CN107342055B

CN107342055B - 一种针对隔行扫描视频的区域背光快速调节方法

Info

Publication number: CN107342055B
Application number: CN201710594743.XA
Authority: CN
Inventors: 张涛; 陈有志
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2019-03-22
Anticipated expiration: 2037-07-21
Also published as: CN107342055A

Abstract

一种针对隔行扫描视频的区域背光快速调节方法：针对隔行扫描视频序列的每场图像，使用去隔行算法进行插值获得重建图像；对于重建图像的原始图像是奇场图像，把重建图像划分为分区；对每个分区采用稀疏化处理，获得包含该分区中大于设定值的信息量的像素数据集；对获得的像素数据集进行灰度化处理；对灰度化处理之后的数据集，使用子区间最大类间方差法动态获得每个分区的背光值；对各个分区的背光值进行平滑操作，获得平滑处理之后的背光值；使用背光值进行区域背光调节再进行液晶补偿；对于重建图像的原始图像是偶场图像，直接使用以奇场为基础获得的重建图像经过背光平滑处理之后的背光值和进行液晶补偿。本发明大幅度降低了背光能耗，保护了视频质量。

Description

一种针对隔行扫描视频的区域背光快速调节方法

技术领域

本发明涉及一种区域背光调节方法。特别是涉及一种针对隔行扫描视频的区域背光快速调节方法。

背景技术

目前液晶显示器所用的背光源大部分是冷阴极荧光灯管(CCFL)背光源。在整个工作期间内，CCFL背光源始终处于全亮的状态，电能消耗很大，占整机电能消耗的60％以上。并且由于背光源始终全亮，并不随着视频信号改变亮度，因此造成了图像的对比度下降。为了解决这些问题，一般会采用LED作为背光源，分区域动态地控制背光，其中主要是根据分区中图像的内容动态调整LED的亮度。

较为常用的区域背光控制算法有平均值法和最大值法，平均值法所需能耗较少，且图像对比度较高，但是容易造成较为严重的图像失真；最大值法不易造成图像失真，但是所需能耗较高。因此又有一些较新的区域背光控制算法被提出，比如CDF阈值法，基于最大类间方差的动态阈值法等。但是当分区较多，图像分辨率较大时，这些算法复杂度都比较高，因此难以做到实时控制背光，另外这些算法针对的视频源大多都是针对逐行扫描视频源，较少地考虑隔行扫描视频源。而目前主流电视广播系统NTSC,PAL,SECAM等在视频信号传输过程中，通常采用隔行扫描的方式处理视频信号，这样就涉及到具有区域背光调节功能的显示器如何播放隔行扫描视频的问题。针对这个问题，国内研究比较少,但是大多数基本都是采取先进行去隔行操作，然后进行区域背光操作的流程，其中去隔行操作目的是指把隔行扫描视频转换为逐行扫描视频。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够大幅度降低背光能耗，同时较好的保护视频质量，减少失真，且计算复杂度较低的针对隔行扫描视频的区域背光快速调节方法

本发明所采用的技术方案是：一种针对隔行扫描视频的区域背光快速调节方法，包括如下步骤：

1)针对隔行扫描视频序列的每场图像，使用去隔行算法进行插值，获得重建图像；

2)对于重建图像的原始图像是奇场图像，则进行如下处理：

(1)把重建图像划分为x×y个分区，x、y均为大于1的整数；

(2)对每个分区采用稀疏化处理，获得包含该分区中大于设定值的信息量的像素数据集；

(3)对获得的像素数据集进行灰度化处理，这里取所述数据集中的每个像素中R,G,B三个分量的最大值作为所在像素的灰度值；

(4)对灰度化处理之后的数据集，使用子区间最大类间方差法动态获得每个分区的背光值，包括：

(a)使用子区间最大类间方差法计算出数据集中细节处像素点数量的占比K；

(b)使用平均值法计算数据集中所有像素点的平均灰度值I_avg；

(c)使用最大值法计算数据集所有像素点中最大的灰度值I_max；

(d)使用下式计算出数据集对应分区的背光值BL：

BL＝I_avg+(1-K)×(I_max-I_avg) (1)；

(5)对各个分区的背光值BL进行平滑操作，获得平滑处理之后的背光值BL_smooth；

(6)使用背光值BL_smooth进行区域背光调节，调节后各个分区的背光亮度都相应降低，为了保证在背光亮度降低的同时显示图像的整体亮度和色彩保持不变，采用下式进行液晶补偿：

