专利名称：用于多通道投影显示系统减少通道间色彩差异的色彩校正方法
技术领域：
本发明涉及多通道投影显示系统的色彩校正方法。
背景技术：
多通道投影显示显示系统利用多个投影仪，将多个图像发生器或视频源产生的图像投影在平面或曲面投影幕上，形成一个连续统一的整体画面。多通道投影显示系统广泛地用于飞行、船舶等模拟器的大视场视景显示，以及指挥控制系统的大屏幕显示。
由于投影机镜头和灯泡光学特性差异、电子元件对色彩还原的误差等多种因素影响，在屏幕上的各通道投影图像必然存在色彩差异。多通道投影显示系统的一个技术难题是如何使不同的投影通道在屏幕上的投影图像亮度均匀、色彩一致。目前，解决各投影通道投影图像色彩不一致的方法有两种第一种是使用带有色彩校正装置的投影机，其色彩校正效果好，但是投影机设备价格昂贵，不具有通用性；第二种是对输入图像色彩进行调整的色彩校正机，使投影机输出的投影图像色彩一致。但是现有技术需要对图像的亮度、色彩和灰度分别进行校正，而且必须使用色度仪等专业设备，而且需要较长时间。
发明的内容本发明的目的是提供一种自动对投影图像色彩进行校正的方法。本发明能自动检测投影图像色彩值与目标色彩值之间的差异，通过调整输入图像色彩值，以减少各通道投影图像的差异。
本发明是这样实现的一种用于多通道投影显示系统减少通道间色彩差异的色彩校正方法，系统由图像发生器、图像校正机、投影机、调试计算机、色彩测量设备和投影屏幕组成；图像发生器、图像校正机和投影机组成投影通道；系统有至少两个投影通道；色彩校正方法步骤如下(1)各投影通道的图像发生器产生输入图像，经图像校正机校正后输入投影机，投影到投影屏幕，色彩测量设备获得屏幕图像的色彩值，输入调试计算机的色彩转换单元，得到各个投影通道输入图像色彩值到屏幕图像色彩值的色彩映射数据，存入存储器；(2)调试计算机根据各通道的色彩映射数据，计算得到系统的目标色彩映射数据，存入存储器；(3)调试计算机计算各个通道的色彩校正系数，图像校正机使用色彩校正系数对图像发生器产生的输入图像进行校正，将校正后图像输入投影机，投影到屏幕，通过色彩测量设备获得色彩映射数据，计算校正后色彩映射数据与目标色彩映射数据的差异，如果前后两次校正的差异值已收敛到设定误差范围内，则色彩校正完成；否则再次进行步骤(3)；(4)将步骤(3)获得的色彩校正系数存入图像校正机，图像校正机使用色彩校正系数，对输入图像进行处理，将校正后图像输入投影机。
步骤(1)中计算色彩映射数据方法如下图像发生器产生输入图像，色彩测量设备测量得到与输入图像象素色彩值对应的屏幕图像色彩值，使用一帧或多帧输入图像，重复进行上述步骤，直到测量得到所有输入色彩值对应的该投影通道的屏幕色彩值，经色彩转换单元，得投影通道色彩映射数据。
步骤(2)中计算系统的目标色彩映射数据的方法如下调试计算机根据每个投影通道的色彩映射数据计算每个通道色彩映射数据的取值范围，再计算所有通道色彩映射数据的公共色彩范围，存入存储器；把所有投影通道色彩映射数据输入平均值计算单元，计算平均映射数据；将平均映射数据输入多项式拟合单元，计算平滑的映射数据，将计算结果输入线性变换单元，与存储器中存储的公共色彩范围进行线性变换，使数据取值范围在公共色彩范围内，得目标色彩映射数据。
步骤(3)中各通道色彩校正的方法如下调试计算机首先设置色彩校正系数初值，存入存储器；调试计算机存储器中的色彩映射数据与目标色彩映射数据输入减法单元，计算得到的差值输入差异比较单元，从存储器中输入上次计算的差值，将前后两次的差值进行比较，比较结果输入色彩校正系数计算单元，如果比较结果在指定误差范围内，则所得色彩校正系数存入图像校正机存储器，完成计算色彩校正系数的过程；如果比较结果在误差范围外，则存储色彩校正系数到图像校正机存储器，使用色彩校正系数对输入图像象素色彩值进行调整，输出调整后的图像到投影机，继续进行步骤(3)。
