基于實測校正因子的實時伽馬校正算法

韋海成，趙 靜

（1.北方民族大學(xué)電信學(xué)院，寧夏銀川 750021;2.寧夏大學(xué)數(shù)學(xué)計算機學(xué)院，寧夏銀川 750021）

基于實測校正因子的實時伽馬校正算法

韋海成1，趙 靜2

（1.北方民族大學(xué)電信學(xué)院，寧夏銀川 750021;2.寧夏大學(xué)數(shù)學(xué)計算機學(xué)院，寧夏銀川 750021）

針對等離子顯示器（Plasma Display Panel，PDP）反伽馬校正過程中因熒光粉亮度飽和以及APL臨界切換引起的灰度級失真和閃爍現(xiàn)象，提出了一種基于PDP發(fā)光特性的實時反伽馬校正算法。該算法采用實測關(guān)鍵灰度級亮度和基于圖像APL的校正因子補償算法，通過實測亮度和灰度級之間的對應(yīng)關(guān)系實現(xiàn)了灰度級的線性輸出，引入校正因子消除了不同圖像切換過程時的閃爍。50 in（1 in=2.54 cm）PDP實驗結(jié)果表明，該算法能夠減少大面積暗場區(qū)域存在的閃爍現(xiàn)象，消除顯示圖像輸出灰度的失真和反轉(zhuǎn)，增強顯示畫面的細節(jié)，提高顯示畫質(zhì)。此外，算法采用分段式多項式擬合進行實時反伽馬計算，使算法具有處理速度快，對電路依賴性小等優(yōu)點。

等離子顯示器;伽馬矯正;灰度級增強算法

等離子顯示器（Plasma Display Panel，PDP）是一種數(shù)字顯示器件，具有線性離散的光電轉(zhuǎn)換特性［1］。在顯示過程中，為了補償輸入視頻預(yù)校正帶來的灰度級失真，PDP需要在視頻信號輸入后進行反伽馬校正，以實現(xiàn)與傳統(tǒng)電視一致的顯示效果。

現(xiàn)有文獻中，反伽馬校正的方法主要分為灰度和色彩校正兩大類。在灰度級校正方面，王志國等人提出了一種反伽馬校正方法與可控的動態(tài)對比度增強相結(jié)合算法，實現(xiàn)了幅度可調(diào)的動態(tài)對比度增強和伽馬校正結(jié)合的處理方法［2］;魏巍等人研究了低灰度級反伽馬校正子場編碼技術(shù)，有效地增加了顯示的動態(tài)低灰度級數(shù)目，在保證整幅圖像顯示效果的同時增強了PDP低灰度級圖像的顯示能力［3］;Kang等人引入人眼視覺校正函數(shù)解決了低灰度級圖像的線性和灰度級增強［4］。左瑞娟等人研究了變伽馬系數(shù)值實現(xiàn)了在線液晶伽馬系數(shù)的調(diào)整［5］。在色彩校正方面，Lee等人采用實時誤差擴散和低通濾波器相結(jié)合，解決了三基色通道低灰度級圖像的白平衡和灰度線性問題［6］;韋海成提出的色域空間轉(zhuǎn)換處理灰度級線性變換，解決了低灰度級圖像灰度和色調(diào)失真解決方法［7］。趙靜提出了一種基于多獨立通道自適應(yīng)性圖像對比度增強算法，動態(tài)地解決了顯示圖像的畫質(zhì)增強問題［8］。

然而，現(xiàn)有反伽馬校正算法對PDP用光致熒光粉在氣體放電過程中可能產(chǎn)生的亮度飽和及人眼視覺特性考慮不足，灰度級校正沒有和PDP實際發(fā)光特性相結(jié)合，以致校正后圖像存在灰度失真和閃爍現(xiàn)象。

針對此現(xiàn)象，本文提出了一種采用光致熒光粉實際顯示亮度作為校正因子的實時反伽馬校正算法。算法首先根據(jù)各個子場的圖像表現(xiàn)率與維持脈沖數(shù)量的映射關(guān)系得到子場的維持放電的數(shù)量，然后再根據(jù)不同圖像的平均圖像水平（Average Picture Level，APL）下實測顯示單元的實際亮度生成矯正因子，通過實際亮度和伽馬曲線之間的關(guān)系最終實現(xiàn)實時伽馬校正的效果。整個算法基于顯示單元在不同APL下實際發(fā)光亮度，能夠?qū)崿F(xiàn)顯示單元灰度級的精準(zhǔn)校正，解決了圖像灰度失真和閃爍現(xiàn)象。