式中，L_oriOdd是基于奇场的重建图像的像素值，L_com是液晶补偿之后的像素值，BL_smooth是平滑处理之后的背光值，γ是液晶显示器的校正系数；

3)对于重建图像的原始图像是偶场图像，直接使用与当前重建图像最相邻的前一个奇场为基础的经过背光平滑处理之后的重建图像背光值BL_smooth，进行区域背光调节，调节后各个分区的背光亮度都相应降低，为了保证在背光亮度降低的同时显示图像的整体亮度和色彩保持不变，采用下式进行液晶补偿：

式中，L_oriEven是基于偶场的重建图像的像素值，L_com是液晶补偿之后的像素值，BL_smooth是平滑处理之后的背光值，γ是液晶显示器的校正系数。

步骤1)所述的去隔行算法是：采用基于时域插值的去隔行算法，或采用基于空域插值的去隔行算法，或采用基于时空混合插值的去隔行算法。

步骤2)中第(4)步所述的子区间最大类间方差法包括：

(e)求出数据集中所有像素点平均灰度值I_avg，然后再求出该数据集中灰度值大于平均灰度值I_avg部分的所有像素点的平均灰度值T_d，确定最大类间方差法阈值选取范围为

(f)按图像的灰度特性将图像分成背景和细节两部分，包括：

以灰度值作为阈值T划分背景和细节部分，计算背景和细节部分两者之间的类间方差，当背景和细节之间的类间方差越大，说明构成图像的背景和细节两部分的差别越大，当类间方差最大时，此时则最为准确的划分了图像中背景和细节部分，具体计算如下：

w₀＝n₀/n (2)

w₁＝n₁/n (3)

g＝w₀×w₁×(μ₀-μ₁)² (4)

式中，n表示像素数据集的大小，n₀和n₁分别表示使用阈值T划分像素数据集获得背景部分和细节部分的像素点数量，w₀和w₁则分别表示整个像素数据集中背景部分和细节部分的占比，μ₀和μ₁分别表示背景部分和细节部分中平均灰度值，g则表示类间方差；

阈值T的选取范围为当类间方差最大时，设所述类间方差对应的阈值为T_best，求出像素数据集中细节部分的占比K，如下式：

式中，M₀和M₁分别表示在使得类间方差最大的阈值T_best划分像素数据集下背景部分和细节部分的像素点数量。

步骤2)中第(5)步所述的平滑操作，是采用模糊-掩模方法，或是采用领域平滑方法。

本发明的一种针对隔行扫描视频的区域背光快速调节方法，主要针对隔行扫描的视频源，实现隔行扫描到逐行扫描的转换，同时对液晶显示器区域背光进行快速控制，大幅度降低了背光能耗，同时较好的保护了视频质量，减少失真，且计算复杂度较低。本发明采用传统的基于最大类间方差的动态阈值法与行平均算法相结合的方法(简称为OTSULA)作为参考算法，其中传统的基于最大类间方差的动态阈值法用于确定背光值，行平均算法用于隔行扫描视频到逐行扫描视频的转换操作。本发明的方法处理一幅图像平均所需时间是0.19s,而参考算法则需要0.91s,大幅降低了计算复杂度。在平均PSNR方面，本发明的方法与参考算法持平,基本都在30dB以上,基本上人眼分辨不出来图像的失真。在背光能耗方面，本方法也与参考算法持平，对一些较暗的图，基本上要比背光全亮状态所需能耗少了50％以上。

