（物理电子学专业论文）rgbw系统的设计及评估.pdf

摘要 摘要 随着显示技术的发展及人们消费水平的提高，消费者在挑选显示器时已经不仅仅注重显示器的 技术性能与价格，图像显示的视觉感受已经成为选择显示器的一个重要方面。而对于图像的显示效 果来说，颜色和亮度又是最直观、最容易被人眼所感受的因素。目前所广泛使用的显示设备，特别 是诸如手机、笔记本电脑等便携式设备，多存在亮度不足的缺陷，而要提高显示的亮度、扩大色域 就要增加功耗，这对于便携式设备来说是致命的。然而通过改变现有的象素结构，即在每个象素现 有的r g b ( 红绿蓝) 子象素结构上再增加一个w ( 白) 子象素，并对原r g b 信号进行从r g b 系统 到r g b w 系统的转换后形成r g b w 信号，则能够在不增加功耗的前提下，提高显示图像的亮度。 但是单纯提高亮度会引起视觉上色彩饱和度的降低，因此需要进行综合考虑。 目前，国内外的研究者们已经提出了不少从r g b 系统到r g b w 系统的信号转换算法。它们的 主要差别在于从输入的r g b 信号中提取w 信号的数量及方法上的差异以及将提取出的w 信号加入 到输入信号中的方法上的差异。综合了多方面的因素，本论文研究了能保持输入信号色调和饱和度 不变，且在进行信号转换时不需要进行色域映射的几种算法。通过软件模拟、视觉感知实验及统计 学分析等方法，在不同目的、不同实验条件下，对这些算法在图像显示质量上的优劣进行了分析评 估。通过实验结果的分析，针对这些算法的不足，论文中提出了相应的改进算法，以提高r g b w 系 统下的显示效果。 实验结果表明。观察者所喜好的算法与图像的内容及实验条件的设置有关。一般来说对于低饱 和度的图像人们更偏好加入更多白光的算法，但对于高饱和度的图像，人1 t j 卿j 偏好仅加入适量白光 的算法。但总的来说，r g b w 系统的图像显示效果要比r g b 系统的图像显示效果好，而采用改进 算法的r g b w 系统的图像显示效果最佳。 关键词亮度饱和度转换算法视觉感知r g b w 系统图像显示效果 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i s p l a yt e c i m o l o g ，- a n dt h em a t u r a t i o no fc o n s u m p t i o n , p e o p l ep a ym o r e a t t e n t i o nt ot h er e a lp e r c e p t i o np e r f o r m a n c e rt h a no n l yt h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ra n dp 而c e c o l o ra n d l u m i n a n c ea r et h et w om o s ti n t o i t i o n i s t i cf a c t o r sf o rt h ei m a g eq u a l i t y t h ew i d e l y u s e dd i s p l a y s ，e s p e c i a l l y t h ep o r t a b l eo n e 3 ，h a v et h ed i s a d v a n t a g eo fl o wl u m i n a n c ea n ds m a l lc o l o rg a m u t , a n di n c r e a s i n g l u m i n a n c ea n de x p a n d i n gt h ec o l o rg a m u tw i l l 伽辩t h ei n c r e a s i n go fp o w e r - c o u s u m p t i o n t h er g b + w s y s t e mc a ne n a b l eh i g hl u m i n a n c el e v e l sw h i l ek e e p i n gp o w e r - c o n s u m p t i o i l h o w e v e r , i tm a yr e d u c et h e v i s u a lc o l o rs a t u r a t i o n t h e r ea l em a n yc o n v e r s i o na l g o r i t h m sf r o mr g bs y s t e mt or g b w s y s t e m t h ed i f f e r e n c e sa m o n g t h e ma l em a i n l yo nt h em e t h o do f a b s t r a c t i n gt h ew h i t ec o m p o n e n tf r o mt h ei n p u ts i g n a la n dt h em e t