基于顏色空間轉(zhuǎn)換的高動(dòng)態(tài)圖像雙屏顯示方法

胡勝華，辛 琦，姚劍敏，郭太良

(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建 福州350000)

基于顏色空間轉(zhuǎn)換的高動(dòng)態(tài)圖像雙屏顯示方法

胡勝華，辛 琦，姚劍敏，郭太良

(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建 福州350000)

針對(duì)高動(dòng)態(tài)范圍圖像映射后偏色問(wèn)題及圖像細(xì)節(jié)顯示不足問(wèn)題，提出了一種基于顏色空間轉(zhuǎn)換與雙屏結(jié)合的顯示方法。首先將高動(dòng)態(tài)圖像轉(zhuǎn)換到HSL空間，采用自適應(yīng)對(duì)數(shù)算法進(jìn)行亮度映射及相應(yīng)的飽和度增強(qiáng)，再次轉(zhuǎn)換到RGB空間并進(jìn)行LCD-FED雙屏分割顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法不僅解決了偏色問(wèn)題，而且在細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力上也有了很大的提升，其失真度僅為3.7%。

高動(dòng)態(tài)范圍圖像;色調(diào)映射;HSL;LCD-FED

高動(dòng)態(tài)范圍圖像可以還原真實(shí)場(chǎng)景的亮度范圍。它的亮度范圍從漆黑的夜晚到陽(yáng)光猛烈的白天，動(dòng)態(tài)范圍甚至超過(guò)1010∶1。但是當(dāng)前顯示設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍是400∶1到600∶1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到顯示高動(dòng)態(tài)范圍圖像的要求［1］。為解決這個(gè)問(wèn)題，一方面是進(jìn)行色調(diào)映射，色調(diào)映射算法可以將高動(dòng)態(tài)范圍圖像映射壓縮成低動(dòng)態(tài)范圍圖像，并用于普通顯示設(shè)備［2］。但這些算法都會(huì)損失圖像的部分細(xì)節(jié)，并產(chǎn)生偏色問(wèn)題［3］。

另一方面，采用雙屏顯示，雙屏顯示可以明顯提高顯示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)顯示能力，能夠更好地進(jìn)行細(xì)節(jié)顯示。

1 色調(diào)映射偏色問(wèn)題

高動(dòng)態(tài)范圍圖像目前最流行的存儲(chǔ)格式是RGBE。所謂E，就是指數(shù)。RGBE由文件頭、RGBE數(shù)據(jù)組成。RGBE文件的擴(kuò)展名為.hdr［4］。RGBE格式的高動(dòng)態(tài)范圍圖像是無(wú)法直接進(jìn)行映射處理的，需要將其轉(zhuǎn)化為浮點(diǎn)型的RGB圖像。相應(yīng)的轉(zhuǎn)換算法如下:設(shè)(r，g，b)表示RGB格式下一個(gè)像素點(diǎn)的值，(R，G，B，E)表示RGBE格式下一個(gè)像素點(diǎn)的值。當(dāng)E=0時(shí)，r=g=b=0.0，否則:r=R×2^(E-128-8)，g=G×2^(E-128-8)，b= B×2^(E-128-8)。

對(duì)于顏色空間(R，G，B)的直接色調(diào)映射，其基本原理是將R，G，B看做3個(gè)分立的顏色通道，分別對(duì)每個(gè)顏色通道進(jìn)行單獨(dú)的映射處理［5］，這樣做的直接結(jié)果是導(dǎo)致每個(gè)顏色通道調(diào)整的幅度不一樣，進(jìn)而使得整幅圖像色調(diào)偏離比較嚴(yán)重。如圖1所示，原圖綠色值比較大(原圖為彩色圖片，圖中地面為綠色部分)，映射處理后，可能綠色值沒(méi)什么大的變化，但是，紅、藍(lán)的顏色值比較低，可能調(diào)整的幅度卻比較大，結(jié)果紅、藍(lán)顏色會(huì)亮很多。如果再將處理后的R，G，B合起來(lái)，原來(lái)比較綠的地方就沒(méi)有那么明顯了。

