（电路与系统专业论文）液晶显示器色彩还原能力研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

l c d c l 汀 c c f l l e d o l e d e l t f t c f c s f e b u p a l n t s c 山东大学硕士学位论文 符号说明 l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，液晶显示器 c a t h o d er a yt u b ed i s p l a y ，阴极射线管 c o l dc a t h o d ef l u o r e s c e n tl a m p s ，冷阴极电子荧光管 l i g h te m i t t i n gd i o d e ，发光二极管 o r g a n i cl i g h te m i t t i n gd i o d e ，有机发光二极管 e l e c t r ol u m i n e s c e n c e ，电致发光 t h i nf i ht r a n s i s t o r , 薄膜晶体管型 c o l o rf i l t e r , 彩色滤波片 c o n t r a s ts e n s i t i v ef u n c t i o n , 对比度敏感函数 e u r o p e a nb r o a d c a s t i n gu n i o n ，欧洲广播联盟 p h a s ea l t e r n a t i o nl i n e ，逐行倒相 n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e ，国家电视制式委员会 s e c a m s e q u e n t i a lc o u l e u r a v e cm e m o i r e ，顺序传送彩色与存储 c m s c g p s f m d s f s d s f c 瓜 c o m m i s s i o ni n t e r n a t i o n a ld ei e c l a i r a g ，国际照明委员会 s t a n d a r dc o l o rg a m u tp r o c e s s i n g , 标准色域处理 s p a t i a lf r e q u e n c y , 空间频率 m a i l ld i a g o n a ls f ，主对角线空间频率 s e c o n d a r yd i a g o n a ls f ，次对角线空间频率 c o n t r a s ti m p r o v e m e n tr a t i o ，对比度提高率 5 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 岙纽 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论作者签名：番主氢导师签名：毒l 丛日期： 迎文旦知 山东大学硕士学位论文 摘要 现今，液晶显示器( l c d ) 和液晶电视已经成为人们生活和办公不可缺少的部 分。与c r t 显示器相比，l c d 由于体积小，重量轻，并能获得高的清晰度等优点， 得到越来越多入的青睐。但是，l c d 却存在着诸多先天不足，色彩还原性差就是其 中之一。这种先天不足严重制约着l c d 的发展，解决这一问题已成为l c d 发展中 的一个重大问题。由于l c d 色彩还原问题的复杂性，该技术仍然存在很大的发展 空间。 众所周知，c r t 的色彩显示比较完美，几乎能够显示自然界的所有色彩。因此， 显示器行业将c r t 显示色域作为一个标准色域，并将其他显示系统向c r t 显示系 统靠近。基于这一思想，同时考虑显示系统的基色特性，本文将彩色图像从r g b 彩色空间映射到c i e x y z 空间，以满足各种显示系统的色彩兼容性。然后，将l c d 显示系统的色域映射到c r t 显示系统，在不改变l c d 基色特性的前提下，对l c d 色域进行拓展。最后对拓展后图像的三个通道( 即r 、g 、b 通道) 分别进行自然度 和彩色度的校正，便之满足人眼视觉系统对自然界色彩的适应性。 同时，用户可以根据自己对色彩显示的需求，通过设定的可调参数对显示系统 的亮度、对比度和饱和度分量，分别进行调节和控制。 本文在研究现有彩色图像增强算法的基础上，根据亮度、对比度和饱和度三个 颜色属性对彩色图像的贡献，采用不同的方法进行处理。对于亮度分量，本文提出 了基于饱和度分量反馈和人眼视觉特性的自适应增强算法。试验数据表明，增强后 的彩色图像亮度有了很大提高，图像的色彩饱和度没有损失，获得了良好的视觉效 果。对于对比度分量，提出了基于图像四个方向空间频率的增强算法，并计算了图 像对比度提高率。试验结果证明，处理后的彩色图像对比度更大，图像更清晰。对 于饱和度分量，首先在c i e x y z 色彩空间确定图像任一颜色的饱和化坐标，然后确 定该颜色的饱和度，最后对其进行非线性拉伸，来改变饱和度分量的动态范围。