CN101986715B

CN101986715B - 一种激光电视色域扩展***及方法

Info

Publication number: CN101986715B
Application number: CN2010105872200A
Authority: CN
Inventors: 宋刚; 李义辉; 王洪君; 万强; 栗华; 刘�英; 张念伍
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2030-12-14
Also published as: CN101986715A

Abstract

本发明涉及一种激光电视色域扩展***及方法。该方法将色域扩展简化为多个计算量很少的运算单元，降低了色域扩展的硬件实现成本，提高了***的可靠性。它将输入的标准色域视频RGB信号解码为的RGB数字信号；该RGB数字信号分别经过色域转换矩阵后转换为激光RGB信号；经过饱和度归一化后得到饱和度系数C；经过饱和度最大化后得到最大饱和度RGB信号，并由该信号为索引得到色域扩展系数K；激光色域RGB信号、饱和度系数和扩展系数K一起进行色域扩展处理，最终得到经过色域扩展的激光电视驱动RGB信号。

Description

一种激光电视色域扩展***及方法

技术领域

本发明属于激光电视视频显示领域，特别是一种低成本高效率的激光电视色域扩展***及方法。

背景技术

广播电视标准(如SMPTE-C、EBU、ITU-R.BT.709和sRGB等)都是基于CRT显示器三基色特性进行定义色域的。然而CRT显示器的色域仅能显示大自然中大约76％的色彩，许多高饱和度的色彩都不能被显示。近几年，广色域显示技术逐渐成为显示领域的研究热点，许多广色域电视已经陆续被研制出来，如多基色电视、LED电视和激光电视，其中由于激光电视的三基色具有光谱极窄，色纯度高，亮度大等特点，其显示色域能达到CRT色域的170％左右，是当前广色域电视中最先进的技术。

由于激光电视三基色的色度坐标不同于传统CRT三基色，标准电视信号直接应用于激光电视将会导致颜色偏差甚至混乱，必须经过色域映射对标准电视信号进行色彩校正才能正常显示。针对激光电视色域映射的算法已经出现，但算法一般都涉及颜色空间的变换和色度坐标的计算，运算量较大。由于视频色域映射需要实时处理，对硬件运算速度有这极为苛刻的要求，在对成本有着严格要求的消费市场，以上算法显然难以应用于实际。还有一种基于三维查找表的色域映射架构，该架构仍需大量资源来实现数据存储和数据插值运算，且线性插值算法精度不高。

发明内容

本发明为克服现有技术的缺陷，提供一种低成本高效率的激光电视色域扩展***及方法。该方法将色域扩展简化为多个计算量很少的运算单元，降低了色域扩展的硬件实现成本，提高了***的可靠性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

它包括：

一个RGB信号输入模块，该模块输入标准色域RGB数字信号；

一个基色转换矩阵，完成标准色域RGB数字信号向激光色域RGB数字信号的转换；

一个饱和度归一化装置，确定标准色域RGB中的饱和度系数C；

一个饱和度最大化装置，确定标准色域RGB中最大RGB值；

一个扩展***查找表，根据饱和度最大化装置确定的标准色域RGB中的最大RGB值，输出对应的扩展系数K；

一个色域扩展处理装置，它以饱和度系数C为索引，将激光色域RGB减去其中的最小值后与扩展系数K相乘，然后乘以查找表的值，最后与激光RGB值的和作为输出。

所述基色转换矩阵主要由乘法器和加法器组成，其通过3*3转换矩阵与标准RGB数字信号做矩阵乘法完成，其中标准色域RGB中R、G、B通道分别与一个乘法器连接，三个乘法器与加法器连接，加法器与色域扩展处理装置连接；其中，基色转换矩阵为

则该模块的输入输出运算式为

所述基色转换矩阵在红绿蓝三基色激光器分别采用波长为635nm红色激光、532nm绿色激光和465nm蓝色激光时，转换矩阵为：

所述饱和度归一化装置包括数据比较器I，它输入端与标准色域RGB输入信号连接，输出端输出标准色域RGB中的最小值到三个减法器I，三个减法器I为与标准色域RGB中R、G、B信号相应的减法器，并将输入的标准色域R、G、B值分别减去数据比较器I输出的RGB中的最小值，然后将三个差值送入数据比较器II，数据比较器II则将三个差值中的最大值输出到除法器，除法器以该最大值为被除数，以RGB空间的最大值为除数，得到饱和系数C。

