CN101248677A - 具有扩展的图像颜色的基于激光的显示器 - Google Patents

Abstract

一种通过提供具有定义了显示色域的至少三个窄带发射光源的彩色图像显示装置来显示彩色图像的方法。接受在区域上小于显示色域的原始色域内所定义的图像数据值。将输入图像值变换为具有扩展的图像色度范围的显示色域数据值。扩展的色度范围的至少一部分位于原始色域之外。显示色域的至少一部分位于扩展的图像色度范围之外。将显示色域数据值提供给彩色图像显示装置以形成图像。

Description

具有扩展的图像颜色的基于激光的显示器

技术领域

本发明一般而言涉及彩色显示，更特别地涉及一种用于使用窄带发射光源来提供扩展的色域的彩色显示的方法和装置。

背景技术

为彩色电视广播所设计的并且适用于在计算机监视器中所用的常规CRT显示器以及相关类型的显示器的常规三色激励的色域，是基于从CRT荧光粉发出的红色、绿色和蓝色光。1931年首次起草并且于随后多年修订的CIE(国际照明委员会(法文)或“国际照明委员会(英文)”)标准色度观测者定义了色空间，其中可以表示基于荧光粉的CRT显示设备的色域。该色空间内的任何这种色域均由标准的一组CRT荧光粉所发出的三原色来定义。图1A示出基于CIE 1976u’，v’度量(Metric)色度坐标表示的具有常规广播电视色域的二维投影的色度图，所述CIE 1976u’，v’度量色度坐标表示为彩色显示领域的技术人员所熟悉，并且符合国际电信联盟(ITU)规范ITU Rec.709。

在该色度表示中，外曲线或光谱轨迹10表示纯色的范围，也就是单个波长的颜色。光谱轨迹的各末端由被称作紫色边界11的线来连接。由光谱轨迹10和紫色边界11所界定的区域包含人类视觉系统所能够感知的颜色。内部三角形12表示常规的ITU Rec.709色域。三角形12的顶点14r、14g、14b分别用CRT荧光粉发射的三原色即红色、绿色、蓝色来定义。

参考图1B，ITU Rec.709色域表示的各种区域和特性被指示以供参考。中性色近似以三角形12内的白色点20为中心。恒定色调线22从白色点20向外辐射。在相同的恒定色调线22上的颜色具有相同的色调、变化的饱和度，所述饱和度与距白色点20的颜色坐标的距离成比例。例如，在图1B中坐标24和26处的颜色具有相同的色调；颜色26比起颜色24来具有增大的饱和度。在图1B中使用虚线来表示恒定色调线22，所述恒定色调线22基本上是直的，当使用这种色度表示时显示出轻微的曲率。

从图1A和图1B中显而易见并且颜色再生领域的技术人员所公知的是，相对于可以由理想情况下的显示器所表示的颜色范围、可以由用光谱轨迹10和紫色边界11限定的区域内包含的物理上可实现的颜色的全部色域所表示的颜色范围而言，用三角形12的区域所表示的ITU Rec.709色域受到限制。这是因为ITU Rec.709色域所基于的CRT显示器荧光粉不会发出纯色，也就是，它们不会发出具有单个波长的光。就图1A的曲线图而言，用三角形12的顶点14r、14g、14b表示的有限色域完全处在用光谱轨迹10和紫色边界11所界定的区域内。由于使用ITU Rec.709编码可得到的相对有限的色域，所以许多颜色无法被充分表示，因此必须被近似。这特别适用于高度饱和的颜色。

现在，处于可见光波长的低成本激光器的发展提供了在彩色显示应用中显著增大色域的希望。这是因为，与ITU Rec.709编码所基于的CRT荧光粉不同，激光器发出几乎单一波长的光。因此，就图1A和图1B的色度图中的色域表示而言，来自激光源的原色处于光谱轨迹10的周围，而不是完全在该曲线内部，对于ITU Rec.709色域的CRT荧光粉原色而言是这样的。在图1A中，对于特定的一组激光原色，点16r、16g、16b表示该光谱轨迹内激光原色的位置。直接处于光谱轨迹10上的这些以及其他这样的颜色顶点可以提供显示器可得到的显著更大可能的色域。

已经花费了一些努力来利用激光器的能力以用于彩色显示。举例来说，在下文中描述了用于对使用激光原色的显示系统的色域能力进行适配的方法和装置：

Agostmelli等人的题为“Broad Gamut Color Display Apparatus Usingan Electromechanical Grating Device”的共同转让的美国专利No.6,802,613以及Horvath等人的题为“Imaging Apparatus for IncreasedColor Gamut Using Dual Spatial Light Modulators”的No.6,736,514，公开了使用多于三个的激光器来扩展色域的显示装置；

Champion等人的题为“Method and Apparatus for Color Warping”的美国专利No.6,774,953公开了一种使用查找表(LUT)以便使得为CRT显示而编码的伽马校正的R’G’B’颜色数据适合于由激光显示所提供的扩展的色空间的方法。然而，Champion等人的’953公开内容没有描述如何推导出LUT值。

虽然这些和其他专利描述了如何可以获得扩展的色域，并且描述了适用于替代色域的已变换的颜色数据值的快速计算的技术，然而，精确的色调再生和准中性色的保持的问题还未得到解决。就图1B的曲线图而言，准中性色是距白色点20处于相对较短距离内的那些颜色。准中性色包括轻淡颜色以及其他低饱和度的颜色。

随着理想上适用于处理激光照明的空间光调制器的相应发展，举例来说，比如在Kowarz的题为“Spatial Light Modulator with ConformalGrating Device”的美国专利No.6,307,663中所公开的机电适形光栅器件，对于扩展相对受约束的ITU Rec.709色域并显示更多视觉上满意的(pleasing)颜色的可能性的兴趣得到提高。