大 量试验证明，处理后的彩色图像色彩艳丽，细节清晰，没有产生“云泥 ，视觉效 果很好。 山东大学硕士学位论文 本文所有算法均经过m a u a b 编程实现。对大量的真彩色图像进行试验，并将本 文算法和其他算法进行比较。试验数据表明，经过本文算法处理后的图像和原图相 比，无论在细节方面、对比度方面，还是色彩方面都得到了很大程度提高，视觉效 果更加符合人眼对色彩的适应性。而且，图像的色彩范围与原图相比也有了很大程 度增加。因此，将本文的图像处理算法应用于l c d 的图像处理单元，可以大大提 高l c d 的色彩还原能力，再现完美色彩，得到更加符合人眼色彩适应性的彩色图 像显示。 关键字：l c d ，色域，视觉特性，色彩还原，彩色图像增强 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r s ，l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) a n dl c dt v a r cb e c o m i n ga ni m p o r t a n ta n dan e c e s s a r yp a r ti np e o p l e se n t e r t a i n m e n t sa n do f f i c el i f e c o m p a r e dw i t hc r t , l c d h a sm a n yv i r t u e ss u c ha ss m a l l e rv o l u m e ，l i g h t e rw e i g h t , h i g h e rd e f i n i t i o n , e t c ，a n di n t e r e s t sp e o p l em u c h b u tl c dw a sb o m 埘也m a n y c o n g e n i t a ld e f i c i e n c i e s ，a n dw o r s ec o l o rr e s t o r a t i o ni s a l lo b v i o u so n e t h i sc o n g e n i t a l d e f i c i e n c yr e s t r i c t sl c dd e v e l o p m e n ts e r i o u s l y t os o l v et h i sp r o b l e mh a sb e c o m ea n i r a p o a a n tt a s ki nt h el c dd e v e l o p m e n tr o a d d u et ot h ec o m p l e x i t yo fl c dc o l o r r e s t o r a t i o n , t h et e c h n o l o g yh o wt oi m p r o v et h el c dc o l o rr e s t o r a t i o na b i l i t ys t i l le x i s ta h u g ed e v e l o p m e n ts p a c e r e c e n t l y , d u et ot h ep e r f e ac o l o rd i s p l a y , d i s p l a yi n d u s t r yl e t st h ec r td i s p l a yg a m u t b eas t a n d a r dg a m u ta n dm a k eo t h e rd i s p l a ys y s t e mc o m ec l o s et oc r t s c o n s i d e r i n g t h i sa n dt h ed i s p l a ys y s t e mt r i c o l o rp r o p e r t i e s ，w et r a n s f o r mt h ec o l o ri m a g ef r o mr g b c o l o rs p a c et oc i e x y zc o l o rs y s t e mt os a t i s f yt h ec o l o rc o m p a t i b i l i t yo fd i f f e r e n td i s p l a y s y s t e m o np r o m i s eo fu n c h a n g e do ft h el c dt r i c o l o rp r o p e r t i e s ，m a pt h el c d sg a m u t t oc r t st oe x t e n dl c d sg a m u t a n dt h e nc o r r e c tt h r e ec h a n n e l sw i mn a t u r a l n e s si n d e x a n dc o l o r f u l n e s si