CN1910901B - 用于移动显示器的智能限幅器 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于基色校正和限幅的装置和方法，其特别适合在移动显示器中的应用。这是亮度减少和“智能”限幅算法的组合，并其是基于感官属性“多色”，在其中，让较亮的图像似乎具有更多的色彩。在智能限幅算法中，亮度减少之后紧随色域(基色)校正，然后通过“加入白色”到色域外象素上来仅仅执行智能限幅。这减少了饱和度的同时增加了亮度。换句话说，减少饱和度有利于增加亮度，其给出了类似于EBU显示器上那样的移动显示器上的多色。所以这种智能限幅影响了那些不能在显示器上再现的色彩。

Description

用于移动显示器的智能限幅器

本发明涉及在移动设备中的彩色显示器。尤其是，本发明涉及具有限制色域的移动显示器中的彩色呈现。更尤其是，本发明涉及用于基色校正和限幅的装置和方法，其尤其直接用于具有限制色域的显示器。

在常规显示器中的色域比人类视觉系统的色域要小。这就意味着我们所看到的一些颜色不能在这样的显示器上显示。特别是在移动(反射的)显示器中的色域是小的，以便获得超出显示器外的尽可能多的亮度。典型地，显示器包含少于欧洲广播联盟(EBU)所设置色域的36％。

图2是EBU显示器的一个例子以及图3是具有EBU基色饱和度的60％饱和度的基色的移动显示器(它是36％EBU色域)，两者具有相同亮度。问题是明显的，在该例子中该移动显示器具有较差的色彩呈现。

存在多个可能的解决方案：其它的色滤波器和色域映射，它们能够被分成色域校正和限幅。

色域问题的一个解决方案能够通过使色滤波器变厚来提高显示器的色域，即，通过阻塞更多的波长来使它们更饱和。当然在液晶显示器上这将减少亮度。对带有理想色滤波器的显示器来说，亮度下降30％，但是对典型移动显示器来说，亮度下降大于50％，如图4和图5所示。

在桌面监视器上，具有大色域的显示器，图3，仍然可以是首选的，但是如果桌面监视器的亮度被减少为环境照度的5-10％，其近似在一个灯环境下的移动显示器，则优选地转换到如图4所示的较亮显示器上，因为在如图5所示的小亮度面板上丢失大量细节。

本发明提供了一种算法来通过在色域和亮度之间的折衷，特别是对具有比输入视频信号要小的色域的显示器，例如移动显示器，执行色域映射(基色校正和限幅)。本发明的实质是应用一个高亮度小色域的移动显示器和在发送输入的RGB信号给显示驱动器之前，在输入的RGB信号上执行一个色域校正。这意味着，代替接收较小饱和的红(R)、绿(G)和蓝(B)基色信号，并且从而去饱和所有的颜色，为新的基色校正该RGB信号。现在，能够在显示器上表现的输入信号的颜色不受影响，但是这种校正的结果，不能表现的颜色必须被映射到在色域中的一个颜色。

