激光显示色彩管理范文

《信息技术与标准化杂志》2014年第六期

1激光显示色彩管理技术

1.1算法色彩管理算法流程一般可分为三个阶段：首先通过正向查找表，完成从非均匀RGB颜色空间到均匀颜色空间的转换；然后进行色域扩展处理，限定色域扩展条件，创新色域扩展算法，以达到复现图像充分发挥激光色域大、饱和度高这一优势，这是研究重点；最后利用逆向查找表，完成从均匀颜色空间到RGB空间的转换。传统的查找表算法中一般选用立方体插值、三棱柱插值和四面体插值三种结构，如表1所示。如果可以采用三维插值法以外的方法或者综合使用这三种插值算法，新的算法要尽量的利用资源，占用尽量少的模块。最近提出的XYZ插值算法正向插值仅仅需要一个模块，在逻辑门使用率上也降低了一倍。

1.2色域映射和扩展算法传统的色域映射和扩展算法，都是将图像拆分成单独的像素点，然后再对每一个像素点进行从原色域到目标色域的映射和扩展，映射和扩展过程并未对图像的内容进行分析，因此会造成复现后的图像视觉失真。显示中的色域扩展流程见图2，一般先进行饱和度映射；再有选择的进行色调映射；最后进行亮度映射。色调映射过程中，不改变颜色的色调，只是适度的加强。传统色域映射算法，技术方面可以分为两类：色域剪裁算法和色域压缩算法。色域剪裁算法会造成原始图像中不同的颜色经过色域剪裁算法后呈现出同一种颜色，所以大多数环境下，该算法不适用。而传统的色域压缩算法可分为顺序压缩和并行压缩，常规的算法如：LLIN、LCLIP、LNLIN、LSLIN采用的就是顺序压缩的方法，SLIN、CUSP采用并行压缩的方法。这种算法是将每个像素点的分量单独处理，会造成处理后图像失真和色彩不自然。另外一种可以将传统色域映射算法分为同步和异步的映射算法，也是通过将图像拆成独立的像素点，并对像素点的饱和度和亮度用公式进行映射，同样具有非常大的局限性，也会造成映射后颜色失真或者不同颜色变成同样颜色。

1.3色彩管理芯片激光显示的色彩管理芯片，除了具备一般视频处理芯片的基本功能，还需要具备色域转换的功能。在激光显示中，实现色彩管理大多数是利用现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)，FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚等资源，可以在色彩管理技术中被充分利用，并且FPGA兼容CMOS、TTL电平，功耗比较低，有助于降低激光显示的总体功耗。FPGA芯片主要由七部分组成，即可编程输入输出单元(IOB)、基本可编程逻辑单元(CLB)、完整的时钟管理(DCM)、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。在激光显示中，色彩管理和图像处理等功能最终要在一块即专用集成电路芯片中实现，也就是说色彩管理功能最终会依靠ASIC设计实现。

