CN1897713A - 激光显示中颜色变换与色域扩展方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光视频显示领域，涉及一种激光显示中颜色变换与色域扩展方法及装置，根据色度学颜色变换原理建立激光视频调制信号与荧光粉视频调制信号的转换关系，将荧光粉视频调制信号转换为激光视频调制信号，实现了用激光三原色去复现荧光粉三原色的色域，达到了颜色正确还原的目的；并且按照“色调不变”的判断准则对荧光粉色域边界上的颜色进行外沿至激光色域边界，将荧光粉三原色的小色域扩展为激光三原色大色域，充分展现了荧光粉色域以外的激光色域中更纯的饱和色。

Description

激光显示中颜色变换与色域扩展方法及装置

技术领域

本发明属于激光视频显示领域，涉及一种用激光三原色正确复现荧光粉三原色所合成的彩色视频图像，并且进一步将荧光粉三原色的小色域扩展为激光三原色大色域的方法。

背景技术

彩色电视中彩色图像的色彩还原基于红、绿、蓝三色合成原理。国际广播电视标准委员会依据不同的荧光粉三原色及不同的调制方式制定了PAL制、NTSC制和SECAM制等多种不同彩色编码及调制方式，形成国际通用的彩色广播电视标准。目前的各种视频显示信源、视频输入/输出设备都是以此标准设计制造的，从而使彩色视频显示标准化、规范化。

在全固态三原色激光器迅速发展和实用化的今天，利用红、绿、蓝三个单色激光作为三原色实现激光彩色视频显示已经成为目前彩色视频显示领域中非常热门的研究方向。由于激光三原色和传统的荧光粉三原色色域不同，因此直接利用现有的视频信号调制激光三原色势必导致颜色复现的偏差；另外，激光三原色的色域范围通常比荧光粉三原色的色域范围大很多(如选用三原色激光的波长为：R～671nm，G～532nm，B～457nm)。仅用激光三原色去复现荧光粉三原色的色域，虽然能达到颜色正确还原的目的，但激光三原色的高饱和度、大色域的特点并没有展现出来。

发明内容

本发明目的是提供一种激光显示中颜色变换与色域扩展方法及装置，根据色度学颜色变换原理将荧光粉视频调制信号转换为激光视频调制信号，实现用激光三原色去复现荧光粉三原色的色域；按照“色调不变”的准则对荧光粉色域边界上的颜色色域进行外沿，外沿至激光边界，将荧光粉三原色的小色域扩展为激光三原色大色域，达到了颜色正确还原的目的并展现了荧光粉色域以外的激光色域中饱和度更高的颜色。

本发明特征在于下列步骤：

a、接收video信号并通过解码电路1将其分解成电视RGB制式信号并对其进行咖吗反校正；

b、根据色度学颜色变换原理，确立荧光粉三原色和激光三原色与各自调制信号的对应关系，进而建立激光视频调制信号与荧光粉视频调制信号的转换关系；

c、按激光视频调制信号与荧光粉视频调制信号的转换关系将电视RGB制式信号转换为激光RGB制式信号；

d、判断电视RGB制式信号是否在色域三角的边缘上，如果颜色信号不在荧光粉色域三角的边缘上，即荧光粉三原色色刺激值Rp、Gp、Bp都不为零，则转步骤i；若颜色信号在荧光粉色域三角的边缘上，即荧光粉三原色色刺激值Rp、Gp、Bp中有一个或两个为零，则转步骤e；

