一種六基色投影顯示技術(shù)

色域簡(jiǎn)介
 
　　我們將正常人眼能感知的所有可見(jiàn)光的集合稱(chēng)作色域（如圖1所示）。在國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)的均勻色度空間里，電視接收機(jī)顯現(xiàn)的彩色總范圍（色域面積）是由攝像機(jī)感知，經(jīng)信號(hào)處理后由顯示器還原的彩色總和。我們用顯示器還原的色域面積占均勻色度空間全部可見(jiàn)光譜面積的百分比稱(chēng)為色域覆蓋率。顯然，還原的色域覆蓋率越大，還原圖像的自然程度越高，可以再現(xiàn)的顏色就越豐富。 
 

圖1  正常視覺(jué)人眼在C.I.E.系統(tǒng)下的色域    
 

　　電視系統(tǒng)色域損失的主要原因是圖像捕獲、處理、數(shù)據(jù)的播放以及顯示過(guò)程中的非線(xiàn)性，以及整個(gè)系統(tǒng)與人眼視覺(jué)特性的不良匹配。那么，作為電視系統(tǒng)的末端顯示器及電光轉(zhuǎn)換器可否拓展色域呢？
 
　　隨著數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展和電光轉(zhuǎn)換器件的技術(shù)進(jìn)步，通過(guò)彩色處理技術(shù)使得借助光學(xué)設(shè)備的色彩補(bǔ)償變成可能。傳統(tǒng)的顯示設(shè)備的色域，例如CRT和LCD，僅僅覆蓋了眼睛可見(jiàn)色域的一小部分,不能高質(zhì)量的還原色彩。因?yàn)槲矬w真實(shí)的顏色無(wú)法用CRT的色域空間完全覆蓋（如圖2所示）。尤其是深黃色、青綠色、紫羅蘭色和深紅色等，我們看電視時(shí)可明顯感覺(jué)到電視還原的色彩與原物體彩色的差異,感受到了一個(gè)寬色域有色物體和電影被轉(zhuǎn)成了"窄色域"的電視。 
 

圖2  傳統(tǒng)CRT色域覆蓋圖
 

　　所以，使用色度圖技術(shù)可以補(bǔ)償這些顯示設(shè)備的色域差異。當(dāng)然，任何顯示設(shè)備都不可能還原出和原始色彩一模一樣的。因此，我們期望顯示設(shè)備可以重現(xiàn)一個(gè)更加廣的色度范圍。為了拓展傳統(tǒng)RGB顯示器的色域，通過(guò)對(duì)RGB純?nèi)臄?shù)字處理和設(shè)定，原來(lái)在色度圖中由RGB三種顏色所構(gòu)成的色度三角形的跨距得到了擴(kuò)大。然而，色域依然被限定在這個(gè)三角形的范圍中，或者是一個(gè)3D色彩空間的六邊形以?xún)?nèi)。
 

　　本文介紹一種多基色顯示方法，也就是使用另外三個(gè)基原色來(lái)拓展色度空間。文中的一個(gè)六基色彩色投影顯示模型是通過(guò)使用兩個(gè)傳統(tǒng)的RGB投影槍和六個(gè)光干涉濾波器來(lái)構(gòu)成。使用干涉濾波器的目的是用來(lái)最大化CIE-LUV色彩空間中的色域值。試驗(yàn)系統(tǒng)拓展色度空間的能力也是通過(guò)與傳統(tǒng)的CRT和投影儀等設(shè)備的對(duì)比來(lái)評(píng)價(jià)的。 
 

圖3  多基色系統(tǒng)下色域變成了多邊形

多基色顯示技術(shù)
 
