CN104159053B - 一种大色域显示设备三原色优化设置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大色域显示设备三原色优化设置方法，首先在CIE1976UCS 均匀色品标尺图中对红、绿、蓝三原色选取一定数目的采样点，组合成不同设置的假想色域；然后通过对假想色域工作状态建立的色度特征化模型，计算皮肤、草地、蓝天三种典型记忆色与其参照CIELAB参照值之间的CIELAB色差，获得每个假想色域的颜色喜好指数，从而选取具有最高颜色喜好指数的假想色域，将其三原色色品坐标作为最优设置；本发明解决了现有基于小色域的电视信号和数字图像传输至大色域显示设备上会发生颜色失真的问题，操作简单，无须视觉评价，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及具有大色域特性的数字图像显示设备，尤其是一种对大色域显示设备三原色色品坐标的优化设置方法。
背景技术
随着显示产业的技术革新，具有大色域的显示设备蓬勃发展并迅速应用起来，使人们观看时可以获得更加亮丽、鲜艳的视觉感受效果。但是，目前所有电视信号播放和数字图像显示的颜色标准都是基于传统的小色域空间而定义的，即sRGB标准色域。当在小色域颜色标准下产生的电视信号或数字图像分别传输至大色域显示设备时，若不加任何处理直接显示，将会带来较大的颜色偏移，即颜色失真，由此严重影响了人们对图像的喜好性感知，尤其对蓝天、绿草、皮肤等记忆色而言更是如此。显示设备所显示的颜色主要取决于其红、绿、蓝三原色的色品坐标在CIE1976UCS均匀色品标尺图中的位置，如何保证大色域的前提下使红、绿、蓝三原色色品坐标的分布更加合理，从而获取更为人们所喜好的视觉感受效果，对于提高显示行业的产品质量至关重要。目前学术界和工业界都没有提出对大色域显示设备三原色色品坐标进行优化设置的方法。针对大色域显示设备提出红、绿、蓝三原色色品坐标优化设置方法，是颜色科学和图像技术研究方向的学术难点，也是工业推广的应用需求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种大色域显示设备三原色优化设置方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种大色域显示设备三原色优化设置方法，包括以下步骤：
(1)通过调整大色域显示设备的控制菜单设置，使其输出亮度为最高水平，输出色域为最大范围；
(2)采用光谱辐射计测量步骤1工作状态下大色域显示设备红、绿、蓝三原色的CIE1931XYZ三刺激值，每种原色均得到一组(X,Y,Z)测量值，红、绿、蓝三原色的CIE1931XYZ三刺激值分别记为(XRM,YRM,ZRM)、(XGM,YGM,ZGM)、(XBM,YBM,ZBM)；
(3)将步骤2得到的红、绿、蓝三原色的CIE1931XYZ三刺激值依次通过式(1)和式(2)，分别转换至其在CIE1976UCS均匀色品标尺图对应的色品坐标(u',v')；
(4)在CIE1976UCS均匀色品标尺图中，针对大色域显示设备红、绿、蓝三原色，分别将其通过步骤3得到的色品坐标与对应的sRGB标准三原色色品坐标之间以线段连接，并将红、绿、蓝三原色对应的线段平均分为nR、nG、nB个子线段，其中nR、nG、nB均为正整数，这样，连同两端点在内，每条线段上分别拥有(nR+1)、(nG+1)、(nB+1)个采样点，对于红、绿、蓝三原色而言，子线段长度分别为其所在线段长度的1/nR、1/nB、1/nG；
