CN101594545B - 一种色域扩展***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种色域扩展***，该***包括信号输入单元，用于输入象素颜色信息；正向变换单元，用于将所述的象素颜色信息转换为线性Lab颜色空间中的L、a、b值；色域扩展单元，用于接收色域扩展系数，并在线性Lab颜色空间中根据所述的色域扩展系数，将所述正向变换单元提供的L、a、b值扩展为新的L、a、b值；逆向变换单元，用于将扩展后的L、a、b值转换为大色域的象素颜色信息；信号输出单元，用于输出所述大色域的象素颜色信息。本发明还提供了相应的色域扩展方法。本发明能够实现连续调节，计算效率高，且能够较好地避免色相偏差现象的发生，具有更高的精度和准确性。

Description

一种色域扩展***及方法

技术领域

本发明涉及显示领域，尤其是显示领域的色域扩展技术。

背景技术

大色域显示设备能显示比原有显示设备更多的色彩内容，如更深的红色。然而现有影像色彩标准和采用这些色彩标准的视频内容的色域较小，所以用大色域显示设备再现所述视频内容会使大色域显示设备丰富的色彩显示能力不能得以充分体现。

一种可行的解决方案是采用色域扩展技术，即将原有色彩标准规定的色域映射到大色域显示设备的色域。现有技术中实现这种色域扩展的常用方法是采用三维查找表和插值相结合的技术，这也是色彩管理标准流程中重要的步骤。根据这种方法，色彩显示效果主要取决于三维查找表的规格和表中数据，以及所采用的插值方法；色彩管理***可以有多个三维查找表，每个查找表对应一个色域扩展方案，用户根据自己的需要从中选择一个色彩显示效果。基于三维查找表和插值的色域映射方法虽然具有开放性和一定的灵活性，但是同时也存在以下的不足：1)因为色彩显示效果的种类与三维查找表的个数一致，由于三维查找表的个数是有限的，并且考虑到成本，也不会设置过多，所以用户对色彩显示效果的选择限定于有限的几种效果，无法达到连续调节的目的；2)通用性不高，即一种显示设备对应的所述查找表数据不能很好地适用于另一种显示设备；3)要占用大量用于存放所述查找表数据的存储器资源，从而提高了硬件成本；4)而且，就色域扩展来说，用户对色彩扩展效果的感受主要取决于用户对喜好色的偏爱，这种偏爱是因人而异的，有限的几个所述查找表难以满足各类人群的这种偏爱。总之，采用基于三维查找表和插值的色域映射方法在自由度、通用性、硬件成本问题上并没有被很好地解决。

另外，虽然不少现有显示设备设有饱和度调节装置和方法，但其定义的饱和度主要是基于矩阵变换的色差信号，如YCbCr信号将RGB颜色信号分解为一个亮度信号Y和两个色差信号Cb、Cr，饱和度调节主要通过调节这两个色差信号实现。而上述色差信号不是定义在均匀颜色空间上的，所以这类饱和度调节装置和方法调整精度低，若用于色域扩展，会出现较明显的色相偏移。所谓均匀颜色空间是指在该空间内各色区中人眼的颜色感知差异相同的颜色空间。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提供一种能够实现连续调节的色域扩展***和方法。

为实现上述发明目的，本发明提供的色域扩展***包括：信号输入单元、正向变换单元、色域扩展单元、逆向变换单元和信号输出单元；

所述信号输入单元用于输入象素颜色信息；

所述正向变换单元用于将所述的象素颜色信息转换为线性Lab颜色空间中的L、a、b值；

所述色域扩展单元用于在线性Lab颜色空间中根据色域扩展系数将所述正向变换单元提供的L、a、b值扩展为新的L、a、b值；

所述逆向变换单元用于将扩展后的L、a、b值转换为大色域的象素颜色信息；

所述信号输出单元用于输出所述大色域的象素颜色信息。

上述技术方案中，所述色域扩展***还包括色域扩展系数输入单元，用于供用户输入色域扩展系数(这里输入的形式不限，比如：可以由用户自由地输入，也可以预先设定一系列的数值，由用户进行选择)。

