CN109459136A - 一种色度测量的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种色度测量的方法与装置，该方法包括以下步骤：S1：提取训练样本在不同颜色、亮度下的显示图像的RGB数值和L数值，得到RGBL数值；S2：获取显示图像的三刺激值XYZ，得到XYZ数值；S3：根据预先划分的亮度阶将处于同一个亮度阶的显示图像的RGBL数值与XYZ数值对应，建立训练样本在每个亮度阶内的RGBL数值与XYZ数值的转换模型；S4：提取待测对象的显示图像的RGBL数值并确定其所属的亮度阶的转换模型，根据转换模型将待测对象的RGBL数值转换为XYZ数值；本发明在RGB数值中加入L数值并拟合RGBL与XYZ的颜色空间之间的转换模型，能够显著降低亮度、色度的测量误差，提高测试精度。
Description
技术领域
本发明属于显示技术领域，更具体地，涉及一种色度测量的方法与装置，用于显示器的亮度及色度测量。
背景技术
随着显示技术的发展，人们对显示设备品质的要求越来越高，显示设备的显色品质及色保真度也日益显得重要，因此高精度的亮度色度测量设备在显示设备的制造及检测过程中必不可少。目前市面上已经有比较成熟的设备，例如分光光度计和滤镜式色度计，这类色度计有很好的测量精度，但是因其测量的范围非常有限，不能满足客户一次性测量整个显示设备的要求，所以标准色度计应运而生。但是标准色度计存在测量误差大的缺点，这是由于标准色度计采用面阵感光芯片(CCD/CMOS)，而CCD/CMOS的光电响应曲线与标准CIE标准观察者曲线差异很大，两者的差异是导致测量误差的根本原因，因此准确地找到CCD/CMOS的光电响应曲线与CIE标准观察者曲线之间的关系才能提高成像式面阵色度计的测量精度。
现有的技术方案中，标准色度计的色度亮度矫正的方法有多项式回归法和3D查表法拟合RGB颜色空间到XYZ颜色空间的转换关系等。例如：申请号为CN201010139564的发明专利“一种CCD式的光学品质测量装置”公开了一种CCD式的光学品质测量装置，其色度运算子系统采用多项式回归法，通过一个3*3的特性化矩阵将CCD相机的RGB读值转换为X、Y读值；硕士论文《基于查找表法的CCD数据相机特征化研究》中采用3DLUT方法实现RGB颜色空间到XYZ颜色空间的转换；学术会议论文《一种对显示器进行精确特征化的方法》中采用BP神经网络的方式拟合RGB与XYZ的转换关系。但是，现有技术中的以上方案存在如下问题：
1、多项式回归法实际上是采用线性关系拟合RGB到XYZ之间的关系，但RGB到XYZ的颜色空间的转换是一个复杂的非线性转换。通常人们使用一个3*3或者3*n的矩阵来表示RGB与XYZ之间的转换关系，这种方式对光谱的差异非常敏感，即只要不同的待测物体之间的光谱存在微小的偏移，多项式回归法测量的结果就会有很大的差异。图1所示为一个基准光谱，对该基准光谱进行偏移(±10nm)，得到100个不同的模拟光谱，如图2所示，用这100个不同的光谱代表100块不同的屏幕。采用多项式回归法进行测试的误差如图3所示，结果表明，光谱仅仅是发生±10um的微小偏移，采用多项式回归法测量的误差即超出了用户可接受范围。
2、3DLUT法在实际操作过程中，采集的数据并不是一个规则的立方体，这样给查表和插值带来误差，导致最终的测量误差偏大。
3、采用BP神经网络的方法需要大量的样本，不利于产线实际应用。
综上所述，现有技术的色度测量方法在实际应用中存在测量误差偏大、精度低，不能达到用户要求的缺点。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种色度测量的方法与装置，其目的在于解决现有的色度测量方法存在测量误差偏大、精度低的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种色度测量的方法，包括以下步骤：
