【正文】 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 面向節(jié)能的圖像顏色優(yōu)化研究 摘要在目前的桌面電腦和移動設(shè)備當(dāng)中，顯示器所占用的電能功率消耗比例分別達(dá)38%和50%，因此節(jié)能顯示技術(shù)的研究，特別是在延長移動設(shè)備電池持續(xù)供電時間等方面有著十分迫切的需求。從技術(shù)上講，顯示內(nèi)容的節(jié)能顯示主要可以從硬件和軟件方面進(jìn)行。在對顯示器節(jié)能和圖像處理相關(guān)方法進(jìn)行了綜述的基礎(chǔ)上，本文從軟件處理角度出發(fā)，圍繞圖像的節(jié)能顯示優(yōu)化設(shè)計的問題展開了研究，并提出了一種基于節(jié)能的圖像自適應(yīng)亮度優(yōu)化方法。該方法首先用雙邊濾波對圖像進(jìn)行去噪，然后通過Sobel邊界檢測算子從圖像中獲取顯著邊界作為圖像主要特征，隨后構(gòu)造特征重要性場，用于指導(dǎo)圖像的特征增強(qiáng)，并實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)亮度優(yōu)化。該方法在應(yīng)用于圖像亮度降低時，可以在保持特征分辨能力的同時獲得節(jié)能顯示的效果。繼而，本文描述了一個實(shí)現(xiàn)上述圖像處理方法的軟件原型，并提供基本的圖像處理操作，方便用戶對方法的參數(shù)調(diào)節(jié)進(jìn)行預(yù)覽，并對處理結(jié)果進(jìn)行分析比較。最后，本文將上述方法應(yīng)用于一般圖像進(jìn)行了實(shí)例測試，并做了簡單的用戶研究，結(jié)果表明該方法能夠在相同節(jié)能效率下更好地保持圖像中的感知特征。關(guān)鍵詞：節(jié)能，顏色優(yōu)化，視覺感知，邊界檢測i浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 AbstractAbstractIn the modity desktop puters and mobile devices, the monitor consumes relatively 38%~50% electrical energy of the total consumption. Thus, designing an energy saving scheme is very essential, especially in extending power supply of the mobile device battery. Technically, energy saving display can be achieved by both hardware and software solutions. In this thesis, we conduct a study on image brightness optimization problems for energy saving display based on the survey on energysaving schemes and image edge detection. In particular, we propose an adaptive dimming approach for display energy saving. In this approach, bilateral filtering is performed upon the original image firstly to smooth the noise while preserving evident features. Then we construct a saliency map by extracting edge features from the image using Sobel operator. The saliency map describes the region of interest which plays an important role in users’ understanding of an image. In the optimizing process, we perform a saliency guided feature enhancement by using the saliency map. With the proposed approach, we can generate a dimmed image which can be displayed with less energy consumption. Additionally, we describe a software prototype which implements our method and some elemental image operations. Users can preview the intermediate results while they are tuning the relevant parameters, as well as analysis and paring of the results.We apply our approach on several applications, including map images and natual