n d e xn o n l i n e a r l ya n dm a k ei ts a t i s f yt h en a t u r a lc o l o ra d a p t a t i o no f h u m a nv i s u a ls y s t e m a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n td e m a n dt oc o l o rd i s p l a y , t h i sp a p e rm o d i f i e st h el u m i n a n c e ， c o n t r a s ta n dt h es a t u r a t i o nc o m p o n e n t si nt h ed i s p l a ys y s t e m , , a n du s e r sc a na d j u s ta n d c o n t r o lt h ec o l o rd i s p l a yt h r o u g hp a r a m e t e r st os a t i s f yt h e m s e l v e s b a s e do nt h er e s e a r c ho fc o l o ri m a g ee n h a n c e m e n ta l g o r i t h m , w em o d i f yt h e l u m i n a n c e ，c o n t r a s ta n ds a t u r a t i o nc o m p o n e n tw i 也d i f f e r e n ta l g o r i t h ma c c o r d i n gt ot h e i r d i f f e r e n tc o n t r i b u t i o no fac o l o ri m a g e t ol u m i n a n c ec o m p o n e n t , w ep r o p o s ea na d a p t i v e e n h a n c e m e n ta l g o r i t h mb a s e do nt h es a t u r a t i o nf e e d b a c ka n dt h eh u m a nv i s u a lp r o p e r t i e s e x p e r i m e n t a ld a t as h o wt h a te n h a n c e di m a g el u m i n a n c ei m p r o v e sal o tw i t h o u tr e d u c i n g t h ec o l o rs a t u r a t i o na n do b t a i nb e t t e rv i s u a le f f e c t t oc o n t r a s t , w ep r o p o s ea na l g o r i t h m b a s e do nt h es p a c ef r e q u e n c yo ff o u rd i r e c t i o n sa n dc a l c u l a t et h ec o n t r a s ti m p r o v er a t e t h ep r o c e s s e dc o l o ri m a g eh a sh i g h e rc o n t r a s tw i t hm o r ec l e a rd e t a i l s h o w e v e r , t o s a t u r a t i o n , w ec o m p u t et h em o s ts a t u r a t i o no fac o l o ri m a g ep i x e li nt h ec i e x y zc o l o r s p a c ea n dt h e nc a l c u l a t et h es a t u r a t i o no fe v e r yp i x e l a tl a s t , e x t e n di t sd y n a m i cr a n g e 3 山东大学硕士学位论文 b yn o n - l i n e a rs t r e t c h t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o c e s s e dc o l o ri m a g eh a sm o r ec o l o r f u l c o l o r , h i g h e rc l e a re d g e sw i t h o u t c l o u dm u d ” e a c ha l g o r i t h mp r o p o s e di nt h i s p a p e ri sr e a l i z e du s i n gm a t l a bl a n