CN108962183B - 一种多基色显示的基色优化方法及显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多基色显示器的基色优化方法，包括：首先确定显示器的基色数、白点色坐标、白点亮度；然后选取进行色域评估的均匀色空间(UCS)以及目标色域，并给出目标色域在所选均匀色空间中的边界及色域体积，并选取各基色光源色坐标的取值范围(可以是连续或离散取值范围)及初始值。之后计算得出该基色坐标组合实现的显示色域在所选均匀色空间中的形状，并将显示色域的白点亮度归一化到目标色域的白点，计算得出显示色域与目标色域相交区域的体积。通过最大化相交区域体积或相交区域体积与目标色域体积的比值，设置合理的停止条件，得出优化的基色色坐标及亮度。本发明还公开一种多基色显示装置。

Description

一种多基色显示的基色优化方法及显示装置

技术领域

本发明属于显示器色度领域，特别涉及一种适用于多基色显示的基色优化方法和一种采用该方法实现的显示装置。

背景技术

随着显示技术的发展，显示器可以实现越来越大的色域，人们对于大色域显示器的需求也越来越迫切。目前通用的显示色域标准为sRGB，然而这一标准仅覆盖了色品图中的很小一部分颜色。而当前作为显示器色域评估目标的NTSC色域也只能覆盖不到一半的色品图面积。目前色域面积最大的显示标准为Rec.2020标准，但也仅能覆盖xy色品图面积的73.8％。而且目前的大部分显示器还不能达到这一色域大小标准，从业者和消费者都希望能够实现更大色域的显示。现在的各种各样的大色域显示解决方案主要可以分为两类，一类是仍然使用三基色，通过提高每个基色的色纯度来扩张色品图中基色三角形的面积，实现大色域；另一类是使用更多的基色，亦即多基色显示技术，使显示器的色域在色品图中由三角形变为多边形，从而增大色域面积，实现大色域显示。

目前由于纳米技术以及半导体和激光技术的飞速发展，使用较窄线宽的LCD背光源(如量子点背光源)，窄谱LED或激光作为显示光源的技术已经逐步成熟，这解决了以前显示器基色纯度不足的问题，使得基色三角形得以扩张至接近色品图的边界。如果进一步使用多基色方案，显示器的色域可以大大增加，实现远超目前显示器色域的超大色域显示，甚至覆盖几乎所有自然界的物体色。实现超大色域显示的关键步骤是选取合理的基色光，实现在该基色数下最大的显示色域。

显示器的基色选取需要通过对色域的优化来完成。即通过使用某种优化方法，计算各基色的颜色及最大亮度在不同情况下对应的色域，从而得出色域最大时对应的基色颜色及亮度值。目前设计者一般通过直接计算所有可能的基色组合对应的色域面积从而确定色域最大的方案，具体步骤如下：

(1)确定可以选用的各基色光源的色品图坐标；

(2)找出所有可能的基色颜色组合；

(3)计算所有以上组合在色品图中构成的基色多边形面积；

(4)找出其中面积最大的一组基色组合作为显示器基色。

这种方法具有两个缺点。第一，以色品图中色域三角形(或多边形)的面积作为评估标准不能准确反映实际色域的大小。在传统显示器的色域评估中，常见的指标是显示色域面积与NTSC色域面积的百分比。目前绝大多数显示行业从业者都是采用这种标准来评价显示器的色域大小。然而一方面由于色品图没有亮度信息，色品图中的多边形面积并不能准确表示出显示器可以覆盖的颜色数，这种基于面积的评估是非常粗略的；另一方面，显示色域越大并不代表显示器的颜色特性越好。仅仅具有大显示色域的显示器可能对某个色调的色彩具有较好的再现能力，但不能显示出另一个色调中某些常见的色彩。真正完整表示色域的方法是显示器的基色多边形在均匀色空间中对目标色域的覆盖率大小，通过选择一个合适的目标色域，以显示器能够再现出目标色域的颜色多少作为显示器颜色特性的评价。

