CN116320347A - 一种多基色系统色域极限理论计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多基色系统色域极限理论计算方法，包括步骤一：确定显示器基色数与白点色温；步骤二：根据基色光源的光谱，得到色坐标；步骤三：在CIEXYZ空间中，将显示色域白点设置为与目标色域的白点一致，计算得到多基色系统的解空间，获取每个基色亮度，根据每个基色色坐标求出所有基色的三刺激值；步骤四：选取进行色域评估的均匀色空间，将计算该基色系统的基色矢量，在CIEXYZ空间中张成的平行多面体，将其变换到所选均匀色空间中，解空间中每个点对应一个色域立体，取所有色域立体对应的叠加边界，得到多基色显示系统色域的极限边界；步骤五：对比不同基色的解空间，获得最优基色组合，实现多基色系统色域极限理论计算。

Description

一种多基色系统色域极限理论计算方法

技术领域

本发明涉及多基色显示技术领域，具体涉及一种多基色系统色域极限理论计算方法。

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。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％。而且目前的绝大部分显示器还不能达到Rec.2020。现在的大色域显示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，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。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。

对于三基色显示方案，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，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，此时均匀色空间中的最大色域还不能够确定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多基色系统色域极限理论计算方法，基于均匀色空间中色域体积大小的色域评价方法，作为基色颜色与亮度的优化标准，并使用优化算法，从而实现多基色显示系统的色域计算方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种多基色系统色域极限理论计算方法，包括以下步骤:

步骤一：确定显示器的基色数与白点色温；

步骤二：根据基色光源的光谱，得到色坐标；

步骤三：在CIEXYZ空间中，将显示色域的白点设置为与目标色域的白点一致，通过计算得到多基色系统的解空间，进而获取每个基色的亮度，根据每个基色的色坐标求出所有基色的三刺激值；

步骤四：选取进行色域评估的均匀色空间，将计算该基色系统的基色矢量，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，解空间中每个点对应一个色域立体，取所有色域立体对应的叠加边界，即得到多基色显示系统色域的极限边界；

步骤五：对比不同基色的解空间，即可获得最优的基色组合。

作为本发明进一步的方案：步骤一中，将显示器的基色数标记为N，白点色标由白点色坐标(x_white,y_white)和白点亮度Y_white表示。

作为本发明进一步的方案：步骤三中，基色的三刺激值的获取步骤如下：

根据基色光源的光谱，将色坐标标记为(x_i,y_i)；

任意选取三个基色，得到如下边界条件限制：

和

计算得到

将第j+3(j>1)个基色用前三个基色进行表示，有：

和

设第j+3个基色的亮度比例为，则此时多基色系统满足

即

对于多基色显示系统，每个基色的亮度都应该大于0，因此有：

不等式组即为多基色系统的解空间，维度为N-3；

解空间中的点(k₁,k₂,…,k_j,…)对应的多基色系统的基色亮度解为

获得了每个基色的亮度Y后，根据每个基色的色坐标(x_i,y_i)求出所有基色的三刺激值。

作为本发明进一步的方案：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：

其中，X_i，Y_i，Z_i为CIE标准色度观察者三刺激值曲线。

作为本发明进一步的方案：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：

其中X_i，X_i，Y_i，Z_i为CIE标准色度观察者三刺激值曲线。

本发明的有益效果：本发明多基色系统色域极限理论计算方法，使多基色显示系统的色域评估更加准确，采用这种方法得到的显示系统能够再现出更多的可分辨色彩数，能够更加准确地再现目标色域的颜色；

相对于一般的显示系统色域设计，本申请更符合色度学原理和多基色显示系统的结构，结果准确，能够处理超大色域、多基色的情况，为显示系统色度设计领域提供了良好的方法；

本发明利用解空间每一组参数组合计算出色域体积后，将所有色域体积叠加，取叠加后的体积作为极限色域，对应于采用的这套基色组合所能实现的所有可能，这个色域体积大于现有色域计算的方案，这个叠加的理论是之前没有的，而且相当于如果确定了基色的色坐标，其色域极限是唯一固定的，达到优化色坐标，不同的基色色坐标组合对应不同的色域极限。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明色域极限体积的示意图；

