CN112703529A - 功率限制显示器上高动态范围图像的显示映射 - Google Patents

功率限制显示器上高动态范围图像的显示映射 Download PDF

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Abstract

描述了用于在具有功率限制的目标显示器上将图像从第一动态范围映射到第二动态的方法和系统。给出：第一动态范围中的输入图像，输入元数据(Smin，Smid，Smax)，目标显示器的功率无关光亮度特性(Tmin，参考Tmax)以及该目标显示器的APL函数，其中，该APL函数根据该目标显示器中的平均图片水平(APL)输入来确定该目标显示器中的输出光亮度，处理器生成该目标显示器的最大光亮度水平(Tmax)的自适应输出，使得在将该图像从该第一动态范围映射到该第二动态范围时，根据该目标显示器的该APL函数来调节色调映射函数的锚定点。

Description

功率限制显示器上高动态范围图像的显示映射
相关申请的交叉引用
本申请要求均于2018年9月17日提交的第62/732,123号美国临时申请和第18194858.9号欧洲专利申请的优先权，这两个申请中的每一个都通过引用以其全文并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及图像。更具体地，本发明的实施例涉及功率限制显示器上的高动态范围(HDR)图像和视频信号从第一动态范围到第二动态范围的显示映射。
背景技术
如本文所使用的，术语“动态范围(dynamic range)(DR)”可以涉及人类视觉系统(human visual system)(HVS)感知图像中的强度(例如，光亮度(luminance)、亮度(luma))范围的能力，该强度范围例如是从最暗的灰色(黑色)到最亮的白色(高光)。从这个意义上说，DR与“参考场景的(scene-referred)”强度有关。DR还可以涉及显示设备充分或近似渲染特定阔度(breadth)的强度范围的能力。从这个意义上说，DR与“参考显示的(display-referred)”强度有关。除非在本文的描述中的任何一点明确指定特定的意义具有特定的意思，否则应推断为该术语可以在任一意义上例如可互换地使用。
如本文所使用的，术语“高动态范围(HDR)”涉及跨越人类视觉系统(HVS)的14到15个数量级的DR阔度。实际上，相对于HDR，人类可以同时感知强度范围广泛阔度的DR可能会被稍微截短。
实际上，图像包括一个或多个颜色分量(例如，亮度Y以及色度Cb和Cr)，其中，每个颜色分量由每像素n位的精度表示(例如，n＝8)。使用线性光亮度编码，n≤8的图像(例如，彩色24位JPEG图像)被视为标准动态范围的图像，而n>8的图像可被视为增强动态范围的图像。HDR图像还可以使用高精度(例如，16位)浮点格式来存储和分布，如由工业光魔公司(Industrial Light and Magic)开发的OpenEXR文档格式。
如本文所使用的，术语“元数据”涉及作为编码比特流的一部分传输并且辅助解码器渲染经解码图像的任何辅助信息。这种元数据可以包括但不限于如本文所描述的颜色空间或色域信息、参考显示器参数和辅助信号参数。
大多数消费者桌面显示器目前支持200到300cd/m2或尼特的光亮度。大多数消费者HDTV的范围从300到500尼特，其中，新型号达到1000尼特(cd/m2)。因此，这样的传统显示器代表了与HDR相关的较低动态范围(LDR)，也被称为标准动态范围(SDR)。随着HDR内容的可用性由于捕获设备(例如，相机)和HDR显示器(例如，杜比实验室的PRM-4200专业参考监视器)二者的发展而增加，HDR内容可以被颜色分级并被显示在支持更高动态范围(例如，从1,000尼特到5,000尼特或更高)的HDR显示器上。总体上，非限制性地，本公开文本的方法涉及任何动态范围。
在传统图像流水线中，使用非线性光电函数(OETF)来量化所捕获的图像，该非线性光电函数将线性场景光转换为非线性视频信号(例如，伽马编码的RGB或YCbCr)。然后，信号在被显示在显示器上之前在接收器上通过电光传递函数(EOTF)来处理，该电光传递函数将视频信号值转化成输出屏幕颜色值。这种非线性函数包括ITU-R Rec.BT.709和BT.2020中记载的传统“伽马”曲线、SMPTE ST 2084中描述的“PQ”(感知量化)曲线以及ITU-RRec.BT.2100中描述的“混合对数伽马(HybridLog-gamma)”或“HLG”曲线。
高动态范围(HDR)内容创作现在正变得普遍，因为这种技术提供了比早期格式更逼真和栩栩如生的图像。然而，包括数亿个消费者电视显示器在内的许多显示系统不能再现HDR图像。用于服务整个市场的一种方法是创建两个版本的新视频内容——一个使用HDR图像，并且另一个使用SDR(标准动态范围)图像。然而，这要求内容作者以多种格式创建他们的视频内容，并且可能要求消费者知道针对他们的特定显示器购买哪种格式。一种可能更好的方法可以是在参考HDR显示器上创建一个版本的内容，并使用图像数据变换系统(例如，作为机顶盒功能的一部分)将HDR内容自动下转换为HDR或SDR内容以便实现与具有不同于参考显示器的动态范围的显示器的兼容性。为了改善现有的显示方案(尤其是当这些显示方案涉及功率限制显示器时)，如在此诸位发明人所意识到的，开发了用于将来自第一动态范围的图像映射到第二动态范围的图像的改进技术。
