（光学工程专业论文）激光电视色彩管理系统的研究.pdf

激光电视色彩管理系统的研究 捅姜 激光电视是一种新型的显示技术，将会成为二十一世纪显示领域里最有发展 潜力的技术。它的突出优点是大色域，色域覆盖率可以达到人眼所能识别色彩空 间的9 0 以上，接近n t s c 标准色域的两倍。但是现有的显示制式只能支持现有 的显示系统当中的颜色显示，不能支持宽色域显示的标准。这就给激光显示带来 了一个亟待解决的问题。为了发挥激光显示的色域大、可显示颜色多的优点就要 重新建立一套适合激光显示的颜色管理系统。 本论文以激光电视的颜色管理为主线，通过色域空间的转换原理分析并解决 这个问题。由于激光电视的色域比现有电视的色域大，如果激光电视直接使用当 前的电视信号作为输入信号，显示的图像会出现色彩混乱和失真。因此，我们必 须对现有制式的电视信号做处理，使之变成适合激光大色域显示的信号，使显示 的颜色更加丰富多彩。本文设计了一套适用于激光电视的色彩匹配系统。该系 统应用于采用红、绿、蓝三种主要波长的半导体激光器的背投电视。该系统工作 原理是将视频解码的r g b 驱动信号转换为l 水a 柚木显示信号并在c i e l a b 色空间进 行匹配：完成匹配后将新的l 木a 木b 木信号转变为适用于激光显示的r g b 驱动信号。 激光电视图像彩色处理技术涉及到色度学知识、人眼的视觉特性，视觉心理 特性等等因素。本论文第一章介绍激光显示发展的现状及国内外的研究现状；在 第二章中介绍激光电视的内部结构设计以及光路设计；第三章详细的介绍了色度 学的基础知识，作为色彩管理系统的理论依据。第四章阐明了激光电视色彩管理 的重要意义。详细的分析了激光电视色域转换原理并详细的介绍色彩管理系统的 设计。第五章对色彩匹配算法仿真及实验验证。目前激光电视的研究处于飞速发 展的阶段，在论文的最后做了总结及展望。 关键词：激光电视；色域空间；色域转换；色彩管理 t h e a p p u c a t i o nr e s e a r c ho fl a s e r t vc o l o rm a n a g e m e n t s y s t e m a san e wt ) r p l eo fd i s p l a yt e 吐m o l o g y ；l a s e r t vi sb e c o m i i l gt h em o s tp o t e n t i a l 溉h n o l o 盯a n dw i l lb ed o m i l l a n ti nt h e2 1c e n t u r y sd i s p l a y 丘e l d i t so u t s t a n d i n g a d v 卸t a g e sa r el 哪ec 0 l o rg a m u t c b l o rg a m u tc o v e r a g e0 ft h eh u m a ne y ec a n a c 址e v et h eb e s tc o l o rs p a c ct oi d e n t i f ym o r et h 锄9 0 ，n e a l l y 押i c et h en t s c s t a n d a r d h o w e v c r t h ee x i s t i i l gd i s p l a yf b m l a t sc 锄o n l ys u p p o r tt h ee x i s t i n gd i s p l a y s y s t e mw h i c hc 0 l o rs t a i l d a r d t t l i sh a sb r o u g l l ta b o u tas e r i o u sp r o b l e mt 0l 弱e r d i s p l a v w en e e dt 0r e e s t a b l i s has u i t a b l el a s e rd i s p l a yc 0 l o rm a i l a g e m e n ts y s t e mt 0 a c t l i e v ew i d ec o l o rg a m u tl a s e rd i s p l a y i i lt h i sp a p e r l a s e rt e l e v i s i o nt h em a i nl i n eo fc o l o rm a n a 霉e m e n t t h r o u g hc o l o r s p a c ec o n v e r s i o np r i n c i p l eo f 卸a l y s i sa n ds o l u t i o nt ot h i sp r o b l e m b e c a u s ei a s e rt v s c o l o rg 锄u tm o r ew i d et h 加t h ee x i s t i n gg 锄u t0 ft e l e v i s i o n ，i ft h el a s e r - t yd i r e c t l y