CN102137273B - 三维色域数字电视测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维色域数字电视测试图序列，并介绍了利用该三维色域数字电视测试图序列对电视机、显示器等进行测试的方法，用于全面测定各种显示器件和显示方式所具有的三维色域。全面测定亮度、色调和色饱和度重显范围，用做各种显示器件和显示方式在亮度、色调和色饱和度三个方面，实现与信号的色度特性匹配，充分发挥不同类型显示器件和显示方式的重显色域潜力，匹配或展宽信号色域，获得相应的最广色域图像和视频画面，改善色彩视觉效果。

Description

三维色域数字电视测试方法

技术领域

本发明涉及数字电视技术和颜色科学与技术，具体涉及一种三维色域数字电视测试图序列及三维色域数字电视测试方法，此专利申请获得“天津师范大学 博士基金资助（52XB1006）。 

背景技术

出于电视系统和设备的兼容性等方面考虑，目前常规的模拟和数字电视系统仍沿用阴极射线显像管（CRT显像管）特性选定电视系统的部分光电和色度参数，色信号编码和解码以及传输方式亦力求与原有电视系统兼容。这使得系统所能传输和重显的色彩范围，又称 “色域”受到限制。这种限制体现在自然界存在、人工能合成或计算机能制作、视觉能感知，构成电视系统应予传输和重显的色域宽度。其结果是使目前电视信号的色域覆盖率只约为视觉能感受色域范围的1/3。 

随着现代科技和工业的迅速发展，近年来多种新型显示器件和显示技术不断涌现。除传统的阴极射线管(CRT)外，液晶显示器(LCD)、等离子体显示器(PDP)、数字光学处理器(DLP)、硅基液晶显示器（LCoS）、发光二极管背光源液晶显示器（LED-LCD）、4元色以上的多元色LCD等多种新型显示器件已实用化或已研制成功。在显示方式方面，除直视型外，前投影、背投影、激光投影和多元色投影等也已投入实用。这些新型显示器件和显示方式基于不同原理，不同结构，采用不同材料、器件和技术，彩色重现性能已明显提高，色域扩大，一些“未来型”显示器件和显示方式还将涌现。 

为实现不同色域信号与不同显示器件或显示方式的色域匹配，例如将常规窄色域电视信号展宽，使宽色域显示器件或宽色域显示方式得以重显色彩更饱和的宽色域图像或视频画面，来提高视觉效果，需设计和生成色域测试图，用来测量不同显示器件或显示方式的色域，进而通过色域映射等，实现色域的匹配和拓展。 

历史悠久的颜色科学研究证实，颜色有亮度（明度）、色调和色饱和度三种属性。亮度指彩色光刺激的强弱。色调即色品，不同波长可见光的色调不同，可见光波长由长到短，色调由红色逐渐变化到蓝色。色饱和度指颜色的纯度，含白色光比例越低的颜色，其色饱和度越高。 

目前通用的色度测试是用特定亮度（明度）的二维测试图，测量显示器件或显示屏的二维色性能，实际上只评测了特定亮度（明度）下的色调和色饱和度质量。目前我国相关标准要求测定的“色域覆盖率”，也只是用100%幅度的红、绿和蓝三种满幅测试图，测定可重显三基色限定的色度范围与可见光色度范围的比值。 

实际上，不同显示器件或显示方式在不同亮度（明度）下，色域有很大的差别。例如LCD、PDP等平板显示器，当亮度（明度）提高后，色域大为缩窄，这意味着采用现有技术，这些显示器不能显示高亮度（明度）的高饱和色。为了实现显示器与信号的三维色域相匹配，拓宽三维色域，改善产品三维色度性能，需设计和生成三维色域测试图，用来全面测定不同显示器件和显示方式的三重色属性，提供三维色域测试数据，为产品的三维色复显设计提供基础数据。 