在本节中描述的方法是可以追寻的方法，但不一定是之前已经设想到或追寻的方法。因此，除非另有指明，否则不应认为本节中所述的任何方法仅凭其纳入本节就可称为现有技术。类似地，除非另有表示，否则关于一种或多种方法所认定的问题不应基于本节而认为在任何现有技术中被认定。
附图说明
在附图中以举例而非限制的方式来图示本发明的实施例，并且其中类似的附图标记指代类似的元件，并且在附图中：
图1描绘了视频传输流水线的示例过程；
图2描绘了用于使用三个锚定点将图像从第一动态范围映射到第二动态范围的第一示例映射函数；
图3描绘了用于使用三个锚定点将图像从第一动态范围映射到第二动态范围的第二示例映射函数；
图4描绘了输出光亮度相对于输入平均图片水平(APL)的示例曲线图；
图5描绘了根据实施例的用于确定功率限制显示器的自适应输出Tmax值的示例过程；
图6描绘了根据图5中描绘的示例过程的示例数据；以及
图7描绘了根据实施例的用于确定用于在功率限制显示器中对显示器色调映射曲线进行后期调节的功率调节值的示例过程。
具体实施方式
本文描述了用于在功率限制显示器上将高动态范围(HDR)图像从第一动态范围映射到第二动态范围的方法。在以下说明中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他情形中，为了避免不必要的遮蔽、模糊或混淆本发明，没有详尽地描述众所周知的结构和设备。
概述
本文描述的示例实施例涉及用于将来自一个动态范围的图像映射到第二动态范围的图像的方法。在第一实施例中，一种装置接收要在目标显示器上从第一动态范围映射到第二动态范围的输入图像的输入元数据、该目标显示器的APL函数、该目标显示器的最小光亮度水平(Tmin)以及该目标显示器的参考最大光亮度水平(Tmax_ref)，其中，该APL函数根据目标显示器中的平均图片水平(APL)输入来确定目标显示器中的输出光亮度。该装置基于以下各项来确定该目标显示器的参考中间光亮度水平：该目标显示器的最小光亮度水平、该目标显示器的参考最大光亮度水平以及该输入元数据(即，通过忽略该APL函数)。该装置还基于该输入元数据和该目标显示器的APL函数来确定该目标显示器的光亮度相对于候选最大光亮度值(Tmax_c)的函数(fT(Tmax_c))，其中，该光亮度相对于Tmax_c的函数根据色调映射算法中的候选最大光亮度水平输入来确定该目标显示器中的输出中间光亮度。给定具有基于该目标显示器的自适应最大光亮度水平(Tmax_o)的锚定点的色调映射曲线，该装置基于候选最大光亮度的值确定Tmax_o，针对该值，fT(Tmax_c)的输出更接近该目标显示器的参考中间光亮度水平。
在第二实施例中，一种装置接收要在目标显示器上从第一动态范围映射到第二动态范围的输入图像的输入元数据、该目标显示器的APL函数、该目标显示器的最小光亮度水平以及该目标显示器的参考最大光亮度水平(Tmax_ref)，其中，该APL函数根据该目标显示器中的平均图片水平(APL)输入来确定该目标显示器中的输出光亮度。该装置基于该目标显示器的最小光亮度水平、该目标显示器的参考最大光亮度水平和该输入元数据，确定该目标显示器的参考中间光亮度水平。该装置还基于该输入元数据和该目标显示器的APL函数来确定该目标显示器的光亮度相对于候选P值的函数(fP(P_c))，其中，fP(P-c)函数根据候选功率因数(P_c)确定该目标显示器中的输出光亮度。该装置基于候选功率因数的值确定该目标显示器的色调映射函数的输出功率因数，针对该值，fP(P_c)函数的输出更接近该目标显示器的参考中间光亮度水平。然后，将该输出功率因数应用于不考虑该目标显示器的APL函数而设计的色调映射曲线，以根据该目标显示器的功率限制特性来调整该色调映射曲线。
动态范围转换
HDR信号的视频编码
图1描绘了传统视频传输流水线(100)的示例过程，其示出了从视频捕获到视频内容显示的各个阶段。使用图像生成块(105)来捕获或生成视频帧(102)序列。视频帧(102)可以被(例如，由数码相机)数字地捕获或者由计算机(例如，使用计算机动画)生成以提供视频数据(107)。替代性地，视频帧(102)可以由胶片相机捕获在胶片上。胶片被转换为数字格式以提供视频数据(107)。在制作阶段(110)，对视频数据(107)进行编辑以提供视频制作流(112)。
制作流的视频数据(112)然后在块(115)处被提供给处理器以进行后期制作编辑。块(115)后期制作编辑可以包括调节或修改图像的特定区中的颜色或明亮度，以根据视频创作者的创作意图来增强图像质量或实现图像的特定外观。这有时被称为“颜色调整(color timing)”或“颜色分级(color grading)”。可以在块(115)处执行其他编辑(例如，场景选择和排序、图像裁剪、添加计算机生成的视觉特效等)以产生用于发行的作品的最终版本(117)。在后期制作编辑(115)期间，在参考显示器(125)上观看视频图像。
在后期制作(115)之后，可以将最终作品(117)的视频数据传输到编码块(120)，以便向下游传输到如电视机、机顶盒、电影院等解码和回放设备。在一些实施例中，编码块(120)可以包括如由ATSC、DVB、DVD、蓝光和其他传输格式定义的那些音频编码器和视频编码器，以生成编码比特流(122)。在接收器中，编码比特流(122)由解码单元(130)解码，以生成表示信号(117)的相同或接近近似版本的经解码信号(132)。接收器可以附接到目标显示器(140)，该目标显示器可以具有与参考显示器(125)完全不同的特性。在这种情况下，显示管理块(135)可以用于通过生成显示映射信号(137)来将经解码信号(132)的动态范围映射到目标显示器(140)的特性。
