第０１卷第Ｏ３期２０１４年１ １月 电子科学技术 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０１．０１ Ｎｏ．０３ Ｎｏｖ．２０１４
ＬＥＤ显示器颜色失真实时色域校正方法 邓意成 ，苗静 ，丁铁夫 ，张鑫 （１．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春吉林，１３００３３； ２．长春希达电子技术有限公司，长春吉林，１３００３３）
摘要：颜色显示质量一直是各显示器厂商和广大消费者最关心的问题之一。本文针对不同显示器之 间的颜色失真问题，提出一种实时色域校正系统。文章首先介绍了不同显示器由于色域不同而出现的颜 色失真的问题，进而提出进行色域校正而减小图像失真带来的影响。然后针对显示器的显示原理，给出 显示器的显示模型，并根据显示模型给出了校正系数的计算方法。最后，根据显示控制系统的硬件特 性，提出两种色域校正的方法：系统前校正和系统中校正，分析了两种方法的优劣和应用场合。
关键词：色域校正：颜色失真 中圈分类号：０４３２．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：２０９５．８５９５（２０１４）０３．３１９．０３
ＬＥＤ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｒｅａｌ－－ｔｉｍｅ Ｃｏｌｏｒ Ｇａｍｕｔ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｙｉｃｈｅｎｇ Ｄｅｎｇ１，２，Ｊｉｎｇ Ｍｉａｏ ，Ｔｉｅｆｕ Ｄｉｎｇ’ ，Ｘｉｎ Ｚｈａｎｇ ’
【ｉ Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ．Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ．Ｊｉｌｉｎ．ｉ ３００３３．Ｃｈｉｎａ ２．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｃｅｄａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＣＯ，ＬＴＤ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，Ｊｉｌｉｎ，』３００１３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｌｏｒ ｄｉｓｐｌａｙ ｑｕａｌｉｔｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｄｉｓｐｌａｙ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ ａｎｄ￣ｏｎｓＢｍｅｒｓ ａｒｅ ｍｏｓｔ ｃｏｎｃｅｒｎｅｄ ａｂｏｕｔ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｃｏｌｏｒ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｓｐｌａｙ ｐｒｏｂｌｅｍ，ａ ｒｅａｌ・ｔｉｍｅ ｃｏｌｏｒ ｇａｍｕｔ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｆｉｒｓｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｌｏｒｓ ｄｕｅ ｔｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｓｐｌａｙ ｃｏｌｏｒ ｇａｍｕｔ ａｎｄ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｒｉｓｅ， ｔｈｅｎ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｇａｍｕｔ ｉｍａｇｅ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｂｒｏｕｇｈｔ ａｂｏｕｔ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｙ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｉｖｅｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒ ｄｉｓｐｌａｙ，ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙｓ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｇａｍｕｔ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｗｏ ｍｅｔｈｏｄｓ：ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂｅｆｏｒｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｂｏｔｈ ｍｅｔｈｏｄｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｇａｍｕｔ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ；Ｃｏｌｏｒ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ
１引言 现今流行的显示器：￣ｌＪＣＲＴ、ＬＣＤ、ＬＥＤ大屏 幕、ＯＬＥＤ等，由于其显示颜色的机理不同，均存在 不同程度的图像跨媒体颜色复制的问题。如何让不同 种类的显示器尽可能的还原自然界的真实色彩一直是 广大显示器工程师所关心的问题。 色域等特性被广泛应用于显示屏、背光源及照 明器械等设备中【１。】。虽然ＬＥＤ设备色域范围广，但显 示的颜色时常过于鲜艳，表现为颜色失真现象比较严 重。因此，为了还原出景物的真实色彩，需要将ＬＥＤ 显示设备的色域映射到标准的广播色域中。 颜色管理技术的提出用以解决计算机系统各种输 入、输出、显示设备之间图形图像传输、再现过程中 出现的颜色一致性问题。一个完善的基于色度的颜色 管理系统应包含以下几个关键环节：数字设备的色度 特性化、色域边界的描述和色域映射 。】。实际应用中 提高数字设备色度特性化的精度是相对困难的。其原 因在于数字图像设备种类较多，并且不同设备的颜色 处理方式往往不同，同时，设备参数也会对输出颜色 的效果产生较大影响。当不同数字图像设备的色域相 科学技术Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 交大时，尤其是源设备色域大于目标设备色域时， 生行色域映射后，复现图像和原图像相比会出现严 勺色彩失真。 针对色彩失真，有不少学者提出多种色域映射 但大多无法应用到实时变换的场合。本文针对 ）显示控制系统的硬件特性给出一种实时色彩校正 乓现方法。