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术中存在的问题而提供了一种三维色域数字电视测试图序列及三维色域数字电视测试方法。 

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是： 

本发明的三维色域数字电视测试图序列，包括5幅宽度与高度比为16：9的测试图画面，每幅测试图画面都具有如下的结构：测试图画面左右两侧各占画面宽度的1/9为黑色，测试图画面上下两侧各占画面高度的1/9为黑色，测试图画面除去周围黑色部分的中间区域为有效测试区，有效测试区平均分为11行、16列，共176个有效测试色块，每个色块含有至少500个像素，各个色块在行与列之间间隔至少2个像素，行与列之间的间隔区域为黑色；每幅测试图的有效测试色块填充不同的表面色，5幅测试图包含了全部866种表面色。

所述的测试图画面的四边设有多个占2个像素的白色三角形满幅标志，中央设有占2个像素的白色圆形中心标志。 

所述的测试图有效测试区四个角外分别设有校核用辅助色块，每个辅助色块均占500个像素。 

一种利用上述的三维色域数字电视测试图序列进行测试的测试方法，包括如下步骤： 

在Photoshop中制作5幅测试图画面，并将每幅测试图画面中的有效测试色块先按自左至右的列顺序，再按自上到下的行顺序进行编号；

将866种表面色分别填充到5幅测试图画面的有效测试色块中；生成测试图，测试图以数字分量信号文件格式或位图文件格式生成；

将生成的测试图通过计算机导入色度测量信号发生器中，转换成TG45AX格式或其它色度计信号源可以识别的信号格式；

用被测电视机或被测显示器依次显示色度测量信号发生器中的测试图，然后用色度计测量，按每个色块的编号顺序记录测试数据，得出测试结果。

制作每幅测试图画面的过程如下： 

在Photoshop中定义测试图画面所占像素为1920×1080；

在测试图画面左右各取画面宽度的1/9，填充黑色；在测试图画面上下各取画面高度的1/9，填充黑色；

将测试图画面中间区域的有效测试区平均分成11行、16列，共176个有效测试色块，每个色块含有至少500个像素，各个色块在行与列之间设置至少2个像素的间隔，填充黑色；

在测试图画面的四边设置占2个像素的白色三角形满幅标志，每条边设置两个，中央设置占2个像素的白色圆形中心标志；

在测试图画面的有效测试区四个角外分别设置校核用辅助色块，每个辅助色块均占500个像素。

本发明具有的优点和积极效果是： 

本发明设计并生成了三维色域数字电视测试图序列，并介绍了测试方法，用于全面测定各种显示器件和显示方式所具有的三维色域。全面测定亮度（明度）、色调和色饱和度重显范围，用做各种显示器件和显示方式在亮度、色调和色饱和度三个方面，实现与信号的色度特性匹配，充分发挥不同类型显示器件和显示方式的重显色域潜力，匹配或展宽信号色域，获得相应的最广色域图像和视频画面，改善色彩视觉效果。

附图说明

图1是本发明的16∶9宽高比的三维色域数字电视测试图模板； 

图2是本发明的一幅各色块已赋值的测试图画面。

具体实施方式

以下参照附图及实施例对本发明进行详细的说明。 

常用的电视机显示屏或投影机屏幕的宽高比主要有4：3和16：9两种。本发明以常用宽高比16：9为例，介绍了三维色域数字电视测试图序列的设计方法和测试方法。利用本发明提供的设计方法，也很容易设计并生成其它宽高比的测试图或测试图序列。 

由于工作机理不同或生产过程存在缺陷等原因，各类显示器件或显示方式重现的画面往往不均匀，特别是屏幕边缘与屏幕中部的色度特性往往有差异，而视觉最关心图像或视频画面的中部。本发明设计并生成的三维色域数字电视测试图序列使用同一测试图模板，为减小画面不均匀对色度测量的影响，并使测试图序列适用于各类显示器件和显示方式的色度参数测试，测试图模板的测试图画面有效测试区去除了画面四周。如图1所示，整个测试图画面所占像素为1920×1080，上下各去除画面高度的1/9，左右各去除画面宽度的1/9。为减小来自测试图边缘非有效测量区光线对色度测量的影响，非有效测量区填充黑色。 

