韋海成，趙 靜

（1.北方民族大學(xué)電信學(xué)院，寧夏銀川 750021;2.寧夏大學(xué)數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，寧夏銀川 750021）

基于實(shí)測(cè)校正因子的實(shí)時(shí)伽馬校正算法

韋海成1，趙 靜2

（1.北方民族大學(xué)電信學(xué)院，寧夏銀川 750021;2.寧夏大學(xué)數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，寧夏銀川 750021）

針對(duì)等離子顯示器（Plasma Display Panel，PDP）反伽馬校正過(guò)程中因熒光粉亮度飽和以及APL臨界切換引起的灰度級(jí)失真和閃爍現(xiàn)象，提出了一種基于PDP發(fā)光特性的實(shí)時(shí)反伽馬校正算法。該算法采用實(shí)測(cè)關(guān)鍵灰度級(jí)亮度和基于圖像APL的校正因子補(bǔ)償算法，通過(guò)實(shí)測(cè)亮度和灰度級(jí)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)了灰度級(jí)的線性輸出，引入校正因子消除了不同圖像切換過(guò)程時(shí)的閃爍。50 in（1 in=2.54 cm）PDP實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能夠減少大面積暗場(chǎng)區(qū)域存在的閃爍現(xiàn)象，消除顯示圖像輸出灰度的失真和反轉(zhuǎn)，增強(qiáng)顯示畫面的細(xì)節(jié)，提高顯示畫質(zhì)。此外，算法采用分段式多項(xiàng)式擬合進(jìn)行實(shí)時(shí)反伽馬計(jì)算，使算法具有處理速度快，對(duì)電路依賴性小等優(yōu)點(diǎn)。

等離子顯示器;伽馬矯正;灰度級(jí)增強(qiáng)算法

等離子顯示器（Plasma Display Panel，PDP）是一種數(shù)字顯示器件，具有線性離散的光電轉(zhuǎn)換特性［1］。在顯示過(guò)程中，為了補(bǔ)償輸入視頻預(yù)校正帶來(lái)的灰度級(jí)失真，PDP需要在視頻信號(hào)輸入后進(jìn)行反伽馬校正，以實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)電視一致的顯示效果。

現(xiàn)有文獻(xiàn)中，反伽馬校正的方法主要分為灰度和色彩校正兩大類。在灰度級(jí)校正方面，王志國(guó)等人提出了一種反伽馬校正方法與可控的動(dòng)態(tài)對(duì)比度增強(qiáng)相結(jié)合算法，實(shí)現(xiàn)了幅度可調(diào)的動(dòng)態(tài)對(duì)比度增強(qiáng)和伽馬校正結(jié)合的處理方法［2］;魏巍等人研究了低灰度級(jí)反伽馬校正子場(chǎng)編碼技術(shù)，有效地增加了顯示的動(dòng)態(tài)低灰度級(jí)數(shù)目，在保證整幅圖像顯示效果的同時(shí)增強(qiáng)了PDP低灰度級(jí)圖像的顯示能力［3］;Kang等人引入人眼視覺(jué)校正函數(shù)解決了低灰度級(jí)圖像的線性和灰度級(jí)增強(qiáng)［4］。左瑞娟等人研究了變伽馬系數(shù)值實(shí)現(xiàn)了在線液晶伽馬系數(shù)的調(diào)整［5］。在色彩校正方面，Lee等人采用實(shí)時(shí)誤差擴(kuò)散和低通濾波器相結(jié)合，解決了三基色通道低灰度級(jí)圖像的白平衡和灰度線性問(wèn)題［6］;韋海成提出的色域空間轉(zhuǎn)換處理灰度級(jí)線性變換，解決了低灰度級(jí)圖像灰度和色調(diào)失真解決方法［7］。趙靜提出了一種基于多獨(dú)立通道自適應(yīng)性圖像對(duì)比度增強(qiáng)算法，動(dòng)態(tài)地解決了顯示圖像的畫質(zhì)增強(qiáng)問(wèn)題［8］。

