数字图像显示的阶调处理研究

1、科技的发展和技术的进步使得显示器的科技的发展和技术的进步使得显示器的使用越来越普遍，特别是在图像显T显示器、DED显示器三种，它们的工作原理不同，因此也各有不同的技术特点。其中，D 显示器是目前在印前工艺中较为常用D 进行实验分析由于不同显示器的显色性能存在差异、LCD 显示器的颜色空间存在设备终目的是准确再现原图像，所以，在运用显示器进行图像显示、观察和处理前目的就是研究显示器对图像阶调的显示效果以及选择合适的方法对图像阶调示进为了LCD显示器显示图像阶调的效果，本文通过实验就红、绿、蓝三的目的；第二种方法是基于显示器的 LUT 进行阶调显示补偿，主要方法是制作显示LUT补偿文件并应用于显示

2、器。：图像阶调；伽马函数；查找表；阶调处理in science and the of technology make the use of monitors are increasingly common, he s of image sing image display, the in science and the of technology make the use of monitors are increasingly common, he s of image sing image display, the monitor has e one of the sary Monitor

3、s can be o CRT monitors, LCD monitors and LED displays, hree different ways and therefore they have advantages and And LCD monitors is now more commonly used. This article will focus on problem of tone reproduction for image which displays on the LCD monitors, and someexperimentsandDue to in the col

4、or performance of different monitors, equipment-correlationof LCDmonitorscolor spaceandsomeother reasons, LCD displays the tone of images differently. Theultimate goal of the ing sis accurate reproduction of the original image, so before we use monitors to observe and deal n image, we need to know h

5、ow well the monitor displays image and how to compensate for the ings; the main e this article is to study how well the monitors display the tone of images and select the appropriate method to make compensation for the tone of images which display themonitors.Themaincontentsare asly, in order to kno

6、w the effect of LCD when displaying the tone of images. This article do some experiments to get the gamma functions of the red, green, and blue channels of the LCD and to show the input-output effects of this three channelssepara y Secondly, this article uses two methods to make compensation for the

7、 tone imageswhich displayontheLCD. method isbased onthegammaobtained. By applying the gamma functions inverse functions to the LCD,obtained. By applying the gamma functions inverse functions to the LCD, we y achieve the e of making compensations for the toneof images display on the LCD; The second m

8、ethod is based on the LUT to make for the tone of images displayed. The main s of this method is to produce Lompensation files andapply themtotheFinally, thisarticle compares the pensationmethodsaccording to compensation accuracy and their time and space complexity, and ultimayachieve the goal of us

9、ing the appropriate method to make accurate reproduction of the tone theimages 1绪选题意1绪选题意国内外研究现本文结构安显示器的显色机理与图像阶显示器的显色机CRT显示器的显色机LCD显示器的显色机LED 显示器的显色机显示器呈色阶格拉斯曼混色定伽马值与阶调显图像阶调显示的补伽马函数拟色彩空间的转伽马函数拟基于伽马函数的图像阶调显示补基于LUT的图像阶调显示补实验与分实验准备与实验流实验准实验条显示器和测量仪器准参考版制4.1.2 实验流数字图像阶调处理实基于特征函数的阶调处基于LUT的阶调处基于LUT的阶调处阶调

10、处理后的伽马函实验分补偿精度分算法开销分5结参考文致1 1.1 选题意， Tube，阴极射线管、LCD（Liquid Crystal Display，液晶型显示器）LED 显 1 1.1 选题意， Tube，阴极射线管、LCD（Liquid Crystal Display，液晶型显示器）LED 显 导致了它们的显示效果也不尽相同。其中，CRTLCD11.2 国内外研究现1996 年，Berns 提 1.2 国内外研究现1996 年，Berns 提 CRT 显示器对输入信号即数字驱动值的响应结果并对 CRT 显示器进行特性化5。此外，Kwak& MacDonald 在 2001LCD 的特性化进

11、行了研LCD 显示器的“S”模型含义是 LCD后续研究 CRT 显示器和 LCD 显示器的阶调显示效果奠定了基础.目前国内基于这两个模型进行了很多研究，主要通过对这两个模型在 CRT显示器和 LCD 这两种显示器上的特性化效果进行分析并对比其优缺点。比如，王勇通过实验对比分析了S 模型和GOG 模型在提高显示器阶调复现能力和精度SLCD显示器对色彩输入信号和输出效果的关系方面具有很好的效果的结论7。同时，也有很多研究是基于 LUT（Look-up 1D-LUT LCD look-up table,三维查找表法) 2000 21.3 本文结构安1.3 本文结构安 LCD显示器对参考版的显示结果，

