CRT显示器的颜色转换模型

梁 静, 邓 晶 绿, 姜 婷 婷, 王 媛 媛

(1.大连工业大学 纺织轻工学院, 辽宁 大连 116034;2.北京理工大学 光电学院, 北京 100081)

0 引 言

显示器是目前图文信息处理最重要的预打样手段,并且也是彩色图像复制中最为重要的一项关键技术,其稳定性和准确性直接会关系到色彩管理系统实现所见即所得的性能[1]。由计算机控制的阴极射线管彩色显示器(cathode ray tube, CRT)与其他传统的显示设备相比,具有控制灵活方便、色域范围大等特点[2-3],从而在颜色科学领域得到了广泛的研究与应用。但在实际应用中却发现有的使用者并不十分注重CRT显示器色彩管理的重要性及其图像显示的精度。基于以上原因,作者将对型号为长城N700DF的CRT显示器进行屏幕的校准和特性化,采用多项式回归算法建立CIERGB 到CIEXYZ 颜色转换模型,并分析比较了转换模型所得到的X、Y、Z计算值与实际测量值。

1 显示器屏幕校准和特性化

1.1 实验器材及实验条件

实验器材：CRT显示器,长城N700DF； Eye-One Pro分光光度仪,X-Rite 公司。

处理软件：ProfileMaker Pro 5.0,MATLAB 7.0。

显示器设置[4]：亮度为100%,白场为色温6500K,伽玛值为2.2。

实验工作环境：关闭房间内所有光源,并拉好室内的窗帘,要求墙壁是标准中性灰的黑房间。

1.2 实验操作流程

(1)清洁显示器屏幕,打开CRT显示器,为使呈色稳定,还需预热0.5 h。同时关闭CRT显示器的屏幕保护程序和色彩管理功能。

(2)安装Eye-One Pro分光光度仪驱动软件,把分光光度仪连接到计算机中。

(3)启动ProfileMaker Pro 5.0软件,点击MONITOR选项。用鼠标单击Reference Data下方右侧箭头,在弹出的下拉式菜单中选择CRT Monitor Reference选项。同理在Measurement Data下方右侧的弹出下拉式菜单中选择eye-one选项,如图1所示。

图1 ProfileMaker 操作界面

(4)校准白场。如图2所示,在弹出的校准白场的对话框中,将测量仪器放在参考白点上,点击“确定”按钮。

图2 标准白的校准图

(5) 校准显示器。当出现“是否校准显示器”时,点击“确定”,弹出显示器Monitor Calibration对话框。如图3所示,在对话框中分别设置白场为色温6 500 K,伽玛值为2.2,亮度为100%,Monitor Type选择CRT。CRT显示器校准完成后,点击右下角“1”右边的蓝色三角形按钮进入下一步操作。

图3 显示器校准图

(6)调整对比度。如图4所示,利用重锤将Eye-one Pro分光光度仪挂在CRT显示器的屏幕上。为提高测量数值的准确性,分光光度仪一定要对准测量的色块区域。如图5所示,点击“Start”,调整对比度,待上下方箭头对齐后点击“Stop”,点击“2”右边三角形按钮进入下一步操作。

图4 Eye-One Pro分光光度仪的屏幕悬挂图

图5 对比度的调节图

(7)调整亮度与白点。亮度：将CRT显示器亮度调到最小,点击“Start”,逐步增加亮度,待上下方箭头对齐后点击“Stop”。完成后点击“3”右侧三角形按钮进入下一步操作。白点：分别调整显示器的R、G、B,将R、G、B颜色箭头尽量对齐,点击“4” 右侧三角形按钮进入下一步操作。

(8)42种标准参考色的测试。在CRT显示器测试界面中,将Eye-One Pro分光光度仪放置在屏幕正中央,点击“Start”,当屏幕依次出现参考数据里的42种标准色后,分光光度仪将自动测量并记录各标准色显示后的光谱反射率值。自动测量完成后,将提示“是否保存测量数据”,点击“是”,保存测量数据为“CRT ICC.txt”。

(9)色标图像测量数据的加载。如图6所示,把ProfileMaker Pro 5.0色彩管理软件中的Measurement Data加载为Untitled.txt色标图像。

