CRT顯示器的顏色轉(zhuǎn)換模型

梁 靜, 鄧 晶 綠, 姜 婷 婷, 王 媛 媛

(1.大連工業(yè)大學(xué) 紡織輕工學(xué)院, 遼寧 大連 116034;2.北京理工大學(xué) 光電學(xué)院, 北京 100081)

0 引 言

顯示器是目前圖文信息處理最重要的預(yù)打樣手段,并且也是彩色圖像復(fù)制中最為重要的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性直接會(huì)關(guān)系到色彩管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所見(jiàn)即所得的性能[1]。由計(jì)算機(jī)控制的陰極射線管彩色顯示器(cathode ray tube, CRT)與其他傳統(tǒng)的顯示設(shè)備相比,具有控制靈活方便、色域范圍大等特點(diǎn)[2-3],從而在顏色科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的研究與應(yīng)用。但在實(shí)際應(yīng)用中卻發(fā)現(xiàn)有的使用者并不十分注重CRT顯示器色彩管理的重要性及其圖像顯示的精度?；谝陨显?作者將對(duì)型號(hào)為長(zhǎng)城N700DF的CRT顯示器進(jìn)行屏幕的校準(zhǔn)和特性化,采用多項(xiàng)式回歸算法建立CIERGB 到CIEXYZ 顏色轉(zhuǎn)換模型,并分析比較了轉(zhuǎn)換模型所得到的X、Y、Z計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值。

1 顯示器屏幕校準(zhǔn)和特性化

1.1 實(shí)驗(yàn)器材及實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)器材：CRT顯示器,長(zhǎng)城N700DF； Eye-One Pro分光光度儀,X-Rite 公司。

處理軟件：ProfileMaker Pro 5.0,MATLAB 7.0。

顯示器設(shè)置[4]：亮度為100%,白場(chǎng)為色溫6500K,伽瑪值為2.2。

實(shí)驗(yàn)工作環(huán)境：關(guān)閉房間內(nèi)所有光源,并拉好室內(nèi)的窗簾,要求墻壁是標(biāo)準(zhǔn)中性灰的黑房間。

1.2 實(shí)驗(yàn)操作流程

(1)清潔顯示器屏幕,打開(kāi)CRT顯示器,為使呈色穩(wěn)定,還需預(yù)熱0.5 h。同時(shí)關(guān)閉CRT顯示器的屏幕保護(hù)程序和色彩管理功能。

(2)安裝Eye-One Pro分光光度儀驅(qū)動(dòng)軟件,把分光光度儀連接到計(jì)算機(jī)中。

(3)啟動(dòng)ProfileMaker Pro 5.0軟件,點(diǎn)擊MONITOR選項(xiàng)。用鼠標(biāo)單擊Reference Data下方右側(cè)箭頭,在彈出的下拉式菜單中選擇CRT Monitor Reference選項(xiàng)。同理在Measurement Data下方右側(cè)的彈出下拉式菜單中選擇eye-one選項(xiàng),如圖1所示。

圖1 ProfileMaker 操作界面

(4)校準(zhǔn)白場(chǎng)。如圖2所示,在彈出的校準(zhǔn)白場(chǎng)的對(duì)話(huà)框中,將測(cè)量?jī)x器放在參考白點(diǎn)上,點(diǎn)擊“確定”按鈕。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)白的校準(zhǔn)圖

(5) 校準(zhǔn)顯示器。當(dāng)出現(xiàn)“是否校準(zhǔn)顯示器”時(shí),點(diǎn)擊“確定”,彈出顯示器Monitor Calibration對(duì)話(huà)框。如圖3所示,在對(duì)話(huà)框中分別設(shè)置白場(chǎng)為色溫6 500 K,伽瑪值為2.2,亮度為100%,Monitor Type選擇CRT。CRT顯示器校準(zhǔn)完成后,點(diǎn)擊右下角“1”右邊的藍(lán)色三角形按鈕進(jìn)入下一步操作。

圖3 顯示器校準(zhǔn)圖

(6)調(diào)整對(duì)比度。如圖4所示,利用重錘將Eye-one Pro分光光度儀掛在CRT顯示器的屏幕上。為提高測(cè)量數(shù)值的準(zhǔn)確性,分光光度儀一定要對(duì)準(zhǔn)測(cè)量的色塊區(qū)域。如圖5所示,點(diǎn)擊“Start”,調(diào)整對(duì)比度,待上下方箭頭對(duì)齊后點(diǎn)擊“Stop”,點(diǎn)擊“2”右邊三角形按鈕進(jìn)入下一步操作。

圖4 Eye-One Pro分光光度儀的屏幕懸掛圖

圖5 對(duì)比度的調(diào)節(jié)圖

(7)調(diào)整亮度與白點(diǎn)。亮度：將CRT顯示器亮度調(diào)到最小,點(diǎn)擊“Start”,逐步增加亮度,待上下方箭頭對(duì)齊后點(diǎn)擊“Stop”。完成后點(diǎn)擊“3”右側(cè)三角形按鈕進(jìn)入下一步操作。白點(diǎn)：分別調(diào)整顯示器的R、G、B,將R、G、B顏色箭頭盡量對(duì)齊,點(diǎn)擊“4” 右側(cè)三角形按鈕進(jìn)入下一步操作。

