CN109448640A - 一种基于lcd-led双调制高动态显示器的hdr图像显示方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于LCD‑LED双调制高动态显示器的HDR图像显示方法，包括以下步骤：(1)对HDR图像进行预处理，并依据高动态显示器参数确定LED亮度范围；(2)计算背光LED亮度；具体包括：a.确定单个像素的LED亮度权重；b.统计累计LED的亮度辐射区域内不同LED发光强度等级的权重，取权重最大者作为该背光LED亮度。本发明旨在使显示器能够达到HDR图像要求的亮度，使用LCD‑LED双调制高动态显示器正确显示图像各像素点的HDR图像要求的亮度和颜色信息。

Description

一种基于LCD-LED双调制高动态显示器的HDR图像显示方法
技术领域
本发明涉及高动态图像显示领域，具体涉及一种基于LCD-LED双调制高动态显示器的 HDR图像显示方法。
背景技术
对于LCD-LED双调制显示器来说，一幅图像的亮度值由该像素液晶的穿透率和其对应 的背光亮度的乘积决定[3]。对于LED-LCD双调制显示器而言，因LCD分辨率比LED背光的分辨率大，图像局部像素的亮度可调节的范围会受到背光亮度的限制：在图像高亮区域附 近会出现“光晕”现象；反之，在图像暗区附近会出现因背光亮度过低出现图像亮度“截断”现 象。这些问题是LCD-LED双调制显示器结构决定，优化算法只能降低改善其影响，无法彻 底解决。
由于HDR图像动态范围高，像素间亮度会差异更大，若使用LED-LCD双调制显示系统 显示HDR图像，则这些问题会更加凸显。HDR图像主流存储格式为OpenExr格式[3]，像素点的RGB通道各自为16位浮点数，数值与真实世界的亮度是线性对应，HDR格式图像无法 直接在8bit显示器上显示，需要采用色调映射(tone mapping)的方式将HDR图像转化为可 以在LCD面板上显示的SDR图像。色调映射得到SDR图像会使得HDR图像的亮度信息损 失影响显示效果。为保持HDR的亮度信息，需要根据HDR图像得到LED亮度信息和LCD 亮度信息。
目前为止，针对HDR图像的区域调光算法并不多[1]，显示HDR图像需要依据HDR图像内容自主生成LCD图像和LED背光亮度，Seetzen H等[2]首次提出利用LCD-LED双调制 结构实现高动态显示器的方案，并首次给出了HDR图像显示算法，算法流程，如图1所示[2]。
首先，将HDR图像的亮度I的开平方并下采样得到背光区域目标亮度；然后，使用高斯 -赛德尔迭代方法解方程估计出LED实际亮度值IL；接下来，用高斯函数p1模拟LED的光扩散函数(PSF,Point Spread Function)与LED亮度值IL卷积并放大到LCD的分辨率得到背光 亮度图；最后用HDR图像I除以背光亮度图，得到LCD面板的显示图像。
Narwaria M等人0提出上述算法的改进方案：用RGB最大值作为图像亮度I；LED背光 亮度图由将LED背光亮度图改为由HDR图像亮度的α次幂得到，其中α属于0-1。使用背 光LED的调制光亮度与LED光扩散函数(PSF)模拟LED背光亮度，调整LED的调制光亮 度，逐步降低LED目标亮度于LED背光亮度的差。
上述算法在确定LED亮度步骤中，直接对图像下采样得到LED的目标亮度，没有考虑 显示器背光模组的参数。显示器背光模组可能无法正确地显示这样得到的LED目标亮度，容 易造成由于LED亮度与LCD透射率不匹配而形成的“光晕”和亮度“截断”效应。
参考文献：
[1]Narwaria M,Silva M P D,Callet P L.Dual modulation for LED-backlitHDR displays[M].High Dynamic Range Video:From Acquisition,to Display andApplications.2016.
[2]Seetzen H,Heidrich W,Stuerzlinger W,et al.High dynamic rangedisplay systems[J].Acm Transactions on Graphics,2004,23(3):760-768.
[3]Kainz F,Bogard R.Technical Introduction to OpenEXR[J].2009.
