一种提高图像对比度和视觉质量的新型区域背光算法

工程科学学报，第39卷，第12期：1888-1897,2017年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.12:1888-1897,December 2017 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2017.12.016:http://journals..ustb.edu.cn 一种提高图像对比度和视觉质量的新型区域背光算法 张涛”，巫红英区，李蒙》，雷志春13》 1)天津大学电气自动化与信息工程学院，天津3000722)深圳华为技术有限公司，深圳5181293)鲁尔西应用科学大学传感与测量研究 所，北莱菌威斯特法伦州45479 ☒通信作者，E-mail:wuhongying@(u.cdu.cm 摘要为尽可能高地提高液晶显示器(LCD)的动态范围以实现高动态范围显示，提出了一种基于动态阈值背光亮度提取 和液晶像素补偿两步法的区域背光算法，以提高液晶显示器背光模组和液晶面板的动态范围，从而使调光后图像的对比度和 视觉质量都得到增强.仿真结果表明，用该算法区域调光后图像的对比度平均提高了113.60%.此外，用自主研发的直下式 白光LED分区背光液晶显示样机通过显示具体图像对所提出算法进行性能测试，显示结果表明区域调光后图像的层次和色 彩得到了增强且提高了对比度，证明了所提出算法能有效提高液晶显示器的对比度并改善显示画质. 关键词高动态范围：区域背光：背光亮度：像素补偿：对比度 分类号TN27:TN873 A novel local dimming algorithm to improve image contrast and visual quality ZHANG Tao,WU Hong-ying,LI Meng,LEI Zhi-chun' 1)School of Electrical Automation and Information Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China 2)Shenzhen Huawei Technology Co.,Ltd.,Shenzhen 518129,China 3)Institute of Sensing and Measurement,University of Applied Sciences Ruhr West,North Rhine-Westphalia 45479,Germany Corresponding author,E-mail:wuhongying@tju.edu.cn ABSTRACT With the emergence of high dynamic range (HDR)images and videos,improving the liquid crystal display (LCD) technology has become an urgent requirement.The development of HDR display systems is becoming the focus of research in the dis- play technology.To improve the dynamic range of LCDs to the best possible extent,a local dimming algorithm based on dynamic- threshold backlight luminance extraction and two-step liquid crystal pixel compensation was proposed to improve the dynamic range of a backlight model and an LCD panel,thereby enhancing the contrast and visual quality of the dimmed image.The experimental results demonstrate that the proposed algorithm can improve the image contrast ratio by approximately 113.60%on average.Additionally,on the direct white light-emitting diode backlight LCD,specific images were used to verify the accuracy of the proposed algorithm.The display effects indicate that the layering and color of dimmed images are enhanced and the image contrast ratio is improved.Based on these results,it can be concluded that the proposed algorithm can effectively improve both the contrast of LCDs and the display quality. KEY WORDS high dynamic range:local dimming:backlight luminance;pixel compensation;contrast ratio 动态范围广义上是指某一变化事物可以改变的跨 就越强.自然界大约有8个数量级的亮度范围，从星 度范围.对于静态图像或视频帧，动态范围为最暗色 空下的夜景（亮度约为103cd)至太阳本身亮度（约为 调到最亮色调的范围，光线的明暗变化在这个范围内 105cd).人眼由于其自动调节机制，可以捕捉到5个 实现。范围越大，变化层次越多，对细节的描述能力也 数量级的亮度范围，但现行的低动态范围(low dynamic 收稿日期：2017-03-06 基金项目：天津市科技计划资助项目(16 YFZCGX00760):图像视频HDR显示研究资助项目(2016120024000202)

