CN203261427U - 一种基于数控光滤波器的视频图像色彩补偿装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于数控光滤波器的视频图像色彩补偿装置，它包括数字微镜驱动板、数字微镜器件DMD、数控光滤波器及光源UHP灯，所述数字微镜驱动板包括现场可编程门阵列FPGA和微控制器ARM，其中，FPGA是***的核心处理器，用于实现色彩补偿，并最终驱动数字微镜器件DMD。而微控制器ARM用于驱动数控光滤波器，保证其高速转动；光源UHP灯是数字微镜器件DMD的光源，数控光滤波器作为光源的滤色器，每一时刻光源发出的白色光只有单一色光能通过数控光滤波器照在DMD上。本实用新型是针对数控光滤波器本身存在的滤波失真，而提出的一种色彩补偿方法及装置，增强了视频图像显示的色彩还原性。

Description

一种基于数控光滤波器的视频图像色彩补偿装置

技术领域

本实用新型涉及光滤波处理技术领域，尤其是一种基于数控光滤波器的视频图像色彩补偿装置。 

背景技术

光滤波器是用于波长选择的仪器，可以从众多的波长中挑选所需波长，而拒绝通过此波长以外的光。凡是能够对光进行选择的技术，原则上都可用来制造光滤波器，因此光滤波器的实现形式很多。在数字光处理（DLP）显示技术中，就需要借助光滤波器来完成对色彩的分离和处理，从而实现彩色投影显示。这里，实现光滤波器用的是一种彩色滤光片，它可以精确选择欲通过的小范围波段光波，而反射掉其他不希望通过的波段。通常，彩色滤波片安装在光源的前方，光源穿过彩色滤光片后，就能得到某种特定颜色的光线。因此，在DLP投影中，彩色滤光片是产生色彩的根源。 

目前，DLP普遍采用数字微镜器件（DMD）微镜片反射技术，而色彩处理方面采用的光滤波器由红、绿、蓝等分色滤光片组成，可将透过的白光进行分色，并通过高速马达使其转动，然后顺序分出不同单色光于指定的光路上，最后经由其它光机元件合成并投射出全彩图像。当DLP投影***开始工作后，输入的红绿蓝（RGB）格式的视频信号被转化为比特面格式的数据，数据将按顺序写入到DMD的静态随机存储器(SRAM)。与此同时，彩色滤光片将匀速转动起来，高压汞灯发出高强度白光，照射到彩色滤光片上。光线经过滤光片后，会有红、绿、蓝光顺序地照射在DMD上。由于光滤波处理和视频图像是同步进行的，所以当红光射到DMD上时，镜片按照红色信息应该显示的位置和强度倾斜到“开”，绿色和蓝色光及视频信号亦是如此工作。最终，人体视觉***集中红、绿、蓝信息，在屏幕上将看到三基色合成的彩色图像。 

由于在单片DMD投影***中，同一时间内只进行一次光滤波处理，每次只有一种颜色的光通过，因此会带来部分亮度的损失。同时，由于不同颜色光的光谱波长固有特性存在差别，使得色彩还原产生差别。实际的彩色滤光片由于工艺问题每个颜色不可能均匀分布并且完美的过渡到下一个颜色，这样使得色彩还原失真，这种现象在滤光片转到每个颜色的边缘最为明显。由于光滤波器本身的颜色失真使得整个投影装置颜色失真，大大降低了投影装置的色彩还原度。 

因此，如何使投影机既具有足够的显示亮度，同时又能充分的保证色彩的真实还原，是每个投影机厂家在产品设计中的一个关键的问题，而其中一个最重要的因素，就是光滤波处理技术的设计解决方案。 

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有光滤波处理技术的不足而提供的一种基于数控光滤波器的视频图像色彩补偿装置。该色彩补偿装置基于数控光滤波器展开，能补偿数控光滤波器本身的滤波失真，增强视频图像显示的色彩还原性，使得色彩更加逼真、生动。 

实现本实用新型目的的具体技术方案是： 

一种基于数控光滤波器的视频图像色彩补偿装置，特点是该装置包括数字微镜驱动板、数字微镜器件DMD、数控光滤波器及光源UHP灯；所述数字微镜驱动板包括现场可编程门阵列FPGA和微控制器ARM，微控制器ARM连接现场可编程门阵列FPGA及数控光滤波器，现场可编程门阵列FPGA连接数字微镜器件DMD，光源UHP灯照射数字微镜器件DMD；其中，FPGA中的驱动电路包括：输入模块、HSV颜色空间转换模块、色调分离模块、色彩补偿模块、限定输出模块以及DMD驱动模块，所述输入模块、HSV颜色空间转换模块、色调分离模块、色彩补偿模块、限定输出模块依次连接，输入模块还直接连接限定输出模块。

