CN106155199B - 带有光投影输入设备的电脑系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种带有光投影输入设备的电脑系统，所述电脑系统包括：投影显示模块，数据处理模块，和光投影键盘鼠标模块，其中：所述投影显示模块用于光投影出电脑要显示的内容，所述数据处理模块用于集成电脑的相关数据处理功能，所述光投影键盘鼠标模块用于投影出键盘和/或鼠标操作区域，在光投影键盘区域中，用户可以进行键位的输入，以及在光投影鼠标区域中，用户可以通过手指指尖的移动实现鼠标的控制。所述光投影键盘或鼠标的识别率高。

Description

带有光投影输入设备的电脑系统
技术领域
本发明涉及一种带有光投影输入设备的电脑系统，尤其涉及微处理器(Mini PC)和微型光投影、光投影键盘、鼠标结合的电脑系统和方法。
背景技术
台式机的发展促进了电脑的应用和普及，而笔记本电脑的发明使得移动电脑更有携带性。从台式机的发明到笔记本电脑的普及可以看出，电脑的发展有着体积越来越小、重量越来越轻的发展趋势。对于台式机和笔记本而言虽然使得办公更加的方便，但作为人机交互的显示屏和物理输入的键盘和鼠标都是实体，因此重量大、体积大。
键盘作为计算机的重要输入设备，一直以来扮演着不可替代的角色。无论是数据的输入，还是控制信号的发送，都离不开键盘。并且，在可预见的相当一段时期内，键盘的作用都是不可或缺的。然而，传统键盘体积庞大、携带不便，无法满足移动终端对输入设备的需求，因此需要设计一款具有体积小、便于携带、操作方便的虚拟键盘设备，来代替传统的机械式键盘，该虚拟键盘设备需要满足：高亮度，可以在正常室内照明环境下，显示出清晰的键盘图像；高稳定性和安全性，可长时间稳定运行，不会对人体造成伤害；低成本，便于推广这三个方面的要求，从而替代传统的机械式键盘。
键盘输入通常有多种输入方式，如机械敲击按键实现输入、平板手机通过模拟键盘实现输入、激光投影键盘通过光投影实现键盘输入等等。鼠标的操作通常是通过鼠标实体的控制运动，实现鼠标的移动操作，也可以采用如笔记本的触摸板和指点杆等方式实现鼠标操作。当前通用的键盘输入和鼠标输入主流是通过物理的实体操作进行实现，通过物理的实体操作实现的方式需要依赖实体的输入设备，物理实体输入缺点是有一定体积、重量和机械敲击寿命。
显示屏作为计算机的重要输入设备，也一直以来扮演着不可替代的角色。图像的显示等等都离不开键盘。然而，传统显示屏体积庞大、携带不便，无法满足移动终端对输入设备的需求，因此可以设计一种投影设备，来代替传统的显示屏，该显示屏需要满足高分辨率、高稳定性。
CN102289252A公开了一种带有扩展屏幕和微型投影模块的笔记本电脑，其特征在于：它包括扩展屏幕，位置传感器，微型投影模块和多屏扩展输出显示模块。扩展屏幕与位置传感器进行机械连接，位置传感器的输出端与微型投影模块的输入端之一相连，多屏扩展输出显示模块的输出端也与微型投影模块的另一输入端相连，微型投影模块投射二维图像在扩展屏幕上。
CN204536985U公开了一种具有投影屏的电脑，包括：电脑主机、微型投影组件和投影屏；其特征在于电脑主机包括能够安装在墙面上的基体，所述的基体为平面，所述的基体上固定有CPU、存储设备、声音输出端口、视频输出端口、电源连接线以及电源开关，所述的电脑主机不包括外罩；所述的视频输出端口通过导线或者无线连接方式与微型投影组件相连。
CN202453641U公开了一种投影屏幕，包括阻光层和贴于阻光层的一面的平直反射面，阻光层的另一面还包括弧形反射面。
CN103049046A公开了一种具有投影功能的电脑装置，包括：电脑基座，包括：壳体，设有开口；内盖，枢接于该壳体的一侧，并盖合于该开口；外盖机构，枢接于该壳体的另一侧，并盖合于该内盖，其中该外盖机构设有穿孔；以及投影模块，设置于该壳体与该内盖之间；其中当该外盖机构位于第一开启位置且该内盖位于第二开启位置时，该投影模块朝向该穿孔投射投影光束。