h o do f a d d i n gi tt ot h er g b wi n p u ts i g n a l s e v e r a la l g o r i t h m sa r es e l e c t e di nt h i sp a p e rf o rt h e yc a nk e e pt h eh u e a n ds a t u r a t i o na sw e l la sa v o i d i n gg a m u tm a p p i n g b ys i m u l a t i o n , p e r c e p t i o ne x p e r i m e n ta n ds t a t i s t i c a l a n a l y s i s ，t h ed i s p l a yi m a g eq u a l i t yo f t h e s ea l g o r i t h m sa l ee v a l u a t e d a n da c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f t h e e x p e r i m e n tr e s u l t s ，s o m gi m p r o v e m e n t so ft h e s ea l g o r i t h m sh a v eb e e np r o p o s e dt oa c h i e v eh i g hd i s p l a y i m a g eq u a l i t yi nr g b ws y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a t , p r e f e r r e da l g o r i t h mi sd i f f e r e n tf o ri m a g ec o n t e n ta n de x p e r i m e ms e t t i n g f o r t h ec a s eo fl o ws a t u r a t e di m a g e s , m o r ew h i t ec o m p o n e n ti sn e e d e d , a n df o rh i i g hs a t u r a t e di m a g e s , n o ts o m u c hw h i t ec o m p o n e n ti sn e e d e d g e n e r a l l y , a d d i n gw h i t ei sa d d i n gq u a l i t y a n dt h ei m p r o v e da l g o r i t h m s c a c t u a l l yi m p r o v ed i s p l a yi m a g eq u a l i t y k e yw o r d s ：l u m i n a n c e ，s a t u r a t i o n , c o n v e r s i o na l g o r i t h m s ，p e r c e p t i o n , r g b ws y s t e m d i s p l a yi m a g eq u a l i t y i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 疵西 | 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：2 氢菡导师签名：区当 日期： 第一章绪论 1 1 人眼视觉系统 1 1 1 眼睛的构造 第一章绪论 人类对于外界事物与现象的认识主要是通过视觉。形成人类视觉的是人眼视觉系统。 人的眼睛是一个前后直径大约为2 3 m m 的近似球状体。图1 1 所示即为人眼的基本构造图。 光线从外界通过透明的角膜射入，角膜是弯曲的，对入射光线有汇聚作用。虹膜从功能上来说 是一个直径可变的光阑，限定了瞳孔的孔径。在亮环境下瞳孔缩小，暗环境下瞳孔放大，孔径变化 不受人们意志的支配，基本上由射入眼睛的光能量控制。虹膜后面是晶状体，它悬挂在睫状肌上， 根据睫状肌的紧张和松弛变薄或者变厚，从而能在各种距离下调节物体清晰成像。光线最后落到视 网膜上，视网膜的外层富含视觉细胞( 视锥细胞和视杆细胞) 及各种神经细胞，它们将视觉细胞的 兴奋传导到大脑中去。在视网膜上有一特别密集的视锥细胞区域，呈黄色，故称为黄斑，黄斑中内 有一小凹，叫做中央窝，是视觉最敏锐的地方。视网膜上的神经纤维全都汇集于眼底上的一点，称 为神经乳头，它们在那里穿过视网膜，形成视神经而从眼睛通往大脑。视神经乳头不含有视觉细胞， 因而没有感光能力，称为盲点”j 。 1 1 2 视觉细胞 视觉细胞是视网膜中的感光组织，可按照形状分为视锥细胞和视杆细胞，如图1 2 所示。视杆 细胞是主要的感光细胞，它能在非常暗的情况下感光，但是它不能感觉颜色。而视锥细胞能感觉颜 色且具有更高的视觉灵敏度，但它只能在比较亮的情况。