1 基于實測校正因子的實時伽馬校正

1.1 熒光粉亮度飽和與圖像灰度閃爍

PDP顯示時，真實圖像到顯示圖像過程需要經(jīng)過輸入設(shè)備的伽馬校正和顯示設(shè)備的反伽馬校正算法。其中，顯示設(shè)備反伽馬校正算法主要補償預(yù)校正過程帶來的灰度級變化，實現(xiàn)真實圖像灰度線性顯示。

PDP的灰度級顯示主要采用ADS驅(qū)動方法通過脈沖放電累積作用實現(xiàn)［9］。在這種實現(xiàn)過程中，PDP的光致熒光粉在氣體放電激發(fā)真空紫外光作用下產(chǎn)生可見光脈沖作用于人眼，使得人眼視覺感受到可見光亮度的累積遞增，形成顯示灰度，維持放電對熒光粉累積發(fā)光見圖1。

圖1 維持放電及熒光粉累積發(fā)光示意圖

圖1中，與傳統(tǒng)反伽馬矯正算法不同，實際維持放電和熒光粉發(fā)光之間為非線性遞增關(guān)系，特別是使用了動態(tài)對比度增強技術(shù)后，可見光和維持脈沖之間的這種非線性遞增使得不同圖像下相同灰度的區(qū)域顯示出了亮度的差異性。這種差異導(dǎo)致了顯示圖像在特定畫面下局部會出現(xiàn)細微的閃爍。而現(xiàn)有的算法無法有效解決這種閃爍，細微閃爍仿真圖見圖2。

圖2 PDP顯示圖像中細微閃爍現(xiàn)象的仿真

1.2 實時伽馬矯正算法

針對這種顯示圖像暗區(qū)域的抖動現(xiàn)象，需要根據(jù)APL分組設(shè)置多條反伽馬矯正曲線。伽馬矯正曲線的值主要根據(jù)具體APL下實測亮度值取得，不同APL取值下的伽馬曲線亮度差異見圖3。

圖3 不同APL下關(guān)鍵灰度值對應(yīng)的亮度變化

圖3中，第8組反伽馬矯正曲線對應(yīng)的APL為87% ～100%。但這條伽馬實際是在APL=94%時使用10%全白窗口測試得到。這仍會導(dǎo)致在不同組伽馬曲線之間實際切換時，第N和第N+1幀圖像同一物品在APL值臨界時出現(xiàn)亮度差異，也不能完全解決顯示畫面的暗場圖像閃爍問題。

為了解決這種顯示圖像的閃爍，需要采用根據(jù)APL值實時計算反伽馬校正曲線。并針對相同APL下不同子場負載引起的灰階顯示失真現(xiàn)象，實時計算APL后對標(biāo)準(zhǔn)的反伽馬校正曲線設(shè)定子場校正因子。通過這種更為精準(zhǔn)的反伽馬校正算法消除不同圖像切換時出現(xiàn)的閃爍和灰度級輪廓問題，實現(xiàn)平滑的圖像切換。

1.3 基于實測校正因子的實時伽馬校正

在實際應(yīng)用中，為了抑制PDP動態(tài)偽輪廓現(xiàn)象，還需要在每個APL下選擇34個灰階作為關(guān)鍵灰度以減少動態(tài)偽輪廓，并利用半色調(diào)算法還原出1 024級灰度級［10］。

因此，在實時計算反伽馬校正曲線之前，需要對曲線使用的關(guān)鍵灰度級進行光學(xué)測試。這樣，不同APL下每條實時反伽馬校正曲線需要測試34個關(guān)鍵灰度級的值。對于34個關(guān)鍵灰度級中間的各個灰度級則利用實時計算的方式取得，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換成8位小數(shù)，每個灰度級是以6位整數(shù)加8位小數(shù)的形式輸出。

基于熒光粉發(fā)光特性的實時伽馬校正算法具體實現(xiàn)方法如下:

1）依據(jù)采用運動圖像干擾消除法結(jié)合灰度級中央權(quán)重編碼算法進行選擇34個關(guān)鍵灰度級，并固定APL值，測試不同APL下關(guān)鍵灰度級對應(yīng)的亮度值。

2）通過子場APL確定亮度補償因子，并對34個關(guān)鍵灰度級所測得的亮度值給予補償校正。例如，在10%全白窗口下測得第34關(guān)鍵灰度級亮度值為97.5 cd/m2，同樣維持脈沖數(shù)情況下，100%全白圖像第34關(guān)鍵灰度級亮度實測只有94.6 cd/m2。同一灰度級會在不同APL下出現(xiàn)3%左右的亮度差。

