一种高动态对比度图像的色调映射与显示方法与流程

本发明属于显示控制技术领域，具体地说，尤其涉及一种高动态对比度图像的色调映射与显示方法。

背景技术：

自然界的亮度范围为1E-6至1.6E+9尼特，对比度高达10¹⁵。人眼的静态对比度范围为1000:1-15000:1，但是通过改变瞳孔的大小以控制不同的光通量，人眼的动态对比度高达1000000：1。而普通的显示器通常采用8bit编码，灰阶数变化范围为0-255，对比度仅有1000左右，因而在显示高动态对比度图像时会出现严重对比度失真现象，失真现象主要表现为细节丢失、亮部过曝或者暗部欠曝等特征。

在传统的胶片成像技术中，通过人为降低亮部的曝光量或者增加暗部的曝光量来获得高对比度的图像细节，即欠曝光及过曝光。现有的专业成像设备随着CCD或者CMOS探测器技术的发展，部分成像设备的对比度已经达到30000:1。但是，目前高动态对比度的显示器尚未完全普及，因而如何在传统显示器上实现高动态对比度图像的显示就显得尤为重要。

对应于如何在传统显示器上实现高动态对比度图像问题，色调映射应用而生。但是，色调映射采用传统的全局变量方法在处理局部细节方面仍然不尽完美。

技术实现要素：

为解决以上问题，本发明提供了一种高动态对比度图像的色调映射与显示方法，用于获得层次分明的局部图像细节。

根据本发明的一个实施例，提供了一种高动态对比度图像的色调映射与显示方法，包括：

S101、获取显示器最大灰阶对应亮度及最小灰阶对应亮度；

S102、获取输入帧图像的亮度分布及其最小亮度对应的像素位置；

S103、对输入帧图像的所有像素分别沿第一方向和第二方向计算亮度梯度；

S104、采用梯度压缩函数对所述亮度梯度进行压缩处理；

S105、赋值最小亮度对应的像素位置为最小灰阶对应亮度，并以其为中心将压缩处理后的亮度梯度分别沿所述第一方向和所述第二方向重构整帧图像；

S106、获取重构后整帧图像的最大亮度，并结合显示器最大灰阶对应亮度计算比例系数；

S107、采用所述比例系数修正所述梯度压缩函数，并以修正后的梯度压缩函数重复一次步骤S104和S105后输出显示。

根据本发明的一个实施例，所述第一方向和所述第二方向设定为分别平行于显示器屏幕的相邻两边，其中，所述第一方向和所述第二方向垂直，并且以水平向右及竖直向下为正方向。

根据本发明的一个实施例，所述梯度压缩函数表示为：

f(x)＝A*x^1/B

其中，A为实数，B为正整数，x为亮度梯度。

根据本发明的一个实施例，获取重构后整帧图像的最大亮度，并结合显示器最大灰阶对应亮度计算比例系数进一步包括采用下式计算所述比例系数k：

k＝L_max/Lum_max

其中，L_max表示显示装置最大灰阶对应亮度，Lum_max表示整帧图像最大亮度。

根据本发明的一个实施例，采用所述比例系数修正所述梯度压缩函数进一步包括：

f’(x)＝k*f(x)

其中，f(x)表示梯度压缩函数，f’(x)表示修正后的梯度压缩函数。

根据本发明的一个实施例，采用下式对输入帧图像的所有像素分别沿第一方向和第二方向计算亮度梯度：

D1’(m,n)＝{L(m+1,n)-L(m,n)}/L(m,n)

D2’(m,n)＝{L(m,n+1)-L(m,n)}/L(m,n)

其中，D1’(m,n)表示第一方向亮度梯度，D2’(m,n)表示第二方向亮度梯度，L(m+1,n)表示坐标(m+1,n)对应像素的亮度，L(m,n+1)表示坐标(m,n+1)对应像素的亮度,L(m,n)表示坐标(m,n)对应像素的亮度。