(5)针对每种原色的线段，以sRGB标准三原色色品坐标的一端为顶点，在与该线段分别呈±20°、±40°的4个方向作辐射线，并以步骤4得到的红、绿、蓝三原色的子线段长度为基准，分别在4个方向的辐射线上截取nR、nG、nB个子线段，故每个方向获得nR、nG、nB个新采样点；由此，红、绿、蓝三原色总共的采样点数目分别为(5nR+1)、(5nG+1)、(5nB+1)个；
(6)在步骤5得到的每种原色的(5nR+1)、(5nG+1)、(5nB+1)个采样点中，选取位于大色域显示设备与sRGB标准三原色色品坐标围成三角形区域之间的采样点，选取后红、绿、蓝三原色采样点分别记为NR、NG、NB个，其中，NR≤5nR+1，NG≤5nG+1，NB≤5nB+1；将红、绿、蓝三原色选取后的NR、NG、NB个采样点以其全部可能的组合方式设定为该大色域显示设备假想色域工作状态下的色品坐标，总共形成NR×NG×NB个假想色域；
(7)针对步骤6得到的大色域显示设备的每个假想色域，将每个假想色域工作状态下红、绿、蓝三原色的色品坐标分别记为(u'R,v'R)、(u'G,v'G)、(u'B,v'B)；结合步骤2所获红、绿、蓝三原色的CIE1931XYZ三刺激值(XRM,YRM,ZRM)、(XGM,YGM,ZGM)、(XBM,YBM,ZBM)，通过式(3)计算出该假想色域工作状态下三原色CIE1931XYZ三刺激值的初始值，即(XRT,YRT,ZRT)、(XGT,YGT,ZGT)、(XBT,YBT,ZBT)，其中，J＝R,G,B；
(8)采用式(4)至式(6)计算出线性缩放因子t1、t2、t3；
(9)根据步骤8得到的线性缩放因子t1、t2、t3，以及步骤7得到的该假想色域工作状态下三原色CIE1931XYZ三刺激值的初始值(XRT,YRT,ZRT)、(XGT,YGT,ZGT)、(XBT,YBT,ZBT)，通过公式(7)计算出该假想色域工作状态下三原色CIE1931XYZ三刺激值的最终取值，即(XR,YR,ZR)、(XG,YG,ZG)、(XB,YB,ZB)，其中K＝X,Y,Z；t1≤1,t2≤1时，rR＝t1，rG＝t2，rB＝1；t2≤t1,t1>1时，rR＝1，rG＝t2/t1，rB＝1/t1；t1≤t2,t2>1时，rR＝t1/t2，rG＝1，rB＝1/t2；
(10)以步骤9得到的假想色域工作状态下三原色CIE1931XYZ三刺激值的最终取值(XR,YR,ZR)、(XG,YG,ZG)、(XB,YB,ZB)，组建系数矩阵M，如式(8)所示，通过式(9)所示的增益-偏置-伽马色度特征化模型，得到数字驱动值为(dR,dG,dB)时的CIE1931XYZ三刺激值和
其中，为数字驱动值为(dR,dG,dB)时红、绿、蓝三色的归一化亮度值，可由式(10)计算得到，(X0,Y0,Z0)代表数字驱动值为(0,0,0)时对应的CIE1931XYZ三刺激值；
(11)分别选取红、绿、蓝三色的待测样本，并采用光谱辐射计对设置的待测样本进行测量，获取其CIE1931XYZ三刺激值；
(12)根据步骤11得到的待测样本的CIE1931XYZ三刺激值和其对应的数字驱动值，通过最小二乘法，拟合得到式(10)中红、绿、蓝三原色各自的参数kg、ko、γ，结合式(8)和式(9)，从而建立起由任意数字驱动值(dR,dG,dB)至CIE1931XYZ三刺激值的数学预测关系，其中，J＝R,G,B；
(13)定义皮肤、草地、蓝天三种典型记忆色的数字驱动值(dR,dG,dB)；通过式(8)、式(9)、式(10)计算三种典型记忆色的CIE1931XYZ三刺激值，分别将其记为(XM1,YM1,ZM1)、(XM2,YM2,ZM2)、(XM3,YM3,ZM3)；