所以，本发明包括：

1.一个基色转换；以及

2.对在显示器色域之外颜色的色域映射。

从下面如附图所示优选实施例的更详细的描述中，本发明前述的和其它特征和优点将变得明显。

图1示出根据本发明所述的一个具有图形模块的移动设备的简化框图，其中该图形模块包括带有智能限幅的色域映射；

图2示出一个EBU标准显示器；

图3示出一个典型的现有技术的移动显示器，它通过使用宽波段色滤波器在损害色域的情况下最优化亮度；

图4示出一个通过使用宽波段色滤波器在损害色域的情况下最优化亮度的移动显示器；

图5示出一个通过使用窄波段色滤波器在损害亮度的情况下最优化色域的移动显示器；

图6示出一个通过使用宽波段色滤波器在损害色域的情况下最优化亮度的人像移动显示器；

图7示出对图3和6所示的图象的输入信号使用色域校正的效果；

图8示出最优化亮度的鹦鹉图象的一个移动显示器；

图9示出对输入信号使用色域校正的图8所示图像；(注意红色的头和黄色的胸部上的限幅人为失真)。

图10示出最优化亮度的一个移动显示器；

图11示出利用输入信号的色域校正和亮度缩减的图8所示显示器；

图12示出最优化亮度的一个移动显示器；

图13示出用根据本发明的一个优选实施例的所述智能限幅器校正的图8所示的移动显示器；

图14示出根据本发明的一个优选实施例所述利用′智能′限幅实施色域映射的matlab脚本；

图15示出图14matlab脚本的一个改进，即实施根据本发明的替换优选实施例的峰值；

图16A-D比较一个原始的EBU显示器A、与一个传统的85％EBU显示器B、与应用到传统的EBU显示器C中的本发明所述智能限幅、与应用到传统的EBU显示器D中的本发明所述限幅和峰值；以及

图17示出对饱和度计算进一步改进后的图15的色域映射、′智能限幅′和智能亮度缩减的matlab脚本。

本领域技术人员应当明白，下面的描述提供用于说明目的而非限制。技术人员知道在发明的精神和附加权利要求的范围之内具有许多变化。为了不使本发明模糊，从当前描述中可以省略已知功能和操作的不必要细节。

参见图1A，移动显示器104的图形处理器102可以被改变为执行根据本发明优选实施例所述的带有输入RGB信号101智能限幅的色域映射。在移动显示器104上显示带有“智能”限幅103的产生的RGB信号。在这个优选实施例中，能够采用图像处理器101中的软件或硬件来实现带有“智能”限幅的色域映射的功能。在一个替换的优选实施例中，参见图1B，通过专用芯片105将带有“智能”限幅的色域映射应用到图形处理器102的输出信号上，以及图形处理器102和专用芯片105都是带有显示器104的单板移动设备。虽然所述描述可能涉及通常用于所描述的特殊移动显示设备的术语，但是所述描述和原理同样可以应用到其它处理系统，包括具有不同于图1A和1B所示结构的系统。

图1C显示“智能”限幅器，它或是在移动设备的图形处理器102板上，或是作为独立芯片105。“智能”限幅器包括一控制器/处理器单元106，用于处理指令，执行计算并管理来自和送往网络接口113以及来自和送往移动设备显示器104的信息流和图像。另外，控制器/处理器106与程序存储器107通信连接。包括在程序存储器107中的多级“智能”限幅器模块108用于控制算法的选择和执行：伽马校正算法109、色域映射算法110、智能限幅算法111、和峰值算法112。控制器/处理器模块106也可以管理网络接口113，以获取数字图像数据并通过多级“智能”限幅器模块108来引导它的处理，以及在移动显示器104上显示。另外，控制器/处理器106可以在数据存储器(未示出)中存储原始的和处理过的数字图像数据，以便允许这些图像的本地编辑、重新显示和通过网络的转播。值得注意的是，网络可以是无线网络或有线网络。

如何将由一组基色点所表现的信号转换为另外一组基色，这是该领域公知的。考虑输入视频信号RGB₁(具有红、绿、和蓝的列)。让A₁为3×3矩阵，每列具有EBU校准显示的R(红)、G(绿)、和B(蓝)基色的三色值(X，Y，Z)。让A₂具有类似的矩阵，用于带有限制色域的移动显示器。然后，所述矩阵相乘：

RGB₂＝(A₂)^-1*A₁*RGB₁

(等式.1)

将来自EBU基色的信号转换为显示器基色。对于具有不正确色调的低饱和度移动显示器来说，这等价于输入信号的饱和度增加(扩展)以及色调校正，以便对于其色域内的颜色在移动显示器上显示与EBU显示器相同的颜色。在其色域外的颜色不能被表现，并必须将其映射到色域内的值上。在这种映射处理中，存在多种可能。