已经得到用于将ITU Rec.709标准的色域变换为由激光器所提供的色域的两种基本方法。如在Deter等人的题为“Laser-Driven TelevisionProjection System with Attendant Color Correction”的美国专利No.5,440,352中提出的第一种方法，公开了一种颜色数据的映射，其简单地使得激光显示的色域适合于常规的ITU Rec.709色域，从而激光器简单地代替CRT荧光粉。尽管该方法允许使用激光照明作为CRT显示的替代方案，然而，该方法未能利用由激光所提供的更宽色域。实际上，在Deter等人的’352公开内容中所提出的该方法简单地执行来自ITU Rec.709色域的颜色的重新映射，同时还补偿使用激光可能不容易到达的特定区域的色域，但是没有尝试利用由一组可见光激光器所提供的可能更宽的色域。尽管该方法允许将激光器用于彩色显示的实施方式，但是色域扩展并非Deter等人的’352公开内容的目标。通常，查找表(LUT)或3×3矩阵被用来提供颜色变换，从而将一种色域中的输入ITU Rec.709值映射到扩展的输出色域。

第二种方法遵循简单地将较小的色域重新映射到较大的色域的解决方案。在其最基本的形式中，该方法简单地将ITU Rec.709编码数据直接应用于激光显示的宽色域，而不对数据值应用任何类型的变换。与Deter等人的’352公开内容中的重新映射不同，第二种方法提出扩展色域以便利用激光发射的纯波长。在常规使用中，该基本方法已被认为是适当的，例如在一组CRT荧光粉比起另一组CRT荧光粉来提供逐渐增大的色域的情况下；这将对应于图1A中略微地扩展三角形12的区域。对于这样一种情况，增加的饱和度可以提供更加吸引人的颜色显示，并且可能产生的任何细微的色调变化可能是觉察不到的。

尽管所述第二种方法将适用于从一个荧光粉组变动为改进的一个荧光粉组，其中存在色域的渐增扩展，但是该方法对于ITU Rec.709荧光粉原色与激光原色之间的变换而言并不理想，而在这种情况下相当大的色域变换是可能的。在涉及更大色彩渐增的情况下，颜色从一个色域到另一色域的重新映射或变换由于感性和心理因素而变得复杂。因此，实验已经表明，通过简单地扩展色域，使得例如曲线10上的点16r、16g和16b现在充当为变宽的色域提供顶点的新的原色，不一定获得ITU Rec.709编码颜色数据的更满意的或更逼真的彩色显示。即使现在可以显示明显更宽的颜色范围，但是简单地将颜色映射到变宽的色域不一定提供令人满意的结果。

在把用诸如ITU Rec.709之类的受限色域编码所表示的颜色变换为使用激光原色的色域的过程中，当处理不同CRT荧光粉组之间细微变化时充分适用的常规技术已经表明不能令人满意。关于图1B，举例来说，准中性色和肤色在使用常规重新映射技术时看起来可能不再逼真。其他不合期望的色调变化是明显的，特别是因为激光显示原色通常在色调上不同于荧光粉原色。

因此，尽管有希望用激光显著地改善颜色表示，但是在应用常规色域扩展技术时所获得的结果却意外地令人失望。因此，尽管扩展的色域似乎应当在彩色显示的外观上产生显著的改善，但是实际的改善已经证明多少有点难以发现。

因而，需要利用了由激光照明所提供的变宽色域的显示装置和方法，以便提供在视觉上更加满意并且当结合标准的广播编码彩色图像数据使用时非常适合观看者的颜色感觉的显示。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的一个或多个问题。简而言之，本发明提供一种通过提供具有定义了显示色域的至少三个窄带发射光源的彩色图像显示装置来显示彩色图像的方法。随后，接受在区域上小于显示色域的原始色域内定义的输入彩色图像数据值。将输入彩色图像数据值变换为具有扩展的色度范围的显示色域数据值，其中扩展的色度范围的至少一部分位于原始色域之外，并且其中显示色域的至少一部分位于扩展的色度范围之外。将显示色域数据值提供给彩色图像显示装置以用于形成彩色图像。

本发明的所述方法的一个特征在于，它只要求一个简单直接的变换计算被应用于输入图像数据，以便将广播编码的彩色图像数据适配到扩大的彩色显示色域。

本发明的一个优点是，它提供一种能够提供具有比常规显示设备可用的色域更大的色域的满意图像的显示装置。

本发明的另一优点是，它不需要比如使用LUT的常规颜色变换技术可能需要的大量存储装置。

对于本领域技术人员而言，一旦结合附图阅读了下面的详细描述，本发明的这些和其他特征和优点就将变得显而易见，在附图中示出并描述了本发明的说明性实施例。

附图说明

尽管本说明书以特别指出并清楚要求本发明主题的权利的权利要求书来结束，但是可以认为，根据结合附图所做的下列描述，本发明将得到更好的理解，在附图中：

图1A是示出常规广播色域的CIE u’，v’色度图；

图1B是突出对本发明重要的色域表示的各种特性的CIE u’，v’色度图；

图2A是示出用于广播的彩色图像数据的常规处理序列的方框图；

图2B是示出用于广播的彩色图像数据的替代处理序列的方框图；

图3是示出基于激光的显示装置的处理步骤的方框图；

图4A-4F是示出在根据本发明的图像数据处理中所执行的各个步骤的图；

图5是示出根据一个实施例的显示装置的基本部件的示意图；以及

图6A和图6B是示出使用替代的一组原色波长的实施例的彩色图像数据处理的图。

具体实施方式

本描述特别针对形成根据本发明的装置的一部分或者与其更直接地协作的元件。在下面的描述中，应当理解，术语“色域”被用来描述可以被更广泛地称为“色度范围”的东西，并且参考使用CIE色度坐标系所描绘的常规二维色度域来使用。还应当理解，未专门示出或描述的元件可以采用本领域技术人员公知的各种形式。

正如在上面给出的背景技术部分中所述，迄今为止使用激光源的色域扩展的常规方法产生了意外的令人失望的结果，这是由于过度的色调偏移量、逼真的准中性色和肤色的丧失、以及整体上不逼真的图像外观。本发明的方法和装置以新颖的方式解决了色域扩展的问题，其使用中间色空间以便利用单个变换来执行图像数据的简单的重新映射，从而提供这样的显示，所述显示展现出忠实于原始编码数据的色调特性，但是具有增大的色饱和度，而不会过分强调准中性色和肤色的饱和度。