图2是本发明六基色解空间的示意图；

图3是本发明极限色域边界示意的示意图；

图4是本发明三基色的对应解在CIEXYZ空间中的示意图；

图5是本发明四基色的基色解在CIEXYZ空间中的示意图；

图6是本发明经过坐标变换之后在新空间中的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明为一种多基色系统色域极限理论计算方法，所述计算方法用于选取N基色显示系统的最优基色，其中N为大于等于4的整数，所述基色优化方法包括：

S1：确定显示器的基色数N，白点色坐标(x_white,y_white)，白点亮度(x_white,y_white)；

S2：选取各基色光源，根据各基色光源的光谱，并计算出其色坐标(x_i,y_i)；

S3：在CIEXYZ空间中，将显示色域的白点设置为目标色域的白点一致，再任意选取三个基色，得到如下边界条件限制：

和

计算得到

S4：将第j+3(j>1)个基色用前三个基色进行表示，有：

和

S5：设第j+3个基色的亮度比例为，则此时多基色系统满足

即

对于多基色显示系统，每个基色的亮度都应该大于0，因此有：

不等式组即为多基色系统的解空间，维度为N-3；

S6：解空间中的点(k₁,k₂,…,k_j,…)对应的多基色系统的基色亮度解为

遍历解空间中所有点，获得每个(k₁,k₂,…,k_j,…)对应的基色组的亮度Y后，根据每个基色的色坐标(x_i,y_i)求出所有基色的三刺激值；

S7：选取进行色域评估的均匀色空间(UCS)，将计算所有的基色组合的基色矢量(X_i,Y_i,Z_i)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，由于解空间中每个点对应一个色域立体，此时取所有色域立体对应的叠加边界，即得到多基色显示系统色域的极限边界；

S8：对比不同基色的解空间，即可获得最优的基色组合。

本发明的工作原理：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：

其中X_i，Y_i，Z_i为CIE标准色度观察者三刺激值曲线；

对于N基色显示器，显示色域在CIEXYZ空间中由N个矢量(X_i,Y_i,Z_i)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)，每个基色的归一化亮度比例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比例均为1时所表示的颜色即为显示器的白点。

在一个具体实施例中：采用模拟的四基色和六基色显示系统进行演示

色坐标(x，y)

R1

R2

G1

G2

B1

B2

3基色

-

(0.7080，0.2920)

(0.1700，0.7970)

-

(0.1310，0.0460)

-

4基色

-

(0.7080，0.2920)

(0.1700，0.7970)

(0.0743，0.8336)

(0.1310，0.0460)

-

6基色

(0.7300，0.2700)

(0.7080，0.2920)

(0.1700，0.7970)

(0.0743，0.8336)

(0.1310，0.0460)

(0.1611，0.0138)

对于四基色系统：

选用的四基色色坐标为R1(0.708，0.292)，G1(0.17，0.797)，G2(0.0743，0.8336)，B1(0.141，0.046)，选用的白点坐标为(0.3127，0.3290)；

采用前三基色来表示第四个基色，G2(0.0743，0.8336)作为第四基色，并用另三个基色R2，G1，B1表示；

用其他三个基色R2、G1、B1按照比例混合得到白色，假定白色的亮度为100，根据颜色混合的色坐标关系：

X_mix＝X_red+X_green+X_blue (1)

Y_mix＝Y_red+Y_green+Y_blue (2)

Z_mix＝Z_red+Z_green+Z_blue (3)

可以得到

设定第四个基色亮度YG2为100，利用前三个基色表示，有：

Y_G2＝Y′_R2+Y′_G1+Y′_B1＝100 (8)