这种映射的最简单形式“限幅”如下所示，其中假设所述显示信号范围是从0到1：

对于每个象素(R，G，B)执行下面的映射

R(if R＜0)＝0，G(if G＜0)＝0，B(if B＜0)＝0

(等式.2)

R(if R＞1)＝1，G(if G＞1)＝1，B(if B＞1)＝1

(等式.3)

然而，限幅可能导致可见的人为失真(色差)，以及最好执行下面算法：

R(R＜0)＝0，G(G＜0)＝0，B(B＜0)＝0

(等式.2’)

R(R＞1)＝R(R＞1)/max(R，G，B)，

G(G＞1)＝G(G＞1)/max(R，G，B)，和

B(B＞1)＝B(B＞1)/max(R，G，B)

(等式.3’)

通过设置负值到零来减少饱和度并通过用最大值(R，G，B)定标来减少亮度。沿着到黑点(限幅到黑色)的线，有效地限幅颜色。色调没有改变。

比较如图6和图7所示图像，改进是十分明显的，然而，在诸如图8和图9所示“鹦鹉”的其它图像中，色域校正和随后的映射导致限幅人为失真的麻烦。在图6和图7的人像图像与图8和图9的鹦鹉图像之间的差异是人像映射具有移动显示器色域内的最多色彩，而鹦鹉映射具有移动显示器色域外的许多色彩。人们能够看到，红色鹦鹉头部上的色域外象素几乎限幅到相同的红色，以及对于黄色也是类似，这导致这些区域的纹理的丢失。

为了避免色域校正的限幅人为失真，能够将其与亮度减少进行组合。在这种方式中，再一次为了色彩交换亮度，但是现在是“数字地”代替“物理地”。这避免了多个(可能是大量的)具有不同色彩的象素被映射到相同的色彩上，但是随之，在色域内的色彩也受到影响。这通常叫做“软限幅”，并且“软限幅”量总是能和“硬限幅”(剩余量)进行组合，以找到限幅人为失真与亮度减少之间的好的折衷。亮度减少仅仅避免了对于包含超过最大值的RGB值的色彩的限幅，但是因为这些是(通过定义)亮象素，因此在这里减少限幅人为失真的效果是明显的。

在一个优选实施例中，亮度降低是通过将图像内所有像素值与0到1之间的因子相乘来完成的。在一些试验和误差之后，对于在移动LCD显示器上测试的图像(n＝10)来说，0.85的因子表现出较好的结果。在图10和11中能够看到，限幅人为失真已经消失，但是图像亮度小了一点。

在一个优选实施例中，基于感官属性“多色”的解决方案是基于经验法则即较亮的图像似乎具有更多的色彩。在一个优选实施例的智能限幅算法中，亮度减少之后紧随色域(基色)校正而不是在色域外的值上执行硬限幅(通过将小于0的值限幅到0)，通过仅向色域外象素“加入白色”来执行智能限幅。这减少了饱和度但是同时增加了亮度。换句话说，在一个优选实施例中，减少饱和度有利于增加亮度，其给出了类似于EBU显示器上那样的移动显示器上的多色。因为RGB值中的一个小于零，所以这种智能限幅影响了那些不能被表现的色彩。

