DE102008019726A1

DE102008019726A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Farbkalibrierung von Projektoren

Info

Publication number: DE102008019726A1
Application number: DE102008019726A
Authority: DE
Inventors: Rainer Jahn; Karl-Heinz Franke; Rico Nestler
Original assignee: ZENTRUM fur BILD und SIGNALVE; Zentrum fur Bild- und Signalverarbeitung Ev
Current assignee: ZENTRUM fur BILD und SIGNALVE; Zentrum fur Bild- und Signalverarbeitung Ev
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2009-10-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Farbkalibrierung eines Projektors (1), wobei aus einem Vergleich auf einer Projektionsfläche (2) erfasster Ausgangsfarbvalenzen (Faus) eines projizierten Bildes mit Eingangsfarbvalenzen (Fein) eines dem Projektor (1) zugeführten Bildsignals eine Korrekturvorschrift (K) für das dem Projektor (1) zugeführte Bildsignal abgeleitet wird. Erfindungsgemäß werden zur Ermittlung der Ausgangsfarbvalenzen (Faus) ein Dunkelfarbwert (DFW) einer unbeleuchteten Projektionsfläche (2) und Farbwerte (FW) einer Anzahl aufeinanderfolgender, auf die Projektionsfläche (2) projizierter homogener Farbflächen (F) erfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Farbkalibrierung eines Projektors (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Farbkalibrierung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Farbkalibrierung von Projektoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Bei der Anzeige von Bildern mittels optischen Anzeigegeräten besteht die Möglichkeit, dass Farben des Bildes nicht originalgetreu wiedergegeben werden. Insbesondere bei einer Verwendung eines Projektors, z. B. eines Video-Projektors, hängen die dargestellten Farben von stark von einer Beschaffenheit einer Projektionsfläche und von einer Umgebung, insbesondere von den dort herrschenden Lichtverhältnissen, ab. Aus diesem Grund sind aus dem Stand der Technik verschiedene Vorrichtungen und Verfahren bekannt, mittels welcher eine Farbkalibrierung eines Projektors mit dem Ziel ausführbar ist, dass das projizierte Bild in unterschiedlichen Umgebungen mit der gleichen Farbgebung und vorzugsweise originalgetreu wiedergebbar sind.
Eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren sind aus der US 007 314 283 B2 bekannt, wobei ein Bild mittels eines Projektors auf eine Projektionsfläche projizierbar ist und ein Farbsensor Farbinformationen des Bildes erfasst. Eine Farbtransformation ist basierend auf einem Farbraum eines hinterlegten Bildes und einem Farbraum des projizierten Bildes generierbar und in einer Speichereinheit speicherbar. Die Farbe des hinterlegten Bildes wird einer Farbkorrektur unterworfen, welche die Farbtransformation verwendet. Weiterhin wird das hinterlegte Bild einer Gamma-Korrektur zur Helligkeitsanpassung zugeführt, falls dies notwendig ist, so dass ein korrigiertes hinterlegtes Bild ausgebbar ist.
Weiterhin ist aus der EP 1 696 679 A1 eine Vorrichtung zur Farbkorrektur eines Projektors bekannt, bei welchem die Farbkorrektur pixel- oder blockweise erfolgt, woraus sich in nachteiliger Weise ein hoher Aufwand ableitet.
Ferner sind aus der US 2004 1658 068 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Farbkorrektur eines Projektors bekannt, wobei die Vorrichtung in dem Projektor angeordnet ist. Die Vorrichtung umfasst eine Bilderfassungseinheit zur Erfassung eines Farbhelligkeitswertes, eine Bildsignalverarbeitungseinheit zur Verarbeitung von dem Projektor zugeführten Bildsignalen und zur Speicherung des verarbeiteten Bildes in einer Speichereinheit. Weiterhin umfasst die Vorrichtung einen Zentralprozessor zum Vergleich des erfassten Farbhelligkeitswertes mit dem dem Projektor zugeführten Bildsignal und zu einer Farbkalibrierung, um einen exakten ausgegebenen Farbwert zu erzielen. Nachteilig ist jedoch, dass die Vorrichtung in dem Projektor selbst angeordnet ist, so dass diese beispielsweise bei älteren Geräten nicht nachrüstbar ist.
In der DE 602 12 441 T2 ist ein Farbkalibrierverfahren für ein Anzeigegerät eines Anwenders offenbart. Dabei wird dem Anwender eine Gruppe von Farbbereichen eines Farbtons angezeigt, aus welchen dieser eine Urfarbe auswählt. Nach einer mehrmaligen Wiederholung für verschiedene Farbtöne wird unter Verwendung der vom Anwender ausgewählten Urfarben eine Gruppe von Farbkalibrierungsparametern für das Anzeigegerät erzeugt, welche Farbeigenschaften des Anzeigegerätes charakterisieren. Nachteilig ist, dass zur Farbkalibrierung der subjektive Eindruck des Anwenders notwendig ist, wobei dessen Wahl der Urfarben in verschiedenen Umgebungen Schwankungen unterlegen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Farbkalibrierung von Projektoren anzugeben, welche insbesondere derart ausgeführt sind, dass sie sowohl für neue als auch für ältere Projektoren verwendbar sind, ohne subjektiven Eindruck eines Anwenders ausführbar bzw. verwendbar sind sowie einfach und kostengünstig realisierbar sind.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 8 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Farbkalibrierung eines Projektors, insbesondere eines Video-Projektors, wird aus einem Vergleich auf einer Projektionsfläche erfasster Ausgangsfarbvalenzen eines projizierten Bildes mit Eingangsfarbvalenzen eines dem Projektor zugeführten Bildsignals eine Korrekturvorschrift für das dem Projektor zugeführte Bildsignal abgeleitet. Erfindungsgemäß werden als Ausgangsfarbvalenzen ein Dunkelfarbwert einer unbeleuchteten Projektionsfläche und Farbwerte einer Anzahl aufeinander folgender, auf die Projektionsfläche projizierter homogener Farbflächen erfasst. Die Ermittlung der Ausgangsfarbvalenz der unbeleuchteten Projektionsfläche, d. h. die Ermittlung des Dunkelfarbwertes, führt insbesondere zu dem Vorteil, dass ein Farbton der Projektionsfläche und gleichzeitig eine Helligkeit einer Umgebung, in welcher der Projektor aufgestellt ist, ermittelt werden können. Da dies ohne Aussendung eines zusätzlichen Lichtsignals erfolgt, werden sehr genaue Werte ermittelt. Weiterhin führt die aufeinander folgende Projektion der homogenen Farbflächen in gewinnbringender Weise dazu, dass die Ausgangsfarbvalenzen exakt ermittelt werden und somit eine optimale Korrektur des dem Projektor zugeführten Bildsignals erfolgen kann.