images. A pilot user study demonstrate that our approach achieve better performance in preserving perceptionbased features in the dimmed images than uniform dimming under the same energy consumption.Keywords：Energy saving, Color optimization, Visual perception, Edge detection ii浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄目錄摘要 iAbstract ii第1章 緒論 1 課題背景 1 顯示器節(jié)能顯示相關(guān)方法 3 圖像顏色與亮度優(yōu)化 5 本章小結(jié) 6 內(nèi)容安排 7第2章 研究中需要的工具綜述 8 圖像亮度優(yōu)化 8 圖像邊界檢測 10 邊界檢測的基本步驟 11 邊界檢測算法 11 邊界檢測算法比較 13第3章 基于節(jié)能的圖像顏色優(yōu)化算法研究 16 方法研究目標(biāo) 16 方法技術(shù)細(xì)節(jié) 16 基于雙邊濾波的圖像降噪處理 17 特征檢測及特征重要性場構(gòu)造 19 基于特征重要性場的圖像優(yōu)化 23 圖像處理原型軟件 26 需求分析 26 主界面和交互設(shè)計 26 基本處理功能的實(shí)現(xiàn) 28 圖像自適應(yīng)亮度優(yōu)化的實(shí)現(xiàn) 31 本章小結(jié) 32第4章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 34 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 34 性能統(tǒng)計 40 用戶研究 40 實(shí)驗(yàn)設(shè)計 41 實(shí)驗(yàn)過程 41 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 41 討論分析 42 本章小結(jié) 43第5章 總結(jié)與展望 44 本文工作總結(jié) 44 未來工作展望 44參考文獻(xiàn) 46致謝 49II浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 表目錄圖目錄圖 11 OLED顯示屏 2圖 12 OLED顯示器對于紅、綠、藍(lán)純色的功率消耗曲線 4圖 21 圖像亮度調(diào)節(jié)實(shí)例 10圖 22不同邊緣檢測算子的離散形式（圖像卷積算子） 13圖 23不同邊緣檢測算子結(jié)果對比 14圖 31 圖像自適應(yīng)亮度優(yōu)化算法的流程圖（字母表示本章中所用符號） 17圖 32 雙邊濾波效果 19圖 33 本小節(jié)使用的示例輸入圖像 20圖 34 PBA算法得到示例圖像的邊界圖像的距離場，像素亮度表示距離邊界像素的歐式距離 21圖 35 示例圖像的特征場示意圖，及文中各參數(shù)的含義 22圖 36 示例圖像的特征重要性場 22圖 37 一個實(shí)際圖像的特征場構(gòu)建過程 23圖 38 對示例圖像進(jìn)行自適應(yīng)亮度優(yōu)化的結(jié)果示意圖，注意到圖像中元素邊界部分的對比度相比于原圖像的變化 25圖 39 對圖 37中實(shí)例圖像進(jìn)行自適應(yīng)亮度優(yōu)化的結(jié)果示意圖 25圖 310原型軟件的功能模塊圖 26圖 311 圖像處理原型軟件的主界面 27圖 312 圖像處理原型軟件的“自適應(yīng)亮度優(yōu)化”選項(xiàng)卡中的參數(shù)與命令 28圖 313 圖像通道選擇界面 29圖 314 圖形亮度和對比度調(diào)節(jié)界面 31圖 315 圖像自適應(yīng)亮度優(yōu)化操作界面 32圖 41 方法應(yīng)用到普通圖像的結(jié)果對比 35圖 42 方法應(yīng)用到地圖圖像的結(jié)果對比 36圖 43 在游戲場景中使用深度圖進(jìn)行自適應(yīng)亮度優(yōu)化的結(jié)果對比 38圖 44 不同參數(shù)配置對結(jié)果的影響 39圖 45 可視搜索任務(wù)的平均完成時間和標(biāo)準(zhǔn)差 42圖 51 三菱OLED大屏顯示系統(tǒng) 45表目錄表格 1處理不同分辨率圖像時的性能統(tǒng)計（時間單位：毫秒） 40II浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2章 研究中需要的工具綜述第1章 緒論 課題背景液晶顯示器，或稱LCD（Liquid Crystal Display），是一種平面超薄的顯示設(shè)備，它由一定數(shù)量的彩色或黑白像素組成，放置于光源或者反射面前方。液晶顯示屏是用于數(shù)字型鐘表和許多便攜式計算機(jī)的一種顯示器類型。它的主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)、線、面配合背部燈管構(gòu)成畫面。LCD顯示使用了兩片極化材料，在它們之間是液體水晶溶液。電流通過該液體時會使水晶重新排列，造成光線透過率的變化。液晶顯示器（LCD）作為科技含量高的技術(shù)，正朝著輕、薄、短、小的目標(biāo)發(fā)展。