(14)将步骤13得到的三种典型记忆色的CIE1931XYZ三刺激值(XM1,YM1,ZM1)、(XM2,YM2,ZM2)、(XM3,YM3,ZM3)转换至CIELAB空间，并分别与三种典型记忆色的CIELAB参照值计算CIELAB色差，即得到该假想色域工作状态下皮肤、草地、蓝天三种典型记忆色的CIELAB色差
(15)将步骤14得到的取平均，如式(11)所示，得到平均色差ΔEmean，然后通过式(12)中喜好性与CIELAB色差的高斯函数，求得该假想色域工作状态下颜色喜好指数P；
P＝0.9×exp[-(ΔEmean)2/47.431]+0.1 (12)
(16)重复步骤7至步骤15，直至将大色域显示设备NR×NG×NB个假想色域工作状态下的颜色喜好指数P全部计算出来，通过比较，将具有最高颜色喜好指数分值的三原色色品坐标组合设置为该大色域显示设备当前的最优工作色域。
本发明的有益效果是：本发明解决了现有基于小色域的电视信号和数字图像传输至大色域显示设备上会发生颜色失真的问题，本发明所公开的大色域显示设备三原色优化设置方法，首先在CIE1976UCS均匀色品标尺图中对红、绿、蓝三原色选取一定数目的采样点，组合成不同设置的假想色域；然后通过对假想色域工作状态建立的色度特征化模型，计算皮肤、草地、蓝天三种典型记忆色与其参照CIE1931XYZ三刺激值的CIELAB色差，获得每个假想色域的颜色喜好指数，从而选取具有最高颜色喜好指数的假想色域，将其三原色色品坐标作为最优设置；本发明操作简单，无须视觉评价，实用性强。
附图说明
图1为大色域显示设备与sRGB标准三原色的连接线段示意图。
具体实施方式
以一台显卡位数为8位的大色域显示器HP2840zx为例，对其进行红、绿、蓝三原色色品坐标优化设置包括以下步骤：
(1)通过调整HP2840zx显示器的控制菜单设置，使其输出亮度为最高水平，输出色域为最大范围。
(2)采用光谱辐射计Konica-Minolta CS-2000测量HP2840zx显示器在步骤1工作状态下红、绿、蓝三原色的CIE1931XYZ三刺激值，分别记为(XRM,YRM,ZRM)、(XGM,YGM,ZGM)、(XBM,YBM,ZBM)。
(3)将步骤2得到的红、绿、蓝三原色的CIE1931XYZ三刺激值依次通过式(1)和式(2)，分别转换至其在CIE1976UCS均匀色品标尺图对应的色品坐标(u',v')。
(4)在CIE1976UCS均匀色品标尺图中，针对上述HP2840zx显示器的红、绿、蓝三原色，分别将其通过步骤3得到的色品坐标与对应的sRGB标准三原色色品坐标之间以线段连接，并将红、绿、蓝三原色对应的线段平均分为nR、nG、nB个子线段，其中nR、nG、nB均为正整数，这样，连同两端点在内，每条线段上分别拥有(nR+1)、(nG+1)、(nB+1)个采样点，对于红、绿、蓝三原色而言，子线段长度分别为其所在线段长度的1/nR、1/nB、1/nG。当nR＝nG＝nB＝4时HP2840zx显示器与sRGB标准三原色的连接线段如图1所示。
(5)针对每种原色的线段，以sRGB标准色品坐标的一端为顶点，在与该线段分别呈±20°、±40°的4个方向作辐射线，并以步骤4得到的红、绿、蓝三原色的子线段长度为基准，分别在4个方向的辐射线上截取nR、nG、nB个子线段，故每个方向获得nR、nG、nB个新采样点。由此，红、绿、蓝三原色总共的采样点数目分别为(5nR+1)、(5nG+1)、(5nB+1)个。