然而，現(xiàn)有反伽馬校正算法對(duì)PDP用光致熒光粉在氣體放電過(guò)程中可能產(chǎn)生的亮度飽和及人眼視覺(jué)特性考慮不足，灰度級(jí)校正沒(méi)有和PDP實(shí)際發(fā)光特性相結(jié)合，以致校正后圖像存在灰度失真和閃爍現(xiàn)象。

針對(duì)此現(xiàn)象，本文提出了一種采用光致熒光粉實(shí)際顯示亮度作為校正因子的實(shí)時(shí)反伽馬校正算法。算法首先根據(jù)各個(gè)子場(chǎng)的圖像表現(xiàn)率與維持脈沖數(shù)量的映射關(guān)系得到子場(chǎng)的維持放電的數(shù)量，然后再根據(jù)不同圖像的平均圖像水平（Average Picture Level，APL）下實(shí)測(cè)顯示單元的實(shí)際亮度生成矯正因子，通過(guò)實(shí)際亮度和伽馬曲線之間的關(guān)系最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)伽馬校正的效果。整個(gè)算法基于顯示單元在不同APL下實(shí)際發(fā)光亮度，能夠?qū)崿F(xiàn)顯示單元灰度級(jí)的精準(zhǔn)校正，解決了圖像灰度失真和閃爍現(xiàn)象。

1 基于實(shí)測(cè)校正因子的實(shí)時(shí)伽馬校正

1.1 熒光粉亮度飽和與圖像灰度閃爍

PDP顯示時(shí)，真實(shí)圖像到顯示圖像過(guò)程需要經(jīng)過(guò)輸入設(shè)備的伽馬校正和顯示設(shè)備的反伽馬校正算法。其中，顯示設(shè)備反伽馬校正算法主要補(bǔ)償預(yù)校正過(guò)程帶來(lái)的灰度級(jí)變化，實(shí)現(xiàn)真實(shí)圖像灰度線性顯示。

PDP的灰度級(jí)顯示主要采用ADS驅(qū)動(dòng)方法通過(guò)脈沖放電累積作用實(shí)現(xiàn)［9］。在這種實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，PDP的光致熒光粉在氣體放電激發(fā)真空紫外光作用下產(chǎn)生可見(jiàn)光脈沖作用于人眼，使得人眼視覺(jué)感受到可見(jiàn)光亮度的累積遞增，形成顯示灰度，維持放電對(duì)熒光粉累積發(fā)光見(jiàn)圖1。

圖1 維持放電及熒光粉累積發(fā)光示意圖

圖1中，與傳統(tǒng)反伽馬矯正算法不同，實(shí)際維持放電和熒光粉發(fā)光之間為非線性遞增關(guān)系，特別是使用了動(dòng)態(tài)對(duì)比度增強(qiáng)技術(shù)后，可見(jiàn)光和維持脈沖之間的這種非線性遞增使得不同圖像下相同灰度的區(qū)域顯示出了亮度的差異性。這種差異導(dǎo)致了顯示圖像在特定畫面下局部會(huì)出現(xiàn)細(xì)微的閃爍。而現(xiàn)有的算法無(wú)法有效解決這種閃爍，細(xì)微閃爍仿真圖見(jiàn)圖2。

圖2 PDP顯示圖像中細(xì)微閃爍現(xiàn)象的仿真

1.2 實(shí)時(shí)伽馬矯正算法

針對(duì)這種顯示圖像暗區(qū)域的抖動(dòng)現(xiàn)象，需要根據(jù)APL分組設(shè)置多條反伽馬矯正曲線。伽馬矯正曲線的值主要根據(jù)具體APL下實(shí)測(cè)亮度值取得，不同APL取值下的伽馬曲線亮度差異見(jiàn)圖3。

