CN103747225B

CN103747225B - 基于颜色空间转换的高动态范围图像双屏显示方法

Info

Publication number: CN103747225B
Application number: CN201410030710.9A
Authority: CN
Inventors: 郭太良; 徐胜; 姚剑敏; 林金堂; 林志贤; 叶芸
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2014-01-23
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2034-01-23
Also published as: CN103747225A

Abstract

本发明涉及一种基于颜色空间转换的高动态范围图像双屏显示方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将高动态范围图像计算转换成RGB空间图像；S2：将步骤S01中的RGB空间图像转换为HSL空间图像，完成亮度和色调的分离；S3：对于步骤S02中的HSL空间图像的亮度L进行单独的自适应对数映射，完成亮度的压缩处理，同时，对饱和度S进行增强；S4：将步骤S03中的HSL空间图像转换为RGB空间图像；S5：对步骤S04中的RGB空间图像进行前后面板图像分割；S6：利用步骤S05中生成的前后面板图像在LCD-FED双屏显示系统上进行双屏分割显示。本发明不仅解决了偏色问题，而且在细节表现能力上也有了很大的提升。

Description

基于颜色空间转换的高动态范围图像双屏显示方法

技术领域

本发明涉及高动态图像处理与高动态范围图像的双屏显示领域，尤其是一种基于颜色空间转换的高动态范围图像双屏显示方法。

背景技术

近些年来，对于高动态范围图像的研究越来越多，高动态范围图像是一种可以还原真实场景亮度范围的图像。它的亮度范围从漆黑的夜晚到阳光猛烈的白天，动态范围甚至超过1010：1。相较于高动态范围图像的大范围亮度，当前主流显示设备的动态范围就很小了，现如今主流显示设备的动态范围是400：1到600：1，部分显示设备的动态范围能够达到1500：1，即便与此，仍然是远远达不到显示高动态范围图像的要求。对于这个问题的解决，一方面是进行色调映射，这些算法大致分为两大类：全局映射算法和局部映射算法。色调映射算法可以将高动态范围图像映射压缩成低动态范围图像，并用于普通显示设备。无论是全局映射算法,还是局部映射算法,但这些算法都会损失图像的部分细节，而且都是针对非彩色(灰度)的高动态范围图像的层次视觉再现的目的而设计的,没有考虑图像亮度范围被压缩后,色域也被压缩,导致图像的颜色在视觉上发生变化，产生偏色问题。另一方面是采用双屏显示，双屏显示可以明显提高显示系统的动态显示能力，能够更好地进行细节显示。

针对偏色问题，已提出了很多解决方法，但这些算法均有一些不足之处，Rahma等人提出的MSRCR算法计算复杂，而且细节损失较多；基于直方图均衡化的算法有明显的失真；基于点的快速亮度调整算法在图像整体协调性上表现欠佳。

现有的双屏显示方案包括LCD-projector、LCD-LED、和LCD-Optics。LCD-projector方案体积庞大，无法普遍为大众使用。LCD-LED方案却有LED颗粒较大、像素点之间容易产生干扰等问题限制。GabrieleGuarnieri等人提出LCD-LCD结构的双液晶显示系统，但该系统亮度较低，需要高亮度背光支持，刷新率也很难提高。PatrickLedda等人提出LCD-Optics结构的双屏显示系统，但该系统体积庞大，视角有限。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于颜色空间转换的高动态范围图像双屏显示方法，针对高动范围图像处理的偏色问题与细节显示不足问题。

本发明采用以下方案实现：一种基于颜色空间转换的高动态范围图像双屏显示方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将高动态范围图像计算转换成RGB空间图像；

