CN1950874A - 用于处理图像数据的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于处理图像数据帧的方法，其中图像数据以一个增益因子来放大，该增益因子根据在所述图像数据帧内其亮度大于第一阈值的子像素的数目而确定。最终得到的增益因子提供图像数据的最佳放大而不损失局部细节。这导致更好的感受到的图像质量。在优选实施例中，增益因子同时被用于在背光照射LCD装置中减小背光强度。由此，感受到的图像质量与未处理的图像数据的图像质量相似，然而LCD背光的功耗被明显减小。

Description

用于处理图像数据的方法

本发明涉及用于处理要在显示装置上(例如在用于移动应用的LCD板上)显示的图像数据的方法。

本发明还涉及引用用于按照这样的方法处理彩色图像的电路的显示驱动器。

用图像数据驱动显示装置，在技术上是熟知的，该图像数据例如由视频处理器生成，并被提供到用于在其上显示图像的显示装置。图像数据按接连地显示在显示器上的帧而提供。每个帧构成一个完整的图像。

图像数据帧可被加以处理，以便尽可能吸引观看该图像的观众。例如，自从最早的电视系统以来，已经知道为了这个目的而增加图像数据的亮度，在这方面调整图像数据的亮度通常是以人工控制实现的。

虽然增加亮度确实有助于得到更愉悦的图像，但它的效果是有限的，因为太大的亮度增加会导致局部细节的损失。也就是，具有已经很高的初始亮度值的图像的区域中的细节会丢失，因为增加亮度导致在这样的区域内的所有的像素被限制(clip)在显示器的最大亮度值。

本发明的目的是这样地处理图像数据，以使得保证最佳对比度增益而不损失局部细节。

这个目的是通过如在独立权利要求1中规定的按照本发明的用于处理图像数据的方法而达到的。另外的有利的实施例在从属权利要求中被规定。

在按照本发明的方法中，接收一帧图像数据，然后通过确定在该帧内多少子像素具有超过第一阈值的亮度来确定对于这个特定的帧的最佳增益因子。这是对于当亮度增加时有多少子像素将受限制的度量。所以，当用这个数值来确定被使用于放大图像数据的增益因子时，帧的亮度以最佳方式增加从而尽可能多地保持局部细节。放大后的图像数据被提供给显示装置。

按照本发明的方法可以使用任一个子像素或子像素的任意组合来确定增益因子。例如增益因子可以从传统的彩色显示器的全部三个子像素的亮度被得出，也就是从把红色、绿色和蓝色基色合在一起的亮度，或替换地从仅相应于绿色基色的子像素的亮度而得出。

按照本发明的方法还被使用来在一个背光照射LCD装置中节省功率而不是增加感知的图像对比度。在这种情形下，用以放大图像数据亮度的增益因子也被用来减小这样的LCD装置的背光系统的亮度。

结果，在具有减小了的背光强度的LCD装置上放大的图像数据的外观非常类似于具有完全背光强度的LCD装置上原先的图像数据的外观。这在移动设备中是特别有利的，这里的LCD背光是总功耗的主要消耗者。得益于按照本发明的方法，可减小背光强度，而同时保存基本上相同的图像质量。由此，达到了功耗的减小，导致移动设备的电池的寿命的显著的增加。

在方法的第一实施例中，最佳增益因子是通过为该帧图像数据的子像素生成直方图而确定的。增益因子按照在作为相应于其亮度值超过第一阈值的仓(bin)的最高的仓中的子像素数目与总的子像素数目之间的比值而确定。在这个第一实施例中，第一阈值例如被选择为总的亮度值的70％、75％或80％。

如果在该帧图像数据中亮的像素很少，则最高的仓中是相对较空的，结果，增益因子可以是相对较高的，因为亮度可以很大地增加而没有受限的像素和局部细节损失的风险。优选地，增益因子被限于最大值，例如1.3、1.4或1.5。

另一方面，如果整个图像是相对较亮的，即在该帧中有许多亮的像素，则在最高仓中的像素的数目与总的像素数目之间的比值是大的。于是增加亮度难以不损失局部细节，因此增益因子应当等于或接近于1。