圖3 不同APL下關(guān)鍵灰度值對(duì)應(yīng)的亮度變化

圖3中，第8組反伽馬矯正曲線對(duì)應(yīng)的APL為87% ～100%。但這條伽馬實(shí)際是在APL=94%時(shí)使用10%全白窗口測(cè)試得到。這仍會(huì)導(dǎo)致在不同組伽馬曲線之間實(shí)際切換時(shí)，第N和第N+1幀圖像同一物品在APL值臨界時(shí)出現(xiàn)亮度差異，也不能完全解決顯示畫面的暗場(chǎng)圖像閃爍問(wèn)題。

為了解決這種顯示圖像的閃爍，需要采用根據(jù)APL值實(shí)時(shí)計(jì)算反伽馬校正曲線。并針對(duì)相同APL下不同子場(chǎng)負(fù)載引起的灰階顯示失真現(xiàn)象，實(shí)時(shí)計(jì)算APL后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的反伽馬校正曲線設(shè)定子場(chǎng)校正因子。通過(guò)這種更為精準(zhǔn)的反伽馬校正算法消除不同圖像切換時(shí)出現(xiàn)的閃爍和灰度級(jí)輪廓問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)平滑的圖像切換。

1.3 基于實(shí)測(cè)校正因子的實(shí)時(shí)伽馬校正

在實(shí)際應(yīng)用中，為了抑制PDP動(dòng)態(tài)偽輪廓現(xiàn)象，還需要在每個(gè)APL下選擇34個(gè)灰階作為關(guān)鍵灰度以減少動(dòng)態(tài)偽輪廓，并利用半色調(diào)算法還原出1 024級(jí)灰度級(jí)［10］。

因此，在實(shí)時(shí)計(jì)算反伽馬校正曲線之前，需要對(duì)曲線使用的關(guān)鍵灰度級(jí)進(jìn)行光學(xué)測(cè)試。這樣，不同APL下每條實(shí)時(shí)反伽馬校正曲線需要測(cè)試34個(gè)關(guān)鍵灰度級(jí)的值。對(duì)于34個(gè)關(guān)鍵灰度級(jí)中間的各個(gè)灰度級(jí)則利用實(shí)時(shí)計(jì)算的方式取得，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換成8位小數(shù)，每個(gè)灰度級(jí)是以6位整數(shù)加8位小數(shù)的形式輸出。

基于熒光粉發(fā)光特性的實(shí)時(shí)伽馬校正算法具體實(shí)現(xiàn)方法如下:

1）依據(jù)采用運(yùn)動(dòng)圖像干擾消除法結(jié)合灰度級(jí)中央權(quán)重編碼算法進(jìn)行選擇34個(gè)關(guān)鍵灰度級(jí)，并固定APL值，測(cè)試不同APL下關(guān)鍵灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的亮度值。

2）通過(guò)子場(chǎng)APL確定亮度補(bǔ)償因子，并對(duì)34個(gè)關(guān)鍵灰度級(jí)所測(cè)得的亮度值給予補(bǔ)償校正。例如，在10%全白窗口下測(cè)得第34關(guān)鍵灰度級(jí)亮度值為97.5 cd/m2，同樣維持脈沖數(shù)情況下，100%全白圖像第34關(guān)鍵灰度級(jí)亮度實(shí)測(cè)只有94.6 cd/m2。同一灰度級(jí)會(huì)在不同APL下出現(xiàn)3%左右的亮度差。

3）將34個(gè)關(guān)鍵灰度級(jí)的亮度進(jìn)行歸一化，對(duì)應(yīng)到輸出灰度級(jí)0～1 023。例如，全白圖像中0～1 023輸入灰度值對(duì)應(yīng)校正后亮度為0～94.6 cd/m2。通過(guò)這種方法可以將34個(gè)實(shí)測(cè)亮度和34個(gè)關(guān)鍵輸出灰度級(jí)聯(lián)系起來(lái)。以圖4的歸一化方法為例，第13關(guān)鍵灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的輸出灰度級(jí)是506，而第14關(guān)鍵灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的輸出灰度級(jí)是527。