u s et h ec u r r e n tt e l e v i s i o nt e l e v i s i o ns i 霉皿a la sa ni n p u ts i 霉皿a l ，d i s p l a yc o l o ri m a g e s w i l lb ec o h s i o na n dd i s t o n j o n w em u s td e a lw i t ht h ee x i s t i n 2s t a i l d a mt e l e v i s i o n s i 印a lt om a l 【ei t f i tw i d ec o l o rg 锄u to fl a s e rd i s p l a ys i 印a l 强dt od i s p l a ym o r c c o l o r m l t l l i sp a p e rh a sd e s i g n e dal a s e rt e l e v i s i o nf o rt h ed y n 锄i cm a t c h i n gs y s t e m t h es v s t e ma p p l i e st ot h eu s eo fr e d ， 野e e n ， b l u e l r e em a i nw a v e l e n g t h s e m i c o n d u c “d rl a s e rr e a rp r o j e c t i o nt e l e v i s i 加f i r s t0 fm l ，n ew o 出n gp 血c i p l e0 f t h es v s t e md e c o d er g b 鲥v es i 印a lt 0c o n v e n et 0p a 协is i 印a l ，s e c o n d ，i nt h e l 宰a 地木c o l o rs d a c em a t c h i n g a tl a s t ，t h en e wm a t c hl 宰a 铀木s i 期a lc 0 n v e nt 0t h e r g bl a s e rd i s d l a vd r i v es i 2 m a l s l a s e rt e l e v i s i o n 如a g ep r o c e s s i n gt e c h i i o l o g yi n v o l v e st h es t u d yo fl m o 、订e d g e c o l o r i t v ，v i s u a lc h a r a d e r i s t i c so ft h eh u m a ne y e ，a i l dp s y c h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h ev i s u a l h lt h ep a p e r t h ef i r s tc h a p t e rw i l li n 昀d u c et h es t a t u s0 ft h ed e v e l o p m e n t o fl 弱e rd i s p l a v c h a p t e ri id e s c r i b e dt h ei n t e m a ls t n l c t u r e0 ft h el 弱e rt e l e v i s i o n ，锄d 0 u ro p t i c a ld e s i 足皿c h a p t e ri i id e t a j l e d 觚a l y s i so ft h el a s e rt e l e v i s i o nc 0 l o r 星r a m u t c o n v e r s i o np r i n c i p l e ，a sac o l o rg a m u tc o n v e r s i o ns y s t e m st h e o r y a n a l y s i so ft h e l a s e rt e l e v i s i o nt h ei i n p o r t a n c eo fc o l o rm a n a 霉e m e n t c h a p t e r i n t r o d u c e st h ec o l o r m 锄a g e m e n ts y s t e md e s i g n c h a p t e rv i 1 1 们d u c e st h ec o l o rm a t c h i n ga l g o r i t h m e x p e r i m e n t s a tp r e s e n t，l a s e rt e l e v i s i o nr e s e a r c hi s a tt h es t a 霉e 0 f 伯p i d d e v e l o p m e n t f i n a l l yt h e s i sc a 埘e do u ta tt h ep r