CN105652580A公开了一种透明投影膜，包括活性元件层，导电层以及基材层，活性元件层的至少一面设置有基材层，所述基材层能够进行光散射，基材层的扩散粒子或者微结构使入射投影光在透明投影膜表面的透射率、反射率和散射率能够合理分布，使得该透明投影膜透光率不降低的情况下，成像性变好。
CN104109385A公开了一种PMMA光扩散剂，其原料包括冷冻微粉碎聚硅氧烷颗粒、光散射剂1、光散射剂2、固化剂、相容剂。本发明采用低温冷冻与超声波粉碎的方法，将市售的聚硅氧烷颗粒转化为低温微粉碎聚硅氧烷颗粒，其添加至PMMA材料中，可使PMMA材料获得优秀的雾化效果；同时本发明的低温微粉碎聚硅氧烷颗粒也克服了现有有机硅类光扩散剂对PMMA材料性能的影响。
CN105372749A公开了一种棱镜结构PMMA导光板，包括入光面以及出光面，所述导光板由PMMA塑料制成，所述出光面设置棱镜结构，所述棱镜结构具有若干平行设置的、截面呈弧形的突起，两相邻的突起间形成U型沟槽；所述沟槽的深度D为77-92μm，宽度W为249-271μm，U型沟槽底部的弧状部的R1角值为149-170度，突起的R2角值为76-85度。
WO2014/150610A1公开了一种光学组合件，其包括：安装板；LED，其耦合到所述安装板；光学组件，其耦合到所述安装板且围封所述LED；以及包含5VA级材料的屏蔽构件，其具有与所述安装板接触的第一表面及与所述光学组件接触的第二表面。
JP2006/307017A公开了塑料光学元件预制品的制备方法，主要组分是MMA的可聚合组合物注入PVDF包覆管，然后将该包覆管插入聚合反应器中，沿着该聚合反应器的纵向方向布置三个加热器，左边加热器的设定温度是56℃，中央加热器是58℃并且右边加热器是60℃，在500RPM-3000RPM的旋转驱动辊下进行聚合反应，形成主要组分是PMMA的具有恒定厚度的内部包覆管，在内包覆层内部形成芯部来获得预制品。
“基于李萨如扫描的微型激光投影显示技术”，李晓莹等，光学学报，2014年06期，公开了结合李萨如图像扫描和微机电系统(MEMS)二维谐振式扫描镜，提出一种新颖的投影显示方法，相比于传统的投影显示技术，该技术具有控制简单、能耗低、体积小及重量轻等优点，首先阐述了该投影显示技术中像素的定义与划分，然后从理论上分析了刷新率、分辨率和谐振频率之间的关系，以及选择谐振频率的约束条件，最后通过Matlab软件进行仿真验证，并使用研制出的扫描镜样件搭建了投影显示样机，成功投影出分辨率为260×180的图像，从而验证谐振频率选择约束的有效性以及该投影显示方法的可行性。
本发明人的在先申请CN201510576926.X公开了一种基于光的投影电脑，包括：微型投影模块，用于光投影电脑显示内容；Mini PC模块，用于集成电脑的相关功能；光投影键盘鼠标模块，用于投影键盘和鼠标操作区域。在先申请CN201510576933.X公开了一种光投影键盘和鼠标，包括：光投影硬件模块，光投影键盘区域和光投影鼠标区域。本发明是在上述在先申请的基础上进一步改进作出的，通过引用将上述在先申请全文并入本文。
在上述文献和其它现有技术中，使用的基本都是传统投影设备，传统投影设备无法应用在便携式计算机中，这是因为传统投影的图像清晰度和可靠性都达不到要求，不适合计算机操作者近距离视看。更重要地，现有的光投影键盘或鼠标的手势识别率低，使得操作难以和物理键盘或鼠标相比，从而使投影键盘在电脑中的应用受到限制。
发明内容
为解决上述问题，本发明人经过深入研究和大量试验，提供了以下技术方案。
本发明提出一种微型光投影、Mini PC和光投影键盘结合的方法，通过三者的融合从而减小电脑的体积和重量，增加电脑的携带性。
