CN104219512B - 一种显示设备色域边界描述方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种显示设备色域边界描述方法，可精确描述出彩色显示设备的色域边界，其技术方案是：先对显示设备基础定标，并测量获取基础数据。根据彩色显示设备呈色原理，判断颜色是否在设备色域内；在均匀颜色空间中，采用迭代方法，计算每一色相面上的色域边界点。设备色域边界描述以及色域映射是保证颜色在不同媒体设备上准确复现的核心技术，色域边界描述是色域映射的前提，本发明在明显提高设备色域边界描述精度的同时，大大提高了计算效率，可有效提高跨媒体颜色再现的精度。

Description

一种显示设备色域边界描述方法

技术领域

本发明涉及颜色显示及色彩管理领域，具体涉及一种显示设备色域边界描述方法。

背景技术

显示设备色域边界的准确描述是设备色域分析以及色域映射的基础，色域边界的计算精度及计算速度直接影响着色域应用的准确性和效率。

设备色域一般在设备无关色空间中描述，其在设备无关色空间中的形状较为复杂，目前广泛采用的是基于插值法的设备色域边界求解方法，其典型代表是国际照明委员会(CIE)推荐的局部最大值色域边界描述(SMGBD)。SMGBD方法需要测量大量色块，将测量所得颜色值在设备无关色空间表示，把设备无关色空间划分为多个分区，寻找并记录各分区中的最大值，完成对色域边界关键点的采样，然后根据采样所得边界点插值计算出期望色相面上的色域边界。具体实施过程中，对不存在采样点的分区，需要插值计算得到色域边界关键点；求解期望色相面上的色域边界时还需对插值所得边界点数据进行拟合。过多的插值和拟合计算，一方面影响了色域边界描述的精度，另一方面需要较长的运算时间，不利于在实际应用中准确快速地描述设备色域边界。目前，有研究者提出先对插值进行预测以提高求解色域边界速度，也有研究者提出小样本测量和样条插值相结合的色域边界算法，以减少采样数据存储量。

邓意成、宋超与王瑞光等先后运用迭代方法逼近计算LED显示器的色域边界。其方法首先在设备无关颜色空间球坐标系中指定迭代初始坐标，以GOG(Gain-Offset-Gamma)模型为理论依据，计算该点的设备驱动值，通过设备驱动值判断该点代表的颜色是否在设备色域内，经过多次迭代使得颜色逐步逼近设备色域边界。与插值法相比，该方法提高了运算速度和计算精度。但该方法只适用于符合GOG模型的显示设备，否则，计算误差会较大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种显示设备色域边界描述方法，无需测量大量颜色样本，即可实现对显示设备色域边界的准确描述。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，提供一种显示设备色域边界描述方法，其特征在于，包含以下具体步骤。

步骤1，对显示设备进行基础定标。基础定标在开机预热1小时候后进行，确定其白平衡、色温和Gamma值等基础参数，对于只有亮度可调整的移动终端类显示设备，需要先确定其亮度值。

步骤2，获取边界描述所需基础数据。以R、G、B三基色显示设备为例，测量显示设备显示的白色(W)、黑色(K)和各基色(R,G,B)的三刺激值并按白色的Y＝100进行归一化处理，记为(X_{O_i},Y_{O_i},Z_{O_i})，i＝W,K,R,G,B。计算各基色的色品坐标，记为(x_j,y_j,z_j)，j＝R,G,B。

步骤3，选择均匀的设备无关色空间，在其球坐标系中，颜色点表示为(r,α,θ)，r是颜色点到球坐标系原点E的距离，α是色相角，取值范围为[0,360°]，θ是色相角为α时的仰角，取值范围为[-90°,90°]。

