一種基于LCD-LED雙調(diào)制顯示器的HDR圖像顯示方法

王 驍， 蘇寒松， 李昌祿

(天津大學(xué) 電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072)

1 引 言

高動(dòng)態(tài)范圍(High Dynamic Range, HDR)圖像對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)態(tài)范圍 (Standard Dynamic Range，SDR) 圖像，可以提供更多的動(dòng)態(tài)范圍和圖像細(xì)節(jié)。HDR圖像的存儲(chǔ)格式不同于SDR圖像，OpenExr格式[1]是HDR圖像主流存儲(chǔ)格式，像素點(diǎn)的RGB通道各自為16位浮點(diǎn)數(shù)，數(shù)值與真實(shí)世界的亮度是線性對(duì)應(yīng)，HDR格式圖像無(wú)法直接在8 bit顯示器上顯示。目前有兩種HDR圖像的顯示方式。一是采用色調(diào)映射算法[2]將HDR圖像的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行適當(dāng)?shù)膲嚎s，使之能夠在低動(dòng)態(tài)范圍的液晶顯示設(shè)備上顯示，但是色調(diào)映射壓縮后的HDR圖像會(huì)丟失大量的細(xì)節(jié)信息，無(wú)法真實(shí)地再現(xiàn)HDR圖像信息。二是直接用支持HDR圖像顯示的HDR顯示設(shè)備[3]進(jìn)行顯示。

目前顯示設(shè)備一般采用液晶(Liquid Crystal, LC)或有機(jī)發(fā)光二極管(Organic Light Emitting Diode, OLED)面板。由于量子點(diǎn)技術(shù)的出現(xiàn)，LCD顯示器相比OLED，在大尺寸高動(dòng)態(tài)顯示器研發(fā)中更有優(yōu)勢(shì)[4-5]。HDR顯示設(shè)備通常實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)是LCD-LED雙調(diào)制結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)的HDR顯示設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍為液晶面板和背光模組的乘積[6]，但其LED背光模組的分辨率比LCD分辨率的小，若圖像的亮度變化頻率超出了LED背光模組地分辨率，LCD透射率調(diào)節(jié)像素的亮度能力會(huì)受到LED背光亮度的限制，即在圖像高亮區(qū)域附近會(huì)出現(xiàn)“光暈”現(xiàn)象；在圖像暗區(qū)附近會(huì)出現(xiàn)因背光亮度過(guò)低出現(xiàn)圖像亮度“截?cái)唷爆F(xiàn)象。

使用LCD-LED雙調(diào)制結(jié)構(gòu)的顯示器顯示HDR圖像需要使用區(qū)域動(dòng)態(tài)調(diào)光算法，近年來(lái)，研究人員已經(jīng)提出了多種區(qū)域動(dòng)態(tài)調(diào)光方法[6-12]，例如平均值法、最大值法、反映射函數(shù)法、查表法和IMF法等，然而這些算法處理的圖像是可以直接在LCD屏幕上顯示的SDR圖像，目的是降低功耗和提升圖像顯示對(duì)比度，并沒(méi)有考慮HDR圖像的顯示問(wèn)題。8 bit的LCD面板上顯示無(wú)法直接顯示HDR圖像，如何配合LED背光模組將其轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)CD可顯示的SDR圖像，這些算法[6-12]沒(méi)有進(jìn)行討論。若將上述算法應(yīng)用于HDR圖像處理，需要對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)。

目前為止，針對(duì)HDR圖像的區(qū)域調(diào)光算法并不多[13]，顯示HDR圖像需要依據(jù)HDR圖像內(nèi)容自主生成LCD圖像和LED背光亮度。Seetzen 等[3]首次提出LCD-LED雙調(diào)制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)顯示器的方案，并首次給出了HDR圖像顯示算法：首先，HDR圖像經(jīng)HSV變換獲得圖像的亮度分量，亮度分量開(kāi)平方并下采樣得到背光區(qū)域目標(biāo)亮度；然后，使用高斯-賽德?tīng)柕椒ń夥匠坦烙?jì)出LED實(shí)際亮度值；接下來(lái)，用高斯函數(shù)模擬LED的光擴(kuò)散函數(shù)(Point Spread Function, PSF)與LED亮度值卷積并放大到LCD的分辨率得到背光亮度圖；最后用HDR圖像亮度除以背光亮度圖，得到LCD面板的顯示圖像。Narwaria 等人[13]沿用上述算法的思路，對(duì)算法進(jìn)行了優(yōu)化：選擇RGB最大值作為圖像的亮度分量；LED背光亮度圖由將LED背光亮度圖改為由HDR圖像亮度的α次冪得到，其中α的數(shù)值為0～1；使用背光LED的調(diào)制光亮度與LED光擴(kuò)散函數(shù)(PSF)模擬LED背光亮度，使用迭代的方式逐步調(diào)整LED的調(diào)制光亮度，降低LED目標(biāo)亮度于LED背光亮度的差。

