基于实测校正因子的实时伽马校正算法

韦海成，赵 静

（1.北方民族大学电信学院，宁夏银川 750021;2.宁夏大学数学计算机学院，宁夏银川 750021）

基于实测校正因子的实时伽马校正算法

韦海成1，赵 静2

（1.北方民族大学电信学院，宁夏银川 750021;2.宁夏大学数学计算机学院，宁夏银川 750021）

针对等离子显示器（Plasma Display Panel，PDP）反伽马校正过程中因荧光粉亮度饱和以及APL临界切换引起的灰度级失真和闪烁现象，提出了一种基于PDP发光特性的实时反伽马校正算法。该算法采用实测关键灰度级亮度和基于图像APL的校正因子补偿算法，通过实测亮度和灰度级之间的对应关系实现了灰度级的线性输出，引入校正因子消除了不同图像切换过程时的闪烁。50 in（1 in=2.54 cm）PDP实验结果表明，该算法能够减少大面积暗场区域存在的闪烁现象，消除显示图像输出灰度的失真和反转，增强显示画面的细节，提高显示画质。此外，算法采用分段式多项式拟合进行实时反伽马计算，使算法具有处理速度快，对电路依赖性小等优点。

等离子显示器;伽马矫正;灰度级增强算法

等离子显示器（Plasma Display Panel，PDP）是一种数字显示器件，具有线性离散的光电转换特性［1］。在显示过程中，为了补偿输入视频预校正带来的灰度级失真，PDP需要在视频信号输入后进行反伽马校正，以实现与传统电视一致的显示效果。

现有文献中，反伽马校正的方法主要分为灰度和色彩校正两大类。在灰度级校正方面，王志国等人提出了一种反伽马校正方法与可控的动态对比度增强相结合算法，实现了幅度可调的动态对比度增强和伽马校正结合的处理方法［2］;魏巍等人研究了低灰度级反伽马校正子场编码技术，有效地增加了显示的动态低灰度级数目，在保证整幅图像显示效果的同时增强了PDP低灰度级图像的显示能力［3］;Kang等人引入人眼视觉校正函数解决了低灰度级图像的线性和灰度级增强［4］。左瑞娟等人研究了变伽马系数值实现了在线液晶伽马系数的调整［5］。在色彩校正方面，Lee等人采用实时误差扩散和低通滤波器相结合，解决了三基色通道低灰度级图像的白平衡和灰度线性问题［6］;韦海成提出的色域空间转换处理灰度级线性变换，解决了低灰度级图像灰度和色调失真解决方法［7］。赵静提出了一种基于多独立通道自适应性图像对比度增强算法，动态地解决了显示图像的画质增强问题［8］。

然而，现有反伽马校正算法对PDP用光致荧光粉在气体放电过程中可能产生的亮度饱和及人眼视觉特性考虑不足，灰度级校正没有和PDP实际发光特性相结合，以致校正后图像存在灰度失真和闪烁现象。

针对此现象，本文提出了一种采用光致荧光粉实际显示亮度作为校正因子的实时反伽马校正算法。算法首先根据各个子场的图像表现率与维持脉冲数量的映射关系得到子场的维持放电的数量，然后再根据不同图像的平均图像水平（Average Picture Level，APL）下实测显示单元的实际亮度生成矫正因子，通过实际亮度和伽马曲线之间的关系最终实现实时伽马校正的效果。整个算法基于显示单元在不同APL下实际发光亮度，能够实现显示单元灰度级的精准校正，解决了图像灰度失真和闪烁现象。

1 基于实测校正因子的实时伽马校正

1.1 荧光粉亮度饱和与图像灰度闪烁

PDP显示时，真实图像到显示图像过程需要经过输入设备的伽马校正和显示设备的反伽马校正算法。其中，显示设备反伽马校正算法主要补偿预校正过程带来的灰度级变化，实现真实图像灰度线性显示。

PDP的灰度级显示主要采用ADS驱动方法通过脉冲放电累积作用实现［9］。在这种实现过程中，PDP的光致荧光粉在气体放电激发真空紫外光作用下产生可见光脉冲作用于人眼，使得人眼视觉感受到可见光亮度的累积递增，形成显示灰度，维持放电对荧光粉累积发光见图1。

图1 维持放电及荧光粉累积发光示意图

图1中，与传统反伽马矫正算法不同，实际维持放电和荧光粉发光之间为非线性递增关系，特别是使用了动态对比度增强技术后，可见光和维持脉冲之间的这种非线性递增使得不同图像下相同灰度的区域显示出了亮度的差异性。这种差异导致了显示图像在特定画面下局部会出现细微的闪烁。而现有的算法无法有效解决这种闪烁，细微闪烁仿真图见图2。

图2 PDP显示图像中细微闪烁现象的仿真

1.2 实时伽马矫正算法

针对这种显示图像暗区域的抖动现象，需要根据APL分组设置多条反伽马矫正曲线。伽马矫正曲线的值主要根据具体APL下实测亮度值取得，不同APL取值下的伽马曲线亮度差异见图3。