饱和度是颜色强度、丰度或纯度的量度，其与色度或色彩(colorfulness)紧密相关。对于给定色调的颜色，其CIE 1976u，V饱和度s_uv与CIE u’，v’色度图中该颜色的色度坐标与适当选择的基准白色的色度坐标之间的欧氏距离成比例。举例来说，相对于图1B中的白色点20，高饱和度的颜色是在靠近三角形12的色域周围、距白色点20最远的那些颜色。在该色度图中，饱和度随着距白色点20的距离的增大而单调地增大。在最大饱和度处，颜色显得纯粹而强烈，特别是在激光被用作原色的情况下。

参考图1B，广义上说，准中性色是坐标处于邻近白色点20的区域中的那些颜色。对于下文中对本发明的描述，使用彩色成像领域的技术人员所公知的常规Munsell颜色数标法来最佳地定义准中性色。准中性色的范围横跨了来自可从GretagMacbeth AG得到的MunsellBook ofColor Nearly Neutrals Collection的颜色样本的范围。参考该标准，准中性色对应于Munsell赋值在6/和9/之间并且Munsell色度级小于或等于4的颜色样本。

本发明的一个目标是对这种准中性色的再生饱和度具有很少的可觉察影响。由于该准中性色区域之外的颜色随着距白色点20的距离增大而不断地变得更加饱和，所以本发明提供愈加明显的再生饱和度的变化。对于原始广播编码的图像数据中高度饱和的颜色，提供再生饱和度的相应的高度增大。总体上，为饱和度值的增大提供单调增大的关系。也就是，对于原始广播编码数据中任何颜色范围的一组增大的饱和度值，使用本发明的方法获得的新导出的一组饱和度值是单调增大的。

同时，对于所有颜色，即使在饱和度值增大时，本发明也保持色调保真度。也就是，参考图1B，本发明的每个颜色变换均基本上沿着其原始色调线22保持所述颜色，从而每个颜色的色调值不会改变一个不能采用的量。

使用例如在R.W.G.Hunt的“Measuring Colour”的第3章，EllisHorwood Limited，1987或者也是R.W.G.Hunt的“The Reproduction ofColour”第6版的第8章，John Eiley&Sons Ltd.，2004中获得的标准彩色成像定义，色调基本上相同的两种颜色具有计算出的最小的CIE心理测量色调差ΔH^*。例如，原始颜色具有给定的CIE心理测量色调(H^*)、CIE度量色度(C^*)和CIE度量亮度(L^*)。通常，按照ΔE^*给出可觉察的差的量度，其中：

${\mathrm{\ΔE}}^{*}=\sqrt{({\left({\mathrm{\ΔH}}^{*}\right)}^2+{\left(\mathrm{\Δ}{L}^{*}\right)}^2+{\left({\mathrm{\ΔC}}^{*}\right)}^2)}$

使用该常规计算方法，对心理测量色调(H^*)、度量色度(C^*)和度量亮度(L^*)进行同等的加权。在受控观看条件下观看成对样本的标准观测者只能检测到ΔE^*大于1.0的差。多少有点不太精确的值通常是可接受的。对于大多数图像，特别是具有各种颜色的大量的图像内容的那些图像，刚刚能注意到的差ΔE^*的实际阈值大约是2或3。

例如，在度量亮度L^*和心理测量色调H^*保持恒定的情况下，度量亮度差ΔL^*和心理测量色调差ΔH^*都是零。因此，在这种情况下，已改变的颜色将可完全归因于CIE度量色度的变化ΔC^*，其可以被认为是色度距离的量度。当考虑色调可觉察性时，1.0或更大的ΔH^*将是可觉察到的。因此，对于彩色像素保持基本上恒定的色调值意味着，对于大多数颜色将该ΔH^*值保持在小于大约3.0。

为了最好地理解本发明以及在此使用的定义，简要地回顾如何对图像数据进行编码以用于广播是有启发性的。参考图2A，示出用于形成广播编码的图像数据的总体处理序列。广播编码数据包括根据ITU Rec.709以及用于电视(例如还包括HDTV)的相关格式进行编码的数据。举例来说，广播格式包括被称作NTSC(国家电视系统委员会)或PAL(逐行倒相)格式的常规格式。广播格式还包括例如ITU-R BT.601中定义的数字格式。

在图2A中，场景60为照相机62所捕获，该照相机62把场景60的图像存储在介质64上，所述介质64通常是电影胶片或其他存储介质64。电视电影装置66然后扫描介质64并执行处理，以便提供广播编码数据70(常规是以YPbPr格式)。然后可以对具有合适的伽马特性以补偿典型非线性CRT响应的该数据进行广播，以用于标准的基于CRT的电视显示。正如本领域所公知的，电视电影装置66从胶片介质64的转换相对于胶片介质造成色域和整体动态范围的某种丧失。

图2B示出一种替代布置，其中场景内容在照相机62内被捕获并进行处理。在这种布置中，照相机62具有图像捕获部分61和处理部分68，所述处理部分68提供以YPbPr或其他合适格式的广播编码数据70。这允许视频编码器对承载广播格式图像的信号进行进一步的处理。诸如硬盘驱动器、光驱动器或闪存驱动器之类的数据存储设备63可以存储该场景数据以供稍后使用。数据存储设备63可以处于照相机62的内部或外部。

图3示出为HDTV(高清晰度电视)电视显示而常规执行的广播编码数据70的附加输出信号处理。处理器74通常使用标准的3×3矩阵变换76对广播编码数据70进行变换，以便提供根据HDTV原色72的伽马校正的R’G’B’数据，所述R’G’B’数据适合用于控制其RGB原色和伽马特性基本上类似于广播编码标准所预期的显示设备的发光元件。当显示设备的伽马或原色与所述标准显著不同时，附加输出信号处理被用来进行适当的补偿。在这种情况下，处理器78然后对每个原色信号执行1维变换82，以便补偿编码过程所施加的伽马校正，从而提供具有值R₇₀₉、G₇₀₉和B₇₀₉的线性HDTV数据106。处理器78然后使用通常是以3×3矩阵的形式的变换84来执行变换，以便将根据广播规范原色进行编码的线性HDTV数据106转换成与所选显示设备相对应的替代RGB原色，以作为线性RGB数据80，并且被表示为R_λG_λB_λ数据。