步骤4，指定α确定等色相面，在等色相面上指定仰角θ，将色域边界点的计算从三维球坐标系降维到二维极坐标系中。由坐标原点E沿仰角θ射出映射线，映射线与色域边界的交点即是指定色相角α和仰角θ处的色域边界点。映射线与色域边界交点的求解采用迭代算法，在第k次迭代时，m_kn_k是映射线上包含交点的线段，其中点为p_k，计算点p_k到点E的距离r_{p_k}：

$r_{p\_k}=\frac{r_{m\_k}+r_{n\_k}}{2}$ 式1

式中，r_{m_k}、r_{n_k}分别是m_k、n_k到点E的距离，当k＝1，即第一次迭代时，r_{m_1}＝0，为计算方便，r_{n_1}可以取明显位于色域之外的常数值。

步骤5，以CIELAB均匀颜色空间为例，按照下列公式，将步骤4中点p_k的球坐标(r_{p_k},α,θ)转换成CIEL^*a^*b^*色度值：

$\left\{\begin{array}{c}{L}^{*}=r_{p\_k}\·sin\mathrm{\θ}+L_E^{*}\\ a^{*}=r_{p\_k}\·cos\mathrm{\θ}cos\mathrm{\α}+a_E^{*}\\ b^{*}=r_{p\_k}\·cos\mathrm{\θ}\sin \mathrm{\α}+b_E^{*}\end{array}\right.$ 式2

式中，(L_E ^*,a_E ^*,b_E ^*)、(L^*,a^*,b^*)分别是点E和点p_k的CIEL^*a^*b^*色度值，这里也可以采用其他颜色空间描述色域，如CIELUV、CIECAM02-UCS等均匀颜色空间；随后，按照下列公式，计算颜色p_k的三刺激值：

$\left\{\begin{array}{c}X=X_{O\_W}\·f^{-1}\[\frac{1}{116}(L^{*}+16)+\frac{1}{500}{a}^{*}\]\\ Y=Y_{O\_W}\·f^{-1}\[\frac{1}{116}(L^{*}+16)\]\\ Z=Z_{O\_W}\·f^{-1}\[\frac{1}{116}(L^{*}+16)-\frac{1}{200}{b}^{*}\]\end{array}\right.$ 式3

其中：

$f^{-1}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{t}^3,& t>\frac{6}{29}\\ 3{\left(\frac{6}{29}\right)}^2(t-\frac{4}{29}),& t\≤\frac{6}{29}\end{array}\right.$

式中，(X_{O_W},Y_{O_W},Z_{O_W})为步骤2中所得参照白点的归一化三刺激值，(X,Y,Z)为颜色p_k的三刺激值。

步骤6，由于显示设备遵循通道相加性呈色原理并具有色品恒定的特点，因此可以通过求解下列方程组，计算颜色p_k的各基色分量的Y值，记为(Y_R,Y_G,Y_B)：

$\left\{\begin{array}{c}X=\left(\frac{x_R}{y_R}\right)\·Y_R+\left(\frac{x_G}{y_G}\right)\·Y_G+\left(\frac{x_B}{y_B}\right)\·Y_B\\ Y=Y_R+Y_G+Y_B\\ Z=\left(\frac{z_R}{y_R}\right)\·Y_R+\left(\frac{z_G}{y_G}\right)\·Y_G+\left(\frac{z_B}{y_B}\right)\·Y_B\end{array}\right.$ 式4