第二，进行基色优化时，一般采用穷举法来搜索最优色域，所需的计算量大。对于三基色显示方案，由于可选用的基色颜色少，而且显示器的白点确定后不涉及基色的亮度优化(同色异谱)问题，使用穷举方法是可以实现大色域的基色优化的。然而随着显示光源技术的进步，可以选用的光源颜色越来越多，光谱的中心波长取值越来越密集，相应的基色组合个数成指数级增长；而且当基色数大于3时，由于多基色显示带来了同色异谱问题，基色亮度并不能被白点坐标唯一确定，还需要对亮度进行优化才能确定均匀色空间中的最大色域，这又使得计算量进一步增加。对于这种情况使用传统的穷举法显然不能有效地找到最优解。

发明内容

本发明提供了一种多基色显示器的基色优化方法。使用了一种基于均匀色空间中对目标色域覆盖率大小的色域评价方法，以此作为基色颜色与亮度的优化标准，并使用优化算法，将显示器的基色优化问题转换成有约束非线性规划问题，从而实现显示器的基色优化设计，覆盖尽可能多的颜色。这种方法可用于多基色显示领域。

本发明使用一种科学的色域评价方法，使显示器的色域评估更加准确，采用这种方法得到的显示器能够再现出更多的可分辨色彩数，可以更加准确地再现目标色域的颜色；使用最优化算法使优化过程计算量大大减少，可以实现多基色及基色光谱密集取值时的快速色域优化。相对于一般的显示器色域设计，该方法更符合色度学原理、结果准确，而且计算效率高，可以处理超大色域、多基色及基色波长密集取值的情况，为显示器色度设计领域提供了良好的方法。

本发明的具体技术方案如下：一种多基色显示器的基色优化方法，所述基色优化方法用于选取N基色显示器的最优基色，其中N为大于等于4的整数，所述基色优化方法包括：

(1)确定显示器的基色数N、白点色坐标x_w,y_w、白点亮度Y_W；通过白点色坐标及白点亮度计算得到CIEXYZ空间中白点的坐标X_W,Y_W,Z_W；

(2)选取进行色域评估的均匀色空间(UCS)以及目标色域，得到目标色域在所选均匀色空间中的边界及色域体积Vol_Obj；

(3)选取各基色光源归一化光谱曲线中心波长的取值范围(可以是连续或离散取值范围)，确定N个基色光谱中心波长

其中i＝1,2,…,N，得到各基色光源的归一化光谱曲线

初始化迭代次数k＝0；

(4)根据各基色光源的归一化光谱曲线

计算得到各基色功率P_i ^k均为1W时的归一化三刺激值

(5)在CIEXYZ空间中，计算功率为P_i ^k的基色i对应的矢量V_i ^k，其终点坐标为：

将显示色域的白点设置为目标色域的白点一致，得到如下边界条件限制：

计算基色矢量组合

在CIEXYZ空间中张成的平行多面体，并将其变换到所选均匀色空间中，即得到显示色域的边界；计算显示色域的体积Vol^k，或计算显示色域与目标色域相交区域的体积

(6)将最大化第(5)步中的显示色域的体积Vol^k或相交区域的体积

或相交区域体积与目标色域体积的比值

作为优化目标，得出第k+1次迭代的各基色光谱的中心波长

及功率

判断是否达到收敛精度：

且P_i ^k+1-P_i ^k≤tol_P，或Vol^{k +1}-Vol^k≤tol_Vol，tol_λ为中心波长的收敛精度，tol_P为功率的收敛精度，tol_Vol为色域体积的收敛精度；或者是否达到最大迭代次数K_max：k>K_max；若是，输出优化的各基色光谱的中心波长以及功率；否则，令迭代次数k＝k+1，继续进行(4)(5)步，直至满足停止条件。

