在时序控制器100与数据驱动器200之间、或者可设置在时序控制器100的输入端处。图像处理电路50可确定输入图像数据是HDR图像还是SDR图像，绕开SDR图像，并且使HDR图像的高灰度饱和及图像质量劣化最小，以将HDR图像映射为SDR图像并输出。图像处理电路50可根据HDR图像特性确定滚降拐点并对等于或大于拐点的高灰度级执行滚降处理，由此使高灰度饱和最小。此外，图像处理电路50可确定具有HDR图像的最小累积亮度误差的伽马曲线，并且根据确定的伽马曲线LUT将HDR图像映射为SDR图像，从而使图像质量劣化最小。
图像处理电路50可将从具有最小累积亮度误差的伽马曲线确定的最大亮度(L)提供至安装在时序控制器100中的调光控制器。因此，调光控制器可使用从图像处理电路50确定的最大亮度(L)确定用于控制背光单元600的亮度的调光值，并将调光值提供至背光驱动器700。
背光单元600可使用诸如CCFL和EEFL之类的荧光灯或者包括LED作为光源的直下型或边缘型背光。直下型背光可包括面对显示面板400的后表面而布置在整个显示区域上的光源、设置在光源上的导光板、以及多个光学片，直下型背光通过多个光学片将从光源发射的光照射到液晶面板400。边缘型背光可包括面对显示面板400的后表面的导光板、布置成面对导光板的至少一个边缘的光源、以及设置在导光板上的多个光学片，边缘型背光通过导光板将从光源发射的光转换为平面光，并通过多个光学片将光照射到显示面板400。
背光驱动器700可根据来自时序控制器100的调光值调整背光单元600的亮度。背光驱动器700可产生具有与调光值对应的占空比的脉宽调制(PWM)信号并驱动背光单元600，从而控制背光单元600的亮度。
根据本发明的图像处理方法和电路以及使用其的显示装置可在SDR显示装置中将按照HDR标准编码的HDR图像数据转换为按照SDR标准编码的图像，从而实现具有最小误差的图像质量劣化的SDR图像和HDR图像二者，而没有驱动IC的伽马变换。
换句话说，根据本发明的图像处理方法和电路以及使用其的显示装置可通过HDR图像的分析适应性地确定滚降拐点从而使高灰度饱和最小，可确定具有HDR图像的最小累积亮度误差的伽马曲线，并且可将HDR图像转换为SDR图像，由此使由于HDR-SDR映射导致的灰度损失最小。因此，HDR图像的图像质量劣化可被最小化并且HDR图像可输出至SDR显示装置。
在不背离本发明的精神或范围的情况下可在本发明中进行各种修改和变化，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。因而，本发明意在覆盖落入所附权利要求范围及其等同范围内的本发明的修改和变化。

Claims (12)

1.一种图像处理方法，所述方法包括：
在对应于显示装置的多个伽马曲线之中选择具有第一图像和最小累积亮度误差的伽马曲线，所述第一图像具有高动态范围(HDR)，以便在具有标准动态范围(SDR)的显示装置中显示具有HDR的所述第一图像；和
根据所述选择的伽马曲线将所述第一图像转换为具有SDR的第二图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中选择所述伽马曲线包括：
将所述第一图像映射到具有不同最大亮度的所述多个伽马曲线的每一个，以在每一帧计算亮度误差，累积所述计算的亮度误差，并且针对所述多个伽马曲线的每一个检测累积亮度误差；
在所述多个伽马曲线的每一个的所述累积亮度误差之中选择具有所述最小累积亮度误差的伽马曲线；和
确定并输出所述选择的伽马曲线的最大亮度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中将所述第一图像转换为所述第二图像包括：