Dabei wird die Korrekturvorschrift derart gebildet, dass diese den Dunkelfarbwert als unabhängigen Parameter enthält, so dass eine Kalibrierfunktion der Korrekturvorschrift einfacher ausgebildet und somit einfacher und schneller ermittelbar ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es möglich, dass eine aktuelle Korrekturvorschrift aus einer hinterlegten Korrekturvorschrift ermittelt wird, wobei der unabhängige Parameter durch einen aktuellen Dunkelfarbwert ersetzt und der Anzahl der projizierten Farbflächen der Wert ”Null” zugewiesen wird. Dadurch ist es möglich, in einfacher Art und Weise die Korrekturvorschrift an geänderte Umgebungsbedingungen anzupassen, wenn der Projektor beispielsweise zuvor am gleichen Ort verwendet wurde.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Anzahl der projizierten Farbflächen gemäß einer Anzahl von erwarteten Ausgangsfarbvalenzen, d. h. Farben, einer zu projizierenden Bildfolge gewählt und/oder die Eingangsfarbvalenzen der projizierten Farbflächen werden gemäß den erwarteten Ausgangsfarbvalenzen der zu projizierenden Bildfolge gewählt. Somit wird die Farbkalibrierung in vorteilhafter Weise an die darzustellenden Bilder oder Bildfolgen angepasst, wodurch zum einen eine optimale Darstellung und zum anderen eine schnelle Ermittlung der Korrekturvorschrift sichergestellt werden.
Weiterhin werden Leitstrahlen zur Ausrichtung auf die Projektionsfläche erzeugt und auf die Projektionsfläche projiziert, so dass eine Ausrichtung der Farbmesseinheit auf die Projektionsfläche für einen Nutzer in einfacher Art und Weise ausführbar ist.
Zusätzlich werden aus der Korrekturvorschrift ein oder mehrere Farbprofile ermittelt, mittels welcher das dem Projektor zugeführte Bildsignal korrigiert wird, d. h. insbesondere dessen Eingangsfarbvalenzen korrigiert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Farbkalibrierung eines Projektors sind eine Farbmesseinheit zur Erfassung von Ausgangsfarbvalenzen eines mittels des Projektors auf eine Projektionsfläche projizierten Bildes und eine Verarbeitungseinheit zu einem Vergleich der auf der Projektionsfläche erfassten Ausgangsfarbvalenzen mit Eingangsfarbvalenzen eines dem Projektor zugeführten Bildsignals vorgesehen, wobei die Verarbeitungseinheit eine Recheneinheit zu einer Ableitung einer Korrekturvorschrift aus diesem Vergleich umfasst. Erfindungsgemäß sind die Farbmesseinheit und die Verarbeitungseinheit als eigenständige Einheit oder als separate eigenständige Einheiten ausgeführt und weisen jeweils zumindest eine Schnittstelle zu einer elektrischen und/oder elektronischen Verbindung mit dem Projektor und/oder zueinander auf. Die Verarbeitungseinheit umfasst dabei eine Testfarben-Erzeugungseinheit zur Erzeugung von aufeinander folgenden homogenen Farbflächen und eine Messdaten-Speichereinheit zur Speicherung der von der Farbmesseinheit erfassten Farbwerte und/oder des Dunkelfarbwertes. Aus der eigenständigen Ausführung der Farbmesseinheit und der Verarbeitungseinheit resultiert in besonders vorteilhafter Weise, dass eine Farbwiedergabe eines jeden Projektors verbesserbar ist. Eingeschlossen sind sowohl ältere Geräte, welche aufgrund einer längeren Benutzung oder allein aufgrund ihres Alters eine verschlechterte Farbqualität aufweisen, als auch moderne bzw. neue Geräte, die beispielsweise über eine unzureichende oder fehlerhafte werkseitige Einstellung verschiedener Parameter verfügen.
Zu einem Vergleich der erfassten Ausgangsfarbvalenzen mit einem Referenzwert sind in der Verarbeitungseinheit die Eingangsfarbvalenzen, d. h. Sollfarbvalenzen, hinterlegt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Verarbeitungseinheit eine Farbprofil-Zuweisungseinheit zur Übertragung der Farbprofile an ein Betriebssystem oder ein Anwendungsprogramm. Besonders vorteilhaft ist, dass mittels der Farbprofile das darzustellende Bild selbst derart veränderbar ist, dass es optimal auf der Projektionsfläche dargestellt ist. Am Projektor selbst sind keine manuellen und/oder mittels elektronischer Steuersignale ausgeführte Einstellungen zur Farbkalibrierung notwendig.
