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《信息技術與標準化雜志》2014年第六期

1激光顯示色彩管理技術

1.1算法色彩管理算法流程一般可分為三個階段：首先通過正向查找表，完成從非均勻RGB顏色空間到均勻顏色空間的轉換；然后進行色域擴展處理，限定色域擴展條件，創新色域擴展算法，以達到復現圖像充分發揮激光色域大、飽和度高這一優勢，這是研究重點；最后利用逆向查找表，完成從均勻顏色空間到RGB空間的轉換。傳統的查找表算法中一般選用立方體插值、三棱柱插值和四面體插值三種結構，如表1所示。如果可以采用三維插值法以外的方法或者綜合使用這三種插值算法，新的算法要盡量的利用資源，占用盡量少的模塊。最近提出的XYZ插值算法正向插值僅僅需要一個模塊，在邏輯門使用率上也降低了一倍。

1.2色域映射和擴展算法傳統的色域映射和擴展算法，都是將圖像拆分成單獨的像素點，然后再對每一個像素點進行從原色域到目標色域的映射和擴展，映射和擴展過程并未對圖像的內容進行分析，因此會造成復現后的圖像視覺失真。顯示中的色域擴展流程見圖2，一般先進行飽和度映射；再有選擇的進行色調映射；最后進行亮度映射。色調映射過程中，不改變顏色的色調，只是適度的加強。傳統色域映射算法，技術方面可以分為兩類：色域剪裁算法和色域壓縮算法。色域剪裁算法會造成原始圖像中不同的顏色經過色域剪裁算法后呈現出同一種顏色，所以大多數環境下，該算法不適用。而傳統的色域壓縮算法可分為順序壓縮和并行壓縮，常規的算法如：LLIN、LCLIP、LNLIN、LSLIN采用的就是順序壓縮的方法，SLIN、CUSP采用并行壓縮的方法。這種算法是將每個像素點的分量單獨處理，會造成處理后圖像失真和色彩不自然。另外一種可以將傳統色域映射算法分為同步和異步的映射算法，也是通過將圖像拆成獨立的像素點，并對像素點的飽和度和亮度用公式進行映射，同樣具有非常大的局限性，也會造成映射后顏色失真或者不同顏色變成同樣顏色。

1.3色彩管理芯片激光顯示的色彩管理芯片，除了具備一般視頻處理芯片的基本功能，還需要具備色域轉換的功能。在激光顯示中，實現色彩管理大多數是利用現場可編程門陣列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)，FPGA內部有豐富的觸發器和I/O引腳等資源，可以在色彩管理技術中被充分利用，并且FPGA兼容CMOS、TTL電平，功耗比較低，有助于降低激光顯示的總體功耗。FPGA芯片主要由七部分組成，即可編程輸入輸出單元(IOB)、基本可編程邏輯單元(CLB)、完整的時鐘管理(DCM)、嵌入式塊RAM、豐富的布線資源、內嵌的底層功能單元和內嵌專用硬件模塊。在激光顯示中，色彩管理和圖像處理等功能最終要在一塊即專用集成電路芯片中實現，也就是說色彩管理功能最終會依靠ASIC設計實現。