e、计算激光RGB制式信号的总亮度，并比较出激光RGB制式信号激光三原色色刺激值R_L、G_L、B_L中最小的一个，设其值为Em；

f、将激光三原色色刺激值R_L、G_L、B_L分别减去Em；

g、计算激光RGB制式信号的总亮度与激光三原色色刺激值R_L、G_L、B_L分别减去Em后的激光RGB制式信号亮度之间的倍数K；

h、将激光三原色色刺激值R_L、G_L、B_L分别减去Em后的数值分别再乘以K，使激光RGB制式信号亮度恢复为原激光RGB制式信号的总亮度；

i、对激光RGB制式信号进行咖吗反校正；

j、在电视RGB制式信号中提取同步信号并对其延时，编码电路3在延时后的同步脉冲信号下对经过咖吗反校正后的激光RGB制式信号进行编码并输出video信号。

实现本发明电路如图3所示，包括解码电路1，可编程逻辑器件2，控制电路4，编码电路3；解码电路1输出接可编程逻辑器件2输入，解码电路1将接收的video信号分解为电视RGB制式信号并进行咖吗反校正，然后传输给可编程逻辑器件2；可编程逻辑器件2将电视RGB制式信号转换为激光RGB制式信号、判断电视RGB制式信号是否在色域三角的边缘上即Rp、Gp、Bp中是否有一个或两个为零、完成虚拟颜色扩展及扩展后的信号重新放大、实现激光RGB制式信号的咖吗反校正；可编程逻辑器件2的输出接编码电路3的输入，将经过咖吗反校正的激光RGB制式信号送入编码电路3；可编程逻辑器件2从解码电路1提取同步信号并延时，使编码电路3在延时后的同步脉冲信号下对激光RGB制式信号重新编码并输出video信号；控制电路4分别与解码电路1、可编程逻辑器件2、编码电路3连接；在控制电路4输出的信号控制下解码电路1完成video信号解码，并输出控制信号给可编程逻辑器件2完成电视RGB制式信号转换为激光RGB制式信号、激光RGB制式信号的咖吗反校正、虚拟颜色扩展及扩展后的信号重新放大；编码电路3完成对激光RGB制式信号重新编码并输出video信号。

有益效果：本发明根据色度学颜色变换原理建立激光视频调制信号与荧光粉视频调制信号的转换关系，并将荧光粉视频调制信号转换为激光视频调制信号，实现了用激光三原色去复现荧光粉三原色色域，达到了颜色正确还原的目的；并且按照“色调不变”的判断准则对荧光粉色域边界上的颜色进行外沿至激光色域边界，将荧光粉三原色的小色域扩展为激光三原色大色域，充分展现了荧光粉色域以外的激光色域中更纯的饱和色。

附图说明

图1为本发明激光显示颜色虚拟扩展原理示意图。图中2为激光的色域三角形，1为EBU电视的荧光粉的色域三角形，曲线3构成的区域为自然界色域。

图2为本发明电路设计原理示意图。

图3为本发明的电路结构示意图，也是摘要附图。图中解码电路1，可编程逻辑器件2，控制电路4，编码电路3，矩阵转换电路5，与非门6，第一开关电路7，第二开关电路8，比较器9，运算内核10，11延时电路。

具体实施方式

可编程逻辑器件2内部结构包括矩阵转换电路5，与非门6，第一开关电路7，第二开关电路8，比较器9，运算内核10，延时电路11；解码电路1的输出分别与与非门6、矩阵转换电路5的输入连接；矩阵转换电路5的输出分别与第一开关电路7、第二开关电路8连接；与非门6的输出分别与第一开关电路7、第二开关电路8连接；第二开关电路8分别与比较器9和可编程逻辑器件2中固有的运算内核10连接，第一开关电路7与可编程逻辑器件2中固有的运算内核10连接，延时电路11与解码电路1和编码电路3连接。

控制电路4采用单片机，其型号为PLC2046；解码电路1采用型号为AD9884的芯片；可编程逻辑器件2采用型号为FPGA100F；编码电路3采用型号为TDA8501的芯片。单片机与解码电路1、可编程逻辑器件2、编码电路3的对应接口连接。

由于激光三原色和传统的荧光粉三原色存在着色度点不同，它们的色域范围也不同，因此按照色度学原理，两个不同三原色的颜色系统可通过线性变换矩阵进行颜色转换。颜色系统中XYZ系统为理想的数学模型，RGB系统为实际的物理模型。两个系统间可以建立如下的转换关系式：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]={\left[\mathrm{Ar}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right]---\left(1\right)$

当选用不同的三原色作为颜色系统的基色时，对应不同的转换关系式(1)，即[Ar]^-1不同。但对应的XYZ不变，所以两种选用不同基色的颜色系统可以使用XYZ系统建立等式关系，进而建立两个系统间的转换关系。以PAL制和NTSC制荧光粉与激光的转换关系为例，其转换关系式如下。

${\left[\mathrm{Br}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{R}_p\\ G_p\\ B_p\end{array}\right]={\left[L_{\mathrm{Nr}}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{R}_L\\ G_L\\ B_L\end{array}\right]---\left(2\right)$

${\left[\mathrm{Cr}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{R}_p\\ G_p\\ B_p\end{array}\right]={\left[L_{\mathrm{Pr}}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{R}_L\\ G_L\\ B_L\end{array}\right]---\left(3\right)$

将上面两个等式(2)、(3)分别乘以[B_r]和[C_r]后有下列等式成立：

激光颜色系统与PAL制荧光粉的颜色系统转换关系：

$\left[\begin{array}{c}{R}_p\\ G_p\\ B_p\end{array}\right]=\left[C_r\right]{\left[L_{\mathrm{Pr}}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{R}_L\\ G_L\\ B_L\end{array}\right]---\left(4\right)$

