1、第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报0133001-1研究论文广色域多基色显示系统的驱动图像生成方法李亚生1，廖宁放1*，李玉梅1，李松霖2，吴文敏1，范秋梅11北京理工大学颜色科学与工程国家专业实验室，北京 100081；2利亚德光电股份有限公司，北京 100091摘要 多基色显示是广色域显示技术的重要发展方向，但多基色显示系统目前面临着高分辨率、高帧率多基色驱动图像的获取问题。提出一种基于广色域 RGB相机的多基色驱动图像生成方法。以实际多基色 LED 点阵显示系统为例，首先建立了显示系统的 n基色空间与标准 CIE XYZ空间的转换模型，即正向转换模型；在正向模型的基
2、础上，建立了由 3基色空间到多基色空间的逆向转换模型，从而将 RGB 相机摄取的高分辨率彩色图像转换为 n基色显示系统的驱动图像。实验中，根据典型 5基色 LED 点阵显示器的色度参数分别建立了正向和逆向转换模型，并将 ColorChecker SG 色卡的广色域图像作为目标图像，完成了基色转换和色差分析。关键词 视觉光学；多基色显示；广色域显示；LED显示器；多光谱成像中图分类号 O432.3 文献标志码 A DOI：10.3788/AOS2211321引 言广色域显示器是近年来彩色显示技术领域的重要发展方向。传统的彩色显示系统的颜色标准主要以 sRGB 标准为代表，其色域三角形的范围非常有
3、限，因此难以满足众多新兴图像显示领域的需求。为此，相关国际机构陆续推出了一系列具有更广色域 的 显 示 系 统 标 准，包 括 AdobeRGB、DCI-P3、Rec.2020 等；但是这些新的广色域显示系统标准的色域范围仍然局限于某个三角形，难以覆盖更广的颜色空间。为了进一步增大彩色显示器的色域范围，人们开始研究多基色显示系统1-18，其中包括 4 基色6，8-9、5 基色6，12、6 基色6，18。传统的多基色显示技术大都采用 LED 背光 LCD 面板3，5，8-9，11-12，此外量子点薄膜4-5、量子点发光 LED（QLEDs）2、有机/聚合物发光二极管(OLEDs/PLEDs)6等
4、新技术也得到大力发展。在多基色显示系统的基础理论方面，大量的工作聚焦于多基色空间与 CIE 标准色度空间的转换模型研究1-2，14-16。本课题组近年来致力于一种新型多基色 LED 点阵显示系统的研究，该系统具有大尺寸、大亮度范围、广色域等特点，符合目前彩色图像显示领域的发展方向。多基色 LED 点阵显示器的关键技术之一是产生具有 n 个基色的高分辨驱动图像。众所周知，传统的多光谱相机很难以快照方式摄取高分辨率的多基色图像，而现有的 3 基色 RGB 彩色相机大都具有高分辨率、快照成像等特点，为此尝试采用高分辨率RGB 相机来生成多基色显示系统的驱动图像。根据现有的典型多基色 LED 点阵显示
5、器的色度参数，并结合色度学理论，建立了 n 基色图像空间与 CIE 标准XYZ 空间的转换模型，包括正向转换模型和逆向转换模型，并解决了由 3 基色空间到多基色空间转换所遇到的同色异谱问题，从而初步实现了将 RGB 相机采集的高分辨率彩色图像转换为 n 基色显示系统的驱动图像。通过实验验证了所提出方法的有效性，并分析了现有转换模型存在的问题。2多基色显示系统目前研究的 6基色 LED 点阵显示系统（图 1）包括目标、RGB相机、颜色转换模型、6基色驱动图像、LED点阵显示屏。其中，LED 点阵显示屏由 m 行和 n 列像素组成；每一个像素包含 6个子像素，这些子像素中的LED 由 6种窄带 L
6、ED 组成，它们的中心波长或主波长按照一定规律排列以获得理想的色域范围；在图像显示过程中，每一个像素作为一个图像单元，它所呈现的颜色由 6 个子像素的色光混合而成，理论上服从三刺激值叠加原理。因此，为了实现目标图像的标准化颜色再现，需要将目标的 RGB 图像转换为 6 个基色（k1，k2，k3，k4，k5，k6）的驱动图像。收稿日期：2022-05-16；修回日期：2022-06-13；录用日期：2022-07-04；网络首发日期：2022-07-14基金项目：国家自然科学基金（61975012）通信作者：*0133001-2研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报3广