o s p e c t k e y w o r d s ：l a s e rt e l e v i s i o n ；c o l o rg a m u t ；c o l o r s p a c e c o n v e r s i o n ：c o l o rm a n a g e m e n t乙o n v e r s l o n ：乙o l o rj 、1 a n a g e m e n t n 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，或其他教育机构的学位或证书使用过的材 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 并表示谢意。 学位论文作者签名：主一孝反叶签字日期：矽罗年月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 导师签字彬 辩明叶6 月f 日 豸 j妒日 ， ， 、孙 孙 多 签 峰 者 矽 惴 文 玑 倒 瑚 刨 翔 靴 捍 激光电视色彩管理系统的研究 引言 1 1 概述 信息显示技术是当今迅速发展的技术之一。研究表明，人们各种感觉器官从 外界获得的信息中有2 3 的信息都是通过眼睛来获得的，因此图像显示是信息 显示中的最重要的方式n 】。2 l 世纪“信息高速公路”时代的到来，人们对于显 示显像技术已有了越来越高的质量要求和越来越多的数量需求。随着现代信号处 理技术和大规模集成电路技术的飞速发展，平板显示技术应运而生。 平板显示( f p d ) 技术是新世纪的主流显示技术。目前平板显示技术的发展现 状是百家争鸣，液晶显示技术( l c d ) 、等离子体显示技术( p d p ) 、有机电致发光 显示技术( o l e d ) 、场致发射显示技术( f e d ) 、真空荧光显示技术( d ) 和发光二 极管显示技术( l e d ) 都是平板显示器件的典型代表。各种平板显示技术具备自己 的优势的同时又有不足之处乜1 。 近年来，显示技术发生了前所未有的巨大变革，无论是市场还是技术都处于 急剧变化、飞速发展的时期，应用范围不断扩大。据d i s p l a y s e a r c h2 0 0 7 年6 月 份预测数据，2 0 0 9 年全球显示器市场将高达1 0 7 8 亿美元。 在众多不断发展的显示技术中，激光显示代表着显示技术未来发展的趋势和 主流方向，是未来显示领域竞争的焦点。激光显示技术是继黑白显示、彩色显示、 数字显示之后的第四代显示技术。在继承了数字显示技术所有优点的基础上，激 光显示技术以红绿蓝( r g b ) 三基色激光作为显示光源，在色度学方面实现了重 大突破，解决了显示技术领域长期以来悬而未决的大色域色彩再现的难题，因而 能够最完美地再现自然色彩。 激光显示系统在信息显示、工业、交通、科研、教育及军事指挥部门都有重 要应用口1 。当前国际上正处于激光显示技术大规模产业化的前夜，各国正为应对 未来产业化高潮积极准备。国内有十几个机构包括中国科学院、青岛海信电器股 份公司等刚刚开始产业化的研究，且青岛海信国家多媒体重点实验室正在研制激 光投影电视的样机。为了能更好的提高彩色图像的现象质量并于当前主流显示制 激光电视色彩管理系统的研究 式接轨，有必要对视频信号编码与解码以及激光电视的色彩管理系统进行研究。 1 2 激光显示的国内外研究现状 激光电视最初由苏联科学院物理研究所的学者们在诺贝尔奖金获得者尼古 拉。巴索夫领导下研究成功的。它是利用重复调制的激光束直接扫描屏幕而形成 图像的，很快就被公认为是获得大屏幕彩色电视图像的重要手段。第一台激光电 视的屏幕面积就达到达1 2 m 2 ，所以人们称它为巨形电视并将这项技术列入到大屏 幕电视的范筹h 1 。 1 9 6 5 年美国t e x a s 仪器公司发布了第一台激光电视研制成功的消息，在随 后十多年里，多家科研机构对激光电视进行了许多有意义的研究，但在商品化上 却无重大进展。影响激光电视商品化的主要因素有两个：一是扫描装置技术难度 大，不易批量生产；二是激光器的发光效率低、电功耗大，难于实用化踊1 。 1 9 8 0 年上海激光技术研究所研制了单机单色的激光大屏幕显示机。该机采用 氙灯光源投影、激光寻址、高精度环境扫描进行显示，屏幕面积可达6 酷8 m ，亮 度为2 0 0 0 流明，在室内正常照明下图像清晰，获得1 9 8 2 年上海市重大科研成 果一等奖。以后又相继研制成双机双色和单机多色激光大屏幕显示样机口1 。 进入2 0 世纪9 0 年代，激光电视技术呈现迅速发展的趋势。由于近年来微 电子技术和新材料等相关技术的支持，激光电视迅速发展。同时固体激光技术的 发展使三基色光源固体化，效率也大大提高。信息和多媒体显示的市场需求也刺 激了激光电视的快速发展。 目前，国际上开展的激光电视研究多采用基于点扫描和线扫描两种方式： “单像素逐点扫描实现激光彩色视频显示技术 ，德国l d t 公司、韩国三星公司 采用点扫描式，日本索尼公司采用线扫描式。而这两种激光电视均存在着光扫描、 光调制及其精确同步等技术瓶颈问题。