优选地，在第一实施例中，直方图仓按照它们的相应的亮度值被加权。也就是，在一个刚好超过第一阈值的仓中子像素的数目比起一个刚好低于最大亮度值的仓中子像素的数目，所给予的用于确定增益因子的权因子将更小。

在第二实施例中，增益因子是分步调节的。图像数据首先通过使用当前的增益因子被放大，随后，如果发现增益因子太高或太低，则它可以被调节。因此，增益因子可以按照在放大的图像数据的子像素的亮度与第一阈值之间所作比较的结果被调节，在这个第二实施例中，第一阈值通常等于最大亮度值。

如果放大的图像数据的帧有许多子像素其亮度水平超过第一阈值，即子像素将限制到最大亮度水平，则减小增益因子，因此这时图像数据用减小了的增益因子来放大。再次进行在放大的图像的子像素的亮度与第一阈值之间的比较，以及这些步骤重复地进行，直至达到对于这个特定的图像帧的最佳增益因子为止。

同样地，如果放大的图像数据没有或很少有子像素其亮度水平超过第一阈值，则有进一步放大图像数据的余地，因此增加增益因子。这时图像数据现在被以增加了的增益因子放大，以及这些步骤重复地进行，直至达到对于这个特定的图像帧的最佳增益因子为止。

在第二实施例中，最佳增益因子在迭代过程中被确定。增益因子的逐步调节可以使用固定的步长来实现，但优选地，步长是可变的。这可以通过对在放大的图像数据中其亮度超过第一阈值的子像素的数目进行计数和使用该计数值在查找表中查找用于增益因子调节的步长而容易地实现。这样，第二实施例的迭代过程可更快地达到最佳增益因子，从而使得图像放大的逐步调节和/或背光强度逐步减小是很难觉察的。

在另一个优选实施例中，在接收的图像数据帧内子像素的亮度还与第二阈值进行比较。特别地，对其亮度低于第二阈值的子像素的数目进行计数。该计数值然后被使用来确定要从接收的帧内的子像素中减去的偏差值。也就是，每个像素的亮度要减小该偏差值。

这在接收到具有有限数目的暗像素的特定的图像数据帧时，特别是在暗的区域中几乎没有细节时是有利的。在本实施例中，对暗的子像素的数目计数，以及如果它们的数目是相对较小的，则该帧的每个像素的的亮度被减小一个偏差值。这是有利的，因为它允许被使用于放大图像数据的增益因子被进一步增加。

在第一实施例中，暗的子像素的数目可以直接从直方图得到，特别地，可从相应于最低的亮度值的直方图仓得到。替换地，在第二实施例中，放大的图像数据的子像素的亮度可以同时与第一和第二阈值进行比较。

优选地，通过检测图像数据帧的关键的区域(在其中许多相邻的亮的像素是受到限制的)，可进一步减小局部细节的损失。因此，在具有明亮的像素的区域中(其中局部细节是相对较低的)，增益因子应当被局部减小，而不引入任何其它伪像。

二维空间滤波器适用于这一点，然而，一维(1D)空间滤波器可以更有效地实施，并发现为此目的它具有足够的性能。优选地，滤波器是8抽头1D空间滤波器，它更优选地仅作用在具有大于诸如50％的第三阈值的亮度的子像素。在第一实施例中，第三阈值可以替换地等于第一阈值。

按照本发明的方法可以以硬件实施；优选地，诸如LCD板驱动器的显示驱动器，例如Philips PCF8833或PCF8881，或诸如PhilipsPNX4000 Nexperia移动图像处理器那样的图像处理芯片可被提供以用于实行本方法的专用电路。

替换地，图像处理可以由计算机程序实现，优选地，由诸如移动电话、PDA、或数码照相机那样的移动设备的固件实现。

现在参照附图进一步描述和阐述本方法。其中：

图1是包含本发明的方法的第一实施例的LCD装置；

图2A-2C显示由第一实施例处理的图像数据帧；

图3是包含本发明的方法的第二实施例的LCD装置。

图1显示一种显示装置，具体地背光照射LCD装置，其中按照本发明的方法的第一实施例包含在LCD板160的显示驱动器100的专用电路中。LCD驱动器优选地是通常在移动应用中所看到的那种类型，所以，它具有嵌入的帧存储器150，用于存储部分图像数据。这样的LCD板通过把不改变的那部分帧存储到嵌入的帧存储器150以代替必须把每个图像数据帧整体地写入到显示驱动器而节省功率。这在显示静止图像时是特别有利的。