(8)42種標(biāo)準(zhǔn)參考色的測(cè)試。在CRT顯示器測(cè)試界面中,將Eye-One Pro分光光度儀放置在屏幕正中央,點(diǎn)擊“Start”,當(dāng)屏幕依次出現(xiàn)參考數(shù)據(jù)里的42種標(biāo)準(zhǔn)色后,分光光度儀將自動(dòng)測(cè)量并記錄各標(biāo)準(zhǔn)色顯示后的光譜反射率值。自動(dòng)測(cè)量完成后,將提示“是否保存測(cè)量數(shù)據(jù)”,點(diǎn)擊“是”,保存測(cè)量數(shù)據(jù)為“CRT ICC.txt”。

(9)色標(biāo)圖像測(cè)量數(shù)據(jù)的加載。如圖6所示,把ProfileMaker Pro 5.0色彩管理軟件中的Measurement Data加載為Untitled.txt色標(biāo)圖像。

圖6 加載的測(cè)量數(shù)據(jù)

(10)CRT顯示器特性文件的制作與保存。測(cè)量數(shù)據(jù)被保存后,在ProfileSize中選擇準(zhǔn)確性更高的“Large”,WhitePoint中選擇剛設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)白點(diǎn)。同時(shí)點(diǎn)擊“Start”制作并保存CRT顯示器新的ICC特性文件。

(11)保存測(cè)量數(shù)據(jù)后,在ProfileSize(特性文件大小)選擇“Large(大)”,準(zhǔn)確性更高一些,WhitePoint選擇標(biāo)準(zhǔn)白點(diǎn)(即剛設(shè)置的白點(diǎn))。點(diǎn)擊“Start”計(jì)算特性文件,這時(shí)會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話(huà)框,為新的ICC特性文件命名CRT特性文件,命名后單擊“保存”按鈕。

2 模型轉(zhuǎn)換與算法推導(dǎo)

目前,實(shí)現(xiàn)顏色色空間轉(zhuǎn)換算法較多,主要有PLCC、PLGCC、GOG和多項(xiàng)式回歸法[3,5-6]。使用多項(xiàng)式回歸算法建立模型是基于數(shù)學(xué)擬合的一種線性空間轉(zhuǎn)換的理想方法。其優(yōu)點(diǎn)在于逆轉(zhuǎn)換模型容易建立,選取樣本點(diǎn)可以隨意,不需要均勻分割,算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,運(yùn)行速度快。通過(guò)比較,本實(shí)驗(yàn)選用多項(xiàng)式回歸算法建立CIERGB色空間到CIEXYZ的模型。

2.1 CIEXYZ 與CIERGB色空間模型轉(zhuǎn)換關(guān)系

根據(jù)顯示器呈色原理,R、G、B在CIEXYZ 顏色空間的匹配方程可寫(xiě)成矩陣形式[4-5]:

(1)

考慮三原色不僅對(duì)X、Y、Z產(chǎn)生影響,三色電子槍之間也會(huì)相互作用,從而對(duì)X、Y、Z也產(chǎn)生較大影響,將式(1)轉(zhuǎn)換成式(2):

(2)

在實(shí)際應(yīng)用中隨著方程計(jì)算階數(shù)的增加,它們的影響越來(lái)越小,計(jì)算量卻急劇增加。因此本實(shí)驗(yàn)在實(shí)際求解過(guò)程中選擇計(jì)算到二次階數(shù)[6-7],故式(2)可以展開(kāi)為式(3):

X=a11R+a12G+a13B+a14R2+a15G2+a16B2+

a17RG+a18RB+a19GB+a110RGB+a111

Y=a21R+a22G+a23B+a24R2+a25G2+a26B2+

a27RG+a28RB+a29GB+a210RGB+a211

Z=a31R+a32G+a33B+a34R2+a35G2+a36B2+

a37RG+a38RB+a39GB+a310RGB+a311

(3)

故若求解CIEXYZ 與CIERGB色空間模型轉(zhuǎn)換關(guān)系,則求解相關(guān)系數(shù)即可。

2.2 多項(xiàng)式擬合求解系數(shù)

方程(3)的擬合求解步驟:首先將方程(3)分解成分別獨(dú)立求X、Y、Z的3個(gè)方程。以X方程求解為例,如式(4)表示。將式(4)線性化,即令x1=R,x2=G,x3=B,x4=R2,x5=G2,x6=B2,x7=RG,x8=RB,x9=GB,x10=RGB。

X=a11R+a12G+a13B+a14R2+

a15G2+a16B2+a17RG+

a18RB+a19GB+a110RGB+a111

(4)

