用色度钳位方法实现的低成本高精度全息3D电视技术与流程

技术特征：
1.用色度钳位方法实现的低成本高精度全息3D电视技术，其特征在于：1)提出了“一种为标定CCD电视摄像机的工作状态而设计的反射式标定色靶”；(1)色靶的结构：色靶上的颜色样本包括：①单色的三基色梯尺：从最小值0到最大值255把驱动值设定为21级，即让梯级数i＝21，对于电视摄像机来说，就是让三基色rgb的21个数字输入数据dri、dgi、dbi都是：0.00，12.75，25.50，38.25，51.00，63.75，76.50，89.25，102.00，114.75，127.50，140.25，153.00，165.75，178.50，191.25，204.00，216.75，229.50，242.25，255.00；②二次颜色样本：它们是用(dr255+dg255)、(dr255+db255)、(dg255+db255)三个数字输入数值生成的三个二次色；③三次颜色样本：它们是用具有相同(dri+dgi+dbi)驱动数值、从0到255顺序显示的灰色样本序列；(2)对色靶上样本颜色的拍摄：按照标准规定的环境和D65照明条件拍摄样本颜色的RGB值；摄像机从色靶上拍摄的颜色数值构成了三个基色数组[Rri，Gri，Bri]、[Rgi，Ggi，Bgi]、[Rbi，Gbi，Bbi]、一个三次灰色数组[Rwi，Gwi，Bwi]和三个二次颜色样本青、品红和黄的三刺激值数组[Rc，Gc，Bc]，[Rm，Gm，Bm]，[Ry，Gy，By]；(3)在色靶上实测样本色的三刺激值数据：用分光光度计实际测量样本色的反射三刺激值，于是可以得到和RGB色空间色相对应的三个基色数组[Xri，Yri，Zri]，[Xgi，Ygi，Zgi]，[Xbi，Ybi，Zbi]，一个三次灰色数组[Xsi，Ysi，Zsi]和三个二次颜色样本青、品红和黄的三刺激值数组[Xc，Yc，Zc]，[Xm，Ym，Zm]，[Xy，Yy，Zy]；综上所述可知：拍摄和实测颜色的三刺激值都随着驱动变量的增加而改变；2)提出了“用来提取三基色相位信息和振幅信息的刘氏基色钳位方程及其衍生模型”；第一步，根据加色法原理在RGB颜色空间建立刘氏基色钳位方程：在标准照明条件下用摄像机实际拍摄到红、绿、蓝三基色梯尺的三刺激值数组[Rri，Gri，Bri]，[Rgi，Ggi，Bgi]，[Rbi，Gbi，Bbi]：根据这些基色数据、利用刘氏基色钳位方程及其衍生模型就可以确定每一个样本颜色的相位信息和振幅信息，刘氏基色钳位方程在RGB色空间的通用格式如下所示：该方程的技术特征是：R、B是摄像机在标定色靶上拍摄的三刺激值R、G、B中的其中两个刺激数值；三刺激值RkGkBk和RsGsBs分别是摄像机在基色梯尺上最暗和最亮部位拍摄的三刺激值，在制作色靶时，这两个部位的数字输入值分别是[0，0，0]和[255，255，255]；参数λ、at、Gt是变量参数，色貌保持系数λ是衡量红移大小的参数，at称为钳位基色量，Gt称为基色钳位亮度；当驱动数值[di]＝0时，at＝0，当驱动数值[di]＝255时，at＝1，at的数值范围是0≤at≤1；第二步，在RGB色空间内，根据刘氏基色钳位方程推导的衍生模型如下所示：1根据刘氏基色钳位方程及其衍生的公式可知：钳位亮度Gt是以刺激值R和B为自变量的函数，色貌保持系数λ是以蓝色刺激值B为自变量的函数，钳位基色量at是以乘积λGt为自变量的函数，基准基色量a是以钳位亮度Gt为自变量的函数，当驱动数值[di]＝[λi]＝[ati]＝0时，RkGkBk＝0；当驱动数值[di]＝[λi]＝[ati]＝1时，三刺激值[R，Gt，B]＝单位三刺激值[Rs，Gs，Bs]，根据格拉斯曼定律可知：当0≤ati≤1时