步骤(4)中，图像发生器产生输入图像存到图像校正机存储器中，图像读取单元依次读出输入图像每个象素的色彩值，输入到加法单元，与色彩校正系数相加，得到校正后象素色彩值，由图像写入单元写入存储器。
本发明可以适用于各种投影机，测量过程简单。本发明针对现有技术需要色度仪等专业设备，或是需要专用投影机，成本高，校正过程非常耗时的问题，从技术上提出了可以自动完成对投影机亮度、色彩和灰度的同时匹配，而且可以使用普通数码相机或数码摄像机作为色彩测量设备。本发明实施成本低、速度快，对一个投影通道进行校正只需要1-2个小时，而且校正效果好。
图1硬件结构图；图2色彩测量框图；图3本发明主流程图；图4调试计算机框图1；图5调试计算机框图2；图6调试计算机框图3；图7图像校正机框图。
具体实施例方式投影通道由图像发生器、图像校正机、投影机，以及屏幕组成，系统中所有投影通道共用一个屏幕，但是每个投影通道使用屏幕的一个特定位置。本发明中由两个投影通道组成，由于本发明具有可扩展性，可以方便的扩展到多个投影通道，而不会影响技术实施。色彩测量设备与调试计算机相连，调试计算机可以从色彩测量设备读取测量色彩值。如图1所示。
调试计算机通过数据传输接口与一台色彩测量设备相连。色彩测量设备可以是色度仪，也可以是工业摄像头、数码摄像机。调试计算机可以通过向色彩测量设备发送指令控制色彩测量设备测量屏幕上指定位置的色彩，并通过数据传输接口接收色彩测量设备测量得到的色彩值。使用一台三角架把色彩测量设备固定在投影屏幕正前方的合适位置(和使用者观看投影屏幕的距离接近)。
本发明使用RGB色彩模型表示图像。图像中每个象素的色彩值由红色、绿色、蓝色三个分量表示，本发明使用8二进制位数据来表示色彩分量值，每个分量取值范围都是0-255。也可以根据需要，使用其他格式数据来表示色彩分量，例如用一个16二进制位数据来表示一个色彩分量值，这样色彩分量的取值范围就是0到65535。
本发明所用到的术语表
本发明对各个投影通道进行色彩校正的详细步骤如下一、设置色彩校正系数初值色彩校正系数存放在于图像校正机存储器内，用于对输入图像象素色彩进行调整，计算输出图像。色彩校正系数与输入色彩值对应，所以色彩校正系数分成三组数据，分别对应红色、绿色、蓝色的色彩校正系数，每组数据有256个系数，分别对应该分量0-255色彩值的校正系数。
设置色彩校正系数每一个数据初值为0，此时图像校正机对输入图像进行校正得到的输出图像与输入图像色彩值完全相同。
二、测量各通道色彩映射数据控制色彩测量设备，使之能够测量指定投影通道在投影屏幕上的投影区域(图2)，调试计算机可以向色彩测量设备发送指令开始测量，也可以从色彩测量设备读取测量点反射的色彩值。调试计算机从色彩测量设备读入测量色彩值，通过色彩转换单元转换，得到RGB色彩映射数据。
图像发生器产生输入图像，使输入图像的象素色彩值红色、绿色、蓝色分量都为C，C在0到255范围内。第一次设置C取值为0，图像发生器把输入图像发送到图像校正机，经图像校正机校正后得到输出图像，输入投影机，投影到屏幕上。调试计算机通过色彩测量设备获得投影屏幕上投影图像的色彩值，这样就得与输入色彩值C对应的测量色彩值Ro，Go，Bo，分别表示红色、绿色、蓝色分量的测量值，存放在调试计算机存储器内。第二次设置C值为1，重复进行上述步骤；多次进行上述操作，直到对0到255的色彩值都进行了相应测量操作，即可得到所有输入色彩三原色取值对应的测量值，存放在调试计算机存储器中，得一个通道的色彩映射数据。色彩映射数据由三组数据组成，分别对应红色、绿色、蓝色的色彩映射数据，每组数据由256个数据组成。