在本发明的一方面，提供了一种带有光投影输入设备的电脑系统，其特征在于，所述电脑系统包括：投影显示模块，数据处理模块，和光投影键盘鼠标模块，其中：所述投影显示模块用于光投影出电脑要显示的内容，所述数据处理模块用于集成电脑的相关数据处理功能，所述光投影键盘鼠标模块用于投影出键盘和/或鼠标操作区域，在光投影键盘区域中，用户可以进行键位的输入，以及在光投影鼠标区域中，用户可以通过手指指尖的移动实现鼠标的控制。所述输入设备可以是键盘和/或鼠标。所述投影键盘区域和/或光投影鼠标区域采用手势识别。
在本发明中，优选采用径向基函数神经网络(RBF网络)来进行输入设备的单手多点动态手势进行训练，即进行学习和识别。所述训练方法可以为如下：
所述神经元网络优选包含三层结构：输入层，隐含层，和输出层。
输入层有m个输入，隐含层有h个隐节点，输出层有k个输出。其中：
x＝(x1，x2，…，xm)T∈Rm为网络输入矢量，
w∈Rh×k为输出权矩阵，
y＝(y1，y2，…，yk)T为网络输出，
gi为第i个隐节点的激活函数，
隐节点的基函数采用欧氏距离函数：
径向基函数采用选择性较强的Gaussian函数：
在该函数式中，σ是基函数的扩展常数，当训练数据确定后，RBF的宽度可由σ确定。另外，设定高d是样本的最大距离，M是样本的数目，采用固定法确定宽度：
在此基础上，RBF网络的第r个输出可表示为：
设定训练样本集：X＝[X1，X2，…，Xn]T，
任意样本：Xk＝[xk1，xk2，…，xkm]T，
实际输出：
期望输出：Dk＝[dk1，dk2，…，dkj]
令
y(xi)＝w1g1(||xi-c1||)+w2g2(||xi-c2||)+…+wm1gm1(||xi-cm1||)+＝di，
于是，对于所有的样本，可得到：
如果可逆，则可以得到：
通过上述方法，建立输入该径向基函数神经网络网络手势识别的模型，将采集到的手势交汇点向量集合信息作为输入向量输入，然后通过训练好的该神经元网络的运算实现手势含义的识别，如果RBF网络输出向量与yr手势的标准输出向量最接近，则定义该输入手势为预定义的第r种手势。
在本发明的该训练方法的测试中，对手势功能扩展应用的15种手势进行识别训练测试，设定每个手势的训练次数为300次，对所述15种手势的识别率为97.7％。可见该神经网络的手势识别算法具有很高的识别率，明显高于目前的80％左右的平均识别率，可以完成对投影键盘的手势识别功能扩展。
优选地，所述光投影键盘鼠标模块包括器件区和投影区。
优选地，所述光投影键盘鼠标模块的投影区域包括两个部分，即光投影键盘区域和光投影鼠标区域，投影区域也可以只保留键盘区域或鼠标区域中的一个。
优选地，所述投影显示模块的光学部分包括依次顺序设置的如下部件：LED阵列，准直透镜阵列，前蝇眼透镜，后蝇眼透镜，会聚透镜，X棱镜，上、下反射镜，TIR棱镜，DMD,和投影镜头。
所述投影显示模块还可以包括DLPA、存储器、DLPC部分。
在一个优选实施方式中，光学引擎经过投影光路向投影平面投影，投影平面显示电脑需要的显示内容。
在本发明的另一方面，还提供了本发明上述电脑系统的基于光的投影进行输入和显示的方法，该方法包括：在包括投影显示模块、数据处理模块和光投影键盘鼠标模块的电脑系统中，通过光投影键盘鼠标模块投出的投影区，使用者在投影区进行相关的输入后，由数据处理模块进行处理，从而利用投影显示模块在微型投影模块投射的投影平面显示相关的使用者输入内容。
同样，可采用前文所述的方法进行手势识别训练。
在该方法中，投影显示模块可以根据投影平面的距离进行相关的自动调焦，从而使得投影变的清晰。
优选地，所述投影显示模块为采用LED光源的投影系统。
在一个特别优选的实施方案中，其中所述投影显示模块是以时序显示方式工作的LED广色域投影显示系统，并且该投影显示模块采用实时色域校准算法，该算法包括利用一组XYZ三轴色度传感器实时反馈色坐标，在一个基色工作时，同时加入一定比例的其它基色的光作为辅助光进行动态匹配色域的方法，以实现了实时动态色域校准方案，避免环境温度差异对显示系统色品坐标的影响。