所述饱和度最大化装置包括数据比较器III，它输入端与标准色域RGB信号输入信号连接，输出端输出标准色域RGB中的最小值到三个减法器II，三个减法器II为与标准色域RGB中R、G、B信号相应的减法器，三个减法器将输入的标准色域R、G、B值分别减去数据比较器III输出的RGB中的最小值，并将三个差值分别送入三个除法器和数据比较器IV，数据比较器IV将三个差值中的最大值作为除数送入三个除法器，三个除法器的被除数分别为三个差值，三个除法器的输出值作为被乘数分别送入三个乘法器I，三个乘法器I以RGB空间最大值作为乘数，三个乘法器的输出乘积作为饱和度最大化RGB。

所述扩展系数查找表由6个256单元的表组成，每个单元均存储一个扩展系数，根据饱和度最大化装置的输出值，输出对应的扩展系数；查找表保存了所有色调颜色最大饱和度颜色的扩展系数；通过判断饱和度最大化后RGB值中个色通道是否为0值和最大值分为6种情况，以[R G B]表示：[0n 255]、[0255n]、[2550n]、[n 0255]、[255n 0]和[n 2550]，n为RGB空间取值范围内任意值；以上六种情况对应6个查找表，n值为对应查找表的取值索引。

所述色域扩展处理装置包括数据比较器V，它将输入的激光RGB值中的最小值输出到三个减法器III作为除数，三个减法器III分别以输入的激光RGB值作为被减数，将输出的三个差值分别送入三个乘法器II作为被乘数，三个乘法器II以一维查找表中的扩展系数K作为乘数，将三个输出结果分别送入三个乘法器III，三个乘法器III再分别与饱和度系数C相乘后，将三个乘积值分别送入三个加法器，三个加法器再与激光RGB值中对应通道的值相加后驱动显示。

一种激光电视色域扩展方法，它将输入的标准色域视频RGB信号解码为的RGB数字信号；该RGB数字信号分别经过色域转换矩阵后转换为激光RGB信号；经过饱和度归一化后得到饱和度系数C；经过饱和度最大化后得到最大饱和度RGB信号，并由该信号为索引得到色域扩展系数K；激光色域RGB信号、饱和度系数和扩展系数K一起进行色域扩展处理，最终得到经过色域扩展的激光电视驱动RGB信号。

所述基色转换矩阵将标准视频RGB信号转换到CIE-XYZ空间然后再转换到激光RGB空间；当三基色的色度坐标和光源确定时，通过色度学转换公式计算出RGB空间到CIE-XYZ空间的转换矩阵及其逆矩阵。

所述饱和度归一化的算法为：输入信号RGB中的最大值与RGB空间中规定最大值的比值即为饱和度系数。

所述饱和度最大化的算法为：将输入信号RGB分别减去R、G、B其中最小的数值，将得到的R、G、B值同时除以其中最大的数值，然后同时乘以RGB空间中规定的最大值即为饱和度最大化后的结果；若规定RGB取值范围为[0255]，则最终结果RGB值至少有一个值为0，至少有一个值为255。

所述扩展系数查找表为预先计算好的常量查找表，该表按照最大饱和度颜色的RGB顺序排列了所有最大饱和度RGB值的扩展系数K。

所述色域扩展处理的算法为：预先设计一个定义域为[0 1]、值域为[01]的递增函数f(x)，对于任意激光色域[RG B]值，驱动[R_d G_d B_d]值由下式计算：

其中f(x)通过函数表达式计算实现或由查表实现。

所述扩展系数K的算法为：RGB空间规定的最大值与激光色域RGB中R、G、B最大值的比值减去1即为色域扩展系数K；对于RGB数字信号范围为[0255]的情况，最大分为1526种色调，需存储1526个K值。