工程科学学报，第 39 卷，第 12 期: 1888--1897，2017 年 12 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 12: 1888--1897，December 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 12． 016; http: / /journals． ustb． edu． cn 一种提高图像对比度和视觉质量的新型区域背光算法 张 涛1) ，巫红英1) ，李 蒙2) ，雷志春1，3) 1) 天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072 2) 深圳华为技术有限公司，深圳 518129 3) 鲁尔西应用科学大学传感与测量研究 所，北莱菌威斯特法伦州 45479 通信作者，E-mail: wuhongying@ tju． edu． cn 摘 要 为尽可能高地提高液晶显示器( LCD) 的动态范围以实现高动态范围显示，提出了一种基于动态阈值背光亮度提取 和液晶像素补偿两步法的区域背光算法，以提高液晶显示器背光模组和液晶面板的动态范围，从而使调光后图像的对比度和 视觉质量都得到增强． 仿真结果表明，用该算法区域调光后图像的对比度平均提高了 113. 60% ． 此外，用自主研发的直下式 白光 LED 分区背光液晶显示样机通过显示具体图像对所提出算法进行性能测试，显示结果表明区域调光后图像的层次和色 彩得到了增强且提高了对比度，证明了所提出算法能有效提高液晶显示器的对比度并改善显示画质． 关键词 高动态范围; 区域背光; 背光亮度; 像素补偿; 对比度 分类号 TN27; TN873 A novel local dimming algorithm to improve image contrast and visual quality ZHANG Tao1) ，WU Hong-ying1)  ，LI Meng2) ，LEI Zhi-chun1，3) 1) School of Electrical Automation and Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China 2) Shenzhen Huawei Technology Co． ，Ltd． ，Shenzhen 518129，China 3) Institute of Sensing and Measurement，University of Applied Sciences Ｒuhr West，North Ｒhine-Westphalia 45479，Germany Corresponding author，E-mail: wuhongying@ tju． edu． cn ABSTＲACT With the emergence of high dynamic range ( HDＲ) images and videos，improving the liquid crystal display ( LCD) technology has become an urgent requirement． The development of HDＲ display systems is becoming the focus of research in the dis￾play technology． To improve the dynamic range of LCDs to the best possible extent，a local dimming algorithm based on dynamic￾threshold backlight luminance extraction and two-step liquid crystal pixel compensation was proposed to improve the dynamic range of a backlight model and an LCD panel，thereby enhancing the contrast and visual quality of the dimmed image． The experimental results demonstrate that the proposed algorithm can improve the image contrast ratio by approximately 113. 60% on average． Additionally，on the direct white light-emitting diode backlight LCD，specific images were used to verify the accuracy of the proposed algorithm． The display effects indicate that the layering and color of dimmed images are enhanced and the image contrast ratio is improved． Based on these results，it can be concluded that the proposed algorithm can effectively improve both the contrast of LCDs and the display quality． KEY WOＲDS high dynamic range; local dimming; backlight luminance; pixel compensation; contrast ratio 收稿日期: 2017--03--06 基金项目: 天津市科技计划资助项目( 16YFZCGX00760) ; 图像视频 HDＲ 显示研究资助项目( 2016120024000202) 动态范围广义上是指某一变化事物可以改变的跨 度范围． 对于静态图像或视频帧，动态范围为最暗色 调到最亮色调的范围，光线的明暗变化在这个范围内 实现． 范围越大，变化层次越多，对细节的描述能力也 就越强． 自然界大约有 8 个数量级的亮度范围，从星 空下的夜景( 亮度约为 10 － 3 cd) 至太阳本身亮度( 约为 105 cd) ． 人眼由于其自动调节机制，可以捕捉到 5 个 数量级的亮度范围，但现行的低动态范围( low dynamic