在一个具体实施方案中，所述电脑系统可以包括：微型投影模块，用于投射电脑显示内容；Mini PC模块，用于提供本发明投影电脑的CPU、内存、硬盘等主体；激光投影模块，用于投影电脑输入的键盘和鼠标等。
在本发明中，所述投影显示模块可以为微型投影模块，即微型光投影模块，其优选采用LED光源的投影系统。
在一个优选实施方案中，所述投影显示模块的光学系统包括依次顺序设置的如下部件：LED阵列，准直透镜阵列，前蝇眼透镜，后蝇眼透镜，会聚透镜，X棱镜，上、下反射镜，TIR棱镜，DMD(即数字微镜原件)，和投影镜头。
所述LED阵列中的LED可以与准直透镜阵列一一对应。前蝇眼透镜、后蝇眼透镜、会聚透镜构成一组照明光路。该光学系统可采用了三组的照明光路即R、G、B光路，X棱镜用于R、G、B三基色光的合成，合成的白光由X棱镜的出射面输出，2个反射镜用于调整光路，以满足结构上的要求，合色后的光经TIR棱镜组的下棱镜反射后照射到DMD上进行图像调制，从DMD上反射的光束穿过TIR棱镜组后由投影镜头将图像投射到屏幕或其它物体上。
本领域技术人员已知的是，LED的发光体按照一定的要求，需采用光学塑料封装(即光学封装材料)，以获得高的光溢出效率和好的出射光束质量，光束出来之后需要准直，再经过前后蝇眼透镜变换，然后经过合色棱镜、TIR棱镜等，最后照射到DMD上。因此，光学塑料封装材料的选择及其关键。在现有的市售光学系统中，光学塑料封装材料几乎都是用代码形式表示，制造商对此通常都是严格保密。本发明人联合长春应化所，经过深入研究，开发了一种新型光学封装材料。
该封装材料为包含PMMA(聚甲基丙烯酸酯)的组合物，该组合物包含：(1)PMMA，和(2)下式(I)所示的改性剂。
其中，n是1-6的整数，优选为4；X1和X2彼此独立地是亚烷基，优选亚甲基和亚乙基；R是氢、甲基或乙基；R1～R10彼此独立地是氢、氟(F)或烷基，所述烷基例如甲基或乙基，条件是：R1～R10中的至少两个为F原子。
所述式(I)优选为如下结构式(A)所示化合物：
式(I)化合物的使用，特别是其中F的引入，可以使PMMA具有较高的耐热性，从而可耐受投影使用中所产生的较高热烈，同时式(I)化合物可以提高PMMA的透光性和柔韧强度。按照ASTM D-570进行测试，式(I)化合物可以使PMMA的透光性提高10-30％，柔韧性提高5-10％。特别是式(A)化合物，可以使PMMA的透光性提高约30％。
式(I)所示化合物可以通过甲基丙烯酸与三环类化合物的烷基醇酯化反应制得。三环类化合物的烷基醇可市售获得。
式(I)化合物的加入量可以为组合物的3.0-10.0％重量。
在一个特别优选的实施方案中，为进一步提高整个光学系统的封装可靠性，在本发明的光学系统透镜部件的封装中，前蝇眼透镜、后蝇眼透镜、会聚透镜构成的照明光路优选使用重复结构单元为下式(II)所示的聚酰亚胺型封装材料：
所述聚酰亚胺的数均分子量为600-1800。
该聚酰亚胺型封装材料可以通过本领域的常规聚合方法制得。
在一个特别优选的实施方案中，X棱镜的合色面镀有消偏振膜。在本发明中，优选通过真空镀膜实现消偏振膜的镀覆。在真空镀膜时，使用钼制成的钼舟，当真空镀达到3×10-3Pa时，开始镀覆，蒸发速率为5nm-20nm/min，镀膜时间为10s-30s。该方法比普通的镀膜方法例如化学镀具有更高的精度。
TIR棱镜用于分离对DMD的入射照明光和出射光，由于两光束的主光线之间存在24°或更大的夹角，加上光束本身有一定的宽度和角度范围，需要专门的元件来将二者分开。TIR棱镜有两个棱镜胶合而成，胶合面间保留几微米的空气间隙，这使得对胶合面的增透膜有较高的要求。
微型光投影模块与所述数据处理模块如Mini PC模块相连，数据处理模块与所述光投影模块相连。