然而上述算法在確定LED亮度步驟中，直接對(duì)圖像下采樣得到LED的目標(biāo)亮度，沒(méi)有考慮顯示器背光模組的參數(shù)。顯示器背光模組無(wú)法準(zhǔn)確地顯示LED目標(biāo)亮度圖，容易造成由于LED亮度與LCD透射率不匹配而形成的“光暈”和亮度“截?cái)唷毙?yīng)。針對(duì)此問(wèn)題，本文提出了一種基于HDR圖像在LCD-LED雙調(diào)制HDR顯示器上的顯示方法，旨在使顯示器達(dá)到HDR圖像要求的亮度。處理圖像之前，先根據(jù)顯示器的背光參數(shù)，確定HDR亮度與LED取值范圍的關(guān)系，然后計(jì)算LED亮度。此方法得到的LED亮度值和LCD圖像，可以有效降低“光暈”和亮度截?cái)嘈?yīng)，更真實(shí)地還原HDR圖像。

2 本文算法

本文提出的算法整體流程如圖1所示。首先建立HDR圖像亮度與LED亮度范圍對(duì)應(yīng)關(guān)系，使用光擴(kuò)散函數(shù)作為背光LED亮度取值范圍的權(quán)重。然后，累加LED的亮度輻射區(qū)域內(nèi)不同LED發(fā)光強(qiáng)度等級(jí)的權(quán)重，取權(quán)重最大者作為該背光LED亮度。最后，利用依據(jù)LED亮度生成的LED背光擴(kuò)散圖像與HDR圖像計(jì)算出LCD顯示圖像。

2.1 確定LED亮度范圍

使用LCD-LED雙調(diào)制結(jié)構(gòu)顯示HDR圖像，需要對(duì)HDR圖像進(jìn)行預(yù)處理：從RGB空間轉(zhuǎn)換至HSV空間，分離HDR圖像的亮度和色度信息，避免圖像亮度分解對(duì)色度信息的影響。接下來(lái)，將圖像的亮度V線性量化到0～65 535的范圍內(nèi)，匹配HDR圖像亮度最大值與顯示器顯示亮度的最大值，最大化利用顯示器動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)避免原圖數(shù)據(jù)出現(xiàn)上溢和下溢失真現(xiàn)象。

圖1 本文提出的算法流程圖Fig.1 Flow chart of proposed algorithm

LCD-LED雙調(diào)制結(jié)構(gòu)的顯示器的顯示亮度等于LED背光亮度與LCD透射率的乘積，同一亮度值可以有多種LED亮度與LCD透射率的組合方式，如圖2所示。

圖2 亮度的分解方式梯度圖Fig.2 Gradient map of luminance resolution

其中橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別表示LCD透射率和LED的亮度，圖中的曲線對(duì)應(yīng)HDR圖像的亮度值。從圖中可以看出，隨著HDR圖像亮度的增大，LED亮度與LCD透射率的調(diào)整范圍逐漸減小。同時(shí)，因?yàn)長(zhǎng)CD決定圖像的亮度細(xì)節(jié)和顏色，顯示HDR圖像的亮度時(shí)，應(yīng)盡量增加LCD透射率，降低LED的亮度。若LCD透射率過(guò)低，顏色的飽和度也會(huì)相應(yīng)下降，同時(shí)LCD“漏光”現(xiàn)象凸顯，降低顯示效果。所以當(dāng)圖像亮度較低時(shí)，應(yīng)限制LED亮度的最大值。基于上述約束關(guān)系，確定HDR圖像亮度與LED亮度取值范圍的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 HDR圖像亮度對(duì)應(yīng)LED亮度調(diào)制范圍Fig.3 HDR image brightness corresponding to LED brightness modulation range

