基于顏色空間轉換的高動態圖像雙屏顯示方法

胡勝華，辛 琦，姚劍敏，郭太良

(福州大學物理與信息工程學院，福建 福州350000)

基于顏色空間轉換的高動態圖像雙屏顯示方法

胡勝華，辛 琦，姚劍敏，郭太良

(福州大學物理與信息工程學院，福建 福州350000)

針對高動態范圍圖像映射后偏色問題及圖像細節顯示不足問題，提出了一種基于顏色空間轉換與雙屏結合的顯示方法。首先將高動態圖像轉換到HSL空間，采用自適應對數算法進行亮度映射及相應的飽和度增強，再次轉換到RGB空間并進行LCD-FED雙屏分割顯示。實驗結果表明該方法不僅解決了偏色問題，而且在細節表現能力上也有了很大的提升，其失真度僅為3.7%。

高動態范圍圖像;色調映射;HSL;LCD-FED

高動態范圍圖像可以還原真實場景的亮度范圍。它的亮度范圍從漆黑的夜晚到陽光猛烈的白天，動態范圍甚至超過1010∶1。但是當前顯示設備的動態范圍是400∶1到600∶1，遠遠達不到顯示高動態范圍圖像的要求［1］。為解決這個問題，一方面是進行色調映射，色調映射算法可以將高動態范圍圖像映射壓縮成低動態范圍圖像，并用于普通顯示設備［2］。但這些算法都會損失圖像的部分細節，并產生偏色問題［3］。

另一方面，采用雙屏顯示，雙屏顯示可以明顯提高顯示系統的動態顯示能力，能夠更好地進行細節顯示。

1 色調映射偏色問題

高動態范圍圖像目前最流行的存儲格式是RGBE。所謂E，就是指數。RGBE由文件頭、RGBE數據組成。RGBE文件的擴展名為.hdr［4］。RGBE格式的高動態范圍圖像是無法直接進行映射處理的，需要將其轉化為浮點型的RGB圖像。相應的轉換算法如下:設(r，g，b)表示RGB格式下一個像素點的值，(R，G，B，E)表示RGBE格式下一個像素點的值。當E=0時，r=g=b=0.0，否則:r=R×2^(E-128-8)，g=G×2^(E-128-8)，b= B×2^(E-128-8)。

對于顏色空間(R，G，B)的直接色調映射，其基本原理是將R，G，B看做3個分立的顏色通道，分別對每個顏色通道進行單獨的映射處理［5］，這樣做的直接結果是導致每個顏色通道調整的幅度不一樣，進而使得整幅圖像色調偏離比較嚴重。如圖1所示，原圖綠色值比較大(原圖為彩色圖片，圖中地面為綠色部分)，映射處理后，可能綠色值沒什么大的變化，但是，紅、藍的顏色值比較低，可能調整的幅度卻比較大，結果紅、藍顏色會亮很多。如果再將處理后的R，G，B合起來，原來比較綠的地方就沒有那么明顯了。

圖1 RGB映射處理

針對偏色問題，已提出了很多解決方法，但這些算法均有不足，Rahma等人提出的MSRCR算法計算復雜，而且細節損失較多;基于直方圖均衡化的算法有明顯的失真;基于點的快速亮度調整算法在圖像整體協調性上表現欠佳。

基于此，本文提出一種顏色空間轉換方法，將顏色信息從高動態圖像中分離開來不予處理，能夠有效降低偏色程度。將高動態圖像由(R，G，B)空間轉換到(H，S，L)空間，單獨處理亮度值L，并對飽和度S進行一定的增強，最后再把處理完成的圖像由 HSL空間轉回到RGB空間。本文提出的算法計算簡單，顏色還原率高，且對損失的飽和度有相應的增強，可以很好地解決偏色問題。

2 顏色空間轉換過程

2.1 RGB與HSL的相互轉換

HSL就是色調(H)、飽和度(S)、亮度(L)，它是通過對3個分量的變化及相互間的混疊來獲得豐富的色彩。HSL模型相較于RGB模型，更接近人眼感知顏色的方式，在圖像的計算上也十分簡單。HSL將“亮度”作為獨立的分量，這對于進行高動態范圍圖像亮度映射計算是十分方便的。

設(r，g，b)分別是一個像素點的紅、綠、藍像素值。其值為0～1之間的浮點數。則(r，g，b)到(h，s，l)的轉換關系為

式中:r，g，b中的最大值為max，最小值為min;色調角h∈［0，360)，而s和l是飽和度和亮度，其取值范圍均在［0，1］;h=0表示圖像為灰色。

2.2 HSL空間的色調映射

從RGB向HSL顏色空間轉換公式可知，亮度L分量被分離開來，對高動態圖像的亮度分量L進行色調映射，這樣對顏色分量的影響就最小。對亮度分量采用自適應對數映射法［6］，其映射公式如下

式中:Ldmax為顯示設備能夠顯示的最大亮度值，作為顯示用的量化參數，通常取Ldmax=100;Lw(x，y)為各像素點的亮度值;Lwmax為圖像亮度最大值;Ld(x，y)為映射后圖像的亮度值。對數變換時，基數的選擇直接影響處理效果的好壞，基數調節公式［7］如下

式中:參數b為可調整參數，影響圖像的整體亮度，取值范圍一般為(0.5，1.0)。實驗發現，b=0.8時對大多數高動態圖像的處理效果最好。亮度值經過上述運算后，還需進行一個伽馬校正，這是由顯示設備的非線性特征決定的，校正系數為1/2.2。

圖2為對L分量自適應對數映射的結果，從圖2可知，映射壓縮后的圖像可以將一些亮度細節顯示出來。

圖2 L分量自適應對數映射

由于亮度的處理對飽和度會有一定程度的損害，所以在對亮度處理完成后，還需要對飽和度進行相應的增強。具體為S'=α·S。S'為增強后飽和度，α為飽和度增強因子，一般α=1.6。