并且该技术系统庞大复杂、造价高、稳定 性差，难于实现产品的批量生产，所以研究进展缓慢。 德国激光显示技术公司( u ) t ) 与d a i m l e r b e m z 和s c l l n e t d e rr u n d f u n l 跚e r k e 股份有限公司合资开发激光电视，于1 9 9 8 年初研制出原理样机，但要到2 0 0 5 年才能推出专用型激光电视，到2 0 1 0 年才能推出家用型激光电视。日本s o n y 公司于2 0 0 2 年研制出演示样机，计划2 0 0 4 年进行样机试销，价格1 0 ，0 0 0 美 2 激光电视色彩管理系统的研究 元台。2 0 0 1 年9 月4 日德国施奈德电器公司董事亚当在柏林国际无线电博览 会上表示，由该公司开发研制的激光电视机将在三年后，即2 0 0 3 至2 0 0 4 年进 入德国家庭。亚当说，家庭用的激光电视机将在德国生产。根据当时的计划，每 台的售价将为3 0 0 0 欧元。在柏林举行的第4 3 届视听设备博览会上，该公司所 签订的合同数已超过了过去两届博览会上所签订的数量，公司最受欢迎的产品是 1 6 ：9 的高清晰度电视机啼1 。 2 0 0 5 年，日本s o n v 公司研制成功单元六平方米的投影显示系统，并在拼接 技术基础上，集成出一套五百平方米的激光影院用于爱知世博会向世界展示 s o n y 公司的最尖端成果，采用的光学引擎其核心技术为g l v ( g r a t 她u 咖 v a l v e ) 光阀；2 0 0 7 年s o n y 公司在美国c e s ( c o n s u m e fe l e c t r o n i c ss h a w ，国际 消费电子展) 展出5 5 英寸壁挂式激光背投电视开发样机，采用三片式l c o s 光学 引擎。美国n o v a l u x 公司也先后推出了基于d m d ( d 酒t a lm i n d rd e v i c e ) 和l c d ( “q u i d ( b s t a ld i s p l a y ) 光学引擎的激光电视展示样机。在韩国，家电巨头三 星电子也在研制一种新的光学引擎，并宣称将在未来的三到五年将激光显示推向 市场。2 0 0 8 年9 月，三菱公司推出6 5 英寸的激光背投电视三菱的激光背投技术 使用r g b 三原色固体激光器作为背投电视背光，最大特色就是拥有极为纯正的色 彩表现，号称可超过2 0 0 色域。采用了1 2 0 h z 技术的l a s e f v u e 激光电视可以达到 5 0 0 尼特的亮度，3 d 浏览效果也很出色，并且功耗不会超过2 0 0 瓦，这仅是同尺 寸液晶电视功耗的一半而已，售价更可能高达7 ，0 0 0 美元嘲。 与日本等发达国家相比，我国激光显示技术的研究水平与国际同步，在某些 关键技术方面处于国际领先水平。中国科学院已经在国家“九五 计划和“十五 计划期间，中国科学院有关研究所在国家8 6 3 计划和中科院知识创新工程等国家 重大科学计划的持续支持下，中国科学院开发激光显示技术的工作取得了长足进 展，已初步形成了从材料设计与生长、光学加工与镀膜、激光器件与透射式液晶 光学引擎、到整机集成的技术产业链，并成功研制出6 0 2 0 0 英寸系列化大屏幕 激光全色显示系统，通过了由中国科学院与国家信息产业部的联合成果鉴定，鉴 定结论为：“总体水平与国际同步，单元技术和指标达到国际领先水平”。同时研 究成果申报了多项国际、中国专利，如：拥有l b o 国际专利。我国的激光显示专 利大约有2 0 余项。由于这些专利涉及到了激光显示系统几乎所有的关键技术， 3 蠢光电色彩* 4 系统日r 所以我国可以自主发展丈色域显示技术而不受制于国外专利。2 0 0 6 年6 月6 日， 全国人大副委员长、科学院院长蹄甬祥院士视察激光显示研究工作时要求中国科 学院光电研究院：“面向广大用户需求，抓紧时问推动激光显示技术实用化进程， 最终推向消费型用户”。 在激光显示方面，在8 6 3 计划长期支持下，我国在激光光源、匀场整形照明 系统、消相干技术、系统集成等方面拥有4 8 项专利技术，占全球专利总数的3 0 以上如图1 1 所示，2 0 0 6 年1 月l o 日中科院和信息产业部联合成果鉴定，研 究水平达到国际先进领先水平，在关键核心材料( 如：l b 0 晶体) 拥有国际发 明专利，配套产业如：激光晶体材料、非线性光学晶体材料、光学设计与加工以 及激光技术均有很好的产业基础。与国外在图像调制器件的优势相比，已呈现出 了很强的优势互补格局。在主流的投影式激光显示技术己具备产业发展的技术基 础。 图卜1 激光显示专利分布 由于激光电视具有色域宽、色纯度高、显示画面尺寸灵活可变、绿色环保等 独特优点，因此有着广阔的应用前景；激光电视在公众场合如露天大型图像显示、 教学演示、虚拟现实模拟等领域应用。其以卓越的性能将成为家庭未来首选的视 频显示设备。 13 论文的研究目的与内容 激光电视机是采用半导体泵浦固态激光工作物质，产生6 7 l 咖的红光、 5 3 2 n m 的绿光和4 7 3 n m 的蓝光三种波长的连续激光作为彩色激光电视的背光源。 