Zur Ermittlung der Ausgangsfarbvalenzen umfasst die Farbmesseinheit ein Farbsensormodul mit einem fotoelektrischen Sensor, wobei ein Objektiv zur Abbildung eines Ausschnittes der Projektionsfläche auf den fotoelektrischen Sensor vorgesehen ist. Weiterhin umfasst die Farbmesseinheit eine Datenverarbeitungseinheit zu einer Verarbeitung der ermittelten Farbwerte und/oder des Dunkelfarbwertes, so dass diese wertmäßig als Ausgangsfarbvalenzen darstellbar sind.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Farbmesseinheit einen Laserstrahlgenerator und ein Schaltelement zur Aktivierung und Deaktivierung dieses auf, wobei mittels des Laserstrahlgenerators mehrere kollimierte Laserstrahlen erzeugbar sind, deren Strahlungsachsen zueinander derart geneigt sind, dass sie einen Raumwinkel eines vom Objektiv erfassten Feldes einschließen. Die aus Laserstrahlen gebildeten Leitstrahlen weisen insbesondere den Vorteil auf, dass sie durch einen Anwender bei allen Lichtverhältnissen der Umgebung gut sichtbar sind, so dass für diesen eine einfache Ausrichtung des Projektors und der Vorrichtung zur Farbkalibrierung möglich ist.
Zusammenfassend ist es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, ein mobiles System zu schaffen, mit dem die Farbqualität einer Video-Projektion an jedem Ort und für praktisch jeden Projektor verbessert werden kann. Dabei werden die Einstellungen des Projektors selbst nicht verändert, der Projektor muss also in vorteilhafter Weise nicht physisch zugänglich sein. Stattdessen wird das Bildsignal vor der Übertragung an den Projektor derart beeinflusst, dass die vom Projektor hervorgerufenen Farbverfälschungen kompensiert werden. Dieses mobile System ist in unterschiedlichsten Umgebungen bei verschiedenem Umgebungslicht einsetzbar, um die Farbwiedergabe der zu präsentierenden Bilder oder Bildfolgen zu optimieren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
1 schematisch eine Vorrichtung zur Farbkalibrierung eines Projektors, einen Projektor und eine Projektionsfläche,
2 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Farbmesseinheit in einem geöffneten Zustand,
3 schematisch eine Frontansicht und eine Seitenansicht einer Anordnung von vier zueinander geneigten Laserdioden,
4 schematisch eine einzelne kollimierte Laserdiode und ein Hologramm, und
5 schematisch die Vorrichtung gemäß 1 mit einer detaillierten Darstellung einer Verarbeitungseinheit, und
6 schematisch einen Programmablaufplan eines Verfahrens zur Farbkalibrierung eines Projektors.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Vorrichtung zur Farbkalibrierung eines Projektors 1 und eine Projektionsfläche 2. Bei dem Projektor 1 handelt es sich insbesondere um einen Video-Projektor (auch Beamer genannt), mittels dem beispielsweise einzelne Bilder, Bildfolgen oder Filme auf die Projektionsfläche 2 projizierbar sind.
Die Vorrichtung zur Farbkalibrierung des Projektors 1 umfasst eine Farbmesseinheit 3 und eine Verarbeitungseinheit 4, wobei dem Projektor 1 mittels der Verarbeitungseinheit 4 die Bilder, Bildfolgen oder Filme als Bilddaten zuführbar sind. Zu diesem Zweck weisen sowohl der Projektor 1 als auch die Verarbeitungseinheit 4 jeweils eine Schnittstelle 1.1 bzw. 4.1, z. B. eine VGA-Schnittstelle, auf, mittels der der Projektor 1 und die Verarbeitungseinheit 4 elektrisch und/oder elektronisch miteinander verbindbar sind. Die Verarbeitungseinheit 4 kann dabei ein Personal-Computer, insbesondere ein Laptop, oder ein Bestandteil dieses sein.
Zu einer Farbkalibrierung des Projektors 1, d. h. zu einer Anpassung der ausgegebenen Bilder, Bildfolgen oder Filme an eine Umgebungsbeleuchtung und eine Farbe der Projektionsfläche 2, ist mittels des Farbmessgerätes 3 zunächst ein Dunkelfarbwert DFW der nicht beleuchteten Projektionsfläche 2 erfassbar. Dieser Dunkelfarbwert umfasst in vorteilhafter Weise gleichzeitig einen Wert einer Helligkeit der Umgebung, in welcher sich der Projektor 1 befindet.
Weiterhin ist dem Projektor 1 mittels der Verarbeitungseinheit 4 eine Anzahl aufeinander folgender homogener Farbflächen F zuführbar, wobei diese dem Projektor 1 ebenfalls über die Schnittstellen 1.1 und 4.1 zuführbar sind. Mittels des Projektors 1 ist die Anzahl der homogenen Farbflächen F aufeinander folgend an die Projektionsfläche 2 projizierbar, wobei anhand der Farbmesseinheit 3 Farbwerte FW der homogenen Farbflächen F erfassbar sind. Sowohl die Farbwerte FW als auch der Dunkelfarbwert DFW sind der Verarbeitungseinheit 4 zur Speicherung zuführbar.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Farbmesseinheit 3 und die Verarbeitungseinheit 4 als separate und eigenständige Einheiten ausgebildet, so dass diese zueinander korrespondierende Schnittstellen 3.1 und 4.2 zu einer Übertragung der Farbwerte FW und der Dunkelfarbwerte DFW aufweisen. Bei diesen Schnittstellen 3.1 und 4.2 handelt es sich beispielsweise um USB-Schnittstellen.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Farbmesseinheit 3, wobei diese in einem geöffneten Zustand dargestellt ist. Die Farbmesseinheit 3 umfasst dabei ein Farbsensormodul 3.2 mit einem fotoelektrischen Sensor 3.3, mittels denen der Dunkelfarbwert DFW und die Farbwerte FW erfassbar sind.
