（信号与信息处理专业论文）基于激光显示系统的跨设备色彩传输研究.pdf

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论文总结5 1 5 2 展望5 2 参考文献 致谢 攻读硕士学位期间发表的学术论文和参与的工程项目 5 7 5 8 山东大学硕士学位论文 c h i n e s ea b s t r a c t c o n t e n t s e n g l i s ha b s t r a c t 3 c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n ! ； 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 5 1 2r e s e a r c hs t a t u s 7 i 3r e l e v a n tt h e o r y 1l i 3 ig a m u tr e p r o d u c t i o n li 1 3 2v i t u a lg a m u te x p a n s i o n l ：1 1 3 3g a m u tb o u d a r yd e s c r i p t i o n 13 1 4t h em a i nc o n t e n ta n dt h eo r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r eo f t h i sp a p e r 1 4 c h a p t e r 2r e l e v a n tt h e o r e t i c a lo fc o l o rs c i e n c ea n dc o l o rp r o c e s s i n g 1 6 2 1t h ef o u n d a t i o no fc o l o r i m e t r i c 16 2 1 1c o l o r 1 6 2 1 2h u m a nv i s u a lc h a r a c t e r i s t i c s 17 2 2g r s a s s m a n nc o l o rl a wa n dt h ep r i n c i p l eo ft r i c h r o m a t i c 18 2 3c o l o rs p a c e i9 2 3 ic i e l 9 3 1 s t a n d a r dc o l o r i m e t r i cs y s t e m 2 0 2 3 2u n i f o r mc o l o rs p a c ea n dc o l o rd i f f e r e n c ef o r m u l a s 2 2 2 4s u m m a r y ：! z i c h a p t e r3g a m u tb o u n d a r yd e s c r i p t i o nm e t h o d 2 5 3 1c o l o rg a m u tb o u n d a r yd e s c r i p t i o nm e t h o d 2 6 3 1 1g a m u tb o u n d a r yd e s c r i p t i o nm e t h o db a s e do nd i s c r e t e ：。2 6 3 1 2g a m u tb o u n d a r yd e s c r i p t i o nm e t h o db a s e do na n a l y s i s 2 7 3 2g a m u tb o u d a r yd e s c r i p t i o nm e t h o db a s e do nc r r a h a n la l g o r i t h m 3 0 3 3s i m m u l a t i o na n de x p e r i m e n t 3 4 3 4s u m m a r y 3 6 c h a p t e r4 v i r t u a lg a m u te x p a n s i o n 3 7 4 1g a m u te x p a n s i o na l g o r i t h mb a s e do nc i ex y zc o l o rs p a c e 3 7 4 i 1d i f f e r e n ts p e c t r u mo f t h es a m