这个优选实施例的算法如下：

●校正低饱和度色域。

对于具有R，G，B其中之一小于0的象素来说，从R，G，B中减去最小的R，G，B值(例如(255，200，-10)--10＝(265，210，0))。

现在，不存在小于0的值，但是仍然存在大于255的值。

在R，G，B其中之一大于255的象素上执行“限幅到黑色”(例如(265，210，0)＝＞(265，210，0)*255/265＝(255，202，0))。

图13显示对图12的移动显示器应用“智能限幅器”的最终结果，它仅仅最优化亮度。

在一个替换的优选实施例中，为了避免对比度的减少，用象素亮度来衡量“加入白色”，以便暗象素获得加入的白色比亮象素要少。

通过在限幅期间保持色彩特性中的至少一种特性(辉度，色调，饱和度，亮度，多色，等)恒定来执行限幅。实现这样的一种方式是将信号转换到不同的空间(具有一些感知上有意义的坐标)，并在那个空间执行限幅。另外一种方法是使用查阅表。这些方法具有需要许多操作的缺点(例如非线性“伽玛”校正)，其对移动应用来说效率低。因此，优选的“智能限幅”方法是确实有效率并有效的方法，以便在低质量移动显示器上呈现高质量彩色图像。特别地在显示器的基色具有大致相同的色调，但是比EBU基色要低的饱和度的情况下，本发明优选实施例的简单映射算法具有不会引入严重的色彩人为失真(色差和色调偏移)的优点。

图14说明执行色域映射和“智能限幅”色彩校正的matlab脚本。图16A-C说明在移动图像的外观上该实施例的优点。图16A是一个传统的EBU图像，图16B是一个具有85％EBU饱和度的移动显示器，图16C是根据本发明色域映射+智能限幅实施例来改进图16B所示图像的移动显示器。

在一个替换的优选实施例中，智能限幅与智能亮度减少相组合。图15说明了执行色域映射、“智能限幅”和智能亮度减少的替换实施例的matlab脚本。

图16A-D说明用于移动显示器的该替换实施例的优点。图16A是传统的EBU图像，图16B是典型的具有85％EBU饱和度的移动显示器，图16C是根据本发明色域映射+智能限幅实施例来改进图16B所示图像的移动显示器，以及图16D是根据本发明色域映射+智能限幅+智能亮度减少实施例来改进图16B所示图像的移动显示器。

智能亮度减少也可以认为是依赖饱和度的衰减。图17说明对饱和度计算进一步改进的色域映射、“智能限幅”和智能亮度减少的matlab脚本。

当说明和描述了本发明优选实施例的同时，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明真实范围的情况下，可以做出各种变换和改进，用等价物代替其中的单元。另外，在不脱离它的中心范围的情况下，可以做出许多改进以便使本发明的指教适应特定情况。因此本发明并不想限制在作为执行本发明所预料的最佳模式的特定实施例中，而是本发明包括落在附加权利要求范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种用于校正由多种个别的色彩构成的彩色图像的方法，该方法包括步骤：

校正彩色图像的色域；以及

通过“加入白色”到彩色图像的色域外数字数据来智能限幅校正过的图像，其中所述智能限幅包括如下步骤：

通过基于所述数字数据的个别的色彩的最小值来线性定标所述个别的色彩，调整所述色域外数字数据的所述个别的色彩，其中，通过从所述个别的色彩减去等于色域外数据的最小值的值，所述已调整的最小值被设置为所述彩色图像的所述色域内的已知值；以及

通过将所述个别的色彩乘以所述彩色图像的色域的最大值与最大的线性定标后的已调整色彩之间的比，基于所述已调整色彩之一的最大值将所述已调整色彩定标到最大值，

以便将源色域映射到显示器色域。

2.如权利要求1所述的方法，其中“加入白色”的智能限幅步骤进一步包括用数字数据的亮度来定标的步骤，其中该数字数据具有获得所加入白色比亮数字数据要少的暗数字数据。

3.如权利要求1或2所述的方法，进一步包括减少彩色图像整体亮度的步骤。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述减少步骤进一步包括用0.85的固定值乘以彩色图像的数字图像数据的步骤。

5.如权利要求3所述的方法，其中所述减少步骤进一步包括作为输入色域和显示器色域的函数来确定减少量的步骤。

6.如权利要求3所述的方法，其中所述减少步骤进一步包括作为输入信号饱和度的函数来确定减少量的步骤。

7.如权利要求6所述的方法，其中当饱和度等于0时，所述函数是0，当饱和度大于0.75时，所述函数最大，以及当饱和度在0到0.75之间的范围时，所述函数等于一个作为饱和度函数的单调递增函数。