使用S形(Sigmoid)映射的图像变换
在A.Ballestad和A.Kostin的美国专利8,593,480“Method and apparatus forimage data transformation[用于图像数据变换的方法和装置]”(本文称为‘480专利)中，发明人提出了使用可以使用三个锚定点和中间色调自由参数唯一确定的参数化S形函数进行的图像变换映射，该美国专利通过引用以其全文并入本文。图2中描绘了这种函数的示例。
如图2所描绘，映射函数(220)由三个锚定点(205，210，215)限定：黑色点(x1，y1)、中间色调点(x2，y2)和白色点(x3，y3)。这种变换具有以下属性：
·从x1到x3的值表示描述构成输入图像的像素的可能值的范围。这些值可以是特定原色(R，G或B)的明亮度水平，或者可以是像素的整体光亮度水平(比如YCbCr表示中的Y分量)。通常，这些值对应于用于创建内容的显示器所支持的最暗(黑点)水平和最亮(白点)水平(“母版制作显示器”(125)的限制)；然而，在一些实施例中，当参考显示器的特性未知时，这些值可以表示输入图像中的最小值和最大值(例如，在R，G或B中，表示光亮度等)，这些最小值和最大值可以经由图像元数据接收或在接收器中计算。
·从y1到y3的值表示描述构成输出图像的像素的可能值的范围(再次，是原色明亮度或整体光亮度水平)。通常，这些值对应于预期输出显示器所支持的最暗(黑点)水平和最亮(白点)水平(“目标显示器”(140)的限制)。
·具有值x1的任何输入像素被约束为映射到具有值y1的输出像素，并且具有值x3的任何输入像素被约束为映射到具有值y3的输出像素。
·x2和y2的值表示从输入到输出的特定映射，其用作图像的某个“中间范围”(平均或中间色调水平)元素的锚定点。例如，该中间范围可以表示算术均值或平均值、几何均值或某个其他感兴趣的值(例如，皮肤色调)。在x2和y2的特定选择中允许相当大的自由度，并且‘480专利教导了可以如何选择这些参数的许多替代方案。
一旦已经选择了这三个锚定点，传递函数(220)就可以被描述为
Figure BDA0002976953920000061
其中，C1、C1和C3是常数，x表示颜色通道或光亮度的输入值，y表示对应的输出值，并且n是可以用于调节中间色调对比度的自由参数，并且在不失一般性的情况下，在本文中其将被认为设置为一(n＝1)。
如‘480专利中所描述的，C1、C1和C3的值可以通过求解下式来确定
Figure BDA0002976953920000062
如在2018年2月12日提交的并通过引用并入本文的PCT专利申请PCT/US2018/017830，“Tone curve mapping for HDR images[用于HDR图像的色调曲线映射]”中所述，图3是用于将图像从第一动态范围[x1，x3]映射到第二动态范围[y1，y3]的另一示例色调映射曲线300的图形描绘，其中，[x1，x3]是输入通道值并且[y1，y3]是输出通道值。色调映射曲线300包括从(x1，y1)到(x2，y2)的样条曲线312以及从(x2，y2)到(x3，y3)的样条曲线323。色调映射曲线300还可以包括对应于值小于(x1，y1)时的第一线性段S1以及对应于值大于(x3，y3)时的第二线性段S2中的至少一个。最小动态范围值x1可能为负，并且最大动态范围值x3可能超过一。段S1和S2可以是非线性的，而不脱离本发明的范围。样条曲线312和323中的每一个可以是多项式，诸如埃尔米特多项式，或者是任何阶数，诸如三阶。
色调映射曲线300与三个锚定点301、302和303相交，这三个锚定点的位置部分地确定了色调映射曲线300的形状。锚定点301、302和303位于相应坐标(x1，y1)、(x2，y2)和(x3，y3)处，当通道值xi是输入光亮度值时，这些坐标分别对应于黑点(例如，xmin，Tmin)、中间色调值点(例如，xmid，Tmid)和白点(例如，xmax，Tmax)，并且Tmin、Tmid和Tmax可以表示目标显示器(例如，140)中的最小光亮度值、中间(或平均)光亮度值和最大光亮度值。
另外，每个样条段可以进一步由每个端点处的两个斜率约束；因此，色调映射曲线300由三个锚定点(301、302和303)和以下三个斜率控制：(x1，y1)处的尾部斜率、(x2，y2)处的中间色调斜率、以及(x3，y3)处的头部斜率。
作为示例，考虑在点(x1，y1)与(x2，y2)之间确定的具有(x1，y1)处的斜率m1和(x2，y2)处的斜率m2的样条曲线，然后，对于输入x，可以在以下等式(3)中定义三次厄尔密样条的传递函数，其中，
T＝(x-x1)/(x2-x1)：
y＝(2T3-3T2+1)y1+(T3-2T2+T)(x2-x1)m1++(-2T3+3T2)y2+(T3-T2)(x2-x1)m2。 (3)
功率限制显示器
当今市场上的大多数显示器随着输入信号的平均图片水平(APL)的增大而变暗。这通常是由于功率限制或寿命问题所导致。当有许多明亮像素时，显示图像所需的总功率量会增加，因此通常必须通过降低整个图像的平均光亮度来在像素之间分配功率。在传统的显示管理过程(135)中，通常假设恒定的目标最大光亮度水平(Tmax)。这种映射可能无法准确地表示导演的意图，因为当图像太亮时，显示器支持的实际Tmax值可能会更低，因此所显示的图像会更暗。在本发明中，提出了一种新颖方法，该方法还通过考虑TV的功率限制特性来确定Tmax。所提出的方案产生更如实地匹配导演意图的图片，如在通常没有功率限制的参考显示器(125)上生成的图像所捕获的那样。