12、根据测量结果进行伽马函数的拟合，从LUTLUT对图像阶调进行补偿，从而实 32 显示器的显色机理与图像显示器2 显示器的显色机理与图像显示器的显色机理CRT 显示器的显色CRT 显示器的主要组成部分为：电子枪、聚焦系统、加速系统、磁转系2.1所示。此外，CRT显示器的电子枪能够分别发射出2.1 CRT CRT 显示器的基本工作原理是：CRT 显示器的金属阴极经过加热灯撞击荧光屏上的荧光粉从而显示出不同的色2.2 CRT 显示器工作原理示意CRT 显示器的显色效果具有决定性作用的是荧光屏上的荧光粉的性能以及控制红、绿、蓝三种颜色的控制信号。不同品牌甚至不同型号的 CRT 显示4CRT CRT 2

13、.1.2LCD （NCRT CRT 2.1.2LCD （Nematic Nematic超向列型（DSTN-DualScanTortuosity Nomograph）；TransistorTFT 型，这也是本文的实验所研究的对象，所以这里只对 TFT-LCD 进行分析。TFT-LCD 的主要是由以下主要的部分组成的：荧光管、偏光板、配向膜、液晶分子等，如图 2.3 所示。TFT-LCD 并5显TFT-LCD TFT-LCD （1 需要改进；（2）液晶显示器的响应时间有待减少3。总而言之，随着显示器CRT62.1.3 LED 显示器的显色2.1.3 LED 显示器的显色可以分为“边缘发光型”和“直

14、下型”2.4所示。边缘发光2.4 LEDanicLight-EmittingDiode）LED 同时TFT-LCD 相比，LED 显示器具有的优点有：（1）较液晶显示器耗 屏的反映速度比液晶显示器快很多；（4）LED显示器可以在强光下进行观察； 72.2 显示器呈色阶2.2.1 格拉斯曼混色定2.2 显示器呈色阶2.2.1 格拉斯曼混色定 , 2.5 CRT 8同强弱的光线相互叠加了丰富的色域。LCD显示器也是以色光加色法原理，以色光三原色红、绿、蓝为基础展现丰富的色域。LED 背光液晶显示器 全彩。目前 OLED 转换。该方法是利用发蓝光的 OLED 同强弱的光线相互叠加了丰富的色域。LCD

15、显示器也是以色光加色法原理，以色光三原色红、绿、蓝为基础展现丰富的色域。LED 背光液晶显示器 全彩。目前 OLED 转换。该方法是利用发蓝光的 OLED OLED2.2.2 2.5-2.7 所示，当伽马值1 时（=1，表明输入信号与输出信的对应关系成 45 度直线；当伽马值大于 1 时（1），表明输入信号与 （192.6 2.7 2.8 2.6 2.7 2.8 CRTLCD显示Gamma值一般1.8-2.2 之间的值。LCD Gamma 值设置2.23 3 LUT 的图像阶调显示补偿。因此在本章将对实验中需要运用的色彩空间转换伽马函数拟合、数据处理方法等进行介绍伽马函数拟合色彩空间的转换 C

16、IE 1976 年所的新的颜色空间并介绍了色差的计算1976L*色空间已经成为国际通用的测色标准，并且该色空间能够适用于切物体色或光源色的表示与计算。此外，CIE 1976L* a* b*色空间RGB模式以CMYK 模式的色彩空间更大。基于上述考虑，在实验中测量显示器显色效果时，采用CIE 1976 L* a* b* 空间来计算显示器显示的参考版中色块的色度值，、a* 、b* 的值。其中表示心理明度，范围是 0 到 100a* 、b* 表示心理色度，a* 、b* 的值-128 到+127，这三个值的变换组成了所组成宽阔的色域和丰富的色彩此外，sRGB (standard Red Green B