圖3中，縱坐標(biāo)為L(zhǎng)ED的亮度值等級(jí)0～255，橫坐標(biāo)為HDR圖像像素的亮度等級(jí)0～65 535，每個(gè)HDR圖像像素的亮度等級(jí)都對(duì)應(yīng)一組背光LED亮度的最大值和最小值。紅線是隨圖像亮度變化的LED最大值曲線，藍(lán)線為L(zhǎng)ED最小值曲線。LED最小值是滿足HDR圖像亮度要求LED的最小亮度值，即LCD透射率達(dá)到最大值(RGB最大值為255)時(shí)的LED亮度等級(jí)，由公式(1)確定：

(1)

其中：Lmin為L(zhǎng)ED亮度范圍的最小值；X表示原圖的亮度，取值范圍為0～65 535。LED亮度的最大值由公式(2)確定：

(2)

其中：Lmax為L(zhǎng)ED亮度范圍的最大值；X表示原圖的亮度，取值范圍為0～65 535；γ為L(zhǎng)CD顯示器的特征參數(shù)，取值范圍為0～1。特征參數(shù)γ由LCD面板的濾光特性決定。若LCD面板的漏光現(xiàn)象明顯，則γ值越趨近1，對(duì)應(yīng)LED的調(diào)整范圍越窄。若顯示器“漏光”現(xiàn)象凸顯可適當(dāng)調(diào)高γ值。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，γ取0.2時(shí)顯示效果最好。

2.2 確定背光LED亮度

背光LED的亮度由該LED輻射區(qū)域的圖像內(nèi)容確定。遍歷區(qū)域內(nèi)像素，找到可以滿足對(duì)應(yīng)LED輻射范圍內(nèi)圖像的最多像素達(dá)到HDR圖像亮度要求的LED亮度，作為該區(qū)域背光LED的調(diào)制亮度。LED亮度的計(jì)算方法步驟如下：遍歷LED亮度輻射區(qū)域M的像素點(diǎn)，找到該像素對(duì)應(yīng)LED的最大值和最小值，并依據(jù)該像素到LED的距離算出對(duì)LED亮度等級(jí)影響權(quán)重。最后累加區(qū)域內(nèi)像素的LED亮度影響權(quán)重，找到累加和的最大值，最大值對(duì)應(yīng)的亮度為L(zhǎng)ED的調(diào)制亮度。

2.2.1 計(jì)算像素的LED亮度權(quán)重

LED計(jì)算區(qū)域M要由LED亮度輻射區(qū)域確定，但背光LED的光源輻射區(qū)域與LED背光的排列分布不能做到完全一致。不能僅依據(jù)LED空間位置直接切割圖像，這樣做不同LED的計(jì)算區(qū)域M會(huì)出現(xiàn)重疊，為此將光擴(kuò)散函數(shù)(PSF)作為L(zhǎng)ED亮度范圍的權(quán)重抵消因區(qū)域重疊導(dǎo)致像素重復(fù)計(jì)算的影響。

使用一個(gè)長(zhǎng)度為256的數(shù)組Apixel表示像素的LED亮度的影響權(quán)重，其下標(biāo)0～255對(duì)應(yīng)LED的亮度等級(jí)。該數(shù)組表示該像素點(diǎn)對(duì)于LED不同亮度的權(quán)重。數(shù)組Apixel的值由公式(3)確定：

(3)

其中：L為該像素的亮度值;Lmin和Lmax表示亮度為L(zhǎng)時(shí)，LED亮度范圍的最小值和最大值，由公式(1)和(2)確定；數(shù)組下標(biāo)位于最大值和最小值之間的數(shù)值為α，其余數(shù)值為0。α是關(guān)于該像素到LED計(jì)算區(qū)域M中心距離的函數(shù)，表示影響LED取值范圍的權(quán)重值，見(jiàn)公式(4)：

α=exp〔-D2(i,j)/σ2〕

(4)