为定位色度计与测试图间的相对位置，测试图四边设白色三角形满幅标志，每条边设置两个三角形满幅标志，每个三角形满幅标志占2个像素。中央设白色圆形中心标志，白色圆形中心标志也占2个像素。 

为使色度计得以一次采集多种测试色块的色度数据，提高测量效率，将测试图画面有效测试区划分成若干列和若干行测试块。各色块含至少500个像素，使色度计得以采集多个像素的色度数据，并以它们的平均值为该色块色度参数的测量结果，提高测量结果的可靠性。 

为减小来自相邻色块光线对所测色块色度参数的影响，各色块在列和行之间，均间隔足够的距离，即间隔2个像素，并将之填充以黑色。 

为便于处理测量数据，各色块先按自左至右的列顺序，再按自上到下的行顺序，顺序地编号。为不干扰测量，色块的编号并不呈现在测试图上，而只体现为测试区和相应测量数据的排序。 

因测试三维色域需施测较多色块的色度参数，故测试图需设计成由多幅测试图组成的测试图序列，本发明选取5幅。各幅测试图的布局相同。为检查在使用多幅测试图分别测量三维色度参数的过程中，保持测量状态的一致性，在各幅测试图有效测试区的四角外设4个校核测试一致性用的辅助色块。各幅测试图中的这些辅助色块的位置和大小在各测试图中相对固定，色度参数（例如依次为最亮的白、青、黄和绿饱和色）分别对应。 

制作好测试图模板后，需要选定色参数。为测定色域，各测试色块填充以表面色。面向不同应用，表面色可对应不同色空间，通常使用RGB色空间。 

不同显示器件或显示方式的三维色域分布不尽相同，各测试色块的色度参数例如可按在相应色空间均匀分布的原则选定，但不限于均匀选取一种方式，以适应不同被测对象的三维色域分布特点。 

色度参数均匀或非均匀分布的色块数量，依所需色域测量精度，兼顾数字化测试图的量化精度而定。图2举例示出了一幅各色块已赋值的测试图。各色块以不同色空间的不同表面色填充。各测试色块的色度参数按相应色空间均匀分布或非均匀分布原则选定。色块数量依色域测量精度和量化精度而定。图2按RGB色空间设计，将归一化的R、G和B值各等分为13个值，生成8 bit量化精度的数字化测试图，测试图序列共含866种表面色，其中的饱和色为469种。 

众多测试色块需分布到测试图序列中的不同测试图。将866种表面色分布到如图1所示的5幅测试图中。图1含176个有效测试色块，5幅测试图余14个色块，可重复设置对校核测量结果有重要意义的色块，例如中性色色块或白色色块。测试色块的分组原则是将归一化亮度值均分，把亮度接近的色块安排到同一幅测试图。为使色度计采集同一幅测试图各色块数据所需时间尽量一致，应等分亮度，将亮度接近的色块，分布到同一幅测试图。例如将亮度均分为5个档次，将相应的176个色块，分别选入5幅测试图。图2所示测试图示例，是将亮度均分为5个档次，将亮度值介于相应档次的176个色块分别选入5幅测试图，该图是亮度介于0.80～1.00的1幅测试图示例。 

测试图模板由计算机编程或配合使用计算机绘图工具生成。 

测试图序列各幅测试图内的各色块颜色按上述赋值生成。赋值精度依量化精度确定。例如对8 bit、13级均匀分布的数字化测试图，各量化级取值如表1所列。 

表1  13级均匀分布的8 bit量化精度数字测试图取值

量化级	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
														量化值	0	21	43	64	85	106	128	149	170	191	213	234	255

