CN107799080B

CN107799080B - 一种基于分段式曲线的液晶像素补偿方法

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Publication number: CN107799080B
Application number: CN201711077506.2A
Authority: CN
Inventors: 张涛; 潘希豪
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2017-11-03
Filing date: 2017-11-03
Publication date: 2019-09-27
Anticipated expiration: 2037-11-03
Also published as: CN107799080A

Abstract

一种基于分段式曲线的液晶像素补偿方法：对原始图像进行分区，采用最大值法或平均值法或均方根法，分别获取每个分区中像素点的特征值，将所述的特征值作为对应分区的背光亮度值；将原始图像的RGB分量转化为YUV分量；将转化的Y分量根据划分规则划分成不同的亮度区域，对不同的亮度区域根据亮度的需求，进行亮度调整得到Y1分量；利用γ校正对Y1分量进行非线性补偿得到Y2分量；将所得到的Y2U1V1分量经过如下公式转换为R1G1B1分量，输出图像。利用本发明的方法处理后的图像，经过对大量不同的图像进行测试，最大值法对比度平均下降了25％，经过分段式补偿曲线得到的图像对比度相比于原图平均提升了80％，而相比于最大值平均提升了160％。

Description

一种基于分段式曲线的液晶像素补偿方法

技术领域

本发明涉及一种液晶像素补偿方法。特别是涉及一种应用于区域背光显示中的基于分段式曲线的液晶像素补偿方法。

背景技术

液晶显示器(LCD)为被动发光性显示装置，需要借助发光二极管(LED)作为背光源才能实现显示功能。背光源在传统恒定亮度模式下，消耗过多的电能，同时由于液晶本身的非理想特性引起漏光现象严重降低了图像的对比度。动态调光技术是根据图像内容调节背光的发光强度，并对液晶像素进行补偿，能够降低液晶显示器的功耗同时提升图像的对比度。

现有的LED液晶显示器的背光动态调光算法根据背光模块中光源是否区域可控，可分为全局调光技术和区域调光技术。全局调光技术是根据输入图像的内容，对整体进行背光亮度的调节。而区域调光则是根据相应区域的图像内容调节该区域的背光亮度。

现有的LED区域背光调光技术主要指的是2D区域，它主要分为两个部分：背光亮度的提取和液晶像素补偿。其中，背光亮度的提取指的是将背光模组分成若干个矩形区域，根据各分区的图像内容动态地提取出能表征该分区亮度信息的特征参数，然后利用该参数动态改变该分区背光亮度来控制该块分区背光源的亮暗。目前，国内外已有较多的LED区域背光动态调光算法，较为传统的区域背光动态调光算法主要有最大值法、平均值法和均方根法。最大值法是以分区中各个像素的亮度最大值作为该分区的背光亮度值；平均值法是选取分区中所有像素的平均亮度值作为该分区的背光亮度值；均方根法是将分区中的所有像素的亮度平均值归一化后开方乘以255，得到背光亮度值。液晶像素补偿则是区域背光动态调光技术尤为重要的一步，它确保在背光源的亮度降低时，保证调光后的图像经过补偿后其整体亮度和色彩与背光全亮时基本保持一致。液晶像素补偿就是对显示图像的像素值进行一些必要的变换来得到预期的显示效果的过程。目前普遍的液晶像素补偿算法主要分为线性补偿方法和非线性补偿方法。线性补偿方法认为液晶显示器的显示亮度是背光部分和液晶显示屏部分的亮度的乘积，即：

BL_full×LC＝BL′×LC′

其中：BL_full表示背光全亮时的背光亮度，一般为255；LC表示调光前的液晶像素亮度值；BL′表示调光后的背光亮度值；LC′表示调光后的液晶像素亮度值。

从而可得到线性补偿方法的像素补偿公式为：

目前较为常见的非线性补偿方法为γ校正，为保证调光前后人眼所感受到的亮度值基本保持一致，其补偿原理如下：

其中：BL和BL′分别表示调光前后的背光亮度值；LC和LC′分别表示调光前后的液晶像素的亮度；BL_full一般取做255；γ是伽马校正系数，一般取做2.2。

从而得到γ校正的像素补偿公式：

非线性补偿方式虽然较线性补偿方式更为复杂，但很好的解决了线性补偿方式中产生的削幅现象，在有效降低功耗的同时，显著提高显示质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够增强图像对比度的基于分段式曲线的液晶像素补偿方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于分段式曲线的液晶像素补偿方法，包括如下步骤：