g u a g e i nt h e e x p e r i m e n t , w ep r o c e s s6 7d i f f e r e n tc o l o ri m a g e sa n dc o m p a r ep r o p o s e da l g o r i t h mw i t h t r a d i t i o n a la l g o r i t h ma n do t h e ra l g o r i t h m e x p e r i m e n t a ld a t as h o wt h a te n h a n c e di m a g e s w i t hp r o p o s e da l g o r i t h mi n t h i sp a p e rh a v ei m p r o v e dm u c hal o tn om a t t e ri nd e t a i l s a s p e c t , i nc o n t r a s ta s p e c to ri nc o l o ra s p e c t , a n dh a v ec l e a r e rd e t a i l s ，s h a r pe d g e s ，h i g h e r c o n t r a s t , m o r ec o l o r f u lc o l o ra n db e t t e rv i s u a le f f e c tc o m p a r e d 诵t l lt h eo r i g i n a li m a g e s a n dt h ep r o c e s s e di m a g e sw i t ho t h e rm e t h o d s b e s i d e s ，t h eg a m u to ft h ee n h a n c e di m a g e b e c o m e sl a r g e rt h a nt h eo r i g i n a li m a g e a p p l yp r o p o s e dc o l o ri m a g ee n h a n c e m e n t a l g o r i t h m si nt h i sp a p e rt ol c di m a g ep r o c e s su n i t , t h el c dc o l o rr e s t o r a t i o na b i l i t yc a r l b ei m p r o v e do b v i o u s l ya n do b t a i np e r f e c tc o l o ri m a g ed i s p l a y k e y w o d s ：l c d ， c o l o rg a m u t ,v i s u a l p r o p e r t i e s ， c o l o rr e s t o r a t i o n ,c o l o r i m a g e e n h a n c e m e n t 4 山东大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 显示器作为个人学习娱乐及企业日常办公的必备之物，其技术水平也在发生着 翻天覆地的变化。和c r t 显示器相比，液晶显示器有许多优点，得到越来越多人的 青睐。而且液晶显示器的各项性能指标逐渐向c r t 靠拢，大有将c r t 挤出市场的 态势。但是和c r t 显示器相比，l c d 显示器在色彩显示方面存在着先天的缺陷。 为了解决这个问题，本文首先介绍一下c r t 显示器和l c d 显示器的彩色显示原理 及其差别。 1 1 1c r t 和l c d 彩色显示原理 计算机主机输出的电信号，无论输出到c r t 显示器还是输出到液晶显示器， 其信号都是相同的口1 。显示器的功能是将显卡上的图形图像信号转换成图像反映 在显示屏幕上。 ( 1 ) c r t 显示器显示原理 c i 盯( 阴极射线显像管) 显示器主要由电子枪、偏转线圈、荫罩、荧光粉层和 玻璃外壳五部分组成脚。显像管内部的电子枪发射出高速的三束电子束，以极高 的速度去轰击荧光粉层。它们分别受显卡r 、g 、b 三个基色视频信号电压的 控制，经过偏转线圈的作用穿越荫罩的小孔或珊栏，去轰击荧光粉层。受到高速 电子束的激发，荧光粉分别发出强弱不同的红、绿、蓝三种光。根据空间混色法 产生丰富的色彩。用这种方法可以产生不同色彩的像素，而大量不同色彩的像素 可以组成一帧漂亮的画面，而不断变换的画面就成为活动的图像。 ( 2 ) l c d 显示器显示原理 液晶显示器利用液晶的光电效应，是通过调节外部光源的光进行显示的被动型 显示器嘲。利用液晶能够在电场的作用下旋转、改变晶体排列，以及偏光膜能够产 生偏正光的特性，达到显示图像的目的。液晶显示器结构上属于平板显示器件，其 基本构造呈平板状。尽管不同类型的液晶显示器件的部分部件可能不同，但几乎所 6 山东大学硕士学位论文 有的液晶显示器件都可以认为是由两片光刻有透明导电电极的玻璃基板，支持一个 液晶层封接而成的一个扁平盒构成，称为液晶显示屏。