 测试图以数字分量信号文件格式或位图文件格式生成。

颜色科学和技术在众多领域都有广泛应用，不同领域需求不同。一些领域，例如遥测和遥感等，对真实采集和再现色彩有很高要求。而另一些应用，例如电视、广告和印染等，则重点要求视觉感受优良，而不一定追求保真。 

颜色有亮度（明度）、色调和色饱和度三种属性，需用三个独立的基本量表征，采集、生成、处理、传输和重建绚丽多彩的自然景象和计算机等人工合成的色彩，本质上需要在亮度（明度）、色调和色饱和度三个方面保真或满足视觉对三维色重现要求。对色彩三重属性及其再现技术的研究需在三维色空间进行。 

对数字图像或数字视频画面，可涵盖的色彩数量多少，取决于三个色彩基本量的量化bit数，但量化精度达到一定值，例如8 bit，再细的颜色划分，视觉难以区分，而更有意义的是可实现的颜色范围，即色域宽窄或是否匹配。 

一段光谱与一个特定的色域对应，人类视觉可见光谱与可见光色域对应，不同显示器件或显示方式与该器件或设备的色域相对应。为解决色保真或色域匹配、色域拓宽等问题，前提是必须测定一段光谱、可见光或特定设备的色域。 

传统的色度测量是测定特定亮度（明度）的不同颜色的色度参数，即进行二维色平面的色度参数测量。二维色度测量缺失一个色度基本量。实际上不同器件或设备对不同亮度的色域有很大差别，例如高亮度色域一般很窄。 

这种传统的二维色度测量的局限性，导致系统不能真正保真，或不能在各种亮度上，均满足视觉特性要求。 

本项发明基于对颜色固有特性的分析，针对不同显示器件和显示方式，从三维色空间出发，设计并生成了三维色度参数测试图序列。测试图序列适用于快捷而精确的三维色度测量。正确应用本项发明，能完成三维色度参数的快速测定，从而依据三维色度测试数据，通过色域映射、色域扩展等方法，实现色彩三重属性的保真或在亮度、色调和色饱和度三个方面，全面改善视觉效果。 

按上述三维色域测试原理和测试图序列设计方法，用计算机编程或辅之以计算机绘图工具软件，以8 bit精度，生成计算机位图文件。 

将计算机位图文件存入相应的色度测量信号发生器。此间，如果信号发生器文件格式与计算机位图文件格式不同，则需转换文件格式，或借助信号发生器随机格式转换工具软件进行相应的文件格式转换。 

按相关应用领域的色度测试标准，在其规定的环境中，布置被测设备和测试仪器，调整它们间的相对位置，并令它们工作于稳定的标准测试状态。测试仪器应采用定期校正，精度满足要求的色度计。为提高三维色域测试效率，色度计最好采用面阵型CCD（电荷耦合器件）器件完成所采集的光图像的光电转换。色度计应随机带有光谱分析、数据转换等软件。此外，色度计最好能以计算机通用数据文件形式提供色度参数测试结果，以避免手工读出和记录数据带来的错误。 

综上所述，利用上述的三维色域数字电视测试图序列进行测试的测试方法如下： 

首先在Photoshop中制作5幅测试图画面，并将每幅测试图画面中的有效测试色块先按自左至右的列顺序，再按自上到下的行顺序进行编号；

将866种表面色分别填充到5幅测试图画面的有效测试色块中；生成测试图，测试图以数字分量信号文件格式或位图文件格式生成；

将生成的测试图通过计算机导入色度测量信号发生器中，转换成TG45AX格式或其它色度计信号源可以识别的信号格式；

用被测电视机或被测显示器依次显示色度测量信号发生器中的测试图，然后用色度计测量，按每个色块的编号顺序记录测试数据，得出测试结果。

针对不同需求，三维色域测量数据处理、分析、绘图和输出等软件往往需要定制开发，或部分定制开发，提供的三维色域测量和分析结果将用于改善相应产品的色度性能。以电视显示屏或投影机显示屏为例，三维色域测量和分析结果将有助于显示器件制造商、电视机和显示器生产厂、投影机生产单位改进荧光粉和滤色膜等原材料的配方和生产工艺，提高光学器件及投影系统的光学性能，改善整机电光转换的非线性校正、信号色域与显示或投影器件色域匹配或拓展色域，重显视觉感受优良的彩色图像或视频画面。 