2相关标准体系

1954年，美国制定出用于电视信号传输的NTSC标准并根据当时CRT显像管中所用的荧光粉规定了红、绿、蓝三基色坐标，随后出现的YCC色彩标准中采用NTSC制式中的三基色坐标。而sRGB、scRGB、xvYCC三个颜色标准采用了另一套三基色坐标，如表2所示。在光源的选择方面，YCC标准由于出现较早，和NTSC制式规定的光源一致选取了C光源(色温为6774K的白光，相当于白天的自然光)，为了与当前大部分电子显示设备保持一致，新制定的标准都选择了D65作为光源(色温为6504K的白光，相当于白天的平均光照)。在国际照明委员会(CIE)表色系统的四个色彩空间中，任何颜色都可以根据三刺激值进行表示，相同的颜色在不同的表色系统有着不同参数，参数可以通过数学公式进行转换。与色彩标准对应的四个色彩空间如下：(1)CIE-RGB色彩空间CIE-RGB色彩空间是以单色(单一波长)为原色的特定集合，通过使用标准波长的红光、绿光、蓝光三基色原色获得CIE-RGB色彩空间的颜色匹配函数，其中红绿蓝三基色的波长分为别700nm、546.1nm、435.8nm。(2)CIE-XYZ色彩空间在RGB系统的基础上，为了克服RGB系统中出现的光谱三刺激值具有负值带来的诸多不便，提出了新的XYZ系统,XYZ属于非均匀颜色空间，如图3所示为XYZ三刺激值曲线，在不同的色温标准下，RGB三原色的色度坐标是不相同的，标准色温有D65、D50等多种规格。(3)L*a*b色彩空间在CIE标准中，L*a*b*和L*C*h都属于均匀颜色空间。L*表示颜色的亮度(L*=0表示黑色；L*=100表示白色)；分量a*表示颜色在品红色和绿色之间的位置(a*负值表示绿色，a*正值表示品红色)，分量b*表示颜色在黄色和蓝色之间的位置(b*负值表示蓝色，b*正值表示黄色)。(4)YUV色彩空间YUV是逐行倒相(PhaseAlterationLine，PAL)和顺序传送彩色与存储(SequentielCouleurAMemoire，SECAM)模拟彩色电视制式采用的颜色空间。其中“Y”表示明亮度，而“U”和“V”同时表示色度。在显示效果中，YUV空间的Y分量可以直观的表示为观察者感受到的显示亮度，所以对视觉效果亮度的评估，更多的采用通过对Y分量大小评估的方式。四个色彩空间对应的色彩标准分别为YCC、sRGB、scRGB和xvYCC。(1)YCC标准YCC标准中的色差信号的概念，是将明度信号的全部信息保留，将Cr、Cb两个色差信号通道大大压缩，使传输所需的带宽大大减小，从而保证了信号快速而准确地传输。YCC标准在不改变图像清晰度的情况下，通过减小色彩通道的分辨率减小整个文件的尺寸。(2)sRGB标准sRGB标准是用于提升显示器件色彩匹配的技术标准，它保证色彩的一致性。sRGB标准使用伽玛校准系数为2.2的色彩空间。sRGB标定形式简单，采集的色彩数据占用内存低。观察CRT显示器的sRGB颜色空间色域，可以看到它所覆盖的色彩不足人眼所见的50%，尤其是蓝-绿颜色区域，整体色域范围不够大，但sRGB标准适应低端用户和企业的需求。(3)scRGB标准scRGB标准色彩空间是sRGB标准的扩展，对于单个颜色点的描述，scRGB标准中所需要的位数是sRGB的两倍，将八位的sRGB扩展成了16位scRGB，而且scRGB标准不仅能够使用整数，还能够使用浮点数，因此scRGB标准能够显示更多的色彩，且其精细程度也比sRGB高，但对表现于黑色和纯绿色而言，它们没有区别。scRGB使用16位编码，对负的三刺激值给予赋值，使得更多的色彩能够重现，提高了图像的品质。因此scRGB标准能够满足更高品质图像的要求，它能够在大色域的动态线形空间中工作。(4)xvYCC标准2006年初,IEC颁布了xvYCC标准，该标准是一个面向视频系统的扩展色域YCC色空间标准，它为显示器件的图像色彩还原能力方面提供了评判依据。xvYCC标准不仅对孟塞尔色阶中的色彩实现了完全再现，还将色域扩大到了原来的约1.8倍。尤其是对红、绿、黄三色的再现范围明显增大。在xvYCC色彩范围的摄录影机所拍制的影片，如利用符合xvYCC标准的显示器播放的动画，其色彩能达到很好的色彩再现性。比较此四种标准，sRGB和scRGB标准的处理仅仅是一个简单的伽玛校正，如果要求显示中的白点被校正的话，将导致众多的复杂问题。而且sRGB标准色域范围太窄，已经越来越不能满足在显示设备上对丰富色彩的再现要求。虽然xvYCC标准能表现高纯度鲜艳色彩，但是目前xvYCC标准的普及度却并不高，因为符合该标准的信号源及相应的显示设备在市场上还不多见。而使用色彩管理技术，可以将现有NTSC信号源的色域扩展到符合xvYCC标准。若输入信号符合xvYCC标准，经过测试激光显示设备可以达到xvYCC标准130%~170%的色域覆盖。

3结语

如果说激光显示是一座蕴含巨大价值的矿藏，色彩管理技术则可以被看作是采矿作业的得力工具；如果没有好的色彩管理系统，激光显示的功用将得不到完全发挥。激光显示色彩管理技术不是一种单一的技术，而是各种技术的综合运用。目前，在激光光源、照明模组、图像引擎、激光显示整机设计和系统集成等关键技术方面已取得了一定突破。激光显示产业需要促进激光显示和色彩管理领域相应标准研究工作的开展，随着激光显示的标准框架初步形成，其色彩管理方面的标准化研究也必将深入。激光显示行业的标准化方面以激光显示整机检查评价和光源技术的应用为主，除了较为成熟的显示系统具有标准化可行性以外，其余技术的标准化尚不成熟。为了在激光显示领域中占有一席之地，我国政府在自主创新方面已加大投入。在激光显示时代，我国如从激光显示色彩管理技术及其标准化方面入手，制定相关规范，必定在激光显示颜色标准化方面抢占先机。如果将激光显示技术中创新的色域控制模块引入产业化运用，实现技术的突破，将打破美、日、韩等国长期以来在显示技术方面的垄断地位，提高我国在激光显示领域的国际市场竞争力。

作者：王蔚生刘红那柏林单位：华东师范大学信息科学技术学院上海电机学院电子信息学院中能激光显示技术有限公司