张涛等：一种提高图像对比度和视觉质量的新型区域背光算法 ·1889· range,LDR)显示设备（也称为SDR显示系统）可重现 LED灯的亮度，从而提高背光模组的对比度并降低能 的动态范围只有2~3个数量级，远远小于人眼可感知 耗.液晶像素补偿在区域背光动态调光技术中发挥着 的自然场景的动态范围，人们从显示器上所看到的仅 重要的作用，它保证了当背光亮度降低时，调光后的图 仅是一个屏幕表现，而非自然场景的真实再现.相反， 像经补偿后其整体亮度和色彩与背光全亮时基本保持 高动态范围(high dynamic range,HDR)图像/视频能够 不变.液晶像素补偿除了可以提高图像对比度，还可 最大程度的再现真实场景的动态范围，给人以最直接 以提升调光后图像的显示质量 的临场感受.实际上，数码相机的成像过程就是真实 目前，国内外已有一些区域背光动态调光算法被 世界高动态范围到相片低动态范围的映射 提出.其中，较为基础的有最大值法和平均值法田 目前，国内外许多手机和相机都配置了HDR图像 最大值法的优点是不会产生像素的溢出失真，缺点是 拍照功能，而MT最新提出的Modulo摄像机0使得单 对噪声十分敏感，节能效果也较差.平均值法的节能 次曝光获得HDR视频成为可能，HDR图像/视频的涌 效果要比最大值法好，但亮度值在平均值以上的像素 现急需相应的液晶显示技术的提高.当HDR图像/视 点在此强度的背光下，调光后图像会出现失真.除了 频在LDR显示器上显示时，动态范围有限的LDR显 这两种较为基础的方法，较为常见的还有累积分布函 示器无法同时将明暗交界处的细节信息完全显示出 数法(cumulative distribution function,CDF)、映射函 来，相反HDR显示器由于动态范围大，能同时将两者 数反转法仞(inverse of mapping function,IMF)、查表 考虑在内.为实现HDR显示，国内外许多厂家都在开 法图(look-up table,LUT)等.CDF法和MF法性能很 发HDR显示器.如CES2016展上，三星、LG、Vizio等 相似且都存在其局限性，即更适用于高亮度的图像，而 纷纷推出了自己的HDR电视新品.开发HDR显示器 对于整体亮度较暗的图像，调光后的图像会出现明显 的关键就是提高其动态范围，对应于显示图像就是提 的失真.LUT法是采用加权的思想将最大值法和平均 高其对比度.传统液晶显示器(liquid crystal display, 值法结合在一起而衍生出来的一种算法.UT法采用 LCD)采用全局背光，其动态范围只有大约2个数量 了查表操作其算法复杂度降低了，但它并不适用高对 级，且全局背光还存在较为严重的漏光现象，这也是限 比度图像.近来，一些性能更为优良的区域背光算法 制LCD对比度提高的一个主要原因.为解决这一系列 被提出，如Nadernejad等网提出的一种基于直方图和 问题，人们提出了LED区域背光动态调光技术.作为 图像特征的自适应区域背光算法：Cho等@提出了一 被动式显示器件，LCD本身并不发光，它由LED背光 种以RGB三基色LED做背光源的区域背光算法；在 模组和液晶显示面板组成，其中背光单元属于低分辨 文献1]中一种用于侧入式背光的区域背光算法被 率面板，它控制图像各分区的背光亮度；液晶单元是高 提出.然后，通过研究发现，这些算法更多的是利用区 分辨率单元，可以较好地保持图像细节.根据光学理 域背光技术来降低背光源的能耗，而不是侧重于提高 论，LCD总的动态范围为背光模组和液晶面板两部分 LCD的动态范围.为真正实现HDR显示，提高动态范 动态范围的乘积网 围才是首先应该考虑的因素.为此，本文提出了一种 现有LED区域背光动态调光技术主要指的是2D 新型的区域背光算法，该算法综合考虑了对比度提高 区域调光，它分为两个部分：背光亮度提取和液晶像素 和视觉质量增强两方面因素，在提高显示图像对比度 补偿.其中，背光亮度提取是将背光模组分成若干矩 的同时还提升了显示画质 阵式分区，根据各分区图像内容动态提取能表征分区 一种新型区域背光算法 亮度信息的特征参数，根据该特征参数通过脉冲宽度 调制(pulse width modulation,PWM)技术B-控制对应 图1是本文所提出算法的总体框图，算法主要包 像素补偿第一步：S曲线 提高图像对比度 液品像素补偿 显示 平滑后的背光矩阵 像素补偿第二步：对数 函数提升显示质量 输人图像 BMA背光平滑 像素信息 背光亮度 初始背光亮度矩阵 图像分析 分区背光亮度提取 背光模组 图1所提出算法总体框图 Fig.I Overall diagram of the proposed algorithm