按照本发明的方法优选地在帧存储器150与把图像数据馈送到LCD板160的该列像素的列驱动器(未示出)之间实行。

在第一实施例中，图像数据首先被馈送到电路120，用于生成被存储在帧存储器150中的图像数据帧的子像素直方图。直方图具有多个仓，每个仓相应于子像素亮度值的一个范围。

例如，使用一个具有20个仓的直方图，以使得每个仓相应于像素亮度值的一个5％的范围。当生成直方图时，具有在95％与100％之间的亮度的子像素在最高的仓中计数，具有在90％与95％之间的亮度的子像素在第二最高的仓中计数，等等。

然而，仅仅相应于大于预置的第一阈值的亮度值的较高的仓与图像处理有关。其它采样点不需要在硬件中实施。如果第一阈值例如是80％，则仅仅需要计数较高的4个仓中的子像素。

直方图数据被输出到电路130，用于计算要施加到图像数据的增益因子，以及在这种情形下，也是要从图像数据减去的偏差值。计算偏差值是可选的，而且对于本发明的工作不是必须的。当非零偏差值可被确定时，可以选择更高的增益因子，而在显示器上的图像中不会有显示图像的伪像。

所计算的增益因子优选地被馈送到块175，该块为背光计算相应于该增益因子的功率减小因子。在这种情形下，背光强度按照所计算的增益因子被减小。这具有这样的优点：背光照射LCD装置的功耗可被减小而同时基本上保持相同的图像质量。

替换地，不启动这个特性。功耗处在它的原先的相对较高的水平，但图像质量得益于按照本发明的方法而得到改进。也可以设想混合的可选方案，即功耗的部分减小和感知的图像质量的同时的局部改进。优选地，如果该方法由移动设备的固件中的软件来控制，则可对菜单选项编程以便在不同的模式之间进行选择。于是移动设备的用户可以按照这个个人喜爱在图像质量与电池寿命之间进行选择。

为了计算增益因子，直方图仓优选地按照它们的相应的亮度值被加权，这样，最亮的子像素对所计算的增益因子具有最大的影响。在以上的例子中，对于80％的第一阈值，在最高的仓(95％-100％)的像素计数值可以比起在刚好大于第一阈值的仓(80％-85％)的像素计数值多加权8倍，以及在第二最高的仓(90％-95％)的像素计数值可以多加权4倍，以及在第三最高的仓(85％-90％)的像素计数值可以多加权2倍。

在直方图生成电路120后，图像数据传送到滤波电路135，用于从原先的图像数据生成经滤波的图像数据。滤波器被用于检测在图像数据帧中的关键区域，其中许多相邻的明亮的像素受限制。在这种情形下，施加在原先的图像数据上的滤波器是具有相等的权因子的8抽头1D空间滤波器，它仅仅作用在具有大于50％的亮度的子像素上。施加这种滤波器导致具有局部减小的亮度的图像数据。再次地，滤波步骤仅仅是一个优选的步骤，对于本发明的工作不是必须的。当实施滤波步骤时，可以更积极地计算增益因子，而不会在显示器上的图像中显示图像的伪像。

原始的图像数据和滤波的图像数据都被提供到图像处理电路110。这个处理电路对原始的图像数据实行三个操作：

-从图像数据帧的每个像素中减去在方块130中计算出的偏差值

-按在方块130中计算出的增益因子放大图像数据，以及

-从放大的图像数据中减去经滤波的图像数据。

此后，图像数据被限幅器165限幅，以防止超出范围值，并提供给LCD板160。限幅器实际上把具有负的亮度值的子像素设置成0，而把具有大于1的亮度值的子像素限制为1。然而，根据上述应该看到，当实施按照本发明的方法时，需要限制的子像素数目将是很小的。