ec o l o r 3 8 4 i 2h u ec a l c u l a t i o nm e t h o do f t h ec i ex y zc o l o rs p a c e 4 0 i i i 山东大学硕士学位论文 4 1 2s p e c i f i ca l g o r i t h ma n ds i m u l a t i o n 4 3 4 2g a m u t e x p a n s i o na l o g o r i t h mb a s e do nc i e l a b c o l o rs p a c e 4 7 c h a p t e r 5s u m m a r ya n do u t l o o k 5 1s u m m a r y 5 1 5 2o u t l o o k 5 2 r e f e r e n c e s a c k n o w l e d g e m e n t s a c a d e m i ca c h i e v e m e n t s 5 3 5 7 5 8 山东大学硕士学位论文 摘要 不同的显示设备具有不同的显示色域，色彩信号在媒体之间传输的实质是将 色彩信号从源设备颜色空间转换到目标设备的颜色空间。转换的方式不同，在目 标设备上重现颜色的效果就不同。为了保证色彩跨设备传输的准确性，色彩跨设 备传输时需要进行颜色空间转化与色域映射。另外随着激光显示技术的进一步发 展以及人们对生活的追求，各种宽色域显示设备应运而生，但是一般而言摄像机 仍采用原有的标准显示色域，如何对现有标准显示信号进行适当的虚拟色彩扩 展，以发挥宽色域显示设备宽色域的特点成为色彩跨设备传输领域亟待解决的问 题。 本论文针对目前跨设备色彩传输领域存在的问题，主要研究了跨设备色彩传 输中的小色域向大色域映射的色彩扩展映射问题。论文首先介绍了色彩扩展映射 的基本概念和基本研究方法，其后重点研究了设备色域边界描述和虚拟色彩扩 展。 针对色域边界描述，本文分析总结了常用的基于离散的和基于解析的两类色 域边界描述算法。在深入研究以上算法的基础上，针对c i el a 。b 、c i el u v 。等 等色调线均匀空间进行色彩虚拟扩展中需要计算设备显示色域等亮度平面线边界 的问题，提出了一种基于g r a m h a m 算法的设备显示色域线边界计算方法，算法 首先对显示色域在r g b 颜色空间进行采样，通过采样点确定设备显示色域线边 界。并且该算法采用多次迭代的方式，有效了解决了传统算法在计算设备色域非 凸边边界时的误差。 虚拟色彩扩展是跨设备色彩传输的另外一个重点。针对新型宽色域激光显示 系统，本文提出了两种虚拟色彩扩展算法。论文中首先结合格拉斯曼混色定律以 及色彩的同色异谱性原理，提出了一种简单的在c i ex y z 空间计算色调的方法， 并据此提出了一种基于c i ex y z 空间的带色调校正的虚拟色彩扩展算法，在一定 程度上减少了虚拟色彩扩展中由于c i ex y z 空间中等色调线不均匀性带来的误 差。另外本文还提出了一种在相对均匀的颜色空间c i el a b 进行色彩虚拟扩展 的算法，利用提出的基于g r a m h a m 算法的设备显示色域线边界描述算法，准确描 山东大学硕士学位论文 述设备显示色域等亮度平面线边线，有效的解决了设备小色域向大色域的虚拟扩 展映射，实验效果良好。 关键词：色域边界描述；色彩虚拟扩展；色彩管理；g r a h a m 算法 2 a bs t r a c t a sd i f f e r e n td e v i c e sh a v ed i f f e r e n td i s p l a yc o l o rg a m u t ，t h e k e yp o i n to ft h ec r o s s d e v i c ec o l o rt r a n s m i s s i o ni st oc o n v e r tt h ec o l o rs i g n a lf r o mt h es o u r c ed e v i c et o t h e d e s t i n a t i o nd e v i c e d i f f e r e n tc o n v e r t i o nm e t h o dw i l l a c h i e v e dd i f f e r e n tr c p r o d u c t i o n 他s i i i t t h e r e f o r e ，i n o r d e rt oe n s