CN1288895C - 色彩转换装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种色彩转换装置和方法。所述色彩转换装置对输入色彩信号进行转换以匹配输入色彩信号的色彩范围和使用至少4个或更多原色的目标多原色显示器(MPD)的色彩范围。所述色彩转换装置包括：WYV色彩信号转换单元，用于把输入色彩信号转换成WYV色彩信号用于输出；色彩范围匹配增益计算单元，用于计算匹配增益，所述匹配增益是用于匹配输入色彩信号的色彩范围和目标MPD的色彩范围的转换常数；色彩范围匹配单元，用于根据所述增益校正所述WYV色彩信号；XYZ色彩信号转换单元，用于把所校正的WYV色彩信号转换成XYZ色彩信号用于输出；和MPD控制矢量计算单元，用于计算控制矢量，所述控制矢量是相应于所述XYZ色彩信号的目标MPD的驱动信号。

Description

色彩转换装置和方法

技术领域

本发明涉及一种色彩转换装置和方法，尤其涉及一种用于对输入的标准色彩信号进行转换以便输入的标准色彩信号的色彩范围可以匹配再现标准色彩信号的MPD(Multi-Primary Display，多原色显示器)的色彩范围(colorgamut)。

背景技术

通常，诸如监视器、扫描仪、打印机等色彩再现设备(color-reproducingdevice)根据它们用于何处以及用于作什么来使用不同的色彩空间(color space)或色彩模型(color model)。例如，CMY色彩空间用于彩色图像打印设备，RGB色彩空间用于彩色CRT监视器或计算机图形设备，而HIS色彩空间用于处理色调(hue)、色饱和度(saturation)和亮度(intensity)的设备。而且，CIE色彩空间常被用于定义所谓的在任何设备中都可准确再现的、设备无关(device-independent)的色彩，用于这样的色彩空间有CIE-XYZ、CIE L^*a^*b和CIE L^*u^*V等。

除了这些不同的色彩空间，色彩再现设备可以具有不同的色彩范围。色彩空间表示色彩定义方法，即表示在某种色彩和其它色彩之间的关系的方法，而色彩范围表示色彩再现范围。因此，如果一个输入的色彩信号具有和再现输入色彩信号的设备的色彩范围不同的色彩范围，则需要适当地转换输入的色彩信号来匹配相互间的色彩范围以实现更佳的色彩再现。

当前，这种色彩再现设备通常使用三原色(three primary color)，但是，近来，已在尝试通过使用4个或更多的原色来扩展色彩范围。典型地，作为这种尝试的结果出现了MPD。所述MPD是一种在其中使用4个或更多的原色来再现更宽的色彩范围以便扩展比使用三原色的现有三信道显示系统更大的色彩范围的显示系统。

图1是用于说明这种MPD的色彩范围的图。在图1中，用附图标记1标记的区域表示人可以看到的色彩范围，用附图标记2标记的区域表示MPD的色彩范围，而用附图标记3标记的区域表示使用现有三原色的显示系统的色彩范围。

如图1所示，可以看出，与传统显示系统相比，MPD的色彩范围被扩展了。因此，使用标准色彩信号的传统系统的色彩范围不能匹配MPD的色彩范围，并且因此如果标准的色彩信号在MPD中不经过转换而被再现，则不能使用所有MPD可以再现的色彩范围。因此，为了使用MPD的更宽的色彩范围，需要一种用于对输入的标准色彩信号进行转换以匹配输入的标准色彩信号的色彩范围和MPD的色彩范围的色彩转换装置和方法。

发明内容

因此，本发明提供了一种用于对输入标准色彩信号进行转换以匹配输入的标准色彩信号和在其上显示色彩信号的MPD的色彩范围的色彩转换装置和方法，从而可以使用所有在MPD上可显示的色彩范围。