式中，(X,Y,Z)是步骤5中计算所得三刺激值，(x_j,y_j,z_j)是步骤2中所得各基色的色品坐标，j＝R,G,B。

步骤7，若满足下列条件：

Y_i＝Y_{O_K}||Y_i＝Y_{O_i}，i＝R，G，B式5

则表明颜色p_k恰好位于色域边界表面，迭代中止；否则，若满足下列条件：

Y_R∈(Y_{O_K},Y_{O_R})&&Y_G∈(Y_{O_K},Y_{O_G})&&Y_B∈(Y_{O_K},Y_{O_B})式6

则表明颜色p_k位于色域内，令r_{m_k+1}＝r_{p_k}，r_{n_k+1}＝r_{n_k}，重复步骤4～步骤6，直至满足条件式5，迭代中止；否则，则表明颜色p_k位于色域外，令r_{m_k+1}＝r_{m_k}，r_{n_k+1}＝r_{p_k}，重复步骤4～步骤6，直至满足条件式5，迭代中止，式5和式6中，Y_i(i＝R,G,B)即步骤6中所述计算颜色p_k的各基色分量的Y值(Y_R,Y_G,Y_B)，Y_{O_K}和Y_{O_i}(i＝R,G,B)即步骤2中显示设备的黑色(K)和各基色(R,G,B)的三刺激值中的Y_{O_K}、Y_{O_R}、Y_{O_G}、Y_{O_B}。

步骤8，改变仰角θ，重复步骤4～步骤7，直至由α确定的等色相面上色域边界完全求出为止。

步骤9，改变色相角α，重复步骤8，直至所有等色相面上的色域边界都被求出为止，完成显示设备全部色域边界点的计算。

本发明提供的显示设备色域边界描述方法，依据显示设备通道可加性显色原理和色品恒定的显色特点而设计，几乎适用于所有显示设备的色域边界描述；只需测量黑、白及原色色块，无需测量大量颜色样本，节省了数据存储空间，应用方便快捷；采用迭代法快速逼近色域边界，无需进行多次插值与拟合，计算速度快，精确度高。

附图说明

图1是显示设备色域边界描述方法的流程图。

图2是CIELAB标准颜色空间球坐标系中颜色点示意图。

图3是等色相面内映射线与色域边界交点求解原理示意图。

图4是具体实施例60°色相角时显示器的色域边界。

图5是具体实施例显示器的色域边界。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明所提供的显示设备色域边界描述方法进行详细的阐述。

在本实施例中，待描述色域是液晶显示器的设备色域。

图1为显示设备色域边界描述方法流程图。

如图1所示，显示色域边界描述方法包括以下步骤。

步骤S-1，开机预热1小时，对液晶显示器进行基础定标，确定其白平衡、色温和gamma值等基础参数。对于只有亮度可调整的移动终端类显示设备，根据使用需求确定亮度调节按钮位置，或进行颜色校准后确定亮度调节按钮位置。

步骤S-2，在进行完步骤1的显示器上显示白色、黑色以及各基色色块，测量这些色块的三刺激值并按白色的Y＝100进行归一化处理。本实施例中，液晶显示器以R、G、B为基色，各颜色的相对三刺激值表示为(X_{O_i},Y_{O_i},Z_{O_i})，i＝W,K,R,G,B。利用各基色的三刺激值计算色品坐标表示为(x_j,y_j,z_j)，j＝R,G,B。

步骤S-3本实施例选择在CIELAB标准颜色空间描述设备色域。

图2是CIELAB标准色空间球坐标系中颜色点示意图。

如图2所示，任一颜色点的球坐标为(r,α,θ)，r是颜色点到球坐标系原点E的距离，α是色相角，取值范围[0,360°]，θ是色相角为α时的仰角，取值范围[-90°,90°]。

步骤S-4，指定α确定等色相面，在等色相面上指定仰角θ，将色域边界点的计算从三维球坐标系降维到二维极坐标系中。

图3是等色相面内映射线与色域边界交点求解原理示意图。

如图3所示，由坐标原点E沿仰角θ射出映射线，映射线与色域边界的交点即是指定色相角α和仰角θ处的色域边界点。本实施例中，色相角α从0°开始取值，仰角θ从-90°开始取值。映射线与色域边界交点的求解采用迭代算法，在第k次迭代时，m_kn_k是映射线上包含交点的线段，其中点为p_k，计算点p_k到点E的距离r_{p_k}：