u r et h ea c c u r a c yo fc r o s s m e d i a c o l o rt r a n s r n i s s i o l l t h et r a n s m i s s i o no fc o l o ra c r o s s d e v i c e sn e e df o rt h ec o n v e r s i o no fc o l o r s p a c e 弛d g 锄u tm a p p i n g i na d d i t i o n , w i t ht h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h e l a s e r d i s p l a y t e c h n o l o g ya n da l s ow i t hp e o p l e sp u r s u to fl i f e ，k i n d so f w i d e g 锄u td e 啊c ec 锄ei i l t 0 o u r l l v e s ，h o w e v c rt h ec a m e r as i g n di ss t i l lo ft h eo r i g i n a lc o l o rg a m u t , h o wt oe x p a n d 也ec u n n tt vs i g n a la p p r o p r i a t ea n da l s ot ot a k e f u l la d v a n t a g eo ft h ew i d e - g 锄u t d i s p l a yd e v i c e sh a sb e c o m eap r o b l e mn e e dt ob es o l v e d t h i sp a p e rw h i c hf o c u s e d0 1 1t h ep r o b l e m sc u r r e n t l ye x i s t i n gi nt h ef i e l do f c r o s s d e v i c ec o l o rt r a n s m i s s i o n , i n t r o d u c e dt h ec o n t e n ta n d r e s e a r c hm e t h o do fv i r t l 脚g 锄u t e x p 椰1 0 1 1 a n da l s od e s c r i b e dt h et w of o c u sp o i n t so ft h e r e s e a r c h ，d e v i c eg a m u t b o u n d a r yd e s c r i p t i o na n dv i r t u a lc o l o re x p a n s i o n 1m sp 印盯f i r s ta n a l y z e da n ds u m m a r i z e dt h e t w ok i n d so fg a m u tb o u l l d a d e s c r i p t i o nm e t h o d s o n ei sd e v i c ec o l o rg a m u t b o u n d a r yd e s c f i p t i o nm e t l l o db 弱e do n 删y s l sa n dt h eo t h e ri sd e v i c ec o l o rg a m u tb o u n d a r yd c r i p t i o nm e t h o db 嬲e d0 n d l s c r e t e a n do i lt h eb a s i so f i n - d e p t hs t u d yo ft h ea b o v ea l g o r i t h m s ，i nt h i s p a p e ra g 锄u tb o u n d a r ya l g o r i t h mb a s e do ng r a h a ma l g o r i t h mw a s p r o p o s e d 1 1 l i sm e m o df i r s t s 锄p l e de n o u g hg a m u tp o i n t sa n dt h e nc o r r e c t e dt h ee r r o ri nt