其中：D(i,j)為該像素距LED計(jì)算區(qū)域M中心的歐式距離；σ為模擬光擴(kuò)散系數(shù)。α代表該像素對(duì)LED取值范圍的影響權(quán)重。因?yàn)橄袼鼐嗥鋵?duì)應(yīng)LED的D(i,j)的增加必然會(huì)有附近LED的D(i,j)減小，該像素對(duì)LED亮度的影響權(quán)重α下降的同時(shí)，會(huì)提高對(duì)附近LED亮度的影響權(quán)重α?？傮w上看，像素的影響權(quán)重α與光擴(kuò)散函數(shù)(PSF)和LED空間分布有關(guān)，該像素的影響權(quán)重并沒(méi)有減弱。在算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，α的大小與圖像內(nèi)容無(wú)關(guān)，僅依賴LED光擴(kuò)散函數(shù)(PSF)。在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，可以利用查表的方式加速計(jì)算速度。若背光LED之間光串?dāng)_影響不大，α直接為1可簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)處理的結(jié)果影響不大。

2.2.2 計(jì)算LED調(diào)制亮度

建立一個(gè)數(shù)組ALed作為投票箱，數(shù)組ALed初值為0，長(zhǎng)度為256，其下標(biāo)與LED亮度等級(jí)0～255對(duì)應(yīng)，用來(lái)記錄不同亮度等級(jí)可以正確顯示像素亮度的能力。將LED亮度輻射區(qū)域M中的像素的LED亮度權(quán)重Apixel加到ALed中，如公式(5)：

(5)

其中：L(i,j)為區(qū)域M內(nèi)像素的亮度；ALed記錄區(qū)域M內(nèi)像素對(duì)不同LED等級(jí)的影響權(quán)重的累加和，ALed的最大值代表該LED亮度等級(jí)的權(quán)重最大，表明在此區(qū)域M內(nèi)使用該亮度等級(jí)顯示HDR圖像的效果最好。如果數(shù)組中有多個(gè)值同時(shí)達(dá)到最大，取這些值的平均值為L(zhǎng)ED的目標(biāo)背光值。這樣可兼顧各像素點(diǎn)的亮度，使得整個(gè)區(qū)域像素點(diǎn)的LCD的亮度調(diào)整能力達(dá)到最大，見(jiàn)公式(6)。

BL=find(ALed=
Max(ALed),1,′mean′)

(6)

2.3 LCD面板顯示圖像計(jì)算方法

得到LED亮度矩陣后驅(qū)動(dòng)LED背光模組，在LCD面板后背光擴(kuò)散圖像。生成LCD液晶面板圖像可分為兩步：利用LED亮度生成背光亮度圖像;生成LCD液晶面板圖像。

2.3.1 生成背光亮度圖像

為了生成LCD液晶面板圖像，需要將LED背光亮度圖和LC面板顯示圖像的分辨率調(diào)整一致。目前的主流方法是依據(jù)LED背光模組的光學(xué)特性建立背光LED光擴(kuò)散函數(shù)(Point spread function, PSF)，利用光擴(kuò)散函數(shù)將LED亮度陣列延展為與LC面板分辨率一致的背光亮度圖。對(duì)于不同的顯示器，需要根據(jù)顯示器的背光光學(xué)特性進(jìn)行建模，得到LC面板各個(gè)像素對(duì)應(yīng)的背光亮度。能否正確生成LED亮度對(duì)LCD面板各個(gè)像素對(duì)應(yīng)的背光亮度，直接影響著圖像最終的顯示效果。