$r_{p\_k}=\frac{r_{m\_k}+r_{n\_k}}{2}$ 式1

式中，r_{m_k}、r_{n_k}分别是m_k、n_k到点E的距离，当k＝1，即第一次迭代时，r_{m_1}＝0，为计算方便，r_{n_1}可以取明显位于色域之外的常数值，本实施例取r_{n_1}＝sqrt(50²+128²+128²)＝188。

步骤S-5，按照下列公式，将步骤S-4中点p_k的球坐标(r_{p_k},α,θ)转换成CIELAB标准色空间中的色度值：

$\left\{\begin{array}{c}{L}^{*}=r_{p\_k}\·sin\mathrm{\θ}+L_E^{*}\\ a^{*}=r_{p\_k}\·cos\mathrm{\θ}cos\mathrm{\α}+a_E^{*}\\ b^{*}=r_{p\_k}\·cos\mathrm{\θ}\sin \mathrm{\α}+b_E^{*}\end{array}\right.$ 式2

式中，(L_E ^*,a_E ^*,b_E ^*)、(L^*,a^*,b^*)分别是点E和点p_k的CIEL^*a^*b^*色度值，在本实施例中，取(L_E ^*,a_E ^*,b_E ^*)＝(50,0,0)。随后，按照下列公式，计算颜色p_k的三刺激值：

$\left\{\begin{array}{c}X=X_{O\_W}\·f^{-1}\[\frac{1}{116}(L^{*}+16)+\frac{1}{500}{a}^{*}\]\\ Y=Y_{O\_W}\·f^{-1}\[\frac{1}{116}(L^{*}+16)\]\\ Z=Z_{O\_W}\·f^{-1}\[\frac{1}{116}(L^{*}+16)-\frac{1}{200}{b}^{*}\]\end{array}\right.$ 式3

其中：

$f^{-1}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{t}^3,& t>\frac{6}{29}\\ 3{\left(\frac{6}{29}\right)}^2(t-\frac{4}{29}),& 1\≤\frac{6}{29}\end{array}\right.$

式中，(X_{O_W},Y_{O_W}，Z_{O_W})为步骤S-2中所得参照白点的归一化三刺激值，(X,Y,Z)表示颜色p_k的三刺激值。

步骤S-6，由于显示设备遵循通道相加性呈色原理并具有色品恒定的特点，因此可以通过求解下列方程组，计算颜色p_k的各基色分量的Y值，记为(Y_R,Y_G,Y_B)：

$\left\{\begin{array}{c}X=\left(\frac{x_R}{y_R}\right)\·Y_R+\left(\frac{x_G}{y_G}\right)\·Y_G+\left(\frac{x_B}{y_B}\right)\·Y_B\\ Y=Y_R+Y_G+Y_B\\ Z=\left(\frac{z_R}{y_R}\right)\·Y_R+\left(\frac{z_G}{y_G}\right)\·Y_G+\left(\frac{z_B}{y_B}\right)\·Y_B\end{array}\right.$ 式4

式中，(X,Y,Z)是步骤S-5中计算所得三刺激值，(x_j,y_j,z_j)是步骤2中所得各基色的色品坐标，j＝R,G,B。

步骤S-7，若满足下列条件：

Y_i＝Y_{O_K}||Y_i＝Y_{O_i}，i＝R，G，B式5

则表明颜色p_k恰好位于色域边界表面，迭代中止；否则，若满足下列条件：

Y_R∈(Y_{O_K},Y_{O_R})&&Y_G∈(Y_{O_K},Y_{O_G})&&Y_B∈(Y_{O_K},Y_{O_B})式6

则表明颜色p_k位于色域内，令r_{m_k+1}＝r_{p_k}，r_{n_k+1}＝r_{n_k}，重复步骤S-4～S-6，直至满足条件式5，迭代中止；否则，则表明颜色p_k位于色域外，令r_{m_k+1}＝r_{m_k}，r_{n_k+1}＝r_{p_k}，重复步骤S-4～S-6，直至满足条件式5，迭代中止，式5和式6中，Y_i(i＝R,G,B)即步骤S-6中所述计算颜色p_k的各基色分量的Y值(Y_R,Y_G,Y_B)，Y_{O_K}和Y_{O_i}(i＝R,G,B)即步骤S-2中显示设备的黑色(K)和各基色(R,G,B)的三刺激值中的Y_{O_K}、Y_{O_R}、Y_{O_G}、Y_{O_B}。