3）將34個關(guān)鍵灰度級的亮度進行歸一化，對應(yīng)到輸出灰度級0～1 023。例如，全白圖像中0～1 023輸入灰度值對應(yīng)校正后亮度為0～94.6 cd/m2。通過這種方法可以將34個實測亮度和34個關(guān)鍵輸出灰度級聯(lián)系起來。以圖4的歸一化方法為例，第13關(guān)鍵灰度級對應(yīng)的輸出灰度級是506，而第14關(guān)鍵灰度級對應(yīng)的輸出灰度級是527。

圖4 關(guān)鍵灰度級的歸一化方法

4）通過反伽馬校正曲線輸入和輸出灰度級對應(yīng)關(guān)系可將1 023個輸出灰度級計算出來。以圖5為例，可以算出第13和14關(guān)鍵灰度級對應(yīng)的輸入灰度級分別是743和757。這樣，就可以將34個關(guān)鍵灰度的編碼方式、校正亮度補償因子、輸入灰度級值、輸出灰度級值關(guān)聯(lián)起來。

圖5 兩關(guān)鍵灰度級間灰度級計算方法

5）采用標(biāo)準(zhǔn)反伽馬校正曲線或多項式擬合算法計算出相鄰兩關(guān)鍵灰度級間全部整數(shù)輸入灰度級對應(yīng)的輸出灰度級，并轉(zhuǎn)換為8位小數(shù)形式。以圖5關(guān)鍵灰度級間各個灰度級計算方法為例，第13和第14關(guān)鍵灰度級之間共有13個整數(shù)輸入灰度，計算后可得到13個以13為整數(shù)并含有8位小數(shù)的輸出灰度級。

這樣，通過34個關(guān)鍵灰度以及子場校正因子可以算出各個APL下對應(yīng)的每條反伽馬校正曲線，實現(xiàn)了實時反伽馬校正算法，整個算法實現(xiàn)框圖見圖6。

圖6 基于實測校正因子的實時反伽馬校正算法

在實時計算中，相關(guān)的伽馬和反伽馬計算如果直接采用公式進行指數(shù)和冪運算，對于普通硬件電路來說難以實現(xiàn)，因此需要采用多項式擬合，把所有的運算轉(zhuǎn)換成乘、加運算，以降低運算難度。如采用三次多項式擬合反伽馬校正可得

式中:x表示輸入灰度級;y表示輸出灰度級。

這種多項式擬合的結(jié)果與采用冪的方式計算的反伽馬校正曲線基本重合。因此，三次多項式計算的式（1）可以作為實時反伽馬校正曲線使用。

但采用三次多項式擬合實時伽馬校正時發(fā)現(xiàn)，簡單的三次多項式和標(biāo)準(zhǔn)伽馬矯正曲線不能很好地重合，特別是在低灰度區(qū)域，誤差較大。多次實驗的結(jié)果表明，采用單一的多項式擬合反伽馬校正不能很好地控制計算誤差，為了減少逆變換的誤差可采用分段三次多項式擬合即

式中:x為輸入灰度級，y為輸出灰度級。

采用式（2）對256灰度級進行實時伽馬校正曲線擬合后，結(jié)果表明采用分段式多項式擬合后，在低灰度級區(qū)域和高灰度級區(qū)域的擬合誤差得到很好的控制，顯示圖像更接近于真實值。

2 結(jié)果以及討論

為了驗證基于實測校正因子的實時伽馬矯正算法，采用型號為Xilinx的Spartan3A DSP－1800系列FPGA將相關(guān)算法綜合到50 in（1 in=2.54 cm）高清PDP的控制電路中，進行相關(guān)測試。測試結(jié)果見圖7的實際測試結(jié)果。

圖7 50 in高清PDP實驗結(jié)果

測試表明，PDP采用實時計算的伽馬校正算法顯示該圖像時，原本處于APL臨界狀態(tài)的暗區(qū)域亮度不再跳變，區(qū)域A和B大面積暗圖像的閃爍現(xiàn)象得到了消除。整個圖像的灰度級呈線性變化，灰度級反轉(zhuǎn)和失真現(xiàn)象也得到了很好的解決，顯示圖像細節(jié)細膩，顯示畫質(zhì)得到了提高。

這種基于實測矯正因子的實時伽馬校正算法通過不同APL下顯示亮度和灰度級間映射關(guān)系，實現(xiàn)了正確的灰度級顯示圖像，減少了圖像在反伽馬校正過程中的誤差，解決了不同APL圖像切換時存在的閃爍問題以及圖像靜止時因APL處于臨界狀態(tài)切換而產(chǎn)生的亮度跳變。特別是多項式擬合伽馬和反伽馬曲線的引入降低了運算的復(fù)雜程度，提高了圖像的灰度級顯示效果，具有較高的實用性和適應(yīng)性。