组成屏幕的液状晶体有三种： 红、绿、蓝，叫做三基色，它们按照一定的顺序排列，通过电压来刺激这些液状晶 体，就可以呈现出不同的颜色，不同比例的搭配可以呈现出千变万化的色彩。它的 工作原理就是利用液晶的物理特性，将液晶置于两片导电玻璃基板之间，靠两个电 极间电场的驱动引起液晶分子扭曲向列的电场效应，在电源接通断开控制下影响 其液晶单元的透光率或反射率，从而控制光源投射或遮蔽功能。这些光线透射构成 液晶单元的红、绿、蓝三原色像素点，通过液晶分子偏转的角度和光线的强弱来控 制每个像素以获得不同灰度层和颜色的图像。 和c r t 显示器相比，l c d 的优点是很明显的，高清晰、小体积等。但l c d 显示器图像质量仍不够完善。在色彩表现和饱和度方面，l c d 显示器都在不同程 度上输给了c r t 显示器。而且液晶显示器的响应时间也比c r t 显示器长，当画面 静止的时候还可以，一旦用于玩游戏、看影碟这些画面更新速度快而剧烈的显示时， 液晶显示器的弱点就暴露出来了，画面延迟会产生重影、脱尾等现象，严重影响显 示质量。 1 1 2l c d 技术指标 为了进一步了解l c d 显示器和c r t 显示器相比之下的优点，下面介绍几个和 本文密切相关的l ( m 技术指标h 1 ( 1 ) 分辨率 分辨率是指屏幕上每行有多少像素点、每列有多少像素点，一般用矩阵行列式 来表示，其中每个像素点都能被计算机单独访问。 分辨率越高，同一屏幕内能够 容纳的信息就越多。对于c r t 显示器来说，无论是3 2 0 2 4 0 还是1 2 8 0 1 0 2 4 分辨 率，都能够比较完美地表现出来( 因为电子束可以做弹性调整) 。l c d 的最大分辨率 是它的真实分辨率，也就是最佳分辨率，一般不能任意调整，它是制造商所设置和 规定的。一旦设定的分辨率小于真实分辨率( 例如1 5 寸l c d ，其真实分辨率是1 0 2 4 7 6 8 ，而w i n d o w s 中设定的分辨率是8 0 0 x 6 0 0 ) 的话，将有两种显示方式。一种是 居中显示，只有l c d 中间的8 0 0 6 0 0 个点会显示图像，其他没有用到的点不会发 7 山东大学硕士学位论文 光，保持黑暗背景，看起来画面是居中缩小的。另一种是扩展显示，这种方式会用 到屏幕上每一个像素。但由于像素很容易发生扭曲，所以会对显示效果造成一定影 响。现在，l c d 最高能达到1 9 2 0 1 2 0 0 分辨率。 ( 2 ) 亮度和对比度 液晶显示器的亮度主要是背光源的亮度决定的，这个光源的亮度决定整台l c d 的画面亮度及色彩的饱和度。理论上来说，l c d 显示器的亮度是越高越好。目前国 内外液晶显示器的亮度可高达8 0 0 c d m 2 。对比度就是黑与白两种色彩不同层次的对 比测量度。液晶显示器的对比度实际上就是亮度的比值。对比度有静态对比度和动 态对比度之分。静态对比度是真实的对比度指标，动态对比度是在某个瞬间屏幕最 亮和最暗处的亮度比值，通常可以通过动态调节背光电流来达到较高的动态对比 度。一般，一台液晶显示器的动态对比度是实际对比度的3 - 5 倍。目前液晶显示器 的动态对比度可高达1 2 0 0 0 ：l 。 ( 3 ) 色深 色深就是屏幕上最多显示多少种颜色的总数。从理论上来说，c r t 可以显示的 色彩是无限的，而l c d 的色彩显示却是有限的。例如，1 6 位的l c d 显示器可以显 示6 5 5 3 6 种颜色，2 4 位的显示器可以显示1 6 7 7 7 2 1 6 种颜色。由此可以看出，显示 器的位数越高，显示器能显示的色彩数越多，色彩越丰富，画面的质量越好。 我们在使用显示器时就会发现，l c d 的色彩鲜艳程度和细致程度都没c r t 的好， 这就是l c d 色彩还原缺陷的一个方面。理论上来讲，色彩会是c r t 好，这是l c d 先天的限制，细致程度也是c r t 好。我们在测试l c d 的色彩还原性时一般是和c r t 的色彩还原性相比较。在视频领域，人们一般用n t s c 作为衡量视频设备的色彩还 原特性的标准。这个指标是指，在整个色彩空间内，显示设备能在各种色彩上显示 到何种饱和度，就是能够显示到什么程度的蓝色、绿色、红色。如果我们仔细观察 l c d 的色域曲线，就会发现，绿色、黄色和红色部分和标准色域( c r t 色域) 距离较 远。因此，l c d 的色彩范围较小，难以完美呈现绿草、大海等自然场景。据一些业 内人士透露，红色和绿色和白色是液晶显示器最难产生的颜色。 山东大学硕士学位论文 色彩是评价一台显示器是否优良的一个重要标准。传统c r t 一个像素的色彩 是由相邻的几个色点( 红、绿、蓝三种) ，经过光学原理混合后显示某种颜色的， 理论上可以显示无限的色彩；而液晶显示器的每一个像素都是由三个液晶单元格 组成，其中每一个单元格前面都分别装有红色、绿色、蓝色的色彩过滤器，通过 不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的色彩。这些过滤器都是通过驱动 i c 来进行控制，而最高的8 b i t 驱动i c 也只能够对色彩过滤器提供2 5 6 级的灰阶。 