在便于攜帶與運(yùn)輸?shù)那疤嵯?，傳統(tǒng)的顯示方式如CRT顯像管顯示器及LED顯示板等，皆受制于體積過大或耗電量過大等因素，無法適應(yīng)使用者的實(shí)際需求的提高。而液晶顯示技術(shù)的發(fā)展正好切合目前信息產(chǎn)品的潮流，無論是直角顯示、低耗電量、體積小、還是零輻射等液晶顯示屏優(yōu)點(diǎn)，都能讓使用者享受最佳的視覺環(huán)境。在目前的桌面電腦和移動設(shè)備當(dāng)中，顯示器所占用的電能功率消耗比例分別達(dá)38%和50%[1,2]，因此節(jié)能顯示技術(shù)的研究，特別是在延長移動設(shè)備電池持續(xù)供電時間等方面有著十分迫切的需求。TFTLCD或LCD顯示器是目前最流行的顯示器，其主要技術(shù)是薄膜場效應(yīng)晶體管，在給定一個白色背光光源的基礎(chǔ)上，通過改變每個像素中顏色單元的透光率獲得不同顏色的顯示。當(dāng)透光率為0時，屏幕會顯示為黑色，然而由于工藝的問題，這類顯示器產(chǎn)品通常會存在漏光的現(xiàn)象。TFTLCD顯示器的主要電能消耗用于維持背光光源的亮度，因此整體的功率消耗也主要由背光的亮度及其制造工藝決定。一般來說，通過合理地降低背光光源的亮度可以實(shí)現(xiàn)LCD顯示器的節(jié)能顯示。最近幾年，一種新的基于有機(jī)發(fā)光二極管（organic lightingemitting diode, OLED）的顯示器（以下簡稱OLED顯示器，）則通過像素中的顏色單元自發(fā)光的形式顯示顏色，因此就避免了使用背光光源[3]。當(dāng)屏幕面板不顯示任何內(nèi)容時，像素不會被通電，因而不消耗電能。OLED顯示器采用非常薄的有機(jī)材料涂層和玻璃基板，當(dāng)電流通過時，有機(jī)材料就會發(fā)光。由于OLED顯示器具的像素是自發(fā)光的，因此OLED顯示器具有很多特點(diǎn)，其顯示屏幕的可視角度幾乎可以達(dá)到極限，屏幕黑色顯示非常純正，因此OLED顯示器具備了許多傳統(tǒng)LCD顯示器不可比擬的優(yōu)勢。OLED 顯示器通過調(diào)節(jié)每個像素中紅、綠、藍(lán)三種單色發(fā)光單元的亮度以顯示不同的顏色，因此其功率的消耗實(shí)際上和每個像素的顏色相關(guān)，相當(dāng)于不同的顯示內(nèi)容會產(chǎn)生不同的功率消耗。在圖像處理與應(yīng)用程序的顏色設(shè)計中，可以通過調(diào)節(jié)優(yōu)化圖像顏色成分或選取更節(jié)能的顏色模式的方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能的顯示。另外，OLED顯示屏幕可以做得非常輕薄，甚至可以彎曲。圖 11 OLED顯示屏OLED 顯示屏的節(jié)能概念悄然掀起，成為它最為吸引消費(fèi)者眼球的亮點(diǎn)，也是近年來火爆增長的原因。目前市場對顯示屏節(jié)能技術(shù)需求較大，OLED顯示屏的進(jìn)一步節(jié)能成為了行業(yè)追逐的支撐點(diǎn)。通過降低圖像亮度或者調(diào)節(jié)優(yōu)化圖像顏色成分的手段都可以降低顯示器的功率消耗。本文根據(jù)顯示器的特性，實(shí)現(xiàn)了一種面向節(jié)能的圖像亮度優(yōu)化方法，通過對圖像內(nèi)容的特征增強(qiáng)方法補(bǔ)償亮度降低后信息傳遞和圖像質(zhì)量的損失，從而實(shí)現(xiàn)一般圖像特別是地理信息圖像的節(jié)能顯示。為了便于用戶對方法中的參數(shù)調(diào)節(jié)產(chǎn)生的效果進(jìn)行直觀的預(yù)覽和比較，本文也描述了一個實(shí)現(xiàn)上述圖像處理方法的原型軟件，并提供基本的圖像處理操作，方便用戶對方法的參數(shù)調(diào)節(jié)進(jìn)行預(yù)覽，并對處理結(jié)果進(jìn)行比較。 顯示器節(jié)能顯示相關(guān)方法在目前的桌面電腦和移動設(shè)備當(dāng)中，顯示器所占用的功率消耗比例分別高達(dá)38%和50% [1, 2]。因此節(jié)能顯示技術(shù)的研究，特別是在延長移動設(shè)備電池持續(xù)供電時間等方面有著十分迫切的需求。如果一臺電腦擁有省電功能，每小時待機(jī)耗電約35W，約比一個一般亮度的燈泡稍高，盡管這一浪費(fèi)對個人影響不大，但若全球所有的電腦長時間待機(jī)，每小時浪費(fèi)的電量就非常驚人[40]。考慮到顯示器占用了整個系統(tǒng)較高的耗電比例，因此顯示器的節(jié)能問題十分重要。舉個例子，著名的搜索引擎的主頁面一般都非常簡單，比如Google的頁面是純白色背景上的一個搜索框和少量鏈接。在一個OLED顯示器上長時間顯示時，其幾乎需要最大的功率消耗，一個暗色或黑色背景的頁面則可以有效地節(jié)約電能消耗。，通過鏈接的方式返回Google搜索結(jié)果，其主頁宣稱節(jié)約電能已達(dá)3800千瓦時。雖然數(shù)據(jù)的真實(shí)性可能是基于訪問其頁面的用戶都使用了OLED顯示器進(jìn)行計算得到的，但也正說明了基于OLED顯示器進(jìn)行節(jié)能設(shè)計的重要性。目前，顯示器的主要技術(shù)是基于薄膜場效應(yīng)晶體管的液晶顯示器（Thin Film Transistor Liquid Crystal Display,