张 涛等: 一种提高图像对比度和视觉质量的新型区域背光算法 range，LDＲ) 显示设备( 也称为 SDＲ 显示系统) 可重现 的动态范围只有 2 ～ 3 个数量级，远远小于人眼可感知 的自然场景的动态范围，人们从显示器上所看到的仅 仅是一个屏幕表现，而非自然场景的真实再现． 相反， 高动态范围( high dynamic range，HDＲ) 图像/视频能够 最大程度的再现真实场景的动态范围，给人以最直接 的临场感受． 实际上，数码相机的成像过程就是真实 世界高动态范围到相片低动态范围的映射． 目前，国内外许多手机和相机都配置了 HDＲ 图像 拍照功能，而 MIT 最新提出的 Modulo 摄像机［1］使得单 次曝光获得 HDＲ 视频成为可能，HDＲ 图像/视频的涌 现急需相应的液晶显示技术的提高． 当 HDＲ 图像/视 频在 LDＲ 显示器上显示时，动态范围有限的 LDＲ 显 示器无法同时将明暗交界处的细节信息完全显示出 来，相反 HDＲ 显示器由于动态范围大，能同时将两者 考虑在内． 为实现 HDＲ 显示，国内外许多厂家都在开 发 HDＲ 显示器． 如 CES2016 展上，三星、LG、Vizio 等 纷纷推出了自己的 HDＲ 电视新品． 开发 HDＲ 显示器 的关键就是提高其动态范围，对应于显示图像就是提 高其对比度． 传统液晶显示器( liquid crystal display， LCD) 采用全局背光，其动态范围只有大约 2 个数量 级，且全局背光还存在较为严重的漏光现象，这也是限 制 LCD 对比度提高的一个主要原因． 为解决这一系列 图 1 所提出算法总体框图 Fig． 1 Overall diagram of the proposed algorithm 问题，人们提出了 LED 区域背光动态调光技术． 作为 被动式显示器件，LCD 本身并不发光，它由 LED 背光 模组和液晶显示面板组成，其中背光单元属于低分辨 率面板，它控制图像各分区的背光亮度; 液晶单元是高 分辨率单元，可以较好地保持图像细节． 根据光学理 论，LCD 总的动态范围为背光模组和液晶面板两部分 动态范围的乘积［2］． 现有 LED 区域背光动态调光技术主要指的是 2D 区域调光，它分为两个部分: 背光亮度提取和液晶像素 补偿． 其中，背光亮度提取是将背光模组分成若干矩 阵式分区，根据各分区图像内容动态提取能表征分区 亮度信息的特征参数，根据该特征参数通过脉冲宽度 调制( pulse width modulation，PWM) 技术［3--4］控制对应 LED 灯的亮度，从而提高背光模组的对比度并降低能 耗． 液晶像素补偿在区域背光动态调光技术中发挥着 重要的作用，它保证了当背光亮度降低时，调光后的图 像经补偿后其整体亮度和色彩与背光全亮时基本保持 不变． 液晶像素补偿除了可以提高图像对比度，还可 以提升调光后图像的显示质量． 目前，国内外已有一些区域背光动态调光算法被 提出． 其中，较为基础的有最大值法和平均值法［5］． 最大值法的优点是不会产生像素的溢出失真，缺点是 对噪声十分敏感，节能效果也较差． 平均值法的节能 效果要比最大值法好，但亮度值在平均值以上的像素 点在此强度的背光下，调光后图像会出现失真． 除了 这两种较为基础的方法，较为常见的还有累积分布函 数法［6］( cumulative distribution function，CDF) 、映射函 数反转 法［7］ ( inverse of mapping function，IMF) 、查表 法［8］( look-up table，LUT) 等． CDF 法和 IMF 法性能很 相似且都存在其局限性，即更适用于高亮度的图像，而 对于整体亮度较暗的图像，调光后的图像会出现明显 的失真． LUT 法是采用加权的思想将最大值法和平均 值法结合在一起而衍生出来的一种算法． LUT 法采用 了查表操作其算法复杂度降低了，但它并不适用高对 比度图像． 近来，一些性能更为优良的区域背光算法 被提出，如 Nadernejad 等［9］提出的一种基于直方图和 图像特征的自适应区域背光算法; Cho 等［10］提出了一 种以 ＲGB 三基色 LED 做背光源的区域背光算法; 在 文献［11］中一种用于侧入式背光的区域背光算法被 提出． 然后，通过研究发现，这些算法更多的是利用区 域背光技术来降低背光源的能耗，而不是侧重于提高 LCD 的动态范围． 为真正实现 HDＲ 显示，提高动态范 围才是首先应该考虑的因素． 为此，本文提出了一种 新型的区域背光算法，该算法综合考虑了对比度提高 和视觉质量增强两方面因素，在提高显示图像对比度 的同时还提升了显示画质． 1 一种新型区域背光算法 图 1 是本文所提出算法的总体框图，算法主要包 · 9881 ·

·1890 工程科学学报，第39卷，第12期 括三部分：(1)分区背光亮度提取：(2)背光平滑：(3) 1.1.2分区背光亮度计算 液晶像素补偿. 考虑到最大值法无像素溢出失真而平均值法能较 1.1基于动态阈值的背光亮度提取 好地保持图像细节，本文采用加权的思想将这两种算 1.1.1RGB图像转化为灰度图像 法结合在一起确定分区背光亮度，图2为背光亮度提 本文通过比较分区每个像素点R、G、B三个分量， 取方法的示意图.定义分区背光亮度计算公式为： 得到的最大分量构成的灰度图像.该步骤是为了准确 BL.=BDRn'gay.+(（1-BDR.）gy- 反映每个像素(i,》的最大强度以免在像素补偿过程 (2) 中出现削幅2-国.定义RGB图像转化为灰度图像的 式中，BL和BDR分别是分区(m,n)的背光亮度和背 公式为： 光调光比(backlight luminance ratio,BDR):gray和 grayi max (RGB. (1) gray分别是分区(m,n)的灰度最大值和平均值. 输人图像分区直方图 背光单元 ◆统计 PWM信号 R.G.B BDG BDR=0.5+BDG/510 BL=BDRxgray+(1-BDR)xgray BDG 灰度级 图2分区背光亮度计算方法示意图 Fig.2 Diagram of local backlight luminance calculation 1.1.3计算分区背光调光灰度级 的标准 具体计算步骤如下： 1.1.4计算分区背光调光比 (1)作出灰度化后图像各分区的直方图： 计算背光调光比BDR公式为： (2)根据分区图像内容计算阈值T.