基于人眼视觉特性的环境光下图像显示自适应增强技术研究

Image quality of outdoor public information displays (PIDs) such as video wall and digital signage is considerably influenced by ambient light intensity. Under daylight condition, human eyes adapt to strong ambient light via the human visual system (HVS) adaptive mechanism but displays cannot adapt to it. Due to the limited dynamic range of displays, displayed images are darkly perceived by HVS. In this research, we investigate ambient light adaptive display enhancement for outdoor PIDs based on human visual perception. We analyze the HVS response to displays under ambient light and perform scientific modeling of human visual perception for display enhancement adaptive to ambient light. The effects of ambient light on displays include two main aspects: 1) Visibility reduction and 2) Color distortions. First, we model the effect of ambient light on human visual perception of displayed images. Second, we develop perceptual luminance and detail enhancement to compensate brightness and detail reduction. Third, we develop perceptually optimized contrast-tone mapping to deal with the dynamic range reduction caused by ambient light. Fourth, we investigate gamut mapping to minimize color distortions. Finally, we will build a simulation model of ambient light adaptive display enhancement and apply it to practical display devices. Consequently, this research will make significant contributions to the display technology in both visibility and color under different ambient light conditions.

户外公共信息显示器的图像质量受环境光的影响很大。因人眼具有亮度自适应机制，随着环境光的增强，人眼能够自动调整以适应强光环境，然而对于亮度动态范围有限的显示器的响应将大幅度下降，导致人眼感知的图像很暗、图像质量变差。针对此问题，本项目拟基于人眼视觉系统理论，解决环境光对显示器影响的两大问题，即图像可视性下降和颜色失真。具体研究内容包括：1、建模分析环境光对人眼视觉感知显示图像的影响；2、研究融合人眼视觉特性的环境光下亮度和细节增强方法，改善环境光造成的感知亮度变暗和细节减弱问题；3、建立自适应色调映射函数，解决环境光下动态范围压缩引起的对比度下降问题；4、针对环境光造成的显示设备色域缩减问题，提出基于色域映射的颜色补偿方法，减少图像颜色失真。最后，本项目拟建立环境光下显示设备图像增强仿真系统，并将应用于实际显示设备中。期望本项目为环境光下提升显示器的显示图像可视性和鲜明色彩做出贡献。

随着环境光的增强，人眼能够自动调整以适应强光环境，然而对于亮度动态范围有限的显示器的响应将大幅度下降，导致人眼感知的图像很暗、图像质量变差。针对此问题，本项目基于人眼视觉系统理论，解决环境光对显示器影响的两大问题，即图像可视性下降和颜色失真。具体研究内容包括：1、建模分析环境光对人眼视觉感知显示图像的影响；2、研究融合人眼视觉特性的环境光下亮度和细节增强方法，改善环境光造成的感知亮度变暗和细节减弱问题；3、建立自适应色调映射函数，解决环境光下动态范围压缩引起的对比度下降问题；4、针对环境光造成的显示设备色域缩减问题，提出了基于色域映射的颜色补偿方法，减少图像颜色失真。本项目研究重要成果中，提出了使用约束优化的自适应色调映射方法，用于环境光下的显示增强。提出了通过最小可觉差（JND）变换对低光图像进行联合对比度增强和降噪，采用JND变换来实现基于人类视觉感知的对比度增强和降噪。实验结果表明，该方法可显著提高在环境光下显示图像的亮度、对比度、细节和颜色，并且优于其它最新技术。采用彩色图和近红外图的多光谱融合方法，有效恢复了颜色和纹理，产生真实自然的融合结果。本项目成果应用于实际显示设备的结果，能够提升环境光下显示器的显示图像可视性和鲜明色彩。