2相關標準體系

1954年，美國制定出用于電視信號傳輸的NTSC標準并根據當時CRT顯像管中所用的熒光粉規定了紅、綠、藍三基色坐標，隨后出現的YCC色彩標準中采用NTSC制式中的三基色坐標。而sRGB、scRGB、xvYCC三個顏色標準采用了另一套三基色坐標，如表2所示。在光源的選擇方面，YCC標準由于出現較早，和NTSC制式規定的光源一致選取了C光源(色溫為6774K的白光，相當于白天的自然光)，為了與當前大部分電子顯示設備保持一致，新制定的標準都選擇了D65作為光源(色溫為6504K的白光，相當于白天的平均光照)。在國際照明委員會(CIE)表色系統的四個色彩空間中，任何顏色都可以根據三刺激值進行表示，相同的顏色在不同的表色系統有著不同參數，參數可以通過數學公式進行轉換。與色彩標準對應的四個色彩空間如下：(1)CIE-RGB色彩空間CIE-RGB色彩空間是以單色(單一波長)為原色的特定集合，通過使用標準波長的紅光、綠光、藍光三基色原色獲得CIE-RGB色彩空間的顏色匹配函數，其中紅綠藍三基色的波長分為別700nm、546.1nm、435.8nm。(2)CIE-XYZ色彩空間在RGB系統的基礎上，為了克服RGB系統中出現的光譜三刺激值具有負值帶來的諸多不便，提出了新的XYZ系統,XYZ屬于非均勻顏色空間，如圖3所示為XYZ三刺激值曲線，在不同的色溫標準下，RGB三原色的色度坐標是不相同的，標準色溫有D65、D50等多種規格。(3)L*a*b色彩空間在CIE標準中，L*a*b*和L*C*h都屬于均勻顏色空間。L*表示顏色的亮度(L*=0表示黑色；L*=100表示白色)；分量a*表示顏色在品紅色和綠色之間的位置(a*負值表示綠色，a*正值表示品紅色)，分量b*表示顏色在黃色和藍色之間的位置(b*負值表示藍色，b*正值表示黃色)。(4)YUV色彩空間YUV是逐行倒相(PhaseAlterationLine，PAL)和順序傳送彩色與存儲(SequentielCouleurAMemoire，SECAM)模擬彩色電視制式采用的顏色空間。其中“Y”表示明亮度，而“U”和“V”同時表示色度。在顯示效果中，YUV空間的Y分量可以直觀的表示為觀察者感受到的顯示亮度，所以對視覺效果亮度的評估，更多的采用通過對Y分量大小評估的方式。四個色彩空間對應的色彩標準分別為YCC、sRGB、scRGB和xvYCC。(1)YCC標準YCC標準中的色差信號的概念，是將明度信號的全部信息保留，將Cr、Cb兩個色差信號通道大大壓縮，使傳輸所需的帶寬大大減小，從而保證了信號快速而準確地傳輸。YCC標準在不改變圖像清晰度的情況下，通過減小色彩通道的分辨率減小整個文件的尺寸。(2)sRGB標準sRGB標準是用于提升顯示器件色彩匹配的技術標準，它保證色彩的一致性。sRGB標準使用伽瑪校準系數為2.2的色彩空間。sRGB標定形式簡單，采集的色彩數據占用內存低。觀察CRT顯示器的sRGB顏色空間色域，可以看到它所覆蓋的色彩不足人眼所見的50%，尤其是藍-綠顏色區域，整體色域范圍不夠大，但sRGB標準適應低端用戶和企業的需求。(3)scRGB標準scRGB標準色彩空間是sRGB標準的擴展，對于單個顏色點的描述，scRGB標準中所需要的位數是sRGB的兩倍，將八位的sRGB擴展成了16位scRGB，而且scRGB標準不僅能夠使用整數，還能夠使用浮點數，因此scRGB標準能夠顯示更多的色彩，且其精細程度也比sRGB高，但對表現于黑色和純綠色而言，它們沒有區別。scRGB使用16位編碼，對負的三刺激值給予賦值，使得更多的色彩能夠重現，提高了圖像的品質。因此scRGB標準能夠滿足更高品質圖像的要求，它能夠在大色域的動態線形空間中工作。(4)xvYCC標準2006年初,IEC頒布了xvYCC標準，該標準是一個面向視頻系統的擴展色域YCC色空間標準，它為顯示器件的圖像色彩還原能力方面提供了評判依據。xvYCC標準不僅對孟塞爾色階中的色彩實現了完全再現，還將色域擴大到了原來的約1.8倍。尤其是對紅、綠、黃三色的再現范圍明顯增大。在xvYCC色彩范圍的攝錄影機所拍制的影片，如利用符合xvYCC標準的顯示器播放的動畫，其色彩能達到很好的色彩再現性。比較此四種標準，sRGB和scRGB標準的處理僅僅是一個簡單的伽瑪校正，如果要求顯示中的白點被校正的話，將導致眾多的復雜問題。而且sRGB標準色域范圍太窄，已經越來越不能滿足在顯示設備上對豐富色彩的再現要求。雖然xvYCC標準能表現高純度鮮艷色彩，但是目前xvYCC標準的普及度卻并不高，因為符合該標準的信號源及相應的顯示設備在市場上還不多見。而使用色彩管理技術，可以將現有NTSC信號源的色域擴展到符合xvYCC標準。若輸入信號符合xvYCC標準，經過測試激光顯示設備可以達到xvYCC標準130%~170%的色域覆蓋。

3結語

如果說激光顯示是一座蘊含巨大價值的礦藏，色彩管理技術則可以被看作是采礦作業的得力工具；如果沒有好的色彩管理系統，激光顯示的功用將得不到完全發揮。激光顯示色彩管理技術不是一種單一的技術，而是各種技術的綜合運用。目前，在激光光源、照明模組、圖像引擎、激光顯示整機設計和系統集成等關鍵技術方面已取得了一定突破。激光顯示產業需要促進激光顯示和色彩管理領域相應標準研究工作的開展，隨著激光顯示的標準框架初步形成，其色彩管理方面的標準化研究也必將深入。激光顯示行業的標準化方面以激光顯示整機檢查評價和光源技術的應用為主，除了較為成熟的顯示系統具有標準化可行性以外，其余技術的標準化尚不成熟。為了在激光顯示領域中占有一席之地，我國政府在自主創新方面已加大投入。在激光顯示時代，我國如從激光顯示色彩管理技術及其標準化方面入手，制定相關規范，必定在激光顯示顏色標準化方面搶占先機。如果將激光顯示技術中創新的色域控制模塊引入產業化運用，實現技術的突破，將打破美、日、韓等國長期以來在顯示技術方面的壟斷地位，提高我國在激光顯示領域的國際市場競爭力。

作者：王蔚生劉紅那柏林單位：華東師范大學信息科學技術學院上海電機學院電子信息學院中能激光顯示技術有限公司