1)对原始图像进行分区，采用最大值法或平均值法或均方根法，分别获取每个分区中像素点的特征值，将所述的特征值作为对应分区的背光亮度值；

2)将原始图像的RGB分量转化为YUV分量，转化公式如下：

3)将转化的Y分量根据划分规则划分成不同的亮度区域，对不同的亮度区域根据亮度的需求，进行亮度调整得到Y1分量；

4)利用γ校正对Y1分量进行非线性补偿得到Y2分量，

式中，BL_full表示光源全亮时的亮度值，取做255，BL_smoothed表示得到的背光亮度值经过背光平滑扩散后得到的亮度值；

经过γ校正得到Y2分量后，相比Y分量得到比例系数k，再采用下式分别对U分量和V分量进行同比增大，得到U1和V1，

k＝Y2/Y

U1＝k×(U-128)+128

V1＝k×(V-128)+128；

5)将所得到的Y2U1V1分量经过如下公式转换为R1G1B1分量，输出图像，

步骤1)中当采用最大值法获取每个分区中像素点的特征值时，所述的特征值是将分区中所有像素点中亮度最大的值作为该分区的背光亮度值；当采用平均值法获取每个分区中像素点的特征值时，所述的特征值是将分区中所有像素点中亮度的平均值作为该分区的背光亮度值；当采用均方根法获取每个分区中像素点的特征值时，所述的特征值是将分区中的所有像素点的亮度平均值归一化后开方乘以255的结果作为该分区的背光亮度值。

步骤3)中所述的划分规则是定义图像中亮度值低于最高亮度255的30％为低亮度区，定义图像中亮度值高于最高亮度255的70％为高亮度区；或定义低于图像中所有亮度值的30％点处的亮度值为低亮区，定义介于图像中所有亮度值的30％亮度值和70％的处的亮度值为中亮区，定义高于图像中所有亮度值的70％点处的亮度值为高亮区。

步骤3)中所述的亮度调整是将划分好的不同亮度区采用不用的曲线进行调整，采用S曲线或对数曲线或直线进行亮度调整，利用调整后的曲线根据不同需求方式组成分段式补偿曲线应用在γ校正之前，为保证在不同亮度区之间进行变换时不会产生分层现象，需要在临界亮度之间不同曲线切换时保证亮度的连续性，平滑过渡。

所述的S曲线的方程如下：

式中：Y表示输入亮度值；Y1表示输出亮度值；a表示S曲线的曲率参数；Y_point表示S曲线拐点的横坐标；

所述的对数曲线的方程如下：

Y1＝Y×log₁₀(1+aY)

式中：Y表示输入亮度值；Y1表示输出亮度值；a表示对数曲线的曲率参数；

所述的直线的方程如下：

Y1＝Y

式中：Y表示输入亮度值；Y1表示输出亮度值。

步骤4)中所述的背光平滑扩散是指模拟背光源发光的扩散，所述模拟扩散是采用卷积方法和BMA方法。

本发明的一种基于分段式曲线的液晶像素补偿方法，对比度得到了相应的提高，更符合人眼的视觉体验。利用本发明的方法处理后的图像，经过对大量不同的图像进行测试，最大值法对比度平均下降了25％，经过分段式补偿曲线得到的图像对比度相比于原图平均提升了80％，而相比于最大值平均提升了160％。

附图说明

图1a是原始测试图像；

图1b是对原始测试图像经过最大值法处理后的图像；

图1c是对原始测试图像经过本发明方法处理后的图像；

图2a是原始测试图像；

图2b是对原始测试图像经过最大值法处理后的图像；

图2c是对原始测试图像经过本发明方法处理后的图像；

图3是实验结果对比折线图；

图4是分段式补偿曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种基于分段式曲线的液晶像素补偿方法做出详细说明。

