CN117372298A - 一种基于偏移表的图像抖动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于色彩增强技术领域，主要是为了解决现有的基于抖动图案矩阵的图像抖动方案占用存储资源多、矩阵运算量大、色彩增强能力有限的问题，公开了一种基于偏移表的图像抖动方法，一方面，通过基于像素坐标产生的偏移值与LSB灰度值和帧计数产生的有效偏移范围来判断是否更新像素MSB部分的方式实现图像抖动，不需要存储复杂的抖动图案矩阵，占用存储资源少，不需要做矩阵运算，运算量小，可以进行流水线操作，非常适用于现场可编程门电路FPGA或专用图像处理器ISP的高帧率高分辨率图像处理场景；另一方面，通过单元偏移表在相邻的图像抖动单元之间再增加一层抖动效果，使得显示画面的抖动纹理更不易观察到，提高了图像色彩增强能力。

Description

一种基于偏移表的图像抖动方法
技术领域
本发明涉及图像色彩增强技术领域，具体涉及一种基于偏移表的图像抖动方法。
背景技术
从色彩的角度来说，不管是阴极射线管(CRT，Cathode Ray Tube)显示器还是液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Display)都有真彩显示这样一个概念，其含义是指在红，绿，蓝(R，G，B)三个色彩通道都具有物理上显示256级灰阶的能力。CRT显示器能实现真彩显示，而LCD显示器则不尽然。
通常，液晶面板的色彩物理显示能力是通过在每一个色彩通道上液晶面板能显示灰阶的位数来加以描述的。现在中低端液晶显示器采用的是6bit面板，即每个通道上只能显示64级灰阶，共能显示262144种色彩，其在物理上能显示的色彩数目还不到8bit面板的2％。为了缩小6bit面板和8bit面板的差距，色彩增强技术应运而生，其主要利用了像素抖动(PD，Pixel Dithering)算法或帧速率控制(FRC，Frame Rate Control)算法，即通过控制像素点在时间或空间上的灰度显示，来提高液晶单元的灰阶数目。像素抖动算法和帧速率控制算法统称为图像抖动算法。
现有的实现图像抖动算法的技术是基于抖动图案矩阵进行抖动的，例如，中国专利授权公告号：CN102568436A，公开了一种时空颜色亮度抖动技术，图像处理器需要预先存储2n张源抖动图案，进而在图像处理过程中根据图像颜色通道和帧计数产生目标抖动图案矩阵。当视频源输入时，会将源图像分成MSB和LSB灰度值块，然后LSB灰度值块结合目标抖动图案矩阵产生修改矩阵，MSB灰度值块于修改矩阵做运算，产生新的MSB灰度值块，即最终要显示的图像。其中，n指要增加的灰度位宽，即源图像的灰度位宽减去图像显示设备真实处理的灰度位宽，也即LSB灰度值块的位宽。
现有的基于抖动图案矩阵的方案可以看出，步骤“选择图案&产生修改矩阵”中，如果增加的灰度位宽为6时，需要64个8X8的图案矩阵，占用存储资源多；图案矩阵还需要针对不同帧，不同颜色通道做不同的矩阵偏移；另外，要做矩阵运算，运算量大，无法进行流水线操作，不适用于现场可编程门电路FPGA或专用图像处理器ISP的高帧率高分辨率图像处理场景；同时，因为受限于存储资源和计算资源，无法进一步提高图像抖动新产生的灰度值位宽，从而无法进一步提高色彩增强能力。
发明内容