在一个实施例中，用于从YPbPr转换到RGB编码的变换76例如使用具有下列值的3×3矩阵：

$\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1.0& 0.0& 1.575\\ 1.0& -0.187& -0.468\\ 1.0& 1.856& 0.0\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}Y\\ \mathrm{Pb}\\ \mathrm{Pr}\end{array}\right]$

该标准解码矩阵基于Rec.709亮度系数，以及可以使用本领域技术人员已知的并且记载于例如Charles A.Poynton的“A TechnicalIntroduction to Digital Video”，Wiley，1996中的方法来导出。为了适合于所考虑的特定系统，还可以使用基于其他标准视频亮度系数和色差分量的其他解码矩阵。

在一个实施例中，用新的3×3矩阵来替换3×3矩阵变换84，以便对图像数据进行变换以适用于使用激光的显示装置，从而提供其原色并提供再生图像，该再生图像的色域被大大增大而没有所引用的现有技术的知觉的不足。处理器78还可以执行附加的设备特定的变换88以进行伽马调整、色调再生和校准。随后描述示例3×3矩阵和1-D变换矩阵。必定会观察到，图3是示出功能序列的逻辑图，还可以使用替代序列以用于根据本发明变换广播编码数据，以及用于向显示装置提供显示设备输入代码值。例如，可以将多个变换结合到一个或多个复合变换中以用于更高效的处理，例如在Madden等人的题为“Method and apparatusemploying composite transforms of intermediary image data metrics forachieving imaging device/media compatibility and color appearancematching”的共同转让的美国专利No.5,786,823中所描述的。

参考图5，以示意图的形式示出根据本发明一个示例性实施例的显示装置50的基本部件。将广播编码图像数据70输入到成像控制逻辑处理器52，所述成像控制逻辑处理器52执行关于图3所描述的处理，并且还执行随后关于图4A-4F所描述的用于各个图像像素的附加处理。激光器54r、54g和54b提供被用来形成彩色图像的原色。在显示操作期间激光器通常不关闭，而是保持以下两种状态之一：要么在暗阈值输出值以下，要么被通电以提供光。

为了讨论的简单，使用常规的RGB颜色处理模型，其中激光器54提供处于红色波长(标称620-650nm)的可见光，激光器54g提供处于绿色波长(标称520-540nm)的可见光，以及激光器54b提供处于蓝色波长(标称430-470nm)的可见光。实际上，还可以提供附加的激光器，正如在上面引用的Agostinelli等人的’613专利中所公开的。可选择地，可以使用不同的一组原色。

将激光引向在上述的RGB范例之后的空间光调制器56r、56g和56b。可以使用各种不同类型的空间光调制器，例如在上面引用的Kowarz等人的’663专利中所公开的机电适形光栅器件或适形GEMS器件，其中GEMS代表光栅机电系统。

然后，颜色合并光学器件30将颜色合并到单个光路上。举例来说，颜色合并光学器件30可以包括如图5所示的合光棱镜(X-cube)58，或者正如在电子彩色成像领域中所公知的，可以使用某一其他常规技术和部件以用于引导已调制的光。然后，将复合颜色信号42通过一个或多个透镜44引导到扫描仪40(通常是GEMS器件以及各种其他类型的光调制器所需要的)，并且引导到投影透镜46，以便将复合颜色信号引导到显示表面90。

图5所示的显示装置50中的部件布置是示例性的，而非打算是限制性的。电子彩色成像领域的技术人员可以认识到，任何数目的类似实施例都可以被用来提供显示表面90上的彩色像素92，其中每个彩色像素92均被形成为由激光器54r、54g和54b所提供的原色的复合。举例来说，使用双轴扫描仪进行单点扫描的激光显示装置可以被用作图5所示的单轴行扫描装置的替代方案。当使用具有用于单点扫描的双轴扫描仪的激光显示装置时，将会需要通过可变控制信号或者使用声光调制器或某一其他光栅器件作为光束调制器来对激光束进行直接调制。

可选择地，数字微镜器件(DMD)，例如在来自Texas Instruments，Dallas，TX的数字光处理投影装置中所使用的那些数字微镜器件，也可以被用于激光调制。二维DMD器件将不需要扫描仪40装置(如图5所示)来用于投影已调制的光。作为图5的实施例的又一替代方案，单独的投影透镜46以及取决于所使用的调制部件的类型的单独的扫描仪40装置也可以被用于各个颜色通道。

成像控制逻辑处理器52的处理

本发明使用由成像控制逻辑处理器52所执行的新颖的图像数据处理。在图4A-4F中使用CIE色域表示的序列来示出为色域扩展所使用的处理。

为了描述的目的，原色分量值被表示为从0至100的范围。对于该讨论，值0表示没有原色分量，值100表示全强度的原色。使用该约定，其相应色域内的任一颜色将以下列形式进行编码：

(r_value，g_value，b_value)

其中

r_value的范围从0至100；

g_value的范围从0至100；

b_value的范围从0至100。

因此，举例来说，在图4A中，颜色坐标点104的数据值(10，100，50)表示一种特定颜色，所述特定颜色具有非常少的红色分量、最大值的绿色分量、以及中间值的蓝色分量。

图4A示出广播编码数据的常规原始色域100，其具有由基于荧光粉的原色102r、102g和102b所定义的色度范围，所述102r、102g和102b是定义原始色域100的顶点，其中原始色域100是标准的广播色域，例如使用ITU Rec.709标准所定义的色域。如早先参考图1A所描述的，光谱轨迹10的外曲线表示纯色的范围。点16r、16g和16b分别表示来自图5的显示装置50中的激光器54r、54g和54b的激光原色的色度值。对于图4A的特定实例，对应于点16r、16g和16b的激光原色的波长分别是629nm、532nm和465nm。