本研究的多項(xiàng)式擬合求解系數(shù)向量實(shí)際是對(duì)矩陣運(yùn)算的求解,故選擇MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)系數(shù)向量的運(yùn)算。由于三色混合形成的色塊的誤差也是三色誤差的總疊加,一般是色空間轉(zhuǎn)換中誤差最大的區(qū)域,故在42個(gè)色塊中選取12個(gè)三色混合形成的色塊。運(yùn)行MATLAB軟件,在操作界面Command Window 中輸入指令和變量表達(dá)式進(jìn)行操作,得到最終模型。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

表1列出了12 個(gè)色塊從CIERGB 向CIEXYZ 轉(zhuǎn)換的計(jì)算數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及色差值ΔE。這12個(gè)色塊包含了不同區(qū)域的色塊,其色差可以代表模型用于不同色塊的整體誤差。ΔE表示色差,Xb、Yb、Zb表示X、Y、Z標(biāo)準(zhǔn)值(即測(cè)量值),Xq、Yq、Zq表示X、Y、Z擬合標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值,則由色差公式可算得到色塊的誤差[7-8],如表1所示。

標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)參數(shù)色差ΔE表示了計(jì)算的三刺激值與測(cè)量的三刺激值之間的誤差。通過(guò)本模型計(jì)算所得三刺激值和測(cè)量所得三刺激值的色差,在所抽取的12個(gè)測(cè)樣點(diǎn)中(表1),75%色差值在3.0以?xún)?nèi),達(dá)到了較高的轉(zhuǎn)換精度;有2個(gè)檢測(cè)樣點(diǎn)的色差在5.0以上,這2個(gè)樣點(diǎn)分別是序號(hào)7和序號(hào)12,分析其色差較其他色樣點(diǎn)色差大的原因是這2個(gè)樣點(diǎn)分別形成的是黃色和白色,其明度較其他樣點(diǎn)高所造成的。另外建模的基礎(chǔ)是顯示器滿(mǎn)足通道獨(dú)立、時(shí)間均勻、空間均勻、磷粉恒常等特性,但在實(shí)際顯示器測(cè)量中它們都會(huì)帶來(lái)或多或少的誤差,有的甚至誤差還比較大。因此通過(guò)本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看,色差仍是ΔE<6 NBS。NBS色差單位是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局采納的色差單位,根據(jù)色度學(xué)理論,在CRT顯示器色彩計(jì)算中,當(dāng)ΔE<6 NBS,可以認(rèn)為是視覺(jué)等效[3,8]。

據(jù)此比較可以表明本文提出的轉(zhuǎn)換模型具有較為滿(mǎn)意的精度,能根據(jù)實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)顯示器色彩的有效管理。從精度分析看,色彩空間轉(zhuǎn)換中模型選取很關(guān)鍵,而且建模數(shù)據(jù)的取點(diǎn)也有關(guān)系,要想提高精度同時(shí)可以采取對(duì)暗調(diào)、亮調(diào)添加測(cè)量等級(jí)的方法。

表1 CIERGB 到CIEXYZ轉(zhuǎn)換的精度

4 結(jié)束語(yǔ)

利用Eye-One Pro分光光度儀對(duì)CRT顯示器進(jìn)行屏幕校正和特性化的所得測(cè)試數(shù)據(jù)代表整個(gè)CIERGB色空間,從而達(dá)到模型推導(dǎo)的目的。在推導(dǎo)CIERGB和CIEXYZ關(guān)系過(guò)程中,采用多項(xiàng)式擬合算法求取兩者之間的關(guān)系式,降低了算法的復(fù)雜度,使得在實(shí)際應(yīng)用中更加方便。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明本文算法的精度能夠較好地滿(mǎn)足顯示器的實(shí)際應(yīng)用要求。

[1] 劉浩學(xué). 色彩管理技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 北京印刷學(xué)院學(xué)報(bào), 2006, 14(5):1-5.

[2] 王勇,徐海松,許東暉. 顯示器顏色特性化模型比較研究[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版, 2006, 40(6):1085-1104.

[3] 廖寧放,石俊生,吳文敏. 數(shù)字圖文圖像顏色管理系統(tǒng)概論[M]. 北京： 北京理工大學(xué)出版社, 2009:358-376.

[4] 劉霖,趙秀萍. CRT顯示器色彩管理效果分析[J]. 包裝工程, 2008, 29(8):61-63.

[5] 劉浩學(xué),苗紅濤. 顯示器的顏色計(jì)算和色彩管理[J]. 北京印刷學(xué)院學(xué)報(bào), 2003, 11(4):3-7.

[6] 張彤,喬世杰. 顯示器CRT呈色的轉(zhuǎn)換模型的研究[J]. 西安理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 22(1):58-62.

[7] 黎新伍. 一種基于標(biāo)準(zhǔn)色塊與多項(xiàng)式擬合的CRT色彩管理新模型[J]. 電子器件, 2007, 30(5):1749-1753.

[8] 黎新伍. 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的CRT顯示器色彩管理新模型[J]. 液晶與顯示, 2008, 23(2):235-240.