，[λR，λGt，λB]、[R，Gt，B]和[Rs，Gs，Bs]的色相是一致的，即：钳位基色量at和基准基色量a的色相都和单位三刺激值RsGsBs的色相保持一致；第三步，对于红、绿、蓝三基色来说，XYZ色空间的刘氏基色钳位方程具有如下通用格式：该方程的特征是：X、Z是用分光光度计在色靶上实测三刺激值X、Y、Z中的其中两个刺激数值；三刺激值XkYkYk和XsYsZs分别是用分光光度计在色靶上实测的最暗和最亮部位的三刺激值，在制作色靶时，这两个部位的数字输入值分别是[0，0，0]和[255，255，255]；参数λ、at′、Yt是变量参数，色貌保持系数λ是衡量红移大小的参数，at′是三基色在XYZ色空间的钳位基色量，Yt称为基色的钳位亮度，根据上面的方程可以得知：当驱动数值[di]等于0时，at′＝0；当驱动数值[di]等于255时，at′＝1；at′的数值范围是0≤at′≤1；第四步，在XYZ色空间内，根据刘氏基色钳位方程推导出来的参数表达式如下所示：由刘氏基色钳位方程及其导出公式可知：钳位亮度Yt是以亮度刺激值X和Z为自变量的函数，色貌保持系数λ是以蓝色刺激值Z为自变量的函数，钳位基色量at′是以乘积变量λYt为自变量的函数，基准基色量a′是以钳位亮度Yt为自变量的函数，当驱动数值[di]＝[λi]＝[ati′]＝0时，XkYkZk＝0，当驱动数值[di]＝[λi]＝[ati′]＝1时，三刺激值[X，Yt，Z]＝单位三刺激值[Xs，Ys，Zs]，根据格拉斯曼定律可知：当0≤[ati′]≤1时，[λX，λYt，λZ]、[X，Yt，Z]和[Xs，Ys，Zs]的色相是一致的，钳位基色量at′和基准基色量a′的色相都和XsYsZs的色相保持一致；在RGB和XYZ色空间内，钳位基色量at和at′的钳位亮度分别为λGt和λYt，色貌保持系数同等于λ，基准基色量a和a′的钳位亮度分别为Gt和Yt，但是a在RGB色空间的钳位亮度Gt大于a′在XYZ色空间的钳位亮度Yt，即：基准基色量a和a′的亮度在RGB和XYZ色空间各自保持独立；在步骤3)所建立的刘氏配色方程中，将要把基准基色量a和a′的色相独立性和亮度独立性传递给通道基色量参数，从而使通道基色量在RGB和XYZ的三个通道内继承基准基色量a和a′的色相独立性和亮度独立性；3)提出了“为物光波RGB匹配三基色成分的刘氏配色方程”；第一步，在RGB颜色空间建立刘氏配色方程：其格式如下所示：RGB颜色空间的刘氏配色方程是根据红、绿、蓝、青、品红、黄、白、黑8种组分色元的常量三刺激值为入射三刺激值RGB匹配组分三基色量[r，g，b]的方程，为了使RGB的组分三基色量[r，g，b]在三通道内保持通道独立性和空间独立性，刘氏配色方程设置了9个通道基色量参数并把通道基色量参数设置成基准基色量[r，g，b]的幂函数，其格式如下所示：借助幂函数指数的伽玛校正功能，把基准基色量r，g，b的色相和亮度分别传递给9个通道基色量参数[rR，rG，rB]、[gR，gG，gB]、[bR，bG，bB]，使其具有基准基色量的特性；第二步，在XYZ颜色空间建立刘氏配色方程：其格式如下所示：XYZ颜色空间的刘氏配色方程是根据红、绿、蓝、青、品红、黄、白、黑8种组分色元的常量三刺激值为入射三刺激值XYZ匹配组分三基色量[r′，g′，b′]的方程，为了使XYZ的组分三基色量[r′，g′，b′]在三通道内保持通道独立性和在XYZ色空间的独立性，XYZ颜色空间的刘氏配色方程设置9个通道基色量参数并把通道基色量参数设置成基准基色量[r′，g′，b′]的幂函数，其格式如下所示：借助幂函数指数的伽玛校正功能，把基准基色量r′g′b′的色相和亮度分别传递给9个通道基色量参数[rx，ry，rz]、[gx，gy，gz]、[bx，by，bz]，使其具有基准基色量的特性；基准基色量rgb和r′g′b′都是通道基色量函数的公共自变量，克服了传统的单纯亮度叠加式线性方程的‘通道的非独立性’和‘空间的非独立性’，但幂函数指数目前还是未知数；4)提出了“特性化刘氏配色方程的方法”；(1)在RGB色空间对刘氏配色方程实施特性化的步骤：第一步，用摄像机对步骤1)所述的色靶进行拍摄，可获得红、绿、蓝三基色梯尺和三色合成灰色梯尺的三刺激值数组[Rri，Gri，Bri]，[Rgi，Ggi，Bgi]，[Rbi，Gbi，Bbi]和灰色数组[Rsi，Gsi，Bsi]，其中i＝21；第二步，根据上述拍摄的三刺激值数组、用在步骤2)第二步推导的钳位亮度公式Gt分别计算红、绿、蓝基色梯尺的钳位亮度数组[Gtri]、[Gtgi]、[Gtbi]；第三步，根据钳位亮度数组[Gtri]、[Gtgi]、[Gtbi]用基准基色量公式计算三基色量数据[ri]、[gi]、[bi]；第四步，计算三基色的通道基色量数据：根据步骤2)中的第二步所述：当驱动数值[di]＝[λi]＝[ati]＝1时，三刺激值[R，Gt，B]＝单位三刺激值[Rs，Gs，Bs]，把21个依序排列的红、绿、蓝色的三刺激值[Rri，Gtri，Bri]、[Rgi，Gtgi，Bgi]、[Rbi，Gtbi，Bbi]分别代入下列模型，计算通道基色量[rRi]、[rGi]、[rBi]、[gRi]、[gGi]、[gBi]、[bRi]、[bGi]、[bBi]：本步骤使RGB色空间的9个通道基色量分别引用了红、绿、蓝三刺激值[R，Gtr，B]、[R，Gtg，B]、[R，Gtb，B]；第五步，分别把三基色的基准基色量数组[ri，gi，bi]作为自变量，分别把通道基色量数组rRi、rGi、rBi、gRi、gGi、gBi、bRi、bGi、bBi作为因变量进行曲线拟合，即得下列的通道基色量的幂函数式及其指数数据：本步骤使RGB色空间的9个通道基色量继承了三基色量[r，g，b]的色相并算出了幂函数的指数数据，从而使通道基色量继承了三基色[r，g，b]的色相和亮度；(2)在XYZ色空间对刘氏配色方程实施特性化的步骤：第一步，用分光光度计实际测量三基色梯尺的反射三刺激值，于是可得到和RGB色空间色相对应的三基色数组[Xri，Yri，Zri]，[Xgi，Ygi，Zgi]，[Xbi，Ybi，Zbi]和由等量三基色合成的三次灰色数组[Xsi，Ysi，Zsi]；第二步，根据三基色梯尺的实测三刺激值和步骤2)第四步推导的钳位亮度公式Yt分别计算红、绿、蓝基色梯尺的钳位亮度[Ytri]、[Ytgi]、[Ytbi]；第三步，根据钳位亮度数组[Ytri]、[Ytgi]、[Ytbi]用刘氏基色量公式计算三基色量数据[r′i]、[g′i]、[b′i]；第四步，计算三基色的通道基色量数据：根据步骤2)中的第四步所述：当驱动数值[di]＝[λi]＝[ati]＝1时，三刺激值[X，Yt，Z]＝单位三刺激值[Xs，Ys，Zs]，把21个依序排列的红、绿、蓝色的三刺激值[Xri，Ytri，Zri]、[Xgi，Ytgi，Zgi]、[Xbi，Ytbi，Zbi]分别代入下列模型，计算出通道基色量[rxi]、[ryi]、[rzi]、[gxi]、[gyi]、[gzi]、[bxi]、[byi]、[bzi]：本步骤使XYZ色空间的9个通道基色量分别引用了红、绿、蓝三刺激值[X，Ytr，Z]、[X，Ytg，Z]、[X，Ytb，Z]；第五步，把三基色的基准基色量数组[r′i]、[g′i]、[b′i]作为自变量，把通道基色量数组rxi、ryi、rzi、gxi、gyi、gzi、bxi、byi、bzi作为因变量进行曲线拟合，即得下列的通道基色量的幂函数式及其指数数据：本步骤使XYZ色空间的