上述技术方案中，所述色域扩展***还包括色温选择单元，用于供用户选择色温值，该色温值作为所述正向变换单元和逆向变换单元的输入参数。

上述技术方案中，所述象素颜色信息是RGB信号。

上述技术方案中，所述正向变换单元包括XYZ色度***正向变换单元和线性Lab颜色空间正向变换单元；所述XYZ色度***正向变换单元用于将RGB***的R、G、B三激励值变换成XYZ***的X、Y、Z三激励值；所述线性Lab颜色空间正向变换单元用于将X、Y、Z三激励值变换到线性Lab颜色空间中的L、a、b值；

所述逆向变换单元包括线性Lab颜色空间逆变换单元和大色域XYZ逆变换单元；所述线性Lab颜色空间逆变换单元用于将色域扩展后的L、a、b值变换为XYZ***的大色域X、Y、Z激励值；所述大色域XYZ逆变换单元用于将所述大色域X、Y、Z激励值变换为大色域RGB***的R、G、B激励值。

为实现上述发明目的，本发明提供的色域扩展方法包括如下步骤：

1)输入象素颜色信息；

2)将所述象素颜色信息转换为线性Lab颜色空间中的L、a、b值；

3)在线性Lab颜色空间中，根据色域扩展系数，将所述步骤2)提供的L、a、b值扩展为新的L、a、b值；

4)将扩展后的L、a、b值转换为大色域的象素颜色信息；

5)输出所述大色域的象素颜色信息。

上述技术方案中，所述步骤3)中，所述色域扩展系数由用户输入。

上述技术方案中，所述步骤2)中，还包括由用户选择色温值，根据该色温值将象素颜色信息转换为线性Lab颜色空间中的L、a、b值；所述步骤4)中，根据所述色温值，将扩展后的L、a、b值转换为大色域的象素颜色信息。

上述技术方案中，所述象素颜色信息是RGB信号。

上述技术方案中，所述步骤2)包括如下子步骤：

21)将RGB***的R、G、B三激励值变换成XYZ***的X、Y、Z三激励值；

22)将X、Y、Z三激励值变换到线性Lab颜色空间中的L、a、b值；

所述步骤4)包括如下子步骤：

41)将色域扩展后的L、a、b值变换为XYZ***的大色域X、Y、Z激励值；

42)将所述大色域X、Y、Z激励值变换为大色域RGB***的R、G、B激励值。

本发明具有的有益技术效果包括：

1、本发明的色域扩展***和方法能够实现色域扩展系数的连续调节；

2、本发明的色域扩展方法的算法计算效率高，对***资源要求低，更好地满足高数据量的视频信号实时处理的要求；

3、本发明在线性Lab颜色空间进行色域扩展处理，它是标准Lab颜色空间的很好近似，标准Lab颜色空间是国际照明委员会CIE定义的均匀颜色空间，是颜色管理流程中的标准工作空间。所谓均匀颜色空间是指这样一种颜色空间，在该空间内各色区中人眼的颜色感知差异相同。但是将视频的颜色信号转换到标准Lab颜色空间的算法非常复杂，不利于实时处理，所以本发明所述的色域扩展方法将工作空间定义在线性Lab颜色空间上这样便大大简化了转换算法，减小了计算量；并且由于本发明在近似于均匀颜色空间的线性Lab颜色空间进行色域扩展运算，因此相对基于色差信号的调整方法，本发明能够较好地避免色相偏差现象的发生，具有更高的精度和准确性。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1是本发明的连续可调的色域扩展的装置示意图。

