CN103391412A - 一种光源亮度自适应调节的图像显示方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光源亮度自适应调节的图像显示方法及装置，其装置包括视频图像接收板、平台控制和视频图像处理板、数字微镜驱动板、数字微镜DMD及LED光源，平台控制和视频图像处理板包括微控制器ARM和现场可编程门阵列FPGA；FPGA为实现光源亮度自适应调节的核心处理器，分析视频信号并自适应调节LED光源亮度并增益视频信号的亮度信息，将处理后的视频信号传送给数字微镜驱动板，驱动数字微镜DMD进行投影显示；微控制器ARM用于协调平台工作，并通过USB接口与PC通信实现远程控制。本发明是针对LED光源亮度不足，而提出的亮度自适应调节的图像显示方法，增强了投影显示亮度。

Description

一种光源亮度自适应调节的图像显示方法及装置

技术领域

本发明涉及光源亮度自适应调节的图像显示技术领域，尤其是一种应用于投影***的LED光源亮度自适应调节图像显示方法及装置。

背景技术

对于一个图像显示***，尤其是对于投影***来说，光源部件灯泡为最昂贵的组成部分之一。投影机的光源经过多年的技术更新以及革命性换代，已经出现过多种多样的光源类型。如：金属卤素灯、UHE灯、UHP灯、氙灯等传统光源；LED光源、激光等新型光源。传统光源基本上为单个发光体的点光源，通过色轮折射出不同颜色的光线。传统光源的工作电压从数百伏特至上千伏特，光源内部温度可至上千度，寿命通常为几百到几千小时，色域范围可以达到70%左右的NTSC色域。由于传统光源高的工作电压以及内部温度，使得搭载传统光源的投影机需要严密的散热设计，功率强劲的风扇以及高压电路，这些大大增加了投影机的体积以及成本。新型光源由多个发光体组成，不需要色轮的滤波。新型光源的工作电压小，温度较低无需散热设计，寿命在20000小时以上，色域范围超过120%的NTSC色域，体积小。

由于在寿命，功耗，体积等的巨大优势，新型光源投影机逐渐走入投影机市场。然而LED光源和激光光源投影机各有缺点。激光光源具有很大的安全隐患。这是由于激光光源的能量相当集中，功率好高，可能烧坏物品或者对人体造成伤害。这个致命缺点没有解决，激光投影机很难进入投影机市场。LED光源投影机不存在安全隐患，是十分环保的投影机，但亮度不高使得LED光源投影机没有得到很好的普及。虽然市面上有亮度可以达到1000流明的LED光源投影机，但这个亮度对于日常应用尤其是商务应用还是远远不足；而即使是亮度相对较低的传统投影机，其亮度也可以轻松突破2000流明。为了解决LED光源亮度较低的问题，一般采取的办法是增加发光体LED数量，也就是熟知的点阵式LED光源布局。随着发光体LED数量增加，亮度得到明显的增加，然而过多的发光体LED会增大投影机的体积，增加投影机的功耗以及成本，这样会失去前面所说的大部分LED光源的优势。

因此，对于LED光源的投影机来说，如何提高投影显示的视频图像的亮度，同时没有增加投影机的功耗以及体积，是每个LED投影机厂家在产品设计中的一个关键问题。相对传统投影机，LED光源投影机对投影亮度大小，颜色的组成等不受色轮限制，灵活性很大，这给利用方法增强投影显示图像亮度提供了可能。