对于图4A所示的广播编码数据的初始状态，原色102r、102g和102b的顶点具有表1所示的数据值。例如，红光原色102r在该初始广播编码数据中具有(100，0，0)的数据值。

图4B表示在执行本发明的方法时由成像控制逻辑处理器52所执行的中间色域定义步骤。回想一下，本发明扩展了色域以便使用由激光器54r、54g和54b所提供的纯波长所供给的更多色域。换句话说，本发明提供具有扩展的色度范围的图像。由连接点16r、16g和16b的虚线所示的显示色域110，表示显示装置50所供给的全部可能的色域或色度范围。在显示色域110中，数据值(0，100，0)对应于激光器54g的全强度，并且没有来自激光器54r和54b的光发射(图5)。因此，最初在原始色域100内编码的广播图像数据可以被简单地用作显示色域110的输入数据。然而，这不能提供满意的结果。正如在此的背景技术部分所指示的，简单地根据显示色域110来显示广播编码数据会产生视觉上不可接受的颜色再生，并且可能损害准中性色。代之以，如图4B所示，本发明通过选择在形成中间色域120的顶点的点122r、122b和122g处的中间原色来定义中间色域。正如其名称所暗示的，中间色域120由显示色域110所界定。而且，中间色域120基本上与原始色域100的区域重叠。包括中间色域120的原色色度坐标的适当选择把中间色域120定义为与显示色域110具有相同的整体形状，定义为与显示色域110基本上类似的三角形。

从在此的背景技术部分和图1B可以回想起，恒定色调线从白色点120的中央中性色向外辐射。为了保持显示色域110的色调保真度，需要将点122r、122b和122g的原色选择为具有与它们对应于点16r、16g和16b的相应基于激光的原色基本上相同的色调。然后，该标准形成用于在定义中间色域120的点122r、122g和122b处选择适当中间原色的基础。在点122r、122b和122g处的中间原色与它们在点16r、16g和16b处的相应显示设备原色之间的距离，通常与再生图像可以获得的显示色域的增加成比例。必须小心地选择原色之间的距离，以便既不会过分强调特定的颜色区域，也不会对特定的颜色区域强调不够。实际上，这些中间原色可以通过经验方法来获得；然而，也可以使用计算技术来规定用于特定显示装置50的最佳的一组颜色。

如图4C所示，处理的下一步骤是数据变换。该处理步骤将颜色坐标从根据广播RGB原色进行最初编码的原始色域100变换到根据中间RGB原色的中间色域120的坐标系。然后，该处理步骤是相对简单的颜色坐标的重新映射，从而现在将最初标准广播原始色域100中的值表示为较大的中间色域120内的值。原始原色102r、102g和102b现在具有如图4C的表2中所示的重新映射值。例如，回想一下，原色102r最初是图4A的原始色域100中具有值(100，0，0)的顶点。现在，在到中间色域120的重新映射中，点102r现在具有值(73.7，2.3，0.1)。相应地，原始色域100内的所有点均具有根据中间色域所表示的重新映射值。例如，在原始数据中被给予值(10，100，50)的颜色坐标点104现在具有重新映射值(33.9，98.6，51.3)。这样，现在就将原始色域100内的每个颜色坐标表示为中间色域120中的颜色坐标。

简单的变换技术可以被用来将图像数据值从定义原始色域100的标准广播编码图像数据转换为使用定义色域120的中间原色的中间彩色图像数据。在一个实施例中，利用在成像领域中所公知的技术，简单的[3×3]矩阵被用作实现该变换的变换84(图3)。可选择地，如果期望的话，也可以使用查找表(LUT)或其他计算方法。例如，处理器78所执行的所有步骤都可以用单个三维(3-D)查找表变换来代替，从而提供HDTV原色的输入数据与显示设备输入代码值之间的转换。这种3-D LUT可以根据图3所示的序列来计算，或者可以通过其他方法来获得。

如在一个例子中所示，其中激光投影仪具有465nm的蓝光原色、532nm的绿光原色和629nm的红光原色，通过下列3×3矩阵变换来表示一个合适的变换84，其提供从(原始色域100的)Rec.709RGB直接到激光投影仪RGB颜色的色度原色转换，而不会增加再生颜色的饱和度：

$\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{\λ}}\\ G_{\mathrm{\λ}}\\ B_{\mathrm{\λ}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0.635& 0.332& 0.033\\ 0.067& 0.908& 0.026\\ 0.016& 0.088& 0.896\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}{R}_{709}\\ G_{709}\\ B_{709}\end{array}\right]$

该矩阵变换可以使用本领域技术人员已知的技术来计算。

在本发明的一个实施例中，由具有下列形式的变换84给出从Rec.709RGB到激光投影RGB的新颖转换：

$\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{\λ}}\\ G_{\mathrm{\λ}}\\ B_{\mathrm{\λ}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0.737& 0.269& -0.006\\ 0.023& 0.990& -0.013\\ 0.001& 0.026& 0.973\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}{R}_{709}\\ G_{709}\\ B_{709}\end{array}\right]$

当应用于具有465nm蓝光原色、532nm绿光原色和629nm红光原色的激光投影仪时，该变换增大再生颜色的饱和度，同时保持恒定的感觉到的色调。

图4D和4E示出当该重新映射颜色数据又被提供给显示硬件时所发生的事情。如图4D所示，根据中间顶点颜色坐标122r、122g和122b所表示的彩色图像数据现在被分别直接输入给位于点16r、16g和16b处的激光器54r、54g和54b所提供的相应原色。图4E示出该变换所产生的结果。实际上，原始色域100在区域上被扩展。如随后所述，可以按照多种方式来执行色域的区域的计算。然而，与常规方法不同，扩展的图像色度范围100’所提供的扩展的色域稍微小于具有在点16r、16g和16b处的原色的激光显示色域110。代之以，一组有效的所计算的颜色坐标点102r’、102g’和102b’提供定义扩展的图像色度范围100’的色域边界的顶点。扩展的图像色度范围100’具有原始广播色域100的近似形状，以及进行有效的“拉伸”并适于该组激光54r、54g和54b原色。图4F示出这种色域扩展对原始色域100的广播原色色域内各个颜色的影响，其中向量101的起点表示根据原始色域100进行编码的颜色，而向量101的箭头表示根据本发明教导的那些颜色的再生。如图4F中箭头101的按比例变化的长度所示，饱和度的相对增长量基于某一颜色距白色点20的色度距离。

