专利名称：一种构建液晶显示器颜色特征化分段分空间模型的方法
技术领域：
本发明涉及现代数字图像颜色管理系统中的显示设备，尤其是指一种构建液晶显示器颜色特征化分段分空间模型的方法。
背景技术：
随着计算机和多媒体技术的发展，扫描仪、数码相机、显示器和彩色打印机等数字图像设备在工业生产和日常生活中得到了广泛应用，但人们在享受数字图像设备带来好处的同时，也受到了不同设备间颜色传输时失真的困扰。以彩色电子印前系统(CEPS，Color Electronic Prepress Systems)为代表的传统颜色管理系统采用闭环方式对颜色进行管理，随着颜色管理的开放式和网络化，这种颜色管理系统越来越不能满足需要。为了解决不同数字图像设备传输颜色不一致的问题，1993年由Adobe、Agfa、Apple、Kodak、FOGRA、Microsoft、Silicon Graphics、Sun Microsystem及Taliget等公司发起并成立了国际颜色协会(ICC，International Color Consortium)，它为现代颜色管理系统规定了一个国际标准。该标准的颜色传输流程如图1所示，首先生成不同数字图像设备的颜色特征化文件，然后再通过颜色管理模块(CMM，Color Management Module)调用这些颜色特征化文件实现设备间的颜色传输，其中设备的颜色特征化文件实质上就是建立设备驱动值和设备无关颜色空间即设备特征描述文件链接空间(CIEXYZ或CIELAB)的对应关系。
数字图像设备分为输入设备、显示设备和输出设备，例如扫描仪、数码相机属于输入设备，显示器属于显示设备，打印机则属于输出设备。一般一幅图像的处理过程为首先图像经扫描仪扫描或数码相机拍摄后传输到电脑上，根据需要将图像做相应处理，直接观看或通过互联网传输或通过打印机打印输出，在整个数字图像处理流程中，显示器处于中转枢纽地位，因此对显示设备的颜色特征化显得很重要。由于液晶显示器在功耗、亮度和体积等方面明显优于传统的阴极射线管显示器，得到越来越广泛的应用，因此对液晶显示器的准确颜色特征化显得更为重要。
传统阴极射线管显示器的颜色特征化模型是建立在假设显示器满足色品恒定性和通道独立性基础上的，由于阴极射线管显示器已经有几十年的发展历史，制造工艺相对成熟，大部分阴极射线管显示器都能满足这两个假设条件，因此用简单的GOG(Gain Offset Gamma)等模型就能很好的颜色特征化这种显示器，而液晶显示器的发展历史比较短，工艺还不是很成熟，尤其是发光机理和特性上和阴极射线管显示器都有很大不同，大部分液晶显示器还不能很好的满足通道独立性和色品恒定性这两个假设条件，因此若简单的用GOG等模型来颜色特征化这种显示器，模型预测精度比较低。
目前，很少有简单且实用的液晶显示器颜色特征化模型，有些甚至需要建立液晶显示器设备驱动值RGB和CIE1931XYZ的三维查找表，需要大量的测量数据，既费时又加大了颜色管理系统的存储空间，无法满足需要。
发明内容
本发明提供了一种简单、需要测量的训练样本少且精度高的构建液晶显示器颜色特征化分段分空间模型的方法。
一种构建液晶显示器颜色特征化分段分空间模型的方法，包括以下步骤(1)通过液晶显示器的色温、亮度和对比度设置按钮设置显示器，使显示器色温、亮度和对比度满足使用需求，同时保证在显示器驱动值很高时对应颜色的CIE1931XYZ三刺激值(国际照明委员会1931标准色度观察者三刺激值)不出现饱和现象；(2)检验液晶显示器单色通道的色品特性，分别测量单色通道不同驱动值时对应颜色的色品坐标x、y和z，若测量得到的为CIE1931XYZ值，则去除黑点(R＝G＝B＝0，R、G和B分别为红色、绿色和蓝色通道的驱动值)后通过下式得到其色品坐标x、y和zx=XX+Y+Z]]>y=YX+Y+Z]]>z＝1-x-y