h ec o n c a v e s i d co ft h e g a m u tb o u n d a r yt h r o u g hs e v e r a li t e r a t i o n s r e s u l t s h o w e dt l l a tt h j sm e t l l o dw 笛 e f f e c t i v et os o l v et h ep r o b l e m s v1 r t u a l g a m u te x p a n s i o ni sa n o t h e r k e yr e s e a r c hp o i n to ft h ec r o s s d e v i 呦s 舢s s l o n i nt h i sp a p e r ，t w og a m u te x p a n s i o nm e t h o d sw e 心 p r o p o s e d o mi sa s i m p i ec o l o rg a m u te x p a n s i o nm e t h o di nc i ex y zc o l o rs p a c e ，w m c hw 嬲b 弱e do n g - r a s s m a n n sc o l o rl a wa n dp r i n c i p l eo fd i f f e r e n ts p e c t r u mo ft h es a m ec 0 1 0 r i n t 1 1 i s m e t h o dag a m u tc o r r e c tm e t h o dw a sp r o p o s e d ，w h i c h g r e a t l yr e d u c e dt l l ee 册rc a u s e d b yt h eh 吼e r o g e n e i t yo ft h ec i ex y zc o l o r s p a c e i na d d i t i o na n o t h e rg 锄u te x p 锄s i o n m e t h o d b a s e do nt h er e l a t i v e l yu n i f o r mc o l o rs p a c ec i el a b w a sp r o p o s e d b yt h e 3 山东大学硕士学位论文 a c c u r a t ec a l c u l a t i o no ft h eg a m u tb o u n d a r y ，t h i sm e t h o de f f e c ts o l v e dt h ec r o s s - d e v i c e c o l o rt r a n s m i s s i o nf r o mo r d i n a r yd i s p l a ys i g n a lt ot h ew i d e g a m u td e v i c e s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dh a sal o wc o m p l e x i t ya n dc a l le f f e c ts o l v et h ec r o s s - d e v i c e c o l o rt r a n s m i s s i o nf r o mo r d i n a r yd i s p l a ys i g n a lt ot h ew i d e g a m u td e v i c e k 呵w o r d s ：g a m u tb o u n d a r yd e s c r i p t i o n ；v i r t u a lg a m u te x p a n s i o n ：c o l o r m a n a g e m e n t ；g l a h a l na l g o r i t h m 4 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 近年来随着科技的不断进步，各种数码设备( 照相机、手机、手持电脑等) 应运而生，这些设备的出现大大方便了图像的传输，但同时也增加了色彩跨设备 的复杂性。不同的设备具有不同的显示色域，色彩信号在不同设备之间传输的实 质是将色彩信号从源设备颜色空间转换到目标设备的颜色空间。转换的方式不 同，在目标设备上重现色彩的效果就不同。