步骤S-8，改变仰角θ，重复步骤S-4～S-7，直至由α确定的等色相面上色域边界完全求出为止。

图4是具体实施例取60°色相角时显示器的色域边界。该图中，仰角θ取值从-90°开始，以0.5°的步长递增，直至90°。

步骤S-9，改变色相角α，重复步骤S-8，直至所有等色相面上的色域边界都被求出为止，完成显示设备全部色域边界点的计算。本实施例中，色相角α取值从0°开始，以3°的步长递增，直至360°，计算中止。

如图5是具体实施例显示器的色域边界。该图中，色相角及仰角的步长均取为3°。

Claims (6)

1.一种显示设备色域边界描述方法，其特征在于包括具体步骤如下：

(1)首先对显示设备进行基础定标；

(2)获取边界描述所需基础数据，测量显示设备的白、黑和各基色的三刺激值，计算各基色的色品坐标；

(3)选择均匀的设备无关色空间，在其球坐标系中表示颜色为(r,α,θ)，r是颜色点到球坐标系原点E的距离，α是色相角，θ是色相角为α时的仰角；

(4)在由α确定的等色相面上，指定仰角θ，从坐标原点E沿仰角θ射出映射线，映射线与色域边界的交点即是指定色相角α和仰角θ处的色域边界点，交点的求解采用迭代算法，在第k次迭代时，映射线中点为p_k；

(5)将点p_k的球坐标值转化为三刺激值；

(6)利用显示设备遵循通道相加性呈色原理并具有色品恒定的特点，计算颜色p_k的各基色分量的Y值；

(7)判断颜色p_k是否在设备色域内，重复步骤(4)～步骤(6)，直至颜色位于色域边界表面，迭代中止；

(8)改变仰角θ，重复步骤(4)～步骤(7)，直至α等色相面上色域边界完全求出为止；

(9)改变色相角α，重复步骤(4)～步骤(8)，直至所有等色相面上的色域边界都被求出为止，完成显示设备全部色域边界点的计算。

2.根据权利要求1所述的一种显示设备色域边界描述方法，其特征在于步骤(2)中显示设备的白色(W)、黑色(K)和各基色(R,G,B)的三刺激值表示为(X_{O_i},Y_{O_i},Z_{O_i})，i＝W,K,R,G,B，各基色的色品坐标，记为(x_j,y_j,z_j)，j＝R,G,B。

3.根据权利要求1所述的一种显示设备色域边界描述方法，其特征在于步骤(4)中迭代求解边界点的方法具体为：由坐标原点E沿仰角θ射出映射线mn，在第k次迭代时，m_kn_k是映射线上包含交点的线段，其中点为p_k，计算点p_k到点E的距离r_{p_k}：

$r_{p\_k}=\frac{r_{m\_k}+r_{n\_k}}{2}$ 式1

式中，r_{m_k}、r_{n_k}分别是m_k、n_k到点E的距离，当k＝1，即第一次迭代时，r_{m_1}＝0，为计算方便，r_{n_1}可以取明显位于色域之外的常数值，以CIELAB均匀色空间为例，取r_{n_1}＝sqrt(50²+128²+128²)＝188。