若测量得到的是Yxy(亮度为Y，色品坐标为x，y)，则通过下式计算色品坐标zz＝1-x-y分别找出红色通道驱动值和对应的x色品坐标的关系，绿色通道驱动值和对应的y色品坐标的关系，蓝色通道驱动值和对应的z色品坐标的关系；(3)检验液晶显示器通道间的干扰特性，分别测量每个通道对应的单色通道(其他两个通道的驱动值为零)和混合色通道(其他两个通道驱动值为最大值)在该通道不同驱动值下对应颜色的CIE1931XYZ值，若测量得到的是Yxy，通过下式计算对应的X、Y和Z值X=xy×Y]]>Y＝YZ=1-x-yy×Y]]>画出每个通道对应的单色通道和混合色通道的阶调再现曲线，具体红色通道为归一化X和归一化红色通道驱动值的函数曲线，绿色通道为归一化Y和归一化绿色通道驱动值的函数曲线，蓝色通道为归一化Z和归一化蓝色通道驱动值的函数曲线。找出每个通道受另外两个通道的干扰情况；(4)根据各通道不同驱动值下的色品特性和通道间的干扰特性，将各通道的驱动值分为三段，红色通道的两个分界点记为(MR，NR)，绿色通道记为(MG，NG)，蓝色通道记为(MB，NB)；(5)分别用二次多项式表示单色通道各个分段区间内X、Y和Z三刺激值随该通道在这个区间内归一化驱动值的关系，如以红色通道为例，三刺激值可以表示为TRi=a1i+b1i×r+c1i×r2R<=MRTRi=a2i+b2i×r+c2i×r2MR<R<=NRTRi=a3i+b3i×r+c3i×r2R>NR]]>(i为X、Y或Z)式中，r为红色通道的归一化驱动值，TRi(i为X、Y或Z)为红色通道对应颜色的三刺激值，aji、bji和cji(j＝1，2，3)为常数，MR和NR分别为红色通道驱动值的低中分界点和中高分界点，通过显示器的色品恒定特性和通道独立特性确定；
对于绿色和蓝色通道也做同样处理；(6)通过三个通道的6个分界点，将整个驱动值空间分为27个子空间，根据通道间的干扰特性，再将上述27个子空间分为三类a.三个通道的驱动值中最多只有一个大于对应通道的分界点M，共7个子空间；b.三个通道的驱动值中有两个大于对应通道的驱动值M，共12个子空间；c.三个通道的驱动值都大于对应通道的驱动值M，共8个子空间；(7)分别计算驱动值位于三类空间时对应颜色的三刺激值当三个通道的驱动值位于a类空间时，不考虑通道间的干扰，各个驱动值对应通道分段函数求得的三刺激值直接相加后，再加上黑点对应的三刺激值即得混合色通道对应颜色的三刺激值，例如当混合色三个通道驱动值位于7个子空间中的R＜＝MR、G＜＝MG、B＜＝MB子空间时，其对应颜色的三刺激值可以表示为Ti＝TBlack+TRi+TGi+TBi其中TBlack为黑点的三刺激值，TRi、TGi和TBi分别为红色、绿色和蓝色通道驱动值对应分段函数的三刺激值。其它a类子空间也做同样处理；当三个通道的驱动值位于b类空间时，除a类空间得到的三刺激值外，还需考虑驱动值大于对应分界点M的两个通道间的干扰，例如当混合色三个通道驱动值位于12个子空间中的MR＜R＜＝NR、MG＜G＜＝NG、B＜＝MB子空间时，其对应颜色的三刺激值可以表示为Ti＝TBlack+TRi+TGi+TBi+di+ei×r×g其中r和g分别为红色和绿色通道的归一化驱动值，后面两项为干扰项，di和ei为常数，可通过该子空间的训练样本来拟合确定。