因此，为了保证色彩跨设备传输的准 确性，色彩跨设备传输时需要进行颜色空间转化与色彩映射。另外随着激光显示 等显示技术的进一步发展以及人们对生活的追求，各种宽色域覆盖的设备应运而 生，该设备可以覆盖人眼看见范围中更多的色彩，可以更加逼真的还原现实生活 中的色彩：但是一般而言摄像机仍采用原有的色域标准，如何对现有信号进行适 当的色彩虚拟扩展，以充分发挥宽色域显示设备宽色域的优势成为跨设备色彩传 输领域亟待解决的问题。 视觉是人类从大自然获取信息的最主要的手段。统计结果显示，在人类获取 的全部信息中，视觉信息占6 0 9 6 ，听觉信息占2 0 9 6 ，其它的诸如味觉信息、触觉 信息等加起来约占2 0 9 6 。而这其中很大部分的视觉信息的是由显示设备提供的， 因而显示技术的进步和发展对人类获取信息显得尤为重要。近年来，随着科技的 进步和光源制造工艺的进步，显示技术也有了长足的进步和发展。2 0 世纪以 来，阴极射线管( c r t ) 带来了显示行业的第一次革命，然后平面显示带来了显 示行业的第二次革命。近些年来显示行业有了突飞猛进的发展，但目前为止显示 设备仅能显示人眼所能观察色彩的3 3 左右，如何能更好、更逼真的还原自然界 中的色彩是显示技术研究和发展的一个重要方向。 现代显示系统一般采用三基色原理显色，利用三种基色按不同比例混合，产 生绚丽多彩的彩色效果。实验表明，通过将显示三基色向显示色域的边缘移动， 增大基色的的色彩饱和度，即可扩大色域覆盖范围，最终实现更好的色彩表现能 力( 图1 1 为c i ex y z 空间中激光、c r t 和l e d 显示色域对比图，三基色色度点向 5 山东大学硕士学位论文 外移，则显示色域三角形范围将变大) 。激光显示技术由此应运而生，激光显示 系统采用红、绿、蓝三种波长的激光，通过输入的图像信号控制三基色激光，使 其屏幕上成像，同现有的其它显示技术( c r t 、p d p 、l c d 等) 相比， 由于激 光的高饱和度，激光显示系统显示色域更加宽广，具有得天独厚的优势幢儿羽。激 光显示系统的优势如下： o o 30 5o 7x 图1 1c i ex y z 空间中激光、c r t 和l e d 显不色域对比图 ( 1 ) 激光显示技术显示色域更加宽广 图1 1 是c i ex y z 色彩空间中激光、l e d 和c r t 显示色域对比图。图中，舌 形图包含自然界中人眼所能观察到的所有颜色，图中各个三角形围成的区域分别 代表相应显示标准显示色域的范围。三角形的面积越大，代表此类显示标准可以 显示更多得色彩，即其还原自然界色彩的能力就越强。从图上可以看出，激光显 示系统( l a s e r ) 三基色所构成的三角形面积更大，即其色彩还原能力最强。研究 表明，激光显示系统显示色域大约是现行n t s c 制标准显示色域的1 8 倍h 1 。 ( 2 ) 激光三基色色彩纯度更高，显示色彩饱和度更高 激光三基色的光谱单一，是线光谱，这不同于荧光粉的柱状光谱，采用激光 作为背光源能够获取更高的饱和度和亮度，图1 1 中，越靠近舌形图边缘的色彩 饱和度越高，激光显示色域的三基色顶点都位于舌形图的边缘，在显示色彩时能 够获得更大的饱和度隋1 。 6 y 岛 届 善 2 o o o o 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 激光显示高对比度 人眼的视力随着亮度的增加而提高，但是当亮度增加到一定程度时，人眼的 视力将会达到极限，趋向于平稳。要保证显示设备可以更加真实的重现图像，重 现图像必须保持较好的发光对比度，发光对比度计算公式为呻3 ： ，r c ：兰1 ( 卜1 ) l b s 其中代表视场中对象的亮度，厶。代表视场中背景的亮度。 近年来随着激光显示技术，光学信息处理及数字电子技术技术等方面的快速 发展，激光显示技术也有了飞快的发展，激光器也逐渐实现了固化，同时激光器 发光效率也大大提高。固体激光技术的迸一步发展为激光作为背光源提供了便 利，同时多色声光调制器和快速扫描器的进一步发展也使得激光显示有了新的绘 图能力。此外多媒体显示行业对于高清电视的需求等，也都大大促进了激光显示 技术的的发展。 由于现有电视显示制式( n t s c 、p a l 、s e c a m 等) 显示色域和激光电视显 示色域不同，而视频信号一般是基于现有标准色域( 如i t u rb t 7 0 9 ) 标准下获 取的。由于缺乏相应的色彩驱动程序，现行标准视频信号，直接驱动激光显示系 统，一方面将造成显示色彩失真，另一方面也无法发挥激光显示系统宽色域、高 饱和度和高亮度的优势。