Die Farbmesseinheit 3 umfasst weiterhin ein Objektiv 3.4, mittels dem ein Ausschnitt der Projektionsfläche 2 auf dem fotoelektrischen Sensor 3.3 abbildbar ist. Damit die erfassten Farbwerte FW und der Dunkelfarbwert DFW an die Verarbeitungseinheit 4 übertragbar sind, ist eine Datenverarbeitungseinheit 3.5 zur Umwandlung der erfassten Farbwerte FW und des Dunkelfarbwertes DFW in Ausgangsfarbvalenzen F_aus vorgesehen. Die Bestimmung dieser Ausgangsfarbvalenz F_aus ist in der Beschreibung der 6 näher erläutert.
Um für einen Anwender eine leichtere Ausrichtung der Farbmesseinheit 3 auf die Projektionsfläche 2 zu erzielen, sind in der Farbmesseinheit 3 ein Laserstrahlgenerator 3.6 und ein Schaltelement 3.7 zur Aktivierung und Deaktivierung dieses vorgesehen, wobei mittels des Laserstrahlgenerators 3.6 mehrere kollimierte Laserstrahlen als Leitstrahlen L gemäß 1 erzeugbar sind, deren Strahlungsachsen zueinander derart geneigt sind, dass sie einen Raumwinkel eines vom Objektiv 3.4 erfassten Feldes X einschließen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Laserstrahlgenerators 3.6, wie in 2 dargestellt, besteht aus einem Halter H mit vier Bohrungen B, deren Achsen zueinander geneigt sind und etwa den Raumwinkel des vom Objektiv 3.4 erfassten Feldes X einschließen. In jede dieser Bohrungen B ist vorzugsweise eine Laserdiode 3.8 zylindrischer Bauform eingepasst, so dass deren Strahlungsachse mit einer Bohrungsachse übereinstimmt.
In 3 ist die Anordnung der Laserdioden 3.8 ohne Halter dargestellt. Die linke Darstellung zeigt eine Vorderansicht mit Blick auf Strahlaustrittsöffnungen der Laserdioden 3.8. In der rechten Darstellung ist eine Seitenansicht der Laserdioden 3.8 und deren Ausrichtung zueinander dargestellt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Laserstrahlgenerators 3.6 ist in 4 dargestellt. Dabei ist der Laserstrahlgenerator 3.6 aus einer einzelnen, kollimierten Laserdiode 3.8 und einer optischen Einheit 3.9 gebildet, auf die der als Laserstrahl ausgebildete Leitstrahl L senkrecht auftrifft. Die optische Einheit 3.9 ist vorzugsweise aus einer planparallelen Glas- oder Kunststoffscheibe gebildet, in deren Oberfläche eine Struktur eingebracht ist.
Diese Struktur ist derart ausgeführt, dass der auftreffende Leitstrahl aufgrund von Beugung in nahezu beliebiger Weise räumlich aufspaltbar ist. In der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine optische Einheit 3.9 vorgesehen, mittels welcher der Leitstrahl L in zumindest vier Teilstrahlen T aufspaltbar ist, die wiederum etwa den Raumwinkel des vom Objektiv 3.4 erfassten Feldes X einschließen.
5 zeigt die Vorrichtung zur Farbkalibrierung des Projektors 1 gemäß 1 mit einer detaillierten Darstellung der Verarbeitungseinheit 4. Die Verarbeitungseinheit 4 umfasst dabei eine Testfarben-Erzeugungseinheit 4.3 zur Erzeugung der Anzahl der aufeinander folgenden homogenen Farbflächen F.
Weiterhin ist eine Messdaten-Speichereinheit 4.4 zur Speicherung der von der Farbmesseinheit 3 übermittelten Ausgangsfarbvalenzen F_aus. Diese Ausgangsfarbvalenzen F_aus sind einer in der Verarbeitungseinheit 4 angeordneten Recheneinheit 4.5 zuführbar, welche mittels eines Vergleiches der Ausgangsfarbvalenzen F_aus und Eingangsfarbvalenzen F_ein, die als Soll-Farbvalenzen in der Verarbeitungseinheit 4 hinterlegt sind, eine Korrekturvorschrift K zur Farbkalibrierung des Projektors 1 ermittelt.
Die Korrekturvorschrift K ist mittels der Recheneinheit 4.5 in Form von Farbprofilen P, insbesondere ICC-Farbprofilen (ICC = International Color Consortium), an eine Farbprofil-Zuweisungseinheit 4.6 übertragbar.
Die Farbprofil-Zuweisungseinheit 4.6 übermittelt die Korrekturvorschrift K in Form der Farbprofile P an ein nicht näher dargestelltes Betriebssystem und/oder Anwendungsprogramm der Verarbeitungseinheit 4, so dass die darzustellenden Bilddaten derart anpassbar sind, dass mittels des Projektors 1 ein optimales Bild, insbesondere mit optimaler Farbgebung und Helligkeit, ausgebbar ist.
Die 6 stellt einen Programmablaufplan eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Farbkalibrierung des Projektors 1 dar.
Dabei ist zunächst eine Ausrichtung des Farbmessgerätes 3 durch einen Anwender notwendig, wobei dieses derart ausgerichtet wird, dass das Messfeld (= Feld X) etwa in der Mitte der Projektionsfläche 2 erscheint. Zur Erleichterung der Ausrichtung sind die bereits beschriebenen Leitstrahlen L vorgesehen, deren Auftreffpunkte auf der Projektionsfläche 2 das Messfeld begrenzen.
Dann startet der Anwender ein Programm, dessen Programmablaufplan hier näher dargestellt ist. Zunächst wird der Farbmesswert der unbeleuchteten Projektionsfläche (= Dunkelfarbwert DFW) ermittelt (S01) und gespeichert (S02). Anschließend wird die homogene Farbfläche F mit einer vorbestimmten Eingangsfarbvalenz F_ein projiziert (S03). Dieses Feld wird mit der Farbmesseinheit 3 vermessen (S04), und der Messwert wird gespeichert (S05).
