（光学工程专业论文）全彩led大屏幕的彩色重现与图象处理.pdf

摘要 全彩l e d 大屏幕可以用来显现电视画面。由于目前没有专门用于l e d 大屏幕的图象源及其标准，所以都是将送给c r t 显像管的图象源信号送到l e d 屏进行显示。但由于l e d 的颜色特性与荧光粉的不同，它们所采用的显像三 基色存在着较大的差异，而且l e d 的发光特性也与c r t 的大不相同，因此如 果简单的把送给c r t 的信号送到l e d 屏进行显示，就会引起严重的彩色失真 和灰度畸变。针对这种情况，本文给出了全彩l e d 大屏幕系统的色度计算公 式，为准确控制l e d 的发光亮度提供了理论依据，并研究了如何对l e d 的视 频信号进行校正。最后，为了使全彩l e d 大屏幕复现的画面更加生动完美 文章还对彩色图象自适应增强的方法作了初步的探讨。 关键词：全彩l e d 大屏幕、三基色、色度计算、视频信号校正、自适应增强 a b s t r a c t l e df u l lc o l o rs c r e e nc a bb eu s e dt os h o wt v p r o g r a m s a tp r e s e n tt h e r e i sn os o u r c eo f i m a g e sa n d s t a n d a r du s e ds p e c i a l l yf o rt h el e df u l lc o l o rs c r e e n ， s ot h es i g n a ls h o w nb yl e dc o l o rs c r e e ni sw h a ti ss e n tt oc r t b e c a u s et h e s y s t e mo ft h r e ep r i m a r yc o l o r s u s e d b yl e dc o l o rs c r e e n a n dt h el e d s l u m i n e s c e n c ec h a r a c t e ra r en o tt h es a m ea st h o s eo fc r t s ，t h e r ee x i s t sg r e a t c o l o rd i s t o r t i o na n dg r e yd e f o r m i t yw h e nw ed i r e c t l ys e n dt h es i g n a lw h i c hi s u s e dt od r i v ec r tt ol e dc o l o rs c r e e n i nv i e wo ft h es i t u a t i o n ，t h ef o r m u l a so f c h r o m ec a l c u l a t i o na r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r , w h i c h p r o v i d e st h et h e o r e t i c a l b a s i ss oa st oc o n t r o lt h eb r i g h t u e s so fl e d p r e c i s e l ya n d s t u d i e sh o wt oc o r r e c t t h ev i d e os i g n a lf o rl e dc o l o rs c r e e n f i n a l l y , i no r d e rt om a k et h ei m a g e s s h o w nb yl e dc o l o rs c r e e nm o r ev i v i da n dp e r f e c t ，t h ew a yo fa d a p t i v e e n h a n c e m e n to fc o l o ri m a g e si sa l s os t u d i e df u n d a m e n t a l l yi nt h i sp a p e n k e yw o r d s ：l e df u l lc o l o rs c r e e n ，t h r e ep r i m a r yc o l o r s , c h r o m ec a l c u l a t i o n ， v i d e os i g n a lc o r r e c t i o n ，a d a p t i v ee n h a n c e m e n t 硕士学位论文序言 1 序言 1 1 本文研究课题背景 电子显示技术是一种运用电子学手段将各种信息以文字、符号、图形、图 象的形式付诸于人的视觉的技术。随着科学技术、经济、军事、社会与人们生 活的发展，信息的种类与数量不断增加。人的信息近2 3 是通过眼睛获得的， 而显示技术正是为人们提供各种各样信息的一个窗口，因此有着极其广阔的发 展天地。 电子显示技术发展很快，从第一只阴极射线示波管发明至今已有百年的历 史。