f 发挥作用。这就是为什么我们在黑暗中通 常只能感觉亮度而感觉不到颜色的原因。两者中，视杆细胞数量较多，视锥细胞数量相对较少，且 分布极不相同，如图1 3 所示。在中央窝即视觉最敏锐的地方，只有视锥细胞而没有视杆细胞。在 这个区域之外，视杆细胞则占据了绝大多数。视杆细胞主要位于距离视网膜中心2 0 度以外的部分。 因此，人眼两边角落只有视杆细胞作用，几乎不能感知色彩。但视杆细胞对光线很敏感，因此人们 能用眼角感受剑光线闪烁。 丕塑莶兰堡主兰丝堡奎 寄 j 喜 三 簟 一 量 图1 2 视觉细胞 ；一代 f 税锥绷舅 一 ， 图1 3 视锥细胞与视杆细胞的分布 1 2 光谱分布与颜色特性 1 2 1 光谱分布 光是属于一定波长范围内的一种电磁辐射。电磁辐射的波长范围很大，如图1 4 所示，而其中 只有波长从3 8 0 n m 至l j 7 8 0 h m 范围内的电磁辐射能够引起人的视觉，这段波长叫做可见光谱，比3 8 0 n m 更短的段波长的辐射是紫外线，比7 8 0 n t o 更长的一段波长的辐射是红外线【2 】o 2 啪糖汹秘鼬静蛐砖o 第一章绪论 图1 4 光谱分布 在可见光谱范围内，不同波长的辐射能引起人的不同颜色感觉3 l ：短波范围4 7 0 h m 为蓝色，中 波范围5 1 0 h m 为绿色，长范围7 0 0 h m 为红色。除此，在各波长间还有各种中间色，如5 8 0 h m 为黄 色。表1 1 为可见光谱颜色的波长范围。 表1 1 光谱颜色的波长范围 颜色紫蓝青绿黄绿黄橙红 波长范围 ( n m ) 3 8 0 4 3 04 3 0 - 4 7 04 7 0 一5 0 05 0 0 - , 5 3 05 3 0 一5 6 05 6 0 一5 9 05 9 m 击2 06 2 0 一7 8 0 1 2 2 颜色特性 物体的颜色是由光线在物体上被反射和吸收的情况决定的，受到光源条件的影响。这种非自发 光的物体色称为表面色。另外还有自发光体色，称为光源色。光源色主要由光源色温决定，色温高， 色光偏蓝色；色温低，色光偏红色。 颜色可分为彩色和非彩色两大类。非彩色是指白色、黑色和各种深浅不同的灰色。彩色是指除 了黑白系列以外的各种颜色。彩色有三个基本特性：亮度、色调和饱和度。 亮度 亮度是刺激物的强度作用于眼睛所发生的，它的大小是由物体反射系数来决定的，反射系数越 大，则物体的亮度越大，反之越小。亮度是人眼直接感受到的物体明亮程度的反映。 色调 色调是彩色彼此相互区分的特性。光源的色调决定于辐射的光谱对人眼所产生的感觉。物体的 色调决定于光源的光谱组成和物体表面所反射( 透射) 的各波长问的比例对人服所产生的感觉。色 调反映了颜色本质的基本特征。 色调决定于波长，但每一种色调并不是只与一种特定的波长有关系。由于人眼不是一个精细的 感光器官，光谱不同的颜色在某种条件下也能引起人眼相同的颜色感觉，这就叫做同色异谱。 通过颜色的混合可以得到其它的颜色，称为混色法。一般来说，混色法分为两种，一种叫加法 混色法，即当参与混合的光成分增加时，混合后颜色亮度也随之按加法增加，显示器件中所用到的 的色光混合就是一种加色混色法。但日常生活中颜料、油漆等按不同的颜色比例混合得出的颜色与 上述的用色光混合得到的颜料是不一样的，颜料的颜色是颜料吸收了一定波长的光线以后所余下的 光线的色调。这样的混色法称为减色混色法，混合后得出的颜色亮度是减少的。减色混色法的三原 3 东南大学硕士学位论文 饱和度 饱和度是指颜色的纯度。饱和度取决于该物体表面反射光谱辐射的选择性程度。可见光谱的各 种单色光是最饱和的彩色。当光谱色白光成分越多时，饱和度则越低。 非彩色只有亮度的差别，而没有色调和饱和度这两种特性。 1 2 3 颜色立体 用一个三维空间的仿锥体可以把颜色的三个基本属 性一亮度、色调和饱和度全部表示出来，如图1 5 所示， 这个仿锥体也称为颜色立体，它表征了颜色三个基本属 性之间的关系。 在颜色立体中，中央的垂直轴代表黑白系列亮度的 变化，顶端是白色，中间是各种灰色的过渡，底端是黑 色。色调由水平面的圆周表示，圆周上的各点代表光谱 上各种不同的色调( 红、绿、蓝) 。圆周上的各点亮度相 等，圆周上方的点亮度增加，圆周下方的点亮度降低。 从圆周向圆心过渡表示颜色饱和度逐渐降低，只要离开 圆周，就不是最饱和的颜色。 这个颜色立体只是一个理想化的示意模型，目的是 为了使人们更容易理解颜色三个基本属性间的相互关 系，在真实的颜色关系中，饱和度最大的黄色并不在中 等亮度的地方，是在靠近白色亮度较高的地方；饱和度 最大的蓝色在靠近黑色亮度较低的地方。因此，实际上 颜色立体中部的色调圆周应该是倾斜的，黄色部分较高， 蓝色部分较低，而且该圆周上各种色调离开垂直轴的距 离也不一样，所以这个圆周平面也并不是真正的圆形。 1 3c i e 标准色度学系统 电 图1 5 颜色立体图 霄 i | 人们对物体产生某种光的感觉，一方面取决于电磁辐射对眼睛的物理刺激，另一方面取决于眼 睛的视觉特性。但对颜色的标定最终要符合人眼的视觉特性，因此，关于颜色的一些基本数据都是 来自许多观察者的颜色视觉实验结果。 