CN103956151A - 一种用于改善视频图像通透性和动态范围的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于改善视频图像通透性和动态范围的方法，该方法通过在传统的伽马曲线上叠加一条用户曲线，并使用户曲线的形状与视频图像的通透性和动态范围对应起来，通过用户对用户曲线的调整实现改善图像通透性和动态范围的目的。本发明操作方法简便，且能保证曲线平滑，与传统调节方法相比，在灵活性和场景适应性方面更具有优势。

Description

一种用于改善视频图像通透性和动态范围的方法

技术领域

本发明涉及视频图像技术领域，具体为一种用于改善视频图像通透性和动态范围的方法。

背景技术

近年来随着计算机技术和网络技术的快速发展和普及，视频图像技术经历了从模拟到数字，从数字到网络，从标清到高清的一系列转变，而且已经运用在了人们日常生活当中的各个领域，如安防监控、互联网、医疗、汽车、家电、手机等等，可以说现在的人们已经越来越离不开视频了。由此，人们对视频图像质量的要求也越来越高，其中通透性和动态范围是评判视频图像质量的两个非常重要的指标。通透性是视频图像给人眼最直观的感受，一张通透性高的图像主要表现为图像主体部分细节清楚，亮暗分明，层次感强烈，非主体部分可能欠曝或过曝，失去部分细节，但同时消除了对人眼的干扰，因此能给人眼带来非常强烈的视觉冲击，而一张通透性低的图像主要表现为图像细节可辨，但亮暗不明，没有层次，整体画面灰蒙蒙的。动态范围是指一幅图像能够同时展现亮区和暗区细节的能力，一般采用亮区亮度和暗区亮度的比值或分贝值来评估，一张动态范围高的图像表现为图像整体细节清楚，亮区和暗区细节清晰可辨，而一张动态范围低的图像表现为图像部分细节清楚，亮区过曝或暗区欠曝，细节无法辨认。在视频图像技术的实际应用中，如何做到图像通透性高又要动态范围高，已经成为各个厂家竞相追逐的目标。

从原理上来讲，通透性和动态范围这两个指标存在一定的互斥性，因此只能根据人眼的视觉***衡，而不同的人，不同的场景对图像通透性和动态范围的要求往往是不一样的，另外跟后端的显示设备也有关系，不同的设备显示出来的效果往往会不一样，甚至差异很大。因此，为了能让视频图像产品能满足不同场景，不同用户和不同显示设备的要求，就需要提供一种方便、快捷和有效的调节方法或工具。目前市面上的视频相关产品，通透性和动态范围这两个指标一般都是由厂家内部的专业人士调校，而用户对于这两个指标的改善往往无能为力。传统的做法是用户可以通过调节图像的亮度或对比度，或者通过调节带有宽动态功能视频图像产品的宽动态级别来达到一定程度的改善，而所有这些传统的调节方法功能都比较单一，也不够灵活，往往很难达到用户想要的理想效果。对于一个通用的视频图像产品，如果要做到灵活地调节图像通透性和动态范围，最好的办法就是调节视频图像前端的伽马曲线。其实传统的亮度、对比度和数字宽动态等功能都是基于伽马的原理实现的，因此，如果能够做到伽马曲线灵活调节，就能实现任意改变图像通透性和动态范围的功能。但是伽马曲线涉及的离散点很多，而且一定要保证其平滑，也不能失去图像本身的细节和色彩，往往调节的难度比较大，这部分工作一般由工程师完成，或者采用伽马公式计算出来的固定曲线。

伽马曲线是一种用于定义视频图像输入和输出对应关系的曲线，传统的伽马曲线往往采用固定伽马公式生成，即                                                ，其中，I为显示器发光强度，V为输入电压，则为显示伽马；其中，I和V的取值[0, 1]，则为显示伽马，一般的显示器为2.2，曲线如图1所示，

此可见，一幅正常的图像在显示器上显示时，往往会比较暗，因此为了解决这个问题，就需要对显示器或图像进行伽马校正，校正的原理就是通过改变图像输入电压和输出电压的对应关系，达到适配显示器显示的目的，最好的办法就是通过对显示器显示伽马公式进行一个逆运算，得到V和I的公式，将I标记为输入电压，V标记为输出电压即可。假设图像输入电压为Vi，输出电压为VO，则伽马校正曲线为：