作为平均图片水平(APL)的函数的显示器光亮度
每个显示器模型都有其自己的功率限制特性。为了表征显示器的功率限制特性，可以针对每个APL输入测量一次显示器光亮度。这可以通过使用一组测试模式找到，其中整个图像被设置为一个代码值。例如，完全红色、绿色或蓝色的显示被认为是33％APL。这些测试模式可以在0至100％的范围内。在图4中给出了作为APL百分比输入的函数的显示器光亮度(单位为尼特)的示例测量结果。
这种曲线图提供了面板的物理特性，并且可以用于定义更准确的Tmax值。实际上，曲线图数据可以(与其他典型的面板属性一起)保存在显示器配置文件中。取决于应用，为了更好的计算效率，Y轴(例如，光亮度)可以以伽马光亮度或PQ光亮度值代替线性光亮度来表示。
生成自适应Tma.x值
图5描绘了根据实施例的用于生成自适应输出Tmax值的示例过程。在步骤505中，该过程开始于访问输入元数据Smin、Smid和Smax以及目标显示器特性。目标显示器特性可以包括在假设没有功率限制的情况下作为输入APL的函数(例如，如在图4中描绘的APL函数)的显示器光亮度以及Tmin值和参考Tmax值(表示为Tmin_ref和Tmax_ref)。该过程的目标是确定用于设置Tmax的最佳值，以得到显示器管理映射函数(例如，220或300)，从而在将输入数据(例如，132)映射到目标显示器(140)时维持导演意图。
在步骤510中，该过程选择一组候选Tmax值(将被表示为Tmax_c(i))。例如，非限制性地，对于Tmax_ref＝650尼特，该组Tmax_c(i)值可以是{300，500，650，1200，1900}。应注意，1200和1900实际上高于Tmax_ref＝650。这是较好的，因为这样的值实际上可能会产生更准确的映射曲线——这实际上是最终目标。然后，对于这些候选Tmax_c(i)值中的每个值，给定Smin、Smid、Smax和Tmin，步骤510计算候选Tmid值(表示为Tmid_c(i))。即，该过程选择如图2和图3所描绘的中间锚定点的y2值。在给定输入和目标显示器的特性的情况下生成Tmid值的示例可以在于2018年1月8日提交的PCT申请序列号PCT/US 2018/012780，“Display Mapping for High Dynamic Range Images[用于高动态范围图像的显示映射]”中找到，该申请通过引用并入本文。作为示例，但非限制性地，使用类似Matlab的代码，Tmid_c(i)值可以如下计算：
Cutoff(i)＝DM_CalcCuttoff(Smin，Smid，Smax，TminPQ，TmaxPQ_c(i))；
Tmid_c(i)＝Smid-(Smid-min(Smid，TmaxPQ_c(i)-min((Smax-Smid)，(4)
TmaxPQ_C(i)-cutoff(i))))+(max(Smid，TminPQ+min((Smid-Smin)，
cutoff(i)-TminPQ))Smid)。
TmaxPQ、TminPQ和TmaxPQ_c(i)表示与线性光亮度值Tmax、Tmin和Tmax_c(i)相对应的经PQ编码光亮度值，已使用SMPTE ST 2084将该线性光亮度值转换为PQ光亮度。函数min()和max()分别输出其参数中的最小值和最大值。例如，如果b＞a，则min(a，b)＝A，并且如果A＜b，则max(a，b)＝b。
在实施例中，函数DM_CalcCuttoff()被定义为：
cutoff＝DM_CalcCuttoff(SMin，SMid，SMax，TminPQ，TmaxPQ)
％设置偏移曲线参数
preservationHead＝0.1；
preservationTail＝0.02；
rollStart＝0.1；
％计算偏移曲线参数
converge＝TminPQ+rollStart：
minPt＝min(TminPQ，SMin)；
maxPt＝max(TmaxPQ，SMax)；
tgtMax＝max(converge，TmaxPQ-preservationHead)；
tgtMin＝min(converge，TminPQ+preservationTail)；
STC＝maxPt-converge；
TTC＝tgtMax-converge；
SBC＝converge-minPt；
TBC＝converge-tgtMin；
maxMinSlope＝max(0，3＊(Converge-tgtMin)./(converge-minPt))；
maxMaxSlope＝max(0，3＊(tgtMax-converge)/(maxPt-converge))；
slopeMid＝min([maxMinSlope，maxMaxSlope，(TmaxPQ-TminPQ)./0.5，1])；
slopeMin＝min([maxMinSlope，1，(TBC/SBC)^2])；
slopeMax＝min([maxMaxSlope，1，(TTC/STC)^2])；
％顶部滚降
slope＝[slopeMid，slopeMax]；