圖4 關(guān)鍵灰度級(jí)的歸一化方法

4）通過(guò)反伽馬校正曲線輸入和輸出灰度級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系可將1 023個(gè)輸出灰度級(jí)計(jì)算出來(lái)。以圖5為例，可以算出第13和14關(guān)鍵灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的輸入灰度級(jí)分別是743和757。這樣，就可以將34個(gè)關(guān)鍵灰度的編碼方式、校正亮度補(bǔ)償因子、輸入灰度級(jí)值、輸出灰度級(jí)值關(guān)聯(lián)起來(lái)。

圖5 兩關(guān)鍵灰度級(jí)間灰度級(jí)計(jì)算方法

5）采用標(biāo)準(zhǔn)反伽馬校正曲線或多項(xiàng)式擬合算法計(jì)算出相鄰兩關(guān)鍵灰度級(jí)間全部整數(shù)輸入灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的輸出灰度級(jí)，并轉(zhuǎn)換為8位小數(shù)形式。以圖5關(guān)鍵灰度級(jí)間各個(gè)灰度級(jí)計(jì)算方法為例，第13和第14關(guān)鍵灰度級(jí)之間共有13個(gè)整數(shù)輸入灰度，計(jì)算后可得到13個(gè)以13為整數(shù)并含有8位小數(shù)的輸出灰度級(jí)。

這樣，通過(guò)34個(gè)關(guān)鍵灰度以及子場(chǎng)校正因子可以算出各個(gè)APL下對(duì)應(yīng)的每條反伽馬校正曲線，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)反伽馬校正算法，整個(gè)算法實(shí)現(xiàn)框圖見(jiàn)圖6。

圖6 基于實(shí)測(cè)校正因子的實(shí)時(shí)反伽馬校正算法

在實(shí)時(shí)計(jì)算中，相關(guān)的伽馬和反伽馬計(jì)算如果直接采用公式進(jìn)行指數(shù)和冪運(yùn)算，對(duì)于普通硬件電路來(lái)說(shuō)難以實(shí)現(xiàn)，因此需要采用多項(xiàng)式擬合，把所有的運(yùn)算轉(zhuǎn)換成乘、加運(yùn)算，以降低運(yùn)算難度。如采用三次多項(xiàng)式擬合反伽馬校正可得

式中:x表示輸入灰度級(jí);y表示輸出灰度級(jí)。

這種多項(xiàng)式擬合的結(jié)果與采用冪的方式計(jì)算的反伽馬校正曲線基本重合。因此，三次多項(xiàng)式計(jì)算的式（1）可以作為實(shí)時(shí)反伽馬校正曲線使用。

但采用三次多項(xiàng)式擬合實(shí)時(shí)伽馬校正時(shí)發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)單的三次多項(xiàng)式和標(biāo)準(zhǔn)伽馬矯正曲線不能很好地重合，特別是在低灰度區(qū)域，誤差較大。多次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，采用單一的多項(xiàng)式擬合反伽馬校正不能很好地控制計(jì)算誤差，為了減少逆變換的誤差可采用分段三次多項(xiàng)式擬合即

式中:x為輸入灰度級(jí)，y為輸出灰度級(jí)。

采用式（2）對(duì)256灰度級(jí)進(jìn)行實(shí)時(shí)伽馬校正曲線擬合后，結(jié)果表明采用分段式多項(xiàng)式擬合后，在低灰度級(jí)區(qū)域和高灰度級(jí)區(qū)域的擬合誤差得到很好的控制，顯示圖像更接近于真實(shí)值。

2 結(jié)果以及討論

為了驗(yàn)證基于實(shí)測(cè)校正因子的實(shí)時(shí)伽馬矯正算法，采用型號(hào)為Xilinx的Spartan3A DSP－1800系列FPGA將相關(guān)算法綜合到50 in（1 in=2.54 cm）高清PDP的控制電路中，進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7的實(shí)際測(cè)試結(jié)果。