女 自色彩管理系统的日究 图卜2 激光显示色域与荧光粉色域对比 如上图所示激光显示设备显示色域接近荧光粉显示色域的两倍，由于激光显 示设备三基色选用与荧光粉三基色不同，可显示的颜色范围就不同，匹配成等能 白所需要的三基色的比例也就不同，所以激光显示设备如果使用现有制式视频信 号对激光三基色进行调制，必定会出现颜色偏差和颜色混乱的现象”。由于目 前没有针对于激光、l e d 等宽色域显示的视频信号，如果继续使用现有制式视频 信号就必须进行色域匹配。本论文的主耍目的是建立套适合于激光显示的色彩 管理系统。通过对激光电视呈色特性的研究，建立激光电视呈色模型，从而正确 显示系统颜色。由于不同显示器件、不同显示材料的显示原理不同，它们所表现 的色彩会存在差异，所以将标准的模拟视频信号转化成数字信号后，还要进一步 进行针对于激光显示设备的y 值校正以及色度空间转换，得到适合于激光电视 象素特性的亮度控制信号和色度控制信号。最终的目的是实现激光电视与普通 c r t 电视的视频信号的兼容。 这一系列中间环节的转换，正是本论文研究的主要内容，也是我的主要工作， 建立一个完整的色域转换系统。该系统工作流程是： 视频信号经模拟视频解码芯片的处理完成模拟视频信号的数字化，并 输出2 4 位r g 8 信号和同步信号：( 步骤1 0 0 ，1 。1 ) 视频解码后的2 4 位r g b 信号经过亮度色度转换器分别输出亮度 和色度信号，实现亮度信号和色彩信号的分开调制；( 步骤1 0 2 ，1 0 3 ) 建立二维亮度彩度映射查找表，色度信号通过色相角计算器计算出色 调所在平面并进行二维投影，在查找袁找到对应的亮度彩度实现色度 激光电视色彩管理系统的研究 匹配；( 步骤2 0 0 ，2 0 l ，2 0 2 ，2 0 3 ) 匹配后的l 木a 木b 木信号再经过色域转换系统转换成适合激光显示的2 4 位r g b 驱动信号和同步信号；( 步骤3 ) 最后，数字信号通过空间光调制解调器实现图像调制。 下图为系统工作流程图卜3 ： 2 气7 一一 糕信号wf i i 多 将蒜为r g b 信号，r i ， 盘积 郴x y z 信号7 。1 1 ” 差焉 蛙植 ， 彳优 郴l b 信号7 1 1 。 i 得到彩度信号以i 姘臀维面0 0 卜， 7 l 计算锚点的位乡叶夕0 1 j， 计算缩放比例哆4 夕。2 笆域 弋 匹配i 计算匹配点的位l 配点的l a b 信号l 输 ， l c o s 驱 1 一 入 图 动电路 驱动电 路 路 r g b l c o s r g b 激光器 图2 5 电路系统结构图 目前制约激光显示的瓶颈在于激光器的成本过于昂贵，本光学引擎设计的优 点在于：成本较低，只要激光器的成本降低到市场可接受程度，整机的成本也将 是市场可接受的；与激光器的匹配灵活，只要改动l 一2 个透镜，即可与任何激 光器的相匹配，在激光显示用激光器尚未定型的情况下，这种适应性是十分重要 的。 2 4l c o s ( l i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ) 空间光调制器 l ( b s 投影显示技术是一种反射型液晶投影技术，采用的也是一种以液晶光 电效应为基础的反射式显示芯片作为空间光调制器，是半导体技术与液晶技术相 结合的新技术“n 鄙。显示芯片的基本结构如图2 6 所示，在硅片上利用半导体制 作驱动面板( c m o s l ，c d ) ，然后在电晶体上利用研磨技术磨平，并镀上铝当作反 射镜，形成基板，然后将基板与含有透明电极的玻璃( n d ) 基板贴合，注入液晶 激光电视色彩管理系统的研究 进行封装n 们。由于驱动电路隐藏在金属反射电极的背面，液晶工作在反射状态， 所以显示芯片开口率可达9 0 以上，即使增加像素点也不会降低开口率。与 n l c d 显示芯片的光能利用率相比，u 乃s 显示芯片光能利用率达到4 0 9 6 ，大 大超过了后者，解决了t 盯l c d 显示芯片构造上高分辨率和高亮度相对立的问 题。因此与现有的m p sl c d 及d l p 投影面板相较，ic o s 是比较容易达成高 解析度的投影技术。由于硅基板与对向基板的热膨胀系数不同，难以组装，使成 品率较低、成本较高。 “x 熔嚣板结构髓 c m o s 薅扳 2 6u s 面板结构图 u o s 投影显示系统的三片式结构从整体上分为r g b 三条光路啪1 ，光源所 发出的光束经过照明系统的均匀化并整理成偏光方向后，来自每一基色的光照射 到与自己颜色相对应的以乃s 显示芯片上，再通过显示芯片的调制反射和合色棱 镜的光束合成后，将图像投影到屏幕上。整个系统与三片式n - l c d 投影显示 系统不同之处在于，由于所采用u 功s 显示芯片是反射型显示器件，需要在分合 光系统中利用偏振分光镜p b s ( p o l a r i z a t i o nb e 锄s p l i t t e r ) 将入射l ( ) 0 s 显示芯片 上的光束与反射后的光束分开，以满足显示芯片的偏振光照明要求。 2 5 激光电视色彩管理系统 用三色激光作为新一代的显示背光源与传统的显示技术有着本质的区别。