这其间仅电子显示器件就出现了上百个品种，而且原理上完全不同于阴极 射线管( c a t h o d er a yt u b e 简称c r t ) 的新型显示器件也相继出现，许多都 已实用化。显示技术的广泛应用又促进了它自身的发展，特别是半导体集成电 路技术、计算机技术、材料科学与显示技术的发展相互促进，并且都取得了长 足的进步。 电子显示技术发展到今天，为满足更新、更广的应用需要正在向平板化和 大型化等几个方面谋求发展。传统的c r t 虽然光电特性优良，但它们是显示 器中体积晟大的器件，它的功耗大、电压高、体积大而笨重，随着半导体集成 电路的发展，能与集成电路匹配的平板显示器件不断出现，这些显示器件虽然 在光电性能等方面一时还难与c r t 匹敌，但它们发展十分迅速，在实现显示 器平板化方面对人们有很大的吸引力。此外，目前的室内直视式显示器屏幕尺 寸一般不超过5 0 英寸，而对于军事指挥、航天、会议、娱乐等室内室外显示 则要求有大屏幕显示。 所谓大屏幕显示，一般是指显示屏幕尺寸大于l m2 以上的显示技术。大 屏幕显示的重要标志是能显示大面积的图象和信息。使用大屏幕显示技术来显 示的各种信息可供集体人群观看，画面大，亲临现场感强，娱乐价值大。 为获得室外满意的彩色显示，对作为大屏幕的发光单元的显示器件提出 了以下几个要求： 碗士学位论文序言 1 为了在阳光普照的自天也能从羼上看到色彩鲜艳的图象以达到全天候 显示的要求，单个显示器件要有鞍毫的发光亮度； 2 屏幕中包含有上万、十数万以至数十万只器件，为降低屏的总功耗， 器件应夺较离的光电转换效率； 3 响应快，能显示场频5 0 - 6 0 h z 的电视图象； 4 较长的寿命( 太于数千小时) 。 自炽灯矩阵是一种实现大登屏的方法。它采用特别设计的红、绿、蓝三 色自炽灯泡按一定顺序组成矩阵，借改交每只灯泡韵奄流来实现彩色亮度层次 的图象显示。虽然自炽灯结构简单，发光鹳亮及使熠穷便，僚灯丝的热贯瞧大， 因而响应时间长，灯的功耗十分离。另外，自炽灯泡发热囊大、寿命较短等都 是这种方法的缺点，从蔼限制了它的应用。 随着半导体技术的不凝进步，发光二级管( l e d ) 作为固体显示元件在 大屏幕显示中的应用越来越褥到人们的认可，这与它本身的特点是分不汗的。 l e d 的主要特点鸯： 1 工作电压低，戆在2 v 左右工作，这比电致发光簧低得多，因此哥壹 接与集成驱动电路相连，驱动简单； 2 。l e d 是小型的高亮度发光元件，因此用l e d 剑成的显示板十分明亮； 3 ，发光响应快。由于注入p n 结芷淘电流两发光，因此控制输入电流的 大小、汗断l e d 和发光响应十分快，这对于光的裹速调制十分有利； 4 寿命长、耐冲击，亮度半衰时闽达十万小时以上，而且l e d 是小型 的半导体发光元件，因她是可靠的发光元件； 5 霹借改变l e d 熟半导体秘料来改变发光波长，单体l e d 可做成备种 终彤。 用l e d 作为大屏纂的发光单元与自炽灯矩阵是一个道理，也是采用短、 绿、蓝三色l e d 按一定顺序组成矩阵，通过控制每个l e d 的发光亮度来显示 套静彩色图象。以前由于仅限于红、绿两种颜色的l e d 露缺少蘸色的l e d ， 因此难以实现全彩显示，使得l e d 屏显示出的图象观赏憔不离，愿只是大量 用于文字符号的髭示。近几年来，由于新材料的不断开发，蟹芯葶器件毒4 造技 术的不断改进以及应用范围豹不断扩展，l e d 的生产主要向高亮度化、多色 硕士学位论文序言 化发展。目前龟括红、绿、蓝等超离亮度静l e d 都己螽晶铯，特涮怒4 3 0 r i m 和4 7 0 r i m 的蓝色l e d 的磷割成功，为室努全色l e d 大霹幕显示铸平了遴照。 当前应堵爨最大的当蓄雅室井l e d 全色群。骞入曾捧过实验，将当藏熬红、 绿、蓝三种l e d 塌鸯淀驱动，在三惫豹中闯交舍处孬锝到骞色，从聪表鹎较 高亮度豹全色髭示完全可以实现。 憨着倍息产数豹飞速发展，更多熨大豹全色l 王、d 屏搀不断涌现。且前全 色l e d 群正广泛用予全爨各大城市中的广告信息与商业信息的显示并可在大 型公众场会用来援放电视嬲象。 识是舅兹豹全彩l e d 太屏慕用来播放电视图象时还存在不少问题。由予 没有专门用于金彩u 渺大屏幕的图象源及其标准，所以都是将送给c r t 显像 管的图象傣号源直接送到全彩l e d 屏进行显示。而全彩l e d 屏显示系统与c r t 显像系统具有不同的特点： 1 显像三基色不同； 2 ，发光特性不同。 因此。如果只是简单的把送给c r t 的信号直接用来驱动l e d ，弼必然会 使全彩l e d 屏重现的电视画面出现彩色失真和获度畸交，使其麓赏性下降。 本文正是就如何使全彩l e d 屏正确踅现彩色的窀褫潮面做了一整理论方蘑韵 计算与研究工作。 1 2 本文研究z 作概况 彩色电视与全彩l e d 屏都燕和艏红、绿、蓝三基色按不溺院倒迸行相翔 混合得到各种彩色的。彩色电视燕利爝亳子菜轰前荧毙霹上数、绿、蕴荧先粉 小点褥到红、绿、蓝三基色的，丽全彩l e d 霹燕示系统所采用瓣显像三基彀 即是筑、缭、蓝三稀l e d 发出鹣色先。