3 結(jié)論

本文針對PDP反伽馬校正過程中光致熒光粉亮度飽和引起的灰度級失真以及APL臨界狀態(tài)引起的顯示亮度跳變現(xiàn)象，采用實測關(guān)鍵灰度級亮度和子場校正因子補償相結(jié)合的算法，利用實測亮度和灰度級之間的對應(yīng)關(guān)系解決了灰度級輸出線性的問題，同時引入不同APL下亮度矯正因子解決了APL切換過程中的亮度跳變，實現(xiàn)了顯示圖像的平滑切換。此外，整個算法采用分段的多項式擬合法進行實時伽馬和反伽馬變換計算，便于硬件實現(xiàn)，具有較高的實用性和較強的適應(yīng)性。50 in PDP實驗結(jié)果表明，該算法能夠減少大面積暗場區(qū)域中存在的閃爍，消除顯示圖像輸出灰度的失真和反轉(zhuǎn)，增強了顯示畫面的細節(jié)，提高了顯示畫質(zhì)。

:

［1］WEBER L.The promiseof plasma displays for HDTV［J］.SID Symposium Digest of Technical Papers，2000，31（1）:402－405.

［2］王志國，梁志虎，劉純亮.一種應(yīng)用于AC PDP的反gamma校正與動態(tài)對比度增強相結(jié)合的新方法［J］.真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2009，29（6）:700－703.

［3］魏巍，孫鑒.彩色等離子體顯示器動態(tài)低灰度級增強技術(shù)［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，2005，39（12）:1366－1367.

［4］KANG S，DO H，SHIN J，et al.Reduction of low gray－level contours using error diffusion based on emission characteristics of PDP［J］.IEEE Trans.Consumer Electronics，2004，50（2）:401－406.

［5］左瑞娟，武永華.液晶電視或液晶顯示器的動態(tài)γ調(diào)整方法［J］.電視技術(shù)，2010，34（11）:117－119.

［6］LEE C，PARK S，KANG J，et al.A real time image processor for reproduction of gray levels in dark areas on plasma display panel（PDP）［J］.IEEE Trans.Consumer Electronics，2002，48（4）:879－886.

［7］韋海成，張小寧，劉純亮.PDP低灰度級圖像反伽馬校正色彩還原方法［J］.真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2012，32（5）:25－28.

［8］趙靜.基于多獨立通道自適應(yīng)性圖像對比度增強算法［J］.電視技術(shù)，2012，36（11）:24－26.

［9］SHINODA T，WAKITANI M，YOSHIKAWA K.High level gray scale for AC plasma display panels using address－display period－separated subfield method［J］.IEICE Trans.Electronics，1998，2（3）:349－355.

［10］KANG S，KIM S，CHIEN S，et al.Adaptive stretched－out coding based on cumulative histogram analysis for reduction of GSR error and DFC in plasma TV［C］//Proc.ICCE ’09.Las Vegas，NV:IEEE Press，2009:1－2.

Method for Real Time Gamma Based on Measured Correction Factor

WEI Haicheng1，ZHAO Jing2

（1.School of Electrical and Information Engineering，Beifang University of Nationalities，Yinchuan 750021，China;2.School of Mathematics and Computer Science，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

A real time inverse gamma correction algorithm based on the PDP luminance characteristics is proposed to reduce the phosphor brightness saturation and flicker caused by different APL（Average Picture Level）picture switch.In the proposed algorithm，the luminance of the key gray scale and the correction factor of APL are combined，as a result，the gray level distortion is reduced and the picture flicker when switching is eliminated.The 50 in（1 in=2.54 cm）PDP experimental results show that the dark area flicker and the distortion of the gray level are reduced，the detail of picture is enhanced and the picture quality is improved.In addition，the use of segmented polynomial fitting calculated real－time inverse gamma algorithm has faster processing speed and smaller dependence on circuit.

plasma display panel;inverse gamma correction;gray－scale enhancement

TN873.94;TN27

A

【本文獻信息】韋海成，趙靜.基于實測校正因子的實時伽馬校正算法［J］.電視技術(shù)，2014，38（3）.

核高基重大專項（2009ZX01033－001－003－5）;電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金項目（2010HZ01）;寧夏自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項目（NZ1137;NZ13083）

韋海成（1974— ），博士，副教授，主要從事平板顯示器件方面的研究;

趙 靜（1977— ），女，碩士，副教授，主要研究領(lǐng)域為圖形圖像處理、多媒體應(yīng)用技術(shù)。

責(zé)任編輯:時 雯

2013－04－06