进一步地，在步骤(4)中，对于不同发光特性的基色光源(如激光、LCD、LED、量子点光源)，三刺激值均可由下式计算得出：

对于光谱宽度小于10nm的窄谱光源(如激光)，三刺激值可由下式计算得出：

其中

为CIE标准色度观察者三刺激值曲线。

进一步地，对于四基色激光显示的最佳波长是：453nm,507nm,541nm,778nm。

进一步地，对于五基色激光显示的最佳波长是：435nm,487nm,515nm,546nm,687nm。

进一步地，对于六基色激光显示的最佳波长是：434nm,480nm,505nm,522nm,550nm,670nm。

一种多基色显示装置，包括：

显示光源部分以及显示模组部分，其中显示光源由各基色光源组成，所述基色光源的实现方式是采用发光光源，或者照明光源与滤光装置组合；所述基色光源采用上述基色优化方法得出的中心波长；

所述显示装置的混色方式由时域混色或者空域混色方式实现；

所述时域混色显示方式，为基色光源通过显示模组后形成像素点，每个像素点由各基色光快速交替点亮，通过调节不同基色的点亮时间占比实现各基色相对亮度的调节，从而显示不同的颜色；

所述空域混色显示方式，为其每个彩色像素单元由多个子像素单元在空间中以某种排布方式构成，每个子像素单元输出一种基色颜色；显示模组通过控制每个子像素单元的亮度实现显示不同的颜色。

进一步地，对于四基色显示装置，各基色的中心波长为380–460nm,497–517nm,531–551nm,630–780nm。

进一步地，对于五基色显示装置，各基色的中心波长为380–460nm,477–497nm,505–525nm,536–556nm,630–780nm。

进一步地，对于六基色显示装置，各基色的中心波长为380–460nm,470–490nm,495–515nm,512–532nm,540–560nm,630–780nm。

相应地，本发明还提供一种多基色显示装置，包括采用所述基色优化方法所得中心波长的基色光源，以及其他显示模组。所述显示光源的实现方式可以是照明光源与滤光装置组合，通过设置滤光装置的通带光谱曲线实现各基色光谱；还可以直接采用发光光源，其发光光谱为采用所述基色优化方法所得。所述显示装置可以由不同混色方式实现，如时域混色显示方式或空域混色显示方式等，以达到多基色大色域显示。进一步地，所述显示装置可以由投影、像素点面板等各种方式实现。

对于所述时域混色显示方式，所述基色光源的光谱中心波长由所述基色优化方法获得，基色光源通过显示模组后形成屏幕上的像素点，每个像素点由各基色光快速交替点亮，通过调节不同基色的点亮时间占比实现各基色相对亮度的调节，从而显示不同的颜色。

对于所述空域混色显示方式，其每个彩色像素单元由多个子像素单元在空间中以某种排布方式构成，每个子像素单元输出一种基色颜色。显示模组通过控制每个子像素单元的亮度实现显示不同的颜色。

本发明原理如下：

根据加色混色原理，将两个颜色的三刺激值X,Y,Z以不同的权重线性相加，即可得到一个新的颜色。其中权重分别代表了每个颜色的亮度。N基色显示器所显示的颜色就是由N个基色通过调节亮度混合而成。对显示器进行色域优化的第一步就是确定各个基色的归一化三刺激值。

对于光谱较宽的光源，利用CIE标准观察者曲线

以及基色光源功率为1W时的归一化光谱曲线S(λ)可以计算得出第i个基色光源的归一化三刺激值：

对于光谱极窄的光源如激光光源，波长为λ_i的基色光源的归一化三刺激值可用下式计算：

在CIEXYZ空间中，功率为P_i的基色i对应于一个矢量V_i，其终点坐标为

X_Vi＝P_iX_i

Y_Vi＝P_iY_i

Z_Vi＝P_iZ_i

如图1所示，对于N基色显示器，显示色域在CIEXYZ空间中由N个矢量V₁,V₂,…,V_N张成的平行多面体来表示。其中每个矢量的方向代表着这个基色的颜色(即色坐标)，长度代表着基色的最大功率P_i。每个基色的归一化亮度α可以在0到1之间变化，从而显示出不同的颜色。当所有基色的归一化亮度均为1时所表示的颜色即为显示器的白点。