Die Schritte S03, S04 und S05 werden solange mit verschiedenen vorbestimmten Eingangsfarbvalenzen F_ein (S06) wiederholt, bis eine vorgegebene Anzahl von Farbflächen F projiziert, vermessen und die Messwerte in einem Datensatz (S08) gesammelt sind. Dieser Test erfolgt in Schritt S07. Anschließend wird der Datensatz (S08), d. h. die erfassten Farbwerte FW und der Dunkelfarbwert DFW (= Istwerte), mit den bekannten Eingangsfarbvalenzen F_ein, d. h. Sollfarbvalenzen verglichen, und durch mathematische Operationen werden so genannte Kalibrierdaten ermittelt (S09). Die Kalibrierdaten geben die Korrekturvorschrift K an, inwieweit ein Farbsignal vor der Übertragung an den Projektor 1 verändert werden muss, damit beliebiges Bildmaterial auf der Projektionsfläche 2 in einer gewünschten bzw. verbesserten Farb- und Helligkeitsdarstellung gezeigt wird.
Die Kalibrierdaten werden vorzugsweise in einer standardisierten Form als ICC-Farbprofil dargestellt (S10). Nach einer Bestätigung durch den Anwender wird dieses Farbprofil P oder ein anderes, in einem früheren Kalibriervorgang ermitteltes Farbprofil an das Betriebssystem oder an ein Anwendungsprogramm der Verarbeitungseinheit 4 übermittelt (S11), wobei die Verarbeitungseinheit 4 insbesondere ein Bestandteil eines Personal-Computers oder selbst ein Personal-Computer ist. Damit ist der Kalibriervorgang beendet.
In der anschließenden Projektion einer beliebigen Präsentation wird der Projektor 1, basierend auf dem zugewiesenen Farbprofil P, automatisch in der gewünschten Weise angesteuert. Voraussetzung für eine korrekte Ansteuerung ist, dass entweder ein Grafikadapter des Personal-Computers oder das gewünschte Anwendungsprogramm ICC-Farbprofile unterstützen. Moderne Anwendungen zur grafischen Gestaltung, wie Vektorzeichenprogramme oder Bildbearbeitungsprogramme, unterstützen in der Regel diese ICC-Farbprofile.
Im Folgenden wird die Ermittlung der Kalibrierdaten näher erläutert. Die Kalibrierdaten stellen wie bereits beschrieben die Korrekturvorschrift dar, welche die Eingangsfarbvalenzen F_ein und die Ausgangsfarbvalenzen F_aus miteinander verknüpft.
Unter der Eingangsfarbvalenz F_ein ist ein dreidimensionaler Spaltenvektor zu verstehen, der eine Farbe in der Datenquelle, d. h. eine Sollfarbe, beschreibt. Die Datenquelle ist z. B. eine Grafik- oder Präsentationsdatei bzw. deren Abbild im Arbeitsspeicher des Personal-Computers. Angenommen, die Datenquelle enthält einem Bereich mit der Eingangsfarbvalenz F_ein. Um diesen Bereich als homogene Farbfläche F auf einem Ausgabegerät, d. h. dem Projektor 1 oder aber auch jeder anderen beliebigen optischen Anzeigeeinheit, darzustellen, ruft das Anwendungsprogramm bestimmte Funktionen des Betriebssystems auf, die auf dem Ausgabegerät ein Abbild des erwähnten Bereichs erzeugen.
Bei Verwendung des Projektors 1 entsteht dieses Abbild durch Beleuchten der Projektionsfläche 2. Die tatsächliche Farbe des Abbildes, so wie sie ein durchschnittlicher Beobachter empfindet, wird als Ausgangsfarbvalenz F_aus (= Istfarbe) bezeichnet. Die Ausgangsfarbvalenz F_aus lässt sich mit der Farbmesseinheit 3, wie es die Erfindung vorsieht, hinreichend genau objektiv erfassen.
Die Ausgangsfarbvalenz F_aus ist ebenfalls als dreidimensionaler Spaltenvektor darstellbar und wird, wie bereits in der Beschreibung der 2 ausgeführt, mittels der Datenverarbeitungseinheit 3.5 aus den erfassten Farbwerte FW und dem Dunkelfarbwert DFW ermittelt.
Farbvalenzen lassen sich im Allgemeinen in verschiedenen Farbsystemen angeben, die alle auf einem Normvalenzsystem beruhen, welches von der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE) im Jahr 1931 definiert wurde. Für die Farbkalibrierung besonders geeignet ist der so genannte sRGB-Standard, der 1996 durch verschiedene Unternehmen speziell für Röhrenmonitore geschaffen wurde. Inzwischen gilt die Übereinkunft, dass Farbvalenzen in einer Datenquelle stets nach dem sRGB-Standard zu interpretieren sind, wenn nicht im speziellen Fall etwas anders vereinbart ist. Daher ist es zweckmäßig, aber nicht zwingend, die oben definierte Eingangsfarbvalenz F_ein und Ausgangsfarbvalenz F_aus als sRGB-Farbvalenzen zu betrachten.
Die erfindungsgemäße Farbmesseinheit 3 ist so einzurichten, dass die Messdaten-Speichereinheit 4.4 die Ausgangsfarbvalenzen F_aus im gewünschten Farbsystem speichert, also z. B. als sRGB-Farbvalenzen.
Im Idealfall gilt für jede Farbe, dass die Eingangsfarbvalenz F_ein gleich der Ausgangsfarbvalenz F_aus ist, d. h. die in der Datenquelle angegebene Farbe erscheint unverändert auf dem Ausgabegerät, insbesondere dem Projektor 1.
