（信号与信息处理专业论文）基于fpga的激光平板电视色彩管理芯片设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 近年来，激光电视快速发展。激光电视是以三基色激光为光源，使用电视信 号控制激光，将图像投射到屏幕上。由于激光具有色纯度和光谱亮度高等特点， 激光电视可以展现色域更广的图像，具有极佳的色彩还原能力。但无论是扫描式 激光电视还是投影式激光电视，都很难走入家庭，究其原因，体积太大，成本太 高，不利于产业化。因此，对激光平板电视的呼声越来越高。激光平板电视集中 了激光电视和l c d 、l e d 液晶电视的优点，不仅色域宽广，画面绚丽，而且体积 小，功耗低，成为激光电视未来的发展方向。 在激光电视的带动下，色彩管理算法也有了很大的发展。由于现有的显示设 备比激光电视的色域要小，所以需要将电视信号进行色域转换，同时，色域转换 后的信号如果要在设备上颜色复现，还需要进行色域扩展。在液晶时代，核心技 术如驱动芯片、液晶面板等被外资控制，我们的发展受制于人，但是在激光电视 时代，我们应在核心领域掌握自主知识产权。本论文的研究目的在于将色彩管理 算法嵌入到a s i c 芯片中，设计出适合于激光显示的专用芯片，为激光平板电视的 发展奠定基础。 本论文中，首先简单介绍了激光电视的国内外发展情况和色彩管理芯片的现 状，然后对激光平板电视的工作原理和优势，色彩管理的基本原理以及优化的实 时色域转换算法进行了详细的阐述。在对算法进行分析论证之后，介绍了芯片设 计的一般流程和课题开展的思路。采用流水线的方法，利用v e r i l o gh d l 硬件描述 语言，对色域转换过程中各个模块进行了硬件实现，并通过仿真平台给出各个模 块的仿真波形，利用硬件平台进行了f p g a 实现。在此基础上，积极研究芯片的 后端设计过程，迸一步设计出适合于激光显示的专用芯片。 通过对本课题的研究，为以后针对激光平板电视设计结构更复杂、功能更强 大的专用芯片做出了积极的探索，并对集图像处理和色彩管理于一体的芯片设计 提供了借鉴。 关键词：f p g a ；激光平板电视；色彩管理；芯片设计 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，l a s e rt vh a sr a p i dd e v e l o p m e n t b a s e do nt h r e ep r i m a r yc o l o r l a s e ra sl i g h ts o u r c e ，l a s e rt vc o n t r o l sl a s e ri m a g e sp r o j e c t e do n t ot h es c l nu s i n gt h e t e l e v i s i o ns i g n a l h o w e v e r , s c a n n i n ga n dp r o j e c t i o nl a s e rt va r ct o ob i g ，t o oc o s t l yt o w a l ki n t ot h ef a m i l y , a n dt h e y r en o tc o n d u c i v et oi n d u s t r i a l i z e t h e r e f o r e ，d e m a n df o r l a s e rf l a t - p a n e lt vh a si n c r e a s e d l a s e rf l a t - p a n e lt vc o n c e n l r a ( e st h ea d v a n t a g e so f l a s e rt va n dl c d ，l e dt v , w h i c hi n c l u d e sn o to n l yt h e 、i d cc o l o rg a m u t , b r i l l i a n t s c r e e n , b u ta l s os m a l ls i z e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n l a s e rf l a t - p a n e lt vb e c o m e st h e f u t u r ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n d r i v e nb yt h el a s e rt v , c o l o rm a n a g e m e n ta l g o r i t h m s h a v ea l s og r e a td e v e l o p m e n t o nt h el c de r a , t h ec o r et e c h n o l o g i e sa r ec o n t r o l l e db y f o r e i g n e r s s ow es h o u l dg r a s pt h ei