CIEXYZ色空间是非均匀色空间，如果在评估色域时选择均匀色空间，多面体的体积大小即可直接代表显示色域的大小。均匀色空间中的显示色域G可以表示为

其中

是从CIEXYZ空间变换到所选择的均匀色空间的算符。如图2所示，显示色域从CIEXYZ空间变换到均匀色空间后原本由N个向量张成的平行多面体一般会变成一个不规则的立体，这个不规则立体代表着均匀色空间中的显示色域，其体积大小表示了显示色域的大小。

均匀色空间中的目标色域用G_T表示，在图3中G_T表示为虚线所示区域。显示色域G与目标色域G_T的相交部分表示了显示器能够重现出的目标色域中的颜色，相交部分的体积占目标色域体积的百分比W越大，表明显示器可以重现出的目标颜色越多。公式表示如下：

注意在计算相交部分的体积时，为了使不同亮度的显示器都能用此方法进行优化，需要把显示色域的白点亮度归一化到目标色域白点的亮度，且目标色域与显示色域的白点坐标需要一致。此时两者的相交区域表示了显示器能够再现出的目标色域的颜色范围。通过使用优化算法最大化W或相交区域的体积，即可得到最优的基色设计。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)相对于传统的以最大化色品图中面积为优化标准，本发明考虑了色品图中没有表示出的亮度分量，色域评价更加准确合理。

(2)在优化过程中引入了目标色域，而不仅仅以体积值大小作为色域的评价标准，可以使设计出的显示色域更有针对性。

(3)适用于多基色的显示色域设计。在采用优化算法的情况下可以实现快速的优化，可以实现传统方法所不能实现的多基色显示器的基色设计。

附图说明

图1为CIEXYZ空间中的显示色域示意图；

图2为均匀色空间中的显示色域示意图；

图3为均匀色空间中的显示色域与目标色域示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不限于此。

实施例1

针对高亮度六基色激光投影显示基色优化方法，其过程如下：

(1)确定显示器的基色数为6，白点色坐标为D65标准光源，显示亮度为20000lm；

(2)选取进行色域评估的均匀色空间(UCS)为CIELAB均匀色空间，目标色域选取为optimal color gamut；

(3)各基色激光光源波长的取值范围为可见光波段380–780nm，初始值均为380nm；

(4)在CIELAB空间中将显示色域的白点亮度归一化到L*＝100，目标色域选取为白点为D65，最大亮度L*＝100的optimal color gamut。将显示色域和目标色域构成的多边形分别切分成以亮度值L*等分的100片，分别计算显示色域与目标色域在每片的相交部分面积，累加得出显示色域与目标色域相交区域的体积；

(5)使用遗传算法，优化目标为最大化第(4)步中的相交区域体积占目标色域体积的百分比W。停止条件设置为体积的变化量小于10^-6或基色波长变化量小于10^-3，得出各基色的色坐标及亮度的变化步长，继续进行(4)(5)步，直至满足停止条件；

(6)优化过程结束，将基色亮度值缩放至20000lm，得到了优化的基色波长及亮度。基色波长分别为450nm,480nm,505nm,526nm,552nm,650nm；工作时的最大功率为13.04W,8.06W,8.16W,7.30W,12.43W,56.47W。

针对高亮度六基色激光投影显示装置，包括光源部分及显示模组部分。其中，光源为波长分别为450nm,480nm,505nm,526nm,552nm,650nm的六台激光器，工作时的最大功率为13.04W,8.06W,8.16W,7.30W,12.43W,56.47W，通过扩束及准直、匀光系统照射到DLP芯片上。显示模组为DLP芯片及其控制电路、投影光学系统。通过控制DLP芯片每个像素的亮暗时间占空比，调节显示不同的颜色。