　　通過(guò)多基色顯示，在色度圖中可再現(xiàn)的彩色區(qū)域（色域）變成了一個(gè)多邊形（如圖3所示），在3D彩色空間中形成了一個(gè)多面體。為了實(shí)現(xiàn)多基色色彩顯示以擴(kuò)大色域，可用多種方法產(chǎn)生成倍的窄帶光線(xiàn)，例如，使用很多不同的窄帶濾波器、光學(xué)衍射元件等等。當(dāng)使用N個(gè)基色時(shí)，被圖像光放大器（SLMs） 調(diào)制的N束窄帶光線(xiàn)成像在屏幕上，色彩也會(huì)因?yàn)樘砑踊旌狭薔個(gè)基色而發(fā)生重組和變化。設(shè)每一個(gè)光譜的窄帶光強(qiáng)為 [i=1,2,...,N]，則被N束窄帶光重構(gòu)后的光強(qiáng)可以用下式表示：

                    （1）
 
　　其中， [i=1,2,...,N]表示第i個(gè)基色的每一個(gè)像素的透射率。那么，使用CIE-XYZ三維色彩對(duì)應(yīng)函數(shù)色彩在CIE-XYZ色彩坐標(biāo)中被N基色經(jīng)過(guò)函數(shù)重組后得到下式：
 
，                （2）
 
　　其中，指的是第i基色在CIE-XYZ空間中的色彩坐標(biāo)。這個(gè)色域在色度平面中會(huì)形成一個(gè)多邊形，在三維色彩空間中會(huì)形成一個(gè)多面體，而它們的頂點(diǎn)就是。
 
　　現(xiàn)在，我們來(lái)考慮用多基色顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)色彩還原的方法。一旦在三維色度空間中的色度值被給定，我們就要計(jì)算出相應(yīng)信號(hào)的第i種基色像素的透射率 [i=1,2,...,N]。。六基色信號(hào)根據(jù)顯示器件自身的動(dòng)態(tài)范圍，可以利用式（2）倒算出來(lái)。盡管將色彩從三維色度空間轉(zhuǎn)換到六維基色信號(hào)空間需要涉及到一個(gè)由于位變異所導(dǎo)致的自由度的問(wèn)題，式（2）的算式中的αi應(yīng)保持在。要實(shí)現(xiàn)這種在限制范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換的一種辦法是采用查找表（LUT）方法。然而，這個(gè)LUT非常大，因而還需要進(jìn)一步研究實(shí)現(xiàn)這些顯示設(shè)備有效空間轉(zhuǎn)化的方法。

六基色顯示模型

光學(xué)設(shè)置

　　本文介紹的六基色投影顯示模型是由兩個(gè)傳統(tǒng)的投影線(xiàn)管和六個(gè)干擾濾波器來(lái)構(gòu)成。在這一模型中，兩個(gè)投影管（Victor公司具有D-ILA型圖像光放大器投影管），其中，每個(gè)投影管上使用了3個(gè)反射型的SLM做圖像光放大器。在每個(gè)投影管上，由燈分離出的RGB三色光線(xiàn)通過(guò)雙色鏡發(fā)射出來(lái)，如圖4中所示。 
 

圖4  六基色投影顯示模型的光學(xué)設(shè)置（以單個(gè)投影管處為例）
 

　　為了用窄帶光譜的光照亮這些SLM圖像光放大器，需要附加六個(gè)干擾濾波器來(lái)調(diào)制由兩個(gè)投影管發(fā)出RGB的光線(xiàn)。這六個(gè)干擾濾波器的光譜如圖5所示。其中，3個(gè)高通濾波器附加在一個(gè)投影管上， 3個(gè)低通濾波器附加在另外一個(gè)投影管上。兩個(gè)投影管發(fā)出的六個(gè)窄帶圖像重疊在屏幕上，因此成像的色彩是由這六基色混合構(gòu)成。
 
　　為使兩個(gè)投影管將投射出的圖像良好重疊，因投影管之間的差別而導(dǎo)致的失真需要得到補(bǔ)償。基于這個(gè)目的，我們采用CCD照相機(jī)捕獲每個(gè)投影管相應(yīng)的交織成像來(lái)找出這種失真的特性，然后對(duì)每個(gè)發(fā)射管的圖像進(jìn)行預(yù)處理來(lái)補(bǔ)償。 
 