建立一套适合于激光显示的颜色转换系统，以及实现标 准显示信号显示色域到激光显示色域的虚拟扩展映射，更好的发挥激光显示系统 的优势，成为激光显示行业亟待解决的一个问题口儿阳。 1 2 国内外研究状况 第一台激光显示系统是由德州仪器公司( t i ) 在1 9 6 5 年生产的陋1 1 1 。该系统 采用5 0 毫瓦的氦一氖激光器作为三基色光源，光调制器采用k d p 晶体补偿型横向 式，图像带宽5 m h z ，可获得6 0 ：1 的对比度。该系统的的场偏转器采用的是检流 计，行扫描由光导纤维式圆一直线变换器和旋转的微小镜子圆扫描器组成。1 9 6 6 年，美国z e n i t h 无线电公司研制也开发出了一套彩色激光显示系统。该系统的水 平分辨率可达2 0 0 t v l ，图像的分辨力达3 4 0 线左右。此后不久美国通用电话电子 公司也公布其研制的采用双光束方式的彩色激光显示器。该显示系统的屏幕增益 7 山东大学硕士学位论文 为五，水平分辨率可达3 0 0 t v l ，在7 9 1 2 2 硎2 的画面上可获得约4 0 c d m 2 的亮 度。 上个世纪七十年代左右，日本的两大研究所，日立制作所中央研究所和n h k 综合技术研究所联合推出了行扫描为1 1 2 5 线的彩色激光显示器。该系统研究出了 采用柱面透镜的独创性扫描线节距不均匀校正器和高精度的旋转多面镜作为激光 显示系统的偏转系统，通过此方法获取相对而言分辨率较高，并且均匀性较好的 光栅。同时该公司还研制出了较小型的大功率氪离子和氩离子激光器。该彩色激 光显示系统的场扫描也采用检流计，转镜安装在磁浮轴承座上，可由电机驱动。 行扫描采用转镜偏转器。系统为宽1 2 米，宽高比为5 ：3 的高分辨率的大屏幕彩色 投影系统，各项测试指标效果良好，场分辨率可达7 0 0t v l ，行分辨率8 0 0t v l ， 对比度为3 0 ：1 。 第一台激光显示系统研制成功到现在已有五十多年，但自第一台激光显示系 统研制成功以来，激光显示技术的发展一直很缓慢。国内外多家科研院所和机构 公司都对激光显示系统进行了全方位的研究，但在激光显示系统商品化上却一直 没有重大进展。影响激光显示系统商品化的主要因素有两个：一是作为背光源的 激光器的发光效率相对较低，而其电功耗大，不利于实用化；二是激光显示系统 扫描装置技术难度大，不易批量生产。上个世纪八十年代末，英国曾将激光显示 技术用于空间导弹模拟训练室中。进入九十年代以来，激光显示技术呈现出快速 发展的趋势，到九十年代后期，已经有商品化的激光显示系统出现。近些年来随 着激光显示技术，光学信息处理技术以及数字电子技术等诸多方面的快速发展， 智能化的激光视频图像显示技术也有了了长足的进步。随着各项技术的逐渐进 步，激光器的固体化也成为一种可能，固体激光器的发光效率也有了较大的提 高。同时快速扫描器和多色声光调制器也有了进一步发展。这些改进也进一步缩 小了激光显示系统的体积，提高了激光显示系统的方便可用性，进而促进了激光 显示行业的迸一步发展。同时信息和多媒体显示的市场需求也刺激了激光显示行 业的快速发展。 8 山东大学硕士学位论文 鉴于激光显示技术的科研价值以及其背后巨大的产业化价值，近些年来国内 外的科研机构和公司都积极在激光显示领域进行研究。最早开展激光彩色投影显 示技术方面研究的科研院所和机构公司主要集中于美国、日本和德国。目前三国 的激光扫描显示技术的水平较高，远远领先于世界其它国家，代表了激光显示领 域的国际最先进水平。德国作为现代电视显示技术的开拓者，三十年前就建立了 现在最为通用的以三电视显示标准。目前，激光显示技术的发展受到德国政府的 重视。德国推行了“激光2 0 0 0 计划，并把此看作是国家显示系统行业再次发展 的良机。本世纪初，德国某大学的研究人员研制出了一种微型半导体激光器晦， 该半导体激光器，采用用特殊光纤作导体，采用此激光器可以制成高清晰度的袖 珍激光彩色显示器。美国于上个世纪末就宣布，要加大激光投影显示系统的研 究，并在图森市建立“光谷 ，以亚利桑那州的亚利桑那大学为龙头开展激光显 示系统的研究。由于美国对相关技术的技术保密，截止到目前，尚未见到可以较 全面介绍美国激光光电子产业发展现状的相关文献资料，但有报道称美国已 经研制出了新型激光显示系统演示样机。 日本也很早就开始了激光显示系统的研究，并实施了其“激光研究五年计 划 。索尼公司( s 吖) 于2 0 0 2 年研制出激光显示系统演示样机。