为了让显示器的显示效果线性化，如上公式取值为2.2，则正好可以让显示器的显示亮度与视频图像的输入电压划上等号。图2为取值2.2的伽马校正曲线。

但是，线性化显示的图像效果往往不能让人眼感觉舒适，最直观的感受就是通透性比较差，图像灰蒙蒙的，因此很多厂家则采用取值为2.0或1.8，甚至更小的的校正曲线，让图像整体偏暗一些，这样图像对比也会强烈一点，给人眼感觉更舒适。但是，这些固化的伽马曲线，一般都不能适应于所有的场景、所有的用户和所有的后端显示设备，因此为了能让视频图像产品在各种运用场景下都能表现出出色的画质，根据实际场景调整伽马校正曲线就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的提供一种不仅操作方法简便，且能根据实际场景调整伽马校正曲线的视频图像通透性和动态范围的方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于改善视频图像通透性和动态范围的方法，包括以下步骤：

(1)在伽马校正模块内的内部曲线的基础上叠加一条默认的线性曲线，称之为用户曲线；且新增的用户曲线和内部曲线之间独立调节，互不影响，用户修改的是用户曲线，而内部曲线则可以由工程师进行调节，假设用户曲线的输出电压为V_uo，输入电压为V_ui，两者之间的关系用如下公式表示：

假设内部曲线的输出电压为V_O，输入电压为V_i，两者之间的关系用如下公式表示:

(2)采用用户曲线修改用户曲线的方式实现用户曲线与内部曲线的复合，从而生成一条新的复合曲线：即在视频图像产品内部使用不同的内存区域分别存储内部曲线和用户曲线，然后通过运算将内部曲线和用户曲线复合在一起，生成一条新的复合曲线，然后写到伽马校正模块内部使之生效即可；

其运算方法如下：

采用比例复合方式，使内部曲线和用户曲线输入和输出的取值范围相同，将内部曲线对应输入的输出值与用户曲线相应输入的输出和输入的比值作乘积，用如下公式表示：

通过以上的复合计算，最终生成一条新的复合曲线，将新生成的复合曲线应用到伽马模块使之生效即可；

(3) 用户曲线的设定：

用户曲线默认为一条斜率为1且经过原点的直线，用户拖动直线上任意一点的位置，该拖动点称之为控制点，并使直线弯曲且经过控制点，为了保证控制点处平滑，控制点前后的斜率和凹凸性必须一致，即拖动后的曲线在控制点处的一阶导数和二阶导数连续；

(4)将用户曲线的形状与视频图像的通透性和动态范围对应起来：

由于用户曲线最大输入和最大输出相等，都为，根据代数原理计算出控制点的坐标，暗区坐标用表示，亮区坐标用表示，由于控制点的移动是垂直于默认曲线的，得出暗区和亮区控制点移动轨迹的函数：

给暗区和亮区的调节幅度设定一个范围，两个端点分别为和，假定和都为曲线输出端的取值，则暗区和亮区控制点的取值范围分别为：

由于开放给用户的调节幅度都是比较通用的区间，比如[0,100]或[0,128]等，通过计算得到两个取值范围，该取值范围即为用户调节幅度，将实际的坐标值与用户调节幅度进行映射；

(5)通过调整用户曲线上的控制点从而达到改善图像通透性和动态范围的目的。

作为本发明的进一步方案，所述伽马校正模块设置在频图像产品内部。

作为本发明的进一步方案，所述用户曲线在原点和最大值点的中间位置默认有一个控制点，且用户曲线上至少有三个控制点，在保证用户曲线至少有三个控制点的基础上任意增加新的控制点或删除不需要的控制点。

作为本发明的进一步方案，在用户曲线上增加两个控制点，一个在默认曲线1/4处，一个在默认曲线3/4处，并将曲线低于1/2处标记为暗区，高于1/2处标记为亮区，暗区由3/4处的控制点控制，亮区由1/4处的控制点控制。

本发明与以往技术相比，具有以下优点：

本发明可以根据实际场景的需要调整用户曲线，从而实现改善图像通透性和动态范围的目的，操作方法简便，且也能保证曲线平滑，与传统调节方法相比，在灵活性和场景适应性方面更具有优势。

附图说明

图1为现有技术中发光强度和输入电压之间的关系曲线图；

图2为现有技术中伽马校正曲线图；

图3为本发明所述级联原理图；

图4为本发明用户曲线和内部曲线复合流程图；

图5本发明用户曲线上控制点的作用原理图；

图6本发明改善图像通透性的内部曲线形状示意图；

图7本发明改善图像动态范围的内部曲线形状示意图；

图8为本发明用户曲线与暗区和亮区的调节关系图；

图9本发明操作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

一种用于改善视频图像通透性和动态范围的方法，包括以下步骤：

(1)在伽马校正模块内的内部曲线的基础上叠加一条默认的线性曲线，称之为用户曲线；且新增的用户曲线和内部曲线之间独立调节，互不影响，用户修改的是用户曲线，而内部曲线则可以由工程师进行调节，假设用户曲线的输出电压为V_uo，输入电压为V_ui，两者之间的关系用如下公式表示：