在对应于各个伽马曲线的预设HDR-SDR转换查找表(LUT)之中选择与所述确定的最大亮度对应的LUT；和
使用所述选择的LUT将所述第一图像映射为所述第二图像。
4.根据权利要求1到3任一项所述的方法，在选择所述多个伽马曲线中的任意一个之前，进一步包括：
基于通过所述第一图像的分析而获得的结果，根据图像特性确定滚降拐点；和
对所述第一图像中的等于或大于所述确定的滚降拐点的高灰度级进行滚降处理。
5.根据权利要求4所述的方法，其中确定所述滚降拐点包括：分析所述第一图像的直方图，以计算n％高或更高的高灰度频率，并且根据所述计算的高灰度频率适应性地确定所述滚降拐点，其中n是小于100的自然数。
6.根据权利要求5所述的方法，在分析所述第一图像之前，进一步包括：
根据选项图像确定输入图像是HDR图像还是SDR图像；和
当所述输入图像是SDR图像时绕过所述输入图像，并且当所述输入图像是HDR图像时将所述输入图像作为所述第一图像提供。
7.一种图像处理电路，包括：
滚降处理器，所述滚降处理器基于通过具有高动态范围(HDR)的第一图像的分析而获得的结果，根据图像特性确定滚降拐点，并对所述第一图像中的等于或大于所述确定的滚降拐点的高灰度级进行滚降处理，以便在具有标准动态范围(SDR)的显示装置中显示具有HDR的所述第一图像；和
图像映射器，所述图像映射器用于在对应于所述显示装置的多个伽马曲线之中选择具有所述第一图像和最小累积亮度误差的伽马曲线，并且根据所述选择的伽马曲线将所述第一图像转换为具有SDR的第二图像。
8.根据权利要求7所述的图像处理电路，其中所述滚降处理器包括：
直方图分析器，所述直方图分析器分析所述第一图像的直方图，以计算并输出n％高或更高的高灰度频率，其中n是小于100的自然数；和
滚降拐点确定器，所述滚降拐点确定器根据所述计算的高灰度频率适应性地确定所述滚降拐点。
9.根据权利要求7所述的图像处理电路，其中所述图像映射器包括：
累积亮度误差检测器，所述累积亮度误差检测器将所述第一图像映射到具有不同最大亮度的所述多个伽马曲线的每一个，以在每一帧计算亮度误差，累积所述计算的亮度误差，并且针对所述多个伽马曲线的每一个检测累积亮度误差；
最大亮度确定器，所述最大亮度确定器在所述多个伽马曲线的每一个的所述累积亮度误差之中选择具有所述最小累积亮度误差的伽马曲线，并且确定和输出所述选择的伽马曲线的最大亮度；和
HDR-SDR转换器，所述HDR-SDR转换器在对应于各个伽马曲线的预设HDR-SDR转换查找表(LUT)之中选择与所述确定的最大亮度对应的LUT，并且使用所述选择的LUT将所述第一图像映射为所述第二图像。
10.根据权利要求9所述的图像处理电路，进一步包括：
设置在所述滚降处理器前方的内容器选择器，所述内容器选择器根据选项图像确定输入图像是HDR图像还是SDR图像，当所述输入图像是SDR图像时绕过所述输入图像，并且当所述输入图像是HDR图像时将所述输入图像作为所述第一图像提供至所述滚降处理器。
11.一种显示装置，包括：
显示面板；
根据权利要求8到10任一项所述的图像处理电路；
面板驱动器，所述面板驱动器用于在所述显示面板中显示从所述图像处理电路提供的图像；和
时序控制器，所述时序控制器用于控制所述面板驱动器的驱动时序，
其中所述图像处理电路安装在所述时序控制器中、设置在所述时序控制器与所述面板驱动器之间、或者设置在所述时序控制器的前端处。
12.根据权利要求11所述的显示装置，进一步包括：
背光单元，所述背光单元用于给所述显示面板照射光；和
背光驱动器，所述背光驱动器用于响应于从所述时序控制器输出的调光值调整所述背光单元的亮度，所述调光值使用通过所述图像处理电路确定的最大亮度。
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