n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t si nt h ec o r ea r e a so nl a s e r t e l e v i s i o ne 肮n j 唧s eo ft h i ss t u d yi se m b e d d i n gc o l o rm a n a g e m e n ta l g o r i t h m si n a s i cc h i p s ，d e s i g n i n gs p e c i a lc h i p sf o rl a s e rd i s p l a y , a n dl a y i n gt h ef o u n d a t i o nf o rt h e d e v e l o p m e n to f l a s e rf l a t - p a n e lt v i nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n to fl a s e rt va th o m ea n da b r o a da n dt h es t a t u so f c o l o rm a n a g e m e n tc h i p d e s i g na 化b r i e f l yi n t r o d u c e d t h e nf l a t - p a n e lt v 。sp r i n c i p l ea n d a d v a n t a g e s ，t h eb a s i cp r i n c i p l e so fc o l o rm a n a g e m e n t , a sw e l la so p t i m i z a t i o no f r e a l - t i m ec o l o rm a p p i n ga l g o r i t h m sa g ed e s c r i b e di nd e t a i l t h ep a p e rf o c u s e so nt h e h a l d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fe a c hm o d u l ei nc o l o rs p a c em a p p i n gp r o c e s s 、析t ht h e p i p e l i n e da p p r o a c ha n dv e r i l o gh d l a n dt h es i m u l a t i o n w a v e f o r ma n df p g a i m p l e m e n t a t i o na 陀g i v e nb ys i m u l a t i o na n dh a r d w a r ep l a t f o r m o nt h i sb a s i s ，t h ep a p e r a c t i v e l ys t u d i e sb a c k - e n dc h i pd e s i g np r o c e s s ，f u r t h e rd e s i g n e ss u i t a b l es p e c i a lc h i p sf o r l a s e rd i s p l a y t h es t u d yo ft h i si s s u eh a sm a d eap o s i t i v ee x p l o r a t i o na b o u tm o r ec o m p l e x s t r u c t u r ea n dp o w e r f u la s i cf o rl a s e rf l a t - p a n e lt vi nt h ef u t u r e ，a n dp r o v i d e da r e f e r e n c et oi cd e s i g nw h i c hc o n t a i n si m a g ep r o c e s s i n ga n dc o l o rm a n a g e m e n ti no n e c h i p k e ，w o r d s ：f p g a ；l a i rf l a t - p a n e l c o l o rm a n a g e m e n t , i cd e s i g n 2 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 信息显示技术广泛应用于人们的日常生活和工作中。经过几十年科学技术和 显示材料的发展，显示技术取得了长足的进步。如果把2 0 世纪初阴极摄像( c l 玎) 的出现叫做第一次显示器革命，那么在工业文明中促进信息化社会发展的平板显 示( f p d ) 的出现应叫做第二次显示器革命，从现在开始为多媒体时代开发的下一 代平板显示器就是第三次显示器革命【1 1 。 平板显示技术是新世纪的主流显示技术。到目前为止，壁挂式平板电视机已 经走进了千家万户。