发明内容

本发明的目的是针对现有LED光源显示亮度不足而提出的一种光源亮度自适应调节的图像显示方法及装置，其方法通过增强视频图像的亮度信息，使得平均照射亮度低的LED光源能达到高亮度的效果，并通过合理的自适应调节在增加亮度的同时保证色彩的还原性，使得显示的视频图像更加明亮，逼真。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种光源亮度自适应调节的图像显示方法，该方法是：利用直方图分别统计视频信号在一帧图像里R（红色）、G（绿色）、B（蓝色）、W（白色）亮度的分布情况，根据分布情况排序亮度区间段,并判断是否需要进行亮度增益；若判断图像需要进行亮度增益，根据前面得到的亮度区间分布值计算亮度增益系数，并将增益系数乘到原始图像上，提高图像亮度。在增益原始图像亮度的同时利用亮度控制系数调节光源的亮度，降低光源所需的亮度来补偿增益。通过原始图像的自适应亮度增益，光源所需的平均亮度降低的同时，保证显示图像亮度不改变。其具体步骤如下：

a、分别判断输入视频信号每个像素4个颜色分量（RGBW）的亮度值属于哪段亮度区间，增加与此亮度区间对应的寄存器的值，利用这些寄存器得到亮度分布直方图。为了之后对亮度的自适应调节更为精准，这里需要16阶直方图和4阶直方图（以红色（R）为例，n阶直方图表示该直方图有n段，也就是需要n个n阶寄存器HistnR[n]），由于4是16的约数，在得到16阶直方图后可以通过合并的方法得到4阶直方图及其对应的寄存器的值；

b、分析图像直方图，判断是否需要亮度增强处理。将红色对应的4阶寄存器Hist4R[4]按照大小进行排列，将排列的结果保存到排列寄存器iHistNoR[4]中，1表示最大，即与之对应的Hist4R[4]所占比例最大。其它颜色做类似的操作；

判断白色Hist16W[15]是否超过最大的白色峰值，超过将不进行图像亮度增益。白色峰值预先被设置一个常数，之后根据实际显示效果调节它。白色峰值越大，图像更加明亮，但白色峰值过大会由于某些像素值溢出，丢失一些图像细节。

判断非白色的iHistNo4R[3]（如红色），如果等于1，红色将不进行亮度增益处理，其对应的红色LED光源亮度也不需要调节；

c、动态线性调节光源的亮度，降低投影机光源的整体亮度，并计算调节系数RLevel、GLevel、BLevel、WLevel。测出每种颜色光源投影显示最低分辨亮度，并做归一化处理。用RLimit、GLimit、BLimit、WLimit分别表示。归一化的最低分辨亮度可以通过安装在投影机上的亮度传感器自适应调节。在得到归一化的投影显示最低分辨亮度后，计算归一化的最大增益RGainMax、GGainMax、BGainMax、WGainMax。利用得到的最大增益以及之前得到的视频信号4阶直方图计算光源调节系数RLevel、GLevel、BLevel、WLevel；

d、利用亮度调节系数RLevel、GLevel、BLevel、WLevel计算相应的图像增益系数GainR、GainG、GainB、GainW。为了保证最后图像亮度更好的还原视频源的亮度信息，计算中使用LUT（look up table）算法。以红色为例，LUT矩阵的输入端为0～100，表示LevelR扩大100倍的值，LUT矩阵的输出端为GainR*100，缩小100倍后得到GainR。将各色的增益系数与原始输入信号Rin,Gin,Bin,Win分别相乘，得到输出视频信号，Rout=GainR*Rin，Gout=GainG*Gin，Bout=GainB*Bin，Wout=GainW*Win。

一种实现上述光源亮度自适应调节的图像显示方法的装置，该装置包括视频图像接收板、平台控制和视频图像处理板、数字微镜驱动板、LED光源及数字微镜DMD，所述平台控制和视频图像处理板包括微控制器ARM和现场可编程门阵列FPGA，微控制器ARM连接现场可编程门阵列FPGA及数字微镜驱动板并留有与PC机USB通信接口；现场可编程门阵列FPGA分别连接视频图像接收板、数字微镜驱动板、微控制器ARM及LED光源，数字微镜DMD连接数字微镜驱动板及LED光源；其中：