依次对系统中每个投影通道进行以上步骤，得到各投影通道的色彩映射数据。
三、计算目标色彩映射数据目标色彩映射数据与各个通道的色彩映射数据结构相同。
计算目标色彩映射数据过程如下1.调试计算机从存储器中读出每个通道的色彩映射数据，计算色彩映射数据的公共色彩范围(如图4)。对色彩映射数据的三组数据分别进行以下处理输入色彩映射数据到最大值计算单元，计算该组数据的最大值，存放在存储器中；同时将色彩映射数据输入到最小值计算单元，得到该组数据的最小值，存放在存储器中，即得一个通道色彩映射数据的三组数据各自的取值范围。使用求交集的方法计算公共色彩范围，把所有投影通道的色彩映射数据的最大值输入到最小值计算单元，把所有投影通道的色彩映射数据取值的最小值输入到最大值计算单元，即得到所有通道的公共色彩范围。公共色彩范围由三组数据组成，分别对应红色、绿色、蓝色分量，每组数据由一个最小值和一个最大值组成，确定一个取值范围。
2.调试计算机计算目标色彩映射数据过程为(图5)将每个通道的色彩映射数据输入平均值计算单元，计算得到所有通道的平均色彩映射数据，平均色彩映射数据输入到多项式拟合单元，使用最小二乘法拟合三次多项式函数，计算得到平滑的平均色彩映射数据，将平均色彩映射数据和公共色彩范围输入线性变换单元，对平均色彩映射数据进行线性变化，使其取值范围在公共色彩范围内，这样就可以得到目标色彩映射数据，记做Ct＝(rt，gt，bt)，由rt，gt，bt三组数据组成，分别表示红色、绿色、蓝色分量对应的目标色彩映射数据，每组数据有256个数据。
四、计算色彩校正系数得到目标色彩映射数据后，使用迭代法计算一个投影通道的色彩校正系数A(t)。迭代计算过程如图3所示。色彩校正系数表示为A(t)＝(ra，ga，ba)，t是调整次数，初始值为0，每次调整后t的值增加1。ra，ga，ba分别对应于RGB三原色中红色，绿色和蓝色分量的色彩校正系数，由256个数字组成，分别对应每个输入色彩值时的色彩校正系数。t＝0时，色彩校正系数为初始值(初始值设置过程见上文)，计算过程如图6。
1.控制色彩测量设备，使之能够测量指定投影通道在投影屏幕上的投影区域(图2)，调试计算机可以向色彩测量设备发送指令开始测量，也可以从色彩测量设备读取测量点反射的色彩值。调试计算机从色彩测量设备读入测量色彩值，通过色彩转换单元转换，得到RGB色彩数据。
对图像发生器产生的输入图像进行设置，使输入图像的象素色彩值为红色、绿色、蓝色分量都为C，C在0到255范围内。第一次设置C取值为0，经图像校正机校正后得到输出图像，输入投影机，投影到屏幕上。调试计算机通过色彩测量设备获得投影屏幕上投影图像的色彩值，这样就得与输入色彩值C对应的测量色彩值Ro，Go，Bo，分别表示红色、绿色、蓝色分量的测量值，存放在调试计算机存储器内。第二次设置C值为1，反复进行上述步骤，直到对0到255的色彩值都进行了相应测量操作，即可得到所有输入色彩三原色取值对应的测量值，存放在调试计算机中，得一个通道的色彩映射数据。色彩映射数据由三组数据组成，分别对应红色、绿色、蓝色的色彩映射数据，每组数据由256个数据组成。