图2A，2B，和2C显示按照本发明的方法的实施例进行处理的图像的的三个例子。在这些例子中的图像数据是以RGB格式被接收的。原始的图像示于图的上面行的中部，图像的红、绿和蓝子像素的亮度直方图示于图的上面行的左面图像。

这里使用的直方图具有18个仓，其中相应于最高亮度值的上部的4个仓被用来计算增益因子。直方图是分别对红、绿和蓝色而生成的。从直方图计算的增益因子是对三种彩色的平均值。

因此，对红、绿和蓝色的上部的4个仓中的子像素数目进行加权和相加，并将总数除以图像中的总的子像素数目以确定增益因子。

在一个特别有效的实施例中，图像数据替换地可以用YUV格式接收；在这种情形下，可以仅仅根据亮度(Y)数据来确定增益因子。

上面行的右面图像表示用根据直方图算出的增益因子去放大的原先的图像数据。增益因子被表示在图像上。

下面行的左面图像表示通过用8抽头1D空间滤波器对最亮的子像素进行滤波而得到的数据。这里显示的滤波器数据被从在右上方显示的放大的图像中减去，最终得到的图像被提供到LCD板。该最终得到的图像由下面行的中心图像表示。特别地，这个图像代表在背光照射LCD显示器上呈现的图像数据，其中背光强度按图像上方表示的功率因子而被减小。该功率因子是直接根据偏差和增益因子计算出的。

最后，在下面行的右面图像给出哪些子像素将发生图像受限制的指示。也就是，这个图像显示：在图像数据被提供到显示板之前哪些子像素被硬限制器165处理。

图2A显示如由第一实施例处理的鹦鹉的图像。这个图像的直方图在三种基色上的分布相当均匀，正如在直方图上所见。增益因子约为1.14，这允许24％的背光强度的减小。某些限制是可见的。

图2B显示日落的图像。在这个特定的图像上，在三种基色上亮度分布仍旧相当均匀，虽然重点稍微更多地集中在暗彩色上。然而，直方图的最低的仓中是相对较空的，所以要从图像数据中减去偏差值。结果，增益因子稍微高一点，为1.20，导致背光强度减小37％。该限制量是最小的。

图2C显示来自足球比赛的图像。对于三种基色直方图峰值都在中等亮度水平，所以增益因子非常接近于上限，它在本例中被设置为1.40。可以看到，在显示器上呈现的图像质量上几乎没有降低，而背光功率可以减小52％。

图3显示在显示驱动器300中引用按照本发明的方法的第二实施例的LCD装置。

在这个第二实施例中，来自帧存储器350的图像数据直接送到滤波器块340，其中经滤波的图像数据是藉助于如上所述的8抽头1D滤波器从原始的图像数据而生成的。

处理电路310和增益因子计算电路339在本实施例中被安排在反馈环中。因此，最佳增益因子是以迭代过程计算的，而在第一实施例中它可以直接从直方图数据得到。

处理电路310用当前的增益因子放大图像数据。然后，放大的图像数据被计数器332处理，该计数器对具有大于第一阈值亮度的子像素数进行计数。通常，在本实施例中的第一阈值是能在LCD板360上显示的最大亮度。另外，计数器333对具有小于第二阈值的亮度的子像素数目进行计数。

当前的增益因子在方块334中被存储和被调整。这个方块检索由计数器332计数的数值，以及把它与被存储在查找表335中的数值进行比较。对于多个可能的计数值，这个查找表包含用于增益因子的校正的步长。相应于当前的计数值的步长被检索，并根据该步长校正增益因子。处理电路310这时使用校正后的增益因子放大图像数据。

如果计数值大，则许多像素具有大于最大亮度的亮度。最终得到的步长应当是负数，以便减小增益因子和减小超出范围外的像素数目。另一方面，如果计数值小，则有进一步放大图像数据的空间，因此最终得到的步长应当是正数。如果增益因子已经是最佳的，则计数值将使得从查找表335得到的步长是小的。显然，在这种情形下，对于这个特定的图像数据帧，增益因子不需要进一步改变。为了避免亮度振荡，反馈增益信号被滤波。