本发明的有益效果是：本发明提出一种新的色域扩展方案，将激光电视色域扩展算法简化为多个计算简单的模块，该方案与现有激光电视色域扩展算法相比具有计算量少，计算结果精确等优势，同时大大降低了硬件实现成本，提高***的可靠性。本方案对激光电视的三基色选择具有普适性，不同的三基色仅改变基色转换矩阵的系数。

附图说明

图1为一种低成本高效率的激光电视色域扩展方法的示意图。

图2为本发明的组成框图；

图3为基色转换矩阵模块(激光R通道)结构框图；

图4为饱和度归一化装置结构框图；

图5为饱和度最大化装置结构框图；

图6为色域扩展装置结构框图。

其中，1.基色转换矩阵，2.饱和度归一化装置，3.饱和度最大化装置，4.扩展系数查找表，5.色域扩展处理装置，6.RGB信号输入模块，7.乘法器，8.加法器，9.数据比较器I，10.三路减法器I，11.数据比较器II，12.除法器，13.数据比较器III，14.三路减法器II，15.三路除法器，16.数据比较器IV，17.三路乘法器I，18.数据比较器V，19.三路减法器III，20.三路乘法器II，21.三路乘法器III 22.三路加法器。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

图1中，它将输入的标准色域视频RGB信号解码为的RGB数字信号；该RGB数字信号分别经过色域转换矩阵后转换为激光RGB信号；经过饱和度归一化后得到饱和度系数C；经过饱和度最大化后得到最大饱和度RGB信号，并由该信号为索引得到色域扩展系数K；激光色域RGB信号、饱和度系数和扩展系数K一起进行色域扩展处理，最终得到经过色域扩展的激光电视驱动RGB信号。

所述色域扩展处理的算法为：预先设计一个定义域为[0 1]、值域为[01]的递增函数f(x)，对于任意激光色域[RGB]值，驱动[R_d G_d B_d]值由下式计算：

其中f(x)通过函数表达式计算实现或由查表实现。

所述扩展系数K的算法为：RGB空间规定的最大值与激光色域RGB中R、G、B最大值的比值减去1即为色域扩展系数K；对于RGB数字信号范围为[0 255]的情况，最大分为1526种色调，需存储1526个K值。

当激光三基色波长选择为R：635nm，G：532nm，B：465nm时，激光色域RGB信号到CIE-XYZ空间的转换矩阵为：对于NTSC制式的视频RGB信号到CIE-XYZ空间的转换矩阵为：则基色转换矩阵计算式为