S2：将步骤S1中的RGB空间图像转换为HSL空间图像，完成亮度和色调的分离；

S3：对于步骤S2中的HSL空间图像的亮度L进行单独的自适应对数映射，完成亮度的压缩处理，同时，对饱和度S进行增强；

S4：将步骤S3中的HSL空间图像转换为RGB空间图像；

S5：对步骤S4中的RGB空间图像进行前后面板图像分割；

S6：利用步骤S5中生成的前后面板图像在LCD-FED双屏显示系统上进行双屏分割显示。

在本发明一实施例中，所述步骤S1的具体方法为：如果E为0，则r＝g＝b＝0.0，否则：r＝R*2^(E-128-8)，g＝G*2^(E-128-8)，b＝B*2^(E-128-8)；其中(R,G,B,E)为RGBE图像的单个像素值，(r,g,b)为RGB空间图像的单个像素值。

在本发明一实施例中，所述步骤S2具体方法为：采用子像素对应转换法将RGB空间图像值(r,g,b)转换为HSL空间图像值(h,s,l)，完成图像由RGB空间到HSL空间的转换，具体转换步骤如下：

S21：将RGB像素值转为(0,1)之间的浮点值；

S22：找出RGB像素值中的最大值max与最小值min，并计算亮度

l = \frac{1}{2} (m a x + m i n);

S23：如果max＝min，那么S定义为0，而H未定义并默认为0；否则，根据亮度L计算饱和度S；公式为：

s = \{\begin{matrix} 0, l = 0 o r m a x = m i n \\ \frac{\max - m i n}{2 l}, 0 < l \leq \frac{1}{2} \\ \frac{\max - \min}{2 - 2 l}, l > \frac{1}{2} \end{matrix};

S24：计算色调H，公式为：

在本发明一实施例中，所述步骤S3中的自适应对数映射公式为：

L_{d} (x, y) = \frac{L_{d m a x} (x, y) \times 0.01}{\log_{10} (L_{w m a x} + 1)} \times \frac{\log_{10} (L_{w} (x, y) + 1)}{\log_{10} [2 + ({(\frac{L_{w} (x, y)}{L_{w \max}})}^{\frac{\log_{10} (b)}{\log_{10} (0.5)}}) \times 8]},

其中，L_dmax为显示设备能够显示的最大亮度值；L_w(x,y)为各像素点的亮度值；L_wmax为图像亮度最大值；L_d(x,y)为映射后图像的亮度值，参数b为可调整参数，影响图像的整体亮度，取值范围为(0.5,1.0)。

在本发明一实施例中，所述亮度L的映射计算完成后，进行一个非线性gamma校正，即对亮度L进行一个指数为1/2.2的幂指数运算。

在本发明一实施例中，所述步骤S3中的对饱和度S进行增强公式为：S'＝α·S，S'为增强后的饱和度，α为饱和度增强因子。

在本发明一实施例中，所述步骤S5具体为：基于LCIS算法的思想，后面板图像由原图的平方根计算得到，前面板图像由原图与后面板图像相除计算得到。

在本发明一实施例中，所述后面板图像用于FED背光源显示，所述前面板图像用于LCD面板显示。

本发明方法的主要特点如下：

将高动态图像进行颜色空间的转换，分离出颜色与亮度，单独处理亮度值，我们对从高动态图像中分离开来的颜色信息不予处理，就能够有效降低偏色程度。再结合LCD-FED双屏显示，进一步提高了高动态图像细节的显示能力。这样在能够保留图像色彩的同时，保留图像更丰富的细节。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2a为高动态范围原始图；

图2b为HSL空间原始图；

图3a为HSL空间L分量图；

图3b为L分量自适应对数映射后图(b＝0.8)；

图4a为直接RGB对数映射结果图；

图4b为直方图均衡算法化效果图；

图4c为本发明HSL空间转换效果图；

图5a为本发明FED背光源显示图；

图5b为本发明LCD显示图；

图6为本发明最终双屏显示图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种基于颜色空间转换的高动态范围图像双屏显示方法，包括以下步骤：