当前的偏差值在方块336中被存储和被修正。类似于增益因子调整电路，方块336检索由计数器333计数的数值，并把它与被存储在查找表337中的数值进行比较。这个查找表包含用于对多个可能的计数值校正偏差值的步长。偏差值随之被修正，而这时处理电路310从图像数据减去校正后的偏差值。

对于特定的静止的图像数据帧，处理电路310和增益因子计算电路330的反馈环因此反复修正增益因子和偏差值，以及按修正后的增益因子和偏差值处理图像数据。如果增益因子被发现为最佳的，则增益因子和偏差值将不再修正。

由处理电路310输出的放大的图像数据被方块365接收，它在第二实施例中首先从放大的图像数据中减去滤波后的图像数据，然后对于图像数据执行硬限制操作。方块365的输出被连接到用于显示图像的LCD板。

类似于第一实施例，来自方块334的增益因子优选地也被馈送到方块375，方块375检索用于背光370的相应于增益因子的功率减小因子。由于增益因子的逐渐改变，在第二实施例中图像改变后，背光强度也在两个帧时间中逐渐改变。对于观众这可能是可观察到的。

附图是示意的以及没有按比例画出。虽然本发明是结合优选实施例描述的，但应当看到，本发明的保护范围不限于这里描述的实施例。而是它包括在所附权利要求的范围内的、可以由本领域技术人员作出的所有的变例。

总之，一种用于处理图像数据帧的方法，其中把图像数据放大一个增益因子，增益因子是根据在所述图像数据帧内具有大于第一阈值的亮度的子像素数而确定的。最终得到的增益因子允许图像数据的最佳放大而不损失局部细节。这导致感受到的图像质量更好。在优选实施例中，增益因子同时被用于在背光照射LCD装置中减小背光强度。由此，感受到的图像质量类似于未处理的图像数据的图像质量，然而LCD背光的功耗被明显减小。

Claims (13)

1.一种处理用于显示装置的图像数据的方法，包括以下步骤：

a)接收一个图像数据帧；

b)根据在所述图像数据帧内具有大于第一阈值亮度的子像素的数目来确定增益因子；以及

c)以所述增益因子放大图像数据。

2.权利要求1的方法，其中显示装置是背光照射LCD装置，还包括以下步骤：

-把所述背光照射LCD装置的背光减小一个相应于增益因子的量。

3.权利要求1或2的方法，其中步骤b)包括：

-生成该图像数据帧的亮度直方图，增益因子由在直方图上相应于大于第一阈值的亮度值的仓中处的子像素的数目确定。

4.权利要求3的方法，其中直方图的所述仓按照它们的相应的亮度值被加权。

5.权利要求1或2的方法，其中增益因子通过重复进行步骤b)和c)而被逐步调节，直至达到最佳增益因子为止。

6.权利要求5的方法，其中增益因子通过可变步长而被调节，以及步骤b)还包括以下步骤：

-对在放大的图像数据内具有大于第一阈值的亮度的子像素数目进行计数；以及

-根据计数值从查找表得出步长。

7.权利要求1或2的方法，还包括以下步骤：

-对在所述图像数据帧内具有小于第二阈值的亮度的子像素数目进行计数；以及

-使用该计数值以确定要从图像数据帧内的子像素减去的偏差值。

8.权利要求1或2的方法，还包括以下步骤：

-用适合于检测具有许多相邻的明亮的像素的区域的滤波器对放大的图像数据进行滤波，并使用滤波后的图像数据校正放大的图像数据。

9.权利要求8的方法，其中滤波器是一个8抽头1D空间滤波器，它作用在具有大于第三阈值的亮度的像素上。

10.显示驱动器，包括：

-输入端，用于接收图像数据帧；

-电路(130，330)，用于根据在所述图像数据帧内具有大于第一阈值的亮度的子像素的数目来确定增益因子；以及

-图像处理电路(310，330)，用所述增益因子放大图像数据。

11.包括按照权利要求10的显示驱动器的显示装置。

12.权利要求11的显示装置，还包括LCD板和背光系统，其中显示驱动器适合于根据增益因子控制背光的强度。

13.用于执行按照权利要求1-9的任一项的方法的计算机程序。

Images