实施例2

所实现的四基色LED显示基色优化方法，其过程如下：

(1)确定显示器的基色数为4，白点色坐标为D65标准光源，显示亮度为2000lm；

(2)选取进行色域评估的均匀色空间(UCS)为CIELUV均匀色空间，目标色域选取为Pointer’s gamut，目标色域白点转换为D65；

(3)各基色LED光源的光谱近似为半高全宽为50nm的高斯分布，中心波长的取值范围为可见光波段380–780nm，初始值分别为420nm、480nm、550nm和650nm；

(4)在CIELUV空间中将显示色域的白点亮度归一化到L*＝100，目标色域选取为白点为D65，最大亮度L*＝100的Pointer’s gamut。将显示色域和目标色域构成的多边形分别切分成以亮度值L*等分的100片，分别计算显示色域与目标色域在每片的相交部分面积，累加得出显示色域与目标色域相交区域的体积；

(5)使用模拟退火算法，优化目标为最大化第(4)步中的相交区域体积V。停止条件设置为体积的变化量小于10^-6或基色波长变化量小于10^-3，得出各基色的色坐标及亮度的变化步长，继续进行(4)(5)步，直至满足停止条件；

(6)优化过程结束，得到了优化的基色波长及亮度。基色波长分别为450nm,505nm,550nm,650nm；工作时的最大功率为1.57W,1.83W,1.53W,5.59W。

所实现的四基色LED显示装置，包括LED面板及显示模组部分。其中，LED面板的每个像素点由四种颜色的LED平行排列构成，光谱中心波长分别为450nm,505nm,550nm,650nm，工作时的最大功率为1.57W,1.83W,1.53W,5.59W。显示模组控制每个LED子像素点的亮度，显示出不同颜色。

实施例3

所实现的五基色量子点背光LCD(QD-LCD)显示基色优化方法，其过程如下：

(1)确定显示器的基色数为5，白点色坐标为D65标准光源，显示亮度为1000lm；

(2)选取进行色域评估的均匀色空间(UCS)为CAM02-UCS均匀色空间，目标色域选取白点转换为D65光源的Pointer’s gamut；

(3)LCD显示的各基色光源光谱近似为半高全宽为30nm的高斯分布，中心波长的取值范围为可见光波段380–780nm，初始值分别为380nm、480nm、580nm、680nm、780nm；

(4)在CAM02-UCS Ja_cb_c空间中将显示色域的白点亮度归一化到J＝100，目标色域选取为白点为D65，最大亮度J＝100的Pointer’s gamut。将显示色域和目标色域构成的多边形分别切分成以亮度值J等分的100片，分别计算显示色域与目标色域在每片的相交部分面积，累加得出显示色域与目标色域相交区域的体积；

(5)使用梯度下降算法，优化目标为最大化第(4)步中的相交区域体积V。停止条件设置为体积的变化量小于10^-6或波长变化量小于10^-3，得出各基色的色坐标及亮度的变化步长，继续进行(4)(5)步，直至满足停止条件；

(6)优化过程结束，得到了优化的各基色光谱中心波长及亮度。中心波长分别为450nm,488nm,520nm,542nm,650nm；工作时的最大功率分别为0.69W,0.61W,4.48W,0.69W,3.12W。

所实现的量子点背光LCD显示装置，包括量子点背光源，像素滤光片以及显示模组。其中，背光源为采用量子点技术实现的五原色白光背光源，每个像素滤光片由五种截止波长各不相同的子像素点滤光片构成，分别实现中心波长为50nm,488nm,520nm,542nm,650nm的带通滤光。工作时出射光的最大光功率分别为0.69W,0.61W,4.48W,0.69W,3.12W。显示模组控制每个LCD子像素点的亮度，显示出不同颜色。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多基色显示器的基色优化方法，所述基色优化方法用于选取N基色显示器的最优基色，其中N为大于等于4的整数，其特征在于，所述基色优化方法包括：