所述现场可编程门阵列FPGA中包括：视频输入模块、视频图像直方图统计模块、视频图像直方图动态分析模块、LED光源控制模块、图像亮度增益模块及视频输出模块，视频图像直方图统计模块分别连接视频输入模块及视频图像直方图动态分析模块，视频图像直方图动态分析模块分别连接LED光源控制模块及图像亮度增益模块，图像亮度增益模块分别连接LED光源控制模块及视频输出模块，LED光源控制模块连接LED光源，视频输出模块连接数字微镜驱动板；

所述现场可编程门阵列FPGA为核心处理器，接受从视频图像接收板传出的视频信号，分析视频信号并自适应调节LED光源亮度，以及增益视频信号的亮度信息，最终将处理后的视频信号传送给数字微镜驱动板，驱动数字微镜DMD进行投影显示；微控制器ARM用于协调平台工作，并通过USB接口与PC通信实现远程控制；数字微镜驱动板用于转换视频信号格式，并将转换后的视频信号发送给数字微镜DMD。

本发明在保证投影***色彩一定的真实还原的基础上，使平均发射亮度低的LED投影机的投影亮度与高亮度的投影机相近，在一定程度上弥补了LED光源投影机显示亮度不足的问题；通过自适应的视频信号亮度调节，以及LED光源亮度控制，使得发射亮度低的LED光源投影机的投影亮度得到提升。

附图说明

图1为本发明中LED光源亮度调节参数的计算原理示意图；

图2为本发明装置结构示意图。

具体实施方式

本发明的方法包括以下步骤：

a、分别判断输入视频信号每个像素4个颜色分量（RGBW）的亮度值属于哪段亮度区间，增加与此亮度区间对应的寄存器的值，通过这些寄存器得到亮度分布直方图。参阅表1，为本发明16阶直方图采集视频图像表格，这里假设输入的信号每种颜色为8bit，对应有256阶灰阶，表格以红色为例，Hist16R[0]～Hist16R[15]表示16阶直方图对应的16个区间段的值。在本发明中R（红色）、G（绿色）、B（蓝色）和W（白色）各需要两个直方图，即16阶直方图和4阶直方图。由于16是4的倍数，因此在得到16阶直方图后可以通过线性叠加算出4阶直方图的相关量。

表1

No条件	对应的增加寄存器
		10<=输入视频信号<16	Hist16R[0]
216<=输入视频信号<32	Hist16R[1]
		332<=输入视频信号<48	Hist16R[2]
448<=输入视频信号<64	Hist16R[3]
		564<=输入视频信号<80	Hist16R[4]
680<=输入视频信号<96	Hist16R[5]
		796<=输入视频信号<112	Hist16R[6]
8112<=输入视频信号<128	Hist16R[7]
		9128<=输入视频信号<144	Hist16R[8]
10144<=输入视频信号<160	Hist16R[9]
		11160<=输入视频信号<176	Hist16R[10]
12176<=输入视频信号<192	Hist16R[11]
		13192<=输入视频信号<208	Hist16R[12]
14208<=输入视频信号<224	Hist16R[13]
		15224<=输入视频信号<240	Hist16R[14]
16240<=输入视频信号<256	Hist16R[15]

利用16阶红色直方图计算4阶红色直方图公式如下：

Hist4R[0]=Hist16R[0]+Hist16R[1]+Hist16R[2]+Hist16R[3]            (1)

Hist4R[1]=Hist16R[4]+Hist16R[5]+Hist16R[6]+Hist16R[7]            (2)

Hist4R[2]=Hist16R[8]+Hist16R[9]+Hist16R[10]+Hist16R[11]          (3)

Hist4R[3]=Hist16R[12]+Hist16R[13]+Hist16R[14]+Hist16R[15]        (4)

4阶直方图由4段组成，每段直方图的值由Hist4R[0]～Hist4R[3]对应表示。同理16阶直方图由16段组成，每段直方图的值由Hist16R[0]～Hist16R[15]对应表示。G(绿色)、B（蓝色）、W（白色）的计算方法类似。