本发明主要是为了解决现有的基于抖动图案矩阵的图像抖动方案占用存储资源多、矩阵运算量大、色彩增强能力有限的问题，提供了一种基于偏移表的图像抖动方法，一方面，通过基于像素坐标产生的偏移值与LSB灰度值和帧计数产生的有效偏移范围来判断是否更新像素MSB部分的方式实现图像抖动；另一方面，通过单元偏移表在相邻的图像抖动单元之间再增加一层抖动效果，使得显示画面的抖动纹理更不易观察到。本发明不需要存储复杂的抖动图案矩阵，不需要做矩阵运算，可以进行流水线操作，非常适用于现场可编程门电路FPGA或专用图像处理器ISP；与现有技术相比，进一步提高了图像色彩增强能力。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种基于偏移表的图像抖动方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据预想的抖动方案设计图像处理过程中所需的偏移表并存储；
步骤S2：将源图像数据以像素灰度值数据流的形式输入图像处理器；
步骤S3：对图像像素行、列、颜色通道以及图像帧进行计数，分别产生图像抖动单元内的行计数y、列计数x、颜色通道计数color以及帧计数frm；
步骤S4：根据帧计数frm和图像LSB部分的灰度值求得有效偏移范围；
步骤S5：根据行计数y、列计数x和颜色通道计数color获得像素偏移值offset_dot和单元偏移值offset_unit，相加得到实际偏移值offset；
步骤S6：实际偏移值offset在有效偏移范围内时，图像MSB部分灰度值加1，否则，灰度值保持不变，从而构成显示设备实际输出的图像帧的灰度值。
本发明提供了一种基于偏移表的图像抖动方法，具体为一种像素抖动算法和帧速率控制算法的实现方法，一方面，通过基于像素坐标产生的偏移值与LSB灰度值和帧计数产生的有效偏移范围来判断是否更新像素MSB部分的方式实现图像抖动；另一方面，通过单元偏移表在相邻的图像抖动单元之间再增加一层抖动效果，使得显示画面的抖动纹理更不易观察到。本发明基于偏移表实现图像抖动，不需要存储复杂的抖动图案矩阵，占用存储资源少，不需要做矩阵运算，运算量小，可以进行流水线操作，非常适用于现场可编程门电路FPGA或专用图像处理器ISP的高帧率高分辨率图像处理场景；通过增加一层抖动效果，使得显示画面的抖动纹理更不易观察到，进一步提高图像色彩增强能力。
作为优选，步骤S1中，所述偏移表的地址由颜色通道、图像抖动单元的横纵坐标组成，内容是偏移值。偏移表包括像素偏移表和单元偏移表。本发明的一个巧妙点是通过偏移表实现图像抖动，基于偏移值与有效偏移范围来判断是否更新像素MSB部分，不需要存储复杂的抖动图案矩阵，不需要做矩阵运算。
作为优选，步骤S1中，所述偏移表内偏移值的选取过程为：首先设计预想的抖动方案，然后通过实验测试不同的抖动方案，直到最终显示画面看不到抖动的纹理。偏移值可以理解为图像抖动单元内的像素当灰度值为1时，一组帧的哪一帧进行显示，当灰度值为2或其他值时，也可以推算出图像抖动单元内的像素应该在一组帧内什么时候点亮。图像抖动单元的大小与一组帧的帧数量frm_max取决于图像抖动产生的灰度值位宽。
作为优选，所述偏移表存储在图像处理器内部的只读存储器ROM内。图像处理器可以选用现场可编程逻辑器件FPGA，ROM采用的是FPGA内部的ROM，以便在一个系统时钟周期内读取到内容。
作为优选，所述图像处理器包括但不限于FPGA或ISP。本发明不需要做矩阵运算，运算量小，可以进行流水线操作，非常适用于现场可编程门电路FPGA或专用图像处理器ISP的高帧率高分辨率图像处理场景。
作为优选，步骤S2中，源图像灰度值位宽由显示设备实际显示的图像MSB部分的灰度值位宽M和图像抖动产生的额外的图像LSB部分的灰度值位宽N组成。源图像数据输入图像处理器（FPGA或ISP），是以像素灰度值数据流的形式输入的，源图像灰度值位宽为M+N。
作为优选，步骤S4的具体过程，包括以下步骤：
步骤S41：先计算出Off_min和Off_max，公式如下：
Off_min[N-1:0]=LSB灰度值[N-1:0]*帧计数值frm[N-1:0]
Off_max[N:0]=Off_min[N-1:0]+LSB灰度值[N-1:0]；
步骤S42：根据Off_min和Off_max求得有效偏移范围，公式如下：