在本发明的描述中，术语“扩展的图像色度范围100被用来描述显示装置50实际上提供的、可能可选择地被称作“扩展的色域”的东西。进行这种区别是有用的，因为颜色坐标点102r’、102g’和102b’所提供的定义扩展的图像色度范围100’的顶点，并不是发射光源所提供的实际原色(其是用于显示装置50的点16r、16g和16b以及用于广播编码原始色域的原色102r、102g和102b)，而是在色空间中计算出的或“虚拟的”点。扩展的图像色度范围100’提供可以从显示装置50提供的连续的一组颜色，其中该组颜色包着或封闭一个超过原始色域100区域、并且稍微小于显示色域110的区域的色空间的区域。

本发明的方法实现了在使用显示色域110的全设备色域和保持色调保真度之间的折衷。不是试图显示在全显示色域110范围之上的颜色，关于图4A-4F所述的方法只使用显示色域110的一部分。因此，反直观的是，稍微牺牲了显示色域110可能的全扩展色度，好处是色调保真度和色域的整体增加。高色度的颜色的饱和度得到显著的增长，从而提供满意的视觉效果，利用了这些颜色的更大色域。然而，同时逼真地再生了准中性色和肤色，这与对原色的常规色域扩展所发生的不同。

就显示装置50的硬件而言，该新颖过程的结果是，来自红色激光器54r的光和来自绿色激光器54g的光都不被单独地用来形成任何一种颜色。例如，每当对绿色激光器54g的光进行调制以形成一种颜色时，红色或蓝色激光器54r或54b中的至少一个也就有意地提供大于其暗阈值的已调制光。因此，除了对于蓝色区域中一些颜色的可能例外，显示来自显示装置50的任一像素需要来自激光器54r、54g或54b中的至少两个的光。当然，在非常低的光级，可能难以检测到来自其他这些源的光。实际上，每当以大于其最大输出值的大约20％来调制来自绿色激光器54g的光时，也就在暗阈值级以上调制来自红色和/或蓝色激光器54r、54b中至少一个的光。

图4A-4F的序列示出如何为显示装置50获得色域，其具有分别为629nm、532nm和465nm的示例激光波长。在该实施例中，显示色域110界定中间色域120，而中间色域120基本上界定原始色域100。然而，在一些情况下可能发生的是，显示色域110没有完全地界定原始色域100，这取决于激光器54r、54g或54b的波长选择。图6A和图6B示出其中具有波长446nm的蓝色激光器被用作54b的一个例子。这里，显示色域110没有完全地界定原始色域100。在这种情况下，可能需要使用在成像领域中所公知的技术进行特定颜色的重新映射。如所示，这种行为可能特别适用于蓝色区域。对于“出界的”颜色，将需要显示成像领域的技术人员已知的用于颜色重新映射的插值技术。

可以观察到，如关于图4C所描述的，使用该方法所提供的扩展的图像颜色只需要对图像数据进行一个简单的变换。不需要用于激光器的设备驱动器的更改。本发明的方法将不需要对显示逻辑设备进行硬件改变，只要激光显示数据路径已经包括关于图3所述的处理步骤。

本发明的方法实现了许多结果，包括下述：

(i)如图4A-4F的序列所示，使用该方法所产生的扩展的图像色度范围100’的区域超过了原始(ITU Rec.709)色域100的区域。然而同时，使用该方法所产生的图像色度范围100’的区域小于通过显示装置50可以获得的显示色域110的区域。该结果与通过如上面在背景技术部分中所述的常规颜色映射方法而获得的结果不同。使用图4A-4F中所用的常规CIE u’，v’表示，可以使用由M H.Brill在“Colors and DisplayMeasurements”中所述的度量来计算色域的百分比区域，所述“Colors andDisplay Measurements”被公开在1999年10月13日对Society forInformation Display(SID)Mid-Atlantic Chapter所作的陈述中，并且被记载在当前可从SID网站(www.sid.org)得到的文件brill 1013b.pdf中。该计算如下：

$\mathrm{Area}=\frac{100}{0.1952}*\frac{|(u_r^{\′}-u_b^{\′})(v_g^{\′}-v_b^{\′})-(u_g^{\′}-u_b^{\′})(v_r^{\′}-v_b^{\′})|}{2}$

其中由光谱轨迹10和紫色边界11所界定的区域(图1A)是0.1952。乘以100得到相对百分比，而u’_r、u’_g、u’_b、v’_r、v ’_g和v’_b是定义该色域的相应顶点的CIE u’，v’坐标。

例如，使用标准ITU Rec.709原色的原始色域100的相对区域被如下计算：

$\mathrm{Area}=\frac{100}{0.1652}*\frac{|(.4507-.1754)(.5625-.1579)-(.1250-.1754)(.5229-.1579)|}{2}=33.2$

使用一组激光原色的根据本发明的装置的显示色域110的相对区域被如下计算：

$\mathrm{Area}=\frac{100}{0.1952}*\frac{|(.5533-.1690)(.5868-.1119)-(.0557-.1690)(.5170-.1119)|}{2}=58.5$

使用具有一组激光原色的根据本发明方法的扩展的色度范围100’的相对区域可以被如下计算：

$\mathrm{Area}=\frac{100}{0.1952}*\frac{|(.5188-.1704)(.5752-.0920)-(.1084-.1704)(.5213-.0920)|}{2}=49.9$

更一般而言，扩展的图像色度范围100’的相对区域可以被认为是使用本发明方法在扩展的图像色度范围100’内可得到的完全一组颜色所包着的色空间的区域。因此，在该例中，在比较扩展的图像色度范围100’与原始色域100时，所显示颜色的色域增大等于：