(6)在步骤5得到的每种原色的(5nR+1)、(5nG+1)、(5nB+1)个采样点中，选取位于HP2840zx显示器与sRGB标准色品坐标围成三角形区域之间的采样点。选取后红、绿、蓝三原色采样点分别记为NR、NG、NB个，其中，NR≤5nR+1，NG≤5nG+1，NB≤5nB+1。将红、绿、蓝三原色选取后的NR、NG、NB个采样点以其全部可能的组合方式设定为HP2840zx显示器假想色域工作状态下的色品坐标，总共形成NR×NG×NB个假想色域。
(7)针对步骤6得到的HP2840zx显示器的每个假想色域，将每个假想色域工作状态下红、绿、蓝三原色的色品坐标分别记为(u'R,v'R)、(u'G,v'G)、(u'B,v'B)。结合步骤2所获红、绿、蓝三原色的CIE1931XYZ三刺激值(XRM,YRM,ZRM)、(XGM,YGM,ZGM)、(XBM,YBM,ZBM)，通过式(3)计算出该假想色域工作状态下三原色CIE1931XYZ三刺激值的初始值，即(XRT,YRT,ZRT)、(XGT,YGT,ZGT)、(XBT,YBT,ZBT)，其中，J＝R,G,B。
(8)为了使假想色域工作状态与HP2840zx显示器最大色域设置时的白平衡保持一致，均为D65，采用式(4)至式(6)计算出线性缩放因子t1、t2、t3。
(9)通过步骤8得到的线性缩放因子t1、t2、t3之间的数学关系，通过表1及公式(7)计算出该假想色域工作状态下三原色CIE1931XYZ三刺激值的最终取值，即(XR,YR,ZR)、(XG,YG,ZG)、(XB,YB,ZB)，其中K＝X,Y,Z。
表1由线性缩放因子t1、t2、t3求取rR、rG、rB的方法
| t1≤1,t2≤1 | t2≤t1,t1>1 | t1≤t2,t2>1 | |
| rR | t1 | 1 | t1/t2 |
| rG | t2 | t2/t1 | 1 |
| rB | 1 | 1/t1 | 1/t2 |
(10)以步骤9得到的假想色域工作状态下三原色CIE1931XYZ三刺激值的最终取值(XR,YR,ZR)、(XG,YG,ZG)、(XB,YB,ZB)，组建系数矩阵M，如式(8)所示，通过式(9)所示的增益-偏置-伽马(GOG,gain-offset-gamma)色度特征化模型，得到数字驱动值为(dR,dG,dB)时的CIE1931XYZ三刺激值和
其中，为数字驱动值为(dR,dG,dB)时红、绿、蓝三色的归一化亮度值，可由式(13)计算得到，(X0,Y0,Z0)代表数字驱动值为(0,0,0)时对应的CIE1931XYZ三刺激值。
(11)分别选取数字驱动值(dR,dG,dB)为如式(10)至式(12)所示的待测样本，并采用光谱辐射计对设置的待测样本进行测量，获取其CIE1931XYZ三刺激值。
红色待测样本：
绿色待测样本：
蓝色待测样本：
(12)根据步骤11得到的待测样本的CIE1931XYZ三刺激值和其对应的数字驱动值，通过最小二乘法，拟合得到式(13)中红、绿、蓝三原色各自的参数kg、ko、γ，结合式式(8)和式(9)，从而建立起由任意数字驱动值(dR,dG,dB)至CIE1931XYZ三刺激值的数学预测关系，其中，J＝R,G,B。
(13)定义皮肤、草地、蓝天三种典型记忆色的数字驱动值(dR,dG,dB)，通过式(8)、式(9)、式(13)计算三种典型记忆色的CIE1931XYZ三刺激值，分别将其记为(XM1,YM1,ZM1)、(XM2,YM2,ZM2)、(XM3,YM3,ZM3)。
表2皮肤、草地、蓝天三种典型记忆色的数字驱动值及CIELAB参照值
| 典型记忆色 | (dR,dG,dB) | CIELAB参照值 |
| 皮肤 | (187,147,117) | (56.22,9.31,18.92) |
| 草地 | (108,148,74) | (48.07,-22.48,28.34) |