当Off_max<=2N时，有效偏移范围:Off_min<=offset<Off_max
当Off_max>2N时，有效偏移范围:offset<Off_min或offset>Off_max。
作为优选，步骤S5中，将步骤S3产生的图像抖动单元内的行计数y、列计数x、颜色通道计数color组成的地址，输入像素偏移表和单元偏移表所在的只读存储器ROM，得到像素偏移值offset_dot和单元偏移值offset_unit，再将像素偏移值offset_dot和单元偏移值offset_unit相加得到实际偏移值offset。因为单元与单元之间抖动效果相同，同一帧时单元间亮点非常有规律，人眼很容易察觉到这种规律性。因而引出本发明另外一个巧妙的设计点，是相邻的图像抖动单元之间再增加一层抖动效果，就能使显示画面的抖动纹理更不易观察到。因为采用的是偏移表的形式，只要在图像抖动单元内“像素偏移值”offset_dot之上加上一个新的图像抖动“单元偏移值”offset_unit，就可实现新增一层抖动效果。因而实际偏移值计算公式为offset=offset_dot+offset_unit。
因此，本发明的优点是：
（1）通过基于像素坐标产生的偏移值与LSB灰度值和帧计数产生的有效偏移范围来判断是否更新像素MSB部分的方式实现图像抖动，不需要存储复杂的抖动图案矩阵，占用存储资源少，不需要做矩阵运算，运算量小，可以进行流水线操作，非常适用于现场可编程门电路FPGA或专用图像处理器ISP的高帧率高分辨率图像处理场景；
（2）通过单元偏移表在相邻的图像抖动单元之间再增加一层抖动效果，使得显示画面的抖动纹理更不易观察到，有效提高了图像色彩增强能力。
附图说明
图1是本发明实施例一中一种基于偏移表的图像抖动方法的流程图。
图2是本发明实施例二中基于偏移表的图像抖动方案的图像处理流程图。
图3是本发明实施例二中所用的像素偏移表和单元偏移表。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例一。
一种基于偏移表的图像抖动方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1：根据预想的抖动方案设计图像处理过程中所需的偏移表并存储；
步骤S2：将源图像数据以像素灰度值数据流的形式输入图像处理器；
步骤S3：对图像像素行、列、颜色通道以及图像帧进行计数，分别产生图像抖动单元内的行计数y、列计数x、颜色通道计数color以及帧计数frm；
步骤S4：根据帧计数frm和图像LSB部分的灰度值求得有效偏移范围；
步骤S5：根据行计数y、列计数x和颜色通道计数color获得像素偏移值offset_dot和单元偏移值offset_unit，相加得到实际偏移值offset；
步骤S6：实际偏移值offset在有效偏移范围内时，图像MSB部分灰度值加1，否则，灰度值保持不变，从而构成显示设备实际输出的图像帧的灰度值。
本实施例提供了一种基于偏移表的图像抖动方法，具体为一种像素抖动算法和帧速率控制算法的实现方法，一方面，通过基于像素坐标产生的偏移值与LSB灰度值和帧计数产生的有效偏移范围来判断是否更新像素MSB部分的方式实现图像抖动；另一方面，通过单元偏移表在相邻的图像抖动单元之间再增加一层抖动效果，使得显示画面的抖动纹理更不易观察到。本实施例基于偏移表实现图像抖动，不需要存储复杂的抖动图案矩阵，占用存储资源少，不需要做矩阵运算，运算量小，可以进行流水线操作，非常适用于现场可编程门电路FPGA或专用图像处理器ISP的高帧率高分辨率图像处理场景；通过增加一层抖动效果，使得显示画面的抖动纹理更不易观察到，进一步提高图像色彩增强能力。