本发明可以通过提供一种使用至少4个或更多原色对输入色彩信号进行转换以匹配所述输入的色彩信号的色彩范围和目标多原色显示器(MPD)的色彩范围的色彩转换装置来实现，所述色彩转换装置包括：WYV色彩信号转换单元，用于把输入色彩信号转换成WYV色彩信号用于输出；色彩范围匹配增益计算单元，用于计算匹配增益，所述匹配增益是用于匹配输入色彩信号的色彩范围和目标MPD的色彩范围的转换常数；色彩范围匹配单元，用于根据所述匹配增益转换所述WYV色彩信号；XYZ色彩信号转换单元，用于把所转换的WYV色彩信号转换成XYZ色彩信号用于输出；以及MPD控制矢量计算单元，用于计算控制矢量，所述控制矢量是对应于所述XYZ色彩信号的目标MPD的驱动信号。

最好，所述色彩转换装置还包括线性校正单元，用于把非线性标准RGB色彩信号线性校正成标准RGB色彩信号以及提供所校正的RGB色彩信号作为输入色彩信号。

所述色彩范围匹配增益计算单元在保持色调和亮度恒定的同时，可以确定和输入色彩信号和目标MPD的色彩范围有关的最大色度值(chroma value)的范围，并且根据所确定的最大色度值的比率来计算所述匹配增益。而且，所述色彩范围匹配增益计算单元在满足维持色调和亮度恒定的条件下，可以从表示色彩范围的曲面方程式和线性方程式的交点计算所述最大色度值。

而且，最好是，所述色彩范围匹配增益计算单元包括：2D-LUT存储器，用于对相应于所述匹配增益的数据制表和存储所述数据；地址转换单元，用于把所述WYV色彩信号转换成二维查询表(2D-LUT)地址以访问2D-LUT存储器；以及插入单元，用于输出通过插入从所述2D-LUT存储器输出的数据计算的匹配增益。

同时，提供一种根据本发明的色彩转换方法，用于对输入色彩信号进行转换以匹配所述输入信号的色彩范围和使用至少4个或更多原色匹配的目标MPD的色彩范围，该方法包括下列步骤：把输入色彩信号转换成WYV色彩信号用于输出；计算匹配增益，所述匹配增益是用于匹配所述输入信号的色彩范围和目标MPD的色彩范围的转换值；根据所述匹配增益转换所述WYV色彩信号；把所转换的WYV色彩信号转换成XYZ色彩信号用于输出；并且计算控制矢量，所述控制矢量是对应于所述XYZ色彩信号的目标MPD的驱动信号。最好是，所述色彩转换方法还包括用于把非线性标准RGB色彩信号线性校正成标准色彩信号并提供所校正的RGB色彩信号作为输入色彩信号的步骤。

所述匹配增益计算步骤在维持色调和亮度恒定的同时，可以确定与输入色彩信号和目标MPD的色彩范围相关的最大色度值的范围，并且根据所确定的最大色度值的比率计算所述匹配增益。而且，所述匹配增益计算步骤在满足维持色调和亮度恒定的条件下，可以从表示色彩范围的曲面方程式和线性方程式的交点来计算所述最大色度值。

而且，最好是，所述匹配增益计算步骤包括下列步骤：对相应于所述匹配增益的数据制表和存储所述数据；把所述WYV色彩信号转换成2D-LUT地址来访问所存储的数据；以及输出对应于所述2D-LUT地址的数据，插入所输出的数据，并输出所述匹配增益。

附图说明

通过参照附图对说明性的非限制性实施例的详细说明，本发明的上述方面和其它特征将会变得更明显，其中：

图1是说明MPD的色彩范围的视图；

图2是用于示出根据本发明的一个实施例的色彩转换装置的方框图；

图3是用于解释图2的色彩转换装置的操作的流程图；

图4是用于解释CIE-XYZ色彩空间的图；

图5是用于解释YWV色彩空间的图；

图6A到图6C是用于解释匹配增益的图；和

图7和图8是用于解释匹配增益计算处理的图。

具体实施方式

在下文中，将结合附图详细说明本发明。

图2是根据本发明的一个实施例的色彩转换装置的方框图。参照图2，所述色彩转换装置具有线性校正单元100、WYV色彩信号转换单元110、地址转换单元120、2D-LUT存储器130、插入单元140、色彩范围匹配单元150、XYZ色彩信号转换单元160以及MPD控制矢量计算单元170。