S1：提取训练样本在不同颜色、不同亮度下的显示图像的RGB数值和L数值，得到若干个RGBL数值；
S2：获取所述显示图像的三刺激值XYZ，得到若干个XYZ数值；
S3：根据预先划分的亮度阶将处于同一个亮度阶的显示图像的RGBL数值与XYZ数值一一对应，并根据对应关系建立训练样本在每个亮度阶内的RGBL数值与XYZ数值的转换模型；
S4：提取待测对象的显示图像的RGBL数值并根据该显示图像的L数值确定其所属的亮度阶的转换模型，根据所述转换模型将待测对象的RGBL数值转换为XYZ数值，根据所述XYZ数值计算得到待测对象的色度和亮度。
优选的，上述色度测量的方法，其步骤S1中包括以下子步骤：
S11：使训练样本显示不同颜色、不用亮度的显示图像；
S12：采用彩色相机拍摄所述显示图像的彩色图片，提取所述彩色图片中心区域的RGB数值；
S13：采用安装有CIE Y filter的黑白相机拍摄所述显示图像的黑白图片，提取所述黑白图片中心区域的L数值。
优选的，上述色度测量的方法，其步骤S2中，通过标准色度计采集显示图像的三刺激值XYZ。
优选的，上述色度测量的方法，其步骤S1之前还包括以下步骤：对彩色相机和黑白相机进行平场矫正和按电流矫正。
按照本发明的一个方面，提供了一种色度测量的装置，包括处理器和存储器，以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序；所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
优选的，上述色度测量的装置，还包括彩色相机、安装有CIE Y filter的黑白相机和标准色度计；
所述彩色相机用于拍摄所述显示图像的彩色图片，根据所述彩色照片提取RGB数值；所述黑白相机用于拍摄所述显示图像的黑白图片，根据所述黑白照片提取L数值；所述标准色度计用于获取所述显示图像的三刺激值XYZ。
优选的，上述色度测量的装置，其处理器包括相机控制单元、图像处理单元、模型建立单元和计算单元；
所述相机控制单元用于控制彩色相机采集训练样本显示不同颜色、不用亮度的显示图像时的彩色图片；并用于控制安装有CIE Y filter的黑白相机采集所述显示图像的黑白图片；并用于控制标准色度计采集所述显示图像的三刺激值XYZ，得到若干个XYZ数值；
所述图像处理单元用于提取所述彩色图片的中心区域的RGB数值，以及所述黑白图片中心区域的L数值，得到若干个RGBL数值；
所述模型建立单元用于根据预先划分的亮度阶将处于同一个亮度阶的显示图像的RGBL数值与XYZ数值一一对应，并根据对应关系建立训练样本在每个亮度阶内的RGBL数值与XYZ数值的转换模型；
所述计算单元用于获取图像处理单元提取的待测对象的显示图像的RGBL数值并根据该显示图像的L数值确定其所属的亮度阶的转换模型，根据所述转换模型将RGBL数值转换为XYZ数值，并根据所述XYZ数值计算得到待测对象的色度。
优选的，上述色度测量的装置，还包括载物台和设置在所述载物台上的位置调节机构；
所述位置调节机构用于承载彩色相机、安装有CIE Y filter的黑白相机和标准色度计并对其位置进行调节，以使彩色相机、黑白相机和标准色度计可分别对应放置在所述载物台上的待测对象的同一区域。
优选的，上述色度测量的装置，其位置调节机构包括X轴滑动丝杆、Y轴滑动丝杆和支撑杆；
所述Y轴滑动丝杆设置在载物台平面上，所述X轴滑动丝杆通过支撑杆与Y轴滑动丝杆相连并可沿Y轴滑动丝杆移动，彩色相机、黑白相机和标准色度计均安装在X轴滑动丝杆上并可沿X轴滑动丝杆滑动。