$\left[C_r\right]{\left[L_{\mathrm{Pr}473}\right]}^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}1.531& 0.4143& 0.8512\\ 1.085& 0.9377& 1.356\\ 0.00& 0.2128& 1.129\end{array}\right]---\left(5\right)$

$\left[C_r\right]{\left[L_{\mathrm{Pr}460}\right]}^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}0.4451& 0.4558& 3.537\\ 0.1818& 1.032& 3.24\\ 56.16& 0.2341& 0.00\end{array}\right]---\left(6\right)$

$\left[C_r\right]{\left[L_{\mathrm{Pr}457}\right]}^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}0.4412& 0.4672& 3.381\\ 0.1455& 1.057& 3.101\\ 52.85& 0.24& 0.0000\end{array}\right]---\left(7\right)$

激光颜色系统与NTSC制荧光粉的颜色系统转换关系：

$\left[\begin{array}{c}{R}_p\\ G_p\\ B_p\end{array}\right]=\left[B_r\right]{\left[L_{\mathrm{Nr}}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{R}_L\\ G_L\\ B_L\end{array}\right]---\left(8\right)$

$\left[B_r\right]{\left[L_{\mathrm{Nr}473}\right]}^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}1.116& 0.4949& 0.8262\\ 0.8289& 1.103& 0.9209\\ 0.00& 0.4092& 1.036\end{array}\right]---\left(9\right)$

$\left[B_r\right]{\left[L_{\mathrm{Nr}460}\right]}^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}0.3309& 0.897& 3.12\\ 1.386& 1.244& 2.003\\ 0.00& 0.4614& 0.00\end{array}\right]---\left(10\right)$

$\left[B_r\right]{\left[L_{\mathrm{Nr}457}\right]}^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}0.3409& 0.9082& 3.08\\ 0.1178& 1.26& 1.977\\ 0.000& 0.4675& 0.0000\end{array}\right]---\left(11\right)$

以上是以473nm，532nm，672nm；460nm，532nm，672nm；457nm，532nm，672nm为基色的三组激光显示所建立激光RGB制式与现有电视RGB制式中的PAL制式转换关系式(5)、(6)、(7)和NTSC制式间的转换关系式(9)、(10)、(11)。

(4)式、(8)式中Rp、Gp、Bp分别表示荧光粉三原色色刺激值，R_L、G_L、B_L分别表示激光三原色色刺激值。

根据激光RGB制式与现有电视RGB制式中的PAL制式转换关系式(5)、(6)、(7)和NTSC制式间的转换关系式(9)、(10)、(11)可分别设计矩阵转换电路5，将输入信号分解成对应的R、G、B电压信号控制三种基色的激光器激光束的能量比，从而达到合成出正确的颜色效果，实现用激光三原色正确复现荧光粉三原色。

本发明的工作过程：输入的video信号经解码电路1分解成电视RGB制式信号和咖码反校正后进入可编程逻辑器件2，由可编程逻辑器件2中的矩阵转换电路5转换为激光RGB制式信号；与非门6对电视RGB制式信号进行判断，如果颜色信号在荧光粉色域三角内，即Rp、Gp、Bp都不为零，则选通第一开关电路7，激光RGB制式信号由可编程逻辑器件2中固有的运算内核10进行咖吗反校正；由解码电路1提取的同步信号经延时电路11延时供给编码电路3，使编码电路3在延时后同步脉冲信号下对激光RGB制式信号进行重新编码并输出video信号；如果颜色信号在荧光粉色域三角的边缘上，即Rp、Gp、Bp有一个或两个为零，则选通第二开关电路8，由比较电路比出激光颜色三刺激值R_L、G_L、B_L中最小的。假设B_L，值最小，在可编程逻辑器件2固有的运算内核10中，将所有的三刺激值减去B_L值，激光颜色三刺激值变为(R_L-B_L)，(G_L-B_L)，0；计算激光颜色的总亮度；根据激光颜色的总亮度和激光颜色三刺激值(R_L-B_L)，(G_L-B_L)，0计算需将激光颜色三刺激值重新放大的倍数K；将激光颜色三刺激值(R_L-B_L)，(G_L-B_L)，0重新放大K倍后变为K(R_L-B_L)，K(G_L-B_L)，0，由此完成激光信号虚拟扩展功能；将激光RGB制式信号进行咖吗反校正，最后输出扩展为激光三原色大色域的激光RGB制式信号。由可编程逻辑器件2固有的运算内核10输出的激光RGB制式信号由编码电路3在延时后同步脉冲信号下，进行重新编码并输出video信号。