17、lue)是微软联合惠普等公司联合开发的通用色彩标准，在后续的实验中，将在 sRGB IEC61966-2.1 的色彩空间中进行。输入信号为 8 RGB 模式下的 0-255 间的数值，因此设定输出信号为测量所得r、g、b值。于是，在测量得到每L、a、b值之后，需L、ab 值转换为sRGB 色彩空间下的r、g、b 值lab2rgb函数，将测量3.1.2 3.2 基于伽马函数的图像阶调显示补 3.1 LUT 3.1 LUT 另一种进行图像阶调显示的补偿的方法是通过制作 LUT(Look-Up Table) 了 LUT 是（x1 ，y1 这样当显示器的输入是（x1 ，y1 这样当显示器的输入值为 x

18、1 时，经LUT 查表得到一y1 x1LUT 4 实验准备与实验流程实验准备实验条件 i1 PRO2 7.0、iColor i1 PRO 分光光度仪是爱色丽（X-Rite）公司的产品。i1 4 实验准备与实验流程实验准备实验条件 i1 PRO2 7.0、iColor i1 PRO 分光光度仪是爱色丽（X-Rite）公司的产品。i1 PRO L、a、b iColor Display 也在本实验中发挥了极大的作用。iColor i1 PRO 分光光度仪连接到电脑上之后，iColorDisplay 对分光光度仪进行校正，进而读出分光光度仪所测量的色块的 L、a、b 值。4.1.1.2 显示器和测量仪

19、器准备确认显示器的参数设置，如分辨率、Gamma。OfficeExcel4.1.1.3 参考版（1）（1920*12004.1.1.3 参考版（1）（1920*1200块大小为 50 像素*50 像素； TIFF（3）色通道输入信号值是从 0 到 255，其余两个通道的输入信号值均为 0；绿色参考版的每个色块的绿色通道输入信号值是从 0 到 255，其余两个通道的输入信号0 25504.1 4.1.2 本文实验的主要流程如4.2 实验流程简完成4.1.2 本文实验的主要流程如4.2 实验流程简完成实验准备工作后，开始测量显示器上所显示的三个参考版中色块的La、b 值。主要过程如下：在 PHOT

20、OSHOP 中打开参考版，并且打开颜色设置窗口，设置 RGB 工作空间为“sRGB IEC6 1966-2.1”，并且打开指定配置文件，选择 “不对此文档应用色彩管理”Blue 参考版，在放置好 i1 PRO 分光光度仪后测量屏幕白点，然后移动参考版上的色块到分光光度仪的测量位置，确保待测块和分光光度仪的测量光孔位于屏幕，然后测量参考版中 255 个色块的 La、b 值到 Office Excel 表格中；对其余的 Green、Red、Gray 参考版重12，测量L、a、b 值4.3 iColor Display 初始界4.4 iColor Display 色块进行色彩空间的转换。使用将测量进

21、行色彩空间的转换。使用将测量所得的四个参考版的 L、a、b 值lab2RGBr、g、bOfficeExcel中。CFTOOL(Curve Fitting Tool) r4.5 根误差（RMSE）0.0294；方程的确定系数（R-square）0.9927；其中，方程的确定系数（R-square）1，拟合误差和均方根误差的值越小，表明对（2）绿色通道的伽马函数拟合结果 ( g数函数曲线：（2）绿色通道的伽马函数拟合结果 ( g数函数曲线：4.6 yg=0.1866*exp(0.0077*x)-该拟合结果的适合度（Goodnessoffit）如下：拟合误差（SSE）0.1567；均方根误差（RMS

22、E）0.0249；方程的确定系数（R-square）0.9942。说明4.7 yb=0.3356*exp(0.0060*x)-该拟合结果的4.7 yb=0.3356*exp(0.0060*x)-该拟合结果的适合度（Goodness of fit）如下：拟合误差（SSE）为 0.4359；均方根误差（RMSE）0.0415；方程的确定系数（R-square）0.9859。说明 4.8 4.9 4.10 4.8 4.9 4.10 LCD 数字图像阶调处理实验基于特征函数的阶调处理4.1.1.2 数字图像阶调处理实验基于特征函数的阶调处理4.1.1.2 imshow 函数显示图像。2，经4.11 4