本发明的一种基于分段式曲线的液晶像素补偿方法，包括如下步骤：

其中，当采用最大值法获取每个分区中像素点的特征值时，所述的特征值是将分区中所有像素点中亮度最大的值作为该分区的背光亮度值；当采用平均值法获取每个分区中像素点的特征值时，所述的特征值是将分区中所有像素点中亮度的平均值作为该分区的背光亮度值；当采用均方根法获取每个分区中像素点的特征值时，所述的特征值是将分区中的所有像素点的亮度平均值归一化后开方乘以255的结果作为该分区的背光亮度值。这里采用最大值法提取背光亮度值。

2)将原始图像的RGB分量转化为YUV分量，转化公式如下：

其中，划分规则是定义图像中亮度值低于最高亮度255的30％为低亮度区，定义图像中亮度值高于最高亮度255的70％为高亮度区；或定义低于图像中所有亮度值的30％点处的亮度值为低亮区，定义介于图像中所有亮度值的30％亮度值和70％的处的亮度值为中亮区，定义高于图像中所有亮度值的70％点处的亮度值为高亮区等等，划分规则可以按照其他规则任意划分，这里人为的将图像根据原始亮度划分成3个不同的亮度区，即将对最高亮度值255进行三等分，亮度值低于64的像素点划分在低亮度的区域，亮度值高于192的像素点划分在高亮度的区域，其余处在其中间的像素点划分在中亮度的区域，具体划分情况如下：

其中，所述的亮度调整是将划分好的不同亮度区采用不用的曲线进行调整，采用S曲线或对数曲线或直线进行亮度调整。

所述的S曲线的方程如下：

所述的对数曲线的方程如下：

Y1＝Y×log₁₀(1+aY)

所述的直线的方程如下：

Y1＝Y

式中：Y表示输入亮度值；Y1表示输出亮度值。

利用调整后的曲线根据不同需求方式组成分段式补偿曲线应用在γ校正之前，为保证在不同亮度区之间进行变换时不会产生分层现象，需要在临界亮度之间，左右不同曲线切换时保证亮度的连续性，平滑过渡；这里，补偿曲线如图4所示，其中：Y表示由RGB转化而来的Y分量，Y1表示经过分段式补偿曲线映射得到的补偿值。这里将64和192作为Y_point值，选用不同的a值，得到两条S曲线。低亮区截取一条S曲线的下半部分，高亮区截取另一条S曲线的上半部分，中亮区部分则采用直线直接映射，可大大减少计算复杂度

4)利用γ校正对Y1分量进行非线性补偿得到Y2分量，

式中，BL_full表示光源全亮时的亮度值，取做255，BL_smoothed表示步骤1)中得到的背光值经过背光平滑扩散后得到的亮度值；

其中，背光平滑扩散是指模拟背光源发光的扩散，背光光源到达显示器的亮度和均匀性通常与背光模组的结构及其性能息息相关，要精确得到各个分区背光经过背光模组扩散后变为整个图像大小的亮度值；所述模拟是采用卷积方法和Lin-Yao Liao等提出的Blur Mask Approach(BMA)方法。在应用最大值法得到各分区的背光亮度值之后，直接显示图像，会发现不同块之间的交界处会出现明显的“块效应”，这是因为背光源的区域控制导致背光亮度不再统一，而且没有考虑到块与块之间的混光，所以在进行液晶补偿之间，还要进行模拟混光，也就是对背光进行平滑处理。

这里对背光的平滑采用模糊-扩散法(BMA)的思想来模拟分区背光的扩散模型得到BL_smoothed，以消除“块效应”现象。

设背光分区大小为L×K＝36*66，经上述背光确定的算法得到各分区的背光值，得到初始矩阵BL_block-set，如下公式，

由于混光扩散需要考虑周围背光亮度值的大小，所以得到初始背光矩阵后，对边界背光亮度值做镜像处理，得到镜像后的背光矩阵BL_block-ext，如下公式，

镜像得到BL_block-ext后对不包含上下左右边界的元素进行混光，得到混光矩阵BL_h，如下公式，

BL_h(i,j)＝BL_block-set(i,j)×a+[BL_block-set(i-1,j)+BL_block-set(i+1,j)]×b

+[BL_block-set(i,j-1)+BL_block-set(i,j+1)]×c

+[BL_block-set(i-1,j-1)+BL_block-set(i-1,j+1)+BL_block-set(i+1,j-1)