根据本发明的一个实施例，分别沿所述第一方向和所述第二方向重构整帧图像进一步包括：

获取当前像素对应所述第一方向和所述第二方向沿正方向上相邻像素的亮度梯度；

分别沿所述第一方向的正方向和所述第二方向的正方向，根据相邻像素的亮度及亮度梯度计算当前像素的亮度。

根据本发明的一个实施例，根据相邻像素的亮度及亮度梯度计算当前像素的亮度，并采用下式计算当前像素的亮度：

L(x,y)＝{L(x-1,y)(1+D1'(x-1,y))+L(x,y-1)(1+D2'(x,y-1))}/2

其中，L(x,y)表示坐标为(x,y)的像素的亮度，L(x-1,y)表示坐标为(x-1,y)的像素的亮度，L(x,y-1)表示坐标为(x,y-1)的像素的亮度，D1'(x-1,y)表示坐标为(x,y)的像素与坐标为(x-1,y)的像素的亮度梯度，D2'(x,y-1)表示坐标为(x,y)的像素与坐标为(x,y-1)的像素的亮度梯度。

根据本发明的一个实施例，采用搜索法获取所述最小亮度对应的像素位置。

根据本发明的一个实施例，当同一输入帧图像中包括多个最小亮度对应的像素位置时，取第一个搜索到的最小亮度对应的像素位置。

本发明的有益效果：

本发明将重构后的整帧图像最大亮度对应为显示器的最大灰阶，从而使得整帧图像具有最大的亮度覆盖范围，进而获得层次分明的局部图像细节。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明的一个实施例的方法流程图；

图2是根据本发明的一个实施例的第一方向和第二方向示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的采用梯度压缩函数处理亮度梯度的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明提供了一种高动态对比度图像的色调映射与显示方法，利用人眼视觉系统对于局部对比度相较于绝对亮度差异更敏感的特点，优化不同亮度对比度的压缩比例，通过牺牲绝对亮度值分布实现了局部图像对比度相对大小的维持，从而获得层次分明的局部图像细节。

如图1所示为根据本发明的一个实施例的方法流程图，以下参考图1来对本发明进行详细说明。

首先，在步骤S101中，获取显示装置最大灰阶对应亮度及最小灰阶对应亮度。

具体的，对应于每个具体的显示装置，其具有固定的灰阶显示范围，包括最大灰阶、最小灰阶以及两个灰阶之间的各灰阶，还具有其固定的亮度显示范围。一般情况下，显示装置的最大灰阶对应显示装置的最大亮度，最小灰阶对应显示装置的最小亮度。基于以上设定，在本发明中，获取显示装置最大灰阶对应亮度即显示装置的最大亮度L_max，最小灰阶对应亮度及显示装置的最小亮度L_min。

接下来，在步骤S102中，获取输入帧图像的亮度分布及其最小亮度对应的像素位置。

具体的，对于每一输入帧图像，均可以获取其每个像素位置的灰阶及亮度信息，从而获取整个帧图像的亮度分布信息，并可以获取该帧图像中最小亮度像素的位置。

在获取一帧图像中最小亮度对应的像素位置时，可以采取搜索算法。具体的，初始过程中记当前帧(0,0)像素对应最小亮度，当搜索到更低值更新最小亮度坐标为当前值。在整帧图像存在多个最低亮度时，仅取第一个搜索到的像素坐标为亮度最低值坐标(M,N)。

接下来，在步骤S103中，对输入帧图像的所有像素分别沿第一方向和第二方向计算亮度梯度。

在本发明的一个实施例中，第一方向和第二方向分别平行于显示器屏幕的相邻两边，其中，第一方向和第二方向垂直，并且以水平向右及竖直向下为正方向，如图2所示。此处的水平向和竖直向以面对基板方向为基准定义的水平方向和竖直方向。当然，此处的第一方向和第二方向也可以根据需要设计为其他方向。

此处以如图2所示的方向为例进行说明，第一方向和第二方向如图中标注，(M,N)表示该帧图像中像素亮度最低值对应的坐标，(m,n)表示该帧图像中任一像素对应的坐标。坐标(m,n)对应像素的第一方向的亮度梯度可通过下式计算得到：