| 蓝天 | (98,139,213) | (55.06,-1.94,-42.82) |
(14)通过国际照明委员会的定义，将步骤13得到的三种典型记忆色的CIE1931XYZ三刺激值(XM1,YM1,ZM1)、(XM2,YM2,ZM2)、(XM3,YM3,ZM3)转换至CIELAB空间，并分别与表2所示的CIELAB参照值之间计算CIELAB色差，即得到该假想色域工作状态下皮肤、草地、蓝天三种典型记忆色的CIELAB色差
(15)将步骤14得到的取平均，如式(14)所示，得到平均色差ΔEmean，然后通过式(15)中喜好性与CIELAB色差的高斯函数，求得该假想色域工作状态下喜好性分值P。
P＝0.9×exp[-(ΔEmean)2/47.431]+0.1 (15)
(16)重复步骤(7)至步骤(15)，直至将HP2840zx显示器NR×NG×NB个假想色域工作状态下的喜好性分值P全部计算出来，通过比较，将具有最高喜好性分值的三原色色品坐标组合设置为HP2840zx显示器当前的最优工作色域。
Claims (1)
1.一种大色域显示设备三原色优化设置方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过调整大色域显示设备的控制菜单设置，使其输出亮度为最高水平，输出色域为最大范围；
(2)采用光谱辐射计测量步骤(1)工作状态下大色域显示设备红、绿、蓝三原色的CIE1931XYZ三刺激值，每种原色均得到一组(X,Y,Z)测量值，红、绿、蓝三原色的CIE1931XYZ三刺激值分别记为(XRM,YRM,ZRM)、(XGM,YGM,ZGM)、(XBM,YBM,ZBM)；
(3)将步骤(2)得到的红、绿、蓝三原色的CIE1931XYZ三刺激值依次通过式(1)和式(2)，分别转换至其在CIE1976UCS均匀色品标尺图对应的色品坐标(u',v')；
(4)在CIE1976UCS均匀色品标尺图中，针对大色域显示设备红、绿、蓝三原色，分别将其通过步骤(3)得到的色品坐标与对应的sRGB标准三原色色品坐标之间以线段连接，并将红、绿、蓝三原色对应的线段平均分为nR、nG、nB个子线段，其中nR、nG、nB均为正整数，这样，连同两端点在内，每条线段上分别拥有(nR+1)、(nG+1)、(nB+1)个采样点，对于红、绿、蓝三原色而言，子线段长度分别为其所在线段长度的1/nR、1/nB、1/nG；
(5)针对每种原色的线段，以sRGB标准三原色色品坐标的一端为顶点，在与该线段分别呈±20°、±40°的4个方向作辐射线，并以步骤(4)得到的红、绿、蓝三原色的子线段长度为基准，分别在4个方向的辐射线上截取nR、nG、nB个子线段，故每个方向获得nR、nG、nB个新采样点；由此，红、绿、蓝三原色总共的采样点数目分别为(5nR+1)、(5nG+1)、(5nB+1)个；
(6)在步骤(5)得到的每种原色的(5nR+1)、(5nG+1)、(5nB+1)个采样点中，选取位于大色域显示设备与sRGB标准三原色色品坐标围成三角形区域之间的采样点，选取后红、绿、蓝三原色采样点分别记为NR、NG、NB个，其中，NR≤5nR+1，NG≤5nG+1，NB≤5nB+1；将红、绿、蓝三原色选取后的NR、NG、NB个采样点以其全部可能的组合方式设定为该大色域显示设备假想色域工作状态下的色品坐标，总共形成NR×NG×NB个假想色域；
