一种六基色投影显示技术

色域简介

我们将正常人眼能感知的所有可见光的集合称作色域(如图1所示)。在国际照明委员会(cie)的均匀色度空间里，电视接收机显现的彩色总范围(色域面积)是由摄像机感知，经信号处理后由显示器还原的彩色总和。我们用显示器还原的色域面积占均匀色度空间全部可见光谱面积的百分比称为色域覆盖率。显然，还原的色域覆盖率越大，还原图像的自然程度越高，可以再现的颜色就越丰富。

图1 正常视觉人眼在c.i.e.系统下的色域

电视系统色域损失的主要原因是图像捕获、处理、数据的播放以及显示过程中的非线性，以及整个系统与人眼视觉特性的不良匹配。那么，作为电视系统的末端显示器及电光转换器可否拓展色域呢?

随着数字处理技术的发展和电光转换器件的技术进步，通过彩色处理技术使得借助光学设备的色彩补偿变成可能。传统的显示设备的色域，例如crt和lcd，仅仅覆盖了眼睛可见色域的一小部分,不能高质量的还原色彩。因为物体真实的颜色无法用crt的色域空间完全覆盖(如图2所示)。尤其是深黄色、青绿色、紫罗兰色和深红色等，我们看电视时可明显感觉到电视还原的色彩与原物体彩色的差异,感受到了一个宽色域有色物体和电影被转成了"窄色域"的电视。

图2 传统crt色域覆盖图

所以，使用色度图技术可以补偿这些显示设备的色域差异。当然，任何显示设备都不可能还原出和原始色彩一模一样的。因此，我们期望显示设备可以重现一个更加广的色度范围。为了拓展传统rgb显示器的色域，通过对rgb纯三基色的数字处理和设定，原来在色度图中由rgb三种颜色所构成的色度三角形的跨距得到了扩大。然而，色域依然被限定在这个三角形的范围中，或者是一个3d色彩空间的六边形以内。

本文介绍一种多基色显示方法，也就是使用另外三个基原色来拓展色度空间。文中的一个六基色彩色投影显示模型是通过使用两个传统的rgb投影枪和六个光干涉滤波器来构成。使用干涉滤波器的目的是用来最大化cie-luv色彩空间中的色域值。试验系统拓展色度空间的能力也是通过与传统的crt和投影仪等设备的对比来评价的。

图3 多基色系统下色域变成了多边形

多基色显示技术

通过多基色显示，在色度图中可再现的彩色区域(色域)变成了一个多边形(如图3所示)，在3d彩色空间中形成了一个多面体。为了实现多基色色彩显示以扩大色域，可用多种方法产生成倍的窄带光线，例如，使用很多不同的窄带滤波器、光学衍射元件等等。当使用n个基色时，被图像光放大器(slms) 调制的n束窄带光线成像在屏幕上，色彩也会因为添加混合了n个基色而发生重组和变化。设每一个光谱的窄带光强为 [i=1,2,...,n]，则被n束窄带光重构后的光强可以用下式表示：

(1)

其中， [i=1,2,...,n]表示第i个基色的每一个像素的透射率。那么，使用cie-xyz三维色彩对应函数色彩在cie-xyz色彩坐标中被n基色经过函数重组后得到下式：

， (2)

其中，指的是第i基色在cie-xyz空间中的色彩坐标。这个色域在色度平面中会形成一个多边形，在三维色彩空间中会形成一个多面体，而它们的顶点就是。

现在，我们来考虑用多基色显示技术实现色彩还原的方法。一旦在三维色度空间中的色度值被给定，我们就要计算出相应信号的第i种基色像素的透射率 [i=1,2,...,n]。。六基色信号根据显示器件自身的动态范围，可以利用式(2)倒算出来。尽管将色彩从三维色度空间转换到六维基色信号空间需要涉及到一个由于位变异所导致的自由度的问题，式(2)的算式中的αi应保持在。要实现这种在限制范围内的转换的一种办法是采用查找表(lut)方法。然而，这个lut非常大，因而还需要进一步研究实现这些显示设备有效空间转化的方法。

六基色显示模型

光学设置

本文介绍的六基色投影显示模型是由两个传统的投影线管和六个干扰滤波器来构成。在这一模型中，两个投影管(victor公司具有d-ila型图像光放大器投影管)，其中，每个投影管上使用了3个反射型的slm做图像光放大器。在每个投影管上，由灯分离出的rgb三色光线通过双色镜发射出来，如图4中所示。

图4 六基色投影显示模型的光学设置(以单个投影管处为例)

为了用窄带光谱的光照亮这些slm图像光放大器，需要附加六个干扰滤波器来调制由两个投影管发出rgb的光线。这六个干扰滤波器的光谱如图5所示。其中，3个高通滤波器附加在一个投影管上， 3个低通滤波器附加在另外一个投影管上。两个投影管发出的六个窄带图像重叠在屏幕上，因此成像的色彩是由这六基色混合构成。

为使两个投影管将投射出的图像良好重叠，因投影管之间的差别而导致的失真需要得到补偿。基于这个目的，我们采用ccd照相机捕获每个投影管相应的交织成像来找出这种失真的特性，然后对每个发射管的图像进行预处理来补偿。

图5 低通(a)和高通(b)滤波器的光谱特性。

(rgb光谱强度由点划线显示)

滤波器的设置

为了使显示系统色度范围的扩大，设定滤波器截止波长值使显示系统在cie-luv统一色彩空间的色域最大化。一个投影管的高通滤波器所调制的红、绿、蓝三种颜色的截止取样波长的期望值分别是620、540和440(nm)。另一个投影管的低通滤波器所调制的红、绿、蓝三种颜色的截止取样波长的期望值分别为620、540和450(nm)。最终得到了基色光源的光谱强度，如图6所示。每一个基色的带宽在不同的带宽处变小了。在图6中，期望和产生于蓝色光，期望、，和、分别产生于绿色光和红色光。

图6 六基色的光谱强度

试验结果

在试验中，利用六基色投射显示器所还原的色域需要通过对比模型系统的每一个基色进行评价。利用这个系统获得的色域显示在图7中。这个色域相比于传统的crt和rgb发射管来说有所扩张，尤其在紫色、绿色和红色区域。

图7 在指定亮度条件下六基色投影显示系统的色域范围(实线)，以及传统的ebu的色域(点划线)和投影显示设备的色域(灰色线)。

表1为色域值(v)，以及色域覆盖率(w)的对比表，。在这个评价体系中，我们规定观察者所处的亮度是cie标准亮度c，而且每个显示设备全部发光时的亮度处于正常状态，这是参照cie-luv色彩空间中的白场来定的。从结果中可以看出，六基色投射设备相对于传统的rgb显示设备来说，色域扩大了。另外我们发现所用投影显示设备的色域值小于crt显示器，这是由于原来缺乏充分的对比所致，而六基色显示设备的色域覆盖率接近99.6%。

表1 色域空间的色彩重现的对比

v(x106)

w(%)

六基色系统

1.91

99.6

rgb投影

1.23

84.3

普通crt显示器

1.52

85.8

结语

本文阐述的多基色显示可用来实现更为开阔的色域空间，通过六基色的投影显示模型系统证明六基色显示设备扩展色域空间的能力。通过计算在cie-luv统一色彩空间显示设备的色度数值，证实六基色的显示设备在显示的亮度和观察的亮度相同的情况下，几乎可以全部覆盖真实的色彩表面。

参考文献：

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.电子工业出版社《高清电视数字视频原理与应用》黄晨 杨作梅 等译