一種六基色投影顯示技術

色域簡介
 
　　我們將正常人眼能感知的所有可見光的集合稱作色域（如圖1所示）。在國際照明委員會(CIE)的均勻色度空間里，電視接收機顯現的彩色總范圍（色域面積）是由攝像機感知，經信號處理后由顯示器還原的彩色總和。我們用顯示器還原的色域面積占均勻色度空間全部可見光譜面積的百分比稱為色域覆蓋率。顯然，還原的色域覆蓋率越大，還原圖像的自然程度越高，可以再現的顏色就越豐富。 
 

圖1  正常視覺人眼在C.I.E.系統(tǒng)下的色域    
 

　　電視系統(tǒng)色域損失的主要原因是圖像捕獲、處理、數據的播放以及顯示過程中的非線性，以及整個系統(tǒng)與人眼視覺特性的不良匹配。那么，作為電視系統(tǒng)的末端顯示器及電光轉換器可否拓展色域呢？
 
　　隨著數字處理技術的發(fā)展和電光轉換器件的技術進步，通過彩色處理技術使得借助光學設備的色彩補償變成可能。傳統(tǒng)的顯示設備的色域，例如CRT和LCD，僅僅覆蓋了眼睛可見色域的一小部分,不能高質量的還原色彩。因為物體真實的顏色無法用CRT的色域空間完全覆蓋（如圖2所示）。尤其是深黃色、青綠色、紫羅蘭色和深紅色等，我們看電視時可明顯感覺到電視還原的色彩與原物體彩色的差異,感受到了一個寬色域有色物體和電影被轉成了"窄色域"的電視。 
 

圖2  傳統(tǒng)CRT色域覆蓋圖
 

　　所以，使用色度圖技術可以補償這些顯示設備的色域差異。當然，任何顯示設備都不可能還原出和原始色彩一模一樣的。因此，我們期望顯示設備可以重現一個更加廣的色度范圍。為了拓展傳統(tǒng)RGB顯示器的色域，通過對RGB純三基色的數字處理和設定，原來在色度圖中由RGB三種顏色所構成的色度三角形的跨距得到了擴大。然而，色域依然被限定在這個三角形的范圍中，或者是一個3D色彩空間的六邊形以內。
 

　　本文介紹一種多基色顯示方法，也就是使用另外三個基原色來拓展色度空間。文中的一個六基色彩色投影顯示模型是通過使用兩個傳統(tǒng)的RGB投影槍和六個光干涉濾波器來構成。使用干涉濾波器的目的是用來最大化CIE-LUV色彩空間中的色域值。試驗系統(tǒng)拓展色度空間的能力也是通過與傳統(tǒng)的CRT和投影儀等設備的對比來評價的。 
 

圖3  多基色系統(tǒng)下色域變成了多邊形

多基色顯示技術
 
　　通過多基色顯示，在色度圖中可再現的彩色區(qū)域（色域）變成了一個多邊形（如圖3所示），在3D彩色空間中形成了一個多面體。為了實現多基色色彩顯示以擴大色域，可用多種方法產生成倍的窄帶光線，例如，使用很多不同的窄帶濾波器、光學衍射元件等等。當使用N個基色時，被圖像光放大器（SLMs） 調制的N束窄帶光線成像在屏幕上，色彩也會因為添加混合了N個基色而發(fā)生重組和變化。設每一個光譜的窄帶光強為 [i=1,2,...,N]，則被N束窄帶光重構后的光強可以用下式表示：

                    （1）
 
　　其中， [i=1,2,...,N]表示第i個基色的每一個像素的透射率。那么，使用CIE-XYZ三維色彩對應函數色彩在CIE-XYZ色彩坐標中被N基色經過函數重組后得到下式：
 
，                （2）
 
　　其中，指的是第i基色在CIE-XYZ空間中的色彩坐標。這個色域在色度平面中會形成一個多邊形，在三維色彩空間中會形成一個多面體，而它們的頂點就是。
 
　　現在，我們來考慮用多基色顯示技術實現色彩還原的方法。一旦在三維色度空間中的色度值被給定，我們就要計算出相應信號的第i種基色像素的透射率 [i=1,2,...,N]。。六基色信號根據顯示器件自身的動態(tài)范圍，可以利用式（2）倒算出來。盡管將色彩從三維色度空間轉換到六維基色信號空間需要涉及到一個由于位變異所導致的自由度的問題，式（2）的算式中的αi應保持在。要實現這種在限制范圍內的轉換的一種辦法是采用查找表（LUT）方法。然而，這個LUT非常大，因而還需要進一步研究實現這些顯示設備有效空間轉化的方法。