8.如权利要求1或2所述的方法，进一步包括步骤：

在校正色域的步骤之前在数字图像数据上执行伽玛校正；以及

在智能限幅过的图像上执行反伽玛校正。

9.如权利要求8所述的方法，进一步包括减少彩色图像整体亮度的步骤。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述减少步骤进一步包括作为输入信号饱和度的函数来确定减少量的步骤。

11.如权利要求10所述的方法，其中当饱和度等于0时，所述函数是0，当饱和度大于0.75时，所述函数最大，以及当饱和度在0到0.75之间的范围时，所述函数等于一个作为饱和度函数的单调递增函数。

12.一种用于基色校正和限幅的装置，包括：

一个用于接收具有源色域的彩色图像的数字数据的装置；

一个具有显示器色域的显示器；

多级“智能”限幅器模块，其执行多种算法，包括智能限幅算法，用于将源色域映射到显示器色域，以及

一个控制器/处理器单元，被配置成-

控制数字数据的接收，

控制“智能”限幅器模块，以便对于所接收的数字数据完成将源色域映射到显示器色域，其中所述智能限幅包括如下步骤：

通过基于所述数字数据的个别的色彩的最小值来线性定标所述个别的色彩，调整所述色域外数字数据的所述个别的色彩，其中，通过从所述个别的色彩减去等于色域外数据的最小值的值，所述已调整的最小值被设置为所述显示器色域内的已知值；以及

通过将所述个别的色彩乘以所述彩色图像的色域的最大值与最大的线性定标后的已调整色彩之间的比，基于所述已调整色彩之一的最大值将所述已调整色彩定标到最大值，以及

将映射过的数字数据输出到显示器上。

13.如权利要求12所述的装置，进一步包括用于存储彩色图像的所接收的数字数据和所输出的数字数据的存储设备。

14.如权利要求13所述的装置，其中多个算法包括以下的至少一个：

可执行的伽玛校正算法；

色域映射算法，用于减少彩色图像的数字数据的亮度；

智能限幅算法，以通过“加入白色”到彩色图像的色域外数字数据来校正彩色图像的数字数据；以及

依赖饱和度的衰减算法。

15.如权利要求13所述的装置，其中该智能限幅算法进一步包括基于彩色图像的数字数据的强度来扩大限幅效应。

16.如权利要求12所述的装置，其中多个算法包括以下的至少一个：

可执行的伽玛校正算法；

色域映射算法，以减少彩色图像的数字数据的亮度；

智能限幅算法，以通过“加入白色”到彩色图像的色域外数字数据来校正彩色图像的数字数据；以及

依赖饱和度的衰减算法。

17.如权利要求16所述的装置，其中该智能限幅算法进一步包括基于彩色图像的数字数据的强度来扩大限幅效应。

18.一种用于基色校正和限幅的“智能”限幅器装置，包括：

多级“智能”限幅器模块，其执行多个算法，至少包括智能限幅算法，该智能限幅算法“加入白色”到彩色图像的色域外数字数据，通过基于所述数字数据的个别的色彩的最小值来线性定标所述个别的色彩，调整所述色域外数字数据的所述个别的色彩，其中，通过从所述个别的色彩减去等于色域外数据的最小值的值，所述已调整的最小值被设置为所述彩色图像的所述色域内的已知值，以及通过将所述个别的色彩乘以所述彩色图像的色域的最大值与最大的线性定标后的已调整色彩之间的比，基于所述已调整色彩之一的最大值将所述已调整色彩定标到最大值，从而将源色域映射到显示器色域。

19.如权利要求18所述的“智能”限幅器装置，其中多个算法包括以下的至少一个：

可执行的伽玛校正算法；

色域映射算法，以减少彩色图像的数字数据的亮度；

智能限幅算法，以通过“加入白色”到彩色图像的色域外数字数据来校正彩色图像的数字数据；以及

依赖饱和度的衰减算法。

20.如权利要求19所述的“智能”限幅器装置，其中智能限幅算法进一步包括基于彩色图像的数字数据的强度来扩大限幅效应。

Images