7、色域 RGB相机现有研究表明，目前大多数的商业相机在硬件层面的颜色获取能力都是可以胜任广色域成像工作的19。为 此，分 别 测 量 了 Canon 1000D、Fuji X-E3、Nikon J1、Sony F828这 4种典型的数码相机的 RGB通道的光谱灵敏度曲线。测量过程中，设定单色仪的光谱范围为 430650 nm，波长间隔为 10 nm；相机的输出图像采用 Raw 格式，相机的白场色度设置 CIE 标准照明体 E，即等能白。只考虑相机硬件对其颜色获取能力的影响，将 4 个相机对单色光响应所得的 Raw 数据（RGB）以平面坐标（r，g）的形式绘制在坐标图上，如图 2所示，其中：r=R
8、R+G+Bg=GR+G+B，（1）式中：R、G、B 分别表示相机三个通道的响应值。从图 2中可以看出，Canon 1000D 在 4种相机中颜色区分能 力 最 强，其 次 是 Fuji X-E3。本 文 采 用 了 Canon 1000D相机进行实验。4多基色转换模型假设 n基色显示屏的颜色合成过程满足三刺激值叠加原理，则可以建立由 n基色的颜色刺激值空间（k1，k2，k3，kn）到 CIE1931 XYZ 三刺激值空间（X，Y，Z）的转换模型，称之为正向转换模型；在此基础上可以导出由（X，Y，Z）到（k1，k2，k3，kn）的转换模型，即逆向转换模型。在建立正向模型之前，需要分析显示设备各通
9、道的独立性20。LED 点阵显示器由于其各通道独立驱动且发光点互相分隔，在原理上具有较高的通道独立性21。以目前研究的一个 6 基色 LED 点阵显示系统为例，为了验证其独立性，用光谱辐亮度计PR715测量了各个通道在特定驱动值下单独驱动和组合驱动时的光谱辐亮度，如图 3所示；将各通道单独点亮时测得的曲线在数值上做加法，结果如图 3（b）虚线图 2典型 RGB相机的颜色获取能力测试结果Fig.2 Test results of color acquiring ability of typical RGB cameras图 1一种 6基色 LED点阵显示系统。（a）系统组成；（b）6基色 LED
10、光谱辐射分布；（c）6基色 CIE1931色品坐标Fig.1 System of 6-primary color LED display.(a)Configuration of system;(b)spectrum of 6-primary-color LED;(c)CIE1931 chromaticities of 6-primary LED0133001-3研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报所示，且将全部通道同时点亮的测量结果标注在图 3（b）中，可见该 LED 点阵显示系统具有较好的通道独立性，满足三刺激值叠加原理。4.1正向转换模型根据格拉斯曼定律，在通道
11、独立性的基础上，多基色显示的颜色结果是各个基色色度的叠加，以 n 基色显示系统为例，设 P1，P2，Pn 代表各个基色混色时的单位，（k1，k2，k3，kn）为各个基色混色时的数量，则混色结果为P P=k1 P1+k2 P2+kn Pn，（2）其中各个基色的单位以按照某种原则匹配出等能白 E光源来确定，即当 k1=k2=kn=1时，混色结果为等能白光 PE：PE=P1+P2+Pn。（3）用 CIE1931 XYZ 色度系统来表示式（2）所述的混色过程，设第 n 个基色通道产生的颜色的单位三刺激值 Pn 为（Xn，Yn，Zn），它对应的色品坐标为（xn，yn，zn），则有 xn=XnXn+Yn+