$\frac{49.9}{33.2}\≈1.50$

因而，在该例中存在大约50％的色域增大。使用该计算方法，当扩展的图像色度范围100’的区域超过了原始色域100的区域至少10％时，实现了令人满意的色域增长。

(ii)除了白色点20以外，对于原始色域100中的颜色坐标，当被变换为图像色度范围100’中的颜色坐标时，存在CIE度量色度C^*的增长。理想地，白色点20是未经改变的。而且，CIE度量色度差ΔC^*随着距白色点20的距离增大而单调增大。与此同时，用于已变换颜色的任何CIE心理测量色调差ΔH^*是最小的，小到值5以内，优选是在值3或更小值以内。

(iii)扩展的图像色度范围100’基本上被界定在显示色域100与原始(ITU Rec.709)色域100之间。如图6A和图6B所示，可能存在扩展的图像色度范围100’的一小部分与显示色域110重叠，或者处于显示色域110以外，特别是在蓝色区域中，这取决于在显示装置50中所使用的原色。

尽管关于图5所给出的描述集中于对每种原色使用单独的空间光调制器56r、56g、56b的三色装置，但是本发明的方法还可以用于替代的设计方法，包括使用色序装置，其中以高的速率对原色进行重复排序，以便由一个或两个空间光调制器进行相继的调制。对于色序显示，利用在电子成像技术领域中所公知的方法，时间积分被用来同步来自其复合原色的任何颜色。

本发明的方法特别适用于窄带发射彩色光源，例如在带宽非常窄的波长上发射光的激光器。通常，窄带发射光源以大约+/-10nm以内的标称波长来发射其多于一半的输出光。根据ITU Rec.709，与窄带发射光源相关联的顶点基本上处于原始(ITU Rec.709)色域100之外。该方法可以用于许多不同类型的激光器，其中包括双泵浦固态激光器、半导体激光器、有机激光器和激光器阵列。对发光二极管(LED)性能的持续改进暗示着，还有可能在显示装置50中使用LED光源或其他类型的窄带光源作为激光器54r、54g和54b的替代光源。一个或多个窄带发射光源的色调可能与原始色域的相应原色的色调存在可觉察的差别。

本发明的装置和方法允许彩色图像数据的比特深度处于任何适当的级别以用于显示。举例来说，使用较高的比特深度，比如每种颜色10或12比特，将有助于允许平滑过渡并且最小化阴影细节中的量化伪影。尽管本发明的方法特别适用于广播编码图像数据的显示，但是它还可以更广泛地用于任何类型的编码输入图像数据。因此，所提供的是一种用于使用窄带发射光源来提供扩展的色域的彩色显示的方法和装置。

如图5的实施例所述，按照常规的三色激励RGB色彩模型，显示装置可以使用三个激光器或其他窄带发射光源。然而，附加颜色可以被添加以便扩展显示色域110，并且因此扩展的图像色度范围100’甚至变得更宽。

已经参考优选实施例对本发明进行了描述。然而将会认识到，本领域技术人员可以实施各种变化和修改而不脱离本发明的范围。本发明的方法可以用于许多空间光调制器中的任何一种，其中包括扫描的线性GEMS器件和GLV(光栅光阀)器件、以及二维LCD阵列调制器和其他类型的器件。

部件列表

10             光谱轨迹

11             紫色边界

12             三角形

14r，14g，14b  顶点

16r，16g，16b 点

20             白色点

22             色调线

24，26         坐标

30             颜色合并光学器件

40             扫描仪

42             彩色信号

44             透镜

46             投影透镜

50             显示装置

52             成像控制逻辑处理器

54r，54g，54b  激光器

56r，56g，56b  空间光调制器

58             合光棱镜

60             场景

61             图像捕获部分

62             照相机

63             数据存储设备

64             介质

66             电视电影装置

68             处理部分

70             广播编码数据

72             HDTV原色

74             处理器

76             变换

78             处理器

80                            线性RGB数据

82                            变换

84                            变换

88                            变换

90                            显示表面

92                            像素

100                           原始色域

100’                         扩展的图像色度范围

101                           箭头

102r，102g，102b              原色

102r’，102g’，102b’        高效的颜色坐标点

104                           颜色坐标点

106                           线性HDTV数据

110                           显示色域

120                           中间色域

122r，122g，122b              点

Claims (27)

1.一种用于显示彩色图像的方法，包括：

a)提供彩色图像显示装置，所述彩色图像显示装置具有定义了显示色域的至少三个窄带发射光源；

b)接受在区域上小于所述显示色域的原始色域内所定义的输入彩色图像数据值；

c)将所述输入彩色图像数据值变换为具有扩展的色度范围的显示色域数据值，

其中所述扩展的色度范围的至少一部分位于所述原始色域之外，

以及其中所述显示色域的至少一部分位于所述扩展的色度范围之外；并且

d)将所述显示色域数据值提供给所述彩色图像显示装置以用于形成所述彩色图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，对于在所述显示装置上的图像像素，与所述输入图像数据值相关联的色调基本上与由所述彩色图像显示装置所生成的具有所述相应显示色域数据值的所显示的颜色的色调相同。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，对于给定的输入图像数据值，由所述彩色图像显示装置所生成的具有所述相应显示色域数据值的所显示的颜色的所述色调，至少在由所述输入彩色图像数据值所给定的色调的+/-5的标准心理测量色调差以内。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述输入彩色图像数据值变换为显示色域数据值的所述步骤产生显示色饱和度的单调增大，从而：

对于与白色点相距第一色度距离并且被转换为第一显示色域数据值的第一输入彩色图像数据值，以及

对于与所述白色点相距第二色度距离并且被转换为第二显示色域数据值的第二输入彩色图像数据值，

其中所述第二色度距离超过所述第一色度距离，

所述第二显示色域数据值的显示色饱和度相对于其第二输入彩色图像数据值的增大超过了所述第一显示色域数据值的显示色饱和度相对于其第一输入彩色图像数据值的增大。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少三个窄带发射光源是激光器。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述输入彩色图像数据值是广播编码的。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述扩展的图像色度范围的区域超过了所述原始色域的区域至少10％。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述显示色域的区域超过了所述原始色域的区域至少50％，以及其中所述显示色域的区域超过了所述扩展的图像色度范围的区域至少10％。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述输入彩色图像数据值变换为具有扩展的图像色度范围的显示色域数据值的所述步骤包括：通过将每个图像像素的每个输入彩色图像数据值映射到中间色域内的中间色域图像值来形成重新映射的图像数据值，其中：