图3 不同APL下关键灰度值对应的亮度变化

图3中，第8组反伽马矫正曲线对应的APL为87% ～100%。但这条伽马实际是在APL=94%时使用10%全白窗口测试得到。这仍会导致在不同组伽马曲线之间实际切换时，第N和第N+1帧图像同一物品在APL值临界时出现亮度差异，也不能完全解决显示画面的暗场图像闪烁问题。

为了解决这种显示图像的闪烁，需要采用根据APL值实时计算反伽马校正曲线。并针对相同APL下不同子场负载引起的灰阶显示失真现象，实时计算APL后对标准的反伽马校正曲线设定子场校正因子。通过这种更为精准的反伽马校正算法消除不同图像切换时出现的闪烁和灰度级轮廓问题，实现平滑的图像切换。

1.3 基于实测校正因子的实时伽马校正

在实际应用中，为了抑制PDP动态伪轮廓现象，还需要在每个APL下选择34个灰阶作为关键灰度以减少动态伪轮廓，并利用半色调算法还原出1 024级灰度级［10］。

因此，在实时计算反伽马校正曲线之前，需要对曲线使用的关键灰度级进行光学测试。这样，不同APL下每条实时反伽马校正曲线需要测试34个关键灰度级的值。对于34个关键灰度级中间的各个灰度级则利用实时计算的方式取得，并将结果转换成8位小数，每个灰度级是以6位整数加8位小数的形式输出。

基于荧光粉发光特性的实时伽马校正算法具体实现方法如下:

1）依据采用运动图像干扰消除法结合灰度级中央权重编码算法进行选择34个关键灰度级，并固定APL值，测试不同APL下关键灰度级对应的亮度值。

2）通过子场APL确定亮度补偿因子，并对34个关键灰度级所测得的亮度值给予补偿校正。例如，在10%全白窗口下测得第34关键灰度级亮度值为97.5 cd/m2，同样维持脉冲数情况下，100%全白图像第34关键灰度级亮度实测只有94.6 cd/m2。同一灰度级会在不同APL下出现3%左右的亮度差。

3）将34个关键灰度级的亮度进行归一化，对应到输出灰度级0～1 023。例如，全白图像中0～1 023输入灰度值对应校正后亮度为0～94.6 cd/m2。通过这种方法可以将34个实测亮度和34个关键输出灰度级联系起来。以图4的归一化方法为例，第13关键灰度级对应的输出灰度级是506，而第14关键灰度级对应的输出灰度级是527。

图4 关键灰度级的归一化方法

4）通过反伽马校正曲线输入和输出灰度级对应关系可将1 023个输出灰度级计算出来。以图5为例，可以算出第13和14关键灰度级对应的输入灰度级分别是743和757。这样，就可以将34个关键灰度的编码方式、校正亮度补偿因子、输入灰度级值、输出灰度级值关联起来。

图5 两关键灰度级间灰度级计算方法

5）采用标准反伽马校正曲线或多项式拟合算法计算出相邻两关键灰度级间全部整数输入灰度级对应的输出灰度级，并转换为8位小数形式。以图5关键灰度级间各个灰度级计算方法为例，第13和第14关键灰度级之间共有13个整数输入灰度，计算后可得到13个以13为整数并含有8位小数的输出灰度级。

这样，通过34个关键灰度以及子场校正因子可以算出各个APL下对应的每条反伽马校正曲线，实现了实时反伽马校正算法，整个算法实现框图见图6。

图6 基于实测校正因子的实时反伽马校正算法

在实时计算中，相关的伽马和反伽马计算如果直接采用公式进行指数和幂运算，对于普通硬件电路来说难以实现，因此需要采用多项式拟合，把所有的运算转换成乘、加运算，以降低运算难度。如采用三次多项式拟合反伽马校正可得

式中:x表示输入灰度级;y表示输出灰度级。

这种多项式拟合的结果与采用幂的方式计算的反伽马校正曲线基本重合。因此，三次多项式计算的式（1）可以作为实时反伽马校正曲线使用。

但采用三次多项式拟合实时伽马校正时发现，简单的三次多项式和标准伽马矫正曲线不能很好地重合，特别是在低灰度区域，误差较大。多次实验的结果表明，采用单一的多项式拟合反伽马校正不能很好地控制计算误差，为了减少逆变换的误差可采用分段三次多项式拟合即

式中:x为输入灰度级，y为输出灰度级。

采用式（2）对256灰度级进行实时伽马校正曲线拟合后，结果表明采用分段式多项式拟合后，在低灰度级区域和高灰度级区域的拟合误差得到很好的控制，显示图像更接近于真实值。