圖1 RGB映射處理

針對(duì)偏色問(wèn)題，已提出了很多解決方法，但這些算法均有不足，Rahma等人提出的MSRCR算法計(jì)算復(fù)雜，而且細(xì)節(jié)損失較多;基于直方圖均衡化的算法有明顯的失真;基于點(diǎn)的快速亮度調(diào)整算法在圖像整體協(xié)調(diào)性上表現(xiàn)欠佳。

基于此，本文提出一種顏色空間轉(zhuǎn)換方法，將顏色信息從高動(dòng)態(tài)圖像中分離開(kāi)來(lái)不予處理，能夠有效降低偏色程度。將高動(dòng)態(tài)圖像由(R，G，B)空間轉(zhuǎn)換到(H，S，L)空間，單獨(dú)處理亮度值L，并對(duì)飽和度S進(jìn)行一定的增強(qiáng)，最后再把處理完成的圖像由 HSL空間轉(zhuǎn)回到RGB空間。本文提出的算法計(jì)算簡(jiǎn)單，顏色還原率高，且對(duì)損失的飽和度有相應(yīng)的增強(qiáng)，可以很好地解決偏色問(wèn)題。

2 顏色空間轉(zhuǎn)換過(guò)程

2.1 RGB與HSL的相互轉(zhuǎn)換

HSL就是色調(diào)(H)、飽和度(S)、亮度(L)，它是通過(guò)對(duì)3個(gè)分量的變化及相互間的混疊來(lái)獲得豐富的色彩。HSL模型相較于RGB模型，更接近人眼感知顏色的方式，在圖像的計(jì)算上也十分簡(jiǎn)單。HSL將“亮度”作為獨(dú)立的分量，這對(duì)于進(jìn)行高動(dòng)態(tài)范圍圖像亮度映射計(jì)算是十分方便的。

設(shè)(r，g，b)分別是一個(gè)像素點(diǎn)的紅、綠、藍(lán)像素值。其值為0～1之間的浮點(diǎn)數(shù)。則(r，g，b)到(h，s，l)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

式中:r，g，b中的最大值為max，最小值為min;色調(diào)角h∈［0，360)，而s和l是飽和度和亮度，其取值范圍均在［0，1］;h=0表示圖像為灰色。

2.2 HSL空間的色調(diào)映射

從RGB向HSL顏色空間轉(zhuǎn)換公式可知，亮度L分量被分離開(kāi)來(lái)，對(duì)高動(dòng)態(tài)圖像的亮度分量L進(jìn)行色調(diào)映射，這樣對(duì)顏色分量的影響就最小。對(duì)亮度分量采用自適應(yīng)對(duì)數(shù)映射法［6］，其映射公式如下

式中:Ldmax為顯示設(shè)備能夠顯示的最大亮度值，作為顯示用的量化參數(shù)，通常取Ldmax=100;Lw(x，y)為各像素點(diǎn)的亮度值;Lwmax為圖像亮度最大值;Ld(x，y)為映射后圖像的亮度值。對(duì)數(shù)變換時(shí)，基數(shù)的選擇直接影響處理效果的好壞，基數(shù)調(diào)節(jié)公式［7］如下

式中:參數(shù)b為可調(diào)整參數(shù)，影響圖像的整體亮度，取值范圍一般為(0.5，1.0)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，b=0.8時(shí)對(duì)大多數(shù)高動(dòng)態(tài)圖像的處理效果最好。亮度值經(jīng)過(guò)上述運(yùn)算后，還需進(jìn)行一個(gè)伽馬校正，這是由顯示設(shè)備的非線(xiàn)性特征決定的，校正系數(shù)為1/2.2。