由予它霞j 采耀豹三基色苓露，嚣嚣掰 麓合成的彩色的范围氇各不褶同。因既本文对全彩l e d 羼豹三基色系绞进行 了色度诗算，我捌它与标准爨色瘦系统和彩魏龟亳蹙掰采用豹三基毡系统之闯的 关系，并给盘应臻实铡，为健全彩l e d 羼羹三确筵现电援图象的彩色信息提供 了理论蔽据。 姥静，l e d 的发光裹度与驱动傣号是戤线性关系的，丽c r t 的发光亮度 硕士学位论文 序言 却与控制信号成非线性关系。电视信号标准是用来配合c r t 特性的，所以在 传输之前都预先进行了校正。针对这种情况，并考虑到人眼的视觉特性，本文 研究出一种对全彩l e d 屏显示系统的视频驱动信号进行反校正的方法，使其 总的信号传输在视觉上符合线性关系。 最后，为了进一步满足观赏性的要求，使全彩l e d 屏复现的电视画面更 加生动完美，本文还就彩色图象的自适应增强作了初步的研究。 硕 ：学位论文全彩l e d 大屏幕的彩色重现 全彩l e d 大屏幕的彩色重现 2 1 色度学基本原理 2 1 1 概述 颜色感觉与听觉、嗅觉、味觉等都是外界刺激使人感觉器官产生的感觉。 光经过物体反射或透射后刺激人眼，人眼产生了此物体的光亮度和颜色的感觉 信息，并将此信息传至大脑中枢，在大脑中将感觉信息进行处理，于是形成了 色知觉。因为人们能感知颜色，世界才是五彩缤纷的。颜色给人们以了解和认 识自然界丰富的信息。人在一张彩色图象上所能得到的信息量较之黑白图象要 高出1 至2 个数量级。 在整个电磁波谱中，能引起人眼视觉的只是- 4 , 部分。刺激人眼能引起 视觉的光辐射称为可见光辐射，简称可见光。要严格确定可见光的波长范围是 很困难的，一般来说，可以取波长3 8 0 7 8 0 n m 作为可见光的范围。可见光的 波长不同，引起人眼的颜色感觉就不同。单色光的波长由长到短，对应着的颜 色感觉由红到紫。一般认为： 红色7 7 0 , - , 6 2 0 r i m ，橙色6 2 0 5 9 0 r i m 黄色5 9 0 - - , 5 6 0 r i m ，黄绿色5 6 0 5 3 0 n m 绿色5 3 0 5 0 0 n m ，青色5 0 0 , - 4 7 0 n m 蓝色4 7 0 4 3 0 n m，紫色4 3 0 - 3 8 0 n m 这种划分只是给出大致的范围。实际上单色光的颜色是连续渐变的，不存在严 格的界限。并且单色光的颜色感觉随着光的强度变化而变化。实验指出，光谱 上除了三个点( 5 7 2 n m ，5 0 3 r i m ，4 7 8 n m ) 不受光强变化的影响外，其它各波长的 颜色都会略有改变。 2 1 2 颜色的特征 一般来说判别颜色的不同，是根据三个重要的特征：明度、色调和饱和 度。三者之中只要有一个不同，就会有不同的色感觉。 明度是指颜色明亮的程度。对于光源色，明度与发光强度有关：对于物 体色则取决于物体的反射率或透射率。 5 硕士学位论文 全彩l e d 大屏幕的彩色重现 色调是借以区分不同颜色的特征。在可见光范围内，不同波长辐射的颜 色具有不同的色调，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等。光源色的色调取决于 发光体辐射能的光谱组成；物体色取决于物体对光的选择吸收特性。 饱和度是颜色接近光谱色的程度。一种颜色可以看成是光谱色和白光混 合的结果。光谱色的比例越大，则饱和度越高。当白光成分为零时，得纯光谱 色，饱和度达最高：光谱色的成分为零时就是白光，饱和度为零。饱和度高的 颜色深而鲜艳，饱和度低，颜色浅而淡。 2 1 3 颜色匹配 颜色可以相互混合。将几种颜色光同时或快速先后刺激人的视觉器官， 便产生不同于原来颜色的新的颜色感觉，这就是颜色相加混合法。在如图2 1 图2 - 1颜色匹配实验装置图 所示的实验装置中可完成 颜色匹配的实验。图的左 方是一块白色的屏幕，上 方为红、绿、蓝三原色光， 下方为待测色光。三原色 光照射白色屏幕的上半 部，待测色光照射白色屏 幕的下半部。白色屏上、 下两部分用一黑挡屏隔 开。由白色屏幕反射出来 的光通过小孔抵达右方观 察者的眼内，人眼看到的视场如图右下方所示。图的右上方还有一束光，它投 射在小孔周围的背景白板上，因而视场周围有一圈色光作为背景。在此实验装 置上，可以把两个颜色调节到视觉上相同，这种方法叫做颜色匹配。待测光的 光色可以通过调节上方三种原色光的强度来混合形成。当视场中两部分光色相 同时，视场中的分界线消失，两部分和为同一视场，此时认为待测光的光色与 三原色的混合光色达到匹配。不同的待测光达到匹配时三源色的光强度值不 同。表示颜色匹配的代数式叫做颜色方程。若以( c ) 代表被匹配颜色的单位， ( r ) 、( g ) 、( b ) 代表产生混合色的红、绿、蓝三原色的单位。r 、g 、b 、c 6 硕士学位论文全彩l e d 大屏幕的彩色重现 分别代表红、绿、蓝和被匹配色的数量。当实验达到两半视场匹配时，此结果 可表示为： c ( c ) r ( r ) + g ( g ) + b ( b ) ( 2 1 ) 式中“s ”号表示视觉上相等，即颜色匹配。 