+BL_block-set(i+1,j+1)]×d

其中：a，b，c，d为混光因子，a＝0.38，b＝0.11，c＝0.08，d＝0.06。

然后将BL_h扩大2倍，重复边界镜像和混光扩散的步骤，直至分区背光出现平滑效果，无明显的分界现象，再扩大至原图像的像素尺寸1080×1920即可。利用上述方法混光4次，已大致无明显的分界现象。

经过γ校正得到Y2分量后，相比Y分量得到比例系数k，再采用下式分别对U分量和V分量进行同比增大，得到U1分量和V1分量，

k＝Y2/Y

U1＝k×(U-128)+128

V1＝k×(V-128)+128；

从图1a、图1b、图1c中可以看出，对于低亮度区，圈出部分亮度的亮度变化，最大值法相比于原图来说亮度有所提升，而利用本专利法处理后有明显的降低。

从图2a、图2b、图2c中可以看出，对于高亮度区，圈出部分亮度的亮度变化，最大值法相比于原图来说亮度有所降低，而利用本专利法处理后有明显的提高。

定义对比度的计算方法，作为本发明衡量图像质量的指标。

CR＝H₉₀/L₁₀

其中：CR表示图像的对比度；H₉₀表示包含整幅图像在内的所有像素的亮度值在最高亮度的90％处的像素点的亮度值；L₁₀表示包含整幅图像在内的所有像素的亮度值在最高亮度的10％处的像素点的亮度值。

这里对30幅图像进行了处理，对比折线结果图如图3，其中点折线表示原始图像的对比度，细折线表示应用最大值法后的对比度，粗折线表示应用本发明的方法后的对比度。从图可以看到，应用本发明的方法处理后图像的对比度大体上均高于原始图像和最大值法，而且最大值法重在较少功耗而严重降低了对比度，而本发明的方法远远高于最大值法。而对于本身具有较高对比度的图像来说，经算法处理后，略有下降，但均高于最大值法。

Claims

1.一种基于分段式曲线的液晶像素补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对原始图像进行分区，采用最大值法或平均值法或均方根法，分别获取每个分区中像素点的特征值，将所述特征值作为对应分区的背光亮度值；

2)将原始图像的RGB分量转化为YUV分量，转化公式如下：

4)利用γ校正对Y1分量进行非线性补偿得到Y2分量，

k＝Y2/Y

U1＝k×(U-128)+128

V1＝k×(V-128)+128；

2.根据权利要求1所述的一种基于分段式曲线的液晶像素补偿方法，其特征在于，步骤1)中当采用最大值法获取每个分区中像素点的特征值时，所述特征值是将分区中所有像素点中亮度最大值作为该分区的背光亮度值；当采用平均值法获取每个分区中像素点的特征值时，所述特征值是将分区中所有像素点中亮度的平均值作为该分区的背光亮度值；当采用均方根法获取每个分区中像素点的特征值时，所述特征值是将分区中的所有像素点的亮度平均值归一化后开方乘以255的结果作为该分区的背光亮度值。

3.根据权利要求1所述的一种基于分段式曲线的液晶像素补偿方法，其特征在于，步骤3)中所述划分规则是定义图像中亮度值低于最高亮度255的30％为低亮度区，定义图像中亮度值高于最高亮度255的70％为高亮度区；或定义低于图像中所有亮度值的30％点处的亮度值为低亮区，定义介于图像中所有亮度值的30％亮度值和70％的处的亮度值为中亮区，定义高于图像中所有亮度值的70％点处的亮度值为高亮区。

4.根据权利要求1所述的一种基于分段式曲线的液晶像素补偿方法，其特征在于，步骤3)中所述的亮度调整是将划分好的不同亮度区采用不用的曲线进行调整，采用S曲线或对数曲线或直线进行亮度调整，利用调整后的曲线根据不同需求方式组成分段式补偿曲线应用在γ校正之前。

5.根据权利要求4所述的一种基于分段式曲线的液晶像素补偿方法，其特征在于，所述的S曲线的方程如下：

所述的对数曲线的方程如下：

Y1＝Y×log₁₀(1+aY)

所述的直线的方程如下：

Y1＝Y

式中：Y表示输入亮度值；Y1表示输出亮度值。

6.根据权利要求1所述的一种基于分段式曲线的液晶像素补偿方法，其特征在于，步骤4)中所述的背光平滑扩散是指模拟背光源发光的扩散，所述模拟扩散是采用卷积方法和BMA方法。