具体实施方式

实施例1

下面结合说明书附图，详细说明本发明。图1表示了本发明的连续可调的色域扩展的装置示意图。该装置总的由用户选择单元2和控制***1组成，该控制***1接收用户选择单元2发送的信号并完成色域扩展。其中，用户选择单元2包括可供用户选择色温值的色温选择单元21以及可由用户自由设定色域扩展系数的色域扩展系数输入单元22，其中色温选择单元21向用户提供若干个色温值来选择，例如5400K、6500K、9300K等；控制***1包括RGB信号输入单元11、XYZ色度***正向变换单元12、线性Lab颜色空间正向变换单元13、色域扩展单元14、线性Lab颜色空间逆变换单元15、大色域XYZ逆变换单元16和RGB信号输出单元17。所述RGB信号是指表示视频数据象素颜色信息的数字信号。RGB信号输入单元11接收符合一定色彩编码标准(如Rec.ITU-R BT.709标准)的视频信号，该信号中的每一个象素点包含红绿蓝三基色的激励值信息，设为R、G和B，XYZ色度***正向变换单元12将R、G、B三激励值变换成XYZ色度***的三激励值，其中变换过程因色温不同而不同，色温值由用户借助色温选择单元21选择。线性Lab颜色空间正向变换单元13将XYZ三激励值变换到线性Lab颜色空间中的L、a和b，该变换过程也由色温值决定，上述的线性Lab颜色空间的定义以及由XYZ三激励值变换到线性Lab颜色空间中的转换过程公开在2004年出版的SPIE杂志中名为“Evaluation of smoothness tonal change reproductionon multi-primary display：Comparison of color conversion algorithm”的科技文献中。色域扩展单元14接收用户利用色域扩展系数输入单元22自由设定的值，对a和b进行色域扩展运算得到a_new和b_new。然后线性Lab颜色空间逆变换单元15将色域扩展后的a_new和b_new及其L变换回XYZ***的激励值X_new、Y_new和Z_new。大色域XYZ逆变换单元16将X_new、Y_new和Z_new变换到大色域RGB***的R_new、G_new和B_new，并经RGB信号输出单元17输出R_new、G_new和B_new信号。

实施例2

下面结合具体实施例说明本发明实现连续可调的色域扩展的方法，该方法包括：

步骤201：RGB信号输入单元11输入预定色彩编码标准的视频信号，其中视频信号中的每一个象素点包含红绿蓝三基色激励值的信息，为R、G和B；

步骤202：用户通过用户选择单元2上的色温选择单元21从若干个色温值中选择其中的一个；

步骤203：XYZ色度***正向变换单元12根据用户选择的色温值，将R、G和B按照相应的色彩编码标准变换成X、Y和Z；

其中上述步骤203的具体步骤为：

步骤2031：通过对应红绿蓝三色的三个一维查找表将R、G和B变换成线性颜色数据Rs、Gs和Bs，变换关系取决于所采用的颜色编码标准，例如对BT.709标准，采用公式(1)

公式(1)

其中，M为规一化信号强度，V是线性化数据结果。如RGB颜色信号用n位二进制数据表示，则M＝R/2ⁿ(或G/2ⁿ，或B/2ⁿ)(R、G、B的取值范围为0～2ⁿ-1)，对应V＝Rs(或Gs，或Bs)，并且所有的V值事先计算完毕，以查找表的方式存储在XYZ色度***正向变换单元12的存储器中。

步骤2032：XYZ色度***正向变换单元12中存有与借助色温选择单元21可以选择的所有色温值对应的正向变换矩阵，通过用户选择的色温值，XYZ色度***正向变换单元12可以找到与该色温值对应的正向变换矩阵 $\left[\begin{array}{ccc}C11& C12& C13\\ C21& C22& C23\\ C31& C32& 33\end{array}\right],$ 借助公式(2)得到X、Y和Z。

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}C11& C12& C13\\ C21& C22& C23\\ C31& C32& C33\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{Rs}\\ \mathrm{Gs}\\ \mathrm{Bs}\end{array}\right]$ 公式(2)

例如，若用户设置的色温是6500K，则其正向变换关系为：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0.4124& 0.3576& 0.1805\\ 0.2126& 0.7152& 0.0722\\ 0.0193& 0.1192& 0.9505\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}\mathrm{Rs}\\ \mathrm{Gs}\\ \mathrm{Bs}\end{array}\right]$ 公式(2-1)

步骤204：线性Lab颜色空间正向变换单元13根据公式(3)将X、Y和Z变换成线性Lab颜色空间中的L、a和b。

$\left[\begin{array}{c}L\\ a\\ b\end{array}\right]=T_{\mathrm{Lab}}*\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& 100/Y_n& 0\\ 500/X_n& -500/Y_n& 0\\ 0& 200/Y_n& -200/Z_n\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]$ 公式(3)

其中，不同的色温对应不同的T_Lab，用户通过色温选择单元21选择设定的所有色温值都各对应一个T_Lab，所有的T_Lab都存储在线性Lab颜色空间正向变换单元13中，线性Lab颜色空间正向变换单元13可以通过读取用户设定的色温值方便地查找到与其对应的T_Lab。T_Lab中的X_n、Y_n和Z_n是这样确定的，用户设定每一个色温值都拥有对应色品坐标，例如用户设定色温值为T_A，则T_A对应的色品坐标为(x_A，y_A，z_A)，则X_n、Y_n和Z_n用公式(4)计算得到。