本文采用最 BDR=0.5+(BDG/510) (4) 大类间方差法（也叫大津法，简称Osu法）根据分区图 由于阈值T是根据分区图像内容动态调整的，故 像内容自适应选取合适的阈值T: 各分区的背光调节系数K也是动态变化的，且K值反 (3)计算分区背光调节系数K.在得到使分区类 映了分区细节的多少.再者，本文所提出的分区背光 间方差最大的阈值T后，用该T对分区各像素进行二 亮度提取方法借鉴了最大值法无溢出失真而平均值法 值化.统计二值图像单一区域中像素值为1的点数 能较好地保持暗区域细节信息的特点，因此，通过本文 目，记为N:像素值为0的点数目，记为N。,则分区 方法计算出来的分区背光亮度可满足不同区域对亮度 (m,n)的背光调节系数为 的需求.即对于亮区域增大背光单元LED的亮度，而 较暗区域则降低LED的亮度，从而提高调光后图像的 Km=N。+N (3) 对比度 K值反映了分区中图像细节的多少，当分区细节 1.2背光平滑 较丰富时，K值趋近于1：而当分区细节较少时，K值趋 在使用上述分区背光亮度提取方法确定各分区的 近于0. 初始背光亮度后，为保证当背光亮度降低时调光后图 (4)确定分区背光调光灰度级(backlight dim- 像的显示质量，还需要对液晶像素进行相应的补偿 ming gray,BDG)的值.如图2所示，根据所得的分区背 由于光源的区域控制导致背光亮度不再均匀，又由于 光调节系数K确定调光灰度级BDG,可以看出BDG是 相邻背光单元之间存在光的串扰，当将初始分区背光 包含分区总像素个数K%时所对应的灰度值.当BDG 亮度值矩阵直接扩大至输入图像像素尺寸，再据此对 的值较大时，说明该分区的大多数像素点都拥有较大 原始像素进行液晶像素补偿，补偿后的图像出现了明 的灰度值，故该分区是一个高亮区域：而当BDG的值 显的分区，如图3(b)中红色椭圆区域.从初始背光亮 较小时，说明该分区的大多数像素点都处于低灰度级 度的分布也可以看出，当相邻背光区域亮度差异较大 范围内，故它是一个低亮区域.所以，BDG可以作为一 时，其出现了明显块效应，如图3(c)所示. 个将输入图像划分为高亮度、中间亮度和低亮度区域 为去除调光后图像出现的“块效应”，需要考虑相

工程科学学报，第 39 卷，第 12 期 括三部分: ( 1) 分区背光亮度提取; ( 2) 背光平滑; ( 3) 液晶像素补偿． 1. 1 基于动态阈值的背光亮度提取 1. 1. 1 ＲGB 图像转化为灰度图像 本文通过比较分区每个像素点 Ｒ、G、B 三个分量， 得到的最大分量构成的灰度图像． 该步骤是为了准确 反映每个像素( i，j) 的最大强度以免在像素补偿过程 中出现削幅［12--13］． 定义 ＲGB 图像转化为灰度图像的 公式为: grayi，j = max { Ｒi，j ，Gi，j ，Bi，j } ． ( 1) 1. 1. 2 分区背光亮度计算 考虑到最大值法无像素溢出失真而平均值法能较 好地保持图像细节，本文采用加权的思想将这两种算 法结合在一起确定分区背光亮度，图 2 为背光亮度提 取方法的示意图． 定义分区背光亮度计算公式为: BLm，n = BDＲm，n ·graymaxm，n + ( 1 － BDＲm，n )·grayavgm，n ． ( 2) 式中，BL 和 BDＲ 分别是分区( m，n) 的背光亮度和背 光调 光 比 ( backlight luminance ratio，BDＲ) ; graymax 和 grayavg分别是分区( m，n) 的灰度最大值和平均值． 图 2 分区背光亮度计算方法示意图 Fig． 2 Diagram of local backlight luminance calculation 1. 1. 3 计算分区背光调光灰度级 具体计算步骤如下: ( 1) 作出灰度化后图像各分区的直方图; ( 2) 根据分区图像内容计算阈值 T． 本文采用最 大类间方差法( 也叫大津法，简称 Otsu 法) 根据分区图 像内容自适应选取合适的阈值 T; ( 3) 计算分区背光调节系数 K． 在得到使分区类 间方差最大的阈值 T 后，用该 T 对分区各像素进行二 值化． 统计二值图像单一区域中像素值为 1 的点数 目，记为 N1 ; 像素值为 0 的点数目，记为 N0，则分区 ( m，n) 的背光调节系数［14］为 Km，n = N1 N0 + N1 ． ( 3) K 值反映了分区中图像细节的多少，当分区细节 较丰富时，K 值趋近于 1; 而当分区细节较少时，K 值趋 近于 0 ． ( 4) 确定分区背光调光灰度级［15］( backlight dim￾ming gray，BDG) 的值． 如图 2 所示，根据所得的分区背 光调节系数 K 确定调光灰度级 BDG，可以看出 BDG 是 包含分区总像素个数 K% 时所对应的灰度值． 当 BDG 的值较大时，说明该分区的大多数像素点都拥有较大 的灰度值，故该分区是一个高亮区域; 而当 BDG 的值 较小时，说明该分区的大多数像素点都处于低灰度级 范围内，故它是一个低亮区域． 所以，BDG 可以作为一 个将输入图像划分为高亮度、中间亮度和低亮度区域 的标准． 1. 1. 4 计算分区背光调光比 计算背光调光比 BDＲ 公式［15］为: BDＲ = 0. 5 + ( BDG/510) ． ( 4) 由于阈值 T 是根据分区图像内容动态调整的，故 各分区的背光调节系数 K 也是动态变化的，且 K 值反 映了分区细节的多少． 再者，本文所提出的分区背光 亮度提取方法借鉴了最大值法无溢出失真而平均值法 能较好地保持暗区域细节信息的特点，因此，通过本文 方法计算出来的分区背光亮度可满足不同区域对亮度 的需求． 即对于亮区域增大背光单元 LED 的亮度，而 较暗区域则降低 LED 的亮度，从而提高调光后图像的 对比度． 1. 2 背光平滑 在使用上述分区背光亮度提取方法确定各分区的 初始背光亮度后，为保证当背光亮度降低时调光后图 像的显示质量，还需要对液晶像素进行相应的补偿． 由于光源的区域控制导致背光亮度不再均匀，又由于 相邻背光单元之间存在光的串扰，当将初始分区背光 亮度值矩阵直接扩大至输入图像像素尺寸，再据此对 原始像素进行液晶像素补偿，补偿后的图像出现了明 显的分区，如图 3( b) 中红色椭圆区域． 从初始背光亮 度的分布也可以看出，当相邻背光区域亮度差异较大 时，其出现了明显块效应，如图 3( c) 所示． 为去除调光后图像出现的“块效应”，需要考虑相 · 0981 ·