线性校正单元100线性校正输入的标准非线性RGB色彩信号并将其转换成为线性RGB色彩信号。所述标准非线性RGB色彩信号是指根据相应标准规范的不同色彩信号，包括国际电工技术委员会(IEC)的标准化sRGB、遵循HIDTV标准ITU-R.BT.709的非线性RGB色彩信号等。WYV色彩信号转换单元110把从线性校正单元100输出的线性RGB色彩信号坐标转换(coordinatetransform)到WYV色彩空间，并且把所述线性RGB色彩信号转换成为WYV色彩信号用于输出。

地址转换单元120把从WYV色彩信号转换单元110输出的信号转换成2D-LUT地址信号，以便可以查询2D-LUT存储器130，并且对应于一个匹配增益的2D-LUT数据被制表和存储在2D-LUT存储器130中。插入单元140插入由2D-LUT存储器130输出的数据并随后计算最终匹配增益。地址转换单元120、2D-LUT存储器130和插入单元140构成用于计算匹配增益的色彩范围的匹配增益计算单元。

色彩范围匹配单元150使用从插入单元140输出的匹配增益，并且对从色彩范围匹配单元150输入的色彩信号进行转换以匹配一个MPD的色彩范围用于输出。

XYZ色彩信号转换单元160把从色彩范围匹配单元150转换和输出的色彩信号坐标转换到CIE-XYZ色彩空间，并随后把所述色彩信号转换成XYZ色彩信号。而且，MPD控制矢量计算单元170计算对应于所转换的XYZ色彩信号的控制矢量，并且从MPD控制矢量输出的控制矢量成为用于驱动MPD的信号。

图3是用于解释根据本发明的一个实施例的色彩转换装置的操作的流程图。下面参照图2和图3描述色彩转换装置的操作。首先，线性校正单元100把输入的标准非线性RGB色彩信号RGB_NL线性校正成一个线性RGB色彩信号RGB_L(S200)。从线性校正单元100校正和输出的线性RGB色彩信号RGB_L被传送给WYV色彩信号转换单元110并被转换成WYV色彩信号WYV(S205)。这种把线性RGB色彩信号转换成在WYV色彩空间的WYV色彩信号的转换是出于简化在色彩范围匹配处理中的运算的目的。

同时，可以使用下面的方程式1把RGB色彩信号转换成WYV色彩信号：

[方程式1]

$\left(\begin{array}{c}W\\ Y\\ V\end{array}\right)=T\left(\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right)$

此时，所述WYV色彩空间是通过线性转换从标准三色坐标的CIE-XYZ色空间获得的色彩空间。所述线性转换由下面的方程式2所表示：

[方程式2]

$\left(\begin{array}{c}W\\ Y\\ V\end{array}\right)=N\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)$

而且，通过下面的方程式3可以把线性RGB色彩信号转换成XYZ色彩信号。

[方程式3]

$\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)=P\left(\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right)$

因此，当应用方程式2和方程式3时，在方程式1中定义的矩阵T可以如下面方程式4那样，表达为矩阵N和矩阵P相乘。

[方程式4]

T＝NP

借助这种关系，当第一次计算矩阵N和矩阵P时，通过把这两个矩阵相乘可以获得矩阵T。把获得的矩阵T应用到方程式1，一个RGB色彩信号可以被转换成一个WYV色彩信号。例如，在sRGB或ITU-R.BT.709标准的情况下，在方程式3中的矩阵P具有下面的值：