步骤S1中，偏移表的地址由颜色通道、图像抖动单元的横纵坐标组成，内容是偏移值。偏移表包括像素偏移表和单元偏移表。本实施例的一个巧妙点是通过偏移表实现图像抖动，基于偏移值与有效偏移范围来判断是否更新像素MSB部分，不需要存储复杂的抖动图案矩阵，不需要做矩阵运算。
步骤S1中，偏移表内偏移值的选取过程为：首先设计预想的抖动方案，然后通过实验测试不同的抖动方案，直到最终显示画面看不到抖动的纹理。偏移值可以理解为图像抖动单元内的像素当灰度值为1时，一组帧的哪一帧进行显示，当灰度值为2或其他值时，也可以推算出图像抖动单元内的像素应该在一组帧内什么时候点亮。图像抖动单元的大小与一组帧的帧数量frm_max取决于图像抖动产生的灰度值位宽。
偏移表存储在图像处理器内部的只读存储器ROM内。图像处理器可以选用现场可编程逻辑器件FPGA，ROM采用的是FPGA内部的ROM，以便在一个系统时钟周期内读取到内容。
图像处理器包括但不限于FPGA或ISP。本实施例不需要做矩阵运算，运算量小，可以进行流水线操作，非常适用于现场可编程门电路FPGA或专用图像处理器ISP的高帧率高分辨率图像处理场景。
步骤S2中，源图像灰度值位宽由显示设备实际显示的图像MSB部分的灰度值位宽M和图像抖动产生的额外的图像LSB部分的灰度值位宽N组成。源图像数据输入图像处理器（FPGA或ISP），是以像素灰度值数据流的形式输入的，源图像灰度值位宽为M+N。
步骤S4的具体过程，包括以下步骤：
步骤S41：先计算出Off_min和Off_max，公式如下：
Off_min[N-1:0]=LSB灰度值[N-1:0]*帧计数值frm[N-1:0]
Off_max[N:0]=Off_min[N-1:0]+LSB灰度值[N-1:0]；
步骤S42：根据Off_min和Off_max求得有效偏移范围，公式如下：
当Off_max<=2N时，有效偏移范围:Off_min<=offset<Off_max
当Off_max>2N时，有效偏移范围:offset<Off_min或offset>Off_max。
步骤S5中，将步骤S3产生的图像抖动单元内的行计数y、列计数x、颜色通道计数color组成的地址，输入像素偏移表和单元偏移表所在的只读存储器ROM，得到像素偏移值offset_dot和单元偏移值offset_unit，再将像素偏移值offset_dot和单元偏移值offset_unit相加得到实际偏移值offset。因为单元与单元之间抖动效果相同，同一帧时单元间亮点非常有规律，人眼很容易察觉到这种规律性。因而引出本实施例另外一个巧妙的设计点，是相邻的图像抖动单元之间再增加一层抖动效果，就能使显示画面的抖动纹理更不易观察到。因为采用的是偏移表的形式，只要在图像抖动单元内“像素偏移值”offset_dot之上加上一个新的图像抖动“单元偏移值”offset_unit，就可实现新增一层抖动效果。因而实际偏移值计算公式为offset=offset_dot+offset_unit。
实施例二。
本实施例是基于偏移表的图像抖动方案，图像处理流程如图2所示，具体包括。
步骤1：首先，根据预想的抖动方案设计图像处理过程中所需的偏移表，偏移表的地址由颜色通道，图像抖动单元的横纵坐标组成，内容是偏移值；然后存储在图像处理器内部的只读存储器ROM内。
偏移表内偏移值的选取，先设计预想的抖动方案，然后通过实验测试不同的抖动方案，直到最终显示画面看不到抖动的纹理；偏移值可以理解为图像抖动单元内的像素当灰度值为1时，一组帧的哪一帧进行显示，当灰度值为2或其他值时，也可以推算出图像抖动单元内的像素应该在一组帧内什么时候点亮。图像抖动单元的大小与一组帧的帧数量frm_max取决于图像抖动产生的灰度值位宽。