圖2為對(duì)L分量自適應(yīng)對(duì)數(shù)映射的結(jié)果，從圖2可知，映射壓縮后的圖像可以將一些亮度細(xì)節(jié)顯示出來(lái)。

圖2 L分量自適應(yīng)對(duì)數(shù)映射

由于亮度的處理對(duì)飽和度會(huì)有一定程度的損害，所以在對(duì)亮度處理完成后，還需要對(duì)飽和度進(jìn)行相應(yīng)的增強(qiáng)。具體為S'=α·S。S'為增強(qiáng)后飽和度，α為飽和度增強(qiáng)因子，一般α=1.6。

經(jīng)過(guò)亮度映射與飽和度增強(qiáng)后，將圖像由HSL空間再次轉(zhuǎn)回到RGB空間。轉(zhuǎn)換完成后的圖像使用普通顯示器顯示，效果如圖3所示。

圖3b中直接RGB轉(zhuǎn)換的圖像在整體顏色上與原圖相差較大，圖3c中直方圖均衡化算法顏色表現(xiàn)較圖3b好，但圓圈部分有一定的失真，圖3d為經(jīng)過(guò)HSL空間轉(zhuǎn)換的效果，圖像不僅與原圖在顏色上相差無(wú)幾，而且不會(huì)出現(xiàn)失真問(wèn)題。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)HSL轉(zhuǎn)換能夠有效解決偏色問(wèn)題。

同時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)雖然映射后較原圖細(xì)節(jié)顯示好了很多，但圖3d中大號(hào)圓圈部分仍然是白茫茫一片，沒(méi)有得到很好的顯示。這是因?yàn)槠胀@示器的動(dòng)態(tài)顯示范圍有限，所以本文采用LCD-FED雙屏顯示系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行更細(xì)膩的細(xì)節(jié)顯示。

圖3 不同方法處理后的顯示效果比較

3 LCD-FED雙屏顯示系統(tǒng)

現(xiàn)有的雙屏顯示方案包括LCD-projector，LCDLED，LCD-FED和 LCD-Optics［8］。其中，以 LCDLED［9］，LCD-FED顯示效果為佳。但LCD-LED方案有LED散熱、顆粒較大、像素點(diǎn)之間容易產(chǎn)生干擾等缺點(diǎn)。反觀LCD-FED方案，無(wú)論是功耗、對(duì)比度(LCD-FED對(duì)比度達(dá)到216∶1，LCD-LED只有20 000∶1)都比LCDLED方案好。所以本文選擇LCD-FED雙屏顯示系統(tǒng)進(jìn)行高動(dòng)態(tài)圖像顯示。

場(chǎng)致發(fā)射顯示器FED(Field Emission Display)是一種新型的自發(fā)光平板顯示器。場(chǎng)致發(fā)射原理與CRT相同，也是靠電子轟擊熒光粉發(fā)光。圖4為L(zhǎng)CD-FED雙屏HDR顯示系統(tǒng)原理圖。LCD-FED結(jié)構(gòu)包括LCD面板與FED背光源兩部分。FED背光源結(jié)構(gòu)包括一個(gè)陰極板和陽(yáng)極板，每個(gè)發(fā)射陰極對(duì)應(yīng)一個(gè)熒光粉發(fā)光點(diǎn)［10］。FED的像素點(diǎn)可做到與液晶像素點(diǎn)相當(dāng)，所以FED結(jié)構(gòu)具有更高的局部對(duì)比度［11］。

圖4 LCD-FED雙屏HDR顯示系統(tǒng)原理圖

將前文中進(jìn)行適當(dāng)映射的高動(dòng)態(tài)范圍圖像用LCDFED雙屏顯示系統(tǒng)前后屏分割顯示。由于FED背光源可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的控制，所以首先對(duì)圖像進(jìn)行簡(jiǎn)單的逐點(diǎn)式分割。然后假設(shè)圖像在(x，y)處的值為L(zhǎng)w(x，y)，F(xiàn)ED背光源的亮度值為L(zhǎng)b(x，y)，前面板LCD的亮度值為L(zhǎng)f(x，y)。則計(jì)算如下［12］

