激光顯示色彩管理范文
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《信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化雜志》2014年第六期
1.1算法色彩管理算法流程一般可分為三個階段：首先通過正向查找表，完成從非均勻RGB顏色空間到均勻顏色空間的轉(zhuǎn)換；然后進(jìn)行色域擴(kuò)展處理，限定色域擴(kuò)展條件，創(chuàng)新色域擴(kuò)展算法，以達(dá)到復(fù)現(xiàn)圖像充分發(fā)揮激光色域大、飽和度高這一優(yōu)勢，這是研究重點(diǎn)；最后利用逆向查找表，完成從均勻顏色空間到RGB空間的轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的查找表算法中一般選用立方體插值、三棱柱插值和四面體插值三種結(jié)構(gòu)，如表1所示。如果可以采用三維插值法以外的方法或者綜合使用這三種插值算法，新的算法要盡量的利用資源，占用盡量少的模塊。最近提出的XYZ插值算法正向插值僅僅需要一個模塊，在邏輯門使用率上也降低了一倍。
1.2色域映射和擴(kuò)展算法傳統(tǒng)的色域映射和擴(kuò)展算法，都是將圖像拆分成單獨(dú)的像素點(diǎn)，然后再對每一個像素點(diǎn)進(jìn)行從原色域到目標(biāo)色域的映射和擴(kuò)展，映射和擴(kuò)展過程并未對圖像的內(nèi)容進(jìn)行分析，因此會造成復(fù)現(xiàn)后的圖像視覺失真。顯示中的色域擴(kuò)展流程見圖2，一般先進(jìn)行飽和度映射；再有選擇的進(jìn)行色調(diào)映射；最后進(jìn)行亮度映射。色調(diào)映射過程中，不改變顏色的色調(diào)，只是適度的加強(qiáng)。傳統(tǒng)色域映射算法，技術(shù)方面可以分為兩類：色域剪裁算法和色域壓縮算法。色域剪裁算法會造成原始圖像中不同的顏色經(jīng)過色域剪裁算法后呈現(xiàn)出同一種顏色，所以大多數(shù)環(huán)境下，該算法不適用。而傳統(tǒng)的色域壓縮算法可分為順序壓縮和并行壓縮，常規(guī)的算法如：LLIN、LCLIP、LNLIN、LSLIN采用的就是順序壓縮的方法，SLIN、CUSP采用并行壓縮的方法。這種算法是將每個像素點(diǎn)的分量單獨(dú)處理，會造成處理后圖像失真和色彩不自然。另外一種可以將傳統(tǒng)色域映射算法分為同步和異步的映射算法，也是通過將圖像拆成獨(dú)立的像素點(diǎn)，并對像素點(diǎn)的飽和度和亮度用公式進(jìn)行映射，同樣具有非常大的局限性，也會造成映射后顏色失真或者不同顏色變成同樣顏色。
1.3色彩管理芯片激光顯示的色彩管理芯片，除了具備一般視頻處理芯片的基本功能，還需要具備色域轉(zhuǎn)換的功能。在激光顯示中，實(shí)現(xiàn)色彩管理大多數(shù)是利用現(xiàn)場可編程門陣列(FieldProgrammableGateArray，F(xiàn)PGA)，F(xiàn)PGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳等資源，可以在色彩管理技術(shù)中被充分利用，并且FPGA兼容CMOS、TTL電平，功耗比較低，有助于降低激光顯示的總體功耗。FPGA芯片主要由七部分組成，即可編程輸入輸出單元(IOB)、基本可編程邏輯單元(CLB)、完整的時(shí)鐘管理(DCM)、嵌入式塊RAM、豐富的布線資源、內(nèi)嵌的底層功能單元和內(nèi)嵌專用硬件模塊。在激光顯示中，色彩管理和圖像處理等功能最終要在一塊即專用集成電路芯片中實(shí)現(xiàn)，也就是說色彩管理功能最終會依靠ASIC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。
2相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系