随着研究的深入，先后出现了许多描述颜色和对颜色进行排列编号的方法。用色调、亮度值和 色度来定义和排列颜色就引出了孟塞尔系统( m u n s e l ls y s t e m ) 及后来出现的c i e 标准色度学系统 ( c 1 ec o l o rs y s t e m ) 。本节中我们只介绍后者。 c 1 e 标准色度学系统是现代色度学采用c i e ( 国际照明委员会) 所规定的一套颜色测量原理、 数据和计算方法 2 1 。 1 3 11 9 3 1 c i e - - r g b 系统 人眼对颜色的感觉来源于外界光学辐射的作用，因而物体的颜色既取决于外界的物理刺激，又 决定于人眼的视觉特性。而不同观察者的颜色特性存在差异，因此就要求根据一定数量观察者的颜 色视觉实验来确定一组为匹配等能光谱所需的三原色数据，称为“标准色度观察者光谱三刺激值”， 以此来代表人眼的平均颜色视觉特性。 1 9 3 1 年，c i e 综合了莱特( w d w r i g h t ) 和吉尔德( j g u i l d ) 两项视觉实验结果，规定了c i e l 9 3 1 4 第一章绪论 标准色度观察者光谱三刺激值，光谱三刺激值曲线如图1 6 所示 图1 6 光谱三刺激值曲线 图1 7 是根据1 9 3 i c l e - - r g b 系统标准观察者光谱三刺激值所绘制的色度图。1 9 3 1 c i e - - r g b 将三原色定为7 0 0 n m ( r ) 、5 4 6 i n m ( g ) 采1 4 3 5 8 n m ( b ) 1 2 1 ，是因为7 0 0 r i m 是可见光谱的红色末端，5 4 6 1 n m 和4 3 5 8 r i m 是两个较为明显的汞亮线谱，三者都比较容易精确产生。 【丫】 气、 - z 5 、 跏、 2 0 融 - 1 5 ；、柳。铆 om s & 。哗一、) 刍。? 5 jj? - i 5- 1 ，0 - 0 5 “二三一j 畦甚i ，i l 翳 i x 图1 71 9 3 1 c 1 e r g b 色度图 但是从图1 6 ( i ) 和图1 7 ( r ) 可以看出。用来标定光谱色的原色出现负值，使得计算极为不便， 而且不易理解，因此，1 9 3 1 年c i e 推荐了一个新的国际色度学系统一1 9 3 1 c i e - x y z 系统，又称为 x y z 国际坐标制。 5 东南大学硕士学位论文 1 3 21 9 3 1 c i e - - x y z 系统 所谓1 9 3 1 c i e - x y z 系统，就是在r g b 系统的基础上，用数学方法，选用三个假想的原色( x 、 y 、z ) 来代替实际的三原色( x 代表红原色，y 代表绿原色，z 代表蓝原色) ，从而将c i e r g b 系 统中的光谱三刺激值r 、4 b 和色度坐标r 、g 、b 均变为正值。其转换关系如图1 7 所示，图中偏马蹄 形曲线是光谱轨迹，由x 、y 、z 所形成的虚线三角形虽然不真实存在，却包含了整个光谱轨迹，因 而，新系统中的光谱轨迹所包含的点的色度坐标都是正值。光谱轨迹5 4 0 7 0 0 r i m 在r g b 色度图上基 本上是一段直线，且这段直线上的两个颜色相混合可以得到这两种颜色之间的各种光谱色。因此新 的x y z 三角形的x y 边应与这段直线重合，这样，在这段直线光谱轨迹上的颜色就只涉及x 原色 和y 原色的变化，而不涉及z 原色，使得计算方便。另外新的x y z 三角形的y z 边应尽量与光谱 短波部分靠近，这样就可以使光谱轨迹内的真实颜色尽量落在x y z 三角形内较大部分的空问，从而 减少了三角形内设想颜色的范围。在图1 7 中，规定x 和z 的亮度为0 ，x z 线称为无亮度线，无亮 度线上的各点只代表色度，没有亮度。 为了便于使用，将图1 7 进行转换成为麦克斯韦直角三角形，即目前国际通用的c i e l 9 3 1 色度 图，本系统又称为c 1 e x y 系统，仍然保持了r g b 系统的基本性质和关系。利用c i e l 9 3 1 色度图可 以表示各种颜色的色域，其中白色区域以外的其它区域按划分分别代表不同的颜色。有一种区分颜 色的方法就是将色度图上的所有颜色分成2 3 个区域，各区域中的颜色差异不大，利用它可以大致判 断某种颜色在色度图上的坐标范围，如图1 8 所示。 圈1 8c 1 e 1 9 3 1 色度图 光谱轨迹曲线以及连接光谱轨迹两端所形成的马蹄形内包括一切物理上能够实现的颜色；也就 是说，凡是落在光谱轨迹和由红端到紫端直线范围以外的颜色都是不能由真实光线产生的颜色。 y - - o 的直线是无亮度线。光谱轨迹的短波端紧靠这条线，表示虽然短波光刺激能够引起观察者 的反应，即在普通观察条件下产生蓝紫色感觉，但是3 8 0 - 4 2 0 n m 波长的辐通量在视觉上只有很低的 亮度。 6 第一章绪论 从色度图上还可以推算出由两种颜色相混合所得出的各种中间色。光谱轨迹的形状是外凸形的， 因此，任何两个波长光相混合所得出的混合色会落在光谱轨迹上或者由光谱轨迹所包围的面积之内， 而不会落在光谱轨迹之外。 