23、.2.2 LUT的阶调处LUT3.3LUT4.11 4.2.2 LUT的阶调处LUT3.3LUTLUT255时，对应的信号值为个信号值在显示器上进行显示能够更准确地再现色彩；（2）2453M M LUT4.1.1.2 4.2.3 阶调处理后的伽马4.12 4.13 4.14 4.2.3 阶调处理后的伽马4.12 4.13 4.14 L、a、b 值r、g、b 值，通过在事先制作的Office Excel 表格中，再将L、a、b 值的 cftool 工具箱绘制出经过阶调处理后的三LUT实验分析补偿精度分析CIE1976L*a* b*色空间来计CIELab 。参考版色块的 Lab 实验分析补偿精度分

24、析CIE1976L*a* b*色空间来计CIELab 。参考版色块的 Lab 标准值是由每个参考版色块的 RGB 值通rgb2labLab中 在补偿后在显示器上显示的每个色块的 L、a、b 值，在事先制作的 Excel表格中；（2）根据公式（4.11）Excel 中求得每一个色块在补偿前后与标准值（3）取 256 个色块在补偿前后与标准值间的色差值的平均值，该平 。经过基于伽马函数的阶调显示补偿和基于LUT 补偿文件的阶调显经过基于伽马函数的阶调显示补偿和基于LUT 补偿文件的阶调显示补偿后为 7.09、7.23、8.35，从中可以看出经过阶调补偿后图像阶调的显示效果得到较大，能够更准确地再现

25、原图的阶调4.3.2 函数和基于 LUT 补偿文件进行阶调补偿的效率进行对比。本文进行时间复杂度对比的方法主要是对比两种阶调补偿方法的程序中的“tic toc”函数计算基于伽马函数的阶调补程序和执行 LUT 补偿文件各自所需的时间。得到的结果是执行红色、绿色、.82.89.35UT055.58.64；因此可以看出在本文的实验中，基于 LUT 补偿文件的阶调补偿方法比于伽马函数的阶调补偿方法用时更短，更具时间优势数据操作等过程中所需本文进行空间复杂度对比的主要方法是对比两种阶调补偿方法的 M 文件的大小。得到的结果是：红色、绿色、蓝色通道基于伽马函数的阶调补偿的 M 文件所占用的空间大小分别84

26、02字节、9441 字节、9183 字节；红色、绿色、蓝色通LUT 补偿文件的大小分别为 8606 字节、9618 字节、9360 字节；所以可以看出两种阶调补偿的方法在空间复杂度方面的没有较大的差对比后，可以得出基于 LUT 补偿文件的阶调补偿方法在时间复杂度方面更具势，而两者在空间复杂度方面的差异不大，因此基于 LUT 补偿文件的阶调补偿5 经过上述章节的介绍以及本文所进行的实验，本章将对 5 经过上述章节的介绍以及本文所进行的实验，本章将对 LCD 显示器显示像阶以及阶调补偿方法进行总结分LCD 显示器的显色机理是基于色光加色法的原理，以色光三原色：红色、力决定了显示器再现原图阶调的能力

27、。本QUATO显示器作为实验对象进行较好，在图像极高调部分都出现了输出值为最大即饱和的状态；同时，被测LCD 显示器的蓝色通道对于暗调部分的阶调再现能力较弱，红色通道和绿色通补偿的方法：基于伽马函数的图像阶调显示补偿和基于 LUT 的图像阶调显示补偿；二者分别运用了伽马函数的逆函数以及 LUT 补偿文件对原图像进行阶调处 分别22.73、31.89、22.84 降低7.09、7.23、8.35，这充分说明了两种阶调补发现基于 LUT 补偿文件的阶调补偿方法执行用时更短，并且两者在空间复杂 度方面的差异不大，因此基于 LUT 补偿文件的阶调补偿方法的效率较基于伽马 函采用了 LUT 对数字图像显示的阶调进行了补偿，对于超出参考版的容；此外，文中所运用RGBLab值的转换方法可能存在一定误差，也在一定程度上导致了实验误差的产生。而且本文所制作的 LUT 文件的数据作 LUT 文件可以更好地对比分析两种方法的优劣。但是总体而言，文的实验结果在一定程度上能够反映基于伽马函数的阶调显示补偿和基于 参考1唐超,蔡轶珩,张新峰,文帅. 液晶显示器颜色特性化方法的对比研究J. 罗晓晨,陈渡平,吴静炯CRT参考1唐