通道基色量继承了基准基色量[r′，g′，b′]的色相并算出了幂函数的指数数据，从而使通道基色量继承了三基色[r′，g′，b′]的色相和亮度；5)建立了“确定白平衡全息信息的白平衡钳位方程及其衍生模型”；第一步：建立刘氏白平衡钳位方程：仿照步骤2)所述的刘氏基色钳位方程，可以在RGB和XYZ色空间写出计算灰色样本白色量参数的刘氏白平衡钳位方程：其格式如下所示：第二步，根据上列方程可推导出在RGB和XYZ色空间计算钳位亮度数值的公式如下：在上面所示的钳位亮度模型Gt和Yu中，钳位亮度Gt是以红色刺激值R和蓝色刺激值B为自变量的函数，钳位亮度Yu是以红色刺激值X和蓝色刺激值Z为自变量的函数；第三步，根据上列刘氏白平衡钳位方程还可以在RGB和XYZ色空间衍生出计算白色量参数pt和pu的公式如下所示：在上列白色量参数pt和pu中，自变量分别是钳位亮度Gt和Yu，将步骤2)刘氏基色钳位方程衍生的基准基色量通用公式a和a′和本发明所述白色量公式pt和pu相比较可知：两者的函数式是等效的格式，不同的是：a和a′是等能三基色[r，g，b]和[r′，g′，b′]合成的灰色阶调，pt和pu是等亮度灰色[rt，gt，bt]和[ru，gu，bu]合成的灰色阶调，采用步骤6)所述的方法可实现[rt，gt，bt]和[ru，gu，bu]之间的灰色阶调转换；6)提出了“把摄像机在RGB色空间拍摄的三基色量rtgtbt转换成XYZ色空间三基色量的rugubu的方法”；(1)在RGB色空间计算灰色阶调的方法：第一步；根据步骤1)提供的数据，摄像机在色靶上拍摄的灰色梯尺的三刺激值数组是[Rti，Gti，Bti]，把[Rti，Gti，Bti]一组一组地放在刘氏配色方程的左端，用迭代方法解方程，就可以算得匹配灰色数组[Rti，Gti，Bti]的三基色量数组[rti]、[gti]、[bti]；第二步，计算灰色梯尺的钳位亮度数组[Gti]：将21级灰色梯尺数组[Rti，Gti，Bti]中的红色刺激值[Rti]蓝色刺激值[Bti]逐组代入如下所示的钳位亮度计算公式，计算出钳位亮度数组[Gti]：第三步，计算灰色梯尺的白色量参数数组[pti]：将算得的钳位亮度数组[Gti]代入如下计算白色量参数的公式，算得白色量数组[pti]；第四步，用数据拟合方法获取三基色量rt、gt、bt的幂函数模型：以白色量参数[pti]为自变量数组，分别以三基色量数组[rti]、[gti]、[bti]为因变量数组进行数据拟合，得到rt、gt、bt的幂函数式如下：由左式可得：(2)在XYZ色空间计算灰色阶调的方法：第一步；根据步骤1)提供的数据，把在色靶灰色梯尺上实测的三刺激值数组[Xui，YuiZui]逐组放在刘氏配色方程的左端，用迭代方法解方程，算得匹配灰色数组[Xui，Yui，Zui]的三基色量数组[rui，gui，bui]；第二步，计算灰色梯尺的钳位亮度数组[Yui]：将灰色梯尺的21级灰色三刺激值数组[Xui，Yui，Zui]中的红色刺激值[Xui]和蓝色刺激值[Zui]逐组代入如下的钳位亮度计算公式，计算出钳位亮度数组[Yui]：第三步，计算灰色梯尺的白色量参数数组[pui]：将算得的钳位亮度数组[Yui]代入如下计算白色量参数的公式，算得灰色梯尺的白色量参数数组[pui]；第四步，利用数据拟合方法获取基色量ru、gu、bu的幂函数模型：以白色量参数[pui]为自变量数组，分别以三基色量数组[rui]、[gui]、[bui]为因变量数组进行数据拟合，得到ru、gu、bu的幂函数式如下：(3)把rtgtbt数据转换成rugubu数据的方法：第一步，以数组[pti]为自变量，以数组[pui]为因变量进行数组拟合，得函数pu如下：第二步，将函数pu分别代入ru，gu，bu的幂函