D1’(m,n)＝{L(m+1,n)-L(m,n)}/L(m,n) (1)

其中，D1’(m,n)表示第一方向亮度梯度，L(m+1,n)表示坐标(m+1,n)对应像素的亮度，L(m,n)表示坐标(m,n)对应像素的亮度。

坐标(m,n)对应像素的第二方向的亮度梯度可通过下式计算得到：

D2’(m,n)＝{L(m,n+1)-L(m,n)}/L(m,n) (2)

其中，D2’(m,n)表示第二方向亮度梯度，L(m,n+1)表示坐标(m,n+1)对应像素的亮度。

接下来，在步骤S104中，采用梯度压缩函数对亮度梯度进行压缩处理。

在本发明中采用的梯度压缩函数f(x)要求具有显著的特征，能够在一定程度上提高低亮度梯度的梯度值，从而改善亮度缓变区的细节呈现能力，同时显著压缩高亮度梯度的梯度值，从而降低亮暗巨变区的对比度覆盖范围，发挥压缩动态对比度的作用。

在本发明的一个实施例中，采用的梯度压缩函数表示为：

f(x)＝A*x^1/B (3)

其中，A为实数，B为正整数，x为亮度梯度。其对应的典型示意图及与y＝x的相对关系如图3所示，显然在梯度值较小时，D1”(m,n)>D1’(m,n)，增强细节呈现能力，梯度值较大时，D1”(m,n)<D1’(m,n)，压缩梯度绝对值以适应传统显示器有限的对比度范围。D1”(m,n)表示压缩处理后的亮度梯度，D1”(m,n)和D1’(m,n)的处理关系表示为D1”(m,n)＝f(D1’(m,n))。

接下来，在步骤S105中，赋值最小亮度对应的像素位置为最小灰阶对应亮度并以其为中心将压缩处理后的亮度梯度分别沿第一方向和第二方向重构整帧图像。

具体的，首先获取当前像素(x,y)对应第一方向和第二方向沿正方向上相邻像素的亮度梯度。然后分别沿第一方向的正方向和第二方向的正方向，根据相邻像素的亮度及亮度梯度计算当前像素的亮度，可采用下式计算当前像素的亮度：

L(x,y)＝{L(x-1,y)(1+D1'(x-1,y))+L(x,y-1)(1+D2'(x,y-1))}/2 (4)

其中，L(x,y)表示坐标为(x,y)的像素的亮度，L(x-1,y)表示坐标为(x-1,y)的像素的亮度，L(x,y-1)表示坐标为(x,y-1)的像素的亮度，D1'(x-1,y)表示坐标为(x,y)的像素与坐标为(x-1,y)的像素的亮度梯度，D2'(x,y-1)表示坐标为(x,y)的像素与坐标为(x,y-1)的像素的亮度梯度，如图2所示。

接下来，在步骤S106中，获取重构后整帧图像的最大亮度，并结合显示器最大灰阶对应亮度计算比例系数。

具体的，采用下式计算所述比例系数：

k＝L_max/Lum_max (5)

其中，k表示比例系数，L_max表示显示装置最大灰阶对应亮度，Lum_max表示整帧图像最大亮度。

接下来，在步骤S107中，采用比例系数修正所述梯度压缩函数，并以修正后的梯度压缩函数重复一次步骤S104和S105后输出显示。

具体的，采用比例系数通过下式修正梯度压缩函数：

f’(x)＝k*f(x) (6)

其中，f(x)表示梯度压缩函数，f’(x)表示修正后的梯度压缩函数。

在将梯度压缩函数修正后，返回步骤S104，采用修正后的梯度压缩函数对亮度梯度进行压缩处理，之后进入步骤S105，将采用修正梯度函数压缩处理后的亮度梯度沿第一方向和第二方向重构整帧图像，最后将重构后的图像输出。需注意的是，此处只需要循环执行步骤S104和S105一次即可。通过以上处理，将重构后的整帧图像最大亮度对应为显示器的最大灰阶，从而使得整帧图像具有最大的亮度覆盖范围，进而获得层次分明的局部图像细节。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。