2.计算投影通道色彩映射数据与目标色彩映射数据之间的差异输入色彩值C0＝(r0，g0，b0)，测量得到测量色彩值Ci＝(ri，gi，bi)；目标色彩映射数据中C0对应值为Ct＝(rt，gt，bt)，Ct和Ci输入减法单元计算色彩差异，计算过程是用Ct三个分量值减去Ci对应分量值，得到色彩差异e＝Ct-Ci＝(rt-ri，gt-gi，bt-bi)。
3.如果在第t次调整过程时，将减法单元计算得到的差值e＝(re，ge，be)输入差异比较单元，与第t-1次迭代时的差值e(t-1)进行比较，如果前后两次计算的差值e(t)和e(t-1)的绝对差已在设定误差范围内，则对该通道的色彩校正完成。误差范围决定了色彩校正的精度，一般来说误差范围越小，则校正精度越高。但是校正精度还受到色彩测量设备的测量误差的影响，所以误差范围不可能为0。判断色彩校正已经收敛的过程是计算第t次计算的差异e(t)与第t-1次计算的差值e(t-1)的绝对值，得到绝对误差err＝|e(t)-e(t-1)|，如果err逼近设定误差值，则说明色彩校正已经完成，设定误差值范围在(0，0.1)。
4.如果差异比较单元判断差值还未在设定误差范围内，则需要继续计算色彩校正系数。调试计算机从图像校正机中读入色彩校正系数，存入存储器中，记为A(t-1)，将差值e(t)和A(t-1)输入校正系数计算单元，用常数k与e(t)相乘，相乘结果与上次校正系数A(t-1)相加，得到第t次迭代后的色彩校正系数A(t)，A(t)＝A(t-1)+k·e(t)，k是常数，其取值范围是(0.1，2)。
将当前校正系数表A(t)输入图像校正机中，对输入图像色彩值进行调整。把输入图像输入到图像校正机中，存储在存储器，图像校正机从存储器中读入输入图像，输入图像读取单元，对图像中每一个像素的色彩值进行处理(如图7所示)。输入图像中处理的当前像素色彩值为C0＝(r0，g0，b0)，将C0和色彩校正系数A(t)输入加法单元，计算输入色彩值三分量与色彩校正系数对应分量的和，则可以得到调整后的象素色彩值，为C′＝(r0+ra[r0]，g0+ga[g0]，b0+ba[b0])，将调整后象素色彩值输入图像写入单元，存入存储器指定位置。当所有输入图像所有象素都处理完成后，则得到输出图像。图像校正机把输出图像输出到投影机。
继续进行步骤1，进行第t+1次迭代计算过程。
五、实际运行中使用色彩校正系数表当色彩校正完成后，每个通道的图像校正机中都存放了以上步骤中计算得到的色彩校正系数，这时可以用色彩校正系数对输入图像进行校正，以达到本发明减少各个通道投影图像之间色彩差异的目的。
图像发生器产生输入图像，输入到图像校正机存储器。图像校正机对输入图像色彩值进行调整。图像校正机从存储器中读入输入图像，输入图像读取单元，对图像中每一个像素的色彩值进行处理(如图7所示)。输入图像中待处理的像素色彩值为C0＝(r0，g0，b0)，将C0和色彩校正系数A(t)输入加法单元，计算输入色彩值三分量与色彩校正系数对应分量的和，则可以得到调整后的象素色彩值，计算公式为C′＝(r0+ra[r0]，g0+ga[g0]，b0+ba[b0])，将调整后象素色彩值输入图像写入单元，存入存储器。当所有输入图像所有象素都处理完成后，则得到输出图像。图像校正机把输出图像输出到投影机。
权利要求