本实用新型在保证投影***具有足够的显示亮度基础上，解决了投影***无法实现色彩真实还原的这一难题。补偿了数控光滤波器本身存在的滤波失真，增强了视频图像显示的色彩还原性，使得***拥有完美的再现能力，能够将自然景***真的呈现出来，为用户展现鲜艳色彩与卓越画质。 

附图说明

图1为本实用新型数控光滤波器结构示意图； 

图2、图3为本实用新型滤光片的失真特征系数计算原理示意图；

图4为本实用新型数控光滤波器色调补偿电路结构图；

图5为本实用新型装置结构示意图。

具体实施方式

参阅图1，为数控光滤波器的结构。数控光滤波器由红(R)、绿(G)、蓝(B)、黄(Y)、紫红(M)和青(C)这6种不同颜色的滤光片构成，它们均匀分布形成一周（360°），即从角度上说，每种颜色滤光片占60°。每种颜色滤光片的中心角度Hcr分别定义为红色60°、绿色180°、蓝色300°、黄色120°、***0°或360°、青色240°；该数控光滤波器由微处理器进行数字控制，6种颜色滤光片分时复用，能有效扩大色彩表现范围。 

参阅图4，是针对图1的数控光滤波器结构而设计的具体色调补偿电路。主要包括以下几个模块：HSV颜色空间转换模块，色调分离模块，色彩补偿模块（RGBYCM）及限定输出模块。 

a、HSV颜色空间转换模块接收输入的RGB格式的视频信号，并根据目前已知的HSV颜色空间和RGB颜色空间的转换方程，按照像素点，转换为HSV格式的值。H代表了色调（Hue），S代表色饱和度（Saturation），V代表亮度（Brightness）。HSV颜色空间与RGB颜色空间的转换方程如下： 

 (1)

                                              (2)

           (3)

其中R,G,B分量代表输入的红色、绿色和蓝***信号，分别占10bit，输入范围是0-1023，在进行颜色空间转换时，需要将它们转换为0-1.0之间的值，因此上述公式中的R、G、B分量代表0-1.0之间的实数。X,Y的值取决于输入视频信号RGB分量的之间的相互关系，例如下表1中，当满足R≧B≧G时，X的值则是Rin-Bin，Y的值则是0。Max等价于R,G,B分量中的最大值，Min为R,G,B分量中的最小值。

表1 

判断条件	X值	Y值
			R≧B≧G	Rin-Bin	0
R≧G≧B	Gin-Bin	60
			G≧R≧B	Gin-Rin	120
G≧B≧R	Bin-Rin	180
			B≧G≧R	Bin-Gin	240
B≧R≧G	Rin-Gin	300

b、色调分离模块主要用于计算每种颜色滤光片（RGBYMC）的失真特征系数△X，即△R， △G， △B， △Y，△M，△C。经过该模块运算后，HSV格式的视频信号又转变回了RGB格式。

参阅图2、图3，是计算每种颜色滤光片失真特征系数的原理说明。根据数控光滤波器的结构，每种颜色滤光片的中心角度为Hcr，如表2中所示。补偿的角度范围为C，一般而言是120^o，但可以通过设置一个 寄存器来改变这个值。这是由于输入视频信号为RGB格式，因此相对于数控光滤波器的一周（360°），每种颜色（RGB）占120°，即补偿的角度范围C为120°。而每种颜色滤光片是从中心向两边线性失真的，因此在计算失真特征系数时，相对于每种颜色的滤光片，补偿的角度范围是C/2。图2说明了这些参数之间的相互关系。实际的数控光滤波器趋于线性过渡，因此利用步骤a中得到的每个像素的HSV值，补偿的角度范围C以及每种颜色滤光片的中心角度值Hcr，可定义失真特征系数方程如下： 

  (7) 

关于pos(x)函数，有以下定义：

               (8)

公式7中，X代表其中某一种滤光片（RGBYMC）。|H-Hcr|代表每种颜色滤光片的色调偏移分量△H，（C/2-△H）代表每种颜色滤光片的失真角度△C，（）代表每种颜色滤光片的相对失真分量△m，△X（△m*S*V）代表每种颜色的滤光片失真特征系数。当H=Hcr，并且色饱和度S和亮度V均为最大值1时，失真特征系数为1。随着H偏离Hcr越远，以及色饱和度和亮度越小，失真特征系数将变小。图3说明了这些分量之间的相互关系。例如，对于红色滤光片，根据表2，得到其中心角度Hcr为60°，由于补偿的角度范围C为120°，因此其失真特征系数可由公式9计算得到

   (9)