微型光投影模块，用于实现投影出画面，使得操作者能够看到电脑的显示画面。
数据处理模块可以是Mini PC模块，Mini PC模块是电脑的主体，集成CPU、内存、硬盘、WiFi等功能，同时能够提供与微型投影模块和光投影模块的接口。
所述光投影键盘鼠标模块，用来投影键盘和鼠标区域，使用者可以在投影键盘区域输入打字信息，在投影鼠标区域操作鼠标。
附图说明
图1是本发明光投影键盘和鼠标的总体架构图。
图2是本发明光投影硬件模块的组成图。
图3是本发明光投影键盘区域的输入键位与识别原理图。
图4是本发明光投影鼠标区域的单指输入与识别原理图。
图5是本发明光投影鼠标区域的多指输入与识别原理图。
具体实施方式
下面用具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。
下面用具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1所示为本发明光投影键盘和鼠标的总体架构图，具体包括两个部分光投影硬件模块101和光投影区域。
所述光投影区域包括两个部分：光投影键盘区域103和光投影鼠标区域104。
所述光投影键盘区域103和光投影鼠标区域104，由投影头102经过投影光路105产生。
图2所示为本发明光投影硬件模块的各部分组成图。光投影硬件模块201由六个部分组成，即投影头202、图像采集器203、激光器204、处理器205、供电单元206和接口模块207。
所述投影头202的作用是投射用户可以识别的鼠标区域和键盘区域。
所述图像采集器203可以是摄像头或者其他传感器，用来采集用户的指尖操作位置。
所述激光器204用来发射不可见光，通过手指尖的反射光，经图像采集器203识别到手指尖的位置和移动距离。
处理器205的作用是处理相关的软件算法，供电单元206可以对整个光投影硬件模块201的各个部分进行供电，接口模块207的作用是提供给其他设备及模块的接口。
所述处理器205可以是ARM、单片机、DSP、FPGA、Intel CPU等等芯片，也可以是用户自行设计的可编程芯片。
所述接口模块207可以提供USB口、SPI口、串口、I2C口或EtherNET网口等等接口，或者其他模块间的通讯接口。
图3为本发明光投影键盘区域的输入键位与识别原理图。当手指在光投影键盘区域306上按压一个光投影按键时，由激光器304发射来的光路310经过指尖折射产生光路309，从而图像采集器303可以识别到手指的按压键位。通过图像采集器303可以将用户的操作按压键位信息传输给处理器305，处理器305通过软件算法可以识别用户的所按压键位位置和按压频率。
所述用户在光投影区域306可以是单指的按压按键操作，也可以是多指的打字复合操作。
所述光投影区域306可以投影字母常规键盘，数字键盘，F*键快捷键盘等等，也可以是用户自定义的键盘。
图4为本发明光投影鼠标区域的单指输入与识别原理图。在光投影鼠标区域407，用户可以通过指尖的移动实现对鼠标的控制。由激光器404发射光路409到指尖，从而反射光路408到图像采集器403，从而识别到用户的指尖输入位置及精确的移动距离，进一步实现精准的鼠标移动控制。图像采集器403向处理器405发送光投影鼠标区域407中的手指移动信息，经处理器中的算法实现鼠标的精准移动。
所述光投影鼠标区域407中，用户可以进行指尖点击实现鼠标点击功能，也可以配合两指或多指实现鼠标右键功能。
图5为本发明光投影鼠标区域的多指输入与识别原理图。在光投影鼠标区域507上，用户可以进行多指的操作，如两指的收缩操作，激光器504经光路509发射到多指的每个指尖上，经过光路508把多指的位置信息和移动距离反射到图像采集器503上，图像采集器503将信息发送到处理器505，通过处理器505中的软件算法可以识别到多指的复合操作。