[方程式5]

$p=\left(\begin{array}{ccc}0.412391& 0.357584& 0.180481\\ 0.212639& 0.715169& 0.072192\\ 0.019331& 0.119195& 0.950532\end{array}\right)$

可以通过下面的处理得到方程式2中的矩阵N。也就是说，如图4和图5所示，在CIE-XYZ色彩空间的消色差轴(achromatic axis)由作为连接黑色和白色两点的对角线的灰轴(gray axis)所表示。相对于对角线的法线矢量(normalvector)的径向上的幅度表示色度C，而其方向表示色调H。因此，假设在CIE-XYZ色彩空间中执行色彩范围匹配时，以XYZ正交坐标系统的函数表示消色差轴以致于其表示变得更加复杂。因此，为了减少在计算处理中的复杂性，消色差轴基于如图5所示的亮度Y的值被线性转换到WYV色彩空间。此时，用于线性转换的矩阵N可以在下面的方程式6中定义。

[方程式6]

$N=\left(\begin{array}{ccc}c1& c2& c3\\ 0& 1& 0\\ c4& c5& c6\end{array}\right)$

在此，基于在轴W和V的方向的最小-最大值条件(minimum-maximumvalue condition)设置各个转换常数C1到C6。

在WYV色彩信号转换单元110中被转换成用于输出的WYV色彩信号的色彩信号被传送给地址转换单元120，并且如下面的方程式7所示，被转换成访问(referring to)二维查询表(2D-LUT)存储器130的2D-LUT地址信号：

[方程式7]

Y_LUT＝Quant[Y]

H_LUT＝Quant[H]

$H=\mathrm{Arc}\tan \left(\frac{V}{W}\right)$

在方程式7中，Quant[]操作表示把输入信号的量化分辨率(quantizationresolution)格式化成在2D-LUT地址空间的量化级(quantization step)。使用由地址转换单元120(S215)输出的2D地址查询(refer to)2D-LUT存储器130。对应于相应色彩信号的匹配增益的2D-LUT数据被制表并被存储在2D-LUT存储器130中，并且输出对应于所查询的2D-LUT地址的2D-LUT数据。

为了有效利用，2D-LUT存储器130使用比输入地址的量化深度(quantization depth)小的2D-LUT地址空间。这样，假如一个输入地址信号对应于在2D-LUT地址空间中定义的量化深度的中间级(intermediate level)，则需要从有限的2D-LUT数据来插入。插入单元140执行这样的插入，应用不同的插入方法，如双线性插入法(bilinear interpolation method)、2D样条插入法(2D Spline interpolation method)等，以计算最终匹配增益(S220)，所述方法通过使用在由2D-LUT存储器130输出的2D-LUT数据附近的值来执行插入。从插入单元140输出的匹配增益被传送到色彩范围匹配单元150。

对于存储在2D-LUT存储器130中的2D-LUT数据，根据在WYV色彩空间获得的值来计算如图6A所示的输入色彩信号的色彩范围边界(colorgamunt boundary)以及如图6B所示的目标MPD的色彩范围边界，并且图6C示出了这样的2D-LUT数据，即匹配增益k。图6A示出了当输入信号遵循ITU-R.BT.709标准，即在WYV信号范围的最大色度时的输入信号的色彩范围。而且，图6A和图6C分别示出被量化成32级的、范围在从0到1之间的亮度Y，以及被量化成64级的、范围在0°到359°的色调H。

用于匹配增益计算的是对应于色彩信号的亮度和色调的输入色彩信号的色彩范围中的最大色度值和在MPD的色彩范围中的最大色度值，并且所述最大色度值可以通过不同的方法计算。例如，在如图7所示的使用4个原色的4信道MPD中，在亮度Y＝Y₀且H＝H₀处的最大色度C_max(Y₀，H₀)在线性方程式(Y＝Y₀，H＝H₀)和MPD色彩范围的曲面方程式S的交点处获得。通常，如果在一个曲面上存在的三点P1(W1，Y1，V1)、P2(W2，Y2，V2)和P3(W3，Y3，V3)已知，则使用下面的方程式8或方程式9中表达的行列式可以计算曲面方程式：