經過亮度映射與飽和度增強后，將圖像由HSL空間再次轉回到RGB空間。轉換完成后的圖像使用普通顯示器顯示，效果如圖3所示。

圖3b中直接RGB轉換的圖像在整體顏色上與原圖相差較大，圖3c中直方圖均衡化算法顏色表現較圖3b好，但圓圈部分有一定的失真，圖3d為經過HSL空間轉換的效果，圖像不僅與原圖在顏色上相差無幾，而且不會出現失真問題。結果表明，經過HSL轉換能夠有效解決偏色問題。

同時，筆者發現雖然映射后較原圖細節顯示好了很多，但圖3d中大號圓圈部分仍然是白茫茫一片，沒有得到很好的顯示。這是因為普通顯示器的動態顯示范圍有限，所以本文采用LCD-FED雙屏顯示系統來進行更細膩的細節顯示。

圖3 不同方法處理后的顯示效果比較

3 LCD-FED雙屏顯示系統

現有的雙屏顯示方案包括LCD-projector，LCDLED，LCD-FED和 LCD-Optics［8］。其中，以 LCDLED［9］，LCD-FED顯示效果為佳。但LCD-LED方案有LED散熱、顆粒較大、像素點之間容易產生干擾等缺點。反觀LCD-FED方案，無論是功耗、對比度(LCD-FED對比度達到216∶1，LCD-LED只有20 000∶1)都比LCDLED方案好。所以本文選擇LCD-FED雙屏顯示系統進行高動態圖像顯示。

場致發射顯示器FED(Field Emission Display)是一種新型的自發光平板顯示器。場致發射原理與CRT相同，也是靠電子轟擊熒光粉發光。圖4為LCD-FED雙屏HDR顯示系統原理圖。LCD-FED結構包括LCD面板與FED背光源兩部分。FED背光源結構包括一個陰極板和陽極板，每個發射陰極對應一個熒光粉發光點［10］。FED的像素點可做到與液晶像素點相當，所以FED結構具有更高的局部對比度［11］。

圖4 LCD-FED雙屏HDR顯示系統原理圖

將前文中進行適當映射的高動態范圍圖像用LCDFED雙屏顯示系統前后屏分割顯示。由于FED背光源可以實現點對點的控制，所以首先對圖像進行簡單的逐點式分割。然后假設圖像在(x，y)處的值為Lw(x，y)，FED背光源的亮度值為Lb(x，y)，前面板LCD的亮度值為Lf(x，y)。則計算如下［12］

式中:背光源的亮度值由圖像的亮度值依據非線性函數F(·)［13］得出，函數F(·)為一平方根，如圖5a所示。LCD的亮度值依據FED背光源的亮度值得出，如圖5b所示。最終人眼看到的圖像由背光源圖像與LCD圖像合成，如圖5c所示。

圖5 LCD-FED雙屏顯示結果

相比于圖3c的普通顯示器顯示效果，圖5在充分保留原圖色彩的同時，在圖5c中圓圈部分能夠更清晰地顯示窗外的墻壁、竹子與樹木，表明雙屏顯示系統較普通顯示器能夠更好地顯示細節。對于圖像的細節顯示，本文定義一個參數，即失真度(D)，具體定義為

式中:Nc表示圖像剪切后總的子像素數目;Nt表示圖像總的子像素數目。失真度越低，表示顯示系統顯示的圖像質量越高，顯示的細節也就越多。計算表明，普通顯示器的高動態范圍圖像顯示的失真度超過15%，而LCD-FED雙屏顯示系統的失真度僅為3.7%。

4 結論

提出了一種在有效解決偏色問題的同時，保留圖像豐富細節的高動態范圍圖像顯示方法。該方法基于顏色空間轉換，只對圖像的亮度值進行處理，減少了對圖像顏色值的影響，解決了高動態圖像的偏色問題，再結合LCD-FED雙屏結構顯示，進一步提高了高動態圖像細節的顯示能力。結果表明，本文的方法能夠較好地解決圖像偏色問題，同時保留了圖像豐富的細節。

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Dual Screen High Dynam ic Range Disp lay M ethod Based on Color Space Conversion

HU Shenghua，XIN Qi，YAO Jianmin，GUO Tailiang
(College of Physics and Information Engineering，Fuzhou University，Fuzhou 350000，China)

For the problem of color cast in High Dynamic Range(HDR)image tonemapping and insufficient in image detail display，a dual screen high dynamic range displaymethod based on color space conversion is presented.Firstly，high dynamic range image is converted into HSL space，then lightness is processed by adaptive logarithmicmapping algorithm，and saturation is enhanced.After that，processed image is converted into RGB space and displayed through LCD-FED dual screen.The experimental results show that thismethod not only solves the problem of color cast，butalso greatly improves the ability of the detail performance:the distortion ratio(D)is only 3.7%.

HDR;tonemapping;HSL;LCD-FED

TP391

A

胡勝華(1988—)，碩士生，主要研究方向為信息顯示技術;

辛 琦(1978—)，碩士生導師，主要研究方向為有機電致發光、信息顯示技術;

姚劍敏(1978—)，碩士生導師，主要研究方向為視頻圖像處理、模式識別;

郭太良(1963—)，博士生導師，主要研究方向為場致發射陰極材料及器件研究。

?? 雯

2013-11-25

【本文獻信息】胡勝華，辛琦，姚劍敏，等.基于顏色空間轉換的高動態圖像雙屏顯示方法［J］.電視技術，2014，38(23).

國家“863”重大專項(2012AA03A301;2013AA030601);國家自然科學基金項目(61101169;61106053)