附图说明

图1是本发明一种针对隔行扫描视频的区域背光快速调节方法的流程图；

图2是传统的基于最大类间方差的动态阈值法与行平均算法相结合的方法的测试效果图；

图3是采用本发明一种针对隔行扫描视频的区域背光快速调节方法的测试效果图；

图4是LA-OTSU算法和本发明方法的PSNR对比结果图；

图5是OTSULA算法和本发明方法的背光能量消耗与背光全亮时的比率图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种针对隔行扫描视频的区域背光快速调节方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的一种针对隔行扫描视频的区域背光快速调节方法，包括如下步骤：

所述的去隔行算法是：采用基于时域插值的去隔行算法，或采用基于空域插值的去隔行算法，或采用基于时空混合插值的去隔行算法。

2)对于重建图像的原始图像是奇场图像，则进行如下处理：

(1)把重建图像划分为x×y个分区，x、y均为大于1的整数；

(3)对获得的像素数据集进行灰度化处理，这里取所述数据集中每个像素中R,G,B三个分量的最大值作为所在像素的灰度值；

(d)使用下式计算出数据集对应分区的背光值BL：

BL＝I_avg+(1-K)×(I_max-I_avg) (1)；

其中，所述的子区间最大类间方差法包括：

(f)按图像的灰度特性将图像分成背景和细节两部分，包括：

w₀＝n₀/n (2)

w₁＝n₁/n (3)

g＝w₀×w₁×(μ₀-μ₁)² (4)

(5)对各个分区的背光值BL进行平滑操作，获得平滑处理之后的背光值BL_smooth，防止最终处理结果中出现块状效应；

所述的平滑操作，是采用模糊-掩模(BMA)方法，或是采用领域平滑方法。

式中，L_oriEven是基于偶场的重建图像的像素值，L_com是液晶补偿之后的像素值，BL_smooth是平滑处理之后的背光值，γ是液晶显示器的校正系数。这样做的依据是：来自同一帧图像的两场图像，它们的场景内容大致相似，那么它们的背光分布也基本相似。

下面以分辨率为1920×1080的图像为例，给出本发明中一种情况下的最佳实施方式：

1)针对输入的隔行扫描视频序列，使用基于空域插值去隔行算法中的行平均(LineAverage,LA)去隔行算法插值每场图像缺失的像素点，获得重建图像。其中行平均算法计算表达式如下：

I_LA(i,j)＝[I(i-1,j)+I(i+1,j)]÷2

式中，I_LA(i,j)是利用行平均算法获得的(i,j)位置处像素插值，I(i-1,j)是与(i,j)位置相邻的上一行(i-1,j)位置的原始像素值，I(i+1,j)是与(i,j)位置相邻的下一行(i+1,j)位置的原始像素值。

2)对于重建图像的原始图像是奇场图像，具体处理如下：

(1)把重建图像划分为42×24个分区，每个分区的大小为45×45。

(2)对每个分区采用均匀稀疏化处理，获得包含该分区绝大部分信息的像素数据集，其中所采用的均匀稀疏化处理是2×2重亚采样，其计算表达式如下：

P_deal＝{P(2×i,2×j)|2×i∈[0,W-1],2×j∈[0,H-1],i∈N,j∈N}

式中，W是该分区的宽，H使该分区的高，N表示自然数集，P(i,j)是分区图像的像素点，P_deal是2×2重亚采样处理后获得的像素数据集。

(3)对获得的像素数据集进行灰度化处理，这里取所述数据集中的每个像素中R,G,B三个分量的最大值作为所在像素的灰度值；其中获取(i,j)位置像素灰度值的计算表达式如下：