使用LED亮度矩陣與光擴(kuò)散函數(shù)(PSF)卷積是產(chǎn)生與LCD分辨率一致的LED背光擴(kuò)散圖像的普遍方式，但隨著背光LED數(shù)量增多和LCD分辨率提高，算法復(fù)雜度明顯上升。Liao等[15]提出了一種應(yīng)用于分區(qū)背光的模糊-擴(kuò)散法，旨在降低算法復(fù)雜度。該方法的基本原理是使用一個(gè)低通濾波器模板對(duì)背光數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊處理，然后對(duì)其插值擴(kuò)大，如此重復(fù)對(duì)此獲取與圖像數(shù)據(jù)大小一致的光強(qiáng)分布矩陣，以此對(duì)液晶像素進(jìn)行調(diào)整。本文參考該算法的實(shí)現(xiàn)方式，針對(duì)自主開(kāi)發(fā)的LCD-LED雙調(diào)制高動(dòng)態(tài)顯示器[16]，對(duì)算法的參數(shù)和步驟進(jìn)行調(diào)整。實(shí)驗(yàn)使用的顯示器的LCD分辨率為1 920×3 840，背光單元共36×66個(gè)。平均每個(gè)LED對(duì)應(yīng)約60×60個(gè)像素點(diǎn)，用柯尼卡-美能達(dá)亮度計(jì)CS-150測(cè)出單個(gè)LED的亮度對(duì)周邊LED對(duì)應(yīng)區(qū)域的亮度。進(jìn)行歸一化調(diào)整后，得到實(shí)際測(cè)量7×7的光擴(kuò)散矩陣C。將36×66的LED亮度矩陣L最鄰近放大兩倍后與光擴(kuò)散矩陣C卷積，重復(fù)這個(gè)步驟5次得到1 152×2 112分辨率亮度圖。最后，使用雙邊線性插值方式將LED背光陣列L放大到LCD面板分辨率相同的尺寸4K分辨率。算法流程如圖4所示。

圖4 光擴(kuò)散函數(shù)建模流程圖Fig.4 LED brightness range corresponding to pixel brightness

2.3.2 生成LCD液晶面板圖像

由于LED亮度圖分辨率低，背光的亮度圖像無(wú)法還原空間上細(xì)微的亮度差異。與此同時(shí)，顏色信息需要LCD進(jìn)行調(diào)制，若LCD透射率過(guò)低，顏色的差異沒(méi)有辦法表達(dá)出來(lái)。使用HDR圖像除以LED亮度圖得到的LCD亮度圖在亮暗變化強(qiáng)烈的地方會(huì)存在亮度失真現(xiàn)象。本文將HDR圖像V分量的開(kāi)方作為補(bǔ)償項(xiàng)，使用HDR圖像對(duì)LCD圖像進(jìn)行了補(bǔ)償矯正，見(jiàn)公式(7)：

(7)

其中：VHDR是原HDR圖像HSV空間中的亮度V分量，VLCD為L(zhǎng)CD顯示圖像的HSV空間中的亮度V分量，VLED為L(zhǎng)ED背光單元模擬擴(kuò)散的背光亮度分量，k是比例系數(shù)，二者之和為1，針對(duì)本實(shí)驗(yàn)環(huán)境，k為0.8時(shí)顯示效果最好。最后，將LCD顯示圖像的亮度VLCD與HSV空間的色度信息重新組成彩色圖像，還原成LCD顯示的RGB圖像。

3 算法評(píng)價(jià)及分析

為了評(píng)估本文算法性能，我們對(duì)該算法進(jìn)行了軟件仿真以及硬件測(cè)試。為了進(jìn)一步說(shuō)明該算法用于雙調(diào)制LCD-LED顯示器所達(dá)到的效果，本文選擇了6幅exr格式的HDR圖像作為測(cè)試圖像。

圖5和圖6分別給出了本文提出的算法生成的背光LED亮度圖像和LCD顯示圖像。測(cè)試圖像包含室內(nèi)強(qiáng)弱光對(duì)比明顯的顏色板圖像，圖5(a)；前景與遠(yuǎn)景亮度差異明顯的日出圖像，圖5(b)(c)(d)；暗場(chǎng)景的森林圖像，圖5(e)；強(qiáng)光下的建筑圖像，圖5(f)。

目前為止，處理顯示HDR圖像的顯示器并不多，為了評(píng)估本文算法的性能，使用Seetzen 等[3]的算法(Matlab HDR Toolbox[13]中的HDR Monitor Driver程序?qū)崿F(xiàn))、Narwaria等[14]的改進(jìn)算法作為對(duì)照算法，與本文提出的算法進(jìn)行比較。

圖5 6幅測(cè)試圖像的LCD顯示圖像。(a)測(cè)試圖1；(b)瑞士日落；(c)馬蹄潮；(d)白塔1；(e)花園；(f)克諾斯4。Fig.5 LCD display image of 6 test images.(a)Test chat1; (b)Swiss sunset; (c)Horseshoe lake; (d)Stone tower 1; (e)Gardn; (f)Knossos 4.