Claims (4)

1、一种激光显示中颜色变换与色域扩展方法，其特征在于下列步骤：

a、接收video信号并通过解码电路将其分解成电视RGB制式信号并对其进行咖吗反校正；

b、根据色度学颜色变换原理，确立荧光粉三原色和激光三原色与各自调制信号的对应关系，进而建立激光视频调制信号与荧光粉视频调制信号的转换关系；

c、按激光视频调制信号与荧光粉视频调制信号的转换关系将电视RGB制式信号转换为激光RGB制式信号；

d、判断电视RGB制式信号是否在色域三角的边缘上，如果颜色信号不在荧光粉色域三角的边缘上，即荧光粉三原色色刺激值Rp、Gp、Bp都不为零，则转步骤i；若颜色信号在荧光粉色域三角的边缘上，即荧光粉三原色色刺激值Rp、Gp、Bp中有一个或两个为零，则转步骤e；

e、计算激光RGB制式信号的总亮度，并比较出激光RGB制式信号激光三原色色刺激值R_L、G_L、B_L中最小的一个，设其值为Em；

f、将激光三原色色刺激值R_L、G_L、B_L分别减去Em；

g、计算激光RGB制式信号的总亮度与激光三原色色刺激值R_L、G_L、B_L分别减去Em后的激光RGB制式信号亮度之间的倍数K；

h、将激光三原色色刺激值R_L、G_L、B_L分别减去Em后的数值分别再乘以K，使激光RGB制式信号亮度恢复为原激光RGB制式信号的总亮度；

i、对激光RGB制式信号进行咖吗反校正；

j、在电视RGB制式信号中提取同步信号并对其延时，编码电路3在延时后的同步脉冲信号下对经过咖吗反校正后的激光RGB制式信号进行编码并输出video信号。

2、一种激光显示中颜色变换与色域扩展装置，其特征在于包括解码电路(1)，可编程逻辑器件(2)，控制电路(4)，编码电路(3)；解码电路(1)输出接可编程逻辑器件(2)输入，解码电路(1)将接收的video信号分解为电视RGB制式信号并进行咖吗反校正，然后传输给可编程逻辑器件(2)；可编程逻辑器件(2)将电视RGB制式信号转换为激光RGB制式信号、判断电视RGB制式信号是否在色域三角的边缘上即Rp、Gp、Bp中是否有一个或两个为零、完成虚拟颜色扩展及扩展后的信号重新放大、实现激光RGB制式信号的咖吗反校正；可编程逻辑器件(2)的输出接编码电路(3)的输入，将经过咖吗反校正的激光RGB制式信号送入编码电路(3)；可编程逻辑器件(2)从解码电路(1)提取同步信号并延时，使编码电路(3)在延时后的同步脉冲信号下对激光RGB制式信号重新编码并输出video信号；控制电路(4)分别与解码电路(1)、可编程逻辑器件(2)、编码电路(3)连接；在控制电路(4)输出的信号控制下解码电路(1)完成video信号解码，并输出控制信号给可编程逻辑器件(2)完成电视RGB制式信号转换为激光RGB制式信号、激光RGB制式信号的咖吗反校正、虚拟颜色扩展及扩展后的信号重新放大；编码电路(3)完成对激光RGB制式信号重新编码并输出video信号。

3、根据权利要求2所述的激光显示中颜色变换与色域扩展装置，其特征在于可编程逻辑器件(2)内部结构包括矩阵转换电路(5)，与非门(6)，第一开关电路(7)，第二开关电路(8)，比较器(9)，运算内核(10)，延时电路(11)；解码电路(1)的输出分别与与非门(6)、矩阵转换电路(5)的输入连接；矩阵转换电路(5)的输出分别与第一开关电路(7)、第二开关电路(8)连接；与非门(6)的输出分别与第一开关电路(7)、第二开关电路(8)连接；第二开关电路(8)分别与比较器(9)和可编程逻辑器件(2)中固有的运算内核(10)连接，第一开关电路(7)与可编程逻辑器件(2)中固有的运算内核(10)连接，延时电路(11)与解码电路(1)和编码电路(3)连接。

4、根据权利要求2所述的激光显示中颜色变换与色域扩展装置，其特征在于控制电路(4)采用单片机，其型号为PLC2046；解码电路(1)采用型号为AD9884的芯片；可编程逻辑器件(2)采用型号为FPGA100F；编码电路(3)采用型号为TDA8501的芯片。

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