优选的，上述色度测量的装置，其支撑杆为Z轴滑动丝杆，X轴滑动丝杆沿所述Z轴滑动丝杆移动以对彩色相机、黑白相机和标准色度计的高度进行调节。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的一种色度测量的方法与装置，采用安装有CIE Y filter的黑白相机采集显示图像的L数值，该L数值更加接近真实亮度值，把这个更加准确的L数值放入到训练数据中，可以增加训练得到的转换模型的准确性，从而提高色度测量的准确性；在RGB数值中加入L数值并分别建立每一个亮度阶内的RGBL与XYZ的颜色空间之间的转换模型，根据待测显示器的显示图像的灰度值确定其所属亮度阶对应的转换模型，基于该转换模型测量显示器的亮度色度值，相比RGB到XYZ的颜色空间的转换，RGBL拟合法对亮度的测量误差明显降低，对色度的测量精度也有明显改善；
(2)本发明提供的一种色度测量的方法与装置，只需要购买普通的CIE Y filter即可，无需定制与CCD相机匹配的滤镜，成本低，易于实现，性价比高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基准光谱图；
图2是本发明实施例提供的第一种模拟光谱图；
图3是本发明实施例提供的第一种模拟光谱的色度、亮度测量误差示意图；
图4是本发明实施例提供的色度测量方法的流程图；
图5是本发明实施例提供的色度测量装置中处理器的逻辑框图；
图6是本发明实施例提供的色度测量装置的硬件结构示意图；
图7是本发明实施例提供的第二种模拟光谱图；
图8是本发明实施例提供的第二种模拟光谱的色度、亮度测量误差示意图；
图9是本发明实施例提供的测试样本的色度、亮度测量误差示意图；
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-彩色相机，2-黑白相机，3-CIE Y filter，4-标准色度计，5-Z轴滑动丝杆，6-X轴滑动丝杆，7-Y轴滑动丝杆，8-载物台，9-液晶面板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的色度测量的方法与装置，主要用于显示器的色度和亮度测量，此处所指的显示器不限于平面显示设备、曲面显示设备及车载显示设备等。
图4是本发明提供的色度测量方法的流程图，如图4所示，该色度测量的方法包括相机标定和色度测量两个流程，其中，相机标定流程包括以下步骤：
S1：对色度测量用的彩色相机和黑白相机进行平场矫正、按电流矫正等工作，减小拍摄误差；
S2：使作为训练样本的液晶面板上显示不同颜色、不同亮度的图像；根据测量精度需求，将0-255共256个灰度值划分为若干个亮度阶，训练样本的各个显示图像的灰度值需覆盖每一个亮度阶，亮度阶划分越细，每个亮度阶内包含的灰度值越少，测量精度越高；每一个亮度阶内的显示图像的数量越多，测量精度越高。同时，根据测量需求，可以将256个灰度阶段等分为若干亮度阶，也可以不等分或是按照特定规则划分。进一步地，本实施例中，默认每个亮度阶内，训练样本的显示图像的光谱特性是一致的，例如，将256个灰度值划分为[0 64 128 192 224 255]六个亮度阶，训练样本的显示图像由[0 64 128 192 224 255]六个亮度阶，以及R、G、B三个不同的颜色组合而成。
S3：将彩色相机对准液晶面板的中心位置，分别采集液晶面板在显示不同颜色、不同亮度的图像时的彩色图片；
S4：将安装有CIE Y filter的黑白相机对准液晶面板的中心位置，分别采集液晶面板在显示步骤S3中所述的图像时的黑白图片；
S5：将标准色度计对准液晶面板的中心位置，分别采集液晶面板在显示步骤S3中所述的图像的三刺激值XYZ，得到一个XYZ数据集，数据集中的每一个XYZ数值对应一张显示图像；
S6：从彩色照片中提取中心区域的RGB数值，从黑白图片中提取中心区域的L数值，得到一个RGBL数据集；每一张具有特定颜色、亮度的显示图像均具有一个RGB数值和L数值，结合起来得到一个RGBL数值，多张显示图像的RGBL数值共同构成RGBL数据集；