圖6 6組測(cè)試圖像的LED背光亮度(a)測(cè)試圖1；(b)瑞士日落；(c)馬蹄潮；(d)白塔1；(e)花園；(f)克諾斯4。Fig.6 LCD display image of 6 test images.(a)Test chat1; (b)Swiss sunset; (c)Horseshoe lake; (d)Stone tower 1; (e)Gardn; (f)Knossos 4.

3.1 亮度失真評(píng)價(jià)

首先，將原HDR圖像轉(zhuǎn)換為HSV空間，然后將原圖的亮度V，LCD面板的透射率TLCD和LED的亮度VLED歸一化，計(jì)算出顯示器亮度失真系數(shù)，即顯示亮度與原圖亮度的平均離差平方和，如公式(8)所示。

(8)

其中：M、N分別為圖像行數(shù)和列數(shù)，V(i,j)表示在(i,j)位置上HDR圖像的亮度，TLCD(i,j)為表示在(i,j)位置上LCD顯示圖像的透射率，VLED(i,j)表示在(i,j)位置上背光的亮度。這里DV表示LC-LED雙調(diào)制顯示器的顯示圖像和原HDR圖像的亮度的接近程度，數(shù)值越低說(shuō)明LC-LED雙調(diào)制顯示器對(duì)HDR圖像的還原度越高。

如表1所示，在還原HDR圖像亮度方面，該算法可以顯示器亮度失真系數(shù)低至0.006以下。與文獻(xiàn)[3]算法相比有明顯提升，文獻(xiàn)[3]算法在RGB空間進(jìn)行HDR圖像處理，HDR原圖除以經(jīng)高斯濾波的LED亮度層后，很容易出現(xiàn)RGB取值溢出現(xiàn)象。溢出后的值將轉(zhuǎn)化為亮度一致的白色像素。文獻(xiàn)[14]算法與本文提出的算法均在HSV空間下處理圖像。文獻(xiàn)[14]算法沿用文獻(xiàn)[3]算法的思路，采用HDR亮度分層的方式確定LED背光模組的目標(biāo)亮度圖，然后用LED亮度與逐步逼近LED目標(biāo)亮度圖。本文采用的方式對(duì)于每個(gè)LED亮度獨(dú)立確定其亮度，局部表現(xiàn)力更強(qiáng)。亮度失真指數(shù)除圖像(a)以外，略高于文獻(xiàn)[14]算法。

表1 HDR顯示器亮度失真指數(shù)Tab.1 Brightness distortion index of the HDR Display

表2 HDR顯示器色彩失真指數(shù)Tab.2 Color distortion index of the HDR display

3.2 顏色失真評(píng)價(jià)

首先將原圖和LC面板顯示圖像轉(zhuǎn)換為HSV空間，然后計(jì)算LC面板顯示圖與原圖的色調(diào)H和飽和度S的平均離差平方和，并將二者相加。如公式(9)所示。其中，M、N分別為圖像行數(shù)和列數(shù)，H(i,j)和S(i,j)分別表示在(i,j)位置上HDR圖像的色調(diào)和飽和度，HLCD(i,j)和SLCD(i,j)表示在(i,j)位置上LCD顯示圖像的色調(diào)和飽和度。這里DC表示LCD-LED雙調(diào)制顯示器的顯示圖像和原HDR圖像的色度的接近程度，數(shù)值越低說(shuō)明LCD-LED雙調(diào)制顯示器對(duì)HDR圖像的色度還原度越高。

(9)

從表2可以看出，在還原HDR圖像色度方面本文提出的方法與參照方法相比，3種算法的色彩失真指數(shù)都在同一數(shù)量級(jí)內(nèi)，文獻(xiàn)[14]算法的顏色失真指數(shù)最高，本為提出的算法次之，文獻(xiàn)[3]算法最低。分析原因，LCD顯示圖像的亮度越高，其顏色的表現(xiàn)力越強(qiáng)。文獻(xiàn)[3]算法處理后的LCD顯示圖像亮度最高，文獻(xiàn)[14]算法在HSV空間下處理HDR圖像，有效降低了高亮度圖像區(qū)域的亮度溢出現(xiàn)象，但降低了LCD顯示圖像的整體亮度。本文兼顧了亮度溢出失真和顏色表現(xiàn)效果，這點(diǎn)在色彩失真指數(shù)有所體現(xiàn)。