1 3 3c i e l 9 6 0 均匀色度标尺图 在c i e 色度图上，每一点都代表一个确定的颜色，这个颜色的位置是由一定数鼍的红、绿、蓝 三基色的相加混合来确定的，它们从数值上来说各不相同：但是颜色差别是由人眼来判断决定的， 对视觉来说，当颜色在色度图上的坐标位置变化很小时，判断为同一颜色。我们把这个人眼感觉不 出的颜色变化范围叫做颜色的宽容量。 图1 9 为麦克亚当( d l m a c a d a m ) 在c 1 e 色度图上不同位置所选择的2 5 个颜色点确定的颜色 辨别的恰可察觉差。围绕同一标准色度点向各个方向辐射线为一个标准差的距离，发现在不同方向 上，此距离是不相等的。围绕标准色度点，在不同方向上取距离为一个标准差的点的轨迹近似一个 椭圆。还可以看到在色度图不同位置上的2 5 个颜色点的椭蚓形状大小不一样，其长轴方向也不相同。 图1 9 中的各个椭圆形宽容量是按实验结果的标准差的1 0 倍绘出的。 憋 飞 吣吣 舌 o 、r毽岛8 宙 ， 、 ， v 多 一 0 0 曲崩 b 倒 ， 席 嗽 oa 1仉2q 3色氇jo ，6 图1 9 麦克亚当的椭圆形宽容量范围 图1 1 0 c i e l 9 6 0u c s 图 这表明在c i e x y 色度图中，在不同位置不同方向上颜色的宽容量是不相同的。换言之，标准c l e x y 色度图上的相同的几何距离，在不同的颜色区域里和不同的颜色变化方向上，所对应的视觉颜色差 别量大小是不同的，因而不能正确反映颜色的视觉效果。由于c i e l 9 3 1 色度图的不均匀性，在考虑 不同颜色之间的关系时，常会给人们造成错误的印象，从而影响到颜色匹配和颜色复现的准确性。 在色度图上，人眼辨别颜色不敏感的区域，原颜色坐标点与复现的颜色坐标点的距离虽然较大，复 现的效果仍可能是较好的；而在颜色视觉敏感区，虽然两种颜色色度点距离较近，复现质量仍可能 是低劣的。因此，如果对色度图的不同区域都规定同样的色度复现标准，就会使颜色复现出现视觉 上的偏差或者引起不必要的要求提高。 为了克服c i e l 9 3 1 色度图不均匀性的缺点，1 9 6 0 年，c i e 根据麦克亚当的实验制定了c i e l 9 6 0 均匀色度标尺图( c i e l 9 6 0u n i f o r mc h r o m a t i c i t y - s c a l ed i a g r a m ) ，简称c 1 e1 9 6 0u c s 图，如图1 1 0 。 在人的视觉上差别相等的不同颜色，在均匀色度标尺图上也大致上是等距的，因而从图上两个颜色 点的相对距离可以直观地看出两者颜色的差异情况。 7 东南大学硕士学位论文 1 3 4c i e 均匀颜色空间 从c i e l 9 3 1 r g b 系统到c i e l 9 3 1 x y z 系统，再到c i e l 9 6 0 u c s 系统，一直都在向一均匀化”方向 发展。c 1 e 1 9 3 1 x y z 颜色空问只是采用简单的数学比例方法，描绘所要匹配颜色的三刺激值的比例 关系；c i e l 9 6 0 u c s 颜色空间将c i e l 9 3 1 x y 色度图作了线性变换，从而使颜色空间的均匀性得到了 改善，但是它没有亮度坐标，在给出一个颜色的值时必须单独注明亮度值，这样在计算颜色差异时 就很不方便，而实际运用中，很多颜色问题都涉及到物体的亮度因数，因此需要将c i e1 9 6 0u c s 图 的两维平面扩展到包含亮度值在内的三维均匀空间中。 为了进一步改进和统一颜色评价的方法，1 9 7 6 年，c i e 正式采用了两个颜色空间，分别称为c i e 1 9 7 6 ( l u + v + ) 空间和c i e1 9 7 6 ( l + a 铀) 空间。 c i e1 9 7 6 ( l u v q 如果将一个颜色的亮度与参考白场相比，将会得到一个从o 到1 0 0 ( 黑到白) 分布的相对亮 度标尺。在实际运用中，我们可以发现，往往测得的亮度( 1 岫i n 卸c e ) 与人眼所感知到的亮度( 1 i g h t n e s s ) 不能很好地相对应；这个亮度标尺在分布上具有明显的不均匀性，黑色基本上都聚集在一端。为此， c i e 推荐了一个描述l i g h t n e s s 的非线性亮度参数l ，使其更符合于人眼对亮度的感知。图1 1 1 所示 的即是根据l i g h t n e s s 和l u m i n a n c e 分别构造的灰度标尺【4 】。 图1 1 1 灰度标尺 c i e1 9 7 6 ( l u v ) 系统综合了u c s 及这里的l i g h t n e s s 参数。构成了一个均匀的三维色度空间， 通常可称为c i e l u v ，它被认为是c i e x y z 系统的一种均匀化描述。 c i e l u v 空间可以看作是一系列成比例的u c s 图的堆栈，如图1 1 2 所示。 