平板显示器件主要包括液晶显示器( l c d ) 、等离子体显示器 ( p d p ) 、场致发光显示器( f e d ) 、真空荧光显示器( v f d ) 和发光二极管显示器 ( l e d ) 等。平板显示主要用于壁挂式电视和户外大屏幕等。显然的，各种平板 显示技术有自己独特的优势，但是也有不足之处【2 】。 伴随着激光技术的发展，激光显示技术在2 0 世纪9 0 年代开始兴起。激光显 示是利用红、绿、蓝三种波长的连续激光作为光源，通过输入信号控制三基色激 光，在屏幕上形成图像。激光显示将重点放在了颜色更丰富，图像色彩更逼真等 方面，它以激光为光源，充分利用了激光光谱亮度和色纯度高等特点，使显示出 来的图像在色域空间表现的范围更大，具有最佳的色彩还原能力。在众多的显示 技术中，激光显示是最具发展前景和发展潜力的。 与传统电视技术相比，以激光显示为基础的激光电视具有色域宽、色纯度高、 对比度高、功耗低和可靠性强等优势，逐步成为电视技术的发展方向。目前激光 电视在实现方式上主要分为两类，一类是扫描式激光显示系统，一类是投影式激 光显示系统。扫描式激光显示系统通过对r g b 三色激光分别调制，将图像的数字 信号转化为激光信号，利用图像扫描引擎实现激光的行、场直接扫描成像。优点 是图像色彩还原性更好、分辨率更高、尺寸灵活和失真度小等，但缺点是对光学 器件制作的精度要求较高，制作难度大和产品成本高等，不利于产业化。投影式 激光显示系统利用投影的方式形成图像，没有行、场方向的扫描系统，制作相对 3 山东大学硕士学位论文 容易，成本也较低，也能实现较好的色彩还原，但所显示的图像分辨率会受芯片 分辨率的限制，同时图像的尺寸大小会受到透镜的一些限制。虽然以上两种方式 各有优缺点，但相对于平板显示，体积都太大，难以走入家庭，无法成为家庭用 户这一最大消费群体的消费对象。本课题所属项目希望在扫描式和投影式激光显 示系统的基础上开发出激光平板电视，既具有激光电视的独特优势，同时又体积 小，节能环保，成为家庭用户的首选。 平板显示时代的惨痛代价历历在目。平板显示时代，整个产业链上游牢牢被 外资控制，液晶面板、驱动芯片等核心部件和技术只能依靠进口，然后在国内完 成组装。外资通过这种方式剥削了我们的劳工，浪费了我们的资源，破坏了我们 的环境，最后却赚取了我国平板显示产品7 0 以上的利润。为了在下一代显示系 统中占有一席之地，我国政府在自主创新方面加大投入，在激光光源、照明模组、 图像引擎、激光显示整机设计、系统集成等关键技术方面取得了重大突破，拥有 了自主知识产权，为激光显示产业化的实现奠定了良好的基础。 目前，我国科研人员对应用于平板显示系统驱动芯片的研发已日臻完善，并 且有了成功流片和成功使用的案例，但还没有针对激光平板电视设计相应的处理 芯片。由于现有的显示设备只支持现有的显示系统中颜色转换，不支持激光显示 的颜色转换【3 】，激光平板电视的处理芯片，不仅要完成一般视频处理芯片的基本功 能，还要完成色域转换的功能。因此，一方面是为了进一步研究激光平板电视， 另一方面也是为了深入研究芯片设计过程，有必要对激光平板电视的色彩管理芯 片做深入的研究。 1 2 激光电视的国内外研究现状 激光电视利用红、绿、蓝三种波长的连续激光作为光源，通过输入的电视信 号控制三基色激光，将图像投射到屏幕上，形成图像。1 9 6 5 年，在美国t e x a s 仪 器公司，全球第一台激光电视研制成功川。接下来的十多年里，在激光电视各个方 面，科研机构做了许多有意义并且深入的研究，但在激光电视的商品化上，却没有 任何重大进展。影响激光电视商品化的主要因素有两个：一是在技术上，用于形成 图像的扫描装置实现难度很大，不容易进行批量生产；二是为激光电视提供光源的 山东大学硕士学位论文 激光器发光效率太低、功耗太大，难以实用化【5 1 。激光全色显示技术在2 0 世纪8 0 年代末进入我国8 6 3 计划。在政策的支持下，激光显示技术有了很大的发展。 2 0 世纪9 0 年代，是激光电视技术兴起及初步发展的阶段。1 9 9 7 年，德国l d t 公司展出其自行研制的激光电视，该激光电视画面对角线长2 米，长宽比为1 6 ：9 ， 视角宽度为4 8 。1 9 9 8 年，美国宣布以亚利桑那大学为龙头，在亚利桑那州图森 市建立“光谷 。到2 0 世纪末，已经有商品化的激光电视出现，但此时的激光电 视体积大、功耗大、成本高，距离普及还有很长一段路要走。 进入2 l 世纪，微电子技术和材料技术的进步，三基色光源固体化以及多媒体 显示的市场需求，促使激光电视蓬勃发展。 2 0 0 0 年，一种用特殊光纤作导体的微型半导体激光器由德国的研究人员研制 出来，利用它可以制成高清晰度袖珍激光彩色电视机1 6 1 。2 0 0 1 年，韩国政府投入 资金7 3 亿美元，在光州建立了一个激光工程研究所，为全球七大激光研究所之一。 2 0 0 2 年，韩国s a m s u n g 公司便推出了8 0 英寸高亮度具有v g a 分辨率的激光电 视样机，获得了良好的显示效果；日本s o n y 公司研制出激光电视演示样机；同 年，我国也开始启动“全固态大面积全色显示关键技术研究 攻关项目。 