$\left\{\begin{array}{c}{X}_n=\frac{x_A}{y_A}*100\\ Y_n=100\\ Z_n=\frac{z_A}{y_A}*100\end{array}\right.$ 公式(4)

例如，若用户设定色温为6500K，其色品坐标为(0.3127，0.3290，0.3583)，由公式(4)可得(X_n，Y_n，Z_n)＝(95.04，100，108.89)；从而由公式(3)可得在该色温下XYZ色度***向线性Lab颜色空间的变换公式：

$\left[\begin{array}{c}L\\ a\\ b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& 1.0& 0\\ 5.2609& -5.0& 0\\ 0& 2.0& -1.8367\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]$ 公式(4-1)

本发明在线性Lab颜色空间进行色域扩展处理，它是标准Lab颜色空间的很好近似，标准Lab颜色空间是国际照明委员会CIE定义的均匀颜色空间，是颜色管理流程中的标准工作空间。所谓均匀颜色空间是指这样一种颜色空间，在该空间内各色区中人眼的颜色感知差异相同。但是将视频的颜色信号转换到Lab颜色空间的算法非常复杂，不利于实时处理，所以本发明所述的色域扩展方法将工作空间定义在线性Lab颜色空间上，这样便大大简化了转换算法，减小了计算量；并且由于本发明在近似于均匀颜色空间的线性Lab颜色空间进行色域扩展运算，因此相对基于色差信号的调整方法，本发明能够较好地避免色相偏差现象的发生，具有更高的精度和准确性。

步骤205：色域扩展单元14接收用户通过色域扩展系数输入单元22自由设定的色域扩展系数VGE，并在线性Lab颜色空间中对a和b进行扩展处理，得到a_new和b_new，计算方法采用公式(5)：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{new}}=a*\mathrm{VGE};\\ b_{\mathrm{new}}=b*\mathrm{VGE};\end{array}\right.$ 公式(5)

步骤206：线性Lab颜色空间逆变换单元15将L、a_new和b_new变换回XYZ空间中，得到X_new、Y_new和Z_new，变换过程采用下面的公式(6)：

$\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{new}}\\ Y_{\mathrm{new}}\\ Z_{\mathrm{new}}\end{array}\right]=T_{\mathrm{Lab}}^{-1}\left[\begin{array}{c}L\\ a_{\mathrm{new}}\\ b_{\mathrm{new}}\end{array}\right]$ 公式(6)

其中，T_Lab ^-1为步骤204中的T_Lab的逆矩阵，因此不同的色温值也对应不同的T_Lab ^-1，所有的T_Lab ^-1存储在线性Lab颜色空间逆变换单元15的存储器中，线性Lab颜色空间逆变换单元15根据用户设定的色温值读取出相应的T_Lab ^-1，利用公式(6)得到设定色温下的X_new、Y_new和Z_new。

步骤207：大色域XYZ逆变换单元16将X_new、Y_new和Z_new变换回RGB***中的激励值R_new、G_new和B_new。

上述步骤207的详细过程如下：

步骤2071：利用大色域显示设备XYZ色度***逆向转换矩阵 $\left[\begin{array}{ccc}T11& T12& T13\\ T21& T22& T23\\ T31& T32& T33\end{array}\right],$ 该矩阵由大色域显示设备的三基色色品坐标和该显示设备最亮白场对应的色温决定，其计算方法可以从相关色度学知识得到。将X_new、Y_new和Z_new转换到线性颜色数据R_snew、G_snew和B_snew。变换过程采用公式(7)：

$\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{snew}}\\ G_{\mathrm{snew}}\\ B_{\mathrm{snew}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}T11& T12& T13\\ T21& T22& T23\\ T31& T32& T33\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{new}}\\ Y_{\mathrm{new}}\\ Z_{\mathrm{new}}\end{array}\right]$ 公式(7)

步骤2072：借助预先建立的从线性颜色数据到RGB***激励值的查找表，将R_snew、G_snew和B_snew变换到RGB***中的激励值R_new、G_new和B_new。

上述变换过程中，也可将步骤206和步骤207合成一个步骤完成。

步骤208：RGB信号输出单元17将R_new、G_new和B_new输出。

因为本实施例的色域扩展***及方法中的所有变换过程需要的矩阵都可以预先计算好，并存入到存储器中，因此涉及到矩阵的乘法运算仅仅只需进行几个线性计算，并且本发明采用的算法中没有非线性的计算，因此计算效率很高，满足大数据量视频的实时处理的要求。