(a)所述中间色域基本上被界定在由所述窄带发射原色所定义的所述显示色域内；

(b)所述中间色域包括在所述输入彩色图像数据的色度范围之外的颜色；以及

(c)所述显示色域包括在所述中间色域的范围之外的颜色。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少三个窄带发射光源均在+/-10nm的波长频带以内发射多于1/2的它们的输出光。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述窄带发射光源中的至少一个的色调与所述原始色域的相应原色的色调存在可觉察的差别。

12.一种用于显示图像的方法，包括：

a)提供具有至少三个激光器的显示装置，其中所述至少三个激光器定义了显示色域；

b)接受在原始色域内所定义的输入图像数据值，

其中所述原始色域在区域上小于由所述至少三个激光器所定义的所述显示色域；

c)将每个输入图像数据值变换为所述显示色域中的显示设备数据值，

其中由已变换的图像数据值的全集所包着的区域定义了扩展的图像色度范围，所述扩展的图像色度范围的区域超过所述原始色域的区域，并且小于所述显示色域的区域；并且

d)将所述显示设备数据值提供给所述显示装置以形成图像。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述显示色域的区域超过了所述原始色域的区域至少50％。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述显示色域的区域超过了所述扩展的图像色度范围的区域至少10％。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，对于每个输入图像数据值，相应的已变换显示设备数据值均在+/-5的标准心理测量色调差以内。

16.根据权利要求12所述的方法，其中，将所述输入图像数据值变换为显示设备数据值的所述步骤产生显示色饱和度的单调增大，从而：

对于与白色点相距第一色度距离并且被转换为第一显示设备数据值的第一输入图像数据值，以及

对于与所述白色点相距第二色度距离并且被转换为第二显示设备数据值的第二输入图像数据值，

其中所述第二色度距离超过所述第一色度距离，

所述第二显示设备数据值的显示色饱和度相对于其第二输入图像数据值的增大超过了所述第一显示设备数据值的显示色饱和度相对于其第一输入图像数据值的增大。

17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述激光器中的至少一个的色调与所述原始色域的相应原色的色调存在可觉察的差别。

18.一种用于将图像形成为像素阵列的显示装置，包括：

a)一个激光器，其以500与550nm之间的范围的波长发射绿光，并且在从暗阈值到最大输出的范围上进行调制；

b)至少两个其他激光器；

其中每个激光器均用作用于形成像素的原色，并且根据控制信号进行调制，

所述显示装置显示图像，从而对于任何一个像素，其中所述绿色激光在其最大输出的20％以上的级别进行调制，来自所述两个其他激光器中的至少一个的光也在其暗阈值以上的级别进行调制；以及

c)成像控制逻辑处理器，其执行以下操作：

i)接受在原始色域内所定义的输入图像数据值，

其中所述原始色域在区域上小于由所述至少三个激光器所定义的显示色域；

ii)将所述输入图像数据值变换为具有扩展的图像色度范围的显示色域数据值，

其中所述显示色域数据值的所述扩展的图像色度范围被界定在所述显示色域以内，

从而所述显示色域的一部分位于所述显示色域数据值的所述扩展的图像色度范围之外，

以及其中所述显示色域数据值的所述扩展的色度范围的一部分位于所述原始色域之外；以及

iii)根据所述显示色域数据值来调制来自所述激光器中的一个或多个的光。

19.根据权利要求18所述的显示装置，其中，每个激光器均以颜色序列的方式向所显示的像素提供光。

20.根据权利要求18所述的显示装置，其中所述至少两个其他激光器中的一个发射处于红色区域的可见光，并且任何包含最大输出的20％以上级别的绿色激光的像素还包含红色激光。

21.一种显示装置，包括：

a)一组至少三个的窄带发射光源，每一个光源均发射处于可见光波长的光，所发出的光用作原色，

其中所述至少三个窄带发射光源定义了显示色域；

b)成像控制逻辑处理器，其被配置成：

(i)接受输入图像数据以用于显示像素，所述输入图像数据被编码为广播格式的颜色坐标，其中所述广播格式被定义在原始色域内；

(ii)将每个像素的所述颜色坐标从由所述广播格式所定义的坐标变换到所述显示色域中的已变换的颜色坐标，

其中由图像的所述已变换的颜色坐标的全集所包着的整个区域小于所述显示色域的区域的90％，以及

其中由图像的所述已变换的颜色坐标的全集所包着的整个区域超过所述原始色域的区域至少10％；

(iii)向所述显示装置提供每个像素的所述已变换的颜色坐标，以作为显示设备输入代码值；以及

c)至少一个调制器，用于根据所述已变换的颜色坐标来调制所述发射窄带光源，以便由此形成图像。

22.根据权利要求21所述的显示装置，其中，所述窄带发射光源中的至少一个是激光器或LED。

23.根据权利要求21所述的显示装置，其中，所述至少一个调制器是从由以下各项所组成的组中选择的：适形光栅器件、光栅光阀器件、数字微镜器件、声光光栅器件。

24.根据权利要求21所述的显示装置，其中，所述至少一个调制器被配备有可变驱动信号。

25.根据权利要求21所述的显示装置，其中，任一已变换的颜色坐标相对于其广播格式的色调均在+/-5的标准心理测量色调差以内。

26.根据权利要求21所述的显示装置，其中，像素的任一广播编码坐标与其相应已变换的颜色坐标之间的标准度量色度差，随着所述广播编码坐标距所述显示装置的白色点的距离的增大而单调增大。

27.根据权利要求21所述的显示装置，其中，所述显示色域的区域超过了所述原始色域的区域至少50％。

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