2 1 4 三刺激值和色品坐标 颜色匹配实验中选取三种颜色，由它们相加混合能产生任意颜色，这三 种颜色叫做三原色，亦称参照色刺激。三原色可任意选定，但三原色中任何一 种原色不能由其余两种原色相加混合得到，最常用到的是红、绿、蓝三原色。 在颜色匹配实验中与待测色达到色匹配时所需要的三原色的数量称为= - - n 激 值，也就是颜色匹配方程式中的r 、g 、b 值。一种颜色与一组r 、g 、b 数 值相对应，颜色感觉可通过三刺激值来定量表示。在色度学里，三刺激值的单 位( r ) 、( g ) 、( b ) 不是用物理量为单位，而是选用色度学单位。它的确定 方法是选一特定自光( w ) 作为标准，在颜色匹配实验装置上用选定的三原色 光( 红、绿、蓝) 相加混合与此白光相匹配，达到匹配时，如测得所需要的三 原色光的光通量值( r ) 为，。流明，( g ) 为f 6 流明，( b ) 为流明，则将比 值k ：，。：k 定为三刺激值的相对亮度单位，即色度学单位。 在颜色匹配实验中，将各单色光的辐射能量都保持为相同时所得到的三 刺激值称为光谱三刺激值，用符号r 、g 、b 表示。 在颜色匹配实验中，当c = i 时，式( 2 1 ) 可写成： ( c ) ；i 了急b ( 矗) + r 了( g ) + r j g 堡i b ( 占) ( 2 2 ) r + g + 、7 + g + b 、7+ 、7 由上式可知一个单位的颜色( c ) 的色品只取决于三原色的刺激值各自在r + g + b 总量中的相对比例，此比值叫做色品坐标，用符号，、g 、b 表示。色品坐标 与三刺激值之间的关系如下： 硕士学位论文全彩l e d 大屏幕的彩色重现 r r + g + b g ：上( 2 - 3 )6 r + g + b 占 r + g + b 虽然色品坐标有三个量r 、g 、6 ，但由于r + g + b = 1 ，故实际上只有两个独 立量。标准白光( w ) 的三刺激值为r = o = b = i ，故它的色品坐标为： r 2 9 = 百b = o 3 3 2 2 两种标准的色度系统 2 2 i c i e l 9 3 1 - - r g b 系统 用三刺激值来定量描述颜色量是一种可行的方法。c i e ( 国际照明委员会) ；! ， b = 4 3 5 8 n o 、隐： 参照点；薯蠢函= s f c i e 原岂t 、置y 。z i 8 7 ，6 f 弋 朋= j 2 7 5 0 2 7 8 0 m r = 一1 7 3 9 2 7 j ；7 一o “ l 4 z = 一0 7 4 30 1 j l 1 | 一t 守 v 。警、善e ! 汔 矿、 一i 4一1 0 n 6 一2 一“必弋， 圈2 - 2 色品图 一r g b 色度系统。选7 0 0 n m 、5 4 6 1 n l t ! 、 选择7 0 0 r i m ( 红) 、5 4 6 1 n m ( 绿) 、4 3 5 8 n m ( 蓝) 三单色 光作为三原色 来匹配等能光 谱的各种颜 色，并以相等 数量的三原色 刺激值匹配出 等能自光来确 定三刺激值单 位。这一系统 叫做c i e l 9 3 l 4 3 5 8 n m 三单色光为三原色主要是因 硕士学位论文 全彩l e d 人屏幕的彩色重现 为7 0 0 n m 是可见光谱的红色末端，5 4 6 1 n m 和4 3 5 8 n m 是较为明显的汞谱线， 三者都能比较精确的产生出来。用该三原色匹配等能光谱色的r 、g 、b 三刺 激值用，、g 、b 来表示，叫做“c i e l 9 3 1 一r g b 系统标准色度观察者”，图2 2 就是根据色品坐标与三刺激值的关系画出的色品图。图中偏马蹄形曲线是所 有光谱色色品点连接起来的轨迹，称为光谱轨迹。由图中可以看出光谱轨迹的 色品坐标有很大部分出现负值。负值出现的物理意义可以从匹配实验的过程 中来理解它。当投射到半视场的某些光谱色用另一半视场的三原色来匹配时， 不管三原色如何调节都不能使两半视场的颜色达到匹配，只有在光谱色的半视 场内加入适量的三原色之一才能达到颜色的匹配，加在光谱色半视场内的原色 就用负值来表示，这就会出现负的色品坐标值。 2 2 2 c i e l 9 3 1 - - x y z 系统 c i e l 9 3 1 - - r g b 系统的；、一g 、一b 是从实验得出的，可以用于色度学计算， 以孙、 ， 、 弋 c i er “f 色嗣l 田 j o m 0 ， f 。f 0 5 0 i o c 材菇 4 就 但计算中会出现负值，用起来不方 便，又不易理解，所以1 9 3 1 年c i e 推荐了一个新的国际通用的色度系 统即c i e l 9 3 1 - x y z 系统。它改用 三个假想的原色x 、y 、z 建立起 一个新的色度系统，用这三个假想 的原色匹配等能光谱色的x 、y 、 z 三刺激值用x 、y 、2 来表示， 定名为“c i e l 9 3 1 标准色度观察 者”，这一系统叫做“c i e l 9 3 l 标 2 - 3c i exy 色品图的光谱轨迹 准色度系统”。图2 3 是c i exy 色品图的光谱轨迹。光谱轨迹曲线 以及连接光谱两端的直线构成的马蹄形内包括了一切物理上可以实现的颜色， 在光谱轨迹外面的所有颜色都是物理上不能实现的。