数式得：如果已经得知摄像机拍摄的三基色rtgtbt，那么利用上面的函数式就可以在XYZ色空间算得三基色rugubu；上述幂函数式表明：在匹配灰色梯尺的三基色rtgtbt和rugubu之间存在由幂函数指数(γruγut/γrt)、(γguγut/γgt)、(γbuγut/γbt)决定的伽玛校正关系；7)提出了“从被摄景物光的RGB中提取相位信息[λR，λG，λB]的方法-刘氏复色钳位方程”；第一步，建立刘氏复色钳位方程：刘氏复色钳位方程分为rtgb，rgtb，rgbt三种格式，分别用来处理不同相位的颜色[λR，λG，λB]，下面分别写出这三种格式：7在上面的三组方程中：RGB是摄像机摄取的三刺激值，刘氏复色钳位方程是根据红、绿、蓝、青、品红、黄、白、黑8种组分色元的常量三刺激值RrGrBr、RgGgBg、RbGbBb、RcGcBc、RmGmBm、RyGyBy、RwGwBw、RkGkBk为入射三刺激值[λR，λG，λB]匹配组分基色量[rt，g，b]、[r，gt，b]、[r，g，bt]的；本发明定义了命名为‘灰核’的新概念，即：当用三基色合成一个颜色时，含量最少的那种基色和其它两种基色结合后，形成该颜色的灰色成分，这个含量最少的成分可以看作该颜色的灰色核心，取名灰核，在三种格式的刘氏复色钳位方程中，分别含有灰核参数rt、gt、bt，灰核参数是来自步骤6)-(1)第四步的已知引用数据，它们是以白色量参数pt为自变量的幂函数，幂函数的格式是：第二步，将上一步所述的RGB色空间的灰核参数[rt，gt，bt]转换成为XYZ色空间的基准基色量[r′，g′，b′]：根据步骤6)-(3)所述“把rtgtbt数据转换成rugubu的方法”第二步所示的幂函数式，XYZ色空间的基准基色量r′g′b′是根据如下幂函数式计算出来的：上式表明：在三基色量[r′，g′，b′]和[r，g，b]之间存在由色貌保持参数λ和伽玛校正参数(γruγut/γrt)、(γguγut/γgt)、(γbuγut/γbt)决定的倒数关系，具有从RGB向XYZ颜色空间传递全息信息的功能：根据步骤4)所述“特性化刘氏配色方程的方法”，在RGB色空间内，计算9个通道基色量的模型如下所示：8第三步，求解刘氏复色钳位方程：将方程左端的λ参数移到右端，从而使右端变成(1/λ)与多项式的乘积，倒数(1/λ)驱使RGB色空间的9个通道基色量反转成如下所示的XYZ色空间的9个通道基色量：这时，用多项式表示的刘氏复色钳位方程被演变成如下所示的等效矩阵格式：上式描述的是三基色光RGB和驱动电压(1/d)＝(1/λ)之间的光电转换关系，故可称为刘氏XYZ-RGB光电转换方程，三刺激值RGB中包含的白色量pt需要利用步骤8)所述的方法提取出来；8)提出了“从景物光RGB中提取白色量参数pt的方法-刘氏分割方程”；第一步，建立刘氏分割方程：刘氏分割方程具有下列gbpt、rbpt、rgpt三种格式：9等号左端是物光波的入射三刺激值RGB，刘氏分割方程是根据红、绿、蓝、青、品红、黄、白、黑8种组分色元的常量三刺激值RrGrBr、RgGgBg、RbGbBb、RcGcBc、RmGmBm、RyGyBy、RwGwBw、RkGkBk为入射三刺激值RGB匹配组分基色量[r，g，b]的方程，三种格式中的未知量分别是[g，b，pt]、[r，b，pt]、[r，g，pt]；第二步，求解刘氏分割方程：gbpt、rbpt、rgpt三种子格式为输入颜色RGB分别提供了三条可供选择的光路，首先将输入颜色RGB分别除以白点三刺激值Rw、Gw、Bw，然后根据标定后的RGB值选用刘氏分割方程的格式，如果R是三刺激值R、G、B之中的最小值，那么用gbpt格式的分割方程对RGB进行分割，如果G是RGB之中的最小值，那么用rbpt格式的分割方程对RGB进行分割，否则，用rgpt格式的分割方程对RGB进行分割，藉此方法在gbpt、rbpt、rgpt三种子格式中选定一条光路对RGB进行分色处理，这与传统的概率逼近计算方法截然不同；刘氏分割方程是在RGB色空间工作的，但电视接收端的视频显示器是在XYZ色空间工作的，需要应用步骤9)所述的方法把入射的物光波[R，G，B]和白色量pt转换成XYZ色空间的相位数据；9)提出了“把物光波的相位信息从[λR，λG，λB]色空间转换到XYZ色空间的方法”；第一步，在前述步骤6)-(1)第四步中，已经在RGB色空间建立了如下的三基色[rt，gt，bt]的幂函数式：把步骤8)所述刘氏分割方程提取出来的白色量pt代入左式，就可为刘氏复色钳位方程左端的三刺激值[λR，λG，λB]分别提供灰核数据[rt，gt，bt]；第二步，将刘氏复色钳位方程算得的rgb转换为XYZ色空间的基准基色量r′g′b′：方法是直接利用步骤6)-(3)第二步推导出来的幂函数式，将ru，gu，bu赋值给r′，g′，b′，即让：第三步，把上面算得的[r′，g′，b′]代入如下的刘氏相位转换方程，算出目标三刺激值[Xu，Yu，Zu]：根据第二步所示的幂函数式可知：刘氏相位转换方程与刘氏复色钳位方程具有双向转换的功能，由此可得刘氏相位转换方程的反转矩阵格式如下所示：在刘氏复色钳位方程和刘氏相位转换方程中，参数[(1/λ)，λ]＝[(1/d)，d]和白色量[pt，pu]的倒数关系驱使刘氏相位转换方程获得电磁转换功能，为了便于叙述，可把上式简称为刘氏RGB-XYZ电磁转换方程；经过上述步骤，已经把摄相机拍摄的物光波RGB转换成为三刺激值[Xu，Yu，Zu]及其包含的白色量数据pu；10)提出了“在摄像端构造全息信息传送颜色空间puxuyu的方法”；第一步，应用前述步骤8)中建立的刘氏分割方程对摄像机拍摄的RGB数值进行分割，藉此提取RGB中的白色量成分pt，把pt作为输入三刺激值RGB的振幅信息使用；第二步，利用前述步骤6)-(3)第一步所述的方法将RGB色空间的白色量pt转换成为XYZ色空间的白色量参数pu，即让：然后把pu作为物光波在XYZ色空间的振幅信息向接收端传送；第三步，根据步骤9)第三步得到的物光波的相位信息[Xu，Yu，Zu]计算其色度坐标xu，yu，即让：经过上述步骤，达到了在XYZ颜色空间为物光波XuYuZu生成相位信息[xu，yu]和振幅信息pu的目的；只需要在拍摄端把全息信息[pu，xu，yu]传送到显示端，就可以利用步骤11)所述的方法显示全息三维图像；11)提出了“显示全息三维图像的方法”；建立刘氏全息显示方程：刘氏全息显示方程具有如下所示的rvgb、rgvb、rgbv三种格式：11在上面的方程中：方程左端的[xu，yu]是电视机接收到的由摄像端发送过来的色度坐标数值，它是物光波的相位信息，驱动数值[dr，dg，db]是显示图像的电压驱动值；在上面的三个子方程中，未知量分别是[Yt′，g，b]、[Yt′，r，b]、[Yt′，r，g]，每一组子方程只有三个未知量，方程中的参数rv′，gv′，bv′是根据视觉白色量pv算出来的灰核数据，只需把灰核参数[rv′，gv′，bv′]的值代入方程的右端，就可用代数解析方法求解，步骤12)给出了计算“灰核参数[rv′，gv′，bv′]的方法”；12)提出了“把拍摄颜色RGB的白色量参数pu映射到灰核参数rv′，gv′，bv′的方法”；第一步，以步骤6)-(3)第一步所述白色量数组[pui]为自变量数组，以显示色空间的白色量数组[pvi]为因变量数组进行数据拟合，得管道函数如下：第二步，根据pv函数推导伽玛校正数值pv′：第三步，根据pv′计算灰核参数[rv′gv′，bv′]的数值：