其它b类子空间也做同样处理；当三个通道驱动值位于c类空间时，除a类空间得到的三刺激值外，还需考虑三个通道间的干扰，例如当混合色三个通道驱动值位于8个子空间中的MR＜R＜＝NR、MG＜G＜＝NG、MB＜B＜＝NB子空间时，其对应颜色的三刺激值可以表示为Ti＝TBlack+TRi+TGi+TBi+di+ei×r×g+fi×g×b+hi×r×b+ki×r×g×b其中b为蓝色通道的归一化驱动值，后面五项为干扰项，di、ei、fi、hi和ki为常数，可通过该子空间的训练样本拟合确定。其它c类子空间也做同样处理；(8)按照IEC 61966-4标准设置实验装置，获得包括如下三个数据集合的训练样本第一个数据集合为(R，G，B)＝(IR，0，0)，(R，G，B)＝(0，IG，0)，(R，G，B)＝(0，0，IB)，其中红色通道的IR＝MR/3、2×MR/3、MR、MR+(NR-MR)/3、MR+2×(NR-MR)/3、NR、NR+(Rmax-NR)/3、NR+2×(Rmax-NR)/3和Rmax，其中Rmax为红色通道的最大驱动值。蓝色和绿色通道IG和IR的取法类似于红色通道，该数据集合共有27个训练样本；第二个数据集合为(R，G，B)＝(JR，JG，MB/2)，(R，G，B)＝(JR，MG/2，JB)，(R，G，B)＝(MR/2，JG，JB)，其中JR为MR、NR和Rmax，JG为MG、NG和Gmax，JB为MB、NB和Bmax，其中Gmax和Bmax分别为绿色和蓝色通道的最大驱动值，该数据集合共有27个样本组合；第三个数据集合为(R，G，B)＝(LR，LG，LB)，其中LR为MR、NR和Rmax，LG为MG、NG和Gmax，LB为MB、NB和Bmax，共有27个样本组合；上述三个数据集合中若计算得到的驱动值为小数，则就近取整。将上述所有测量的数据集合进行黑点去除，作为分段分空间模型的训练样本。其中第一个数据集合得到的训练样本用于分段函数系数的拟合，第二个数据集合得到的训练样本用于b类空间干扰项系数的拟合，第三个数据集合得到的训练样本用于c类空间干扰项系数的拟合；上述三个数据集合还可以根据不同分段区间或空间内显示器的色品不恒定、通道干扰特性以及区间或空间大小均匀选取适当数目的训练样本，且分界点上的训练样本用于与它相邻的两个分段函数或两个空间中方程的系数拟合，这样既可以高效地利用训练样本，又可以使在分界点附近的三刺激值保持连续；(9)利用最小二乘法，用步骤(8)中获得的各个分段函数及子空间内的训练样本分别对其对应分段函数及子空间干扰项系数拟合(其中分界点上的训练样本用于与它相邻的两个分段函数或两个空间中方程的系数拟合)，得到各个子空间内显示器归一化驱动值r、g、b和CIE1931XYZ三刺激值的对应关系，完成显示器的颜色特征化。
本发明通过驱动值空间的划分有效的减弱了色品不恒定和通道不独立对液晶显示器颜色特征化精度的影响，提高了模型预测精度。另外本发明尽量选取分界点作为训练样本，且处于分界点上的训练样本用于与之相邻的两个分段函数或子空间中函数系数的拟合，这样既高效地利用了训练样本又增加了模型预测三刺激值在分界点附近的连续性。本发明在训练样本数不多的情况下实现了对液晶显示器的准确颜色特征化。
图1为现代颜色管理系统颜色传输流程图；图2为本发明液晶显示器三色通道色品坐标随驱动值的变化关系图；图3为本发明绿色和蓝色通道对红色通道阶调再现曲线的影响关系图；图4为本发明分段分空间模型的实验装置图。
具体实施例方式