在图2 - 2 中，可以看到整 硕士学位论文 全彩l e d 大屏幕的彩色重现 个光谱轨迹完全落在x 、y 、z 所形成的虚线三角形内，因此该系统的特点是 标准色度系统中，规定( x ) 、( z ) 两原色只代表色度，没有亮度，光亮度只 与三刺激值y 成比例。x y z 系统和r g b 系统的三刺激值之间的转换关系式 i x = 2 7 6 8 9 r + 1 7 5 1 7 g + 1 1 3 0 2 b y = 1 0 0 0 0 r + 4 5 9 0 7 g + 0 0 6 0 1 b( 2 4 ) lz = 0 0 0 0 0 r + 0 0 5 6 5 g + 5 5 9 4 3 b 即圈 弦s ， 2 7 6 8 9 1 7 5 ”1 1 3 0 2 1 其中系数矩阵a = j 1 0 0 0 04 5 9 0 7o 0 6 0 1i f0 0 0 0 00 0 5 6 55 5 9 4 3 2 3 不同色度系统之间的转换 由于三原色选择不同，以及规定三原色刺激值单位的方法不同，会出现 许多不同的色度系统。由r g b 系统到x y z 系统的建立就牵扯到一个色度系 统的转换问题。这里介绍说明不同色度系统的转换方法。任何两个色度系统都 可以相互转换，转换方法实质上是一个坐标转换的问题。 令( x ) 、( y ) 、( z ) 代表新系统的三原色，( r ) 、( g ) 、( b ) 代表旧系统 的三原色。色度学中的格拉斯曼定理认为可以利用颜色混合的方法来产生或代 替所需要的颜色，并且混合色的亮度等于组成混合色的各种颜色光亮度的总 和。由此可知，每单位新的原色可以由旧的三原色相加混合得到，可用下列矩 阵式表示为： 1 0 硕士学位论文 全彩l e d 大屏幕的彩色重现 r 训gi j l b j ( 2 6 ) 式中c l l c 3 3 九个系数表不用y x z 系统表不r g b 系统= 掠色的= 刺撖值。x y z 和r g b 两个系统的色品坐标为： x = j f ；皂，y = 了f j j ；j j 云，z = 志 ( z ，) x + y + z。x + y + zx + y + z r ： 墨 ， ：堡 ，6 ： 墨 ( 2 8 ) 7 2 r + g + b 9 2 r + g + b d 2 r + g + b l z 。6j 将式( 2 。6 ) 代入式( 2 7 ) ，考虑到式( 2 - 8 ) ，可以得到x y z 系统与r g b 系 统仁品难标的转换关系： r ： 鱼! ! ! ! 墨! ! ! ( c l l + c 2 i + c 3 1 ) ，+ ( c 1 2 + c 2 2 + c 3 2 ) g + ( c 1 3 + c 2 3 + c 3 3 ) 6 。： 1 21 1 垒星鱼! ( 2 - 9 ) 7 ( c i i + c 2 l + c 3 1 ) r + ( c 1 2 + c 2 2 + c 3 2 ) g + ( c l ，+ c 2 3 + c ”) 6 ，： 鱼! ! ! ! 曼鱼! ( c l l + c 2 l + c 3 1 ) r + ( c 1 2 + c 2 2 + c 3 2 ) g + ( c 1 3 + c 2 3 + c 3 3 ) 6 引用式( 2 6 ) 与式( 2 9 ) 时，必须先确定c 。c ，这九个系数。通常的情况 是知道新系统三原色以及参照白( w ) 在旧系统内的色品坐标，它们是 g ，b ，：0 ，g y ，b y ；，g ：，b ： 白在新系统内的色品坐标一般为： x ：x = 0 ， r o ，g 。，b 。而新系统三原色和参照 y 2 1 z 2 0 y ：x = 0 ，v = 1 ，z = o z ：x = 0 ，y 2 0 ，z 2 1 c c c 。l = 1j y z l 硕十学位论文 全彩l e d 大屏幕的彩色重现 w ：x 2 z o ，y 。y o ，z 。z o 将这四个点的八个相应坐标值代入式( 2 9 ) ，可得到八个独立的方程。因此欲 求得c 。c 。这九个系数，计算时可以指定九个系数中任意一个系数为某一非 零常量，其余八个系数随此常量的大小同时扩大或缩小相同的倍数，不影响颜 色的色品。算出了q ，c 。这九个系数，就可以完成从r g b 系统到x y z 系统 三刺激值的转换与色品坐标的转换。 2 4 彩色电视的彩色合成原理 为了解决全彩l e d 大屏幕的彩色再现问题，有必要首先了解一下彩色电 视的彩色合成原理。 2 4 1 彩色电视系统简述 图2 4 是彩色电视工作过程简图。彩色电视的整个工作过程可分为三个 仓 景物 i 圳i 采饥 图2 - 4 彩色电视系统简图 阶段：彩色分解、 信号传输和彩色合 成。在信号传输阶 段，由于不可能用三 个通道将红、绿、 蓝信号同时传送，因 川q 像 此要将三基色信号 编码形成亮度信号 和两个色差信号，利 用频谱编织术编码 后，采用一个通道轮流的传送出去。由于采用了不同的频谱编织方式，因而形 成了不同的电视制式。