一種改進的RGB到RGBW信號的映射算法

姚洪濤，范煒

（長春理工大學 計算機科學技術學院，長春 130022）

顯示系統是提供視覺信息的電子系統，目前市場上顯示器的顯示系統基本上都采用RGB三基色系統。但是，隨著人們生活水平的不斷提高以及相關顯示技術的迅猛發展，傳統的RGB顯示系統的弊端逐漸顯現。例如，隨著大屏時代的到來，人們對大屏顯示器所顯現的圖像色彩飽和度以及圖像質量的要求越來越高，而RGB顯示系統的色域較窄，可覆蓋面有限，很難再提升圖像的質量；與此同時，當人們在戶外使用電子設備時，由于光照強度對顯示器的亮度要求也隨之提高，而RGB顯示系統難以做到在不增加功耗的條件下提高顯示器的亮度。基于此，多基色顯示系統應運而生。目前，市場上已有的多基色顯示系統大致有三種[1］：夏普的Quad-Pixel RGBY系統、索尼的White Magic RGBW系統以及三星的PenTile RGBW系統。RGBW多基色顯示技術是其中的核心。

RGBW技術是在原有紅綠藍子像素的基礎上添加白色子像素，再通過合適的子像素布局達到高亮度和低功耗的目的[2］。越來越多的研究人員將RGBW顯示技術致力于解決功耗、屏幕分辨率、顯示亮度以及顏色空間等方面的問題，本文在此研究背景下，為了提升圖像顯示亮度，對已有的RGBW信號的映射算法進行了研究，并提出了一種改進的信號映射算法，較好地提升了圖像亮度。

1 相關工作

優秀的信號映射算法不僅可以提高顯示亮度，擴大顏色空間，而且可將傳統RGB信號所代表的場景圖像無色調偏差的顯示在RGBW顯示器上，使人眼得到更為舒適的視覺享受。目前，已有的信號映射算法有很多種：文獻[3］中提出了一種不改變顏色色調的信號映射算法，該算法通過調整RGBW顯示器中紅綠藍三基色信號值的方式，在保留原圖像色彩飽和度的同時提升了顯示亮度，然而該算法只能提升飽和度較高的圖像效果，會降低非飽和色圖像的飽和度，圖像可能出現失真的情況；文獻[4］中提到了一種把RGB信號通過HSV空間過渡到RGBW信號的算法，這一算法將HSV空間作為信號映射的過渡，在提升圖像亮度的同時也保證了最后得到的RGBW信號和原圖像的RGB信號色彩基本一樣，然而該算法對于白色子像素的取值需要根據具體的情況而定，且其計算方式較為復雜，不易實現；文獻[5］中給出了一種維持RGBW圖像色彩的新算法，該算法否認維持色調飽和度恒定就能保持住色彩的觀點，認為保持色調飽和度恒定并不能保持原圖像的顏色，該算法認為，根據人眼視覺機制來說，圖像像素的顏色空間應該是由該像素以及周圍全部像素在RGB三色上的相對明暗程度而決定的，但該算法缺少理論和實驗支持，難以實現。

基于上述分析，在對現有的RGBW信號轉換算法進行研究的基礎上，針對轉換算法過程中圖像可能會出現失真的情況，在文獻[3］的基礎上提出并改進了一種RGB到RGBW信號的映射算法，較好地提升了圖像亮度。

2 RGB到RGBW信號的映射算法

RGBW顯示技術的出現，對提高圖像亮度和圖像顯示的質量有著重要的作用，但是到目前為止，市場上的大部分視頻和圖像傳輸信號仍然以RGB信號為主[6］。如何將RGB信號轉換映射為RGBW信號，是實現多基色顯示系統的基礎。

一般認為從RGB顯示系統到RGBW顯示系統的轉換方案過程可分為三步[7］：首先從RGB信號中提取出W分量；然后根據信號映射算法方案扣除相應的R、G、B分量值；最后生成新的RGBW信號。

針對相關工作以及對現有算法的研究，分析了各算法的優缺點和適用范圍，并具體給出了以下兩種算法方案，同時針對算法方案中存在的一些缺陷，在文獻[3］的基礎上提出了一種改進的算法映射方案。

2.1 算法方案一

針對信號映射算法的研究，有人提出了一種算法方案：

RGB三原色等比例混合可以得到白色，因此式（1）中白色子像素W的分量取輸入RGB信號中的最小值，再將原來的R、G、B分量值減去提取的白色子像素W的分量值，剩余的值作為輸出的R、G、B、W相應的分量值，圖1為該算法的原理示意圖。

圖1 算法方案一原理圖

當圖像顏色色彩飽和度較高時，采用該算法能夠很好的保留色彩的效果，但是當圖像色彩飽和度較低時，圖像會出現失真情況，這是由于白色子像素的增加必然會導致整體顏色飽和度的降低，這是該算法無法避免的問題。

2.2 算法方案二

為了解決算法方案一中的弊端，飛利浦公司提出了一種算法的改進方案，該方案的優點在于保證了輸出RGBW信號中的R、G、B三分量值的比例與原圖像中輸入RGB信號中的R、G、B三分量值的比例保持不變，即在不改變色彩飽和度的前提下，提升了圖像的亮度。圖2是對該算法的描述。