张涛等：一种提高图像对比度和视觉质量的新型区域背光算法 ·1891· 图3比较原图与用初始背光信号调光的图像.()原图：(b)用初始背光信号补偿后的图像：（©）初始背光信号的分布 Fig.3 Comparison between the original and dimmed images:(a)original image:(b)dimmed image using the initial backlight luminance to com- pensate:(c)distribution of the initial backlight luminance 邻分区背光值的大小，将背光分区边界尽量平滑.目 像素做出精确的补偿，以解决液晶像素补偿后出现的 前常用的背光平滑方法主要有光扩散函数法6-切 块效应问题，具体步骤如下 (light spreading function,LSF)和模糊一扩散方法s-g (1)利用本文背光亮度计算方法计算出初始背光 (blur mask approach,BMA).LSF法的主要思想是将背 亮度矩阵，记为BLm,设其尺寸大小为M×N,如式 光信号矩阵与光扩散函数LSF卷积，来模拟背光模组 (5)所示. 各单元LED发出的光线扩散后的光强分布，再根据此 BLi BLi2 BL1.N-I BLI.N 卷积结果与原始像素确定图像像素补偿信号.由于卷 BL2. BL22 BL2.x- BL2.N 积的运算量大且复杂度高，这导致在实际应用系统中 BLinit 硬件载体的存储和计算要求非常之高，所以LSF法并 BLw-1 BLw-12 BLM-1.N-1 BLx-1.N 不实用.为降低计算复杂度并快速得到平滑效果较好 BLya BLw.2 BLy.s-1 BLx.N 的背光信号，BMA法被提出，该方法的核心思想是借 (5) 用低通滤波器对初始背光信号做平滑处理.本文借鉴 (2)对初始背光亮度矩阵BL的上、下、左、右四 文献19]中的BMA法，通过对区域背光光扩散性能 边做镜像处理，得到镜像后的背光亮度矩阵BL,其 的研究，建立分区背光扩散模型，模拟实际系统中对应 大小变为(M+2)×(N+2),如式(6)所示. 于输入图像每个像素点的背光信号分布，进而对原始 BLi BLi BL12 BL1.N-1 BL.N BLi.N BLi. BLi BL12 BLi.N-1 BLL.N BLi.N BL2. BL2. BL2.2 BL2.N-1 BL2.N BL2.N (6) BLv-1 BLw-1 BLw-1.2 …BLw-l.N-lBL-NBL-N BLv. BLM.1 BLx.2 BLM.N-1 BLM.N BLM.N BLy. BLx.1 BLx.2 BLy.s-1 BLM.N BLM.N (3)对镜像后的背光矩阵BL不包含四条边界 BLu=axBx(BLBL+ 的元素按照式(7)进行混光，得到混光矩阵BLd,如 c×(BLes+BLm)+d×(BL+ 式(8)所示. BLmw+BLm+BLm）, (7) BLain BLoinz BLaied.z BL BLd BLa BLai BLeisel: BLmised …BLmised BLmived BLaic BLrived= (8) BLaire BLnised BLaixed BLaicl BLaie BLmived. BLnived …BLmised BLaised. BLoi. BLBL BLoir一 BLnic 式中，a、b、c和d为低通滤波模板（模板大小为3×3）系数，如图4(a)所示.其中，a位于扩散模板的中心位

张 涛等: 一种提高图像对比度和视觉质量的新型区域背光算法 图 3 比较原图与用初始背光信号调光的图像． ( a) 原图; ( b) 用初始背光信号补偿后的图像; ( c) 初始背光信号的分布 Fig． 3 Comparison between the original and dimmed images: ( a) original image; ( b) dimmed image using the initial backlight luminance to com￾pensate; ( c) distribution of the initial backlight luminance 邻分区背光值的大小，将背光分区边界尽量平滑． 目 前常用的背光平滑方法主要有光扩散函数法［16--17］ ( light spreading function，LSF) 和模糊--扩散方法［18--19］ ( blur mask approach，BMA) ． LSF 法的主要思想是将背 光信号矩阵与光扩散函数 LSF 卷积，来模拟背光模组 各单元 LED 发出的光线扩散后的光强分布，再根据此 卷积结果与原始像素确定图像像素补偿信号． 由于卷 积的运算量大且复杂度高，这导致在实际应用系统中 硬件载体的存储和计算要求非常之高，所以 LSF 法并 不实用． 为降低计算复杂度并快速得到平滑效果较好 的背光信号，BMA 法被提出，该方法的核心思想是借 用低通滤波器对初始背光信号做平滑处理． 