S1：将高动态范围图像RGBE(如图2a所示)计算转换成RGB空间图像；

S2：将步骤S1中的RGB空间图像转换为HSL空间图像(如图2b所示)，完成亮度和色调的分离；

S3：对于步骤S2中的HSL空间图像的亮度L进行单独的自适应对数映射，完成亮度的压缩处理，同时，对饱和度S进行相应的增强；

S4：将步骤S3中的HSL空间图像转换为RGB空间图像；即对步骤S2进行反向操作，将HSL空间图像转回到到RGB空间；

S5：对步骤S4中的RGB空间图像进行前后面板图像分割；

RGBE文件的扩展名为.hdr；所谓E，就是指数，RGBE文件每个通道为8bit数据类型，4个通道一共是32bit；RGBE格式文件无法直接进行映射处理，需进行转换。所述步骤S1的具体方法为：如果E为0，则r＝g＝b＝0.0，否则：r＝R*2^(E-128-8)，g＝G*2^(E-128-8)，b＝B*2^(E-128-8)；其中(R,G,B,E)为RGBE图像的单个像素值，(r,g,b)为RGB空间图像的单个像素值。

所述步骤S2具体方法为：采用子像素对应转换法将RGB空间图像值(r,g,b)转换为HSL空间图像值(h,s,l)，完成图像由RGB空间到HSL空间的转换，具体转换步骤如下：

S21：将RGB像素值转为(0,1)之间的浮点值；

S22：找出RGB像素值中的最大值max与最小值min，并计算亮度

l = \frac{1}{2} (m a x + m i n);

S23：如果max＝min，即表示灰色，那么S定义为0，而H未定义并默认为0；否则，根据亮度L计算饱和度S；公式为：

s = \{\begin{matrix} 0, l = 0 o r m a x = m i n \\ \frac{\max - m i n}{2 l}, 0 < l \leq \frac{1}{2} \\ \frac{\max - \min}{2 - 2 l}, l > \frac{1}{2} \end{matrix};

S24：计算色调H，公式为：色调角h∈[0,360)，而h＝0表示图像为灰色，而s,l是饱和度和亮度，其取值范围均在[0,1]。

所述步骤S3中的自适应对数映射公式为：

L_{d} (x, y) = \frac{L_{d m a x} (x, y) \times 0.01}{\log_{10} (L_{w m a x} + 1)} \times \frac{\log_{10} (L_{w} (x, y) + 1)}{\log_{10} [2 + ({(\frac{L_{w} (x, y)}{L_{w \max}})}^{\frac{\log_{10} (b)}{\log_{10} (0.5)}}) \times 8]},

其中，L_dmax为显示设备能够显示的最大亮度值，作为显示用的量化参数，通常取L_dmax＝100；L_w(x,y)为各像素点的亮度值；L_wmax为图像亮度最大值；L_d(x,y)为映射后图像的亮度值。对数变换时，基数的选择直接影响处理效果的好坏，基数调节公式如下：参数b为可调整参数，影响图像的整体亮度，取值范围一般为(0.5,1.0)。实验发现，b＝0.8时对大多数高动态图像的处理效果最好。

所述亮度L的映射计算完成后，还需进行一个非线性gamma校正，即对亮度L进行一个指数为1/2.2的幂指数运算。如图3a和3b所示，图3为HSL空间L分量图，图3b为L分量自适应对数映射后图(b＝0.8，gamma＝1/2.2)。

所述步骤S3中的对饱和度S进行增强公式为：S'＝α·S，S'为增强后的饱和度，α为饱和度增强因子，一般α＝1.6。经过亮度映射与饱和度增强后，我们将图像由HSL空间再次转回到RGB空间。如图4a、4b和4c所示，图4a中直接RGB转换的图像在整体颜色上与原图相差较大，图4b中直方图均衡化算法颜色表现比图4a好，但红色圆圈部分有一定的失真，图4c为经过HSL空间转换的效果，图像不仅与原图在颜色上相差无几，而且不会出现失真问题。