12、Znyn=YnXn+Yn+Znzn=ZnXn+Yn+Zn。（4）根据三刺激值的叠加原理，正向转换模型可表示为XYZ=X1X2X3XnY1Y2Y3YnZ1Z2Z3Zn k1k2k3kn，（5）式中：（k1，k2，k3，kn）为各通道驱动值。正向转换矩阵可表示为C=X1X2X3XnY1Y2Y3YnZ1Z2Z3Zn。（6）为了确定转换矩阵 C，根据（xn，yn，zn）与（Xn，Yn，Zn）的关系，则有C=c1x1c2x2c3x3cnxnc1y1c2y2c3y3cnync1z1c2z2c3z3cnzn，（7）因此，XYZ=c1x1c2x2c3x3cnxnc1y1c2y2c3y3cnync1z1c2z2
13、c3z3cnzn k1k2k3kn，（8）式中：待定常数 c1=X1+Y1+Z1，c2=X2+Y2+Z2，cn=Xn+Yn+Zn，需要通过求解式（8）来确定。为此，引入多基色显示系统的白平衡条件。设系统白场采用 CIE标准照明体的等能白，即 E照明体，则可以得到求解方程的条件 k1=k2=kn=1 且 X=Y=Z=1；将这些条件代入式（8），得到111=c1x1c2x2c3x3cnxnc1y1c2y2c3y3cnync1z1c2z2c3z3cnzn。（9）因此，当基色数量 n=3时，可以直接由式（9）求解3 个系数 c1、c2、c3；但是，当基色数量 n3 时，不能直接求出 n个系数 c1、c
14、2、cn。为此，针对典型 4通道、5通道和 6 通道系统，提出如图 4（a）（c）所示的建模策略。将各个通道按照中心波长从短到长排列：对于 4基色系统，采用通道（1，2，4）和（1，3，4）的组合策略；对于 5 基色系统，采用通道（1，3，5）和（2，4，5）的组合策略；对于 6基色系统，采用通道（1，3，6）、（2，4，6）和（2，5，6）的组合策略。建模策略的设定依照以下原则：一是每个三角形都要包含白场坐标；二是依据各基色的色品坐标位置赋予其权重，坐标独立性强的通道组合时使用次数更多。对于 4 基色系统，参照图 4（a）的策略，在式（9）的基础上，分别建立两组三刺激值：图 3通道独立性测试
15、结果。（a）各通道光谱辐亮度；（b）各通道光谱辐亮度叠加结果与同时点亮的实测结果Fig.3 Test results of channel independence.(a)Spectral radiance of each channel;(b)addition result and practical testing result of spectral radiance of all channels0133001-4研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报XYZ=c11x1c2x2c41x4c11y1c2y2c41y4c11z1c2z2c41z4k1k2k4，（1
16、0）XYZ=c12x1c3x3c42x4c12y1c3y3c42y4c12z1c3z3c42z4k1k3k4，（11）式中：c1、c4分别为两个分组各自的系数，c1=c11+c12，c4=c41+c42。对于式（10）和（11）这两个方程，分别代入白平衡条件 k1=k2=k3=k4=1，X=Y=Z=1，可以解出c11、c2、c41和 c12、c3、c42，最后将 2个方程合并为 1个方程：XYZ=12 c1x1c2x2c3x3c4x4c1y1c2y2c3y3c4y4c1z1c2z2c3z3c4z4 k1k2k3k4，（12）式（12）就是希望得到的 4 基色系统的正向转换模型，其中的 k1、k2、k3、k4可以看作 4幅基色图像的驱动值。对于 5基色系统，参照图 4（b）的策略，可以求出正向转换模型：XYZ=12 c1x1c2x2c3x3c4x4c5x5c1y1c2y2c3y3c4y4c5y5c1z1c2z2c3z3c4z4c5z5k1k2k3k4k5。（13）对于 6基色系统，参照图 4（c）的策略，可以求出正向转换模型：XYZ=13 c1x1c2x2c3x3c4x4c5x5c6x6