它 的突出优点是大色域，色域覆盖率可以达到人眼所能识别色彩空间的9 0 以上， 接近n t s c 标准的两倍。 2 5 1 色域扩展的必要性 彩色电视信号采用的制式不同，其编码方式、三基色的色度点均不相同。但 1 2 擞光电视色彩管理系统的研究 当今无论从摄像到眦或者n 1 s c 制式的视频信号，都是按荧光粉三基色设计 的，如果三基色选用的不同，可显示的颜色范围就不同，激光显示设备若用上述 三基色颜色控制信号调制，定会出现颜色偏差和颜色混乱的现象。因此，要想实 现与现有的彩色视频信号兼容，就必须进行色域扩展。目前，对于激光显示色域 匹配的研究还处于起步阶段。中国科学院长春光学精密机械与物理研究提出了一 种色域转换算法“叫。该算法采用激光三基色完全再现荧光粉色域的色彩，比 荧光粉色域大的色彩信息都被裁减掉，这样处理的优点是能够避免颜色出现失 真。但是由于激光显示复现颜色的色域要远大于目前电视制式中所采用的荧光粉 三基色所能复现的色域。但是仅仅是实现荧光粉色域所能显示的色彩，这样会失 去激光大色域的优势。为了能够显示更加丰富多彩的颜色。我们设计了一套色 彩管理系统。实现了更大色域上的激光显示，避免显示色彩出现失真，并且能够 现与现有显示制式的兼容。 1 o 0 9 0 8 07 0 6 o 5 o 4 03 o 2 0 1 00 o o0 0 2o 3o 4 o 5o 6 0 7 0 8o91 o x 图2 7 激光色域、【正d 色域、传统a 盯色域对比 从图2 7 可以看出。激光色域几乎是c 盯色域的两倍，而另一种宽色域显示技 术l e d 显示技术可显示的色彩范围也明显的要比c r r 显示的色彩范围太，但在 蓝色调区域与c r t 色域出现了交叉。叩l e d 蓝色调的表现力比c 町差。在l e d 超出标准色域的区域也可以用后面的算法进行匹配。本文算法对于处理交叉色域 激光电视色彩管理系统的研究 的情况也是同样适用。目前l e d 背光源电视已经成为一种新的消费热点，实际 应用在显示上的l e d 价格是非常昂贵的，而应用在照明上的价格比较低，价格 比例大约要在5 ：1 。两者之间最主要的区别是显示中应用的u m 对色温的要求 是非常严格的，由于生产工艺的原因，l e d 芯片的生产中色温不可能控制的那 么精确，往往会生成色温相近的一系列芯片，然后再从其中挑选出符合色温要求 的芯片，这样会造成芯片的浪费。厂商会把这部分成本的增加转加到l e d 销售 中，所以用于显示的l e d 芯片价格会非常昂贵。我们可以将按相同色温分类的 u d 组成背光源，对其中不符合自场要求的背光源，通过4 2 节中自平衡的调 节矩阵对视频信号做一下处理就可以还原出要求的白场，降低对u d 芯片的要 求，从而降低成本，这样做的缺点是会牺牲一部分显示的色域。所以对于l e d 等宽色域显示技术色彩管理都有一定的借鉴意义。 2 5 2 激光电视色域转换总体实施方案 图2 8 设计实施方案 激光电视色域转换总体设计方案如图2 8 ，它主要包括模拟视频信号的编码 和色度空间转换和数字信号编码三个模块。模拟视频信号的解码主要完成模拟 视频信号的数字化，它要求将全电视信号分解成2 4 位的r g b 及一些同步信 号。色度空间转换主要完成c r t 显示器和激光电视这两种不同显示系统的色度 空间之间的转换，把针对c r t 显示的三基色转换为针对激光电视的三基色，这 部分可用f p g a 技术实现。本算法的特点是将解码的r g b 信号转化为与设备无 关的l 宰a 铀木信号，实现亮度信号与色度信号的分别调制，信号转化为适合于激 光显示新的p a 掌b 掌信号，最终转变为2 4 位r g b 信号。数字信号编码部分将2 4 位r g b 信号编制成针对激光电视的彩色电视信号。 1 4 激光电视色彩管理系统的研究 幺5 3 色彩管理的工作原理和流程 由于色域匹配是色彩管理的一个关键环节，所以对色彩管理的工作原理和流 程的了解，对于色域匹配技术的研究是很有必要的。而研究色彩管理，不得不谈 一谈i c c ( 国际色彩联盟) 。i c c 的成员来自世界一些著名的大公司，如a d o b e 、 a 随、a p p l e 、m i c r o s 0 r 、s i l i c 0 ng r a p h i c s 等。该联盟致力于建立、促进和鼓励 标准化以及一个公开、公正、交叉平台的色彩管理系统的发展。制定了一系列的 规范，其意图是提供一个跨平台的设备特性文件格式。这样的设备特性文件可以 用来将一台设备上创建的颜色数据转换到另一设备的颜色空间。目前，标准已被 许多操作系统和各种色彩复制的专业人员所接受，并开始对基于显示的色彩相关 产业产生影响。 通过色彩管理的研究可知，色彩管理系统的基本工作原理是选择一个与设备 无关的参考颜色空间，对整个系统的各个设备进行标准化，建立各个设备的颜色 空间和参考颜色空间之间的关系。在各个设备之间进行转换。 色彩管理的工作流程主要包括设备校准、色彩转换两个方面的内容。即在色 彩管理的过程中，对复制过程中的每一设备用标准参照物进行颜色校准，再分别 建立表征其色彩表现力的色彩存储矩阵，然后在色彩传输时以映射算法为依据进 行色彩转换，实现不同设备之间的色彩匹配。 