在显示方式上，德国l d t 公司和韩国s a m s u n g 公司采用“点扫描式 ，日 本索尼公司采用“线扫描式刀，以上技术均存在着一些技术瓶颈，如光扫描、光调 制及其精确同步等。在激光显示技术的比赛场上，国外的公司一度领先 7 1 。 我国的科研人员也不甘落后。2 0 0 4 年，天津市科委组织成果鉴定，通过了“全 固态激光彩色显示系统的关键技术研究 项目，在连续及准连续的瓦级全固态激 光振镜扫描激光显示方面，该项目成果处于国内领先水平【暑l 。在该项目研究过程 中，利用全固态三基色激光光源代替了气体激光器，不仅实现了图形、文字以及 动画的扫描显示功能，而且全部元器件均可实现国产化。同年，“全固态红、绿、 蓝三基色激光器和晶体材料研究”项目通过了国家验收1 9 】。全固态激光器具有体积 小、效率高、寿命长的特点，逐渐成为主流的激光电视光源。科研人员在研究成 果的基础上研制出了我国第一套全固态红、绿、蓝三基色激光器，实现了白光配 比，并在国内首次成功进行了全固态激光全色显示原理性实验，还在原理性实验 之后完成了6 0 英寸激光家庭影院原理性演示，获得的d v d 动态图像色彩艳丽。 同样是在2 0 0 4 年，利用“面阵空间光调制器与多点扫描相结合竹的创新技术， 5 山东大学硕士学位论文 我国研制出独具特色、具有自主知识产权的6 0 英寸“投影式 激光全彩色视频显 示原理样机【l o l 。该样机采用小区域扫描投影成像方法，并采用成熟的面阵空间光 电寻址调制技术，能同时实现像素选通和光强调制，克服了单像素逐点扫描的种 种弊端，具有光场均匀、无干涉噪音、光能利用率高等特点。 2 0 0 5 年，我国连续开发出6 0 英寸、8 4 英寸、1 4 0 英寸3 台样机。2 0 0 6 年， 又推出了2 0 0 英寸样机。然而这些样机造价昂贵，即使批量生产，其价格也使普 通消费者难以接受。 2 0 0 6 年，日本m i t s u b i s h i 公司推出了4 0 英寸激光电视机。在国内，“全固 态激光全色显示系统 通过了由中国科学院和信息产业部联合主持的成果鉴定。 2 0 0 7 年，在国际消费电子产品展上，日本s o n y 公司的5 5 英寸激光电视机正式 亮相。2 0 0 8 年，同样是在国际消费电子产品展上，日本m i t s u b i s h i 公司推出了 他们的激光电视- i a s e r l v 。在北京奥运会、残奥会期间，有一台超大屏幕激光 显示样机安装在奥运大厦指挥调度中心，引起了人们的广泛关注，受到奥组委的 好评。这台样机为1 5 0 英寸，每天连续工作1 8 个小时，画面清晰、色彩饱满，使 工作人员体会到了全新的视觉享受。2 0 1 0 年，日本m i t s u b i s h i 公司又在其年度 研发披露会上，公布了激光背光液晶电视的新技术开发情况，在光源方面组合了 红色激光和l e d 光源，目标在2 0 11 年度实现产品化。 1 3 色彩管理芯片的现状 色彩管理是激光平板电视关键技术之一，主要任务是将c r t 色域的信号转换 到激光色域，并经过色彩虚拟扩展之后，使复现的信号能呈现出更大的色域，而 不降低色彩的饱和度。目前的信号都是针对c r t 荧光粉色域产生的，激光平板电 视使用目前的信号作为输入信号，只能达到荧光粉的色域范围，无法发挥其色域 广、色纯度高的特点，因此要进行色域转换，将基于荧光粉色域的信号转换为基 于激光色域的信号。在进行颜色复现时，利用常用的颜色复现技术，仅仅能复现 荧光粉色域内的颜色，激光色域超出荧光粉色域的部分颜色无法复现。因此，在 保证色调不变的基础上，需要对颜色进行虚拟扩展，以充分发挥激光平板电视色 域广、饱和度高的优势。 6 山东大学硕士学位论文 目前，在激光电视中实现色彩管理大多数是利用f p g a 。f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 即现场可编程门阵列，是在p a l 、g a l 和e p l d 等可编 程器件的基础上发展起来的。f p g a 芯片主要由7 部分组成，即可编程输入输出单 元( i o b ) 、基本可编程逻辑单元( c l b ) 、完整的时钟管理( d c m ) 、嵌入式块r a m 、 丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。f p g a 的工作状态是 由片内r a m 中的程序确定的，所以工作时需要对片内r a m 进行编程。在形成最 终产品时，一般将程序固化在外部r o m 中。加电时，f p g a 首先将r o m 中的数 据读入其片内r a m ，进行初始化配置，配置完成后再进入工作状态：掉电时，f p g a 内部逻辑消失，恢复为白片，这样，f p g a 能够反复使用。 利用f p g a 实现色彩管理的优势在于：f p g a 内部有丰富的触发器和l o 引脚 等资源，可以在色彩管理技术中被充分利用，并且f p g a 兼容c m o s 、t t l 电平， 功耗比较低，有助于降低激光电视的总体功耗。在设计方面，f p g a 开发周期短， 风险比较小，即使一次开发不成功，仍能修改程序继续开发。 