Tatsächlich sind jedoch in der Regel die Eingangsfarbvalenz F_ein und die Ausgangsfarbvalenz F_aus verschieden; was wie bereits beschrieben mehrere Ursachen, wie z. B. die Umfeldbeleuchtung, die Farbe der Projektionsfläche oder die Einstellung des Projektors, haben kann. Die erwähnten Kalibrierdaten beschreiben eine numerische Näherung des Zusammenhangs zwischen der Eingangsfarbvalenz F_ein und der Ausgangsfarbvalenz F_aus.
Die Kalibrierdaten können dabei als Gemeinsamkeit einer Kalibrierfunktion g und eines Vektors F_D aufgefasst werden, wobei gilt: Faus = g(Fein) + FD ∀Fein ∈ Gein [1].
Der Vektor F_D entspricht der Farbvalenz der unbeleuchteten Projektionsfläche 2 bei abgeschaltetem Projektor 2, d. h. er entspricht dem Dunkelfarbwert DFW. Es ist die Eigenfarbe der Projektionsfläche, hervorgerufen durch die Remission des Umgebungslichts. Der Dunkelfarbwert DFW ist unabhängig vom projizierten Farbmaterial und kann explizit mit der Farbmesseinheit bestimmt werden.
Der in der Gleichung [1] angegebene Ausdruck besagt, dass sich die Farbe des vom Projektor 1 stammenden, remittierten Lichts und die Eigenfarbe der Projektionsfläche 2 additiv mischen. Ein Definitionsbereich G_ein dieser Funktion umfasst alle Farbvalenzen, die man in der Datenquelle numerisch angeben kann.
Die Kalibrierfunktion g lässt sich beispielsweise auf folgende Weise approximieren: g(Fein) = (M·Fein)γ ∀Fein ∈ Gein [2].
Hierbei ist eine Kalibriermatrix M eine 3×3-Matrix, und der Wert γ ein skalarer, positiver Wert. Der Punkt in Gleichung [2] kennzeichnet eine Matrix-Multiplikation, und die Potenzierung mit dem Wert γ ist auf jede Vektorkomponente getrennt anzuwenden. Vollständige Kalibrierdaten dieser Art erfordern also die Messung des Dunkelfarbwertes DFW sowie die Bestimmung der Kalibriermatrix M und des Wertes γ.
Zur Bestimmung des Wertes γ genügt es theoretisch, zwei homogene Farbflächen F zu projizieren und zu vermessen, wobei die zweite Eingangsfarbvalenz F_ein das μ-fache Produkt der ersten Eingangsfarbvalenz F_ein ist, wobei μ ≠ 1 ist.
Es seinen F⁽¹⁾ _aus und F⁽²⁾ _aus die gemessenen Ausgangsfarbvalenzen F_aus. Unter dieser Voraussetzung folgt aus den Gleichungen [1] und [2] folgende Berechnungsvorschrift für den Wert γ:
Hierbei sind f⁽¹⁾ _aus, f⁽²⁾ _aus und f_D jeweils z. B. die erste Komponente der Vektoren F⁽¹⁾ _aus, F⁽²⁾ _aus bzw. F_D.
Um den Wert γ genauer zu bestimmen, werden vorzugsweise mehr als zwei Farbflächen F projiziert, die Gleichung [3] auf jedes Paar von Farbflächen F angewendet und die Ergebnisse gemittelt.
Nachdem der Wert γ bekannt ist, lässt sich die Kalibriermatrix M bestimmen, indem man eine Vielzahl von Farbflächen F, mindestens jedoch drei, projiziert und vermisst.
Dabei seien F⁽¹⁾ _ein bis F⁽ⁿ⁾ _ein die Eingangsfarbvalenzen F_ein und F⁽¹⁾ _aus F⁽ⁿ⁾ _aus die Ausgangsfarbvalenzen F_aus dieser n Farbflächen F. Jeweils drei der Eingangsfarbvalenzen F_ein müssen linear unabhängig sein. Aus den bekannten Größen werden folgende Matrizen vom Format 3 × n gebildet:
Die Potenzierung mit dem Faktor 1/γ der Gleichung [5] ist elementweise zu verstehen. Mit diesen Hilfsgrößen ergibt sich folgende Vorschrift zur Berechnung der Kalibriermatrix M:
Die Punkt-Operatoren in Gleichung [6] bezeichnen wiederum Matrix-Multiplikationen, die Transponierung der Matrizen ist mittels des Symbols ”T” und die Matrix-Inversion anhand des Exponenten ”–1” dargestellt.
Mathematisch betrachtet ist der rechte, nur von P_ein abhängige Term in Gleichung [6] eine Pseudo-Inverse von P_ein. Durch diese Vorschrift werden die stochastischen Messfehler der Ausgangsfarbvalenzen F_aus im quadratischen Mittel minimiert. Die quadratische Restfehlersumme wird im Mittel umso kleiner, je größer man die Anzahl n der Farbvalenzen wählt.
Der Erfolg der Farbkalibrierung hängt nicht nur von der Anzahl n, sondern auch von einer speziellen Festlegung der Eingangsfarbvalenzen F_ein ab. Ein Anspruch der Erfindung besteht darin, dass man die Eingangsfarbvalenzen F_ein entsprechend dem Ziel der gewünschten Farbreproduktion festlegt. Es ist zweckmäßig, solche Farben zu wählen, die für das zu projizierende Bildmaterial repräsentativ sind.
Sollen vor allem Grafiken mit kontrastreichen, gesättigten Farben projiziert werden, ist beispielsweise folgende Auswahl von Eingangfarbvalenzen F_ein vorteilhaft:

(255, 0, 0)^T, (0, 255, 0)^T, (0, 0, 255)^T, (255, 255, 0)^T,

(255, 0, 255)^T, (0, 255, 255)^T, (255, 0, 0)^T, (255, 255, 255)^T.