本实施例中，输入的象素颜色信息是RGB信号，但本发明也可以采用其它信号做为象素颜色信息，如YCbCr信号，这是本领域的技术人员能够理解的。

以上所述的具体实施例对本发明的目的、技术方案以及有益效果进行了详细的说明。所应理解的是，上述内容仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神与原则之内，所做的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种色域扩展***，包括：信号输入单元、正向变换单元、色域扩展单元、逆向变换单元和信号输出单元；

所述信号输入单元用于输入象素颜色信息；

所述正向变换单元用于将所述的象素颜色信息转换为线性Lab颜色空间中的L、a、b值；

所述色域扩展单元用于在线性Lab颜色空间中根据色域扩展系数将所述正向变换单元提供的L、a、b值扩展为新的L、a_new、b_new值；计算方法采用公式： $\left[\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{new}}=a*\mathrm{VGE};\\ b_{\mathrm{new}}=b*\mathrm{VGE};\end{array}\right]$ 其中，VGE为用户自由设定的色域扩展系数；

所述逆向变换单元用于将扩展后的L、a、b值转换为大色域的象素颜色信息；

所述信号输出单元用于输出所述大色域的象素颜色信息。

2.根据权利要求1所述的色域扩展***，其特征在于，所述色域扩展***还包括色域扩展系数输入单元，用于供用户输入色域扩展系数。

3.根据权利要求1所述的色域扩展***，其特征在于，所述色域扩展***还包括色温选择单元，用于供用户选择色温值，该色温值作为所述正向变换单元和逆向变换单元的输入参数。

4.根据权利要求1所述的色域扩展***，其特征在于，所述象素颜色信息是RGB信号。

5.根据权利要求4所述的色域扩展***，其特征在于，所述正向变换单元包括XYZ色度***正向变换单元和线性Lab颜色空间正向变换单元；所述XYZ色度***正向变换单元用于将RGB***的R、G、B三激励值变换成XYZ***的X、Y、Z三激励值；所述线性Lab颜色空间正向变换单元用于将X、Y、Z三激励值变换到线性Lab颜色空间中的L、a、b值；

所述逆向变换单元包括线性Lab颜色空间逆变换单元和大色域XYZ逆变换单元；所述线性Lab颜色空间逆变换单元用于将色域扩展后的L、a、b值变换为XYZ***的大色域X、Y、Z激励值；所述大色域XYZ逆变换单元用于将所述大色域X、Y、Z激励值变换为大色域RGB***的R、G、B激励值。

6.一种色域扩展方法，包括如下步骤：

1）输入象素颜色信息；

2）将所述象素颜色信息转换为线性Lab颜色空间中的L、a、b值；

3）在线性Lab颜色空间中，根据色域扩展系数，将所述步骤2）提供的L、a、b值扩展为新的L、a_new、b_new值；计算方法采用公式：

其中，VGE为用户自由设定的色域扩展系数；

4）将扩展后的L、a、b值转换为大色域的象素颜色信息；

5）输出所述大色域的象素颜色信息。

7.根据权利要求6所述的色域扩展方法，其特征在于，所述步骤3）中，所述色域扩展系数由用户输入。

8.根据权利要求6所述的色域扩展方法，其特征在于，所述步骤2）中，还包括由用户选择色温值，根据该色温值将象素颜色信息转换为线性Lab颜色空间中的L、a、b值；所述步骤4）中，根据所述色温值，将扩展后的L、a、b值转换为大色域的象素颜色信息。

9.根据权利要求6所述的色域扩展方法，其特征在于，所述象素颜色信息是RGB信号。

10.根据权利要求6所述的色域扩展方法，其特征在于，所述步骤2）包括如下子步骤：

21）将RGB***的R、G、B三激励值变换成XYZ***的X、Y、Z三激励值；

22）将X、Y、Z三激励值变换到线性Lab颜色空间中的L、a、b值；

所述步骤4）包括如下子步骤：

41）将色域扩展后的L、a、b值变换为XYZ***的大色域X、Y、Z激励值；

42）将所述大色域X、Y、Z激励值变换为大色域RGB***的R、G、B激励值。

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