1 9 5 4 年美国正式使用第一个制式_ n t s c 制( 平衡 正交式) ，6 0 年代中期出现了西德的p a l 制( 逐行倒相制) 和法国的s e c a m 制( 调频轮行传送制) 。我国采用的是p a l 制。 1 2 硕士学位论文全彩l e d 大屏幕的彩色重现 2 4 2 彩色电视的彩色合成原理 彩色电视的彩色复现是利用三基色相加混合的方法获得的，合成的过程 是在彩色电视机显像管的荧光 屏上进行的。以最早也是目前 广泛使用的影罩式彩色显像管 为例说明其原理：影罩式显像 管的荧光屏上布满了有规则排 列的红、绿、蓝小点，如图2 5 所示。荧光点的总数大约为1 3 0 万个，红、绿、蓝各占1 3 ；在 荧光屏后面有一钢板制的罩 子，上面大约有4 0 万个小孔， 硕士学位论文全彩l e d 大屏幕的彩色重现 彩色电视是利用三种基色按不同比例进行相加混合得到各种彩色的。当 红、绿、蓝三基色的电信号相等时，在荧光屏上出现白色，此时称为白场平衡。 为了能够得到彩色既丰富又鲜亮的画面，选择合适的三基色和白场是及其重要 的。荧光粉的三基色和白场色称为四个参照色刺激，它们是整个彩色电视信号 系统设计和色度计算的基础。我国采用的p a l 制规定用c i e 标准照明体d 6 ， 的色品坐标( - o 3 1 3 ，儿= o 3 2 9 ) 作为彩色显像管白场的色品。白场平衡时 电信号只有亮度信号，色差信号为零。显像管内许多光电参数都是在白场平衡 下进行测试的。图2 6 显示了n t s c 制和p a l 制所采用的三基色荧光粉在色 图2 - 6 彩色电视的参照刺激 以复现出更多饱和度高的色彩。 品图上的坐标。由三基色点 组成的三角形决定了它们能 合成的色彩的色域。在三角 形内部的任意一种色品都能 由三基色混合产生，三角形 外的任何色品都不能由三基 色混合得到。因此为了得到 色彩丰富的电视画面，希望 彩色电视的三基色越接近光 谱轨迹越好，因为这样就可 假定p a l 制中荧光粉的三基色是( r ，) 、( g p ) 、( b ，) ，即p a l 制采用 的是r ，g ，b ，色度系统。已知p a l 制系统的四个参照色刺激在c i e l 9 3 1 x y z 系统中的色品坐标为： r p ：x n 2 0 6 4 ，y p r 2 0 3 3 ，2 p ，= o 0 3 g p ：。瞻2 0 2 9 ，y p g 。0 6 0 ，z i g = 0 1 1 b p ：x , o b = 01 5 ，y p 2 0 0 6 ，。，* 2 0 7 9 硕士学位论文 全彩l e d 大屏幕的彩色重现 w ：工p 0 = o 3 1 3 ，y p o _ o 3 2 9 ，z p 0 = o 3 5 8 在r ，g ，邵系统中的色品坐标为： r p ：r e 2 1 gp 。0 ，b f o g p ：r e = 0 ，g p 2 1 ，b p = o 砟：r e = 0 ，g p = 0 ，b e 2 1 w ：r e2 0 3 3 ，g 。2 0 3 3 ，b p 2 0 3 3 阱圈 协 其中系数矩阵c = l o 9 6 8 9 1 8 7 5 6o 0 4 1 7 i 。由于y 表示亮度信号，则 l 0 0 6 7 70 2 2 8 61 0 6 9 i y = 0 2 2 2 r p + o 7 0 7 g p + o 0 7 1 绵 ( 2 - 1 1 ) 即p a l 制三基色荧光粉的相对发光亮度之比为0 2 2 2 ：0 7 0 7 ：0 0 7 1 ，近似为 0 2 2 ：0 7 0 ：o 0 7 。但由于n t s c 制彩色电视系统的采用比p a l 制早十几年， 所以p a l 制并没有采用上述的理论亮度方程，而是沿用了n t s c 制的理论亮 度方程的结果，即三基色荧光粉的相对发光亮度之比为0 3 ：0 5 9 ：o 1 1 。其结 果虽然存在误差，但在主要特性上仍能满足视觉对亮度的要求。 2 4 4 彩色电视的颜色复现 当确定了彩色电视的参照刺激，并已知由c i e x y z 系统向p a l 制式的 硕士学位论文 全彩l e d 大屏幕的彩色重现 r ，g ，b ，系统的转换关系后，进而计算彩色电视红、绿、蓝三原色( 参照刺激) p a l 制式摄像管的理想光谱灵敏度曲线 图2 - 7 的光谱三刺激值，p ( 五) 、g ，( 旯) 、b ，( a ) 。 光谱三刺激值表示为了匹配等能光谱各 波长单色光所需的三原色数量。三原色 的单位是以红、绿、蓝参照刺激相加匹 配出参照白为标准规定的，这时把三原 色定为1 ：l ：1 的等量关系。计算p a l 制式( r ，) 、( g ，) 、( b e ) 三色荧光粉 的光谱三刺激值r p ( ；o 、g p ( 五) 、b p ( a ) ， 只须用c i e 标准观察者光谱三刺激值 x ( a ) 、y ( 2 ) 、z ( a ) 分别代替式( 2 - 1 0 ) 中的x 、y 、z ： l 咋( 旯) = 3 0 6 2 7 x ( 2 ) 一1 3 9 2 8 y ( , i ) 一o 4 7 5 9 z ( 1 ) g p ( 五) = - 0 9 6 8 9 x ( 2 ) + 1 8 7 5 6 ) ，( 旯) + o 0 4 1 7 z ( 2 ) ( 2 - 1 2 ) i6 p ( a ) = 0 0 6 7 7 x ( 2 ) 一o 2 2 8 6 y ( 2 ) + 1 0 6 9 0 z ( 2 ) 得出图2 7 的光谱三刺激值曲线。