S7：根据步骤S2中划分的亮度阶将处于同一个亮度阶的显示图像的RGBL数值与XYZ数值一一对应，采用BP神经网络或者多项式拟合的方法建立训练样本在每个亮度阶内的RGBL数值与XYZ数值的转换模型。
以BP神经网络为例进行说明，分别将每一个亮度阶内的若干个RGBL数值输入神经网络，控制神经网络输出与RGBL数值对应的XYZ数值，通过训练分别获得各个亮度阶对应的转换模型。
色度测量包括以下步骤：
S8：将彩色相机对准待测的液晶面板，通过彩色相机采集待测液晶面板的显示图像的彩色照片，从彩色照片中提取该显示图像的RGB数值；
S9：将安装有CIE Y filter的黑白相机对准液晶面板，采集待测的液晶面板的显示图像的黑白照片，从黑白照片中提取该显示图像的L数值，结合RGB数值得到RGBL数值；
S10：根据待测液晶面板的显示图像的L数值确定其所属的亮度阶及该亮度阶对应的转换模型，根据该转换模型对待测液晶面板的RGBL数值进行转换，得到对应的XYZ数值，根据XYZ数值得到待测液晶面板的色度值和亮度值。
本方法中安装有CIE Y filter的黑白相机测量得到的L数值更加接近真实亮度值，把这个更加准确的L数值放入到训练数据中，可以增加训练得到的转换模型的准确性，从而提高色度测量的准确性；因此，在RGB数值中加入L数值后，拟合RGBL与XYZ的颜色空间之间的转换模型，相比RGB到XYZ的颜色空间的转换模型，能够提高测量精度，对亮度的测量误差明显降低，对色度的测量精度也有明显改善。
本发明还提供了一种色度测量的装置，包括彩色相机、安装有CIE Y filter的黑白相机、标准色度计、存储器及SOPC芯片(集成有可编程片上系统SOPC的FPGA芯片)，CIE Yfilter安装在黑白相机的镜头上；其中，存储器中存储有多个计算机程序；SOPC芯片中例化有相机控制单元、图像处理单元、模型建立单元和计算单元，如图5所示，上述计算机程序可以在SOPC芯片中的各个功能单元中运行以使各模块实现相应的功能；
其中，相机控制单元用于控制彩色相机采集若干张待测的液晶面板显示不同颜色、不用亮度的显示图像时的彩色图片；并用于控制安装有CIE Y filter的黑白相机采集若干张所述显示图像的黑白图片；并用于控制标准色度计采集所述显示图像的三刺激值XYZ，得到XYZ数据集；
图像处理单元用于提取彩色图片的中心区域的RGB数值，以及黑白图片中心区域的L数值，将RGB数值和L数值一一对应，得到RGBL数据集；
模型建立单元用于根据预先划分的亮度阶将处于同一个亮度阶的显示图像的RGBL数值与XYZ数值一一对应，并根据对应关系建立训练样本在每个亮度阶内的RGBL数值与XYZ数值的转换模型；
计算单元用于获取图像处理单元提取的待测对象的显示图像的RGBL数值，并根据该显示图像的L数值确定其所属的亮度阶的转换模型，根据该转换模型将RGBL数值转换为XYZ数值，并根据XYZ数值计算得到待测对象的色度。
上述技术方案中，SOPC芯片还可以替换为其他的中央处理器单元(CentralProcessing Unit，CPU)、通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编辑门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)或者其它可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件等。
作为一个优选的实施例，该色度测量的装置还包括载物台8和设置在载物台8上的位置调节机构；
图6是本发明实施例提供的色度测量装置的硬件结构示意图，如图6所示，待测的液晶面板9放置在载物台8上，彩色相机1、安装有CIE Y filter3的黑白相机2和标准色度计4均安装在位置调节机构，通过位置调节机构对相机和色度计的安装位置进行调节，以使彩色相机1、黑白相机2和标准色度计4可分别对应液晶面板9的同一区域。