以数字化驱动值为8位的一台液晶显示器为例，颜色特征化这台显示器的分段分空间模型包括以下步骤(1)通过色温设置按钮设置液晶显示器的色温，使色温满足使用需求，通过亮度和对比度设置按钮使液晶显示器亮度和对比度满足需求，同时保证在显示器驱动值很高时对应颜色的CIE1931XYZ三刺激值不出现饱和现象；(2)检验液晶显示器单色通道的色品特性，用PR-650光谱辐射度计分别测量红色、绿色和蓝色通道驱动值分别在16、32、48、64、80、96、112、128、144、160、176、192、208、224、240和255下对应颜色的CIE1931XYZ值，去除黑点(R＝G＝B＝0，R、G和B分别为红色、绿色和蓝色通道的驱动值)后通过下式得到其色品坐标x、y和zx=XX+Y+Z]]>y=YX+Y+Z]]>z＝1-x-y分别找出红色通道驱动值和对应的x色品坐标的关系，绿色通道驱动值和对应的y色品坐标的关系，蓝色通道驱动值和对应的z色品坐标的关系，如图2所示；(3)检验液晶显示器通道间的干扰特性，用PR-650光谱辐射度计分别测量每个通道对应的单色通道(另外两个通道的驱动值为零)和混合色通道(另外两个通道的驱动值为最大值)在不同驱动值下对应颜色的CIE1931XYZ值。三个单色通道对应颜色的三刺激值已在步骤(2)中获得，需要测量的混合色通道对应的驱动值为(HR，255，255)，(255，HG，255)和(255，255，HB)，其中HR、HG和HB都为16、32、48、64、80、96、112、128、144、160、176、192、208、224、240和255。
画出每个通道对应的单色通道和混合色通道对应的阶调再现曲线，具体红色通道为归一化X和归一化红色通道驱动值的关系，绿色通道为归一化Y和归一化绿色通道驱动值的关系，蓝色通道为归一化Z和归一化蓝色通道驱动值的关系。找出每个通道受其他两个通道的干扰情况，图3所示为红色通道受绿色和蓝色两个通道的干扰情况；(4)根据各通道不同驱动值下的色品特性和通道间的干扰特性，将各通道的驱动值分为三段，红色、绿色和蓝色通道的两个分界点都分别取64和128。
(5)分别用二次多项式拟合单色通道各个分段区间内X、Y和Z三刺激值随该通道在这个区间内归一化驱动值的关系，如以红色通道为例，三刺激值可以表示为TRi=a1i+b1i×r+c1i×r2R<=64TRi=a2i+b2i×r+c2i×r264<R<=128TRi=a3i+b3i×r+c3i×r2R>128]]>(i为X、Y或Z)式中，r为红色通道的归一化驱动值，TRi(i为X、Y或Z)为三刺激值，aji、bji和cji(j＝1，2，3)为常数；对于绿色和蓝色通道也做同样处理；(6)通过三个通道的6个分界点将整个驱动值空间划分为27个子空间，并根据通道间的干扰特性，再将这27个子空间分为三类a.三个通道的驱动值中最多只有一个大于64，共7个子空间；b.三个通道的驱动值中有两个大于64，共12个子空间；c.三个通道的驱动值都大于64，共8个子空间；(7)分别计算驱动值位于三类空间时对应的三刺激值
当三个通道的驱动值位于a类空间时，不考虑通道间的干扰，各个驱动值对应通道分段函数求得的三刺激值直接相加后，再加上黑点对应的三刺激值即得混合色通道的三刺激值，例如当混合色三个通道驱动值位于7个子空间中的R＜＝64、G＜＝64、B＜＝64子空间时，其对应颜色的三刺激值可以表示为Ti＝TBlack+TRi+TGi+TBi其中TBlack为黑点的三刺激值，TRi、TGi和TBi分别为红色、绿色和蓝色通道驱动值对应分段函数的三刺激值。