所述光投影鼠标区域507中的多指操作，可以是双指操作，也可以是三指及多指操作，处理器505中的算法可以配合具体的多指操作任务定义算法的功能，如缩小、放大、任务切换等等功能。
图3、图4、图5中的光投影鼠标区域和光投影键盘区域，可以独立工作，也可以同时工作，即用户可以独立的实现键位输入、独立的实现鼠标或多指任务操作，也可以键位输入的同时，进行相关的鼠标或多指任务操作。
图2、图3、图4和图5中的投影头和图像采集器的位置，可以根据具体的设计需求进行位置调节或互换位置。
图1、图3、图4和图5中的光投影鼠标区域和光投影键盘区域可以互换投影位置。
投影平面可以是投影幕布、墙，或者其他物体。
LED的发光体的光学封装材料为包含PMMA(聚甲基丙烯酸酯)的组合物，该组合物包含：(1)95wt.％PMMA，和(2)5wt.％的下式(A)所示的改性剂：
按照ASTM D-570进行测试，该组合物与单独使用PMMA相比，透光性提高30％，柔韧性提高7％。这样的效果是先前未曾预料到的。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可以包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。在不会造成不一致的程度下，通过参考将本文中参考的所有引用之处并入本文中。

Claims (4)

1.一种带有光投影输入设备的电脑系统，其特征在于，所述电脑系统包括：投影显示模块，数据处理模块，和光投影键盘鼠标模块，其中：所述投影显示模块用于光投影出电脑要显示的内容，所述数据处理模块用于集成电脑的相关数据处理功能，所述光投影键盘鼠标模块用于投影出键盘和/或鼠标操作区域，在光投影键盘区域中，用户可以进行键位的输入，以及在光投影鼠标区域中，用户可以通过手指指尖的移动实现鼠标的控制；
所述光投影键盘鼠标模块包括器件区和投影区；
所述光投影键盘鼠标模块的投影区域包括两个部分，即光投影键盘区域和光投影鼠标区域，或者投影区域只保留键盘区域或鼠标区域中的一个；
所述投影显示模块的光学部分包括依次顺序设置的如下部件：LED阵列，准直透镜阵列，前蝇眼透镜，后蝇眼透镜，会聚透镜，X棱镜，上、下反射镜，TIR棱镜，DMD，和投影镜头；
LED的发光体的封装材料为包含聚甲基丙烯酸酯的组合物，该组合物包含：(1)聚甲基丙烯酸酯，和(2)下式(I)所示的改性剂：
其中，n是1-6的整数；X1和X2彼此独立地是亚烷基；R是氢、甲基或乙基；R1～R10彼此独立地是氢、氟或烷基，条件是：R1～R10中的至少两个为F原子；式(I)化合物的加入量为组合物的3.0-10.0％重量。
2.根据权利要求1所述的电脑系统，其特征在于，所述投影显示模块还包括DLPA、存储器、DLPC部分。
3.根据权利要求2所述的电脑系统，其特征在于，光学引擎经过投影光路向投影平面投影，投影平面显示电脑需要的显示内容。
4.一种基于光的投影进行输入和显示的方法，该方法包括：在根据权利要求1所述的包含投影显示模块、数据处理模块和光投影键盘鼠标模块的电脑系统中，通过光投影键盘鼠标模块投出的投影区，使用者在投影区进行相关的输入后，由数据处理模块进行处理，从而利用投影显示模块在投影平面显示相关的使用者输入内容，所述投影显示模块可以根据投影平面的距离进行相关的自动调焦，从而使得投影变的清晰；所述投影显示模块是以时序显示方式工作的LED广色域投影显示系统，并且该投影显示模块采用实时色域校准算法，该算法包括利用一组XYZ三轴色度传感器实时反馈色坐标，在一个基色工作时，同时加入一定比例的其它基色的光作为辅助光进行动态匹配色域的方法，实现了实时动态色域校准方案，避免环境温度差异对显示系统色品坐标的影响。
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