这三条曲线就是p a l 制式红、绿、蓝摄像 管为在接收机荧光屏上正确复现色度所应有的光谱灵敏度曲线。 当彩色电视红、绿、蓝摄像管的光谱灵敏度曲线分别与计算得到的光谱 三刺激值咋( 五) 、g ，( 五) 、b p ( 五) 完全一致时，每一摄像管的总响应等于各波长 上的正值响应之和减掉各波长的负值响应之和。三个摄像管光敏元件在非见光 范围内对被拍摄的颜色刺激函数进行积分，得出颜色的三刺激值： p b 0 一 r p2j 8 0 妒( 五) ( 五) 烈 。：云( 丑) 枞(213g j p ( 2 ) g 1 3 ) ，2p ( 丑) 枞 ( 2 - ) 8 s o b e2j 。妒( 兄脚( 兄) 幽 这里月pg p 口，就是彩色显像管上为复现被拍摄的颜色所要求的相对信号 1 6 硕士学位论文 全彩l e d 大屏幕的彩色重现 强度，而三个摄像管分别起到r ，、g ，、b ，信号强度的自动计算作用。对于 色度图上( r ，) 、( g ，) 、( b ，) 三原色三角形范围内的颜色，邱、g ，、b ， 三刺激值都是正值，说明能过被这一彩色电视系统复现出来。如果摄像管与接 收机是线性关系，在接收机显示部分的胄，、嘭、邵发光亮度的相加混合， 便复现出原来被拍摄的颜色和相对亮度。 某一波长a 的光谱色，其r e ( a ) 、g e ( a ) 、b ，( a ) 光谱三刺激值的曲线表 明，光谱三刺激值中至少有一个是负值。这就是说，在以( r ，) 、( g ，) 、( 廓) 为原色的彩色电视系统中，光谱色不能被复现出来。同样，对于( r ，) 、( g ，) 、 ( b ，) 三原色三角形以外的颜色，按式( 2 1 3 ) 计算得的r ，、g p 、廓三刺 激值中也会出现负值，所以不能被复现出来。这时，接收机只能复现上述饱和 色的同主波长的色调，而不能复现它的饱和度，原来颜色的饱和度降低到三原 色三角形边界上的饱和度。 实际上，彩色电视系统的三个摄像管的光谱灵敏度曲线只能近似于 波长( n m ) p a l 制式摄像管的全部正值光谱灵敏度曲线 图2 - 8 ，p ( 五) 、g p ) 、“( 五) 曲线的主要 正值部分。为了提高颜色的复现质 量，必须对全部正值的，p ( a ) 、 g ，( ) 、( a ) 光谱灵敏度曲线进 行优选，使三原色点在色度图上形 成较大的三角形色域。同时为了弥 补灵敏度曲线负值部分的丢失，还 在摄像机的输出加适当的矩阵电路进行补偿，使经过校正后的输出接近按理论 计算的理想光谱灵敏度曲线所产生的信号。经过优选后就得到类似图2 8 中的 p a l 制式的实际使用的摄像机光谱灵敏度曲线。 硕士学位论文全彩l e d 大屏幕的彩色重现 2 5 全彩l e d 大屏幕的彩色再现 2 5 1 彩色合成原理 全彩l e d 屏显示属于大屏幕平板显示，其彩色的合成原理与彩色电视机 基本相仿。它也是选用红、绿、蓝作为显像三基色，每个像素均由红、绿、蓝 三种色光的l e d 构成，通过控制l e d 的发光亮度来合成各种彩色。与荧光粉 不同，l e d 是自发光体，并且发光亮度在一定范围内与提供给它的电流成正 比。因此通过控制l e d 中的电流强度的大小就可以对红、绿、蓝三种l e d 的 发光亮度进行调节。由于l e d 彩屏的面积一般都大于i m2 ，而且经常是用于 远距离观看的场合，因此其每组像素中的红、绿、蓝三种l e d 在视觉上仍属 于同一空间面积，它们同时发光时便可以混合成种颜色。三种颜色的l e d 的不同亮度配合就产生了各种彩色效果。 2 5 2 显像三基色与亮度方程 全彩l e d 大屏幕显示系统采用分别来自红( r ，) 、绿( g ，) 、( b ，) 蓝 三种l e d 所发出的色光作为显像三基色，即r ，、g ，、占，是全彩l e d 大屏幕 显示系统的三个参照色刺激。当全彩l e d 屏系统的红、绿、蓝三个电信号相 等时，屏上出现白色，即白场平衡。达到白场平衡时只有亮度信号，色差信号 为零。在前面彩色电视的彩色合成原理中已经讲过，选择合适的三基色和参照 白场是及其重要的。这里，选用与p a l 制相同的参照自即d 6 ，。为了确定三个 参照色刺激的三刺激值单位，必须先确定全彩l e d 大屏幕显示系统的亮度方 程，也就是要确定用三基色匹配选定的参照白时三色l e d 的单色发光亮度之 比。 由前面的介绍可知，c i e 一1 9 3 1 x y z 色度系统中的y 值只代表亮度，因 此若想得到全彩l e d 大屏幕显示系统的亮度方程，必须将其所采用的r ，g ，b ， 三基色系统向标准的x y z 色度系统转化。