[方程式8]

$\left|\begin{array}{ccc}W-W1& Y-Y1& V-V1\\ W2-W1& Y2-Y1& V2-V1\\ W3-W1& Y3-Y1& V3-V1\end{array}\right|=0$

或行列式可以用下面的矢量格式表示

[方程式9]

(F-P1)(P2-P1)(P3-P1)＝0其中F＝(W，Y，V)

在此，各个点P1、P2和P3是在色彩范围边界的顶点，并且由于它们是从各个控制矢量C＝(C1，C2，…，Cn)的有限范围中的信道信号的最大值和最小值的组合中获得，所以可以预先计算相应曲面的顶点，所述控制矢量在如下的MPD前向模型(MPD Forward Model)中给出：

[方程式10]

$\left(\begin{array}{c}W\\ Y\\ V\end{array}\right)=N\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)$

$=N\·\left(\begin{array}{ccccc}{a}_1& a_2& \·\·\·& a_{n-1}& a_n\\ b_1& b_2& \·\·\·& b_{n-1}& b_n\\ c_1& c_2& \·\·\·& c_{n-1}& c_n\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}{c}_1\\ c_2\\ \·\·\·\\ c_{n-1}\\ c_n\end{array}\right)$

这里，n表示原色的数量，即信道的个数。

如果关于如上所述获得的MPD的最大色度值C_max1(Y，H)和输入的标准色彩信号的最大色度值C_max2(Y，H)的比率被计算并被制表，则根据下面的方程式11，可以获得匹配增益的表：

[方程式11]

$k=(Y,H)=\frac{C_{\max 1}(Y,H)}{C_{\max 2}(Y,H)}$

所计算的匹配增益被应用于色彩信号WYV，所述色彩信号WYV被输出到色彩范围匹配单元150，并被转换以匹配目标MPD的色彩范围(S225)，这可以由如下的方程式12表达：

[方程式12]

(W^*，V^*)＝k(Y，H)E(W，V)

参照图8对于方程式12的意义进行下列说明。即图8是用于示出在WYV色彩空间中的输入标准色彩信号的色彩范围和目标MPD的色彩范围的图，其中，实线中的区域A表示标准色彩信号的色彩范围，而虚线中的区域B表示目标MPD的色彩范围。如图8所示，由于输入的标准色彩信号的色彩范围和目标MPD的色彩范围彼此不匹配，所以需要对输入的色彩信号进行转换来匹配彼此的色彩范围。即需要在保持亮度Y和色调H恒定的同时对色度C拉伸(如C3-＞C4的情况)或压缩(如C1-＞C2的情况)的色彩转换。用于这样的压缩或拉伸的值成为匹配增益。

在XYZ色彩信号转换单元160中，被转换成匹配色彩范围的信号W^*Y^*V被转换成XYZ色彩空间的信号，该信号是三色标准色彩信号(S230)。在XYZ色彩信号转换单元160中被转换的XYZ色彩信号被传送给MPD控制矢量计算单元170，并且随后计算为MPD驱动信号的控制矢量。

通过上述的处理，输入的色彩信号可以被转换以匹配输入的色彩信号的色彩范围和再现色彩信号的MPD的色彩范围，通过该处理，可以使用所有的MPD可以再现的色彩范围。

如上所述，本发明可以对输入的色彩信号进行转换以匹配输入的标准色彩信号的色彩范围和使用至少4个或更多原色的MPD的色彩范围。因此，可以使用所有的MPD可再现的色彩范围，这使得能够获得具有极佳色彩再现性的图像。