8 第一章绪论 l l o 彳 图1 1 2c i e1 9 7 “l + u + v + ) 色度空间 图1 1 3 c i e1 9 7 6 ( l + a 峋) 空间 c i e1 9 7 6 ( l + a + b 、 c i e l 9 7 6 ( l + a b + ) 空间由c i e x y z 系统通过数学方法转换得到，也称为c i e l a b 。 其中x 、y 、z 是物体的三刺激值；x o 、y o 、z o 为c i e 标准照明体的三刺激值；l 表示心理明 度，与c i e l u v 中的亮度参数一致；矿、b + 为心理色度。 从上式转换中可以看出：由x 、y 、z 变换为l 、a 、铲时包含有立方根的函数变换，经过这 种非线形变换后，原来的马蹄形光谱轨迹不复保持。转换后的空间用笛卡几直角坐标体系来表示， 形成了对立色坐标表述的心理颜色空问，如图1 1 3 所示。在这一坐标系统中，- c a * 表示红色，- a 表 示绿色，+ b 表示黄色。- b + 表示蓝色，颜色的明度由l 的百分数来表示。 1 4 人眼视觉特性及视觉心理影响 1 4 1 人眼视觉特性 人眼的视觉系统是世界上最好的图像处理系统，但它远远不是完美的。人眼的视觉系统对图像 的认知是非均匀的和非线性的，并不是对图像中的任何变化都能感知。在显示器上所表示出来的信 息，是以明暗或色彩的形式分布于平面之上的，它们与亮度、对比度、视力或空间分辨能力以及色 感等相关联。又因显示器上的信息是随时间变化的，所以又与视觉的时间特性和运动规律有关。 1 ) 亮度的感觉 眼睛视网膜上的视觉细胞通过吸收光线和相应的光化学过程，把对象的光信号变换为电信号并 产生明暗感觉。根据光线的波长不同，其在视觉系统中所产生的反应大小也不同，从而获得的明亮 感觉也有所差异。人眼对亮度光强变化的响应是非线性的，通常把人眼主观上恰可辨别亮度差别所 需的最小光强差值称为亮度的可见度阈值。也就是说，当光强i 增大时，在一定幅度内感觉不出， 必须变化到一定值i + a i 时，人眼才能感觉到亮度有变化，a i i 一般也称为对比灵敏度。因此恢复图 像的误差如果低于对比灵敏度，即不会被人眼察觉。 2 ) 对比度的感觉 平时我们所见的外界存在着许多对象，而重点关注的对象常常是在与其它对象的对比中被感觉 到的。对比度的感觉存在着空间的相互作用，因背景不同观察对象的方式也不同。 如图1 1 4 所示，把同样的一个灰色的小正方形放在明暗各异的背景中。如果对象的明亮性与其 背景无关的话，则所看见的小正方形的明亮度应该是相同的。而实际上，由明亮背景包围着的小正 方形看上去比黑色背景中的小正方形显得暗一些。这种现象即称为明亮的对比现象。由于是在空间 内共存的区域之间进行的对比，故又称为同时对比。 ， 9 东南大学硕士学位论文 图1 1 4 明亮的同时对比图1 1 5 色彩对比 同样，如果先看到明亮的对象，后见到对象的明亮程度就会有所不同，这种情况称为继时对比。 而对比的程度会受到背景与对象明暗差异，对象的大小以及位置关系等因素的影响。 当背景有颜色时所产生的对比，称为色彩对比，背景色的补色可在对象内被感知。例如，图1 1 4 的背景变为红色时( 如图1 1 5 ) ，中间包围着的灰色会显出红色的补色绿色。 3 1 色觉的心理现象 随着观察距离的逐渐加大，观察对象的视角也逐渐变小，小型物体的大小会进一步变小，所见 的色彩也会随之变化，直至最后看不到颜色，变成灰色。研究表明，当视角逐渐变小时，首先是黄 色与蓝色消失，接着红色与绿色也看不见了。 在观察中，存在由于色彩的影响而使人感觉到观察对象显得相对靠近或远离的现象。其中显得 靠近的颜色称为前移色，通常是长波长的颜色；而显得远离的颜色称为后移色，通常是短波长的颜 色。此外，还有因颜色不同使人感觉剑观察对象的大小与实际略有差异的现象。显得大的颜色称为 膨胀色，看起来小的颜色称为收缩色。在这种效果中，主要是由明暗度起作用的，明暗度高的黄色 为膨胀色，明暗度低的蓝色为收缩色。 钔视觉的空间特性 视觉的空间图像分辨特性是在评价显示器所显示的图像的精细度、鲜艳度、文字信息的视认性 以及在图像上出现的干扰、空间失真等因素时的重要特性。 当空间平面上两个黑点相互靠拢到一定程度时，离开黑点一定距离的观察者就无法区分它们， 这意味着人眼分辨景物细节的能力是有限的，这个极限值就是分辨率。研究表明人眼的分辨率有如 下一些特点：当照度太强、太弱时或当背景亮度太强时，人眼分辨率降低。当视觉目标运动速 度加快时，人眼分辨率降低。人眼对彩色细节的分辨率比对亮度细节的分辨率要差，如果黑白分 辨率为l ，则黑红为0 4 ，绿蓝为o 1 9 。 目前通用的同时制彩色电视就是利用人眼分辨力的有限性，通过空间法实现彩色的。即将三种 基色光点同时投射到白屏幕上的三个相邻点上，当三个点足够近，人眼不能分辨时，这三个发光点 便在人眼中产生混色效应。这种混色法称为空间混色法。 5 ) 视觉的时间特性 视觉对于光的刺激从感觉上会有一段残留时间，在该段时间内，若有别的光刺激到达视野内的 其他场所，从感觉上会产生与前面的光线同时到达的效果。假如后续的光刺激到达同样的场所，其 感觉的强度会被叠加。 如第四章中将会介绍到的d l p ( 数字光处理) 投影仪正是利用了人眼视觉系统的暂留特性，将 三种基色的光交替的投射到白屏幕上，只要色轮的转速够快，便可在视网膜上形成彩色。