色域扩展处理中的递增函数f(x)可以是线性函数(如f(x)＝x)，也可以是非线性函数(如f(x)＝xⁿ，(n＞1，n∈R))，也可以是分段函数。

以上算法推荐使用FPGA实现，通过流水线技术是色域扩展能够高速完成。

图2中，一种基于RGB空间的高效激光电视色域扩展***及设计方法，它包一个RGB信号输入模块6，该模块输入标准色域RGB数字信号；

一个基色转换矩阵1，完成标准色域RGB数字信号向激光色域RGB数字信号的转换；

一个饱和度归一化装置2，确定标准色域RGB中的饱和度系数C；

一个饱和度最大化装置3，确定标准色域RGB中最大RGB值；

一个扩展***查找表4，根据饱和度最大化装置确定的标准色域RGB中的最大RGB值，输出对应的扩展系数K；

一个色域扩展处理装置5，它以饱和度系数C为索引，将激光色域RGB减去其中的最小值后与扩展系数K相乘，然后乘以查找表的值，最后与激光RGB值的和作为输出。

图3中，基色转换矩阵1完成标准色域RGB数字信号向激光色域RGB数字信号的转换，通过3*3转换矩阵与标准RGB数字信号做矩阵乘法完成。其中基色转换矩阵为

则该模块的输入输出运算式为

具体构成为：标准色域RGB中R、G、B通道分别与一个相应乘法器7连接，三个乘法器7与加法器8连接，加法器8与色域扩展处理装置5连接。

基色转换矩阵1在红绿蓝三基色激光器分别采用波长为635nm红色激光、532nm绿色激光和465nm蓝色激光时，转换矩阵为：

图4中，所述饱和度归一化装置2将输入R、G、B值分别减去RGB中最小值，取出结果中最大值与RGB空间规定最大值之商最为饱和度系数。

具体构成为：它包括数据比较器I9，它输入端与标准色域RGB输入信号连接，输出端输出标准色域RGB中的最小值到三路减法器I10，三路减法器I10为与标准色域RGB中R、G、B信号相应的减法器，并由输入的标准色域R、G、B值分别减去数据比较器I9输出的RGB中的最小值，然后将差值送入数据比较器II11，数据比较器II11则将R、G、B中的最大值输出到除法器12，除法器12以该最大值为被除数，以RGB空间的最大值为除数，得到饱和系数C。

图5中，所述饱和度最大化装置3将输入R、G、B值减去三个值中最小的一个，然后除以三个之中最大的一个，最后乘以RGB空间规定的最大值的积作为饱和度最大RGB值。饱和度最大RGB值中，至少有一个色通道为0值，至少有一个色通道值为最大值。

具体构成为：它包括数据比较器III13，它输入端与标准色域RGB信号输入信号连接，输出端输出标准色域RGB中的最小值到三路减法器II14，三路减法器II14为与标准色域RGB中R、G、B信号相应的减法器，各减法器将输入的标准色域R、G、B值分别减去数据比较器III13输出的RGB中的最小值，然后将R、G、B信号分别送入三路除法器15和数据比较器IV16，数据比较器IV16将R、G、B信号中的最大值作为除数送入三路除法器15，三路除法器15则分别输入的R、G、B信号作为被除数，将该商值作为被乘数送入三路乘法器I17，三路乘法器I17以RGB空间最大值作为乘数，以两者乘积作为饱和度最大化RGB。

图6中，所述色域扩展处理装置5中，查找表以饱和度系数C为索引，激光RGB减去其中的最小值后于扩展系数K相乘，然后乘以查找表的值，最后与激光RGB值的和作为输出。查找表的输出为C值的递增函数，该函数值域为[01]。

具体构成为：它包括数据比较器V18，它将输入的激光RGB值中的最小值输出到三路减法器III19，三路减法器III19将输入的激光RGB值减去输入的最小值送入三路乘法器II20，三路乘法器II20还与一维查找表中的扩展系数K分别相乘后送入三路乘法器III21，三路乘法器III21再分别于饱和度系数C相乘后，将所得值送入三路加法器22，三路加法器22再与激光RGB值相加后驱动显示。

所述扩展系数查找表4由6个256单元的表组成，每个单元均存储一个扩展系数，根据饱和度最大化装置3的输出值，输出对应的扩展系数。查找表保存了所有色调颜色最大饱和度颜色的扩展系数。通过判断饱和度最大化后RGB值中个色通道是否为0值和最大值可分为6种情况，以[R G B]表示：[0n 255]、[0255n]、[2550n]、[n 0255]、[255n 0]和[n 2550]，n为RGB空间取值范围内任意值。以上六种情况对应6个查找表，n值为对应查找表的取值索引。

Claims

1.一种激光电视色域扩展***，其特征是，它包括：

一个RGB信号输入模块，该模块输入标准色域RGB数字信号；

一个饱和度归一化装置，确定标准色域RGB中的饱和度系数C；输入信号RGB中的最大值与RGB空间中规定最大值的比值即为饱和度系数；

一个饱和度最大化装置，确定标准色域RGB中最大RGB值；将输入信号RGB分别减去R、G、B其中最小的数值，将得到的R、G、B值同时除以其中最大的数值，然后同时乘以RGB空间中规定的最大值即为饱和度最大化后的结果；若规定RGB取值范围为[0255]，则最终结果RGB值至少有一个值为0，至少有一个值为255；

一个扩展***查找表，扩展系数查找表为预先计算好的常量查找表，该表按照最大饱和度颜色的RGB顺序排列了所有最大饱和度RGB值的扩展系数K；根据饱和度最大化装置确定的标准色域RGB中的最大RGB值，输出对应的扩展系数K；