I(i,j)＝max{R(i,j),G(i,j),B(i,j)}

式中，R(i,j)，G(i,j)和B(i,j)分别是(i,j)位置的R,G,B三个分量的数值。

(4)对灰度化处理之后的像素数据集，使用子区间最大类间方差法动态获得每个分区的背光值，其中具体步骤如下：

a.求出像素数据集中所有像素点平均灰度值I_avg，然后再求出该数据集中灰度值大于I_avg的所有像素点的平均灰度值T_d，确定传统的最大类间方差法阈值选取范围为

b.按图像的灰度特性将图像分成背景和细节两部分，以灰度值作为阈值T划分背景和细节部分，计算这两者之间的类间方差，当背景和细节之间的类间方差越大，说明构成图像的两部分的差别越大。当类间方差最大时，此时则最为准确的划分了图像中背景和细节部分。类间方差的计算如下：

w₀＝n₀/n (2)

w₁＝n₁/n (3)

g＝w₀×w₁×(μ₀-μ₁)² (4)

式中，n表示像素数据集的大小，n₀和n₁分别表示使用阈值T划分像素数据集获得背景部分和细节部分的像素点数量，w₀和w₁则分别表示整个像素数据集中背景部分和细节部分的占比，μ₀和μ₁分别表示背景部分和细节部分中平均灰度值，g则表示类间方差。

c.由于当图像的细节较多时，用平均值法就可以获得较好的画面质量；当图像细节较少，需要最大值法才能获得较好的画面质量，因此结合数据集中细节处像素点数量的占比K，求出分区的背光值BL，计算表达式如下：

BL＝I_avg+(1-K)×(I_max-I_avg) (1)

式中，I_avg是数据集中所有像素点的平均灰度值，I_max是数据集所有像素点中最大的灰度值。

(5)对各个分区的背光值进行平滑操作，防止最终处理结果中出现块状效应。

(6)在区域背光调节中，各个分区的背光亮度都相应降低，为了保证在背光亮度降低的同时显示图像的整体亮度和色彩基本保持不变，需要进行液晶补偿，液晶补偿的计算表达式如(6)所示。

3)对于重建图像的原始图像是偶场图像，直接使用以奇场为基础获得的重建图像经过背光平滑处理之后的背光值BL_smooth，进行区域背光调节，调节后各个分区的背光亮度都相应降低，为了保证在背光亮度降低的同时显示图像的整体亮度和色彩保持不变，采用(7)式进行液晶补偿。这样做的依据是：来自同一帧图像的两场图像，它们的场景内容大致相似，那么它们的背光分布也基本相似。

Claims

1.一种针对隔行扫描视频的区域背光快速调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

2)对于重建图像的原始图像是奇场图像，则进行如下处理：

(1)把重建图像划分为x×y个分区，x、y均为大于1的整数；

(d)使用下式计算出数据集对应分区的背光值BL：

BL＝I_avg+(1-K)×(I_max-I_avg) (1)；

2.根据权利要求1所述的一种针对隔行扫描视频的区域背光快速调节方法，其特征在于，步骤1)所述的去隔行算法是：采用基于时域插值的去隔行算法，或采用基于空域插值的去隔行算法，或采用基于时空混合插值的去隔行算法。

3.根据权利要求1所述的一种针对隔行扫描视频的区域背光快速调节方法，其特征在于，步骤2)中第(4)步所述的子区间最大类间方差法包括：

(e)求出数据集中所有像素点平均灰度值I_avg，然后再求出该数据集中灰度值大于平均灰度值I_avg部分的所有像素点的平均灰度值T_d，确定最大类间方差法阈值选取范围为[I_avg，T_d]；

(f)按图像的灰度特性将图像分成背景和细节两部分，包括：

w₀＝n₀/n (2)

w₁＝n₁/n (3)

g＝w₀×w₁×(μ₀-μ₁)² (4)

阈值T的选取范围为[I_avg，T_d]，当类间方差最大时，设所述类间方差对应的阈值为T_best，求出像素数据集中细节部分的占比K，如下式：

4.根据权利要求1所述的一种针对隔行扫描视频的区域背光快速调节方法，其特征在于，步骤2)中第(5)步所述的平滑操作，是采用模糊-掩模方法，或是采用领域平滑方法。