灰阶越多，说明面板能显示的色彩也越多，对细节和层次的表现力越强。由于用 于构成各种颜色的红色、绿色、蓝色三原色每种也最多只能够提供2 5 6 级的灰阶， 这样，即使混合起来也不会超过2 5 6 2 5 6 2 5 6 = 1 6 7 万种颜色，即2 的2 4 次方， 2 4 位色，与常用的3 2 位色相比还有很大差距。 色彩表现方面，l c d 还是无法与c r t 显示器相比。虽然现在绝大部分l c d 都宣称 能够显示3 2 位色彩，达到1 6 7 m 种颜色显示，看起来与c r t 无异，但实际上大部分都 是通过抖动算法来实现的，与真正的3 2 位色相比还有差距。所以，在色彩的表现力 和过渡方面，l ( d 仍然不及传统的c r t 显示器。 综上所述，提高液晶显示器的色彩还原能力，再现完美的色彩显示，具有较强 的现实意义和研究价值。 1 2 研究背景及相关理论 现在液晶显示器在分辨率、响应时间、视场等许多方面都取得了很大的进展， 但是这些技术的发展使得消费者对液晶显示的要求也越来越高。色彩显示效果和色 彩还原能力是使用者和生产者一直追求的目标。影响液晶显示器色彩的因素也有很 多，例如液晶面板、g a m m a 值变化等，都会影响到显示结果，使图像的亮度和色彩 发生变化。现在很多厂家为了提高液晶显示器的色彩还原能力开发了许多技术，液 晶显示器的色彩还原能力有了大大的提高，色彩更加接近自然色彩。下面简单介绍 一下提高色彩还原能力主要的技术。 提高液晶显示的色彩还原能力一般从以下几个方面作手： 一( 1 ) 改进驱动电路 9 山东大学硕士学位论文 显示器驱动电路的位数越高，它所支持的色彩数量就会越多。例如8 b i t 驱动能 显示的色彩总数为1 6 7 7 7 2 1 6 种色彩，简称1 6 7 m 色。而6 b i t 驱动只能显示2 6 2 1 4 4 种 色彩。虽然位数只差了2 位，但色彩数量是天壤之别。6 b i t 面板能显示的色彩还不 至u s b i t 面板的2 。但是就目前液晶面板技术而言，更高位数的驱动电路只能让液晶 面板显示的色彩更加精密，并不能从根本上拓展显示器的色彩领域。 ( 2 ) 提高液晶面板的工艺技术 像素是屏幕的最小显示单位，像素越多，画面的清晰度就越高。点距是两颗像 素中心的间距，点距越小，画质就越细腻。在l c d 显示屏尺寸和像素一定的情况下， 通过显示屏工艺技术的改善，改变液晶分子的排列方式，缩小像素之间的栅格，将 屏幕中间不能透光的鬣栅格 最大程度地变窄，从原来的0 5 1 m m 缩d , n 0 1 5 m m ，最 大程度地实现了“无缝透光 屏幕透光率高达9 3 ，可以有效地改善对比度、亮 度和色彩，从而达到提升显示器画质的目的。 ( 3 ) 改进背光源 液晶显示器件( l c d ) 本身不能发光，它靠调制外界光达到显示目的。现有l c d 大多是透射型的，背光源是其不可或缺的组成部分。现在采用较多的是c c f l 背光技 术、l e d 背光技术、o l e d 技术、e l 技术等。正在研发的新的背光源还有好多种， 如日本d i a l i g h t 开发成功了一款采用碳纳米管的场发射型高亮度背光灯。采用这些 技术都能提高显示的色彩还原能力，扩大显示色域。但是经过检测得知，它们都是 对某个色阶进行了提升和改进，但是某些色阶却退步了，而且并没有包括所有s r g b 色彩空间，因此还需要改进技术以得到更宽广的色域及更好的色彩还原能力。 4 ) 改进图像处理单元 对显示器的亮度、对比度、色彩还原能力进行整体的调整和改进。首先对输入 的r g b 进行伽玛校正和预处理，把r g b 转换为y u v 信号，再对u v 色域中进行局部的颜 色控制，对肤色、自然等进行调整以最大限度的接近真彩色。但是必须对亮度、对 比度等进行调整，这样才能在显示器上显示出完美的色彩。 ( 5 ) 改进彩色滤光片 彩色滤光片( c o l o rf i l t e r ) 是液晶平面显示器彩色化的关键零组件，是面板关键 l o 山东大学硕士学位论文 零组件中生产成本比重最高的部分。l c d 面板之所以能够产生色彩的变化，主要是 来自彩色滤光片。所谓液晶面板是透过驱动i c 的电压改变，使液晶分子排排站立， 从而显示画面，而画面本身的颜色是黑白两种，通过滤光片就可以变成彩色图案。 目前有很多公司采用高清晰、高透过、高偏旋光性的偏光膜和性能更好的彩色滤光 片，来达到丰富色彩的目的。 ( 6 ) 采用多基色信号 现在，很多显示器研发公司企业采用了多基色显示来扩大显示器的显示色域， 如创维。从l i 色度图中可以看出，l c d 在大自然中色彩极为丰富的黄色和青色部 分显示严重不足，因此可以增加黄色光源等来增加显示色域。目前已经有四基色， 六基色r g b c m y 的显示器。 ( 7 ) 改进彩色显示系统 保持现在的基色不变，扩大r g b 信号的传输范围，从0 - 一1 扩大为小于o n 大于1 。 对负值区的伽玛校正曲线加以比例缩减对矫正后0 - - - 1 范围内的信号分量采用原来 的量化，而对超出0 1 这个范围的信号分量进行新的量化。