为了实现位置调节的功能，本发明提供的位置调节机构包括X轴滑动丝杆6、Y轴滑动丝杆7和支撑杆；
Y轴滑动丝杆7设置在载物台8平面上，X轴滑动丝杆6平行于载物台8平面并通过支撑杆与Y轴滑动丝杆7相连，该支撑杆可沿Y轴滑动丝杆7滑动，以带动X轴滑动丝杆6移动；彩色相机1、黑白相机2和标准色度计4均安装在X轴滑动丝杆6上并可沿X轴滑动丝杆6滑动。通过X轴滑动丝杆6、Y轴滑动丝杆7先后调节彩色相机1、黑白相机2和标准色度计4的位置，使他们能够准确对应液晶面板9的同一测试区域，提高测试精度。
为了使该色度测量装置能够适用不同尺寸的显示器，本发明中的支撑杆采用Z轴滑动丝杆5，X轴滑动丝杆6沿Z轴滑动丝杆5上下移动以对彩色相机1、黑白相机2和标准色度计4的高度进行调节，以适应具有不同尺寸的显示器的亮度、色度测量。
实施例一
模拟实验
以图1所示的基准光谱为例，通过改变该基准光谱的相位和幅值模拟出100个不同的模拟光谱数据，如图7所示，用这100个不同的光谱数据代表100块不同的显示器光谱数据，分别采用拟合RGB、RGBL与XYZ的转换关系来测量100个模拟光谱数据的亮度、色度并对比分析两者的测试误差，图8为模拟光谱的色度、亮度测量误差示意图，结果表明，相比传统的RGB拟合法，RGBL拟合法能够显著降低亮度的测量误差，如图8所示，亮度误差的均方差从7.437降到0.589；色度x误差的均方差从0.009降低到0.007。模拟实验的结果表明，在RGB数值中加入L数值后，拟合RGBL与XYZ的转换关系能够有效降低色度和亮度的测量误差。
实施例二
实测实验
采用7片样本进行实验分析，其中3片样本用于相机标定，4片样本用于色度测试。标定样本时，每片样本采集216张不同颜色、不同亮度画面，具体是由[0 64 128 192 224255]六个亮度阶，R、G、B三个不同的颜色组合而成，3片标定样本共计得到216*3＝648个标定点对，每个标定点对包含RGBL与XYZ的数值；本实验采用多项式回归的方法分别拟合RGB→XYZ与RGBL→XYZ之间的转换关系模型。
测试样本与标定样本的采集的画面一致，共计216*4＝864个测试样本。采集到测试样本的画面并分别提取出RGB数值和RGBL数值，通过RGB→XYZ的转换关系模型将RGB数值转换为XYZ数值，计算测试样本的亮度色度值；通过RGBL→XYZ的转换关系模型将RGBL数值转换为XYZ数值，计算测试样本的亮度色度值，并对比两者最终的测量误差。图9为测试样本的色度、亮度测量误差示意图，测试结果表明：相比RGB拟合法，采用RGBL拟合法后测试精度有明显改善，亮度误差的均方差从0.011降到0.005，色度x误差的均方差从0.007降低到0.006，色度y误差的均方差从0.011降低到0.009。
相比于现有的色度测量方法，本发明提供的一种色度测量的方法与装置，采用安装有CIE Y filter的黑白相机采集显示图像的L数值，该L数值更加接近真实亮度值，把这个更加准确的L数值放入到训练数据中，可以增加训练得到的转换模型的准确性，从而提高色度测量的准确性；在RGB数值中加入L数值并建立RGBL与XYZ的颜色空间之间的转换模型，基于该转换模型测量显示器的亮度色度值，相比RGB到XYZ的颜色空间的转换，RGBL拟合法对亮度的测量误差明显降低，对色度的测量精度也有明显改善。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种色度测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：提取训练样本在不同颜色、不同亮度下的显示图像的RGB数值和L数值，得到若干个RGBL数值；
S2：获取所述显示图像的三刺激值XYZ，得到若干个XYZ数值；