points＝[converge，converge；maxPt，tgtMax]；
T＝(SMid-points(1，1))/(points(2，1)-points(1，1))；
cutoff＝(SMid＞converge).＊((2＊T.^3-3＊T.^2+1)＊poihts(1，2)+(T.^3-2＊T.^2+T)＊(points(2，1)-points(1，1))＊slope(1)+(-2＊T.^3+3*T.^2)*points(2，2)+(T.^3-T.^2)*(points(2，1)-points(1，1))＊slope(2))；
％底部滚降
slope＝[slopeMin，slopeMid]；
points＝[minPt，tgtMin；converge，converge]；
T＝(SMid-points(1，1))/(points(2，1)-points(1，1))；
cutoff＝cutoff+(SMid＜＝converge).＊((2＊T.^3＝3＊T.^2+1)＊points(1，2)+(T.^3-2＊T.^2+T)＊(points(2，1)-points(1，1))＊slope(1)+(-2＊T.^3+3＊T.^2)＊points(2，2)+(T.^3-T.^2)＊(points(2，1)-points(1，1))＊slope(2))；
end
在步骤515中，将候选Tmid_c(i)值转换为候选APL值(表示为APL_c(i)))。在示例中，非限制性地，可以使用线性光亮度到BT.1886的转换来执行该转换，例如：
APL_c(i)＝L2BT1886(PQ2L(Tmid_c(i))，PQ2L(TmaxPQ_c(i))， (51)
PQ2L(TminPQ)，2.2，1)：，
其中，函数PQ2L(x)将x从PQ光亮度转换为线性光亮度，而将线性光亮度转换为伽马的函数L2BT1886()可以表示为：
function V＝L2BT1886(L，a，b，g，computeab)
％将光亮度转换为BT1886
Figure BDA0002976953920000101
Figure BDA0002976953920000111
注释：使用等式(5)假设，为了计算目标显示器的APL响应，输入的色块已由显示器转换为BT.1886(伽玛)。在不是这种情况的实施例中，可以用适当的EOTF函数代替该步骤，该函数用于计算目标显示器的APL响应。
给定这些APL_c(i)值和目标显示器的APL函数(例如，L＝fA(APL))，可以为这些候选Tmax值中的每一个计算光亮度值的曲线图。总而言之，得到以下映射
Tmax_c(i)→Tmid_c(i)→APL_c(i)→L(i)＝fA(APL_c(i))
(6)
其用于生成光亮度与候选Tnax值函数(或查找表等)L(i)＝fT(Tmax-c(i))。图6中将这种映射的示例描绘为曲线图610。
步骤520重复步骤510和515，但是现在仅针对Tmax_ref值并且没有功率限制。即，代替使用fA()，而是使用显示器的EOTF(例如，通过将PQ2L()函数用于经PQ编码的图像)将亮度(例如，经PQ编码的光亮度)值直接转换为线性光亮度。例如，如在等式(4)中一样，参考中间光亮度Tmid_ref值可以计算为：
cutoff＝DM_CalcCuttoff(Smin，Smid，Smax，TminPQ，TmaxPQ)；
Tmid_ref＝Smid-(Smid-min(Smid，TmaxPQ-min((Smax-Smid)，TmaxPQ-cutoff)))+(max(Smid，TminPQ+min((smid-smin)，cutoff-TminPQ))- (7)Smid)：。
在实施例中，步骤520可以是步骤510和515中的计算的一部分。
因此，如在等式(6)中一样，得到作为Tnax_ref的函数的Lref的直接关联：
Tmax_ref→Tmid_ref→L_ref＝PQ2L(Tmid_ref)。 (8)
这种映射的示例在图6中示为线620。
给定L_ref以及L＝fT(Tmax-c)，在实施例中，用于生成色调映射曲线的输出Tmax(例如，Tmax_o)值是其中
Figure BDA0002976953920000112
的值。如在步骤525中指出的，这对应于这样的Tmax_c值：针对该值，fT(Tmax_c)与参考中间光亮度水平值L＝L_ref相交。例如，在图6中(针对650尼特TV而生成)，交点(625)对应于输出Tmax值Tmax_o＝600尼特。从实施角度来看，假设通常使用有限的一组Tmax_c(i)点来确定fT(Tmax_c)，则可以使用已知的插值技术得到丢失的fT()值。
后期处理优化
在实施例中，代替基于目标显示器的APL特性来求解最优输出Tmid值和Tmax值，可以好像没有功率限制那样计算色调映射曲线(例如，通过使用参考Tmid_ref值和Tmax_ref值)，然后应用后期处理步骤以基于APL特性来调节曲线。例如，在实施例中，给定功率调节P因数，可以如下调节Tmid：
x＝(Tmid_ref-TminPQ)/(TmaxPQ-TminPQ)，
Y＝XP， (9)
Tmid＝Y*(TmaxPQ-TminPQ)+TminPQ，
其中，如前所述，TminPQ和TmaxPQ表示目标显示器在P0域表示的参考最小光亮度值和参考最大光亮度值。
图7描绘了根据实施例的用于计算最优功率调节值P的示例过程。步骤705与步骤505相同。给定输入数据和目标显示器的特性，步骤710也与先前讨论的步骤520相同，即在没有功率限制的情况下生成参考中间光亮度值L_ref＝fT(Tmax_ref)。