此外，输入的视频信号由RGB3种颜色信号组成，W信号是由RGB3种颜色计算而得。

W（白色）信号的计算公式如下：

W=0.2126*R+0.7152*G+0.0722*B             (5)

b、根据前面直方图的统计结果分析哪些颜色信号需要进行图像亮度增强处理，哪些颜色是不需要的。如果为了增加图像亮度将每帧图像的每个颜色的亮度都增强，图像的投影显示亮度是得到增强，然而会造成视频图像的部分细节丢失，图像没有得到很好的还原。为了解决上述问题，在这里利用前面得到的Hist4R[0]～Hist4R[3]以及Hist16R[0]～Hist16R[15]分析图像的明暗程度，自适应动态选择是否需要进行图像增强。

将红色对应的4阶寄存器Hist4R[4]按照大小进行排列，并将排列的结果保存到排列寄存器iHistNo4R[4]中，1表示最大，即与之对应的Hist4R[4]所占比例最大。其它颜色做类似的操作。红色的排序例子如下：

iHistNo4R[0]=2  Hist4R[0]的值按大小排第二；

iHistNo4R[1]=1  Hist4R[0]的值按大小排第一；

iHistNo4R[2]=4  Hist4R[0]的值按大小排第四；

iHistNo4R[3]=3  Hist4R[0]的值按大小排第三；

G(绿色)、B（蓝色）、W（白色）的排序方法类似。

Hist16W[15]为白色16阶直方图最大区间，相应的亮度权重是最大的。为了避免因亮度增益而丢失高亮度的图像细节，在此判断白色Hist16W[15]是否超过白色峰值，超过将不进行图像亮度增益。白色峰值预先被设置一个常数，之后根据实际显示效果调节它。白色峰值越大，图像更加明亮，但白色峰值过大会由于某些像素值溢出，丢失一些图像细节。判断式如下：

if（Hist16W[15]>WhitePeak）then TRUE        (6)

(6)式中的WhitePeak为白色峰值，如果判断结果为TRUE，则这帧图像不进行亮度增益。

白色亮度的判断是为了保留整帧图像的细节部分，而视频信号由R（红色）、G（绿色）、B（蓝色）、W（白色）4种颜色组成，为了避免显示图像因某种颜色的失真而造成色彩失真，同样需要判断其它颜色在各自直方图的高阶区间是否所占比例过高。

判断式如下：

if(iHistNo4R[3]==1)   then TRUE   (7)

if(iHistNo4G[3]==1)   then TRUE   (8)

if(iHistNo4B[3]==1)   then TRUE   (9)

(7)(8)(9)式中的iHistNo4R[3]、iHistNo4R[3]、iHistNo4R[3]为前面所求的排列寄存器，等于1表明所占比例最高，与之对应的LED光源将不进行亮度增益。

c、参阅图1（R（红色）为例），动态线性调节光源的亮度，降低投影机光源的整体亮度，并计算调节系数RLevel、GLevel、BLevel、WLevel。测出每种颜色光源投影显示最低分辨亮度，并做归一化处理，用RLimit、GLimit、BLimit、WLimit分别表示。归一化的最低分辨亮度可以通过安装在投影机上的亮度传感器自适应调节。在得到归一化的投影显示最低分辨亮度后，计算归一化的最大增益RGainMax、GGainMax、BGainMax、WGainMax，计算公式如下：

RGainMax=1.0-RLimit                （10）

GGainMax=1.0-GLimit                （11）

BGainMax=1.0-BLimit                （12）

WGainMax=1.0-WLimit                （13）

之后利用得到的最大增益以及之前得到的视频信号4阶直方图计算光源调节系数RLevel、GLevel、BLevel、WLevel。计算公式如下：

RLevel=1.0-((Hist16R[0]+Hist16R[1]/2+Hist16R[2]/4+Hist16R[3]/8)*RGainMax)  (14)