本发明以电视系统为例，设计并生成了三维色域测试图序列，用于全面测定各种显示器件和显示方式所具有的三维色域。全面测定亮度、色调和色饱和度重显范围，用做各种显示器件和显示方式在亮度、色调和色饱和度三个方面，实现与信号的色度特性匹配，充分发挥不同类型显示器件和显示方式的重显色域潜力，匹配或展宽信号色域，获得相应的最广色域图像和视频画面，改善色彩视觉效果。 

由于二维色域是三维色立体向等明度色度平面的投影，所以二维色域是三维色域的特例，因而本项三维色域测试图序列亦能用于二维色域测定，三维色域测试数据包含着三维色域测试数据，也可用于产品的二维色度设计。 

本项发明虽以电视系统为例，但其三维色域测试图序列的设计原理、工程实现和计算机生成方法等，也可用于电影、照相、印染等行业。广义的“色域”指色彩信息采集、生成、处理、传输和重现的颜色范围。颜色有亮度、色调和色饱和度三重属性。本项发明从颜色具有的三重属性出发，设计并生成了测定颜色亮度、色调和色饱和度的三维色域测试图序列。使用这些测试图，面向各类显示器件和显示方式，可全面测定它们在不同亮度下，重现色域的边界。目的是基于色域的三维分布，在三维色空间，全面地实现色域匹配，或拓宽重现色域，提升重现彩色图像和视频画面的视觉效果。 

由于二维色域是三维色域在等亮度色度平面上的投影，所以本项发明提供的三维色域测试图序列或测试数据也可用于二维色域测试，实现等亮度条件下，彩色再现的匹配或拓展。 

自然界或人工生成的颜色均具亮度、色调和饱和度三重属性，因而本发明在原理和实现技术等方面，也适用于电影胶片制作与放映以及照相、印刷、打印、染料和涂料等行业。 

Claims (1)

1.一种三维色域数字电视测试方法，包括如下步骤：

在Photoshop中制作5幅测试图画面，并将每幅测试图画面中的有效测试色块先按自左至右的列顺序，再按自上到下的行顺序进行编号；

将866种表面色分别填充到5幅测试图画面的有效测试色块中；生成测试图序列，测试图序列中的测试图以数字分量信号文件格式或位图文件格式生成；

将生成的测试图序列通过计算机导入色度测量信号发生器中，转换成TG45AX格式或其它色度计信号源可以识别的信号格式；

用被测电视机或被测显示器依次显示色度测量信号发生器中的测试图，然后用色度计测量，按每个色块的编号顺序记录测试数据，得出测试结果；

制作每幅测试图画面的过程如下：

     在Photoshop中定义测试图画面所占像素为1920×1080；

     在测试图画面左右各取画面宽度的1/9，填充黑色；在测试图画面上下各取画面高度的1/9，填充黑色；

将测试图画面中间区域的有效测试区平均分成11行、16列，共176个有效测试色块，每个色块含有至少500个像素，各个色块在行与列之间设置至少2个像素的间隔，填充黑色；

在测试图画面的四边设置占2个像素的白色三角形满幅标志，每条边设置两个，中央设置占2个像素的白色圆形中心标志；

制作每幅测试图画面的过程还包括下述步骤：

在测试图画面的有效测试区四个角外分别设置校核用辅助色块，每个辅助色块均占500个像素。

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