表2

滤光片(T)	Hcr值
		红色（R）	60
黄色（Y）	180
		绿色（G）	300
青色（C）	240
		蓝色（B）	如果Rin>Bin,则为0，否则为360
***（M）	120

c、色彩补偿模块包括R、G、B、Y、M和C这6种不同颜色滤光片的补偿。经过该模块的运算后，将得到RGB格式的视频信号的补偿值。这里将引入每种颜色滤光片的补偿参数Xcnt，即Rcnt,Gcnt,Bcnt,Ycnt,Mcnt,Ccnt。由于输入的RGB格式的视频信号为10bit，因此每种滤光片的补偿参数Xcnt是介于-1023到1023之间的整数值。相对于每种颜色滤光片的补偿，都包括两个补偿分量。例如对于红色滤光片，当Rcnt是正值，就引入了蓝色成分（dRb）；当Rcnt是负值，就引入了绿色成分（dRg）。因此，补偿分量是正值。

  (10) 

  (11)

对于绿色滤光片和蓝色滤光片的补偿，同红色滤光片补偿方法，得到（dGr，dGb）和（dBg，dBr）。对于青色滤光片，当Ccnt是正值，蓝色成分被减去；当Ccnt是负值，绿色成分被减去。因此，补偿分量是负值。

   (12)                                              

       (13) 

对于***滤光片、黄色滤光片的补偿，同青色滤光片补偿方法，得到（dMr，dMb）和（dYr，dYg）。通过这些补偿分量的相加，得到最终的RGB格式的视频信号补偿值CompY(Y对应RGB中的某种颜色)，即： 

   (14)

  (15)

  (16)

d、限定输出模块主要是对经过补偿后的输出RGB格式的视频信号做处理，使其适合于显示。将上述计算得到的补偿值和原始的输入视频信号相加，即得到输出的视频信号。

   (17) 

 (18)

  (19)

输出的RGB格式的视频信号也是10bit，即输出范围为0-1023。但是经过上述补偿处理后，输出视频信号有可能超过正常输出范围，发生溢出，因此需要做限定输出，即      

  (20)

将经过补偿后的输出视频信号进行视频图像的投影显示，可观察到视频图像的色彩还原性更好，色彩更加逼真、生动，数控光滤波器的滤波失真得到了补偿。

参阅图5，是本实用新型装置结构示意图。该装置包括数字微镜驱动板、数字微镜器件DMD、数控光滤波器、光源（UHP灯）。所述数字微镜驱动板包括FPGA（现场可编程门阵列）和ARM微控制器。其中，FPGA是***的核心处理器，接收输入的RGB格式的视频信号，实现色彩补偿过程，并最终驱动数字微镜器件DMD。FPGA中的驱动电路包括：输入模块，HSV颜色空间转换模块，色调分离模块，色彩补偿模块，限定输出模块以及DMD驱动模块。而ARM微控制器主要用于驱动数控光滤波器，保证数控光滤波器高速转动；UHP灯是本装置中数字微镜器件DMD的光源，数控光滤波器作为光源的滤色器，每一时刻光源发出的白色光只有单一色光能通过数控光滤波器照在DMD上。本实用新型装置的具体工作过程如下： 

输入的RGB格式视频信号由FPGA中的输入模块接收，并在HSV颜色空间转换模块中转换为HSV格式。这些视频信号进入色调分离模块处理后得到每种颜色滤光片的失真特征系数，经过色彩补偿模块以及限定输出模块的处理后得到补偿后的输出RGB格式视频信号，至此，色彩补偿处理完成。补偿后的视频信号，再通过DMD驱动模块，传送给数字微镜器件DMD，进行投影显示。

与此同时，ARM微控制器驱动数控光滤波器，使其匀速转动起来，UHP灯发出高强度的白光，照射到数控光滤波器的彩色滤光片上。光线经过数控光滤波器的滤波后，会有红、绿、蓝、黄、紫红、青色光顺序地照射在DMD上。由于光滤波处理和视频图像是同步进行的，所以当红光射到DMD上时，镜片按照红色信息应该显示的位置和强度倾斜到“开”，其他颜色的光及视频信号亦是如此工作。最终，人体视觉***集中这些颜色信息，在屏幕上将看到合成后的彩色图像。 

Claims (1)

1.一种基于数控光滤波器的视频图像色彩补偿装置，其特征在于该装置包括数字微镜驱动板、数字微镜器件DMD、数控光滤波器及光源UHP灯；所述数字微镜驱动板包括现场可编程门阵列FPGA和微控制器ARM，微控制器ARM连接现场可编程门阵列FPGA及数控光滤波器，现场可编程门阵列FPGA连接数字微镜器件DMD，光源UHP灯照射数字微镜器件DMD；其中，FPGA中的驱动电路包括：输入模块、HSV颜色空间转换模块、色调分离模块、色彩补偿模块、限定输出模块以及DMD驱动模块，所述输入模块、HSV颜色空间转换模块、色调分离模块、色彩补偿模块、限定输出模块依次连接，输入模块还直接连接限定输出模块。

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