虽然说明了本发明的示例实施例，但是本领域的技术人员应当理解，本发明不应当局限于所说明的示例实施例，在不脱离由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提下可以进行各种变化和改动。

Claims (8)

1.一种色彩转换装置，用于对输入色彩信号进行转换以匹配所述输入色彩信号的色彩范围和使用至少4个原色的目标多原色显示器MPD的色彩范围，所述装置包括：

WYV色彩信号转换单元，用于把所述输入色彩信号转换成WYV色彩信号用于第一输出；

色彩范围匹配增益计算单元，用于计算匹配增益，所述匹配增益是用于匹配所述输入色彩信号的色彩范围和所述目标MPD的色彩范围的转换值；

色彩范围匹配单元，用于根据所述匹配增益转换所述WYV色彩信号；

XYZ色彩信号转换单元，用于把所转换的WYV色彩信号转换成XYZ色彩信号用于第二输出；和

MPD控制矢量计算单元，用于计算控制矢量，所述控制矢量是对应于XYZ色彩信号的目标MPD的驱动信号，

其中，所述色彩范围匹配增益计算单元在维持色调和亮度恒定的同时，确定关于所述输入色彩信号和所述目标MPD的色彩范围的最大色度值的范围，并且根据所确定的最大色度值的比率来计算所述匹配增益。

2.如权利要求1所述的色彩转换装置，还包括线性校正单元，用于把非线性标准RGB色彩信号线性校正成标准RGB色彩信号并提供所校正的RGB色彩信号作为输入色彩信号。

3.如权利要求1所述的色彩转换装置，其中，所述色彩范围匹配增益计算单元从表示所述目标MPD的色彩范围的曲面方程式和满足维持色调和亮度恒定的条件的线性方程式的交点计算所述目标MPD的最大色度值。

4.如权利要求1所述的色彩转换装置，其中，所述色彩范围匹配增益计算单元包括：

二维查询表2D-LUT存储器，用于对相应于所述匹配增益的数据制表并存储所述数据；

地址转换单元，用于把所述WYV色彩信号转换成2D-LUT地址以访问所述2D-LUT存储器；和

插入单元，用于输出通过插入从所述2D-LUT存储器输出的数据附近的值而计算的匹配增益。

5.一种色彩转换方法，用于对输入色彩信号进行转换以匹配所述输入色彩信号的色彩范围和使用至少4个原色的目标多原色显示器MPD的色彩范围，所述方法包括：

把输入色彩信号转换成WYV色彩信号用于第一输出；

计算匹配增益，所述匹配增益是用于匹配所述输入色彩信号的色彩范围和所述目标MPD的色彩范围的转换值；

根据所述匹配增益转换所述WYV色彩信号；

把所转换的WYV色彩信号转换成XYZ色彩信号用于第二输出；和

计算控制矢量，所述控制矢量是对应于所述XYZ色彩信号的目标MPD的驱动信号，

其中，所述匹配增益计算步骤在维持色调和亮度恒定的同时，确定关于所述输入色彩信号和目标MPD的色彩范围的最大色度值的范围，并且根据所确定的最大色度值的比率来计算所述匹配增益。

6.如权利要求5所述的色彩转换方法，还包括把非线性标准RGB色彩信号线性校正成标准RGB色彩信号并提供所校正的RGB色彩信号作为输入色彩信号。

7.如权利要求5所述的色彩转换方法，其中，所述匹配增益计算步骤从表示所述目标MPD的色彩范围的曲面方程式和满足维持色调和亮度恒定的条件的线性方程式的交点计算所述目标MPD的最大色度值。

8.如权利要求5所述的色彩转换方法，其中，所述匹配增益计算步骤包括：

对相应于所述匹配增益的数据制表并存储所述数据；

把所述WYV色彩信号转换成二维查询表2D-LUT地址以访问所存储的数据；和

输出相应于所述2D-LUT地址的数据、插入所输出数据附近的值，并输出所述匹配增益。

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