这种混色 法称为时间混色法。 1 4 2 视觉心理影响 日常生活中所观察到的颜色很大程度上受到观察者视觉特性和心理因素的影响，即形成心理颜 色视觉。 1 0 第一章绪论 心理颜色和色度学颜色虽大的区别在于，色度学所研究的是色光本身，而不牵涉到研究的对象 和观察者在空间的位置以及观察角度的变化等因素。例如，色光的背景，在c i e 系统中是暗黑无色 的，并且用实验证明了不同的背景并不改变匹配数值。但是心理颜色视觉则不然，当背景改变时， 许多心理作用如颜色分辨力、色调、饱和度、亮度等都会有所改变。如在1 2 2 节中所述，人眼所察 觉剑的色彩具有明度、色调和饱和度三种特性，它们是表示各种色彩的独立要素。但是从实际的心 理感觉上来说，这三者是相互关联着的。 例如，人眼对光谱各色调变化的辨别是很不同的，在饱和度最大而亮度不变的条件下，人眼对 4 9 4 n m ( 青色) 和5 8 5 n m ( 黄色) 特别敏感。在这两个部位中，波长变化l n m 便可以感觉出来，而 在光谱中部( 绿色) ，特别是从具有6 6 5 n m 波长的红色到7 6 0 r i m 波长末端，以及从4 3 0 r i m 的紫色到 光谱末端( 3 9 7 n m ) ，人眼几乎感觉不到色调上的差别。而且在不同的色调下，能辨别的饱和度等级 也有所不同，比如黄色的饱和度等级比起红色的饱和度等级来就少了很多。同时，当饱和度明显减 小和亮度特别增大或者缩小时，人眼对色调的辨别能力也会大大降低。 在本课题研究过程中，考虑到视觉心理影响，我们将会采用一系列的主观视觉实验来评判图像 显示质量的优劣，有关的主观评价的基础知识以及本文常用的统计方法等将在第三章中介绍。 1 5r g b w 系统国内外研究状况 1 5 1r g b w 系统基本原理 在显示技术高速发展的今天，人们对显示器在亮度和功耗等方面的特性提出了很高的要求。以 液晶显示器( l c d ) 为例：l c d 已经被广泛运用到诸如监视器、笔记本和手机等一些便携设备上。 液晶显示具有轻、薄、无辐射，易于彩色化和大规模集成电路匹配性良好等特点。但是它也具有一 个很严重的缺陷，尤其对彩色l c d 来说，效率不高是一个大问题。晟终传递到观察者的光强大约只 有液晶背光源的5 - 1 0 0 $ ，其中5 0 被偏振片吸收，余下的约有2 3 在光线透过滤色片时损耗掉。因 此液晶显示器要获得较高的亮度就必须以高功耗为代价，而这对于便携式设备来说，几乎是致命的。 近来国内外就提高液晶显示器亮度进行了深入的研究，其中有一种方法称为r g b w 系统，即是在原 有系统的红、绿、蓝( r 、g 、b ) 三色通道基础上增加一个白色通道，以使背光源提高发光效率或 降低功耗。 图1 1 6 所示是传统的r g b 系统和改进后的r g b w 系统在保持象素分辨率情况下的子象素结构 图。 ( a ) r g b 系统( b ) r g b w 系统 图1 1 6 子象索结构图 记输入光强为y i ，r 、g 、b 、w 滤色片的透过率分别为t r t g ，t b 和t w ，每帧中每个子像素 的曝光时间分别为艮 e g ， e h 和e 。则输出光强可由式( 1 1 ) 得到： 东南大学硕士学位论文 = 圪( + e r + 疋+ t + 瓦舷+ e ，) ( 1 i ) 假设背光源的光强为i ，r 、g 、b 滤色片的透过率均为1 ，3 ，w 滤色片的透过率为1 ；r 、o 、b 、 w 在整个滤色片上所占面积相等，即它们的曝光时间相等。则对于r g b 系统来说，输出光强约为 3 1 3 i 3 = 3 3 3 3 1 而对r g b w 系统来说，输出光强则可达到3 i 4 1 3 + 1 1 4 1 = 5 0 。由此可见， r g b w 系统相对r g b 系统而言，光强提高了约5 0 。 然而r g b w 显示系统是一个需要多方面进行协调优化的系统。例如，不同的显示系统之间的转 换算法对系统图像显示效果影响很大：不恰当地引入白光可能会引起图像颜色色调的改变，从而严 重影响图像的显示效果：在系统中引入过量的白光会使得图像色彩的饱和度降低使得图像虽然亮 度得到提高但整体效果显得颜色惨淡：而引入的白光不足则对显示效果没有明显改进作用。因此， 在实现r g b w 系统时，显示系统之间的转换算法尤为重要。本论文着重于研究从r g b 输入信号转 换成r g b w 输入信号的转换算法及其转换过程中出现的问题以及对此的改进， 1 5 2 色域映射 由于r g b 系统和r g b w 系统所能显示的色彩范围不同，因此从r g b 系统转换到r g b w 系统 时需要对色域进行映射。色域映射的目的是解决彩色图像在不同色域的颜色设备之间复制再现时所 产生的颜色失真问题。 通常的色域映射方法可分为色域截切( c l i p p i n g ) ，线性压缩( 1 i n e a rc o m p r e s s i o n ) 和非线性压缩 ( n o n 1 i n e a rc o m p r e s s i o n ) 三大类。