圖5 低通（a）和高通（b）濾波器的光譜特性。
 

（RGB光譜強(qiáng)度由點(diǎn)劃線(xiàn)顯示）
 

濾波器的設(shè)置
 

　　為了使顯示系統(tǒng)色度范圍的擴(kuò)大，設(shè)定濾波器截止波長(zhǎng)值使顯示系統(tǒng)在CIE-LUV統(tǒng)一色彩空間的色域最大化。一個(gè)投影管的高通濾波器所調(diào)制的紅、綠、藍(lán)三種顏色的截止取樣波長(zhǎng)的期望值分別是620、540和440（nm）。另一個(gè)投影管的低通濾波器所調(diào)制的紅、綠、藍(lán)三種顏色的截止取樣波長(zhǎng)的期望值分別為620、540和450（nm）。最終得到了基色光源的光譜強(qiáng)度，如圖6所示。每一個(gè)基色的帶寬在不同的帶寬處變小了。在圖6中，期望和產(chǎn)生于藍(lán)色光，期望、，和、分別產(chǎn)生于綠色光和紅色光。 
 

圖6  六基色的光譜強(qiáng)度
 

試驗(yàn)結(jié)果
 

　　在試驗(yàn)中，利用六基色投射顯示器所還原的色域需要通過(guò)對(duì)比模型系統(tǒng)的每一個(gè)基色進(jìn)行評(píng)價(jià)。利用這個(gè)系統(tǒng)獲得的色域顯示在圖7中。這個(gè)色域相比于傳統(tǒng)的CRT和RGB發(fā)射管來(lái)說(shuō)有所擴(kuò)張，尤其在紫色、綠色和紅色區(qū)域。

 
　　圖7  在指定亮度條件下六基色投影顯示系統(tǒng)的色域范圍（實(shí)線(xiàn)），以及傳統(tǒng)的EBU的色域（點(diǎn)劃線(xiàn)）和投影顯示設(shè)備的色域（灰色線(xiàn)）。
 
　　表1為色域值（V），以及色域覆蓋率（W）的對(duì)比表，。在這個(gè)評(píng)價(jià)體系中，我們規(guī)定觀(guān)察者所處的亮度是CIE標(biāo)準(zhǔn)亮度C，而且每個(gè)顯示設(shè)備全部發(fā)光時(shí)的亮度處于正常狀態(tài)，這是參照CIE-LUV色彩空間中的白場(chǎng)來(lái)定的。從結(jié)果中可以看出，六基色投射設(shè)備相對(duì)于傳統(tǒng)的RGB顯示設(shè)備來(lái)說(shuō)，色域擴(kuò)大了。另外我們發(fā)現(xiàn)所用投影顯示設(shè)備的色域值小于CRT顯示器，這是由于原來(lái)缺乏充分的對(duì)比所致，而六基色顯示設(shè)備的色域覆蓋率接近99.6％。
 
表1 色域空間的色彩重現(xiàn)的對(duì)比
 

V(X106)
 

W(%)
 

六基色系統(tǒng)
 

1.91
 

99.6
 

RGB投影
 

1.23
 

84.3
 

普通CRT顯示器
 

1.52
 

85.8
 

結(jié)語(yǔ)
 
　　本文闡述的多基色顯示可用來(lái)實(shí)現(xiàn)更為開(kāi)闊的色域空間，通過(guò)六基色的投影顯示模型系統(tǒng)證明六基色顯示設(shè)備擴(kuò)展色域空間的能力。通過(guò)計(jì)算在CIE-LUV統(tǒng)一色彩空間顯示設(shè)備的色度數(shù)值，證實(shí)六基色的顯示設(shè)備在顯示的亮度和觀(guān)察的亮度相同的情況下，幾乎可以全部覆蓋真實(shí)的色彩表面。

參考文獻(xiàn)：
 
1.Six-primary color projection display for expanded color gamut reproduction. Takeyuki Ajito,Takashi Obi, Masahiro Yamaguchi,and Nagaaki Ohyama    Imaging Science and Engineering Laboratory,Toky Institute of Technology 4259 Nagatsuta,Midori-ku,Yokohama,226-8503,JAPAN

2.電子工業(yè)出版社《高清電視數(shù)字視頻原理與應(yīng)用》黃晨 楊作梅 等譯