Wenn es auf die optimale Wiedergabe von natürlichen Szenen ankommt, wählt man vorteilhaft eine Kombination natürlicher Farben, die in der Mehrzahl gering gesättigt sind. Die folgende Auswahl von sRGB-Farbvalenzen basiert auf einem bekannten Testfarbensatz:

(116, 81, 67)^T,	(195, 148, 128)^T,	(94, 120, 157)^T,	(85, 108, 71)^T,
(135, 130, 182)^T,	(95, 194, 177)^T,	(220, 127, 49)^T,	(74, 87, 162)^T,
(196, 85, 99)^T,	(94, 61, 107)^T,	(153, 191, 64)^T,	(235, 166, 47)^T,
(55, 57, 149)^T,	(59, 145, 71)^T,	(180, 51, 63)^T,	(238, 202, 35)^T,
(190, 82, 147)^T,	(0, 129, 167)^T,	(255, 255, 255)^T,	(203, 204, 205)^T,
(161, 163, 165)^T,	(119, 122, 124)^T,	(84, 85, 87)^T,	(50, 51, 53)^T.

Die Anlehnung an bekannte Testfarbensätze ist nicht zwingend. Je nach Art des zu projizierenden Bildmaterials können die Eingangsfarbvalenzen F_ein auch frei gewählt werden.
Die Kalibrierfunktion, im speziellen Fall die Kalibriermatrix M und der Wert γ, ist unabhängig von den Eigenschaften des Umgebungslichtes, da sich das Umgebungslicht vollständig in dem Dunkelfarbwert DFW widerspiegelt. Mathematisch heißt das: Der Dunkelfarbwert DFW ist ein unabhängiger Parameter der Kalibrierdaten.
Wenn sich das Umgebungslicht, z. B. die Sonneneinstrahlung, ändert, sonst jedoch die Projektionsbedingungen konstant bleiben, ist eine vollständige Neukalibrierung des Projektors 1 überflüssig. Lediglich der Dunkelfarbwert DFW sollte neu vermessen und der erwähnte unabhängige Parameter der Kalibrierdaten entsprechend korrigiert werden. Dieser Prozess erfordert einen geringen Zeitaufwand und lässt sich auch während der Präsentation durchführen.
Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Kalibrierdaten einen solchen unabhängigen Parameter des Dunkelfarbwertes DFW enthalten, dass eine vereinfachte Kalibrierung lediglich auf Basis des Dunkelfarbwertes DFW möglich ist.
Der oben beschriebene Zusammenhang zwischen den Eingangsfarbvalenzen F_ein und den Ausgangsfarbvalenzen F_aus ist nach Bestimmung der Kalibrierdaten vollständig bekannt und kann nun zur Korrektur der Farbvalenzen verwendet werden.
In den Gleichungen [1] und [2] ist die Ausgangsfarbvalenz F_aus durch die Sollfarbvalenz, d. h. die Eingangsfarbvalenz F_ein zu ersetzen, und die Eingangsfarbvalenz F_ein ist durch eine korrigierte Farbvalenz F_korr zu ersetzen. Die korrigierte Farbvalenz F_korr müsste an Stelle von der Eingangsfarbvalenz F_ein in der Datenquelle stehen, damit eine farbrichtige Projektion erfolgt.
Praktisch findet jedoch der Eingriff nicht direkt in der Datenquelle statt, sondern im Anwendungsprogramm oder in einem Grafikadapter, auf jeden Fall vor Eintritt des Farb- bzw. Bildsignals in den Projektor 1. Aus den Gleichungen [1] und [2] folgt damit: Fkorr = M–1·(Fein – FD)1/γ ∀Fein ∈ Gein [7].
Hierbei muss auch für die korrigierte Farbvalenz F_korr F_korr ∈ G_ein gelten, d. h. die korrigierte Farbvalenz F_korr muss im numerisch zulässigen Bereich liegen. Insbesondere sind negative Komponenten von der F_korr unzulässig. Wenn jedoch die Eingangsfarbvalenz F_ein eine dunkle Farbe darstellt, sind die Komponenten des Vektors der Eingangsfarbvalenz F_ein mitunter betragsmäßig so klein, dass die Komponenten des Vektors der korrigierten Farbvalenz F_korr gemäß Gleichung [7] negativ werden. Praktisch heißt das, dass bei Verringerung der Intensität des projizierten Lichtes eine tatsächliche Farbe in die Eigenfarbe der Projektionsfläche übergeht, wobei dieser Zustand mit keinem Mittel korrigierbar ist.
Um diesen Aspekt in der Korrekturvorschrift K zu berücksichtigen, ergibt sich als zweckmäßige Abwandlung von Gleichung [7]: Fkorr = λ·M–1·(Fein – FD)1/γ + (1 – λ)·Fein ∈Fein ∈ Gein [8].
Hierbei ist λ eine reelle Zahl mit 0 ≤ λ ≤ 1. Für λ = 0 gilt, dass korrigierte Farbvalenz F_korr gleich der Eingangsfarbvalenz F_ein ist, d. h. die Farbvalenz wird nicht korrigiert.
Im Grenzfall λ = 1 wird die Farbvalenz vollständig gemäß Gleichung [7] korrigiert. Der Wert λ ist für jede Eingangsfarbvalenz F_ein individuell so zu wählen, dass er möglichst nahe dem Wert ”1” liegt, aber die korrigierte Farbvalenz F_korr noch im zulässigen Bereich enthalten ist.
Der Zusammenhang zwischen der Eingangsfarbvalenz F_ein und der korrigierten Farbvalenz F_korr gemäß Gleichung [8] ist numerisch in einer standardisierten Form als so genanntes ICC-Farbprofil darstellbar.