但是，芯片发展的方向是高度集成化。在一个系统级设计中，需要将各种功 能集中起来，在一块芯片中进行实现。如果集成度不高，不同的功能采用各种各 样不同的芯片实现，既降低了系统的可靠性，又提高了系统的成本。所以，在激 光平板电视中，色彩管理和图像处理等功能最终要在一块a s i c 芯片中实现，也就 是说色彩管理最终会走向a s i c 设计。a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 即专用集成电路，是为某一专门目的设计的集成电路。其特点是面向特定用户的 需求，与通用集成电路相比，具有体积更小、功耗更低、可靠性更高、保密性更 强、成本更低等特点l l 。 a s i c 设计分为全定制和半定制。全定制设计需要设计完成所有设计，灵活性 虽然好但是开发周期长，开发效率低。半定制设计使用标准单元库中的标准逻辑 单元，如门电路、加法器等，还可以使用宏模块和m 核，这些可使用的设计一般 由大型的芯片制造商提供，比较可靠，设计者可以在此基础上方便的完成芯片的 系统设计。 在色彩管理芯片的a s i c 设计中，还可以利用f p g a 来验证a s i c 芯片设计的 正确性。在芯片正式投片之前，可以先在f p g a 外围加上各种验证电路，对芯片 的功能和性能进行验证，这样可以大大提高芯片首次流片的成功率，节省了芯片 7 山东大学硕士学位论文 开发的费用。 1 4 论文的主要内容和章节安排 本论文主要是以激光平板电视中色域转换为研究对象，深入研究色域转换基 本的算法流程，并通过v e r i l o gh d l 硬件描述语言实现了色域转换系统中的各个模 块，同时，改进流水线的整体结构并优化了关键模块的算法，然后应用各个模块 在验证平台上验证了色域转换过程，最后对色彩管理芯片进行了物理实现。 第一章绪论。简单介绍了课题的背景和意义，激光电视的国内外研究现状， 色彩管理芯片的基本情况，以及本论文的主要内容和章节安排。 第二章激光平板电视关键技术。主要介绍了激光平板电视的工作原理和所具 有的优势，详细介绍了色彩管理的基本原理以及优化的实时色域转换算法。 第三章色彩管理芯片的系统设计。详细介绍了芯片设计的一般流程及课题展 开的思路，色彩管理芯片的设计思想和系统架构，并对其内部各个模块的具体实 现进行详细的阐述。 第四章仿真与验证。给出芯片中各个模块的仿真波形和仿真结果，并在此基 础上，在f p g a 硬件平台上进行了硬件验证。 第五章芯片的物理实现。在前端设计的基础上，深入研究芯片设计的后端过 程。详细介绍了芯片设计中逻辑综合、版图设计过程中的关键技术。 第六章总结和展望。对本论文的主要工作做出了总结，并提出了未来工作的 展望。 8 山东大学硕士学位论文 第二章激光平板电视的关键技术 2 1 激光平板电视的工作原理 三基色原理为彩色电视技术奠定了基础，电视显示可以利用人眼空间分辨有 限的缺陷进行空间混色，也可以利用人眼的视觉惰性实施时间混色，还可以同时 利用人眼的视觉惰性和空间分辨缺陷进行时空混色。 利用这一点，激光平板电视使用红、绿、蓝三种激光作为光源，电视信号经 过解码之后，进入图像处理系统，在经过基本的处理之后进入色彩管理系统，得 到适合于激光显示的r g b 信号，然后对激光光源进行调制，在背光模组上进行显 示控制，最终形成图像。 图2 - 1 激光平板电视原理框图 如图2 - l 所示，激光平板电视主要由信号接口、图像处理系统、色彩管理系统、 激光光源和显示模组等5 部分组成。信号接口部分负责将电视信号进行解码，形 成标准的r g b 信号。图像处理系统负责对图像进行基本的处理，例如实现放大、 缩小以及画中画等功能。色彩管理系统进行色域转换和色彩虚拟扩展，对信号进 行处理，使r g b 信号能满足激光显示的要求。最终，利用转换后的r g b 信号对 激光光源进行调制，对显示模组进行显示控制，在显示模组上形成图像。 9 山东大学硕士学位论文 2 2 激光平板电视的优势 与传统的电视相比，激光平板电视有着明显的优势。 ( 1 ) 色纯度高 由于激光平板电视采用的光源为单一颜色的激光光源，单色性好，色纯度极 高。如图所示，激光光源的光谱均为线光谱，而荧光粉的均为柱状光谱。较高的 色纯度可以获得更高的颜色饱和度。 图2 - 2 激光和荧光粉三基色光谱图 ( 2 ) 对比度高 显示器在显示一幅图像的时候，如果要使图像十分逼真，则必须保证重现图 像的对比度。只有这样，背景亮度较小，和背景亮度对比较大的图像才能被分辨 出来。激光平板电视的光源亮度很高，对比度甚至可高达1 5 0 ，0 0 0 ：1 。 ( 3 ) 色域广 l o 图2 3 不同显示器的显示色域 如图所示，图中的舌形区域包含了自然界中的所有颜色，图中的三角形为不 山东大学硕士学位论文 同显示器件所能表现出来的色域范围。三角形面积越大，所能展现出来的颜色种 类数就越多，还原自然界真实颜色的能力就越强。从图中可以看出，激光平板电 视的色域更广，约为n t s c 显示色域的1 8 倍。 ( 4 ) 可靠性强、功耗低 与同尺寸的l c d 、l e d 液晶电视相比，激光平板电视的可靠性更强，能够正 常使用的时间可达l o 万小时。