其它a类子空间也做同样处理；当三个通道的驱动值位于b类空间时，除a类空间得到的三刺激值外，还需考虑驱动值大于64的两个通道间的干扰，例如当混合色三个通道的驱动值位于12个子空间中的64＜R＜＝128、64＜G＜＝128、B＜＝64子空间时，其对应颜色的三刺激值可以表示为Ti＝TBlack+TRi+TGi+TBi+di+ei×r×g其中r和g分别为红色和绿色通道的归一化驱动值，后面两项为干扰项，di和ei为常数，可通过该子空间的训练样本来拟合确定。其它b类子空间也做同样处理；当三个通道驱动值位于c类空间时，除a类空间得到的三刺激值外，还需考虑三个通道间的干扰，例如当混合色三个通道的驱动值位于8个子空间中的64＜R＜＝128、64＜G＜＝128、64＜B＜＝128子空间时，其对应颜色的三刺激值可以表示为Ti＝TBlack+TRi+TG+TBi+di+ei×r×g+fi×g×b+hi×r×b+ki×r×g×b其中b为蓝色通道的归一化驱动值，后面五项为干扰项，di、ei、fi、hi和ki为常数，可通过该子空间的训练样本拟合确定。其它c类子空间也做同样处理；(8)进行实验，其实验装置如图4所示，屏幕有效高度为h，屏幕和测量仪器之间的距离为4h，待测色块大小为h/5×h/5，将待测色块显示在屏幕正中央，屏幕的其它区域设置为黑色；用PR-650光谱辐射度计测量训练样本，训练样本包括如下三个数据集合第一个数据集合为(R，G，B)＝(IR，0，0)，(R，G，B)＝(0，IG，0)，(R，G，B)＝(0，0，IB)。以红色通道为例，其中IR为21、43、64、85、107、128、170、213和255。其中(21，0，0)、(43，0，0)和(64，0，0)用于TRi＝a1i+b1i×r+c1i×r2(R＜＝64)的多项式拟合，(64，0，0)、(85，0，0)、(107，0，0)和(128，0，0)用于TRi＝a2i+b2i×r+c2i×r2(64＜R＜＝128)的多项式拟合，(128，0，0)、(170，0，0)、(213，0，0)和(255，0，0)用于TRi＝a3i+b3i×r+c3i×r2(R＞128)的多项式拟合。蓝色和绿色通道IG和IB的取法及用法类似于红色通道。该数据集合共有27个训练样本；第二个数据集合为(R，G，B)＝(JR，JG，32)，(R，G，B)＝(JR，32，JB)，(R，G，B)＝(32，JG，JB)，其中JR、JG和JB都为64、128或255，三个集合共有27个训练样本，用于b类空间干扰项的数据拟合，使每一子空间均有4个训练样本。例如64＜R＜＝128、64＜G＜＝128且B＜＝64子空间的训练样本为(64，64，32)、(64，128，32)、(128，64，32)和(128，128，32)，其它11个子空间的训练样本取法类似于64＜R＜＝128、64＜G＜＝128、B＜＝64子空间；第三个数据集合为(R，G，B)＝(LR，LG，LB)，其中LR、LG和LB都为64，128或255，共有27个样本组合，用于c类空间干扰项的数据拟合，使每一子空间有8个训练样本。例如64＜R＜＝128，64＜G＜＝128且64＜B＜＝128子空间，其训练样本为(64，64，64)、(64，64，128)、(64，128，64)、(64，128，128)、(128，64，64)、(128，64，128)，(128，128，64)和(128，128，128)。其它7个子空间的取法类似于64＜R＜＝128、64＜G＜＝128、64＜B＜＝128子空间；其中上述数据集合必须经过黑点去除后才能作为训练样本；(9)利用最小二乘法，用步骤(8)中获得的各个分段函数及子空间内的训练样本分别对其对应分段函数及子空间干扰项系数拟合(其中分界点上的训练样本用于与它相邻的两个分段函数或两个空间中方程的系数拟合)，得到各个子空间内显示器归一化驱动值r、g、b和CIE1931XYZ三刺激值的对应关系，完成显示器的颜色特征化。