一个色域扩展处理装置，它以饱和度系数C为索引，将激光色域RGB减去其中的最小值后与扩展系数K相乘，然后乘以查找表的值，最后与激光RGB值的和作为输出；色域扩展处理的算法为：预先设计一个定义域为[01]、值域为[01]的递增函数f(x)，对于任意激光色域[RGB]值，驱动[R_dG_dB_d]值由下式计算：

[\begin{matrix} R_{d} \\ G_{d} \\ B_{d} \end{matrix}] = [\begin{matrix} R \\ G \\ B \end{matrix}] + (\begin{matrix} [\begin{matrix} R \\ G \\ B \end{matrix}] \end{matrix} - \min (R, G, B)) \cdot K \cdot f (C),

其中f(x)通过函数表达式计算实现或由查表实现。

2.如权利要求1所述的激光电视色域扩展***，其特征是，所述基色转换矩阵主要由乘法器和加法器组成，其通过3*3转换矩阵与标准RGB数字信号做矩阵乘法完成，其中标准色域RGB中R、G、B通道分别与一个乘法器连接，三个乘法器与加法器连接，加法器与色域扩展处理装置连接；其中，基色转换矩阵为

[\begin{matrix} a_{1} & b_{1} & c_{1} \\ a_{2} & b_{2} & c_{2} \\ a_{3} & b_{3} & c_{3} \end{matrix}],

则该模块的输入输出运算式为

[\begin{matrix} R_{out} \\ G_{out} \\ B_{out} \end{matrix}] = [\begin{matrix} a_{1} & b_{1} & c_{1} \\ a_{2} & b_{2} & c_{2} \\ a_{3} & b_{3} & c_{3} \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} R_{in} \\ G_{in} \\ B_{in} \end{matrix}] .

3.如权利要求1所述的激光电视色域扩展***，其特征是，所述基色转换矩阵在红绿蓝三基色激光器分别采用波长为635nm红色激光、532nm绿色激光和465nm蓝色激光时，转换矩阵为：

[\begin{matrix} 0.9963 & 0.2780 & - 0.3235 \\ - 0.3480 & 0.7348 & 0.1338 \\ 0.1983 & 0.0874 & 1.0493 \end{matrix}] .

4.如权利要求1所述的激光电视色域扩展***，其特征是，所述饱和度归一化装置包括数据比较器I，它输入端与标准色域RGB输入信号连接，输出端输出标准色域RGB中的最小值到三个减法器I，三个减法器I为与标准色域RGB中R、G、B信号相应的减法器，并将输入的标准色域R、G、B值分别减去数据比较器I输出的RGB中的最小值，然后将三个差值送入数据比较器II，数据比较器II则将三个差值中的最大值输出到除法器，除法器以该最大值为被除数，以RGB空间的最大值为除数，得到饱和系数C。

5.如权利要求1所述的激光电视色域扩展***，其特征是，所述饱和度最大化装置包括数据比较器III，它输入端与标准色域RGB信号输入信号连接，输出端输出标准色域RGB中的最小值到三个减法器II，三个减法器II为与标准色域RGB中R、G、B信号相应的减法器，三个减法器将输入的标准色域R、G、B值分别减去数据比较器III输出的RGB中的最小值，并将三个差值分别送入三个除法器和数据比较器IV，数据比较器IV将三个差值中的最大值作为除数送入三个除法器，三个除法器的被除数分别为三个差值，三个除法器的输出值作为被乘数分别送入三个乘法器I，三个乘法器I以RGB空间最大值作为乘数，三个乘法器的输出乘积作为饱和度最大化RGB。

6.如权利要求1所述的激光电视色域扩展***，其特征是，所述扩展系数查找表由6个256单元的表组成，每个单元均存储一个扩展系数，根据饱和度最大化装置的输出值，输出对应的扩展系数；查找表保存了所有色调颜色最大饱和度颜色的扩展系数；通过判断饱和度最大化后RGB值中个色通道是否为0值和最大值分为6种情况，以[RGB]表示：[0n255]、[0255n]、[2550n]、[n0255]、[255n0]和[n2550]，n为RGB空间取值范围内任意值；以上六种情况对应6个查找表，n值为对应查找表的取值索引。