下面就是具体的步骤： 第步：计算三刺激值 硕士学位论文 全彩l e d 大屏幕的彩色重现 色度学中规定的c i e _ 一x y z 色度系统中的三刺激值计算公式为： x = i 妒( 旯) ；( 旯) 搬 j ，= 七i 妒( z ) 私) 以 z = 女i 伊( a ) 衲以 ( 2 1 4 ) 式中妒( 五) 代表l e d 的相对光谱功率分布，对这一分布的测量方法将在下一章 中具体介绍；、歹、；是c i e 规定的标准色度观察者的光谱三刺激值；k 为 归化系数。但在实际应用中一般是用求和来近似积分，即： x = 七妒( 2 ) 弘五 y = 七妒( a ) 讼a ( 2 - 1 5 ) z = 女伊( a ) 五a i 将实际测得的三种l e d 的相对光谱功率分布竹( 五) 、吼( 五) 和钆( 五) 代入上式， 并查c i e 1 9 3 1 标准色度观察者光谱三刺激值表，就可以算出t ，乙 x g ，y g ，zg ；x b ，y b ，zba 第二步：计算色品坐标 根据色品坐标的定义，c i e x y z 色度系统中颜色的色品坐标与三刺激 值的关系为： x x + y + z ， v = 二一 ( 2 1 6 ) x + y + z z 2 = 一 + ，+ z 将上一步中得到的三刺激值代入上式可以得到x n ，y n ；。k ，y 抽：x 硕士学位论文 全彩l e d 大屏幕的彩色重现 y n 这一组值，即全彩l e d 屏系统的三基色在x y z 色度系统中的色品坐标值。 根据格拉斯曼定理，x y z 色度系统的源色x 、y 、z 可分别由全彩l e d 屏r 。g 。既色度系统中的三基色r 。、g 。和吼相加混合得到，有： ( n = 以l ( r ) + d ：2 ( 吼) + 吐3 ( 吼) ( 2 - 1 7 ) 阱圈 沼 其中系数矩阵d = l d 2 l d 2 2 d ：，l 。 l 码，以：以，j 根据2 3 节中介绍的不同色度系统之间的转换方法，由式( 2 9 ) 可以得 到x y z 系统与全彩l e d 屏的r 。g 。b 。色度系统之间色品坐标的转换关系式： x = y = z = 而l 丘+ d 1 2 9 z + d 1 3 ( d l l + d 2 l + 如1 ) 丘十( d 1 2 + d 2 2 + d 3 2 ) g + ( d 1 3 + d 2 3 + d ”) 6 l d 2 l 屹+ d 2 2 9 l + d 2 3 b ( 碣1 + d 2 l + 吐1 ) 吒+ ( 碣2 + 破2 + 以2 ) g l + ( 4 3 + d 2 3 + d 3 3 ) 钆 生! t 垒堡丝曼! 垡塑! ! ( d l l + d 2 1 + d 3 1 ) ，+ ( d 1 2 + d 2 2 + d 3 2 ) g + ( d 1 3 + d 2 3 + d ”) 6 引用式( 2 1 9 ) 时，必须先确定d 一d ，这九个系数。 ( 2 1 9 ) 根据式( 2 - 1 6 ) 可以得到全彩l e d 屏的三个参照色刺激在x y z 系统中 的色品坐标值x 。，y 。：z “，y 似；x ，y ；参照白点( w ) 与p a l 制的 2 0 硕士学位论文全彩l e d 大屏幕的彩色重现 相同为d 6 ，其色品坐标为和。又有这四个参照色刺激在也g 。b 。系统中 的色品坐标为： r l ：吒2 1 ，g l 2 0 ，b l 2 0 g l ：r l = 0 ，g l 2 1 ，b 2 0 b l ：r l = 0 ，g l 2 0 ，b 2 1 w ：r l 2 0 3 3 ，g 2 0 3 3 ，b l 。o 3 3 将这四个点的八个相应坐标值代入式( 2 - 1 9 ) ，可得到八个独立的方程。因此 欲求得吐。叱这九个系数，计算时可以指定九个系数中任意一个系数为某一 非零常量，其余八个系数随此常量的大小同时扩大或缩小相同的倍数，不影响 颜色的色品。 倘若令d 。= s ( s 为一任意非零常量) ，则由式( 2 - 1 9 ) 可以推导出计算其 余八个系数的公式： 其中 吐，：塑， x l r d 2 2 - 瓮a a ，一d c 哦：鱼如 y 妇 以，：盟! 趔 x l ， d ，：a c - b a 口 6 c 一d ( 2 2 0 ) d 3 ：上处d 。：2 = 业d 2 2 y l g 九；上业d ：，d 。2 2 。2 d 2 3 y l , h a = s ( x o 一1 ) + d 2 i x o + d 3 l x o 硕j ：学位论文全彩l e d 大屏幕的彩色重现 b = d 2 j ( y o 一1 ) + 妙o + 以f y o 口：三堡二垫。 y 垤 c ：y g - y o 。d ：丝二丛 j ，增 y l b 由以上这组公式可以得到l e d 全彩屏系统的亮度信号为： y = d 2 1 r l + d 2 2 g l + d 2 3 b l ( 2 2 1 ) 即l e d 三基色管的发光亮度之比应为d 2 i ：d ：j ：d 2 ，。 得到了亮度方程后，就可以确定全彩l e d 大屏幕也、g 。、吼三原色的 单位了。就是用三原色l e d 按亮度方程匹配出参照白，这时把三原色定为l ： l ：1 的等量关系。 2 5 3 全彩l e d 大屏幕的颜色复现 在前面第2 2 4 节中介绍了彩色电视的颜色复现原理，并得到了彩色电视 摄像管实际所