权利要求
1.一种构建液晶显示器颜色特征化分段分空间模型的方法，其特征在于包括以下步骤(1)通过液晶显示器的色温、亮度和对比度设置按钮设置显示器，使显示器色温、亮度和对比度满足使用需求，同时保证显示器在驱动值很高时对应颜色的CIE1931XYZ三刺激值不出现饱和现象；(2)检验液晶显示器红色、绿色、蓝色通道的色品特性，分别测量各个通道不同驱动值时对应颜色的色品坐标x、y和z，找出红色通道驱动值和对应的x色品坐标的关系，绿色通道驱动值和对应的y色品坐标的关系，蓝色通道驱动值和对应的z色品坐标的关系；(3)检验液晶显示器通道间的干扰特性，分别测量每个通道对应的单色通道和混合色通道在该通道不同驱动值下对应颜色的CIE1931XYZ值，画出每个通道对应的单色通道和混合色通道的阶调再现曲线，找出每个通道受另外两个通道的干扰情况；(4)根据各通道不同驱动值下的色品特性和通道间的干扰特性，将各通道的驱动值分为三段，红色通道的两个分界点记为(MR，NR)、绿色通道记为(MG，NG)，蓝色通道记为(MB，NB)；(5)分别用二次多项式表示单色通道各个分段区间内X、Y和Z三刺激值随该通道在该区间内归一化驱动值的关系；(6)通过步骤(4)所述的三个通道的6个分界点，将整个驱动值空间划分为27个子空间，根据通道间的干扰特性，再将上述27个子空间分为三类a.三个通道的驱动值中最多只有一个大于对应通道的分界点M，共7个子空间；b.三个通道的驱动值中有两个大于对应通道的驱动值M，共12个子空间；c.三个通道的驱动值都大于对应通道的驱动值M，共8个子空间；(7)分别计算驱动值位于三类空间时对应颜色的三刺激值，当三个通道的驱动值位于a类空间时，无需考虑通道间的干扰，各个驱动值对应通道分段函数求得的三刺激值相加后，再加上黑点对应的三刺激值即得混合色通道对应颜色的三刺激值；当三个通道的驱动值位于b类空间时，除a类空间得到的三刺激值外，还需考虑驱动值大于对应分界点M的两个通道间的干扰；当三个通道驱动值位于c类空间时，除a类空间得到的三刺激值外，还需考虑三个通道间的干扰；(8)按照IEC 61966-4标准设置实验装置，选取分界点及均匀划分分段区间或空间的驱动值对应的颜色进行测量，并将测量得到的三刺激值进行黑点去除，作为分段分空间模型的训练样本；(9)利用最小二乘法，用步骤(8)中获得的各个分段函数及子空间内的训练样本分别对其对应分段函数及子空间干扰项系数拟合，得到各个子空间内显示器归一化驱动值r、g、b和CIE1931XYZ三刺激值的对应关系，完成显示器的颜色特征化。
全文摘要
本发明公开了一种构建液晶显示器颜色特征化分段分空间模型的方法，该模型根据显示器不同驱动值下的色品特性和通道间干扰特性将显示器的驱动值空间分为三类子空间，根据这三类子空间的不同特性分别对显示器进行颜色特征化。通过空间的划分，有效的减弱了色品不恒定和通道不独立对颜色特征化精度的影响。本发明还设计了相应的训练样本，特意选取分界点上的值作为分段分空间模型的训练样本，分界点上的训练样本用于和它相邻的两个分段函数或子空间中函数系数的拟合，这样既高效地利用了训练样本，同时又增加了分界点处三刺激值的连续性。分段分空间模型在训练样本数不多的情况下取得了较高的颜色预测精度。
文档编号G09G5/02GK101042832SQ200710068350
公开日2007年9月26日 申请日期2007年4月27日 优先权日2007年4月27日
发明者徐海松, 张显斗 申请人:浙江大学