步骤720代替先前讨论的步骤510。在步骤720中，代替使用候选Tmax_c(i)值，而是：a)定义一组候选功率因数值P_c(i)，并且b)针对每个P_c(i)值，应用等式(9)计算候选Tmid_c(i)值。例如，但非限制性地，P_c(i)值可以在0.75至1.25的范围内，增量为0.1。
给定在步骤720中计算的候选Tmid_c(i)值，如在步骤515中那样，步骤725将Tmid_c(i)值转换成候选APL值APL_c(i)以生成光亮度相对于候选P值的函数(例如，L＝fP(P_c))。因此，现在将等式(6)中的映射过程替换为以下映射过程：
P_c(i)→Tmid_c(i)→APL_c(i)→L(i)＝fA(APL_c(i))， (10)
最终，在步骤730中，给定L＝L_ref并且L＝fP(P_c)，在实施例中，要使用的输出P值(例如，P_o)是
Figure BDA0002976953920000132
的P_c值。这对应于fP(P_c)与L＝L_ref值相交时的P_c值。
给定基于Tmin_ref、Tmax_ref、Smin、Smid、Smax和P_o设计的色调映射曲线Y＝fTmax_ref(x)，可以考虑目标显示器的功率限制APL函数将该曲线调节为：
Figure BDA0002976953920000131
如果需要，在应用功率函数之前，如在等式(9)中一样，应先对色调映射曲线进行归一化，以便其输入x在[0，1]之间。
示例计算机系统实施方式
本发明的实施例可以利用计算机系统、以电子电路和部件来配置的系统、集成电路(IC)设备(如微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)或另一个可配置或可编程逻辑设备(PLD)、离散时间或数字信号处理器(DSP)、专用IC(ASIC))和/或包括这种系统、设备或部件中的一个或多个的装置来实施。计算机和/或IC可以执行、控制或实行与映射方法相关的指令，如本文所描述的那些指令。计算机和/或IC可以计算与本文描述的减少条带伪像有关的各种参数或值。图像和视频动态范围扩展实施例可以以硬件、软件、固件及其各种组合来实施。
本发明的某些实施方式包括执行软件指令的计算机处理器，该软件指令使处理器执行本发明的方法。例如，显示器、编码器、机顶盒、转码器等中的一个或多个处理器可以通过执行处理器可访问的程序存储器中的软件指令来实施如上所述的映射方法。还可以以程序产品的形式提供本发明。程序产品可以包括携带一组计算机可读信号的任何非暂态且有形介质，该一组计算机可读信号包括指令，该指令当由数据处理器执行时使数据处理器执行本发明的方法。根据本发明的程序产品可以采用各种非暂态且有形形式中的任何一种。程序产品可以包括例如物理介质，如包括软盘、硬盘驱动器的磁性数据存储介质、包括CDROM、DVD的光学数据存储介质、包括ROM、闪速存储器RAM的电子数据存储介质等。程序产品上的计算机可读信号可以可选地被压缩或加密。
在上面提到部件(例如，软件模块、处理器、组件、设备、电路等)的情况下，除非另有指明，否则对所述部件的引用(包括对“装置”的引用)都应被解释为包括执行所描述部件的功能的任何部件为所述部件的等同物(例如，功能上等同的)，包括在结构上不等同于执行在本发明的所图示示例实施例中的功能的所公开结构的部件。
等效物、扩展、替代品及其他
因此，描述了与在功率限制显示器中将图像从第一动态范围映射到第二动态范围有关的示例实施例。在前述说明书中，已经参考可以根据实施方式而变化的许多具体细节描述了本发明的实施例。因此，指明本发明以及本申请人的发明意图的唯一且排他性指示是根据本申请以具体形式发布的权利要求组，其中，这种权利要求发布包括任何后续修正。本文中针对这种权利要求中包含的术语明确阐述的任何定义应支配如在权利要求中使用的这种术语的含义。因此，权利要求中未明确引用的限制、要素、特性、特征、优点或属性不应以任何方式限制这种权利要求的范围。因此，应当从说明性而非限制性意义上看待本说明书和附图。
可以从以下枚举的示例实施例(EEE)中理解本发明的各个方面：
1.在包括一个或多个处理器的装置中，一种用于确定功率限制显示器的色调映射曲线的锚定点的方法，所述方法包括：
接收要在目标显示器上从第一动态范围映射到第二动态范围的输入图像的输入元数据；
接收所述目标显示器的APL函数，其中，所述APL函数根据所述目标显示器中的平均图片水平(APL)输入来确定所述目标显示器中的输出光亮度；
接收所述目标显示器的最小光亮度水平和所述目标显示器的参考最大光亮度水平；
基于以下各项来确定所述目标显示器的参考中间光亮度水平：所述目标显示器的所述最小光亮度水平、所述目标显示器的所述参考最大光亮度水平以及所述输入元数据；
基于所述输入元数据和所述目标显示器的所述APL函数来确定所述目标显示器的光亮度相对于候选最大光亮度值(Tmax_c)的函数，其中，所述光亮度与Tmax_c值函数根据所述目标显示器中的候选最大光亮度水平输入来确定所述目标显示器中的输出光亮度；以及
基于Tmax_c值确定所述目标显示器的输出最大光亮度水平，针对该值，所述光亮度相对于Tmax_c值的函数的输出更接近所述目标显示器的所述参考中间光亮度水平。
2.如EEE 1所述的方法，其中，所述输入元数据包括Smin、Smid和Smax值，其中，Smin表示所述输入图像的最小光亮度像素值，Smid表示所述输入图像的中间或平均光亮度像素值，并且Smax表示所述输入图像的最大光亮度像素值。