GLevel=1.0-((Hist16G[0]+Hist16G[1]/2+Hist16G[2]/4+Hist16G[3]/8)*GGainMax)  (15)

BLevel=1.0-((Hist16B[0]+Hist16B[1]/2+Hist16B[2]/4+Hist16B[3]/8)*BGainMax)  (16)

WLevel=1.0-((Hist16W[0]+Hist16W[1]/2+Hist16W[2]/4+Hist16W[3]/8)*WGainMax)  (17)。

d、利用亮度调节系数RLevel、GLevel、BLevel、WLevel计算相应的图像增益系数GainR、GainG、GainB、GainW。为了保证最后图像亮度更好的还原视频源的亮度信息，计算中使用LUT（look up table）算法。以红色为例，LUT矩阵的输入端为0～100，表示LevelR扩大100倍的值，LUT矩阵的输出端为GainR*100，缩小100倍后得到GainR。计算基本公式如下：

GainR=1.0/RLevel                    (18)

GainG=1.0/GLevel                    (19)

GainB=1.0/BLevel                    (20)

GainW=1.0/WLevel                    (21)

为了防止增益溢出，在计算GainR、GainG、GainB、GainW后，为了防止增益溢出，需要判断增益值是否过大。

最后，将各色的增益系数与原始输入信号Rin,Gin,Bin,Win分别相乘，得到输出视频信号，Rout=GainR*Rin，Gout=GainG*Gin，Bout=GainB*Bin，Wout=GainW*Win。

参阅图2，是本发明装置结构示意图；该装置包括视频图像接收板、平台控制和视频图像处理板平台控制和视频图像处理板、数字微镜驱动板、数字微镜DMD以及LED光源。平台控制和视频图像处理板包括微控制器ARM和现场可编程门阵列FPGA，微控制器ARM连接FPGA，数字微镜驱动板，并留有与PC（个人电脑）USB通信接口；FPGA连接视频图像接收板、数字微镜驱动板、微控制器ARM、LED光源。数字微镜DMD连接在数字微镜驱动板上。其中，FPGA中的驱动模块包括：视频输入模块、视频图像直方图统计模块、视频图像直方图动态分析模块、LED光源控制模块、图像亮度增益模块以及视频输出模块。FPGA为实现上述方法的核心处理器，接受从视频图像接收板传出的视频信号，分析视频信号并自适应调节LED光源亮度，以及增益视频信号的亮度信息，最终将处理后的视频信号传送给数字微镜驱动板，驱动数字微镜DMD进行投影显示。微控制器ARM用于协调平台工作，并通过USB接口与PC通信实现远程控制。数字微镜驱动板用于转换视频信号格式，并将转换后的视频信号发送给数字微镜DMD。

本发明装置的具体工作过程如下：

视频图像接收板接收到视频信号后，将视频信号传送给FPGA中的视频输入模块。视频图像直方图统计模块将接收到的视频信号以帧为单位保存在内存单元DDR2中。按照一定顺序读取DDR2内的值，统计出16阶直方图每个区间段的值，并将这些区间段线性叠加算出4阶直方图每个区间段的值。之后将这些直方图区间段信息送入视频图像直方图动态分析模块，经过逻辑处理后来判断该帧图像是否需要进行亮度调节，并利用控制信号控制LED光源控制模块、图像亮度增益模块。LED光源控制模块将视频图像直方图统计模块中的直方图区间段值经过处理和计算，得到光源亮度调节系数。图像亮度增益模块利用亮度调节系数通过LUT算法计算出图像增益系数，并将图像增益系数作用在视频信号上。由图像亮度增益模块输出的视频信号经视频输出模块传送给数字微镜驱动板，驱动数字微镜DMD进行投影显示。

Claims (2)