日本三菱公 司也推出了一套激光d l p 背投显示器，与以往d l p 背投最大的不同是该显示系统 采用三个半导体激光器发出的红绿蓝三基色光源作为背光源，通过光纤将信号传 到给d m d 芯片，由于信号在光纤内部的多次反射，大大降低了干涉条纹。系统 也抛弃了以灯泡作为光源，以及采用色轮分色的传统方式。为了实现现行标准显 示信号与其显示色域相兼容，三菱公司同时还推出了一套图像调制系统n c m ( 自然色彩矩阵) 实现色彩的跨设备传输。为达到最佳的色彩还原效果，系统采 用将图像信号中的色彩信号与亮度信号相分离，并且系统将色彩信号分解为十二 组色相分别进行控制。三菱公司推出的这台激光背投显示器的的色彩还原能力得 到了i e c ( 国际电工委员会) 的认可，委员会成员一致认为该显示系统能够实现 色彩的宽色域覆盖，显示色域大约是现行标准电视信号显示色域空间的1 8 倍。 据称，三菱公司利用彩色激光制造的新一代轻型高清电视，其图像画质可以媲美 电影画质。目前，该产品已经在欧美市场上市( 如下图1 2 三菱l a s e r v u c 新品一 9 山东大学硕士学位论文 l 6 5 a 9 0 ) 。产品充分展现其了激光电视低功耗性、广色域性、耐用性和更高的 相应速度等优点，图1 2 为该显示系统相应的显示效果。 图1 2 、三菱l a s e r v u el 6 5 一a 9 0 及显不效果 进入二十一世纪以来，韩国政府也加大了对激光显示系统的研究力度，韩国 政府于2 0 0 1 年投入了7 3 亿美元，建立了相应的光州激光工程研究所，目前该所 为为全球七大激光研究所之一。2 0 0 2 年三星公司推出了一套高亮度激光显示系统 样机，该样机显示尺寸为8 0 英寸，支持v g a 级别分辨率。测试实验显示，该系统 显示效果良好。目前为止，大多数公司推出的样机大多数采用“点扫描式”和 “线扫描式”，韩国三星公司研发的激光显示系统采用“点扫描式”，r 本索 尼公司研发的激光显示系统采用“线扫描式”，这两种扫描方式均存在着光扫 描、光调制及其精确同步等技术瓶颈问题。 近些年来在国家8 6 3 计划的支持下，国内激光显示领域有了进一步发展，并 取得了一系列成就。2 0 0 2 年国家启动了“全固态大面积全色显示关键技术研究” 攻关项目，2 0 0 4 年天津大学科研项目“全固态激光彩色显示系统的关键技术研 究”通过了市科委组织的成果鉴定，鉴定专家组一致认为该项目成果多项技术处 于国内领先水平。该系统采用红、绿、蓝全固态三基色激光光源作为背光源，从 根本上取代了传统的气体红、绿、蓝激光器，可以实现较好的图像、文字等的显 示功能，而且该显示系统所需元器件国内均可生产，完全可以实现激光显示系统 1 0 山东大学硕士学位论文 的国产化。研制的激光显示系统样机曾在“基辅”号航空母舰上进行了现场演 示。2 0 0 6 年1 2 月，激光显示技术的研究被列入国家“十一五 规划和国务院高新 技术发展规划指南。激光电视在国内有了突破性的发展。 1 3 相关理论基础 1 3 1 色彩还原 随着打印机、显示器、扫描仪、数码相机等各种多媒体设备的普及，由于各 种设备的标准色域不同，如何解决不同设备之间色彩跨设备传输成为人们研究的 重点n 扪。色彩还原是一种将色彩从源设备色彩空间转换到目标设备所支持颜色空 间的技术，并保证色彩转换前后显示效果保持不变的一种技术。色彩还原也是一 种自动化的色彩重现技术，不需要用户进行色彩特性化转化和复杂性计算，设备 自主完成不同显示设备之间色彩的无失真转换。目前国内外越来越多的科研机构 加入了色彩还原技术研究的行列，色彩还原技术已成为人们日常生活中必不可少 的技术。 对于激光显示系统而言，色彩还原主要是完成输入标准视频信号由标准显示 色域( n t s c 制、p a l 制等显示色域) 到激光显示色域的转换。这其中主要涉及 设备的色彩校准和色域转换n 钔。 设备色彩校准的目的主要是为了保证显示系统可以正常工作，但是这个过程 并不能保证图像在目标设备上显示色彩效果与原色彩一致，而是为了达到设备初 始化设计的指标。实现设备色彩校准，主要是要对显示器件的对比度、亮度、色 温以及显示器的伽马值等进行校准n h 司，保证显示器在此状态下可以正常而且稳 定的工作。 色域转换技术主要实现显示信号由标准显示色域到激光显示色域的色彩转 换，以达到显示色彩无失真的最佳的显示效果。目前色域转换中常用的方法有多 元回归法、三维查找表法以及神经网络法等n 钔。 多元回归法是根据三基色原理，利用最小二乘法建立适当的转换模型，根据 源设备显示色域空间采样点和其在目标设备显示色域空间的测量值求的相应的模 型参数，最终通过多元回归方程实现设备显示色域的变换计算。