综合上述公式，得到结果：

用k₁作为系数调节第四基色的比例，则一个四基色显示系统需要满足如下条件：

上述两式的物理意义是，为了增加第四个基色的亮度，按照比例降低前三个基色的亮度；为了实现四基色系统，则四个基色的亮度都需要大于0，有：代入数值，得到一维的解空间：

0<k₁<0.6415 (12)四基色的亮度为：

其中，任意一个k₁的值都对应一组四基色显示，遍历解空间，得到色域极限体积如图1所示。

对于六基色，再增加R1和B2，再假定第五和第六个基色亮度Y_R1和Y_B2都为100，用前三基色R2，G1，B1来混合出这两个基色，得到：

对这两个基色，再添加两个参数k₂和k₃，参考四基色上述过程，有

令等式左侧每项均大于0，即六基色系统每个基色亮度均大于0，得到三维解空间：

每个基色的亮度为：

如图2所示为解空间，遍历解空间后，计算所有色域立体的叠加边界，如图3为最终极限色域边界。

具体的：

参阅图4，三基色的对应解在CIEXYZ空间中的情形，从黑箭头端点出发的三个颜色代表三基色，长度代表亮度，向量相加，叠加出一个平行六面体，代表所能实现的色域；

参阅图5，四基色的基色解在CIEXYZ空间中的情形，四个颜色代表四基色，长度代表基色亮度，向量相加，叠加出一个平行12面体，代表所能实现的色域；

参阅图6，其中一组经过坐标变换之后在新空间中的形状，每组都有这么一个形状，取并集得到极限色域。

需要说明的是：解空间中的每个点都对应一组基色组合，一组基色组合可以在CIEXYZ空间中构成一个平行多面体(类比就像直角坐标系中，三个坐标轴的单位向量可以张成一个立方体，一个基色就是一个向量基，多个向量可以构成一个更复杂的平行多面体立体形状)；而多个基色组合就会对应多个平行多面体，多个平行多面体之间各自存在重叠部分，也存在不重叠部分。

CI EXYZ颜色空间并不是一个均匀的颜色空间，性质不够好，需要进行坐标变换转化到另一个均匀颜色空间进行处理，将之前计算出的多面体都转换到均匀颜色空间之后，再把所有的多面体体积取并集。

综上，不同基色组合，比如A组六种基色，B组另外六种，就会计算出不同的叠加体积并集，比较这个体积，根据需求，就能够获取两组基色组合的需求匹配程度和优劣。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (5)

1.一种多基色系统色域极限理论计算方法，其特征在于，包括以下步骤:

步骤一：确定显示器的基色数与白点色温；

步骤二：根据基色光源的光谱，得到色坐标；

步骤三：在CIEXYZ空间中，将显示色域的白点设置为与目标色域的白点一致，通过计算得到多基色系统的解空间，进而获取每个基色的亮度，根据每个基色的色坐标求出所有基色的三刺激值；

步骤四：选取进行色域评估的均匀色空间，将计算该基色系统的基色矢量，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，解空间中每个点对应一个色域立体，取所有色域立体对应的叠加边界，即得到多基色显示系统色域的极限边界；

步骤五：对比不同基色的解空间，即可获得最优的基色组合。

2.根据权利要求1所述的一种多基色系统色域极限理论计算方法,其特征在于，步骤一中，将显示器的基色数标记为N，白点色标由白点色坐标(x_white,y_white)和白点亮度Y_white表示。

3.根据权利要求1所述的一种多基色系统色域极限理论计算方法,其特征在于，步骤三中，基色的三刺激值的获取步骤如下：

根据基色光源的光谱，将色坐标标记为(x_i,y_i)；

任意选取三个基色，得到如下边界条件限制：

和

计算得到

将第j+3(j>1)个基色用前三个基色进行表示，有：

和

设第j+3个基色的亮度比例为，则此时多基色系统满足

Y₁ ⁽⁰⁾+Y₂ ⁽⁰⁾+Y₃ ⁽⁰⁾+∑_jk_j[Y′_(j+3)-(Y₁ ^(j)+Y₂ ^(j)+Y₃ ^(j))]＝Y_white

即

(Y₁ ⁽⁰⁾-∑_jk_jY₁ ^(j))+(Y₂ ⁽⁰⁾-∑_jk_jY₂ ^(j))+(Y₃ ⁰-∑_jk_jY₃ ^(j))+k_jY′_(j+3)＝Y_white

对于多基色显示系统，每个基色的亮度都应该大于0，因此有：

不等式组即为多基色系统的解空间，维度为N-3；

解空间中的点(k₁,k₂,…,k_j,…)对应的多基色系统的基色亮度解为

获得了每个基色的亮度Y后，根据每个基色的色坐标(x_i,y_i)求出所有基色的三刺激值。

4.根据权利要求3所述的一种多基色系统色域极限理论计算方法,其特征在于，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：

其中，X_i，Y_i，Z_i为CIE标准色度观察者三刺激值曲线。

5.根据权利要求3所述的一种多基色系统色域极限理论计算方法,其特征在于，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：

其中X_i，X_i，Y_i，Z_i为CIE标准色度观察者三刺激值曲线。

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