7.如权利要求1所述的激光电视色域扩展***，其特征是，所述色域扩展处理装置包括数据比较器V，它将输入的激光RGB值中的最小值输出到三个减法器III作为除数，三个减法器III分别以输入的激光RGB值作为被减数，将输出的三个差值分别送入三个乘法器II作为被乘数，三个乘法器II以一维查找表中的扩展系数K作为乘数，将三个输出结果分别送入三个乘法器III，三个乘法器III再分别与饱和度系数C相乘后，将三个乘积值分别送入三个加法器，三个加法器再与激光RGB值中对应通道的值相加后驱动显示。

8.一种激光电视色域扩展方法，其特征是，它将输入的标准色域视频RGB信号解码为的RGB数字信号；该RGB数字信号分别经过色域转换矩阵后转换为激光RGB信号；经过饱和度归一化后得到饱和度系数C，所述饱和度归一化的算法为输入信号RGB中的最大值与RGB空间中规定最大值的比值即为饱和度系数；经过饱和度最大化后得到最大饱和度RGB信号，并由该信号为索引得到色域扩展系数K，所述饱和度最大化的算法为：将输入信号RGB分别减去R、G、B其中最小的数值，将得到的R、G、B值同时除以其中最大的数值，然后同时乘以RGB空间中规定的最大值即为饱和度最大化后的结果；若规定RGB取值范围为[0255]，则最终结果RGB值至少有一个值为0，至少有一个值为255；激光色域RGB信号、饱和度系数和扩展系数K一起进行色域扩展处理，最终得到经过色域扩展的激光电视驱动RGB信号；所述色域扩展处理的算法为：预先设计一个定义域为[01]、值域为[01]的递增函数f(x)，对于任意激光色域[R值，驱动[R_d G_d值由下式计算：

[\begin{matrix} R_{d} \\ G_{d} \\ B_{d} \end{matrix}] = [\begin{matrix} R \\ G \\ B \end{matrix}] + (\begin{matrix} [\begin{matrix} R \\ G \\ B \end{matrix}] \end{matrix} - \min (R, G, B)) \cdot K \cdot f (C),

其中f(x)通过函数表达式计算实现或由查表实现，其中查找表为预先计算好的常量查找表，该表按照最大饱和度颜色的RGB顺序排列了所有最大饱和度RGB值的扩展系数K。

9.如权利要求8所述的激光电视色域扩展方法，其特征是，所述基色转换矩阵将标准视频RGB信号转换到CIE-XYZ空间然后再转换到激光RGB空间；当三基色的色度坐标和光源确定时，通过色度学转换公式计算出RGB空间到CIE-XYZ空间的转换矩阵及其逆矩阵；所述饱和度归一化的算法为：输入信号RGB中的最大值与RGB空间中规定最大值的比值即为饱和度系数；所述饱和度最大化的算法为：将输入信号RGB分别减去R、G、B其中最小的数值，将得到的R、G、B值同时除以其中最大的数值，然后同时乘以RGB空间中规定的最大值即为饱和度最大化后的结果；若规定RGB取值范围为[0255]，则最终结果RGB值至少有一个值为0，至少有一个值为255；所述扩展系数查找表为预先计算好的常量查找表，该表按照最大饱和度颜色的RGB顺序排列了所有最大饱和度RGB值的扩展系数K；所述扩展系数K的算法为：RGB空间规定的最大值与激光色域RGB中R、G、B最大值的比值减去1即为色域扩展系数K；对于RGB数字信号范围为[0255]的情况，最大分为1526种色调，需存储1526个K值。

10.如权利要求9所述的激光电视色域扩展方法，其特征是，所述色域扩展处理的算法为：预先设计一个定义域为[01]、值域为[01]的递增函数f(x)，对于任意激光色域[RGB]值，驱动[R_d G_d B_d]值由下式计算：

[\begin{matrix} R_{d} \\ G_{d} \\ B_{d} \end{matrix}] = [\begin{matrix} R \\ G \\ B \end{matrix}] + (\begin{matrix} [\begin{matrix} R \\ G \\ B \end{matrix}] \end{matrix} - \min (R, G, B)) \cdot K \cdot f (C),

其中f(x)通过函数表达式计算实现或由查表实现。