同时，随着固体激光器发光效率的提升，其功耗在 不断降低，激光平板电视的整机功耗也在不断降低。 ( 5 ) 易实现大尺寸屏幕、体积合适 相对于激光扫描电视和激光投影电视，激光平板电视既不受光学器件的精度 约束，又不受透镜的影响，更容易实现大尺寸屏幕。在体积上，可以做到和目前 的l c d 、l e d 液晶电视相当，便于进行产业化，进入到千家万户。 2 3 色彩管理的基本原理 2 3 1 常用的颜色空间 2 3 1 1c i e l 9 3 1 r g b 色彩空间 ( 1 ) 三原色的单位量【1 2 】 综合了莱特和吉尔德颜色匹配实验的结果，国际照明委员会( c 正) 将红、绿、 蓝三原色的波长分别规定为7 0 0 r i m 、5 4 6 i n m 、4 3 5 8 n m 。选7 0 0 r i m 、5 4 6 i n m 和 4 3 5 8 n m 三单色光为三原色是因为7 0 0 n m 是可见光谱的红色末端，5 4 6 i n m 和 4 3 5 8 n m 为明显的汞谱线，三者都能比较精确地产生出来。经实验和计算确定，匹 配出等能白光的三原色光的相对亮度比例为1 0 0 0 0 ：4 5 9 0 7 ：0 0 6 0 1 。 ( 2 ) 色度坐标 在颜色匹配实验中，引入色度坐标r 、g 、b ，表示r 、g 、b 三原色分别在 r “h b 总量中的相对比例。 ，= r ( r + g + b ) g = g ( 足+ g + 曰) ( 2 1 ) 6 = b ( r + g + b ) 由上式可知什g + b i = l 。 山东大学硕士学位论文 只要给出r 和g 的值，就可以唯一的确定一种颜色。这样就可以将所有的 颜色表示在1 9 3 1 c i e r g b 系统色度图中，如图2 _ 4 所示。1 9 3 1 c i e r g b 系统色 度图的轮廓表达出了颜色色域的范围，但不反映颜色亮度变化。 飞 l 、 曩色 膏，t e ei t m f ：射1 a m 塾致、。& 1 41 o钆一钆zi飞2 、磐弋二。7 图2 - 4c i er g 色度图 2 3 1 2c i e l 9 3 1 x y z 色彩空间 在使用1 9 3 1 c i e r g b 系统进行颜色测量、标定和色度学计算时，会出现分量 为负值，这样既不便于理解也不利于计算。因此，1 9 3 1 年c i e 引入假想三原色的 概念，建立起c i e l 9 3 1 x y z 系统【1 3 】。 在r g b 系统的基础上，利用相关的数学方法，选用三个理想的原色来代替 实际的三原色，将c i e r g b 系统中的光谱三刺激值和色度坐标，- 、g 、b 都变为 正值。 选择三个理想的原色( - - 刺激值) x 、y 、z ，分别代表红原色、绿原色和 蓝原色，这三个原色在实际中并不存在，是虚构的假想色。它们在图2 - 4 中的色 度坐标分别为： 1 2 表2 - l 色度坐标值 r g b x1 2 7 5 0 - 0 2 7 7 8 0 0 0 2 8 v- 1 7 3 9 22 7 6 7 1- 0 0 2 7 9 j x = 0 4 9 0 r + 0 3 1 0 g + 0 2 0 0 b y = 0 1 7 7 r + 0 8 1 2 g + 0 0 1 1 b ( 2 - 2 ) l z = 0 0 1 0 g + 0 9 9 0 b f x = ( o 4 9 0 厂+ o 3 1 0 9 + 0 2 0 0 b ) ( 0 6 6 7 ，+ 1 1 3 2 9 + 1 2 0 0 b ) y = ( o 1 1 7 ，+ o 8 1 2 9 + 0 0 1 0 b ) ( 0 6 6 7 ，+ 1 1 3 2 9 + 1 2 0 0 b ) ( 2 3 ) 【z = ( o 0 0 0 r + 0 0 10 9 + 0 9 9 0 b ) ( 0 6 6 7 r + 1 13 2 9 + 1 2 0 0 b ) 夺 一r 、 。 c i ef ， 色盈, i l l ；o 的口 弋 世o f - 露 o ：。 啊 c l 蜘i 八 l 盯，叩 取 山 图2 - 5 c i e x y 色度图 根据以上公式，只要知道某一颜色的色度坐标r 、g 、b ，即可以求出它们在 新设想的三原色x y z 颜色空间的的色度坐标x 、y 、z 。经过式( 2 3 ) 的变换， 对光谱色或一切自然界的色彩而言，变换后的色度坐标均为正值。同时为了使 用方便，图2 _ 4 中的x y z 三角形，经转换变为直角三角形( 图2 5 ) ，其色度坐 标为x 、y 。由图看出该光谱轨迹曲线落在第一象限之内，所以肯定为正值，这 就是目前国际通用的c i e l 9 3 1 x y 色度图【1 4 】。 山东大学硕士学位论文 2 3 1 3c i e l9 7 6 l a b 色彩空间 1 9 7 6 年c i e 又推荐了一个均匀颜色空间，即c i e l 9 7 6 一l a b 颜色空间。 c i e l 9 7 6 l a b ( 或ra b ) 系统，现在已成为世界各国正式采纳、作为国际通用的 测色标斛1 5 1 ，适用于一切光源色或物体色的表示与计算。 c i e l 9 7 6ra b 。