为了获得更好的显示效果，进行更多的图像细节显示。本发明采用LCD-FED双屏高动态范围显示系统显示已处理的图像，双屏显示必须进行输入图像的前后屏分割，已有的双屏分割算法是LCIS算法，LCIS算法是将高动态范围图像分为基本亮度层和细节层，但是LCIS的分层算法计算复杂，运算量大，处理图像的效率非常低。本发明基于LCIS(LowCurvatureImageSimplifier)算法的思想，采用一种简单的分割算法对图像进行分层，提高了图像处理速度，后面板(背光源)图像由原图的平方根计算得到，前面板(LCD面板)图像由原图与后面板(背光源)图像相除计算得到。具体算法公式如下：L_b(x,y)＝F(L_in(x,y))，其中，图像在(x,y)处的值为L_w(x,y)，FED背光源的亮度值为L_b(x,y)，前面板LCD的亮度值为L_f(x,y)。函数F(L_in(x,y))为一平方根。如图5a和5b所示，图5a为FED背光源显示图，图5b为LCD显示图。所述后面板(背光源)图像用于FED背光源显示，所述前面板(LCD面板)图像用于LCD面板显示，如图6所示，最终得到合成的图像。

上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于颜色空间转换的高动态范围图像双屏显示方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将高动态范围图像计算转换成RGB空间图像；

S4：将步骤S3中的HSL空间图像转换为RGB空间图像；

S5：对步骤S4中的RGB空间图像进行前后面板图像分割；

2.根据权利要求1所述的基于颜色空间转换的高动态范围图像双屏显示方法，其特征在于，所述步骤S1的具体方法为：如果E为0，则r＝g＝b＝0.0，否则：r＝R*2^(E-128-8)，g＝G*2^(E-128-8)，b＝B*2^(E-128-8)；其中(R,G,B,E)为RGBE图像的单个像素值，(r,g,b)为RGB空间图像的单个像素值。

3.根据权利要求1所述的基于颜色空间转换的高动态范围图像双屏显示方法，其特征在于，所述步骤S2具体方法为：采用子像素对应转换法将RGB空间图像值(r,g,b)转换为HSL空间图像值(h,s,l)，完成图像由RGB空间到HSL空间的转换，具体转换步骤如下：

S21：将RGB像素值转为(0,1)之间的浮点值；

S22：找出RGB像素值中的最大值max与最小值min，并计算亮度

l = \frac{1}{2} (m a x + m i n);

s = \{\begin{matrix} 0, l = 0 o r m a x = m i n \\ \frac{\max - m i n}{2 l}, 0 < l \leq \frac{1}{2} \\ \frac{\max - \min}{2 - 2 l}, l > \frac{1}{2} \end{matrix};

S24：计算色调H，公式为：

4.根据权利要求1所述的基于颜色空间转换的高动态范围图像双屏显示方法，其特征在于：所述步骤S3中的自适应对数映射公式为：

L_{d} (x, y) = \frac{L_{d m a x} (x, y) \times 0.01}{\log_{10} (L_{w m a x} + 1)} \times \frac{\log_{10} (L_{w} (x, y) + 1)}{\log_{10} [2 + ({(\frac{L_{w} (x, y)}{L_{w \max}})}^{\frac{\log_{10} (b)}{\log_{10} (0.5)}}) \times 8]},

5.根据权利要求4所述的基于颜色空间转换的高动态范围图像双屏显示方法，其特征在于：所述亮度L的映射计算完成后，进行一个非线性gamma校正，即对亮度L进行一个指数为1/2.2的幂指数运算。

6.根据权利要求1所述的基于颜色空间转换的高动态范围图像双屏显示方法，其特征在于，所述步骤S3中的对饱和度S进行增强公式为：S'＝α·S，S'为增强后的饱和度，α为饱和度增强因子。

7.根据权利要求1所述的基于颜色空间转换的高动态范围图像双屏显示方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：基于LCIS算法的思想，后面板图像由原图的平方根计算得到，前面板图像由原图与后面板图像相除计算得到。

8.根据权利要求7所述的基于颜色空间转换的高动态范围图像双屏显示方法，其特征在于：所述后面板图像用于FED背光源显示，所述前面板图像用于LCD面板显示。