圖2 算法方案二原理圖

該算法中輸出RGBW信號的計算公式為：

式（2）中，MIN的值為各像素中R、G、B分量值的最小值，MAX的值為最大值，根據不同的情況，W的取值有以下幾種：

①規定W為輸入信號的最小分量值：

②強調最高亮度部分的白光：W=MIN2

③改變半色調亮度：

④規定W為其所能達到的最大值：

將式（2）進行變換，可以得到：

即：

由式（5）可知，輸出RGBW信號中的R、G、B三分量值的比例與原圖像中輸入RGB信號中的R、G、B三分量值的比例保持不變，因此原圖像和輸出圖像的色彩飽和度相同。

該算法方案計算量較小，硬件實現過程中的邏輯電路也較少，便于實現。但是也存在一些缺陷，即當原圖像中RGB信號值中有一個分量值為0時，所提取的白色子分量值也會為0，該算法方案失效，無法提高原圖像亮度。

2.3 算法改進方案

基于算法方案二中輸出RGBW信號中的R、G、B三分量值的比例與原圖像中輸入RGB信號中的R、G、B三分量值的比例保持不變的特點，針對算法方案二中存在的缺陷，基于文獻[3］的基礎上改進了算法方案，給出了RGBW各分量值的計算公式：

式中，MIN值為各像素中R、G、B分量值的最小值，MAX值為最大值，α為轉換因子，取值一般為1-2.5，本文取轉換因子為2，S為圖像色彩飽和度。改進算法流程圖如圖3所示。

圖3 改進算法方案流程圖

3 算法實現與結果分析

RGB顯示系統的色域和RGBW顯示系統的色域基本相同，因此，可以通過RGB顯示系統來模擬RGBW顯示系統。基于此，本文選用了720×480的彩色圖像，對該圖像進行了R、G、B信號的取值，并通過上述的幾種算法方案分別計算出了它們的R、G、B、W輸出通道的值。接著對這幾種算法方案進行Matlab數據仿真，再對得到的效果圖進行了峰值信噪比（PSNR）和顏色空間（HSV）值的計算，通過數據對幾種算法方案進行客觀的評價，驗證了改進的算法方案在不改變原圖像色彩飽和度的前提下，較好的提升了圖像亮度。

圖4是Matlab中仿真實驗得到的各方案的合成圖像以及紅綠藍通道圖像的效果圖的對比圖，其中（a）為原圖像的效果圖，（b）為算法方案一的效果圖，（c）為算法方案二的效果圖，（d）為本文改進算法方案的目標圖像效果圖。

為方便對改進的算法方案的效果進行說明，采用了PSNR這個指標對實驗結果進行了評價，以此來檢驗圖片的質量。PSNR定義為：

MSE是原圖像和效果比較圖的均方誤差，表達式為：

其中，fa(i，j)和fb(i，j)代表原圖像和效果圖在第i，j列的顏色值。各算法的PSNR值統計見表1。

表1 三種算法方案的PSNR比較

作為評價圖像質量好壞的指標，PSNR能夠很好地反映圖像的失真程度。PSNR的值越大，圖像失真越小。上表1中可以看出算法改進方案的PSNR在紅色分量、綠色分量以及藍色分量上的值都高于算法方案一和算法方案二，說明算法改進方案所恢復的圖像質量要比其他兩種算法方案效果更好。

接著對圖（3）中合成圖像進行了HSV值的計算，HSV是根據顏色的直觀特性而創建的一種顏色空間，這個模型中顏色的參數分別是：色調（H）、飽和度（S）以及明度（V），計算結果見表2。

圖4 三種方案的效果對比圖

表2 各圖像的HSV值比較

上表2中可以看出在飽和度S一定的情況下，改進方案的明度V的值較算法方案一和算法方案二都有明顯的提高，說明使用改進方案后，在保證飽和度不變的前提下，較好的提升了圖像的亮度。

結合表1、表2數據可以得出結論，在保證了色彩飽和度S的基本恒定的前提下，算法改進方案較算法方案一和算法方案二較好地提升了圖像的明亮度V，驗證了改進后算法方案的可行性。

4 結論

RGBW顯示系統的出現解決了RGB顯示系統的技術瓶頸問題，而如何將RGB信號轉換成RGBW信號，是實現RGBW顯示系統的基礎。針對RGB到RGBW顯示系統的信號映射算法，通過對已有的RGBW信號映射算法的研究，并分析了這幾種映射算法的優缺點，提出了一種改進后的信號映射算法。Matlab仿真實驗表明，改進的算法保證了色彩飽和度的基本恒定，在RGBW信號與原有RGB信號近乎一樣的色彩的前提下，較好地提升了圖像的亮度。

[1]Tanaka M，Horiuchi T，Tominaga S.Color control of a lighting system using RGBW LEDs[C］.International Society for Optics and Photonics，2011.

[2]Hammer M，Hinnen K J G.Local luminance boosting of an RGBW LCD[J］.Iournal of Display Technology，2014，10（1）：33-42.

[3]Lee C，Monga V.Power-constrained RGB-to-RGBW conversion for emissive displays：optimizationbasedapproaches[J］.IEEE TransactionsonCircuits& Systems for Video Technology，2016，26（10）：1821-1834.

[4]Song K J K.Technical evolution of liquid crystal displays[J］.Npg Asia Materials，2009，1（1）：29-36.

[5]Spindler J P，Hatwar T K，Miller M E，et al.System considerations for RGBW OLED displays[J］.Journal of the Society for Information Display，2012，14（1）：37-48.

[6]姚洪濤，李鑫巖.RGB空間的HDR圖像合成與色彩調節算法[J］.長春理工大學學報：自然科學版，2015，38（5）：145-149.

[7]潘定平.RGBW顯示器的特性及映射算法評價方法研究[D］.北京：北京理工大學，2016.