因为单元与单元之间抖动效果相同，同一帧时单元间亮点非常有规律，人眼很容易察觉到这种规律性。因而本实施例在相邻的图像抖动单元之间再增加一层抖动效果，使得显示画面的抖动纹理更不易观察到。因为采用的是偏移表的形式，只要在图像抖动单元内“像素偏移值”offset_dot之上加上一个新的图像抖动“单元偏移值”offset_unit，就可实现新增一层抖动效果。因而实际偏移值计算公式为offset=offset_dot+offset_unit。
本实施例中，图像处理器选用的是现场可编程逻辑器件FPGA，ROM采用的是FPGA内部的ROM，以便在一个系统时钟周期内读取到内容。
本实施例中，图像抖动扩展的位宽是6bit，则图像抖动单元的宽是width=23=8，高是height=23=8，一组帧的帧数量frm_max=26=64。本实施例中所用偏移表如图3所示。以红色通道像素偏移表举例，在8x8的图像抖动单元内，当灰度值为1时，像素坐标(1,1)的红色像素偏移值为0，所以第0帧亮，像素坐标(5,3)的红色像素偏移值为1，所以一组64帧的第1帧亮，依次类推。当灰度值为2时，像素坐标(1,1)和像素坐标(5,3)的红色像素偏移值为0和1，在一组64帧的第0帧和第32帧亮；像素坐标(2,5)和像素坐标(7,7)的红色像素偏移值为2和3，在一组64帧的第1帧和第32帧亮；像素坐标(8,1)和像素坐标(3,8)的红色像素偏移值为4和5，在一组64帧的第2帧和第34帧亮，依次类推。
举例说明：当灰度值为2，即LSB灰度值[N-1:0]=2；则Off_min（0帧）=0，Off_max（0帧）=2；Off_min（32帧）=0（32*2=64，但是64的二进制是b1000000，所以Off_min[N-1:0]=Off_min[5:0]=0），Off_max（32帧）=2，所以第0和32帧有效偏移范围为0<=offset<2，也即0和1，也意味着第0和32帧时偏移值为0和1的像素点亮，也即像素坐标(1,1)和像素坐标(5,3)的红色像素偏移值为0和1。
显示设备实际像素点坐标(21,43)，对应坐标为(2,5)的抖动单元内的坐标(5,3)的像素点，抖动单元坐标(2,5)的单元偏移值offset_unit为1，单元内像素坐标(5,3)的红色像素偏移值offset_dot为1，因而对于该像素点的实际偏移值为offset=offset_unit+offset_dot=2，所以当灰度值为1时，该像素点在一组64帧的第2帧亮。
步骤2：源图像数据输入图像处理器（FPGA或ISP），是以像素灰度值数据流的形式输入的，源图像灰度值位宽由显示设备实际显示的图像MSB部分的灰度值位宽M和图像抖动产生的额外的图像LSB部分的灰度值位宽N组成，如图2所示，源图像灰度值位宽为M+N。
本实施例中，图像MSB部分的灰度值位宽M为16bit，图像LSB部分的灰度值位宽N为6bit。源图像灰度值位宽为22bit，显示设备实际采用的是16bit。
步骤3：当图像数据传入时，可以对图像像素行、列、颜色通道以及图像帧进行计数，分别产生图像抖动单元内的行计数y、列计数x、颜色通道计数color以及帧计数值frm。
步骤4：根据帧计数frm和图像LSB部分的灰度值求得有效偏移范围，具体包括：
步骤41：先计算出Off_min和Off_max，公式如下：
Off_min[N-1:0]=LSB灰度值[N-1:0]*帧计数值frm[N-1:0]
Off_max[N:0]=Off_min[N-1:0]+LSB灰度值[N-1:0]；
步骤42：根据Off_min和Off_max求得有效偏移范围，公式如下：
当Off_max<=2N时，有效偏移范围:Off_min<=offset<Off_max
当Off_max>2N时，有效偏移范围:offset<Off_min或offset>Off_max。
本实施例中，N为6，所以Off_min位宽为6，Off_max位宽为7。