如图1 1 7 所示吼 输出信号 缩 ( 颜色数据) 输入信号 囱1 1 弗- k g w h & q - 曲= + 咪士畦 其中，色域截切方法将源色域中在目标色域以外的颜色点映射到目标色域的边界上，而保持目 标色域内的点不作改变。由丁会将图像中多个不同的颜色点映射到目标色域中届一个点上，因此这 种截切方法将会引起幽像细节的丢失，然而它的优点在于保持了图像中大部分颜色点的真实性。 线性压缩方法将源色域中的各颜色点按一定的比例全部压缩剑日标色域中。这种方法能够保持 图像的细节不丢失。但有可能会引起比较明显的颜色饱和度的降低。 非线性压缩方法将源色域中的颜色点按非线性比例全部压缩纠目标色域中。这种方法能减小由 截切方法所带米的细节丢失，同时又可以保持大部分颜色复现的精确性。非线性压缩方法又称为软 截切，是上述两种方法的综合。 一般情况f ，治亮度方向的映射会降低幽像的对比度，沿彩度方向的映射会降低图像的饱和度。 在进行色域映射时，既可以同时压缩亮度和彩度，又可以对这两者进行先后压缩。对大多数颜色而 言。同时压缩亮度和彩度的方法要优于先后压缩；但对消色区和低彩度区的颜色而言，后者的效果 1 2 第一章绪论 更佳。 6 1 1 7 1 1 8 1 1 9 1 上面所提到的所有的色域映射算法均在c i e l a b 均匀颜色空间中进行的。而对于实时性的应用 而言，对于从r g b 系统到r g b w 系统的转换，根据输入的r g b 信号将源颜色点直接在r g b 颜色 空间中进行映射则显得更为方便。在专利号为u s 2 2 5 8 4 4 5 3 2 的美国专利“c o l o rd i s p l a y s y s t e m ”中一共列出了三种方法i l o l 。 图1 1 8 ( a ) 所示为r g b w 颜色空间的三维图。画罔的部分为r g b w 系统所不能显示的区域。因 而，圈中的点x 则必须经过压缩或截切映射后才能被系统显示。专利中列出的三种方法如图( b ) 所示。 第一种方法为将颜色点x 映射到其在系统显示色域空间边界的投影点x l 。第二种方法为将x 点映 射到色域空间表面上的点x 2 ，x 2 为x 点与原点。的连线与色域空间边界的交点。这种方法保持了 输出信号中三基色的比例特性，但损失了亮度。第三种方法为仅改变要显示x 点所需的三基色中的 一种基色值，直至达到色域空间边界点x 3 。往往我们会选择蓝色基色，因为相对红色和绿色来说， 人眼对蓝色的敏感度最差。 图1 1 8 应用于r g b w 系统的r g b 颜色空间中的映射算法 综上所述，第一种方法亮度改变最少，但色调发生了较大改变；而第二种方法保持了色调却损 失了大量的亮度值；第三种方法最简单，但它不仅降低了亮度还改变了色调。 1 5 3r g b 系统到r g b w 系统的转换算法 r g b 系统的输入信号在传输过程中经过一个转换过程，成为r g b w 系统的输出信号。该转换 过程主要分为三步：从r 、g 、b ( 红、绿、蓝) 输入信号中提取出w ( 白色) 分量；根据非线性特 性从输入的r g b 信号中扣除该分量值；生成新的r g b w 输出信号i “j 。 目前的专利资料中有多种关于这一过程中不同算法的描述。 1 )专利号为u s 0 0 6 2 5 6 4 2 5 的美国专利“a d a p t i v ew h i t el i g h te n h a n c e m e n tf o r d i s p l a y s ”中所列出的方法将加入w 子象素所发的白光作为图像的一个基色。用r g b 输入信号确定一个预定义的白色信号值，用该信号作为调制，与作为基色的白光值进行比 较，以防止产生色偏”“。 2 ) 专利号为u s 2 0 0 2 0 1 2 2 1 6 0 的美国专利“r e d u c e dc o l o rs e p a r a t i o nw h i t e e n h a n c e m e n tf o rs e q u e n t i a lc o l o rd i s p l a y s ”为1 ) 的改进，利用算法将亮度 通道的值尽可能地合并到白光通道中，使得象素饱和时大部分的白色由白光通道产生，当 象素不饱和时，大部分的白色由彩色基色产生，从而减d , t 时序彩色显示中的色彩分裂i ”j 。 3 )专利号为w 0 0 1 3 7 2 4 9 的欧洲专利“l i q u i dc r y s t a ld i s p l a ya p p a r a t u s ”中提出了 一种通过控制r 、g 、b 信号输入输出比保持不变的算法来实现提高颜色亮度但不改变颜色 1 3 东南大学硕士学位论文 色调的算法，算法中还提出了从r g b 输入信号提取白色信号的几种不同方法 1 4 1 。 4 ) 题为“c o l o rc o n v e r s i o nf r o mr g bt or g b + w h i t ew h i l ep r e s e r v i n gh u ea n ds a t u r a t i o n ”及 “t f t - l c d w i t h r