基于颜色空间转换的高动态图像双屏显示方法

胡胜华，辛 琦，姚剑敏，郭太良

(福州大学物理与信息工程学院，福建 福州350000)

基于颜色空间转换的高动态图像双屏显示方法

胡胜华，辛 琦，姚剑敏，郭太良

(福州大学物理与信息工程学院，福建 福州350000)

针对高动态范围图像映射后偏色问题及图像细节显示不足问题，提出了一种基于颜色空间转换与双屏结合的显示方法。首先将高动态图像转换到HSL空间，采用自适应对数算法进行亮度映射及相应的饱和度增强，再次转换到RGB空间并进行LCD-FED双屏分割显示。实验结果表明该方法不仅解决了偏色问题，而且在细节表现能力上也有了很大的提升，其失真度仅为3.7%。

高动态范围图像;色调映射;HSL;LCD-FED

高动态范围图像可以还原真实场景的亮度范围。它的亮度范围从漆黑的夜晚到阳光猛烈的白天，动态范围甚至超过1010∶1。但是当前显示设备的动态范围是400∶1到600∶1，远远达不到显示高动态范围图像的要求［1］。为解决这个问题，一方面是进行色调映射，色调映射算法可以将高动态范围图像映射压缩成低动态范围图像，并用于普通显示设备［2］。但这些算法都会损失图像的部分细节，并产生偏色问题［3］。

另一方面，采用双屏显示，双屏显示可以明显提高显示系统的动态显示能力，能够更好地进行细节显示。

1 色调映射偏色问题

高动态范围图像目前最流行的存储格式是RGBE。所谓E，就是指数。RGBE由文件头、RGBE数据组成。RGBE文件的扩展名为.hdr［4］。RGBE格式的高动态范围图像是无法直接进行映射处理的，需要将其转化为浮点型的RGB图像。相应的转换算法如下:设(r，g，b)表示RGB格式下一个像素点的值，(R，G，B，E)表示RGBE格式下一个像素点的值。当E=0时，r=g=b=0.0，否则:r=R×2^(E-128-8)，g=G×2^(E-128-8)，b= B×2^(E-128-8)。

对于颜色空间(R，G，B)的直接色调映射，其基本原理是将R，G，B看做3个分立的颜色通道，分别对每个颜色通道进行单独的映射处理［5］，这样做的直接结果是导致每个颜色通道调整的幅度不一样，进而使得整幅图像色调偏离比较严重。如图1所示，原图绿色值比较大(原图为彩色图片，图中地面为绿色部分)，映射处理后，可能绿色值没什么大的变化，但是，红、蓝的颜色值比较低，可能调整的幅度却比较大，结果红、蓝颜色会亮很多。如果再将处理后的R，G，B合起来，原来比较绿的地方就没有那么明显了。

图1 RGB映射处理

针对偏色问题，已提出了很多解决方法，但这些算法均有不足，Rahma等人提出的MSRCR算法计算复杂，而且细节损失较多;基于直方图均衡化的算法有明显的失真;基于点的快速亮度调整算法在图像整体协调性上表现欠佳。

基于此，本文提出一种颜色空间转换方法，将颜色信息从高动态图像中分离开来不予处理，能够有效降低偏色程度。将高动态图像由(R，G，B)空间转换到(H，S，L)空间，单独处理亮度值L，并对饱和度S进行一定的增强，最后再把处理完成的图像由 HSL空间转回到RGB空间。本文提出的算法计算简单，颜色还原率高，且对损失的饱和度有相应的增强，可以很好地解决偏色问题。

2 颜色空间转换过程

2.1 RGB与HSL的相互转换

HSL就是色调(H)、饱和度(S)、亮度(L)，它是通过对3个分量的变化及相互间的混叠来获得丰富的色彩。HSL模型相较于RGB模型，更接近人眼感知颜色的方式，在图像的计算上也十分简单。HSL将“亮度”作为独立的分量，这对于进行高动态范围图像亮度映射计算是十分方便的。

设(r，g，b)分别是一个像素点的红、绿、蓝像素值。其值为0～1之间的浮点数。则(r，g，b)到(h，s，l)的转换关系为

式中:r，g，b中的最大值为max，最小值为min;色调角h∈［0，360)，而s和l是饱和度和亮度，其取值范围均在［0，1］;h=0表示图像为灰色。

2.2 HSL空间的色调映射

从RGB向HSL颜色空间转换公式可知，亮度L分量被分离开来，对高动态图像的亮度分量L进行色调映射，这样对颜色分量的影响就最小。对亮度分量采用自适应对数映射法［6］，其映射公式如下

式中:Ldmax为显示设备能够显示的最大亮度值，作为显示用的量化参数，通常取Ldmax=100;Lw(x，y)为各像素点的亮度值;Lwmax为图像亮度最大值;Ld(x，y)为映射后图像的亮度值。对数变换时，基数的选择直接影响处理效果的好坏，基数调节公式［7］如下