步骤5：图像抖动单元内的行计数y、列计数x、颜色通道计数color组成的地址，输入像素偏移表和单元偏移表所在的只读存储器ROM，得到像素偏移值offset_dot和单元偏移值offset_unit，相加得到offset。
步骤6：实际偏移值offset在有效偏移范围内时，像素MSB部分灰度值加1，否则，灰度值保持不变；从而构成新图像帧的灰度值，用于显示设备实际输出的图像。
以上内容，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于偏移表的图像抖动方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：根据预想的抖动方案设计图像处理过程中所需的偏移表并存储；
步骤S2：将源图像数据以像素灰度值数据流的形式输入图像处理器；
步骤S3：对图像像素行、列、颜色通道以及图像帧进行计数，分别产生图像抖动单元内的行计数y、列计数x、颜色通道计数color以及帧计数frm；
步骤S4：根据帧计数frm和图像LSB部分的灰度值求得有效偏移范围；
步骤S5：根据行计数y、列计数x和颜色通道计数color获得像素偏移值offset_dot和单元偏移值offset_unit，相加得到实际偏移值offset；
步骤S6：实际偏移值offset在有效偏移范围内时，图像MSB部分灰度值加1，否则，灰度值保持不变，从而构成显示设备实际输出的图像帧的灰度值。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏移表的图像抖动方法，其特征在于，步骤S1中，所述偏移表的地址由颜色通道、图像抖动单元的横纵坐标组成，内容是偏移值。
3.根据权利要求2所述的一种基于偏移表的图像抖动方法，其特征在于，步骤S1中，所述偏移表内偏移值的选取过程为：首先设计预想的抖动方案，然后通过实验测试不同的抖动方案，直到最终显示画面看不到抖动的纹理。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于偏移表的图像抖动方法，其特征在于，所述偏移表存储在图像处理器内部的只读存储器ROM内。
5.根据权利要求4所述的一种基于偏移表的图像抖动方法，其特征在于，所述图像处理器包括但不限于FPGA或ISP。
6.根据权利要求1所述的一种基于偏移表的图像抖动方法，其特征在于，步骤S2中，源图像灰度值位宽由显示设备实际显示的图像MSB部分的灰度值位宽M和图像抖动产生的额外的图像LSB部分的灰度值位宽N组成。
7.根据权利要求6所述的一种基于偏移表的图像抖动方法，其特征在于，步骤S4的具体过程，包括以下步骤：
步骤S41：先计算出Off_min和Off_max，公式如下：
Off_min[N-1:0]=LSB灰度值[N-1:0]*帧计数值frm[N-1:0]
Off_max[N:0]=Off_min[N-1:0]+LSB灰度值[N-1:0]；
步骤S42：根据Off_min和Off_max求得有效偏移范围，公式如下：
当Off_max<=2N时，有效偏移范围:Off_min<=offset<Off_max
当Off_max>2N时，有效偏移范围:offset<Off_min或offset>Off_max。
8.根据权利要求4所述的一种基于偏移表的图像抖动方法，其特征在于，步骤S5中，将步骤S3产生的图像抖动单元内的行计数y、列计数x、颜色通道计数color组成的地址，输入像素偏移表和单元偏移表所在的只读存储器ROM，得到像素偏移值offset_dot和单元偏移值offset_unit，再将像素偏移值offset_dot和单元偏移值offset_unit相加得到实际偏移值offset。
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