式中:背光源的亮度值由圖像的亮度值依據(jù)非線(xiàn)性函數(shù)F(·)［13］得出，函數(shù)F(·)為一平方根，如圖5a所示。LCD的亮度值依據(jù)FED背光源的亮度值得出，如圖5b所示。最終人眼看到的圖像由背光源圖像與LCD圖像合成，如圖5c所示。

圖5 LCD-FED雙屏顯示結(jié)果

相比于圖3c的普通顯示器顯示效果，圖5在充分保留原圖色彩的同時(shí)，在圖5c中圓圈部分能夠更清晰地顯示窗外的墻壁、竹子與樹(shù)木，表明雙屏顯示系統(tǒng)較普通顯示器能夠更好地顯示細(xì)節(jié)。對(duì)于圖像的細(xì)節(jié)顯示，本文定義一個(gè)參數(shù)，即失真度(D)，具體定義為

式中:Nc表示圖像剪切后總的子像素?cái)?shù)目;Nt表示圖像總的子像素?cái)?shù)目。失真度越低，表示顯示系統(tǒng)顯示的圖像質(zhì)量越高，顯示的細(xì)節(jié)也就越多。計(jì)算表明，普通顯示器的高動(dòng)態(tài)范圍圖像顯示的失真度超過(guò)15%，而LCD-FED雙屏顯示系統(tǒng)的失真度僅為3.7%。

4 結(jié)論

提出了一種在有效解決偏色問(wèn)題的同時(shí)，保留圖像豐富細(xì)節(jié)的高動(dòng)態(tài)范圍圖像顯示方法。該方法基于顏色空間轉(zhuǎn)換，只對(duì)圖像的亮度值進(jìn)行處理，減少了對(duì)圖像顏色值的影響，解決了高動(dòng)態(tài)圖像的偏色問(wèn)題，再結(jié)合LCD-FED雙屏結(jié)構(gòu)顯示，進(jìn)一步提高了高動(dòng)態(tài)圖像細(xì)節(jié)的顯示能力。結(jié)果表明，本文的方法能夠較好地解決圖像偏色問(wèn)題，同時(shí)保留了圖像豐富的細(xì)節(jié)。

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Dual Screen High Dynam ic Range Disp lay M ethod Based on Color Space Conversion

HU Shenghua，XIN Qi，YAO Jianmin，GUO Tailiang
(College of Physics and Information Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350000，China)

For the problem of color cast in High Dynamic Range(HDR)image tonemapping and insufficient in image detail display，a dual screen high dynamic range displaymethod based on color space conversion is presented.Firstly，high dynamic range image is converted into HSL space，then lightness is processed by adaptive logarithmicmapping algorithm，and saturation is enhanced.After that，processed image is converted into RGB space and displayed through LCD-FED dual screen.The experimental results show that thismethod not only solves the problem of color cast，butalso greatly improves the ability of the detail performance:the distortion ratio(D)is only 3.7%.

HDR;tonemapping;HSL;LCD-FED

TP391

A

胡勝華(1988—)，碩士生，主要研究方向?yàn)樾畔@示技術(shù);

辛 琦(1978—)，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橛袡C(jī)電致發(fā)光、信息顯示技術(shù);

姚劍敏(1978—)，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橐曨l圖像處理、模式識(shí)別;

郭太良(1963—)，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閳?chǎng)致發(fā)射陰極材料及器件研究。

?? 雯

2013-11-25

【本文獻(xiàn)信息】胡勝華，辛琦，姚劍敏，等.基于顏色空間轉(zhuǎn)換的高動(dòng)態(tài)圖像雙屏顯示方法［J］.電視技術(shù)，2014，38(23).

國(guó)家“863”重大專(zhuān)項(xiàng)(2012AA03A301;2013AA030601);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61101169;61106053)