2 结果以及讨论

为了验证基于实测校正因子的实时伽马矫正算法，采用型号为Xilinx的Spartan3A DSP－1800系列FPGA将相关算法综合到50 in（1 in=2.54 cm）高清PDP的控制电路中，进行相关测试。测试结果见图7的实际测试结果。

图7 50 in高清PDP实验结果

测试表明，PDP采用实时计算的伽马校正算法显示该图像时，原本处于APL临界状态的暗区域亮度不再跳变，区域A和B大面积暗图像的闪烁现象得到了消除。整个图像的灰度级呈线性变化，灰度级反转和失真现象也得到了很好的解决，显示图像细节细腻，显示画质得到了提高。

这种基于实测矫正因子的实时伽马校正算法通过不同APL下显示亮度和灰度级间映射关系，实现了正确的灰度级显示图像，减少了图像在反伽马校正过程中的误差，解决了不同APL图像切换时存在的闪烁问题以及图像静止时因APL处于临界状态切换而产生的亮度跳变。特别是多项式拟合伽马和反伽马曲线的引入降低了运算的复杂程度，提高了图像的灰度级显示效果，具有较高的实用性和适应性。

3 结论

本文针对PDP反伽马校正过程中光致荧光粉亮度饱和引起的灰度级失真以及APL临界状态引起的显示亮度跳变现象，采用实测关键灰度级亮度和子场校正因子补偿相结合的算法，利用实测亮度和灰度级之间的对应关系解决了灰度级输出线性的问题，同时引入不同APL下亮度矫正因子解决了APL切换过程中的亮度跳变，实现了显示图像的平滑切换。此外，整个算法采用分段的多项式拟合法进行实时伽马和反伽马变换计算，便于硬件实现，具有较高的实用性和较强的适应性。50 in PDP实验结果表明，该算法能够减少大面积暗场区域中存在的闪烁，消除显示图像输出灰度的失真和反转，增强了显示画面的细节，提高了显示画质。

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［1］WEBER L.The promiseof plasma displays for HDTV［J］.SID Symposium Digest of Technical Papers，2000，31（1）:402－405.

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［3］魏巍，孙鉴.彩色等离子体显示器动态低灰度级增强技术［J］.西安交通大学学报，2005，39（12）:1366－1367.

［4］KANG S，DO H，SHIN J，et al.Reduction of low gray－level contours using error diffusion based on emission characteristics of PDP［J］.IEEE Trans.Consumer Electronics，2004，50（2）:401－406.

［5］左瑞娟，武永华.液晶电视或液晶显示器的动态γ调整方法［J］.电视技术，2010，34（11）:117－119.

［6］LEE C，PARK S，KANG J，et al.A real time image processor for reproduction of gray levels in dark areas on plasma display panel（PDP）［J］.IEEE Trans.Consumer Electronics，2002，48（4）:879－886.

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［8］赵静.基于多独立通道自适应性图像对比度增强算法［J］.电视技术，2012，36（11）:24－26.

［9］SHINODA T，WAKITANI M，YOSHIKAWA K.High level gray scale for AC plasma display panels using address－display period－separated subfield method［J］.IEICE Trans.Electronics，1998，2（3）:349－355.

［10］KANG S，KIM S，CHIEN S，et al.Adaptive stretched－out coding based on cumulative histogram analysis for reduction of GSR error and DFC in plasma TV［C］//Proc.ICCE ’09.Las Vegas，NV:IEEE Press，2009:1－2.

Method for Real Time Gamma Based on Measured Correction Factor

WEI Haicheng1，ZHAO Jing2

（1.School of Electrical and Information Engineering，Beifang University of Nationalities，Yinchuan 750021，China;2.School of Mathematics and Computer Science，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

A real time inverse gamma correction algorithm based on the PDP luminance characteristics is proposed to reduce the phosphor brightness saturation and flicker caused by different APL（Average Picture Level）picture switch.In the proposed algorithm，the luminance of the key gray scale and the correction factor of APL are combined，as a result，the gray level distortion is reduced and the picture flicker when switching is eliminated.The 50 in（1 in=2.54 cm）PDP experimental results show that the dark area flicker and the distortion of the gray level are reduced，the detail of picture is enhanced and the picture quality is improved.In addition，the use of segmented polynomial fitting calculated real－time inverse gamma algorithm has faster processing speed and smaller dependence on circuit.

plasma display panel;inverse gamma correction;gray－scale enhancement

TN873.94;TN27

A

【本文献信息】韦海成，赵静.基于实测校正因子的实时伽马校正算法［J］.电视技术，2014，38（3）.

核高基重大专项（2009ZX01033－001－003－5）;电子信息产业发展基金项目（2010HZ01）;宁夏自治区自然科学基金资助项目（NZ1137;NZ13083）

韦海成（1974— ），博士，副教授，主要从事平板显示器件方面的研究;

赵 静（1977— ），女，硕士，副教授，主要研究领域为图形图像处理、多媒体应用技术。

责任编辑:时 雯

2013－04－06