彩色显示设备的色域特性化 彩色显示器的色域 色域通常使用均匀颜色空间中一个有界的体积来 彩色设备的颜色表现范围。每一种彩色设备由 乓表现颜色的结构、机理不同都对应不同的色域 习［８。”。图１为不同显示制式的色域图。
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ｌ 多 ● 兰 图１不同显示制式及设备的色域图 拥有不同色域范围的显示器在显示相同图像时， 出现颜色失真。如图２所示。
图２显示器颜色失真
Ｉ ＝ ） ｛ ＝ （Ｇ） ‘ ）
ｌ ＝ （ ） 根据三刺激值的叠加原理，并假设显示器具有色 品恒常陛，可以写出三个通道的合成色为：
Ｘ 】， Ｚ Ｘ ｇ ，一 ，一
， ） （Ｇ） ） （２）
［ｉ］Ｉ Ｘｒ－Ｘ乏ｇ，ｍ￣我 ］（３ ，ｒｏ，ｚ 是周围环境的三刺激值， ，， ， 表 示各通道的驱动参数，与各显示器的显示特性相关。 对于理想的显示器， ， ，ｚｆ （ ，：吕６）为每个 颜色通道的最大三刺激值，但由于采集设备的误差 及显示器显示原理或制作工艺的问题，通常 ，一，
，ｚｆ （ ，；ｇ ６）与实际各通道最大值有一定误差， 因此 ， ， （ ，：ｇ６）通常采用多项式回归等 方法来拟合。
３硬件实现 目前在硬件实现上，主要有两种实现方式。一种 是在显示系统前端增加色彩校正设备进行色彩校正， 而另一种则是在系统中集成色彩校正功能。在控制系 统前实现的优势在于不受控制系统限制，任何显示设 备均可加入色域变换功能，但缺点是会大大降低灰 度，使图像不清晰；在控制系统中实现的好处在于可 实现最佳的色域变换效果，但由于是定制系统，因此 无法在ＤＬＰ或液晶等显示设备上应用。
【Ｉ Ｉ ｊ ’ ｝ Ｉ ｆ Ｐｃ机Ｈ色彩变换Ｈ控制系统Ｈ显示屏 ｉ————一——————ｊ【——— 一一——一…————ｊ Ｌ一一——一——一————～ｊ ｌ一一一——————一——～一一｝ 糸统丽校正 ！彩色显示器的显示模型 假设显示器的红（Ｒ）、绿（Ｇ）、蓝（Ｂ）三个信号通道 ｌ Ｐｃ机Ｈ发送卡Ｈ接收卡＋色域变换Ｈ显示屏ｌ 拜幕上产生的亮度分别为 ，、 和 ，并假设它们 。＿一——Ｊ Ｌ—— …一… Ｌ＿＿＿＿…一一 孚自的驱动参数Ｒ、Ｇ、Ｂ的关系为： 图５实现色域变换的两种方式
一 一 ～ 第０３期 邓意成等：ＬＥＤ显示器颜色失真实时色域校正方法 ３．１控制系统前色域变换的实现方法 虽然系统前色域变换不如系统中色域变换的显示 效果好，但由于系统前色域变换的独立性，可实现多 种设备间的色域变换以达到一致的色彩显示效果。 由于显卡输出的视频大多是经过Ｇａｍｍａ校正的． 因此在进行色域变换前，应首先进行反Ｇａｍｍａ去除非 线性的影响。其计算公式为：
硬件功能框图为 ，２
蛩 匡 圜 图４硬件功能框图 由于显卡的等视频源的Ｇａｍｍａ和显示屏的Ｇａｍｍａ 数值可能不同，因此为达到最好的变换效果，其输入 反Ｇａｍｍａ￣Ｈ输出的Ｇａｍｍａ变换应是可调的。
３．２控制系统中色域变换的实现方法 目前市场上的通用控制系统一般都能达到１６ｂｉｔ的 灰度处理能力，相对于源端的８ｂｉｔ图像数据，精度大 幅提高。因此，如果希望得到较好的色彩校正效果， 应该在系统中集成色彩变换功能。
ｆ视频流］ Ｉ输入 ＿反丽 一 厂亮度］ 厂＿＿色＿域］ ｊ变换Ｉ ｝调节ｌ ｊ变换Ｉ ｒ税 页 ｆ输出Ｉ 一
一 一一 【亮度１ 校正ｌ
图５控制系统中实现色域变换的流程
图５给出了控制系统中实现色域变换的一般流 程。其计算公式为：
『 ］ｆ ：ｌ Ｌ ］ ］ｌ ｌ（５） Ｊ ｊ
本文针对显示器颜色失真的问题分析其产生的原 因，并给出显示器颜色校正的一种方法，并给出校正 系数的计算方法；配合这种校正方法，给出两种硬件 的实现方式。
参考文献： 【１］ 邓宏贵，李志坚，郭晟伟．基于ＬＥＤ电脉冲响应的ＬＥＤ显示屏 像素灰度校正方法叨．发光学报，２０１０，３１（０１）：１４５—１４８． Ｄｅｎｇ Ｈｏｎｇｇｕｉ，Ｌｉ Ｚｈｉｊｉａｎ，Ｇｕｏ Ｓｈｅｎｇｗｅｉ．Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｇｒａｙ ｖａｌｕｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ＬＥＤ ｄｉｓｐｌａｙ ｓｃｒｅｅｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬＥＤ ｅｌｅｃｌｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ，２０１０，３１（０１）：１４５— １４８（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）． 【２】 常军，杨东升，孙智慧，等，应用在大尺寸ＬＣＤ背照明的 ＬＥＤ元件设计 发光学报，２００８，２９（０１）：１９５．１９９． Ｃｈａｎｇ Ｊｕｎ，Ｙａｎｇ Ｄｏｎｇｓｈｅｎｇ，Ｓｕｎ Ｚｈｉｈｕｉ，ｅｔ ａ１．ＬＥＤ Ｄｅｓｉｇｎ Ｕｓｉｎｇ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ＬＣＤ Ｂａｃｌｄｉｇｈｔ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ，２００８，２９（０１）：１９５—１９９（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）． ［３】 Ｚｈａｎｇ Ｘｉａｎｄｏｕ，Ｘｕ Ｈａｉｓｏｎｇ．Ａｎ ａｄａｐｔｉｖｅｌｙ ｓｐａｔｉａｌ ｃｏｌｏｒ ｇａｍｕｔ ｍａｐｐｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００９，７（９）：８７３－８７７． ［４］ 黄庆梅，赵达尊．基于Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式表示色域边界的色域映射