为了减小引入的量化误 差，可对数字亮度及色差方程中的整数系数进行优化选择。 1 3 本文的研究内容和章节安排 针对液晶显示器在色彩显示方面存在的缺陷，本文通过改进l c d 的彩色图像处 理模块，将l c d 的色域映射到c r t 色域，并对映射后的三基色进行非线性修正，以 得到更加符合人眼视觉的色彩显示。同时对显示器的亮度、对比度和饱和度调节控 制器进行了调整和增强，这样用户可以根据自己的需要对特定参数进行调整，以获 得适合自己的图像色彩表现力。 我们主要做了以下研究工作： 1 在研究国内外l c d 色彩还原方面资料的基础上，把c r t 显示色域作为一个 标准色域，提出了基于c r t 标准色域的l c d 色彩还原算法。把彩色图像从r g b 彩色 空间映射到c i e x y z 空间，以满足各种显示系统的色彩兼容性。在c i e x y z 空间，把 l c d 显示系统的色域映射到e r t 显示系统，在不改变l c d 基色特性的前提下，对l e d 山东大学硕士学位论文 色域进行拓展。最后，对拓展后图像的三个通道( 即r 、g 、b 通道) 进行自然度和彩 色度的校正，使之满足人眼视觉系统对自然界色彩的适应性。同时，本文还给出了 确定图像色域的方法。处理后的彩色图像不但更加自然、色彩更加丰富，色域更大， 色彩还原性更好。 2 考虑到不同用户对色彩显示的需求不同，对图像亮度、对比度和饱和度各 个分量进行了调节，使得用户可以根据自己的需要来调节参数。对于亮度分量，提 出了基于人眼视觉特性的自适应增强算法，强化细节、平滑噪声、调节亮度；对于 对比度分量，提出了基于图像空间频率的处理算法，提高图像对比度，锐化细节， 降低噪声，取到了良好的视觉效果；而对于饱和度分量，提出了基于显示系统的饱 和化和去饱和算法，提高了图像色彩丰富程度。我们把处理前的图像在c r t 上显示， 处理后的在l c d 上显示，视觉上来看，处理后图像无论在色彩方面、亮度方面，还 是对比度方面，都非常的接近c r t 上图像显示效果。 在内容安排上，本文共分五章。具体安排如下： 第一章绪论，首先简单介绍了本文课题研究的意义，然后详细介绍了提高液 晶色彩还原能力的研究现状，最后给出了本文主要研究内容和全文的结构安排。 第二章简单介绍了人眼视觉特性和色彩学基础，包括人眼视觉适应性、颜色 属性、混色原理、色彩空间和色域覆盖率，为本文以下的内容奠定了基础。 第三章详细介绍了本文提出的基于c r t 标准色域系统的l c d 色彩还原算法的 原理、方法，最后给出了实验结果及分析。 第四章简单介绍了彩色图像处理基础，包括直方图处理、平滑、锐化等，对 每一种方法都给出了不同色彩空间的处理效果图，对不同算法进行详细分析。 第五章详细介绍了本文提出的亮度、对比度和饱和度增强算法，包括基于人 眼视觉特性的自适应亮度增强算法，基于图像空间频率的对比度处理算法以及基于 显示系统基色特性的饱和度处理算法。经过亮度、对比度和饱和度处理后，图像细 节更加清晰，亮度更加自然，色彩更加丰富，视觉效果良好，达到了彩色图像增强 的目的。 最后对本文工作进行总结和展望。 山东大学硕士学位论文 第二章人眼视觉特性与色彩学基础 数字图像处理领域是建立在数学和概率统计表示法的基础上，但人的直觉和分 析能力相比之下在选择一种技术时起到了核心作用。所以，本文将介绍一些人眼的 视觉系统的基本特性。由于本文的算法均是在彩色图像空间进行处理的，因此，需 要介绍关于色彩学方面的基础知识。 2 1 人眼的视觉特征 人眼视觉反映了客观刺激与人脑神经系统的相互作用，是我们观察和理解周围 环境的一个人体组成部分。当照明光强度及光谱分布发生变化时，人眼视觉不会受 到大影响，正常得到信号，这是由于人眼具有适应性1 。人眼感光的适应性主要有 亮度适应、色度适应及由适应引起的对比效应，下面分别加以讨论。 ( 1 ) 暗适应 所谓的暗适应是指当观测者由室外进入暗室中，由于照射光源明度突然降低， 而导致人眼暂时无法见到室内景像。其原因为，环境明度的降低量比人眼感度减少 得较快速而造成，此种现象称为暗适应。此适应过程约需几十分钟，但前1 5 分钟是 关键，一般在3 0 分钟左右达到稳定。 ( 2 ) 亮适应 亮适应是指观测者由暗室步出室外时，由于环境光量突然的增加而造成人眼在 短时间无法看见景象所产生的一种视觉现象。就是当我们从暗环境进入亮环境，人 会感到睁不开眼，但很快，就能分辨景物的明暗和颜色。人眼经过一短暂时间的适 应后，感知能力会由原先的某一动态范围转换到另一动态范围，再经过一段时间后， 便会重新恢复为原有的感度。一般在1 分钟内能达到稳定，可见人眼亮适应比暗适 应快。 ( 3 ) 色度适应 当人眼对某一色光适应后，再观察另一物体的颜色时，不能立即得到客观颜色 的视觉，而感到物体带有原适应色光的补色成分，需经过一段时间适应后，才能获 山东大学硕士学位论文 得客观的颜色感觉。 ( 4 ) 对比效应 刺激的亮度和色度受周围背景的影响而使人产生不同感觉的现象叫同时对比 效应，这里包括亮度和颜色对比。我们观看黑色背景的灰点和白色背景上相同亮度 的灰点时，就会出现前者的灰点引起主观亮度感觉比后者亮一些的现象，这就是由 适应性引起的亮度对比效应。