利用图像增强技术改善平板电视画质

平板电视画质

平板电视实现彩色图像重现过程中，视频信号本身、A/D转换、图像缩放及电路上信号传输等过程，都有可能对画质产生负面的影响，特别在图像处理与控制电路方面，不同厂家提供的方案可能会产生不同的图像处理效果，对电视图像画质可能有着不同程度的削弱。

另外，在显示屏方面， LCD或PDP 自身的发光特性也会影响图像效果，就LCD而言，其发光体是冷阴极管加上RGB滤光器，过滤出的频谱并不很纯正，色再生能力只能达到NTSC 色域的75%左右，不同厂家或同厂家不同批次的LCD屏都有可能出现不同程度的色偏现象，特别是在低亮度图像细节下。

平板电视的画质影响主要来自两方面，一是图像处理过程，二是显示屏本身。通常前者常常表现为图像较模糊、层次感较差、色淡、图像灰蒙等，后者主要表现为色偏或图像浮白等。本文讨论通过在图像处理电路后端加入图像增强电路，实现平板电视图像的画质改善方法。

在平板电视中引入图像增强电路

平板电视图像信号处理过程

通常，平板电视的图像信号处理过程如图1所示，外部信号(TV、高清视频分量信号、数字视频信号等)通过视频解码芯片转换成数字信号，送到图像处理与控制电路中处理。该电路常常是高性能的SoC，是整个电视系统的主控制器，常集成有图像隔/逐行处理、比例放大或缩小、OSD控制、MCU等功能模块。通过图像处理与控制电路对图像进行各种处理后，数字图像被转换成能够适合屏幕显示的数据格式，由低压差分信号处理电路(LVDS)送到平板显示屏(LCD/PDP)显示。为改善画质，最好的方法就是在图像处理电路与LVDS连接之间，加入画质增强电路，如图1将图像处理与控制电路 与LVDS之间的连接断开，改为图像处理与控制电路将图像数据送到画质增强电路处理后，再通过LVDS传输给显示屏做图像显示输出。



图1 平板电视信号处理框图

在图像处理与控制电路与LVDS间增加画质增强电路，一方面可以改善图像处理过程中的降质，另一方面可以根据显示屏的特性，如针对伽玛、色偏等问题作反向处理。以下就画质增强电路及工作流程、图像增强效果调节、软件实现作具体介绍。

画质增强电路及工作流程

当前，画质增强控制电路有两类：一类是将图像增强功能集成于图像处理与控制电路中，如Genisis等公司推出的平板电视处理芯片：另外一类是独立功能芯片，象日本的Kawasaki、Jepico等公司推出的基于FPGA的电视图像增强专用芯片 ，其中Jepico公司推出了L003芯片，内嵌有图像增强功能。现以L003为例说明图像增强技术在平板电视中的实现方式。L003的主要功能模块包括图像信息提取、3×3色空间转换、图像边沿增强、图像分析、黑白电平延伸、3D色域变换、伽玛校正、去抖动、图像输出控制、内部寄存器控制、芯片控制及ROM接口等。其对图像处理的过程是：首先，根据图像处理与控制电路输出的行场同步信息选择接收单位帧YUV或RGB的数字图像信息；然后，3×3色空间转换模块对接收的帧图像转换RGB色空间矩阵，以便于图像分析；通过图像边沿增强实现对图像水平锐化处理；通过图像分析模块提取图像亮度、色度、灰度直方图信息，以便于后续功能模块的算法使用；通过黑白电平延伸模块实现对比度增强；3D色域变换为将某一亮度灰阶下的色调和色饱和度转换成另外一种色调和饱和度，以提升图像的色彩增强效果；伽玛校正为针对显示屏及色温要求做显示输出修正；去抖动模块按显示屏的实际需要，对图像数据做8位或10位数据格式变换；最后，通过图像输出控制，产生图像帧数据输出时钟同步信号及RGB图像数据信息。L003有很多内部寄存器控制各功能模块的工作，需要外挂一个串行ROM来存储各寄存器的设置参数，图像处理与控制电路的MCU可以通过控制接口，控制L003从ROM中提取不同的参数设置寄存器来控制各功能模块的工作。

L003是一个纯数字化信号的处理芯片，其周边连接着图像数据及同步信号的输入和输出接口，以及系统控制信号和ROM连接接口，都是数字信号的传输，故周边器件较少，布线可较为简洁。