1: Projektor
2: Projektionsfläche
3: Farbmesseinheit
3.1: Schnittstelle
3.2: Farbsensormodul
3.3: Fotoelektrischer Sensor
3.4: Objektiv
3.5: Datenverarbeitungseinheit
3.6: Laserstrahlgenerator
3.7: Schaltelement
3.8: Laserdiode
3.9: Optische Einheit
4: Verarbeitungseinheit
4.1: Schnittstelle
4.2: Schnittstelle
4.3: Testfarben-Erzeugungseinheit
4.4: Messdaten-Speichereinheit
4.5: Recheneinheit
4.6: Farbprofil-Zuweisungseinheit
B: Bohrung
DFW: Dunkelfarbwert
F: Farbfläche
F_aus: Ausgangsfarbvalenz
F_ein: Eingangsfarbvalenz
FW: Farbwert
H: Halter
K: Korrekturvorschrift
P: Farbprofil
S01 bis S11: Schritte des Verfahrens
T: Teilstrahl
L: Leitstrahl
X: Feld

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 007314283 B2 [0003]
- EP 1696679 A1 [0004]
- US 20041658068 A1 [0005]
- DE 60212441 T2 [0006]

Claims

Verfahren zur Farbkalibrierung eines Projektors (1), wobei aus einem Vergleich auf einer Projektionsfläche (2) erfasster Ausgangsfarbvalenzen (F_aus) eines projizierten Bildes mit Eingangsfarbvalenzen (F_ein) eines dem Projektor (1) zugeführten Bildsignals eine Korrekturvorschrift (K) für das dem Projektor (1) zugeführte Bildsignal abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Ausgangsfarbvalenzen (F_aus) ein Dunkelfarbwert (DFW) einer unbeleuchteten Projektionsfläche (2) und Farbwerte (FW) einer Anzahl aufeinander folgender, auf die Projektionsfläche (2) projizierter homogener Farbflächen (F) erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturvorschrift (K) derart gebildet wird, dass diese den Dunkelfarbwert (DFW) als unabhängigen Parameter enthält.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktuelle Korrekturvorschrift (K) aus einer hinterlegten Korrekturvorschrift (K) ermittelt wird, wobei der unabhängige Parameter durch einen aktuellen Dunkelfarbwert (DFW) ersetzt und der Anzahl projizierten Farbflächen (F) der Wert ”Null” zugewiesen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der projizierten Farbflächen (F) gemäß einer Anzahl von erwarteten Ausgangsfarbvalenzen (F_aus) einer zu projizierenden Bildfolge gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsfarbvalenzen (F_ein) der projizierten Farbflächen (F) gemäß den erwarteten Ausgangsfarbvalenzen (F_aus) einer zu projizierenden Bildfolge gewählt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Leitstrahlen (L) zur Ausrichtung auf die Projektionsfläche (2) erzeugt und auf die Projektionsfläche (2) projiziert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Korrekturvorschrift (K) ein oder mehrere Farbprofile (P) ermittelt werden, mittels derer das dem Projektor (1) zugeführte Bildsignal korrigiert wird.
Vorrichtung zur Farbkalibrierung eines Projektors (1), wobei eine Farbmesseinheit (3) zur Erfassung von Ausgangsfarbvalenzen (F_aus) eines mittels des Projektors (1) auf eine Projektionsfläche (2) projizierten Bildes und eine Verarbeitungseinheit (4) zu einem Vergleich der auf der Projektionsfläche (2) erfassten Ausgangsfarbvalenzen (F_aus) mit Eingangsfarbvalenzen (F_ein) eines dem Projektor (1) zugeführten Bildsignals vorgesehen sind, wobei die Verarbeitungseinheit (4) eine Recheneinheit (4.5) zu einer Ableitung einer Korrekturvorschrift (K) aus diesem Vergleich umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbmesseinheit (3) und die Verarbeitungseinheit (4) als eigenständige Einheit oder als separate eigenständige Einheiten ausgeführt sind und jeweils zumindest eine Schnittstelle (3.1, 4.1, 4.2) zu einer elektrischen und/oder elektronischen Verbindung mit dem Projektor (1) und/oder miteinander aufweisen, wobei die Verarbeitungseinheit (4) eine Testfarben-Erzeugungseinheit (4.3) zur Erzeugung von aufeinander folgenden homogenen Farbflächen (F) und eine Messdaten-Speichereinheit (4.4) zur Speicherung von der Farbmesseinheit (4) erfassten Farbwerte (FW) und/oder des Dunkelfarbwertes (DFW) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verarbeitungseinheit (4) Eingangsfarbvalenzen (F_ein) hinterlegt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (4) eine Farbprofil-Zuweisungseinheit (4.6) zur Übertragung von Farbprofilen (P) an ein Betriebssystem oder ein Anwendungsprogramm umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbmesseinheit (3) ein Farbsensormodul (3.2) mit einem fotoelektrischen Sensor (3.3) zur Ermittlung der Farbewerte (FW) und/oder des Dunkelfarbwertes (DFW) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbmesseinheit (3) eine Datenverarbeitungseinheit (3.5) zu einer Verarbeitung der ermittelten Farbwerte (FW) und/oder des Dunkelfarbwertes (DFW) in Ausgangsfarbvalenzen (F_aus) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbeimesseinheit (3) ein Objektiv (3.4) umfasst, mittels dem ein Ausschnitt der Projektionsfläche (2) auf dem fotoelektrischen Sensor (3.3) abbildbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbmesseinheit (3) einen Laserstrahlgenerator (3.6) und ein Schaltelement (3.7) zur Aktivierung und Deaktivierung dieses umfasst, wobei mittels des Laserstrahlgenerators (3.6) mehrere kollimierte Laserstrahlen erzeugbar sind, deren Strahlungsachsen zueinander derart geneigt sind, dass sie einen Raumwinkel eines vom Objektiv (3.4) erfassten Feldes (X) einschließen.