(7)针对步骤(6)得到的大色域显示设备的每个假想色域，将每个假想色域工作状态下红、绿、蓝三原色的色品坐标分别记为(u'R,v'R)、(u'G,v'G)、(u'B,v'B)；结合步骤(2)所获红、绿、蓝三原色的CIE1931XYZ三刺激值(XRM,YRM,ZRM)、(XGM,YGM,ZGM)、(XBM,YBM,ZBM)，通过式(3)计算出该假想色域工作状态下三原色CIE1931XYZ三刺激值的初始值，即(XRT,YRT,ZRT)、(XGT,YGT,ZGT)、(XBT,YBT,ZBT)，其中，J＝R,G,B；
(8)采用式(4)至式(6)计算出线性缩放因子t1、t2、t3；
(9)根据步骤(8)得到的线性缩放因子t1、t2、t3，以及步骤(7)得到的该假想色域工作状态下三原色CIE1931XYZ三刺激值的初始值(XRT,YRT,ZRT)、(XGT,YGT,ZGT)、(XBT,YBT,ZBT)，通过公式(7)计算出该假想色域工作状态下三原色CIE1931XYZ三刺激值的最终取值，即(XR,YR,ZR)、(XG,YG,ZG)、(XB,YB,ZB)，其中K＝X,Y,Z；t1≤1,t2≤1时，rR＝t1，rG＝t2，rB＝1；t2≤t1,t1>1时，rR＝1，rG＝t2/t1，rB＝1/t1；t1≤t2,t2>1时，rR＝t1/t2，rG＝1，rB＝1/t2；
(10)以步骤(9)得到的假想色域工作状态下三原色CIE1931XYZ三刺激值的最终取值(XR,YR,ZR)、(XG,YG,ZG)、(XB,YB,ZB)，组建系数矩阵M，如式(8)所示，通过式(9)所示的增益-偏置-伽马色度特征化模型，得到数字驱动值为(dR,dG,dB)时的CIE1931XYZ三刺激值和
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其中，为数字驱动值为(dR,dG,dB)时红、绿、蓝三色的归一化亮度值，可由式(10)计算得到，(X0,Y0,Z0)代表数字驱动值为(0,0,0)时对应的CIE1931XYZ三刺激值；
(11)分别选取红、绿、蓝三色的待测样本，并采用光谱辐射计对设置的待测样本进行测量，获取其CIE1931XYZ三刺激值；
(12)根据步骤(11)得到的待测样本的CIE1931XYZ三刺激值和其对应的数字驱动值，通过最小二乘法，拟合得到式(10)中红、绿、蓝三原色各自的参数kg、ko、γ，结合式(8)和式(9)，从而建立起由任意数字驱动值(dR,dG,dB)至CIE1931XYZ三刺激值的数学预测关系，其中，J＝R,G,B；
(13)定义皮肤、草地、蓝天三种典型记忆色的数字驱动值(dR,dG,dB)；通过式(8)、式(9)、式(10)计算三种典型记忆色的CIE1931XYZ三刺激值，分别将其记为(XM1,YM1,ZM1)、(XM2,YM2,ZM2)、(XM3,YM3,ZM3)；
(14)将步骤(13)得到的三种典型记忆色的CIE1931XYZ三刺激值(XM1,YM1,ZM1)、(XM2,YM2,ZM2)、(XM3,YM3,ZM3)转换至CIELAB空间，并分别与三种典型记忆色的CIELAB参照值计算CIELAB色差，即得到该假想色域工作状态下皮肤、草地、蓝天三种典型记忆色的CIELAB色差
(15)将步骤(14)得到的取平均，如式(11)所示，得到平均色差ΔEmean，然后通过式(12)中喜好性与CIELAB色差的高斯函数，求得该假想色域工作状态下颜色喜好指数P；
P＝0.9×exp[-(ΔEmean)2/47.431]+0.1 (12)
(16)重复步骤(7)至步骤(15)，直至将大色域显示设备NR×NG×NB个假想色域工作状态下的颜色喜好指数P全部计算出来，通过比较，将具有最高颜色喜好指数分值的三原色色品坐标组合设置为该大色域显示设备当前的最优工作色域。
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