此方法可以直观 山东大学硕士学位论文 的建立源设备颜色空间与目标设备颜色空间的映射关系。该转换关系简单，易于 硬件实现，而且算法有较高的运行速度，但是多元回归算法的精度受会回归模型 参数数量的影响，参数越多，精度越高，为了保证多元回归算法的精确度，需要 完成的测量工作也越大。同时此方法在整个色彩空间中并不均匀。 神经网络算法是一种人工智能的方法，算法采用自适应学习方法，根据用户 输入输出数据的对应关系，建立相应的转换关系。最常用的方法是b p 神经网络 算法。该算法是一种多阶层采用误差逆向传播的前向神经网络算法。b p 神经网络 算法具有较强的实用性，并且精度也较高。但此算法的稳定性受样本采样数量的 影响，同时该算法需要较长的训练时间才能保持稳定。此外该算法的收敛性会受 到隐层数以及各个因层中的神经元的数目的影响，同时该算法对于设备显示色域 外的色度点的收敛性也较差。 三维查找表算法是一种利用三维空间中几何体的顶点来插值出其内部点颜色 的算法。按照算法中采用插值几何体形状的不同常见的插值算法主要可以分为三 棱柱插值算法、四面体插值算法和立方体插值算法等三种。较之于上面介绍的多 元回归算法和神经网络算法，该算法的精度最高，但该算法运行速度由硬件插值 速度决定，并且为建立相应的色彩查找表该算法需要采集大量的样本数据。 1 3 2 虚拟色彩扩展 摄像机等数码设备采集的视频信号一般是在现有标准色域( 如 刀u 一只曰丁7 0 9 ) 下获取的，现有标准电视信号显示色域和激光显示系统显示色 域不同( 图1 1 ) ，激光显示系统显示色域远大于现行标准电视信号显示色域， 单纯的色彩还原只能实现显示图像色彩的不失真，并不能发挥激光显示系统宽色 域、高饱和度和高亮度的优势n 们。为更好的发挥激光显示优势，建立一套适合于 激光显示的虚拟色彩扩展转换系统，以及实现标准制式下小显示色域信号到激光 显示大色域的虚拟色彩扩展映射，成为激光显示领域一个亟待解决的问题。 近年来，针对目前h d t v 显示大色域的问题，各种色域扩展算法应运而生。 这种算法一般都是针对h d t v ，并未提出一个解决小色域向大色域扩展的通用算 法。文献 5 中所提出的虚拟色彩扩展算法仅针对色彩边界对色域进行了扩展， 1 2 山东大学硕士学位论文 在一定程度上可以提高显示色彩的层次感，但该算法在整个色彩空间中并不是连 续扩展，易引起色彩突变，扩展后的图像有可能会发生色彩失真。 虚拟色彩扩展的目的就是要将源设备显示色域扩展到一个大的显示色域，这 不同于传统的色域压缩，色域压缩就是要使目标设备上的色彩尽可能和源设备上 的色彩显示效果保持一致。色域压缩映射的效果可以有比较明确的评价标准。而 色彩虚拟扩展则是以实现设备的宽色域覆盖为目标，要将显示信号的色彩尽可能 的拉深，扩展前后并不保证色彩的完全一致。虚拟色彩扩展的效果缺乏较客观的 描述算法。 1 3 3 色域边界描述 要实现两个不同设备显示色域之间的转换关系，首先必须正确量化两个设备 的显示色域。色域边界描述，即要描述相关设备显示色域的范围。 在c i e x y z 颜色空间中设备显示色域可以简单的用设备三基色坐标所围成的 色域三角形表示，但是c i e n ，z 颜色空间等色调线并不均匀，色彩扩展过程最重 要的一个原则就是要保证扩展前后色彩的色调保持一致，因此在c i ex y z 颜色空 间要实现线性的虚拟色彩扩展必须采用非线性的色域拉伸算法。这必然会增加扩 展算法的复杂度，因此一般不在c i e 凇进行虚拟色彩扩展。而c i el m , 和 c i e l a b 色彩空间，等色调线相对均匀，可以看作是一个均匀的空间，可以利 用线性的方法实现虚拟色彩扩展，但是这两个颜色空间的色域边界较难描述。传 统的方法一般是建立物理模型，近似获取显示色域的边界。由于物理模型的精度 有限，该方法近似得到的激光电视显示色域边界模型无法满足色彩虚拟扩展的精 度要求。 近些年来，为了获取更好的基于c i el u v 和c i el a b 色彩空间虚拟色彩扩 展效果，设备显示色域边界描述成为众多学者研究的重点。文献【2 0 】提出了一种 基于b 样条的打印机色域边界描述算法。算法插值给定的设备等色调平面边界采样 点亿if = 0 ，l ，。， 。并采用准均匀的三次b 样条曲线构造设备色域等色调平面的边 界线嘲。 山东大学硕士学位论文 1 4 本文的主要内容和论文的组织结构 针对现行标准电视信号显示色域与新型激光显示系统显示色域不匹配的问 题，在前有色域映射研究的基础上，为了充分发挥新型激光显示系统宽色域覆盖 率、高亮度和高饱和度的