(1)确定显示器的基色数N、白点色坐标x_w,y_w、白点亮度Y_W；通过白点色坐标及白点亮度计算得到CIEXYZ空间中白点的坐标X_W,Y_W,Z_W；

(2)选取进行色域评估的均匀色空间UCS以及目标色域，得到目标色域在所选均匀色空间中的边界及色域体积Vol_Obj；

(3)选取各基色光源归一化光谱曲线中心波长的取值范围，确定N个基色光谱中心波长

，其中i＝1,2,…,N，得到各基色光源的归一化光谱曲线

初始化迭代次数k＝0；

(4)根据各基色光源的归一化光谱曲线

计算得到各基色功率P_i ^k均为1W时的归一化三刺激值

Y_i ^k,

(5)在CIEXYZ空间中，计算功率为P_i ^k的基色i对应的矢量V_i ^k，其终点坐标为：

将显示色域的白点设置为目标色域的白点一致，得到如下边界条件限制：

计算基色矢量组合V₁ ^k,

在CIEXYZ空间中张成的平行多面体，并将其变换到所选均匀色空间中，即得到显示色域的边界；计算显示色域的体积Vol^k，或计算显示色域与目标色域相交区域的体积

(6)将最大化第(5)步中的显示色域的体积Vol^k或相交区域的体积

或相交区域体积与目标色域体积的比值

作为优化目标，得出第k+1次迭代的各基色光谱的中心波长

及功率P_i ^k+1，判断是否达到收敛精度：

且P_i ^k+1-P_i ^k≤tol_P，或Vol^k+1-Vol^k≤tol_Vol，tol_λ为中心波长的收敛精度，tol_P为功率的收敛精度，tol_Vol为色域体积的收敛精度；或者是否达到最大迭代次数K_max：k>K_max；若是，输出优化的各基色光谱的中心波长以及功率；否则，令迭代次数k＝k+1，继续进行(4)(5)步，直至满足停止条件。

2.根据权利要求1所述的基色优化方法，其特征在于，在步骤(4)中，对于不同发光特性的基色光源，三刺激值均可由下式计算得出：

对于光谱宽度小于10nm的窄谱光源，三刺激值可由下式计算得出：

其中

为CIE标准色度观察者三刺激值曲线。

3.根据权利要求1或2所述的一种多基色显示器的基色优化方法，对于四基色激光显示的最佳波长是：453nm,507nm,541nm,778nm。

4.根据权利要求1或2所述的一种多基色显示器的基色优化方法，对于五基色激光显示的最佳波长是：435nm,487nm,515nm,546nm,687nm。

5.根据权利要求1或2所述的一种多基色显示器的基色优化方法，对于六基色激光显示的最佳波长是：434nm,480nm,505nm,522nm,550nm,670nm。

6.一种多基色显示装置，其特征在于，包括：

显示光源部分以及显示模组部分，其中显示光源由各基色光源组成，所述基色光源的实现方式是采用发光光源，或者照明光源与滤光装置组合；所述基色光源采用权利要求1至5中任意一项所述的基色优化方法得出的中心波长；

所述显示装置的混色方式由时域混色或者空域混色方式实现；

所述时域混色显示方式，为基色光源通过显示模组后形成像素点，每个像素点由各基色光快速交替点亮，通过调节不同基色的点亮时间占比实现各基色相对亮度的调节，从而显示不同的颜色；

所述空域混色显示方式，为其每个彩色像素单元由多个子像素单元在空间中以某种排布方式构成，每个子像素单元输出一种基色颜色；显示模组通过控制每个子像素单元的亮度实现显示不同的颜色。

7.根据权利要求6所述的多基色显示装置，其特征在于，对于四基色显示装置，各基色的中心波长为380–460nm,497–517nm,531–551nm,630–780nm。

8.根据权利要求6所述的多基色显示装置，其特征在于，对于五基色显示装置，各基色的中心波长为380–460nm,477–497nm,505–525nm,536–556nm,630–780nm。

9.根据权利要求6所述的多基色显示装置，其特征在于，对于六基色显示装置，各基色的中心波长为380–460nm,470–490nm,495–515nm,512–532nm,540–560nm,630–780nm。

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