圖7 50 in高清PDP實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試表明，PDP采用實(shí)時(shí)計(jì)算的伽馬校正算法顯示該圖像時(shí)，原本處于APL臨界狀態(tài)的暗區(qū)域亮度不再跳變，區(qū)域A和B大面積暗圖像的閃爍現(xiàn)象得到了消除。整個(gè)圖像的灰度級(jí)呈線性變化，灰度級(jí)反轉(zhuǎn)和失真現(xiàn)象也得到了很好的解決，顯示圖像細(xì)節(jié)細(xì)膩，顯示畫質(zhì)得到了提高。

這種基于實(shí)測(cè)矯正因子的實(shí)時(shí)伽馬校正算法通過(guò)不同APL下顯示亮度和灰度級(jí)間映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了正確的灰度級(jí)顯示圖像，減少了圖像在反伽馬校正過(guò)程中的誤差，解決了不同APL圖像切換時(shí)存在的閃爍問(wèn)題以及圖像靜止時(shí)因APL處于臨界狀態(tài)切換而產(chǎn)生的亮度跳變。特別是多項(xiàng)式擬合伽馬和反伽馬曲線的引入降低了運(yùn)算的復(fù)雜程度，提高了圖像的灰度級(jí)顯示效果，具有較高的實(shí)用性和適應(yīng)性。

3 結(jié)論

本文針對(duì)PDP反伽馬校正過(guò)程中光致熒光粉亮度飽和引起的灰度級(jí)失真以及APL臨界狀態(tài)引起的顯示亮度跳變現(xiàn)象，采用實(shí)測(cè)關(guān)鍵灰度級(jí)亮度和子場(chǎng)校正因子補(bǔ)償相結(jié)合的算法，利用實(shí)測(cè)亮度和灰度級(jí)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系解決了灰度級(jí)輸出線性的問(wèn)題，同時(shí)引入不同APL下亮度矯正因子解決了APL切換過(guò)程中的亮度跳變，實(shí)現(xiàn)了顯示圖像的平滑切換。此外，整個(gè)算法采用分段的多項(xiàng)式擬合法進(jìn)行實(shí)時(shí)伽馬和反伽馬變換計(jì)算，便于硬件實(shí)現(xiàn)，具有較高的實(shí)用性和較強(qiáng)的適應(yīng)性。50 in PDP實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能夠減少大面積暗場(chǎng)區(qū)域中存在的閃爍，消除顯示圖像輸出灰度的失真和反轉(zhuǎn)，增強(qiáng)了顯示畫面的細(xì)節(jié)，提高了顯示畫質(zhì)。

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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.

［2］王志國(guó)，梁志虎，劉純亮.一種應(yīng)用于AC PDP的反gamma校正與動(dòng)態(tài)對(duì)比度增強(qiáng)相結(jié)合的新方法［J］.真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，29（6）:700－703.

［3］魏巍，孫鑒.彩色等離子體顯示器動(dòng)態(tài)低灰度級(jí)增強(qiáng)技術(shù)［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，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，武永華.液晶電視或液晶顯示器的動(dòng)態(tài)γ調(diào)整方法［J］.電視技術(shù)，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.

［7］韋海成，張小寧，劉純亮.PDP低灰度級(jí)圖像反伽馬校正色彩還原方法［J］.真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，32（5）:25－28.

［8］趙靜.基于多獨(dú)立通道自適應(yīng)性圖像對(duì)比度增強(qiáng)算法［J］.電視技術(shù)，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

【本文獻(xiàn)信息】韋海成，趙靜.基于實(shí)測(cè)校正因子的實(shí)時(shí)伽馬校正算法［J］.電視技術(shù)，2014，38（3）.

核高基重大專項(xiàng)（2009ZX01033－001－003－5）;電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金項(xiàng)目（2010HZ01）;寧夏自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（NZ1137;NZ13083）

韋海成（1974— ），博士，副教授，主要從事平板顯示器件方面的研究;

趙 靜（1977— ），女，碩士，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)閳D形圖像處理、多媒體應(yīng)用技術(shù)。

責(zé)任編輯:時(shí) 雯

2013－04－06