设备的校准是指将一个设备调到指定或默认的状态。默认状态通常在设备生 产时就被厂商确定，使得设备在最佳的条件下运转。各种设备由于制造过程中的 偏差、环境温度、湿度和部件老化等因素，会出现呈色性能的差异，因此必须进 行校准。校准的目的是使彩色信息在获取和传递过程中具有时间上的连贯性。通 过设备校准，可以保证所有设备以自己的呈色方式形成正确的颜色。设备校准是 进行设备特性化的前提。在对设备特性化之前，必须对系统中所有的设备一一进 行校准，包括输入设备的校准、显示设备的校准和输出设备的校准。显示设备的 校准指标主要包括亮度、白场、色差、色温等。 色彩转换包括两方面的含义：( 1 ) 色空间转换：将某一色彩空间表示的颜色转 换到另一种色彩空间来表示，如r g b 、c 正x y z 、c 正u 国等色彩空间的相互转 换。色彩管理系统中的色彩空间转换是r g b 、c 正x y z 色空间与c l a j 3 色空 间之间的转换。色空间转换解决的是统一颜色值表示的坐标系问题。( 2 ) 色域匹 1 5 激光电视色彩管理系统的研究 配：将一种设备所能描述的色彩空间范围扩展到另一设备所能描述的颜色空间范 围内，进行色空间扩展一般都是在c m l a b 空间中进行的。 进行色彩转换的关键是要建立以下几个对应关系： 1 显示设备的r g b 与c m l a b 之间的关系：将色空间对应到与设备无关的 c m l a b 色空间上。 2 不同色域之间的匹配关系，即激光c m l 宰a 地木色域与荧光粉c m l 产a 事，b 木色域 之间的关系实现不同色域的设备之间的色彩坐标点的对应。 3 将匹配完成的c m p a 幸b 木色域的色度坐标转换到r g b 色彩空间。 在色彩管理系统中，色彩转换的方法很多，大致可以划分为模型法、三维插 值和人工神经网络方法等。 模型法是根据三刺激值的可加性原理，通过建立适当的数学模型，根据输入 输出的数据来确定该模型中的参数，实现变换计算。c r t 显示器的模型则是一 种带y 的矩阵变换，将r g b 空间转换到c m x y z 彩色空间。由于不同设备的模 型差异很大，转换关系非线性度高，模型较为复杂并有一定的假设条件，所以模 型法的通用性较差，转换误差往往不够理想。 三维插值方法首先建立一个三维查找表，用等间距的网格点划分源空间，求 出网格点对应的目的空间的颜色值。对于源空间非网格点数据，需要利用和它最 邻近网格点对应的目的空间值插值求取。插值的转换精度取决于查找表的密度大 小，可以通过减小数据间隔来提高转换精度，但过多的节点意味着测量次数的增 加及存储量的增加。三维插值虽然占用一些空间，但是提高了速度和转换精度特 别是对于非线性映射，如果在均匀颜色空间均匀取样，能够保证在整个颜色空间 的转换精度没有较大差别。通过分析，从系统的复杂成都考虑，这种实现方法比 较适合。 人工神经网络方法的灵感来源于人的大脑和神经系统的功能。如果把彩色校 正看成一个非线性控制系统，就可以用神经网络来模拟该系统。经过反复实验和 不断探索确定的神经网络系统能够满足这种需求。该方法是近年来广泛应用于解 决多因素复杂问题的一种算法，其非线性映射、可学习分类及高速并行处理的特 性适合应用于颜色空间的转换，可达到接近于查表法的精度，而所占存储空间可 以减小很多，是一种有前途的方法。 1 6 激光电视色彩管理系统的研究 本章小结 从总体上介绍了激光背投电视的组成部分，并重点介绍了我独立设计的色彩 管理系统，阐明了进行色彩管理的必要性以及如何进行色彩管理。通过建立一个 三维查找表，将匹配后的色彩的r g b 坐标存储在其中，其读取地址对应着带匹 配的r g b 值，其中没有存储的值可以通过与邻近点的插值算法获得，这样的优 点是可以实现最快的匹配速度。 1 7 激光电视色彩管理系统的研究 3 色度学基础及激光电视色彩匹配基础 色度学是一门介于物理学与化学之间的研究颜色度量和评价方法的学科，是 颜色科学领域里的一个重要组成部分【捌。本文中应用到的算法正是建立在色度 学基础知识之上的，本章将对算法设计和实现中所涉及的色度学基本概念、理论 及实验方法做一简要介绍瞄例。 3 1 格拉斯曼( h g m s s m a n ) 定律 1 8 5 4 年格拉斯曼( h g l 街s m 锄) 总结出颜色混合的定性性质格拉斯曼 定律，为现代色度学的建立奠定了基础。 ( 1 ) 人的视觉只能分辨颜色的三种变化( 例如明度、亮度、饱和度) ； ( 2 ) 在由两个成分组成的混合色中，如果一个成分连续变化，混合色外貌 也连续变化； ( 3 ) 颜色外貌相同的光，不管它们的光谱组成是否一样，在颜色混合中具 有相同的效果。即凡是在视觉上等效的颜色都是等效；。 颜色的代替律若两个相同的颜色各自与另外两个颜色相同a = b ，c = d ，则相 加或相减混合后的颜色仍相同，即a + c = b + d ，a c = b d ，其中“= 代表颜色相互 匹配。一个单位量的颜色与另一个单位量的颜色相同，a = b ，那么这两种颜色 数量同时扩大或缩小相同倍数则两颜色仍为相同，即叫一，仍。 