图2 ACR色域变换示意图

图像增强功能调节

L003各功能模块的协调工作，完全靠芯片内部寄存器控制。要让芯片实现不同的画质改善效果，需要调节4K地址空间的寄存器。为方便产品开发和对图像画质的调节，L003可以通过控制接口与电脑进行通信，通过PC端的调节软件现场调节不同的画质效果(可以有４种)，调节后的参数存于芯片外挂的串行ROM中。在正常使用中，电视的主控MCU可通过软件控制L003从ROM中选择不同的参数来设置各功能寄存器，以获得不同的图像画质增强效果。在PC调节软件中，可调节的项目有灰度直方图分析、伽玛校正、黑白电平延伸、去抖动控制、FCT(喜好颜色转换)、图像边沿增锐化和色域变换等。

产品开发中，较难调节但对图像影响较大的是黑白电平延伸、图像边缘锐化和色域变换，一方面要求调节人员有很强的图像色彩感知能力，还要对图像增强的原理有一定的认识。

黑白电平调节：根据黑白电平延伸的三段曲线映射原理，L003可通过设置黑电平延伸起始参数、白电平延伸起始参数、黑电平延伸系数、对比度延伸系数和白电平延伸系数寄存器，实现对黑白电平区域延伸的转换。通过该调节，可看到图像的细节获得提升，图像显得更为透亮；可以通过调节不同的起始参数和延伸系数，实现不同程度的对比度增强效果。



图3 效果1

图像锐化调节：通过图像边沿增强的参数设置，可设置图像锐化深度以及不同亮度区域的锐化深度对图像进行锐化处理。在实际运用中，如果整个图像都采用同一锐化系数，会使一些扰动信息也获得提升，给画面带来负面的影响。 L003可以将图像按亮度灰阶划分成不同的三个锐化区间，对亮区和暗区可采用较小程度的锐化系数，而对图像的灰度区域采用较大的锐化系数。同时，在对图像进行锐化时，可能出现边沿过锐化的现象，使得图像缺少过渡感，给人视觉感受是图像过于生硬，于是L003引入羽化(Coring)参数，通过调节该参数可以使图像的边沿过渡更为自然。

色彩调节：在L003的3D非线性色域变换(ACR )模块中，能够自动判断并调整64级灰阶下各灰阶的色调和色度，不同灰阶不会相互影响。为便于调整和软件编程，用红R、绿G、兰B、黄Y、青C、紫M６个相关联的颜色分量的饱和度和色调为基准参数进行调整，通过调节这６个参数，使同一亮度灰阶下的某一颜色转换成另一颜色，可使画质调整到理想的色彩效果。如图2的ACR色域变换示意图所示，若输出图像较暗部分出现墨绿色，可以通过调整绿色调及饱和度，让色域向黄色区域偏移，此时会使该灰阶下的场景偏向黄绿色，体现在风景图像上是树叶或草地比原来图像显得更为鲜嫩。同理，若让一些灰阶下的色空间黄色向红色区域稍微过渡，可以让人的肤色更为红润，达到人体肤色调整的效果。



图4 效果2

通过对L003各功能模块的调节，可使电视图像获得人们所期望的效果。在调节中，各功能模块都有开启和关闭的选项，便于调节者进行原始图像与调节后图像的比对，由于很多参数互相关联，图像增强并不是越强越好，图像增强难免会带来一些负面结果，如红色增强过强将使人的肤色变差，锐度增强会使抖动信息增多，这要求调节者充分估计调节对图像的影响，尽可能参照目标图像的要求，分析当前图像的弱点，选取适中的参数逐步调节。

在电视嵌入式软件中

增加图像增强模块

不同图像增强效果的设置值被存放于ROM中，为实现各种图像增强效果，在电视所嵌入的软件中，需要增加对L003的控制及用户操作功能模块，包括OSD显示和L003通信控制。OSD显示主要为用户提供几种图像增强效果模式选择界面，如图像增强强度高、中、低、无画质增强选择，让用户能够根据自己的喜好选取其中一种效果。通信控制方面，电视主控MCU与L003通过GPIO进行通信，软件需要控制GPIO芯片的复位和ROM中的参数选取，以实现不同的图像增强效果。

应用效果

在等离子电视中加入L003图像增强电路后，能够使电视的画质获得显著的提升。在图3效果1中，图像左边为增强关闭状态下的原图效果，右边为图像增强开启的效果，从图上可看出，原图灰蒙，色彩暗淡，通过黑白电平延伸及ACR ACR处理后，电视图像变得透亮，色彩更为鲜嫩。

图4效果2中，左边为原图，右边为通过黑白电平延伸及边缘处理后的图像。通过对比，可以看出，处理前电视图像底色上浮，字符边沿过渡模糊，经过处理后，抑制了电视图像底色上浮，并强化了边沿过渡，让字符更为醒目。

结语

在平板电视中，通过在图像处理电路后端引入图像增强电路，可使电视画质获得提升，通过对图像增强效果的合理化调节，可让产品满足不同区域、不同喜好的市场需求，提高电视产品的市场认同度。


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