空间由c i e l 9 3 1 - x y z 系统通过数学方法转换得到，转换公 式为： = l1 6 ( y y o ) ! 3 - 1 6 口= 5 0 0 ( x x o ) 怕一( r t o ) 怕 ( 2 - 4 ) 6 2 0 0 ( r r o ) 帕一( z z o ) 帕 其中x 、y 、z 是物体的三刺激值；五、虼、z o 为c i e 标准照明体的三刺 激值；r 表示心理明度：a 、b 为心理色度。 从上式转换中可以看出：由x 、】，、z 变换为r 、a 、b 时包含有立方根的 函数变换，经过这种非线形变换后，无法保持原来的马蹄形光谱轨迹。 图2 - 6l a b 色彩空间 转换后的空间用笛卡儿直角坐标体系来表示，如图2 - - 6 所示【阍，形成了对立 色坐标表述的心理颜色空间。l a b 色彩空间的坐标为l a b ，其中l 代表亮度；a 的正 数代表红色，负数代表绿色；b 的正数代表黄色，负数代表蓝色。 1 4 山东大学硕士学位论文 2 3 2 色域转换 2 3 2 1r g b - x y z 空间转换公式 x ：竺芝垒二鱼生r + 三生二生垒g + r y g , - r ：g yb( 2 5 ) y ：墨生= 墨堡r + r a - ,+ 三二二墨曰 ( 2 6 ) z ：墨笠二塾r + r p = - r , b , g + 量垒二垒墨b ( 2 7 ) 其中，a k ( 毋吃一) + 0 ( 屯一& 吃) + ( 0 一g y 以) ( 2 8 ) 【rgb y f f 别为( r ) ( g ) ( b ) 三原色在c i e - r g b 系统中的色度坐标，r g b q 、c y 、c ：分别为( r ) ( g ) ( b ) 三原色在c i e r g b 系统中的三刺激值之和， 即e = 墨+ q + 色、c y = 墨+ q + b 、e = 恐+ q + 吃 只要知道一种颜色( 如参考白) 在r g b 系统和x y z 系统中的三刺激值p o ， g o ，b o ，x o ，, t o ，z o 。并且由式( 2 8 ) 得到a ，代入式( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ，可 解出c 、c y 、c ：，则可得c i e l 9 3 1 - x y z 系统和c i e l 9 3 1 r g b 系统的转换公式。 刚鲁圈 沿9 ， r = l 1 6 f ( r y ) - 1 6 ( 2 1 0 ) a = 5 0 0 b f ( x 以) - f ( r l r ) 1 ( 2 1 1 ) b = 2 0 0 f ( y i y ) - f ( z iz ) 】 ( 2 1 2 ) 如果x 胁黑) 3 ，舅i t j f ( x 倒= ( x l z ) 们： 如果x i 石墨( 最) 3 ，旦l l j f ( x = ( 8 4 1 1 0 8 ) ( x + 1 6 1 1 6 ； 1 5 山东大学硕士学位论文 如果y y 一 ，k , 1 2 1 4 、一6 ) ，则厂( 】，k ) = ( 】，k ) 3 ； 如果】，k 一 降) 3 贝l j f ( z 班( z 乙) 1 ，3 ； 如果z z l ( 羔) 3 ，贝l j f ( z l 乙) = ( 8 4 1 1 0 8 ) ( z z 1 ) + 1 6 1 1 6 。 其中，x ，y ，z 为颜色样品的三刺激值，弧k 乙为指定的白色刺激的三 刺激值，大多数情况下为c i e 标准照明体照射在完全漫反射体上，再经过完全 漫反射面反射至观察者眼中的白色刺激的三刺激值，其中= 1 0 0 。 c i e1 9 7 6 l 广a * b 颜色空间中求两个颜色的色差公式为： e 皿( r 口一b ) = 【( 缸) 2 + ( 血) 2 + ( 曲) 2 】l ，2 ( 2 1 3 ) 址k ( r 口一b ) 是两个颜色的色差，a l ，a a ，6 是两个颜色相应量的差。 2 3 2 3 色域转换的过程 整个色域转换过程如图2 7 所示【1 7 1 ，首先，利用r g b - x y z 空间转换公式，将 n t s c 制式下c r t 色域的 1 b 】信号转换为c i e - x y z 空间中的一点嗍，然后 再将f x v z 转换为激光色域的信号限g b q 。在这一转换过程中有浮点运算，得到 的限g b 】可能存在小数，因此需将【r i g t b 】进行整数化处理。处理的方法为以 【r t g b 】为基点，沿r 、g - 、b 的正负方向进行取整，这样就得到了对应的8 个整 数【如g n b n 】的值。这8 个值中，肯定有一个和原c r t 色域的r g b 色彩最相近， 故利用x y z - l a b 空间转换公式，将他们全部转换到l a b 空间，进行色差运算，找 到色差最小那个点，然后以其对应于瞰g n b n 】中的值为映射值。 1 6 山东大学硕士学位论文 2 3 3 色彩虚拟扩展 2 3 3 1 色彩虚拟扩展分析 图2 - 7 色域转换算法流程图 在进行完色域转换之后，如果使用原来的c r t 显示系统来复现激光平板电视 的显示时，激光平板电视的色域被明显压缩，这是由于现有显示设备的色域三角 形内并不能包含激光色域的所有颜色。