本文借鉴 文献［19］中的 BMA 法，通过对区域背光光扩散性能 的研究，建立分区背光扩散模型，模拟实际系统中对应 于输入图像每个像素点的背光信号分布，进而对原始 像素做出精确的补偿，以解决液晶像素补偿后出现的 块效应问题，具体步骤如下． ( 1) 利用本文背光亮度计算方法计算出初始背光 亮度矩阵，记为 BLinit，设其尺寸大小为 M × N，如式 ( 5) 所示． BLinit = BL1，1 BL1，2 … BL1，N － 1 BL1，N BL2，1 BL2，2 … BL2，N － 1 BL2，N      BLM － 1，1 BLM － 1，2 … BLM － 1，N － 1 BLM － 1，N BLM，1 BLM，2 … BLM，N － 1 BLM，               N ． ( 5) ( 2) 对初始背光亮度矩阵 BLinit的上、下、左、右四 边做镜像处理，得到镜像后的背光亮度矩阵 BLmirr，其 大小变为( M + 2) × ( N + 2) ，如式( 6) 所示． BLmirr = BL1，1 BL1，1 BL1，2 … BL1，N － 1 BL1，N BL1，N BL1，1 BL1，1 BL1，2 … BL1，N － 1 BL1，N BL1，N BL2，1 BL2，1 BL2，2 … BL2，N － 1 BL2，N BL2，N        BLM － 1，1 BLM － 1，1 BLM － 1，2 … BLM － 1，N － 1 BLM － 1，N BLM － 1，N BLM，1 BLM，1 BLM，2 … BLM，N － 1 BLM，N BLM，N BLM，1 BLM，1 BLM，2 … BLM，N － 1 BLM，N BLM，                      N  ． ( 6) ( 3) 对镜像后的背光矩阵 BLmirr不包含四条边界 的元素按照式( 7) 进行混光，得到混光矩阵 BL' mixed，如 式( 8) 所示． BLmixedi，j = a × BLmirri，j + b × ( BLmirri，j － 1 + BLmirri，j + 1 ) + c × ( BLmirri － 1，j + BLmirri + 1，j ) + d × ( BLmirri － 1，j － 1 + BLmirri － 1，j + 1 + BLmirri + 1，j － 1 + BLmirri + 1，j + 1 ) ， ( 7) BL' mixed = BLmirr1，1 BLmirr1，2 BLmirr1，3 … BLmirr1，N BLmirr1，N + 1 BLmirr1，N + 2 BLmirr2，1 BLmixed2，2 BLmixed2，3 … BLmixed2，N BLmixed2，N + 1 BLmirr2，N + 2 BLmirr3，1 BLmixed3，2 BLmixed3，3 … BLmixed3，N BLmixed3，N + 1 BLmirr3，N + 2        BLmirrM，1 BLmixedM，2 BLmixedM，3 … BLmixedM，N BLmixedM，N + 1 BLmirrM，N + 2 BLmirrM + 1，1 BLmixedM + 1，2 BLmixedM + 1，3 … BLmixedM + 1，N BLmixedM + 1，N + 1 BLmirrM + 1，N + 2 BLmirrM + 2，1 BLmirrM + 2，2 BLmirrM + 2，3 … BLmirrM + 2，N BLmirrM + 2，N + 1 BLmirrM + 2，N                       + 2 ． ( 8) 式中，a、b、c 和 d 为低通滤波模板( 模板大小为 3 × 3) 系数，如图 4( a) 所示． 其中，a 位于扩散模板的中心位 · 1981 ·

·1892 工程科学学报，第39卷，第12期 置，表示光扩散中心扩散后剩余光能量系数：b、c和d BLm4,其大小为2(M+2)×2(N+2). 分布在扩散模板的四周，分别代表光扩散中心对四周 (5)重复步骤(2)~(4)，直至分区背光达到良好 的扩散能力系数.为保证光在传播过程能量守恒，a、 的平滑效果，即没有明显的块边界，最后再做一次最近 b、c和d满足恒等式a+2b+2c+4d=1.经过大量实 邻插值将混光后的背光矩阵扩大至输入图像尺寸，得 验，最终选取a=0.36,b=0.09,c=0.09,d=0.07. 到最终用于液晶像素补偿的背光矩阵BL:实验仿 (4)为降低计算复杂度，采用最近邻插值法将混 真结果如图4(b)、(c)所示，可以看出平滑后的背光亮 光矩阵BL的尺寸扩大为原来的2倍，得到矩阵 度分布无块效应 a 图4模拟背光分布.(a)低通滤波模板：(b)初始背光分布：(c)平滑后的背光分布 Fig.4 Simulation of the distribution of backlight luminance:(a)template for the low-pass filter:(b)distribution of the initial backlight luminance: (c)distribution of the smoothed backlight luminance 1.3液晶像素补偿两步法 虽然线性补偿方法实现简单且计算复杂度低，但它存 液晶像素补偿就是根据背光亮度对输入图像的像 在的种种弊端（对高亮度图像易产生截光现象、对噪 素值进行一些必要的变换以达到预期显示效果的过 声敏感)使得调光后图像的显示质量无法被人眼所接 程.在区域背光动态调光算法中，液晶像素补偿可以 受，故后面人们提出了非线性补偿方法，其补偿公式如下： 较好地保持图像细节、提升调光后图像的显示画质，还 TY=(BLon/BL)×YifY≤255， (11) 可以提高图像的对比度.目前较为普遍的液晶像素补 255 其他. 偿算法主要有线性补偿方法和非线性补偿方法. 从式(11)可以看出，上述非线性补偿方法只是单 线性补偿方法简单地认为液晶显示器最终的显示 纯地提高了当背光亮度降低时显示图像的整体亮度， 亮度是背光亮度与原始输入图像像素亮度相乘的结 并没有达到提高图像对比度的目的.而实现HDR显 果，即： 示的出发点就是尽可能地提高LCD的动态范围，对应 Y×BLu=Y×BL (9) 于单幅图像就是尽可能地提高其对比度.同时，该非 由式(9)可得线性补偿方法的补偿公式： 线性补偿方法也没能解决高亮度图像补偿后像素溢出 Y=(BL/BL)×Y时r (10) 失真的问题.