假设内部曲线的输出电压为V_O，输入电压为V_i，两者之间的关系用如下公式表示：

(2)将用户曲线与内部曲线的复合，从而生成一条新的复合曲线：

为了能让用户曲线和用户曲线叠加复合在一起，最简单的方式就是级联，即在伽马校正模块之后再运用用户曲线，这样用户曲线的输入就是内部伽马校正模块的输出，即V_ui=V_o，如图3所示：

于是，得到用户曲线输出与内部曲线输入之间的关系，用如下公式表示：

但是，这种方式需要两个伽马校正模块的支持，而一般的产品都不会有两个伽马校正模块，因此采用这种方式只能在特定的产品中应用，为了能使用一个伽马校正模块将用户曲线和内部曲线分离，则需要采用其他的方式；本发明采用了通过用户曲线修改内部曲线的方式实现，即在产品内部使用不同的内存区域分别存储伽马内部曲线和用户曲线，然后通过运算将内部曲线和用户曲线复合在一起，生成一条新的复合曲线，然后写到伽马校正模块内部使之生效；如图4所示：

其中，曲线复合的方式有很多，为了简化计算，本发明采用比例复合方式，由于内部曲线和用户曲线输入和输出的取值范围相同，因此可将内部曲线对应输入的输出值与用户曲线相应输入的输出和输入的比值作乘积，用如下公式表示：

通过以上的复合计算，最终生成一条新的复合曲线，然后将复合曲线应用到伽马模块使之生效即可；

(3) 用户曲线的设定：

用户曲线默认为一条斜率为1且经过原点的直线，在此基础上用户可以拖动直线上任意一点的位置，该拖动点称之为控制点，并使直线弯曲且经过控制点，为了保证控制点处平滑，控制点前后的斜率和凹凸性必须一致，即拖动后的曲线在控制点处的一阶导数和二阶导数连续，如图5所示，图中控制点坐标为（V_uo(k),V_ui(k)）；

为了满足这一特性，可以采用各种不同的插值方法实现，其中三次样条插值计算简便，也比较符合人类习惯，它可以将曲线模拟成一条柔软的绳子，拖动控制点可以使曲线自然弯曲，其中更重要的是这种弯曲的方式生成的内部曲线，不太容易导致图像出现严重的失真，便于操控，实际应用时，用户可以在用户曲线上增加任意多的控制点，每次拖动控制点时由程序对控制点进行插值，生成新的曲线，直至效果满意为止，如果操作时控制点太多，也可以删除已有的控制点，值得注意的是，为了保证曲线的完整性，必须保证曲线上有3个控制点，其中原点和最大值点是固定不动的，这是内部曲线的特性所决定的，因此只需要在内部曲线上额外增加一个控制点即可，本发明默认的用户曲线为一条斜率为1的直线，在原点和最大值点的中间位置默认有一个控制点；

 (4)将用户曲线的形状与视频图像的通透性和动态范围对应起来：

为了改善图像的通透性，需要将图像中暗区变暗，亮区变亮，消除图像给人眼灰蒙蒙的感觉，因此改善图像通透性的内部曲线将会是如图6所示的形状：

为了改善图像的动态范围，基于内部曲线的原理，需要将图像中暗区变亮，亮区变暗，改善图像动态范围的内部曲线将会是如图7所示的形状：

由图6-7所示的两幅曲线示意图可知，通过用户曲线改变图像的通透性和动态范围，只需要4个控制点即可，使得用户操作更简便，本发明在开放用户曲线的操作给用户时，也增加了一种更为简便的操作方式，默认情况下，在用户曲线上增加两个控制点，一个在默认曲线1/4处，一个在默认曲线3/4处，并将曲线低1/2处标记为暗区，高1/2处标记为亮区，暗区由3/4处的控制点控制，亮区由1/4处的控制点控制，本发明给控制点偏离默认曲线的幅度设定一个最大值，这样开放出暗区和亮区的幅度调节，进一步简化了调节曲线的难度，如图8所示：

由于用户曲线最大输入和最大输出相等，都为，根据代数原理计算出控制点的坐标，暗区坐标用表示，亮区坐标用表示，由于控制点的移动是垂直于默认曲线的，得出暗区和亮区控制点移动轨迹的函数：