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于LCD-LED双调制高动态显 示器的HDR图像显示方法，旨在使显示器能够达到HDR图像要求的亮度，本方法使用LCD-LED双调制高动态显示器正确显示图像各像素点的HDR图像要求的亮度和颜色信息。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于LCD-LED双调制高动态显示器的HDR图像显示方法，包括以下步骤：
(1)对HDR图像进行预处理，并依据高动态显示器参数确定LED亮度范围；具体包括以下步骤：
a.将HDR图像从RGB空间转换至HSV空间，分离HDR图像的亮度和色度信息，避免 图像亮度分解对色度信息的影响；
b.将图像的亮度V线性量化到0-65535的范围内，匹配HDR图像亮度最大值与显示器显 示亮度的最大值，最大化利用显示器动态范围，同时避免原图数据出现上溢和下溢失真现象；
c.自主生成LED亮度矩阵与LCD面板显示图像，将HDR图像亮度分解为LED透射率于LED亮度的乘积显示HDR图像，建立HDR图像亮度与LED亮度范围对应关系；
(2)计算背光LED亮度；具体包括以下步骤：
a.确定单个像素的LED亮度权重；
b.统计累计LED的亮度辐射区域内不同LED发光强度等级的权重，取权重最大者作为该 背光LED亮度。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本方法在处理图像之前，先根据显示器的背光的参数，得到HDR亮度与LED取值范围的 关系。计算LED前已经将显示器的背光参数考虑进去，利用这样得到LED亮度值，去处理HDR 图像生成LCD显示图像的步骤，可以降低由于LED亮度与LCD透射率不匹配造成的“光晕” 和亮度截断效应，更真实地还原HDR图像。
附图说明
图1是基于LED的显示器的HDR图像显示算法。
图2是本发明提出的方法流程图。
图3是HDR图像亮度对应LED亮度调制范围。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明方法整体流程图如图2所示。首先，建立HDR图像亮度与LED亮度范围对应关系， 使用光扩散函数作为背光LED亮度取值范围的权重。然后，统计累计LED的亮度辐射区域内 不同LED发光强度等级的权重，取权重最大者作为该背光LED亮度。具体如下：
1.确定LED亮度范围：
若使用LCD-LED双调制结构显示HDR图像，需要对HDR图像进行预处理：从RGB空间转换至HSV空间，分离HDR图像的亮度和色度信息，避免图像亮度分解对色度信息的影响。其次，将图像的亮度V线性量化到0-65535的范围内，匹配HDR图像亮度最大值与显示器显示亮度的最大值，最大化利用显示器动态范围，同时避免原图数据出现上溢和下溢失真现象。 显示HDR图像，需要自主生成LED亮度矩阵与LCD面板显示图像，需要将HDR图像亮度分解 为LED透射率于LED亮度的乘积。
LCD透射率与LED亮度的调整范围会随着亮度的提高而降低。显示HDR图像的亮度时， 应尽量增加LCD透射率，降低LED的亮度。因为LCD决定图像的亮度细节和颜色，若LCD透射率过低，该像素颜色的饱和度也会相应的下降，同时LCD“漏光”现象凸显，降低显示效果，所以当图像亮度较低时，应限制LED亮度的最大值。LED最大值与LED最小值关于HDR图像 亮度的曲线如图3所示。
图中，实线为LED最小值曲线，虚线为LED最大值曲线。纵坐标为LED的亮度值等级0-255， 横坐标为HDR图像像素的亮度等级0-65535，每个HDR图像像素的亮度等级都对应一组背光 LED亮度的最大值和最小值。LED最小值为满足HDR图像亮度要求，LCD透射率达到最大值(RGB 最大值为255)时的LED亮度等级，由公式(1)确定：
其中，LEDmin为LED亮度范围的最小值；X表示原图的亮度，取值范围为0-65535。LED 亮度范围的最大值由公式(2)确定：
其中，LEDmax为LED亮度范围的最大值；X表示原图的亮度，取值范围为0-65535；γ为 LCD显示器的特征参数，取值范围为0-1。特征参数r由LCD面板的滤光特性决定。若LCD面板的漏光现象明显，则γ值越趋近1，对应LED的调整范围越窄。若显示器“漏光”现象凸显可适当调高γ值。经多次实验验证，γ取0.2时在本文实验使用的HDR显示器上的显示效果最好。