式中:参数b为可调整参数，影响图像的整体亮度，取值范围一般为(0.5，1.0)。实验发现，b=0.8时对大多数高动态图像的处理效果最好。亮度值经过上述运算后，还需进行一个伽马校正，这是由显示设备的非线性特征决定的，校正系数为1/2.2。

图2为对L分量自适应对数映射的结果，从图2可知，映射压缩后的图像可以将一些亮度细节显示出来。

图2 L分量自适应对数映射

由于亮度的处理对饱和度会有一定程度的损害，所以在对亮度处理完成后，还需要对饱和度进行相应的增强。具体为S'=α·S。S'为增强后饱和度，α为饱和度增强因子，一般α=1.6。

经过亮度映射与饱和度增强后，将图像由HSL空间再次转回到RGB空间。转换完成后的图像使用普通显示器显示，效果如图3所示。

图3b中直接RGB转换的图像在整体颜色上与原图相差较大，图3c中直方图均衡化算法颜色表现较图3b好，但圆圈部分有一定的失真，图3d为经过HSL空间转换的效果，图像不仅与原图在颜色上相差无几，而且不会出现失真问题。结果表明，经过HSL转换能够有效解决偏色问题。

同时，笔者发现虽然映射后较原图细节显示好了很多，但图3d中大号圆圈部分仍然是白茫茫一片，没有得到很好的显示。这是因为普通显示器的动态显示范围有限，所以本文采用LCD-FED双屏显示系统来进行更细腻的细节显示。

图3 不同方法处理后的显示效果比较

3 LCD-FED双屏显示系统

现有的双屏显示方案包括LCD-projector，LCDLED，LCD-FED和 LCD-Optics［8］。其中，以 LCDLED［9］，LCD-FED显示效果为佳。但LCD-LED方案有LED散热、颗粒较大、像素点之间容易产生干扰等缺点。反观LCD-FED方案，无论是功耗、对比度(LCD-FED对比度达到216∶1，LCD-LED只有20 000∶1)都比LCDLED方案好。所以本文选择LCD-FED双屏显示系统进行高动态图像显示。

场致发射显示器FED(Field Emission Display)是一种新型的自发光平板显示器。场致发射原理与CRT相同，也是靠电子轰击荧光粉发光。图4为LCD-FED双屏HDR显示系统原理图。LCD-FED结构包括LCD面板与FED背光源两部分。FED背光源结构包括一个阴极板和阳极板，每个发射阴极对应一个荧光粉发光点［10］。FED的像素点可做到与液晶像素点相当，所以FED结构具有更高的局部对比度［11］。

图4 LCD-FED双屏HDR显示系统原理图

将前文中进行适当映射的高动态范围图像用LCDFED双屏显示系统前后屏分割显示。由于FED背光源可以实现点对点的控制，所以首先对图像进行简单的逐点式分割。然后假设图像在(x，y)处的值为Lw(x，y)，FED背光源的亮度值为Lb(x，y)，前面板LCD的亮度值为Lf(x，y)。则计算如下［12］

式中:背光源的亮度值由图像的亮度值依据非线性函数F(·)［13］得出，函数F(·)为一平方根，如图5a所示。LCD的亮度值依据FED背光源的亮度值得出，如图5b所示。最终人眼看到的图像由背光源图像与LCD图像合成，如图5c所示。

图5 LCD-FED双屏显示结果

相比于图3c的普通显示器显示效果，图5在充分保留原图色彩的同时，在图5c中圆圈部分能够更清晰地显示窗外的墙壁、竹子与树木，表明双屏显示系统较普通显示器能够更好地显示细节。对于图像的细节显示，本文定义一个参数，即失真度(D)，具体定义为

式中:Nc表示图像剪切后总的子像素数目;Nt表示图像总的子像素数目。失真度越低，表示显示系统显示的图像质量越高，显示的细节也就越多。计算表明，普通显示器的高动态范围图像显示的失真度超过15%，而LCD-FED双屏显示系统的失真度仅为3.7%。

4 结论

提出了一种在有效解决偏色问题的同时，保留图像丰富细节的高动态范围图像显示方法。该方法基于颜色空间转换，只对图像的亮度值进行处理，减少了对图像颜色值的影响，解决了高动态图像的偏色问题，再结合LCD-FED双屏结构显示，进一步提高了高动态图像细节的显示能力。结果表明，本文的方法能够较好地解决图像偏色问题，同时保留了图像丰富的细节。

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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

胡胜华(1988—)，硕士生，主要研究方向为信息显示技术;

辛 琦(1978—)，硕士生导师，主要研究方向为有机电致发光、信息显示技术;

姚剑敏(1978—)，硕士生导师，主要研究方向为视频图像处理、模式识别;

郭太良(1963—)，博士生导师，主要研究方向为场致发射阴极材料及器件研究。

�� 雯

2013-11-25

【本文献信息】胡胜华，辛琦，姚剑敏，等.基于颜色空间转换的高动态图像双屏显示方法［J］.电视技术，2014，38(23).

国家“863”重大专项(2012AA03A301;2013AA030601);国家自然科学基金项目(61101169;61106053)