3.3 樣機(jī)測(cè)試

圖7 HDR顯示器背光模組Fig.7 Backlight module of the HDR display

本文算法測(cè)試和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)都是在自主研發(fā)的雙調(diào)制LCD-LED顯示器[15]上進(jìn)行的。該顯示器是在長(zhǎng)虹U501顯示器基礎(chǔ)上改造完成的高動(dòng)態(tài)顯示器，重新設(shè)計(jì)了背光模組，如圖7所示。

其背光模組采用的是白光LED分區(qū)背光，共劃分為36×66個(gè)分區(qū)，LED驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光分辨率為8 bit，具體參數(shù)如表3所示。

圖8為使用雙調(diào)制LCD-LED高動(dòng)態(tài)顯示器顯示6幅HDR圖像使用參考算法[14]與本文提出的算法顯示效果對(duì)比圖。

亮度失真指數(shù)與色彩失真指數(shù)可以反映出圖像整體與HDR圖像的差異，但是具體的現(xiàn)實(shí)效果，人眼的主觀評(píng)價(jià)更為準(zhǔn)確。對(duì)于高動(dòng)態(tài)顯示器，拍攝的圖像不能直觀反映顯示器的實(shí)際亮度，

表3LCD-LED雙調(diào)制顯示器參數(shù)

Tab.3 Parameters of the LCD-LED dual modulation HDR display

參數(shù)名稱數(shù)據(jù)背光模組36×66 LEDs分辨率1 920×3 840液晶材質(zhì)MVA最大亮度1 200 cd/m2最小亮度< 0.02 cd/m2

但可以看出同一幅圖像不同區(qū)域的亮度和顏色差異。從顯示效果來(lái)看，本文提出的算法圖像的層次感更豐富，對(duì)于細(xì)節(jié)的表現(xiàn)力更強(qiáng)。從圖8可以看出，應(yīng)用本文提出的算法，對(duì)于圖像亮度的細(xì)節(jié)信息保留的更好，圖像層次感更豐富。采用文獻(xiàn)[3]算法所顯示的圖像則整體偏亮，由于亮度過(guò)高導(dǎo)致圖像高亮部分的飽和度下降。采用文獻(xiàn)[14]算法將圖像轉(zhuǎn)換到HSV空間后使用冪律分離LCD亮度層和LED背光亮度層的方式，提高了顏色飽和度，但降低了LCD圖像亮度的層次感。

(f)

圖8 6副HDR顯示器顯示的測(cè)試圖像.本文提出的算法(左),Seetzen等[3]的算法(中),Narwaria等[14]的算法(右)。

Fig.8 Six test images displayed on the HDR display. The algorithm by this paper (left), the algorithm by Seetzenetal[3](middle), the algorithm by Narwariaetal[14](right).

4 結(jié) 論

本文針對(duì)LCD-LED雙調(diào)制顯示器，提出了一種HDR圖像顯示算法。算法首先利用LED對(duì)應(yīng)區(qū)域各像素點(diǎn)亮度LED的取值范圍，確定背光LED 的亮度，然后依據(jù)LED亮度和背光擴(kuò)散函數(shù)得到LCD顯示圖像，最終在LCD-LED雙調(diào)制顯示器上真實(shí)地顯示HDR。并對(duì)6幅HDR圖像進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和樣機(jī)測(cè)試，結(jié)果表明，該算法可以使顯示器亮度失真指數(shù)低至0.006以下。該算法能有效地抑制“光暈”現(xiàn)象和亮度“截?cái)唷爆F(xiàn)象，提高圖像的顯示效果。該算法在LCD-LED雙調(diào)制高動(dòng)態(tài)顯示器上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能有效提高圖像的層次感。該算法的LED亮度的確定方式簡(jiǎn)單，可以在同類型HDR顯示器顯示HDR可以進(jìn)行推廣。該算法可以采用分布式處理方式，便于硬件實(shí)現(xiàn)和算法優(yōu)化。