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光的集合稱作色域（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光譜面積的百分比稱為色域覆蓋率。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)的播放以及顯示過程中的非線性，以及整個(gè)系統(tǒng)與人眼視覺特性的不良匹配。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，通過對(duì)RGB純?nèi)臄?shù)字處理和設(shè)定，原來在色度圖中由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內(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使用兩個(gè)傳統(tǒng)的RGB投影槍和六個(gè)光干涉濾波器來構(gòu)成。使用干涉濾波器的目的是用來最大化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與傳統(tǒng)的CRT和投影儀等設(shè)備的對(duì)比來評(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，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。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)的投影線管和六個(gè)干擾濾波器來構(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三色光線通過雙色鏡發(fā)射出來，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)干擾濾波器來調(diào)制由兩個(gè)投影管發(fā)出RGB的光線。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?；谶@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)射管來說有所擴(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），以及傳統(tǒng)的EBU的色域（點(diǎn)劃線）和投影顯示設(shè)備的色域（灰色線）。
 
　　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)備來說，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
 
　　本文闡述的多基色顯示可用來實(shí)現(xiàn)更為開闊的色域空間，通過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