S3：根据预先划分的亮度阶将处于同一个亮度阶的显示图像的RGBL数值与XYZ数值一一对应，建立训练样本在每个亮度阶内的RGBL数值与XYZ数值的转换模型；
S4：提取待测对象的显示图像的RGBL数值并根据该显示图像的L数值确定其所属亮度阶对应的转换模型，根据所述转换模型将待测对象的RGBL数值转换为XYZ数值，根据所述XYZ数值计算得到待测对象的色度。
2.如权利要求1所述的色度测量的方法，其特征在于，步骤S1中包括以下子步骤：
S11：使训练样本显示不同颜色、不用亮度的显示图像；
S12：采用彩色相机拍摄所述显示图像的彩色图片，提取所述彩色图片中心区域的RGB数值；
S13：采用安装有CIE Y filter的黑白相机拍摄所述显示图像的黑白图片，提取所述黑白图片中心区域的L数值。
3.如权利要求1或2所述的色度测量的方法，其特征在于，步骤S2中，通过标准色度计采集显示图像的三刺激值XYZ。
4.如权利要求2所述的色度测量的方法，其特征在于，步骤S1之前还包括以下步骤：对彩色相机和黑白相机进行平场矫正和按电流矫正。
5.一种色度测量的装置，其特征在于，包括处理器和存储器，以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序；所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1所述方法的步骤。
6.如权利要求5所述的色度测量的装置，其特征在于，还包括彩色相机、安装有CIE Yfilter的黑白相机和标准色度计；
所述彩色相机用于拍摄所述显示图像的彩色图片，根据所述彩色照片提取RGB数值；所述黑白相机用于拍摄所述显示图像的黑白图片，根据所述黑白照片提取L数值；所述标准色度计用于获取所述显示图像的三刺激值XYZ。
7.如权利要求6所述的色度测量的装置，其特征在于，所述处理器包括相机控制单元、图像处理单元、模型建立单元和计算单元；
所述相机控制单元用于控制彩色相机采集训练样本显示不同颜色、不用亮度的显示图像时的彩色图片；并用于控制安装有CIE Y filter的黑白相机采集所述显示图像的黑白图片；并用于控制标准色度计采集所述显示图像的三刺激值XYZ，得到若干个XYZ数值；
所述图像处理单元用于提取所述彩色图片的中心区域的RGB数值，以及所述黑白图片中心区域的L数值，得到若干个RGBL数值；
所述模型建立单元用于根据预先划分的亮度阶将处于同一个亮度阶的显示图像的RGBL数值与XYZ数值一一对应，并根据对应关系建立训练样本在每个亮度阶内的RGBL数值与XYZ数值的转换模型；
所述计算单元用于获取图像处理单元提取的待测对象的显示图像的RGBL数值并根据该显示图像的L数值确定其所属的亮度阶的转换模型，根据所述转换模型将RGBL数值转换为XYZ数值，并根据所述XYZ数值计算得到待测对象的色度。
8.如权利要求5所述的色度测量的装置，其特征在于，还包括载物台和设置在所述载物台上的位置调节机构；
所述位置调节机构用于承载彩色相机、安装有CIE Y filter的黑白相机和标准色度计并对其位置进行调节，以使彩色相机、黑白相机和标准色度计可分别对应放置在所述载物台上的待测对象的同一区域。
9.如权利要求8所述的色度测量的装置，其特征在于，所述位置调节机构包括X轴滑动丝杆、Y轴滑动丝杆和支撑杆；
所述Y轴滑动丝杆设置在载物台平面上，所述X轴滑动丝杆通过支撑杆与Y轴滑动丝杆相连并可沿Y轴滑动丝杆移动，彩色相机、黑白相机和标准色度计均安装在X轴滑动丝杆上并可沿X轴滑动丝杆滑动。
10.如权利要求9所述的色度测量的装置，其特征在于，所述支撑杆为Z轴滑动丝杆，X轴滑动丝杆沿所述Z轴滑动丝杆移动以对彩色相机、黑白相机和标准色度计的高度进行调节。
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