六基色顯示模型

光學設置

　　本文介紹的六基色投影顯示模型是由兩個傳統(tǒng)的投影線管和六個干擾濾波器來構成。在這一模型中，兩個投影管（Victor公司具有D-ILA型圖像光放大器投影管），其中，每個投影管上使用了3個反射型的SLM做圖像光放大器。在每個投影管上，由燈分離出的RGB三色光線通過雙色鏡發(fā)射出來，如圖4中所示。 
 

圖4  六基色投影顯示模型的光學設置（以單個投影管處為例）
 

　　為了用窄帶光譜的光照亮這些SLM圖像光放大器，需要附加六個干擾濾波器來調制由兩個投影管發(fā)出RGB的光線。這六個干擾濾波器的光譜如圖5所示。其中，3個高通濾波器附加在一個投影管上， 3個低通濾波器附加在另外一個投影管上。兩個投影管發(fā)出的六個窄帶圖像重疊在屏幕上，因此成像的色彩是由這六基色混合構成。
 
　　為使兩個投影管將投射出的圖像良好重疊，因投影管之間的差別而導致的失真需要得到補償?；谶@個目的，我們采用CCD照相機捕獲每個投影管相應的交織成像來找出這種失真的特性，然后對每個發(fā)射管的圖像進行預處理來補償。 
 

圖5 低通（a）和高通（b）濾波器的光譜特性。
 

（RGB光譜強度由點劃線顯示）
 

濾波器的設置
 

　　為了使顯示系統(tǒng)色度范圍的擴大，設定濾波器截止波長值使顯示系統(tǒng)在CIE-LUV統(tǒng)一色彩空間的色域最大化。一個投影管的高通濾波器所調制的紅、綠、藍三種顏色的截止取樣波長的期望值分別是620、540和440（nm）。另一個投影管的低通濾波器所調制的紅、綠、藍三種顏色的截止取樣波長的期望值分別為620、540和450（nm）。最終得到了基色光源的光譜強度，如圖6所示。每一個基色的帶寬在不同的帶寬處變小了。在圖6中，期望和產生于藍色光，期望、，和、分別產生于綠色光和紅色光。 
 

圖6  六基色的光譜強度
 

試驗結果
 

　　在試驗中，利用六基色投射顯示器所還原的色域需要通過對比模型系統(tǒng)的每一個基色進行評價。利用這個系統(tǒng)獲得的色域顯示在圖7中。這個色域相比于傳統(tǒng)的CRT和RGB發(fā)射管來說有所擴張，尤其在紫色、綠色和紅色區(qū)域。

 
　　圖7  在指定亮度條件下六基色投影顯示系統(tǒng)的色域范圍（實線），以及傳統(tǒng)的EBU的色域（點劃線）和投影顯示設備的色域（灰色線）。
 
　　表1為色域值（V），以及色域覆蓋率（W）的對比表，。在這個評價體系中，我們規(guī)定觀察者所處的亮度是CIE標準亮度C，而且每個顯示設備全部發(fā)光時的亮度處于正常狀態(tài)，這是參照CIE-LUV色彩空間中的白場來定的。從結果中可以看出，六基色投射設備相對于傳統(tǒng)的RGB顯示設備來說，色域擴大了。另外我們發(fā)現所用投影顯示設備的色域值小于CRT顯示器，這是由于原來缺乏充分的對比所致，而六基色顯示設備的色域覆蓋率接近99.6％。
 
表1 色域空間的色彩重現的對比
 

V(X106)
 

W(%)
 

六基色系統(tǒng)
 

1.91
 

99.6
 

RGB投影
 

1.23
 

84.3
 

普通CRT顯示器
 

1.52
 

85.8
 

結語
 
　　本文闡述的多基色顯示可用來實現更為開闊的色域空間，通過六基色的投影顯示模型系統(tǒng)證明六基色顯示設備擴展色域空間的能力。通過計算在CIE-LUV統(tǒng)一色彩空間顯示設備的色度數值，證實六基色的顯示設備在顯示的亮度和觀察的亮度相同的情況下，幾乎可以全部覆蓋真實的色彩表面。

參考文獻：
 
1.Six-primary color projection display for expanded color gamut reproduction. Takeyuki Ajito,Takashi Obi, Masahiro Yamaguchi,and Nagaaki Ohyama    Imaging Science and Engineering Laboratory,Toky Institute of Technology 4259 Nagatsuta,Midori-ku,Yokohama,226-8503,JAPAN

2.電子工業(yè)出版社《高清電視數字視頻原理與應用》黃晨 楊作梅 等譯