2.背光LED亮度计算方法：
LED亮度的计算方法步骤如下：遍历LED亮度辐射区域M的像素点，找到该像素对应LED 的最大值和最小值，并依据该像素到LED的距离累加出LED不同亮度等级的权重。最后根据 LED亮度权重值确定该区域LED的亮度。
3.确定单个像素的LED亮度权重：
每个像素可都生成一个长度为256的数组Arrpixel，其下标0-255对应LED的亮度等级。 该数组表示该像素点对于LED不同亮度的权重。数组Arrpixel确定方式见公式(3)：
其中，L为该像素的亮度值；Ledmin和Ledmax表示亮度为L时，LED亮度范围的最小值和 最大值，由公式(1)(2)确定；数组小标位于最大值和最小值之间的数值为α，其余数值为0。α 表示影响LED取值范围的权重值，是关于该像素到LED计算区域M中心距离的函数。
LED计算区域M要由LED亮度的光扩散函数(PSF)确定，不能仅依据LED空间位置直接切 割图像。但这样做不同LED的计算区域M会出现重叠，为此将光扩散函数(PSF)作为LED亮度 范围的权重抵消因区域重叠导致像素重复计算的影响，见公式(4)：
其中，D(i,j)为该像素距LED计算区域M中心的欧式距离；σ为模拟光扩散系数。α代表 该像素对LED取值范围的影响权重。因为像素距其对应LED的D(i,j)增加必然会有附近LED的 D(i,j)减小，该像素的对LED亮度的影响权重α会下降同时，会提高对附近LED亮度的影响权 重α。总体上看，像素的影响权重α与光扩散函数(PSF)和LED空间分布有关，该像素的影响 权重并没有减弱。在算法实现过程中，α的大小与图像内容无关，仅依赖LED光扩散函数(PSF)。 在程序实现时，可以利用查表的方式加速计算速度。
4.LED亮度的确定
建立一个数组ArrLed作为投票箱。数组ArrLed初值为0，长度为256，其下标与LED亮度 等级0-255对应，用来记录不同亮度等级可以正确显示像素亮度的能力。将LED亮度辐射区 域M中的像素的Arrpixel加到ArrLed中，见公式(5)：
其中，L(i,j)为区域M内像素的亮度；ArrLed记录区域M内像素对不同LED等级的影响权 重的累加和，ArrLed的最大值代表该LED亮度等级的权重最大，表明在此区域M内使用该亮 度等级显示HDR图像的效果最好。如果数组中有多个值同时达到最大，取这些值的平均值为 LED的目标背光值。这样可兼顾各像素点的亮度，使得整个区域像素点的LCD的亮度调整能 力达到最大，见公式(6):
BL＝find(ArrayLed＝＝Max(ArrayLed),1,'mean')， (6)
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发 明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗 旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多 形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于LCD-LED双调制高动态显示器的HDR图像显示方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对HDR图像进行预处理，并依据高动态显示器参数确定LED亮度范围；具体包括以下步骤：
a.将HDR图像从RGB空间转换至HSV空间，分离HDR图像的亮度和色度信息，避免图像亮度分解对色度信息的影响；
b.将图像的亮度V线性量化到0-65535的范围内，匹配HDR图像亮度最大值与显示器显示亮度的最大值，最大化利用显示器动态范围，同时避免原图数据出现上溢和下溢失真现象；
c.自主生成LED亮度矩阵与LCD面板显示图像，将HDR图像亮度分解为LED透射率于LED亮度的乘积显示HDR图像，建立HDR图像亮度与LED亮度范围对应关系；
(2)计算背光LED亮度；具体包括以下步骤：
a.确定单个像素的LED亮度权重；
b.统计累计LED的亮度辐射区域内不同LED发光强度等级的权重，取权重最大者作为该背光LED亮度。
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