1954年，美國制定出用于電視信號傳輸?shù)腘TSC標(biāo)準(zhǔn)并根據(jù)當(dāng)時(shí)CRT顯像管中所用的熒光粉規(guī)定了紅、綠、藍(lán)三基色坐標(biāo)，隨后出現(xiàn)的YCC色彩標(biāo)準(zhǔn)中采用NTSC制式中的三基色坐標(biāo)。而sRGB、scRGB、xvYCC三個顏色標(biāo)準(zhǔn)采用了另一套三基色坐標(biāo)，如表2所示。在光源的選擇方面，YCC標(biāo)準(zhǔn)由于出現(xiàn)較早，和NTSC制式規(guī)定的光源一致選取了C光源(色溫為6774K的白光，相當(dāng)于白天的自然光)，為了與當(dāng)前大部分電子顯示設(shè)備保持一致，新制定的標(biāo)準(zhǔn)都選擇了D65作為光源(色溫為6504K的白光，相當(dāng)于白天的平均光照)。在國際照明委員會(CIE)表色系統(tǒng)的四個色彩空間中，任何顏色都可以根據(jù)三刺激值進(jìn)行表示，相同的顏色在不同的表色系統(tǒng)有著不同參數(shù)，參數(shù)可以通過數(shù)學(xué)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。與色彩標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的四個色彩空間如下：(1)CIE-RGB色彩空間CIE-RGB色彩空間是以單色(單一波長)為原色的特定集合，通過使用標(biāo)準(zhǔn)波長的紅光、綠光、藍(lán)光三基色原色獲得CIE-RGB色彩空間的顏色匹配函數(shù)，其中紅綠藍(lán)三基色的波長分為別700nm、546.1nm、435.8nm。(2)CIE-XYZ色彩空間在RGB系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為了克服RGB系統(tǒng)中出現(xiàn)的光譜三刺激值具有負(fù)值帶來的諸多不便，提出了新的XYZ系統(tǒng),XYZ屬于非均勻顏色空間，如圖3所示為XYZ三刺激值曲線，在不同的色溫標(biāo)準(zhǔn)下，RGB三原色的色度坐標(biāo)是不相同的，標(biāo)準(zhǔn)色溫有D65、D50等多種規(guī)格。(3)L*a*b色彩空間在CIE標(biāo)準(zhǔn)中，L*a*b*和L*C*h都屬于均勻顏色空間。L*表示顏色的亮度(L*=0表示黑色；L*=100表示白色)；分量a*表示顏色在品紅色和綠色之間的位置(a*負(fù)值表示綠色，a*正值表示品紅色)，分量b*表示顏色在黃色和藍(lán)色之間的位置(b*負(fù)值表示藍(lán)色，b*正值表示黃色)。(4)YUV色彩空間YUV是逐行倒相(PhaseAlterationLine，PAL)和順序傳送彩色與存儲(SequentielCouleurAMemoire，SECAM)模擬彩色電視制式采用的顏色空間。其中“Y”表示明亮度，而“U”和“V”同時(shí)表示色度。在顯示效果中，YUV空間的Y分量可以直觀的表示為觀察者感受到的顯示亮度，所以對視覺效果亮度的評估，更多的采用通過對Y分量大小評估的方式。四個色彩空間對應(yīng)的色彩標(biāo)準(zhǔn)分別為YCC、sRGB、scRGB和xvYCC。(1)YCC標(biāo)準(zhǔn)YCC標(biāo)準(zhǔn)中的色差信號的概念，是將明度信號的全部信息保留，將Cr、Cb兩個色差信號通道大大壓縮，使傳輸所需的帶寬大大減小，從而保證了信號快速而準(zhǔn)確地傳輸。YCC標(biāo)準(zhǔn)在不改變圖像清晰度的情況下，通過減小色彩通道的分辨率減小整個文件的尺寸。(2)sRGB標(biāo)準(zhǔn)sRGB標(biāo)準(zhǔn)是用于提升顯示器件色彩匹配的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它保證色彩的一致性。sRGB標(biāo)準(zhǔn)使用伽瑪校準(zhǔn)系數(shù)為2.2的色彩空間。sRGB標(biāo)定形式簡單，采集的色彩數(shù)據(jù)占用內(nèi)存低。觀察CRT顯示器的sRGB顏色空間色域，可以看到它所覆蓋的色彩不足人眼所見的50%，尤其是藍(lán)-綠顏色區(qū)域，整體色域范圍不夠大，但sRGB標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)低端用戶和企業(yè)的需求。(3)scRGB標(biāo)準(zhǔn)scRGB標(biāo)準(zhǔn)色彩空間是sRGB標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，對于單個顏色點(diǎn)的描述，scRGB標(biāo)準(zhǔn)中所需要的位數(shù)是sRGB的兩倍，將八位的sRGB擴(kuò)展成了16位scRGB，而且scRGB標(biāo)準(zhǔn)不僅能夠使用整數(shù)，還能夠使用浮點(diǎn)數(shù)，因此scRGB標(biāo)準(zhǔn)能夠顯示更多的色彩，且其精細(xì)程度也比sRGB高，但對表現(xiàn)于黑色和純綠色而言，它們沒有區(qū)別。scRGB使用16位編碼，對負(fù)的三刺激值給予賦值，使得更多的色彩能夠重現(xiàn)，提高了圖像的品質(zhì)。