1.一种用于多通道投影显示系统减少通道间色彩差异的色彩校正方法，系统由图像发生器、图像校正机、投影机、调试计算机、色彩测量设备和投影屏幕组成；图像发生器、图像校正机和投影机组成投影通道；系统有至少两个投影通道；色彩校正方法步骤如下(1)各投影通道的图像发生器产生输入图像，经图像校正机校正后输入投影机，投影到投影屏幕，色彩测量设备获得屏幕图像的色彩值，输入调试计算机的色彩转换单元，得到各个投影通道输入图像色彩值到屏幕图像色彩值的色彩映射数据，存入存储器；(2)调试计算机根据各通道的色彩映射数据，计算得到系统的目标色彩映射数据，存入存储器；(3)调试计算机计算各个通道的色彩校正系数，图像校正机使用色彩校正系数对图像发生器产生的输入图像进行校正，将校正后图像输入投影机，投影到屏幕，通过色彩测量设备获得色彩映射数据，计算校正后色彩映射数据与目标色彩映射数据的差异，如果前后两次校正的差异值已收敛到设定误差范围内，则色彩校正完成；否则再次进行步骤(3)；(4)将步骤(3)获得的色彩校正系数存入图像校正机，图像校正机使用色彩校正系数，对输入图像进行处理，将校正后图像输入投影机。
2.根据权利要求1中的方法，其特征在于步骤(1)中计算色彩映射数据方法如下图像发生器产生输入图像，色彩测量设备测量得到与输入图像象素色彩值对应的屏幕图像色彩值，使用一帧或多帧输入图像，重复进行上述步骤，直到测量得到所有输入色彩值对应的该投影通道的屏幕色彩值，经色彩转换单元，得投影通道色彩映射数据。
3.根据权利要求1中的方法，其特征在于步骤(2)中计算系统的目标色彩映射数据的方法如下调试计算机根据每个投影通道的色彩映射数据计算每个通道色彩映射数据的取值范围，再计算所有通道色彩映射数据的公共色彩范围，存入存储器；把所有投影通道色彩映射数据输入平均值计算单元，计算平均映射数据；将平均映射数据输入多项式拟合单元，计算平滑的映射数据，将计算结果输入线性变换单元，与存储器中存储的公共色彩范围进行线性变换，使数据取值范围在公共色彩范围内，得目标色彩映射数据。
4.根据权利要求1中的方法，其特征在于步骤(3)中各通道色彩校正的方法如下调试计算机首先设置色彩校正系数初值，存入存储器；调试计算机存储器中的色彩映射数据与目标色彩映射数据输入减法单元，计算得到的差值输入差异比较单元，从存储器中输入上次计算的差值，将前后两次的差值进行比较，比较结果输入色彩校正系数计算单元，如果比较结果在指定误差范围内，则所得色彩校正系数存入图像校正机存储器，完成计算色彩校正系数的过程；如果比较结果在误差范围外，则存储色彩校正系数到图像校正机存储器，使用色彩校正系数对输入图像象素色彩值进行调整，输出调整后的图像到投影机，继续进行步骤(3)。
5.根据权利要求1中的方法，其特征在于步骤(4)中，图像发生器产生输入图像存到图像校正机存储器中，图像读取单元依次读出输入图像每个象素的色彩值，输入到加法单元，与色彩校正系数相加，得到校正后象素色彩值，由图像写入单元写入存储器。
全文摘要
本发明用于多通道投影显示系统减少通道间色彩差异的色彩校正方法，解决各通道投影图像的色彩差异问题。系统由图形生成计算机、图像校正机、投影机、调试计算机、色彩测量设备和投影屏幕组成，图形生成计算机、图像校正机和投影机组成一个投影通道，图形生成计算机产生输入图像、投影机输出投影图像到投影屏幕，系统有至少两个投影通道；色彩校正方法的步骤如下(1)得到各通道屏幕图像与测试图像之间的红绿蓝三原色的色彩映射数据，(2)得到系统的目标色彩映射数据，(3)得色彩校正系数，(4)使用色彩校正系数，对输入图像进行处理。
文档编号H04N1/60GK1658651SQ200510020538
公开日2005年8月24日 申请日期2005年3月21日 优先权日2005年3月21日
发明者符长明, 苏飏, 叶茂, 曹晟华 申请人:四川华控图形科技有限公司