4.根据权利要求1所述的一种显示设备色域边界描述方法，其特征在于步骤(5)中计算颜色p_k的三刺激值，具体过程如下：

先按下列公式将点p_k的球坐标(r_{p_k},α,θ)转换成CIELAB标准色空间中的色度值：

$\left\{\begin{array}{c}{L}^{*}=r_{p\_k}\·\sin \mathrm{\θ}+L_E^{*}\\ a^{*}=r_{p\_k}\·\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α}+a_E^{*}\\ b^{*}=r_{p\_k}\·\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\α}+b_E^{*}\end{array}\right.$ 式2

式中，(L_E ^*,a_E ^*,b_E ^*)、(L^*,a^*,b^*)分别是点E和点p_k的CIEL^*a^*b^*色度值；

随后，按照下列公式，计算颜色p_k的三刺激值(X,Y,Z)：

$\left\{\begin{array}{c}X=X_{o\_W}\·f^{-1}\[\frac{1}{116}(L^{*}+16)+\frac{1}{500}{a}^{*}\]\\ Y=Y_{o\_W}\·f^{-1}\[\frac{1}{116}(L^{*}+16)\]\\ Z=Z_{o\_W}\·f^{-1}\[\frac{1}{116}(L^{*}+16)-\frac{1}{200}{b}^{*}\]\end{array}\right.$ 式3

其中：

$f^{-1}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{t}^3,& t>\frac{6}{29}\\ 3{\left(\frac{6}{29}\right)}^2(t-\frac{4}{29}),& t\≤\frac{6}{29}\end{array}\right.$

式中，(X_{O_W},Y_{O_W}，Z_{O_W})为步骤(2)中参照白点的三刺激值。

5.根据权利要求1所述的一种显示设备色域边界描述方法，其特征在于步骤(6)中计算颜色p_k的各基色分量的Y值(Y_R,Y_G,Y_B)，由于显示设备遵循通道相加性呈色原理并具有色品恒定的特点，需求解下列方程组：

$\left\{\begin{array}{c}X=\left(\frac{x_R}{y_R}\right)\·Y_R+\left(\frac{x_G}{y_G}\right)\·Y_G+\left(\frac{x_B}{y_B}\right)\·Y_B\\ Y=Y_R+Y_G+Y_B\\ Z=\left(\frac{z_R}{y_R}\right)\·Y_R+\left(\frac{z_G}{y_G}\right)\·Y_G+\left(\frac{z_B}{y_B}\right)\·Y_B\end{array}\right.$ 式4

式中，(X,Y,Z)是步骤(5)中计算所得三刺激值，(x_j,y_j,z_j)是步骤(2)中所得各基色的色品坐标，j＝R,G,B。

6.根据权利要求5所述的一种显示设备色域边界描述方法，其特征在于步骤(7)中迭代终止条件的判断，其过程表述如下：

若满足下列条件：

Y_i＝Y_{O_K}||Y_i＝Y_{O_i}，i＝R，G，B式5

则表明颜色p_k恰好位于色域边界表面，迭代中止；否则，若满足下列条件：

Y_R∈(Y_{O_K},Y_{O_R})&&Y_G∈(Y_{O_K},Y_{O_G})&&Y_B∈(T_{O_K},Y_{O_B})式6

则表明颜色p_k位于色域内，令r_{m_k+}1＝r_{p_k}，r_{n_k+1}＝r_{n_k}，重复步骤(4)～(6)，直至满足条件式5，迭代中止；否则，则表明颜色p_k位于色域外，令r_{m_k+1}＝r_{m_k}，r_{n_k+1}＝r_{p_k}，重复步骤(4)～(6)，直至满足条件式5，迭代中止，式5和式6中，Y_i(i＝R,G,B)是权利要求5中所述颜色p_k的各基色分量的Y值(Y_R,Y_G,Y_B)，Y_{O_K}和Y_{O_i}(i＝R,G,B)是显示设备的黑色(K)和各基色(R,G,B)的三刺激值中的Y_{O_K}、Y_{O_R}、Y_{O_G}、Y_{O_B}。