因此scRGB標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足更高品質(zhì)圖像的要求，它能夠在大色域的動態(tài)線形空間中工作。(4)xvYCC標(biāo)準(zhǔn)2006年初,IEC頒布了xvYCC標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是一個面向視頻系統(tǒng)的擴(kuò)展色域YCC色空間標(biāo)準(zhǔn)，它為顯示器件的圖像色彩還原能力方面提供了評判依據(jù)。xvYCC標(biāo)準(zhǔn)不僅對孟塞爾色階中的色彩實(shí)現(xiàn)了完全再現(xiàn)，還將色域擴(kuò)大到了原來的約1.8倍。尤其是對紅、綠、黃三色的再現(xiàn)范圍明顯增大。在xvYCC色彩范圍的攝錄影機(jī)所拍制的影片，如利用符合xvYCC標(biāo)準(zhǔn)的顯示器播放的動畫，其色彩能達(dá)到很好的色彩再現(xiàn)性。比較此四種標(biāo)準(zhǔn)，sRGB和scRGB標(biāo)準(zhǔn)的處理僅僅是一個簡單的伽瑪校正，如果要求顯示中的白點(diǎn)被校正的話，將導(dǎo)致眾多的復(fù)雜問題。而且sRGB標(biāo)準(zhǔn)色域范圍太窄，已經(jīng)越來越不能滿足在顯示設(shè)備上對豐富色彩的再現(xiàn)要求。雖然xvYCC標(biāo)準(zhǔn)能表現(xiàn)高純度鮮艷色彩，但是目前xvYCC標(biāo)準(zhǔn)的普及度卻并不高，因?yàn)榉显摌?biāo)準(zhǔn)的信號源及相應(yīng)的顯示設(shè)備在市場上還不多見。而使用色彩管理技術(shù)，可以將現(xiàn)有NTSC信號源的色域擴(kuò)展到符合xvYCC標(biāo)準(zhǔn)。若輸入信號符合xvYCC標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過測試激光顯示設(shè)備可以達(dá)到xvYCC標(biāo)準(zhǔn)130%~170%的色域覆蓋。
3結(jié)語
如果說激光顯示是一座蘊(yùn)含巨大價(jià)值的礦藏，色彩管理技術(shù)則可以被看作是采礦作業(yè)的得力工具；如果沒有好的色彩管理系統(tǒng)，激光顯示的功用將得不到完全發(fā)揮。激光顯示色彩管理技術(shù)不是一種單一的技術(shù)，而是各種技術(shù)的綜合運(yùn)用。目前，在激光光源、照明模組、圖像引擎、激光顯示整機(jī)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)方面已取得了一定突破。激光顯示產(chǎn)業(yè)需要促進(jìn)激光顯示和色彩管理領(lǐng)域相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)研究工作的開展，隨著激光顯示的標(biāo)準(zhǔn)框架初步形成，其色彩管理方面的標(biāo)準(zhǔn)化研究也必將深入。激光顯示行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化方面以激光顯示整機(jī)檢查評價(jià)和光源技術(shù)的應(yīng)用為主，除了較為成熟的顯示系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)化可行性以外，其余技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化尚不成熟。為了在激光顯示領(lǐng)域中占有一席之地，我國政府在自主創(chuàng)新方面已加大投入。在激光顯示時(shí)代，我國如從激光顯示色彩管理技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)化方面入手，制定相關(guān)規(guī)范，必定在激光顯示顏色標(biāo)準(zhǔn)化方面搶占先機(jī)。如果將激光顯示技術(shù)中創(chuàng)新的色域控制模塊引入產(chǎn)業(yè)化運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的突破，將打破美、日、韓等國長期以來在顯示技術(shù)方面的壟斷地位，提高我國在激光顯示領(lǐng)域的國際市場競爭力。
作者：王蔚生劉紅那柏林單位：華東師范大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院上海電機(jī)學(xué)院電子信息學(xué)院中能激光顯示技術(shù)有限公司