3 2c i e 表色系统 定量地表示颜色称为表色( o d l o rs p e c i f i c a t i o n ) ，所表示的数值称为表色值 ( c o l o rs p e c i f i c a t i o nv a l u e ) 。把为了表色而采用的一系列规定和定义所形成的体系 称为表色系统( c o l o rs y s t e m ) 。这里将表色系统的分类和术语( t e 咖i n o l o g y ) 作简要 说明。 在表色系统中，有例如用1 0 0 0 种不同色卡以某种顺序进行分类的方法。首 先可分为“红、绿、蓝等不同种类的颜色，并称其为色调m u e ) 。对于某一 色调( 例如红色) 的色卡又有亮红色和暗红色，因此又将这些色卡按相对明亮感觉 1 8 激光电视色彩管理系统的研究 即明度( 1 i g i l t n e s s ) 分类。另外，即使是同样明度的红色又有鲜红和淡红之分，因 此又可用表示“鲜艳 程度的彩度( c h r o m a ) ；来分类表示色卡颜色特征的色调、明 度、彩度被称为色的三属性。以显色系统表示的表色值称为显色值( c o l o r a p p e 瑚c ev a l u e ) ，作为显色值可以采用与其三属性相对应的一系列数值来表示。 3 2 1r g b 色度系统 国际照明委员会( c m ) 于1 9 3 1 年根据如下基准确定了标准色匹配函数： 原刺激【r 】， g 】，【b 】定为如7 0 0 叻m ，砧一5 4 6 h 小，九- 4 3 5 跏聊的单色光。 匹配等能白的【r 】，【g 】，【b 】三原色单位的亮度比率为1 0 0 00 ：4 5 9 07 ：o 0 6 01 ， 辐亮度比率为7 2 0 9 62 ：1 3 7 91 ：1 0 0 0o 。 下图是根据1 9 3 1 年c 正r g b 系统标准观察者三刺激值绘出的色品图，在图中偏 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。 飞 i 、 藏色 膏- 和o 椭 口= 5 l t m 翘上曳 l ：4二i o一- i吼z 飞2 鲥一一弋：7 图3 11 9 3 1 年c r g b 系统色品图 从图3 1 中可以看出，表现色光的区域有很大一部分超出了第一象限，这意 味着要表现这一部分色光时，红光或绿光必须为负值。由于发光材料不可能发出 负光从这里已经可以看出，用有限的色光光源不能表现全部的色彩。 3 2 2x y z 色度系统 上节已经指出，色域图在r g b 坐标系统中有很大一部分范围在第二象限， 分布色系数中存在负值，用求和法近似计算色系数时，容易出错：自然界某些颜 1 9 激光电视色彩管理系统的研究 色的相对色系数出现负值，它们的坐标不全在第一象限，作图不方便，为了克服 上述缺点，1 9 3 1 年c 正在r g b 坐标系统的基础上采用三个虚设的颜色作为 计算三基色单位，分别用 羽、【、【z 】表示，从而建立了x y z 坐标系统，并 绘制了新的色度图，x y z 坐标系统是在r g b 坐标系统的基础上通过数学运算 转换产生的一种坐标系统。 徐 f 、 。弋 f l e， e 盖蔼 ，o 雄on | f 暑 飞。 a c 擎o m | 稿飞 7 入警 上 图3 2c 正x y 色品图的光谱轨迹 3 2 3 c 正r g b 与c i ex y z 色度系统的转换 令( x ) ( y ) ( z ) 代表系统的三原色，( r ) ( g ) ( b ) 代表1 日系统的三原色。 据格拉斯曼定律可知，每单位新的原色可以由旧的三原色相加混和得到，可用下 列方程组表示 伍) = 尺，伍) + q ( g ) + 皿佃) ( y ) = 尺，识) + g ，( g ) + 曰，伍) ( 3 - 1 ) ( z ) ；尺：伍) + g ：( g ) + 曰：佃) 式中，r ，g i ，e ( f z ，y ，z ) 为匹配单位原色所需要的旧三原色三刺激值。 某一颜色c 在旧系统中颜色方程为 c ( c ) = 尺伍) + g ( g ) + 口佃) 在新系统种颜色方程为 c ( c ) = x 伍) + 】，( y ) + z ( z ) 将方程( 3 1 ) 代入式( 3 3 ) ，整理得 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 激光电视色彩管理系统的研究 c ( c ) = 恢。x + 尺，y + r z 肚) + 虹石+ g ，y + g ：z ) ( g ) + 佃，x + 召y y + 召：z ) ( b ) ( 3 4 ) 刚差矧习 协5 ， 只要求得疋，q ，也，皿九个系数，则两系统三刺激值的转换关系式( 3 - 5 ) 就 ，g ，以，厂y ，g y ，扫y ，z ，g ：，也，则式( 3 - 5 ) 可写成 刚差爱鞠 6 ， 式中，c 一尺；+ g ；+ 曰，c y = 尺) ，+ g y + b y ，c ：- r ：+ g ；+ b ： 只要求出式( 3 6 ) 的e ，c ，c ：三个值，就确定了两系统之间三刺激值的转换式。 x o ，k ，z