给暗区和亮区的调节幅度设定一个范围，两个端点分别为和，为了统一幅度大方向为变亮，小方向为变暗，假定和都为曲线输出端的取值，则暗区和亮区控制点的取值范围分别为：

由于开放给用户的调节幅度都是比较通用的区间，比如[0,100]或[0,128]等，利用以上计算得到的两个取值范围，将实际的坐标值与用户调节幅度进行映射；

(5)通过调整用户曲线上的控制点从而达到改善图像通透性和动态范围的目的。

如图9所示，而客户在实际操作时，只需要打开图像调节软件，并连接到设备，调节用户曲线使通透性和动态范围到达要求即可，其中，调节用户曲线有两种不同的方式，一种是使用一个可复用的曲线操作控件，通过控制点直接操作曲线，另一种是使用文本框或者滑动条等控件实现操作界面通过暗区和亮区的幅度进行调节：

通过控制点直接操作曲线：将鼠标移动至曲线上的控制点处，拖动鼠标，改变曲线形状，从而达到改善图像通透性和动态范围的目的，此外还可以通过鼠标在曲线上进行增加或删除控制点的操作。

通过暗区和亮区的幅度进行调节：操作时拖动滑动条滑块即可调节，滑块往右幅值加大，亮度变暗，滑块往左幅值减小，亮度变暗，用户可根据实际场景改变暗区和亮区值，达到改善图像通透性和动态范围的目的，增大亮区值并减小暗区值，图像通透性增加，动态范围减小；减小亮区值并增大暗区值通透性减小，动态范围增加。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。 

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种用于改善视频图像通透性和动态范围的方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)在伽马校正模块内的内部曲线的基础上叠加一条默认的线性曲线，称之为用户曲线；且新增的用户曲线和内部曲线之间独立调节，互不影响，假设用户曲线的输出电压为V_uo，输入电压为V_ui，两者之间的关系用如下公式表示：

假设内部曲线的输出电压为V_O，输入电压为V_i，两者之间的关系用如下公式表示：

(2)采用用户曲线修改用户曲线的方式实现用户曲线与内部曲线的复合，从而生成一条新的复合曲线：即在视频图像产品内部使用不同的内存区域分别存储内部曲线和用户曲线，然后通过运算将内部曲线和用户曲线复合在一起，生成一条新的复合曲线，然后写到伽马校正模块内部使之生效即可；

其运算方法如下：

采用比例复合方式，使内部曲线和用户曲线输入和输出的取值范围相同，将内部曲线对应输入的输出值与用户曲线相应输入的输出和输入的比值作乘积，用如下公式表示：

通过以上的复合计算，最终生成一条新的复合曲线，将复合曲线应用到伽马模块使之生效即可；

(3) 用户曲线的设定：

用户曲线默认为一条斜率为1且经过原点的直线，用户拖动直线上任意一点的位置，该拖动点称之为控制点，并使直线弯曲且经过控制点，控制点前后的斜率和凹凸性必须一致以保证控制点处平滑，即拖动后的曲线在控制点处的一阶导数和二阶导数连续；

(4)将用户曲线的形状与视频图像的通透性和动态范围对应起来：

由于用户曲线最大输入和最大输出相等，都为，根据代数原理计算出控制点的坐标，暗区坐标用表示，亮区坐标用表示，由于控制点的移动是垂直于默认曲线的，得出暗区和亮区控制点移动轨迹的函数：

给暗区和亮区的调节幅度设定一个范围，两个端点分别为和，假定和都为曲线输出端的取值，则暗区和亮区控制点的取值范围分别为：

通过计算得到两个取值范围，该取值范围即为用户调节幅度，将实际的坐标值与用户调节幅度进行映射；

(5)通过调整用户曲线上的控制点从而达到改善图像通透性和动态范围的目的。

2.根据权利要求1所述的一种用于改善视频图像通透性和动态范围的方法，其特征是，所述伽马校正模块设置在频图像产品内部。

3.根据权利要求1所述的一种用于改善视频图像通透性和动态范围的方法，其特征是，所述用户曲线在原点和最大值点的中间位置默认有一个控制点，且用户曲线上至少有三个控制点，在保证用户曲线至少有三个控制点的基础上任意增加新的控制点或删除不需要的控制点。

4.根据权利要求1或3所述的一种用于改善视频图像通透性和动态范围的方法，其特征是，在用户曲线上增加两个控制点，一个在默认曲线1/4处，一个在默认曲线3/4处，并将曲线低于1/2处标记为暗区，高于1/2处标记为亮区，暗区由3/4处的控制点控制，亮区由1/4处的控制点控制。