3.如EEE 2所述的方法，其中，对于将所述输入图像映射到所述目标显示器的色调映射曲线，所述色调映射曲线的第一锚定点包括所述Smin值和所述目标显示器的最小光亮度水平，并且所述色调映射曲线的第二锚定点包括所述Smax值和所述目标显示器的输出最大光亮度水平。
4.如EEE 1至3中任一项所述的方法，其中，确定所述目标显示器的所述参考中间光亮度水平包括：
基于所述输入元数据、所述目标显示器的所述最小光亮度水平和所述参考最大光亮度水平，为所述目标显示器生成中间参考PQ光亮度值；以及
通过使用PQ到线性光亮度映射函数将所述中间参考PQ光亮度转换为线性中间光亮度水平。
5.如EEE 1至4中任一项所述的方法，其中，确定所述目标显示器的所述光亮度相对于Tmax_c值的函数包括：
确定两个或更多个候选最大光亮度值的集合；
对于所述候选最大光亮度值的集合中的候选最大光亮度值(Tmax_c(i))：
基于所述输入元数据、所述目标显示器的所述最小光亮度水平和所述候选最大光亮度水平，为所述目标显示器生成候选中间光亮度值；以及
基于所述目标显示器的所述候选中间光亮度值和所述APL函数来生成所述Tmax_c(i)值的输出光亮度水平。
6.在包括一个或多个处理器的装置中，一种用于根据目标显示器的功率限制特性来确定用于调整色调映射曲线的功率因数的方法，所述方法包括：
接收要在目标显示器上从第一动态范围映射到第二动态范围的输入图像的输入元数据；
接收所述目标显示器的平均图片水平(APL)函数，其中，所述APL函数根据所述目标显示器中的APL输入来确定所述目标显示器中的输出光亮度；
接收所述目标显示器的最小光亮度水平和所述目标显示器的参考最大光亮度水平；
基于所述目标显示器的所述最小光亮度水平、所述目标显示器的所述参考最大光亮度水平和所述输入元数据，确定所述目标显示器的参考中间光亮度水平；
基于所述输入元数据和所述目标显示器的所述APL函数来确定所述目标显示器的光亮度相对于候选P因数值(P_c)的函数，其中，所述光亮度相对于P_c值的函数根据候选功率因数确定所述目标显示器中的输出光亮度；以及
基于候选功率因数值确定所述目标显示器的输出功率因数，针对该值，所述光亮度相对于P_c值的函数的输出更接近所述目标显示器的所述参考中间光亮度水平。
7.如EEE 6所述的方法，其中，所述输入元数据包括Smin、Smid和Smax值，其中，Smin表示所述输入图像的最小光亮度像素值，Smid表示所述输入图像的中间或平均光亮度像素值，并且Smax表示所述输入图像的最大光亮度像素值。
8.如EEE 6或EEE 7所述的方法，其中，确定所述目标显示器的所述参考中间光亮度水平包括：
基于所述输入元数据、所述目标显示器的所述最小光亮度水平和所述参考最大光亮度水平，为所述目标显示器生成中间参考PQ光亮度值；以及
通过使用PQ到线性光亮度映射函数将所述中间参考PQ光亮度转换为线性中间光亮度水平。
9.如EEE 6至8中任一项所述的方法，其中，确定所述目标显示器的所述光亮度与P_c值函数包括：
确定两个或更多个候选功率因数值的集合；
对于所述候选功率因数值的集合中的候选功率因数值(P_c(i))：
基于所述输入元数据、所述目标显示器的所述最小光亮度水平、所述最大光亮度水平和所述候选功率因数值，为所述目标显示器生成候选中间光亮度值；
基于所述目标显示器的所述候选中间光亮度值和所述APL函数来生成所述P_c(i)值的输出光亮度水平。
10.如EEE 6至9中任一项所述的方法，进一步包括：
基于所述目标显示器的所述最小光亮度水平、所述目标显示器的所述参考最大光亮度水平和所述输入元数据，确定将所述输入图像映射到所述目标显示器的第一色调映射曲线；以及
基于所述输出功率因数调节所述第一色调映射曲线。
11.如EEE 10所述的方法，其中，调节所述第一色调映射曲线包括针对所述第一色调映射曲线的所有输入值，将所述第一色调映射曲线的输出提高到所述输出功率因数的功率。
12.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有用于利用一个或多个处理器执行根据EEE 1至11所述的方法的计算机可执行指令。
13.一种装置，包括处理器并且被配置为执行如EEE 1至11中所述的方法中的任一种方法。

Claims (10)

1.一种用于使用具有第一锚定点和第二锚定点的色调映射曲线来生成显示映射图像的方法，所述方法包括：
接收要在目标显示器上使用所述色调映射曲线从第一动态范围映射到第二动态范围的输入图像的输入元数据，其中，所述输入元数据包括所述输入图像的最小光亮度像素值Smin、所述输入图像的中间或平均光亮度像素值Smid和所述输入图像的最大光亮度像素值Smax；
接收所述目标显示器的平均图片水平(APL)函数，其中，所述APL函数根据所述目标显示器中的APL输入来确定所述目标显示器中的输出光亮度；
接收所述目标显示器的最小光亮度水平Tmin和所述目标显示器的参考最大光亮度水平Tmax_ref；
通过使用以Smin、Tmin作为所述第一锚定点并且以Smax、Tmax_ref作为所述第二锚定点的色调映射曲线，将Smid从所述第一动态范围映射到所述第二动态范围，来确定所述目标显示器的参考中间光亮度水平Tmid_ref；