为有效提高图像对比度并增强调光后图 式中，BLu是背光全亮时的背光亮度，一般取BL= 像的显示质量，本文提出了一种基于两步法的液晶像 255;BL,是背光平滑后对应于第(i,)个像素的背光亮 素补偿方法.该方法主要包含两步：第一步是应用$ 度：Y,和Y:分别是第(i,j)个像素补偿前后的像素值. 曲线0训提高图像对比度：第二步是通过取对数的方 从式(10)可以看出，当背光亮度降低较多时，即 法做进一步像素补偿，以改善显示画质.算法的主要 BL,较小时，将导致液晶像素补偿过大超过255而造 思想如下： 成像素溢出失真.从调光后显示效果来看，对于高亮 (1)RGB色彩空间转换为YUW色彩空间； 图像中大片亮度很高的区域，调光后的图像会损失大 (2)为有效提高图像对比度并避免像素溢出失 量细节而变成一片模糊区域，即出现了严重的截光现 真，深入研究后将市场营销、生物统计学及临床等统计 象2-(clipping artifact).由于线性补偿方法是一个 实证分析常用方法S型曲线用于液晶像素补偿的第一 线性操作，它除了可以补偿当背光降低时液晶像素的 步，S曲线的方程如下所示： 亮度，还会同等程度的放大输入图像中自带的噪声信 (12) 号，由于噪声的影响使得调光后的图像显示效果变差 Y%=1+exd-万

工程科学学报，第 39 卷，第 12 期 置，表示光扩散中心扩散后剩余光能量系数; b、c 和 d 分布在扩散模板的四周，分别代表光扩散中心对四周 的扩散能力系数． 为保证光在传播过程能量守恒，a、 b、c 和 d 满足恒等式 a + 2b + 2c + 4d = 1． 经过大量实 验，最终选取 a = 0. 36，b = 0. 09，c = 0. 09，d = 0. 07． ( 4) 为降低计算复杂度，采用最近邻插值法将混 光矩阵 BL' mixed 的尺寸扩大 为 原 来 的 2 倍，得 到 矩 阵 BLexpand，其大小为 2( M + 2) × 2( N + 2) ． ( 5) 重复步骤( 2) ～ ( 4) ，直至分区背光达到良好 的平滑效果，即没有明显的块边界，最后再做一次最近 邻插值将混光后的背光矩阵扩大至输入图像尺寸，得 到最终用于液晶像素补偿的背光矩阵 BLfinal ． 实验仿 真结果如图4( b) 、( c) 所示，可以看出平滑后的背光亮 度分布无块效应． 图 4 模拟背光分布． ( a) 低通滤波模板; ( b) 初始背光分布; ( c) 平滑后的背光分布 Fig． 4 Simulation of the distribution of backlight luminance: ( a) template for the low-pass filter; ( b) distribution of the initial backlight luminance; ( c) distribution of the smoothed backlight luminance 1. 3 液晶像素补偿两步法 液晶像素补偿就是根据背光亮度对输入图像的像 素值进行一些必要的变换以达到预期显示效果的过 程． 在区域背光动态调光算法中，液晶像素补偿可以 较好地保持图像细节、提升调光后图像的显示画质，还 可以提高图像的对比度． 目前较为普遍的液晶像素补 偿算法主要有线性补偿方法和非线性补偿方法． 线性补偿方法简单地认为液晶显示器最终的显示 亮度是背光亮度与原始输入图像像素亮度相乘的结 果，即: Yi，j × BLfull = Y'i，j × BL' i，j ， ( 9) 由式( 9) 可得线性补偿方法的补偿公式: Y'i，j = ( BLfull /BL' i，j ) × Yi，j ． ( 10) 式中，BLfull是背光全亮时的背光亮度，一般取BLfull = 255; BL' i，j是背光平滑后对应于第( i，j) 个像素的背光亮 度; Yi，j和 Y'i，j分别是第( i，j) 个像素补偿前后的像素值． 从式( 10) 可以看出，当背光亮度降低较多时，即 BL' i，j较小时，将导致液晶像素补偿过大超过 255 而造 成像素溢出失真． 从调光后显示效果来看，对于高亮 图像中大片亮度很高的区域，调光后的图像会损失大 量细节而变成一片模糊区域，即出现了严重的截光现 象［12--13］( clipping artifact) ． 由于线性补偿方法是一个 线性操作，它除了可以补偿当背光降低时液晶像素的 亮度，还会同等程度的放大输入图像中自带的噪声信 号，由于噪声的影响使得调光后的图像显示效果变差． 虽然线性补偿方法实现简单且计算复杂度低，但它存 在的种种弊端( 对高亮度图像易产生截光现象、对噪 声敏感) 使得调光后图像的显示质量无法被人眼所接 受，故后面人们提出了非线性补偿方法，其补偿公式如下: Y'i，j = ( BLfull /BL' i，j ) 1 /γ × Yi，j if Y'i，j≤255， {255 其他． ( 11) 从式( 11) 可以看出，上述非线性补偿方法只是单 纯地提高了当背光亮度降低时显示图像的整体亮度， 并没有达到提高图像对比度的目的． 而实现 HDＲ 显 示的出发点就是尽可能地提高 LCD 的动态范围，对应 于单幅图像就是尽可能地提高其对比度． 同时，该非 线性补偿方法也没能解决高亮度图像补偿后像素溢出 失真的问题． 为有效提高图像对比度并增强调光后图 像的显示质量，本文提出了一种基于两步法的液晶像 素补偿方法． 该方法主要包含两步: 第一步是应用 S 曲线［20--21］提高图像对比度; 第二步是通过取对数的方 法做进一步像素补偿，以改善显示画质． 算法的主要 思想如下: ( 1) ＲGB 色彩空间转换为 YUV 色彩空间; ( 2) 为有效提高图像对比度并避免像素溢出失 真，深入研究后将市场营销、生物统计学及临床等统计 实证分析常用方法 S 型曲线用于液晶像素补偿的第一 步，S 曲线的方程如下所示: Y'i，j = Imaxi，j 1 + eα × ( Ypoint － Yi，j ) ( 12) · 2981 ·