在观看彩色时也有类似的情况，即暗背景中的彩色看 起来比亮背景中的彩色更明亮。这是一种彩色饱和度对比效应( 使两色饱和度的差 异增强) 。另外，各种彩色搭配时，还会产生色调对比效应( 每一种颜色的色调都向 另一种颜色的补色方向变化) ，物体面积对比效应以及彩色同化效应等。 关于对比效应有一个定性的规则，即基尔希曼规则忉，其基本内容如下： 1 ) 目标比背景小，颜色对比大。 2 ) 颜色对比在空间分离的两个邻域内也能发生，间隔大时则效果较小。 3 ) 背景大，对比量亦大。 4 ) 明暗对比量小时，颜色对比最大。 5 ) 明暗对比相同时，背景色度高对比量大。 6 ) 亮度或颜色的恒定性，即物理亮度变化而感觉保持一定的倾向。 ( 5 ) 对比度灵敏度特性 对于不同亮度的背景，人眼能察觉到的最小亮度差异也不同，人眼分辨亮度的 能力与背景亮度有关。人眼对亮度强度变换的响应是非线性的阳1 。 对于人眼的视觉系统而言，对比度是一个非常重要的概念，因为表示视觉系统 的信息不是单独和信息的强度有关，还和其背景的强度对比有关。对比度的定义和 测试信号有关。对简单测试信号的对比度定义最早由w e b e r 阳1 提出，w e b e r 对比度定 义如下： q = 警 ，z 一) 1 4 山东大学硕士学位论文 其中，l 8 是物体的亮度，l 。是背景的亮度。 将不同的空间频率( 即一定的视角内明暗相同的条纹数目不同) 作为横牮标，将 条纹与空白之间亮度的对比作为纵坐标，即将视角与对比度结合起来，测定对各种 不同空间频率的图形人眼所能分辨的对比度，得出对比度敏感函数( c s f ) 。c a m b e l l 和r o b s o n n 们通过对比观察提出，视觉系统是由一系列独立的神经通道组成的。每一 个通道都只与其特定的很窄范围的空间频率和方向性有关，且有它自己特定的敏感 性范围。所有的对比度敏感度功能都是每一个通道的反应。图2 1 给出了人眼视觉 系统的亮度分量和色度分量的对比度敏感函数曲线。 伽 釜 兰 。蚕1 0 a i ； i ； ；i 矧 i 鋈鬻穿篓薹孽警鬻篓； 骘i 善蛩 点；删j 曩，：汪菲臻： 鹬蓦! 拳一i 瓤甄：瓢：慧 却棚瑚呻t 矗呵钿c p i | 图2 1 亮度和色度信号的对比度敏感函数 从图2 1 中可以看出，亮度分量曲线呈带通特性。对于亮度分量而言，人眼主 要对中频信息敏感，而对于较高或较低频段的信息敏感度都下降。而对于色度分量， 曲线呈低通特性，人眼对于低频信息的颜色敏感性更高。 2 2 颜色基本特性 颜色是不同波长的可见光辐射作用于人的视觉器官后产生的心理感受，对人 眼颜色视觉进行定性和定量研究是彩色图像处理的基础。 1 颜色属性及其定量描述 色调( h u e ) 反映颜色的类别，是区分不同颜色的特征属性。色调是以光波长为 基础的，是以到达人眼的各波长分量综合形成的。人感受到的颜色光可有不同组合， 不是唯一的，这是人彩色视觉的一个特点。可见光谱范围内，光源辐射波长不同， =：曼：?蓦 | | 鍪| ；窭 蛙竹雏愿醚蘸蹩 山东大学硕士学位论文 在视觉上呈现不同的色调，如表2 1 所示。 表2 1 颜色波长范围 颜色紫蓝青绿黄绿黄 橙红 波长范围 i n m 3 8 0 - 4 3 0 4 3 0 - 4 7 04 7 0 - 5 ；0 05 0 0 - 5 3 05 3 0 5 6 05 6 0 - 5 9 05 9 0 6 2 06 2 0 - 7 0 0 饱和度( s a t u r a t i o n ) 表示颜色接近光谱色的程度，反映颜色的纯度，即色调深 浅程度。对于同一色调的彩色光，其饱和度越高，说明它的颜色越深；饱和度越低， 说明它呈现的颜色越浅。各种单色光的饱和度最高。任意一种颜色都可以看作是某 种光谱色与白色混合的结果。光谱色所占的比例越大，颜色接近光谱色的程度越高， 颜色的饱和度就越高。即，单色光中掺入的白光越多，饱和度越低。 亮度( l i g h t n e s s ) 指描述颜色是亮或暗的一种属性，表示颜色明暗的程度。亮 度是彩色光对人眼引起的光刺激强度，是一种光的强度测量方法，与光的能量有关。 如果两种颜色有相同的相关光谱组成，那么它们的不同仅仅在于它们亮度上的区 别。 颜色是人类视觉系统对光波刺激的反应，但它不是光波本身的物理特性，而是 出于人眼的生理结构和心理活动是基本一致的。颜色光学的大量实验表明，人类对 色光刺激的反应是三变数的，主要表现为：人眼只能感受颜色的三种变化，例如： 亮度、色调、饱和度，也可以用其它类似的三种特性表示；每一种颜色都能用三 个选定的原色按适当的比例混合而成，即三基色原理。 用亮度、色度和饱和度来表示颜色具有形象、直观的优点，但主观性强。常用 的颜色表达多是根据三基色原理而构成。三基色原理是指自然界中常见的大部分彩 色都可由3 种相互独立的基色( 如红、绿、蓝) 按不同的比例进行混合得到，合成彩 色光的亮度由三个基色的亮度之和决定。所谓独立，是指其中任何一种基色都不能 由另外两种基色合成。 2 格拉斯曼定律 1 8 5 4 年格拉斯曼( h c n a s s m a n n ) 在颜色匹配试验的基础上总结出颜色混和的定 性性质，称为“格拉斯曼定律一，为现代色度学的发