确定所述目标显示器的光亮度相对于候选最大光亮度水平(Tmax_c)的函数作为所述APL函数针对与所述目标显示器的中间光亮度水平Tmid相对应的APL输入的输出，所述中间光亮度水平Tmid是通过使用以Smin、Tmin作为所述第一锚定点并且以Smax、Tmax_c作为所述第二锚定点的色调映射曲线将Smid从所述第一动态范围映射到所述第二动态范围来确定的；
基于Tmax_c值确定所述目标显示器的输出最大光亮度水平Tmax，针对该Tmax_c值，所述光亮度相对于Tmax_c的函数的输出更接近所述目标显示器的所述参考中间光亮度水平Tmid_ref；以及
使用以Smin、Tmin作为所述第一锚定点并且以Smax、Tmax作为所述第二锚定点的色调映射曲线，将所述输入图像从所述第一动态范围映射到所述第二动态范围。
2.如权利要求1所述的方法，其中，确定所述目标显示器的所述参考中间光亮度水平包括：
基于所述输入图像的所述中间或平均光亮度像素值、所述目标显示器的所述最小光亮度水平和所述目标显示器的所述参考最大光亮度水平来为所述目标显示器生成中间参考PQ光亮度值；以及
通过使用PQ到线性光亮度映射函数将所述中间参考PQ光亮度转换为线性中间光亮度水平。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，确定所述目标显示器的所述光亮度相对于Tmax_c的函数包括：
确定两个或更多个候选最大光亮度值的集合；
对于所述候选最大光亮度值的集合中的候选最大光亮度值(Tmax_c(i))：
基于所述输入图像的所述中间或平均光亮度像素值、所述目标显示器的所述最小光亮度水平和所述候选最大光亮度值来为所述目标显示器生成候选中间光亮度值；以及
基于所述目标显示器的所述候选中间光亮度值和所述APL函数来生成所述Tmax_c(i)值的光亮度。
4.一种用于使用具有第一锚定点和第二锚定点的色调映射曲线来生成显示映射图像的方法，所述方法包括：
接收要在目标显示器上使用所述色调映射曲线从第一动态范围映射到第二动态范围的输入图像的输入元数据，其中，所述输入元数据包括所述输入图像的最小光亮度像素值Smin、所述输入图像的中间或平均光亮度像素值Smid和所述输入图像的最大光亮度像素值Smax；
接收所述目标显示器的平均图片水平(APL)函数，其中，所述APL函数根据所述目标显示器中的APL输入来确定所述目标显示器中的输出光亮度；
接收所述目标显示器的最小光亮度水平Tmin和所述目标显示器的参考最大光亮度水平Tmax_ref；
通过使用以Smin、Tmin作为所述第一锚定点并且以Smax、Tmax_ref作为所述第二锚定点的色调映射曲线将Smid从所述第一动态范围映射到所述第二动态范围，来确定所述目标显示器的参考中间光亮度水平Tmid_ref；
确定所述目标显示器的光亮度相对于候选功率因数(P_c)的函数作为所述APL函数针对与所述目标显示器的中间光亮度水平Tmid相对应的APL输入的输出，所述中间光亮度水平Tmid是通过使用以Smin、Tmin作为所述第一锚定点并且以Smax、Tmax_ref作为所述第二锚定点的色调映射曲线将Smid从所述第一动态范围映射到所述第二动态范围来确定的，其中，Tmid使用所述候选功率因数P_c进行了调节；
基于P_c值确定所述目标显示器的输出功率因数P，针对该P_c值，所述光亮度相对于P_c的函数的输出更接近所述目标显示器的所述参考中间光亮度水平Tmid_ref；以及
使用以Smin、Tmin作为所述第一锚定点并且以Smax、Tmax_ref作为所述第二锚定点的色调映射曲线将所述输入图像从所述第一动态范围映射到所述第二动态范围，其中，所述色调映射曲线使用所述输出功率因数P进行了调节。
5.如权利要求4所述的方法，其中，确定所述目标显示器的所述参考中间光亮度水平包括：
基于所述输入图像的所述中间或平均光亮度像素值、所述目标显示器的所述最小光亮度水平和所述目标显示器的所述参考最大光亮度水平来为所述目标显示器生成中间参考PQ光亮度值；以及
通过使用PQ到线性光亮度映射函数，将所述中间参考PQ光亮度转换为线性中间光亮度水平。
6.如权利要求4或5所述的方法，其中，确定所述目标显示器的所述光亮度相对于P_c的函数包括：
确定两个或更多个候选功率因数值的集合；
对于所述候选功率因数值的集合中的候选功率因数值(P_c(i))：
基于所述输入图像的所述中间或平均光亮度像素值、所述目标显示器的所述最小光亮度水平、所述最大光亮度水平以及所述候选功率因数值为所述目标显示器生成候选中间光亮度值；以及
基于所述目标显示器的所述候选中间光亮度值和所述APL函数来生成所述P_c(i)值的光亮度。
7.如权利要求4至6中任一项所述的方法，进一步包括：
基于所述目标显示器的所述最小光亮度水平、所述目标显示器的所述参考最大光亮度水平和所述输入元数据，确定将所述输入图像映射到所述目标显示器的第一色调映射曲线；以及
基于所述输出功率因数调节所述第一色调映射曲线。
8.如权利要求7所述的方法，其中，调节所述第一色调映射曲线包括将所述第一色调映射曲线的输出提高到所述输出功率因数的功率。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有用于利用一个或多个处理器执行根据权利要求1至8所述的方法的计算机可执行指令。
10.一种装置，包括处理器并且被配置为执行如权利要求1至8中所述的方法中的任何一种方法。
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