1. 一种光源亮度自适应调节的图像显示方法，其特征在于该方法是：利用直方图分别统计视频信号在一帧图像里红色（R）、绿色（G）、蓝色（B）、白色（W）亮度的分布情况，根据分布情况将亮度区间段进行排序，并判断是否需要进行亮度增益；若判断图像需要进行亮度增益，则根据亮度区间分布值计算亮度增益系数，并将增益系数乘到原始图像上，提高图像亮度；在增益原始图像亮度的同时利用亮度控制系数调节光源的亮度，降低光源所需亮度，补偿增益；通过原始图像的自适应亮度增益，在保证显示图像亮度不改变的同时，降低光源所需的平均亮度；其具体步骤如下：

       a、分别判断输入视频信号每个像素的4个颜色分量（RGBW）亮度值属于16阶直方图哪段亮度区间，增加与此亮度区间对应的寄存器的值；利用合并16阶直方图对应的寄存器的方式，得到4阶直方图及其对应的寄存器的值；

       b、分析图像直方图，判断是否需要亮度增强处理；把各色对应的4阶寄存器Hist4C[4]按照大小进行排列，并将排列的结果分别保存到排列寄存器iHistNoC[4]；其中，C表示红、绿、蓝、白四种颜色之一；

判断白色Hist16W[15]是否超过最大的白色峰值，超过将不进行图像亮度增益；白色峰值预先被设置一个常数，之后根据实际显示效果调节；

       分别判断非白色的iHistNo4R[3]，iHistNo4G[3]，iHistNo4B[3]，若某颜色对应的排列寄存器值等于1，该色将不进行亮度增益处理，其对应的该色LED光源亮度也不需要调节；

       c、动态线性调节光源的亮度，降低投影机光源的整体亮度，并计算调节系数RLevel、GLevel、BLevel、WLevel；测出每种颜色光源投影显示最低分辨亮度，并做归一化处理，用RLimit、GLimit、BLimit、WLimit分别表示；利用归一化的最低分辨亮度计算归一化的最大增益RGainMax、GGainMax、BGainMax、WGainMax；之后利用最大增益以及视频信号4阶直方图计算光源调节系数RLevel、GLevel、BLevel、WLevel；

       d、利用亮度调节系数RLevel、GLevel、BLevel、WLevel计算相应的图像增益系数GainR、GainG、GainB、GainW；将各色的增益系数与原始输入信号分别相乘，得到输出视频信号。

2. 一种实现权利要求1所述亮度自适应调节的图像显示方法的装置，其特征在于该装置包括视频图像接收板、平台控制和视频图像处理板、数字微镜驱动板、LED光源及数字微镜DMD，所述平台控制和视频图像处理板包括微控制器ARM和现场可编程门阵列FPGA，微控制器ARM连接现场可编程门阵列FPGA及数字微镜驱动板并留有与PC机USB通信接口；现场可编程门阵列FPGA分别连接视频图像接收板、数字微镜驱动板、微控制器ARM及LED光源，数字微镜DMD连接数字微镜驱动板及LED光源；其中：

所述现场可编程门阵列FPGA中包括：视频输入模块、视频图像直方图统计模块、视频图像直方图动态分析模块、LED光源控制模块、图像亮度增益模块及视频输出模块，视频图像直方图统计模块分别连接视频输入模块及视频图像直方图动态分析模块，视频图像直方图动态分析模块分别连接LED光源控制模块及图像亮度增益模块，图像亮度增益模块分别连接LED光源控制模块及视频输出模块，LED光源控制模块连接LED光源，视频输出模块连接数字微镜驱动板；

所述现场可编程门阵列FPGA为核心处理器，接受从视频图像接收板传出的视频信号，分析视频信号并自适应调节LED光源亮度，以及增益视频信号的亮度信息，最终将处理后的视频信号传送给数字微镜驱动板，驱动数字微镜DMD进行投影显示；微控制器ARM用于协调平台工作，并通过USB接口与PC通信实现远程控制；数字微镜驱动板用于转换视频信号格式，并将转换后的视频信号发送给数字微镜DMD。

Images