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 ·