当色域转换后复现的颜色超出其色域三角 形时，一般的处理方法是将此颜色限制在色域三角形的边缘，但这样就降低了颜 色的饱和度。为了发挥激光显示色域广、颜色饱和度高的特性，又要保证复现颜 色的主色调不出现偏差，因此对颜色进行虚拟扩展。 2 3 3 2 色彩虚拟扩展的过程 对输入的r g b 信号，转换到c i e x y z 空间，得到坐标值 x y z 】，和色域转换 的方法类似，实现荧光粉色域到激光色域的转换，得到转换后的信号【r g b 】。再 由c i e x y z 空间的坐标求解出虚拟扩展的系数c ，然后利用虚拟扩展系数c ，对 【r g b 】进行处理，最终得到虚拟扩展后的信号【r 1 g ”b ”i t 墙】。 1 7 山东大学硕士学位论文 图2 8 色彩虚拟扩展流程图 2 4 改进的实时色域转换算法 对色域转换的实时硬件实现，主要有下面两种方法。 第一，我们可以考虑在硬件中分别实现色彩空间转换功能和色域转换功能。 r g b 、y c b c r 、y i q 、j v 等颜色空间转换需要3 * 3 矩阵操作，这些操作在硬件 中很好实现。但是r g b 到l a b 空间转换需要一个高度非线性的转换函数，这是 在硬件中很难实现的。而且随着技术的进步，色域转换算法可能会不断发展，不 断得到更新和改善，以解决目前存在的问题和缺点。在这种情况下，这种固化硬 件的解决方案就不合适了。 第二，如图2 - 9 所示，我们可以考虑一个三维的查找表，这个表将颜色空间 转换规则和色域转换规则合并成一个映射规则，并且对红绿蓝的输入和输出的映 射规则进行定义。因此，在设计初始化阶段，映射功能被加载到这个三维查找表 中。在设计正常工作阶段，它可以根据输入的r g b 数据产生转换后的r g b 数据。 1 8 r o d i n p u t g m n i n p u t b 沁 i n p u t 图2 - 9 三维查找表整体框图 r e d o u t p u t g _ n o u t p u t b o u t p u t 山东大学硕士学位论文 在这种情况下，色域映射多以软件的方式被加载，能够调整结构来适应色域 转换规则的更新和改善。但是这种方法一个最大的缺点就是需要一块 2 5 6 奎2 5 6 2 5 6 * 3 b y t e s = 5 0 3 3 1 6 4 8 b y t e s 的存储空间，如此大的存储空间在实时硬件和 a s i c 中无法实现。 为此，d o n g i lh a n 提出一种新的映射结构【1 9 1 ，其将r g b 均匀空间沿红绿蓝方 向分别分成8 个间隔，整体上将r g b 空间分成5 1 2 个小立方体，选取了9 * 9 * 9 个 采样点，输入r g b 的高3 位用来选中相应位置的小立方体，用小立方体的顶点来 产生8 个映射值，然后再利用8 个映射值和输入r g b 的低5 位来为每一个r g b 内插出新的映射值r g b 。 其查找表结构如图2 1 0 所示。这种结构所需要的空间由用于直接映射的位数 决定，同时位数也控制着色域映射的精度。表2 2 表明每一信号都是8 位的，选择 不同的n ，所需要的存储空间的不同。当n 值取1 或者2 ，需要的硬件虽然很少， 但是色域转换精度太低。当n 值大于5 ，精度虽然提高了，但所需的存储空间太大， 很难在硬件中实现。d o n o lh a r t 通过实验证明，当n = 3 时转换精度是合适的，并 且需要的存储空间只有2 1 9 k b y t e s ，因此在其论文中使用n = 3 。 8 x 3 缸j 。 h ：w ， r j ：嘲 i k 3 ， 一 3 - o j 0 x 3 ，一 3 - o ：? 乒 _ 、3 i 1 y r k k 3 ，i n t e r p o l a t o r ：0 1 o k t t ：习 一 f 西娜l h 3 ，。 ，l - 1哆 啊 8 x 3 ，。 - ， 、 b 一：习 n 8 x 3 ， 町 萨 a _ o h 3 一一 5 、， ”：e l b “ ， 7 5 、 g - p ：田， 7 ，! b - h ：e l 图2 1 0 三维查找表结构图 表2 2 不同n 值对应的存储空间表 1 9 山东大学硕士学位论文 1 8 1 b y t e s 2 3 7 5 b y t e s 3 2 1 9 k b y t e s 4 1 4 7 k b y t e s 510 8 k b y t e s 6 8 2 4 k b y t e s 7 6 4 4 m b y t e s 8 5 0 3 m b y t e s 随着技术的进步，目前在芯片内部的存储器可以做的足够大，为了提高色域 转换精度，在转换精度和内部存储器大小上找到一个新的平衡点，我们对d o n g i l h a n 提出的结构进行优化。将r g b 均匀空间沿红绿蓝方向分别分成1 6 个间隔， 整体上将r g b 空间分成4 0 9 6 个小立方体，选取1 7 1 7 1 7 个采样点，输入r g b 的高4 位用来选中相