图6 加载的测量数据

(10)CRT显示器特性文件的制作与保存。测量数据被保存后,在ProfileSize中选择准确性更高的“Large”,WhitePoint中选择刚设置的标准白点。同时点击“Start”制作并保存CRT显示器新的ICC特性文件。

(11)保存测量数据后,在ProfileSize(特性文件大小)选择“Large(大)”,准确性更高一些,WhitePoint选择标准白点(即刚设置的白点)。点击“Start”计算特性文件,这时会弹出一个对话框,为新的ICC特性文件命名CRT特性文件,命名后单击“保存”按钮。

2 模型转换与算法推导

目前,实现颜色色空间转换算法较多,主要有PLCC、PLGCC、GOG和多项式回归法[3,5-6]。使用多项式回归算法建立模型是基于数学拟合的一种线性空间转换的理想方法。其优点在于逆转换模型容易建立,选取样本点可以随意,不需要均匀分割,算法实现简单,运行速度快。通过比较,本实验选用多项式回归算法建立CIERGB色空间到CIEXYZ的模型。

2.1 CIEXYZ 与CIERGB色空间模型转换关系

根据显示器呈色原理,R、G、B在CIEXYZ 颜色空间的匹配方程可写成矩阵形式[4-5]:

(1)

考虑三原色不仅对X、Y、Z产生影响,三色电子枪之间也会相互作用,从而对X、Y、Z也产生较大影响,将式(1)转换成式(2):

(2)

在实际应用中随着方程计算阶数的增加,它们的影响越来越小,计算量却急剧增加。因此本实验在实际求解过程中选择计算到二次阶数[6-7],故式(2)可以展开为式(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 与CIERGB色空间模型转换关系,则求解相关系数即可。

2.2 多项式拟合求解系数

方程(3)的拟合求解步骤:首先将方程(3)分解成分别独立求X、Y、Z的3个方程。以X方程求解为例,如式(4)表示。将式(4)线性化,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)

本研究的多项式拟合求解系数向量实际是对矩阵运算的求解,故选择MATLAB软件实现对系数向量的运算。由于三色混合形成的色块的误差也是三色误差的总叠加,一般是色空间转换中误差最大的区域,故在42个色块中选取12个三色混合形成的色块。运行MATLAB软件,在操作界面Command Window 中输入指令和变量表达式进行操作,得到最终模型。

3 实验结果和分析

表1列出了12 个色块从CIERGB 向CIEXYZ 转换的计算数据、实测数据及色差值ΔE。这12个色块包含了不同区域的色块,其色差可以代表模型用于不同色块的整体误差。ΔE表示色差,Xb、Yb、Zb表示X、Y、Z标准值(即测量值),Xq、Yq、Zq表示X、Y、Z拟合标准计算值,则由色差公式可算得到色块的误差[7-8],如表1所示。

标准评价参数色差ΔE表示了计算的三刺激值与测量的三刺激值之间的误差。通过本模型计算所得三刺激值和测量所得三刺激值的色差,在所抽取的12个测样点中(表1),75%色差值在3.0以内,达到了较高的转换精度;有2个检测样点的色差在5.0以上,这2个样点分别是序号7和序号12,分析其色差较其他色样点色差大的原因是这2个样点分别形成的是黄色和白色,其明度较其他样点高所造成的。另外建模的基础是显示器满足通道独立、时间均匀、空间均匀、磷粉恒常等特性,但在实际显示器测量中它们都会带来或多或少的误差,有的甚至误差还比较大。因此通过本实验数据来看,色差仍是ΔE<6 NBS。NBS色差单位是美国国家标准局采纳的色差单位,根据色度学理论,在CRT显示器色彩计算中,当ΔE<6 NBS,可以认为是视觉等效[3,8]。

据此比较可以表明本文提出的转换模型具有较为满意的精度,能根据实际情况实现显示器色彩的有效管理。从精度分析看,色彩空间转换中模型选取很关键,而且建模数据的取点也有关系,要想提高精度同时可以采取对暗调、亮调添加测量等级的方法。

表1 CIERGB 到CIEXYZ转换的精度

4 结束语

利用Eye-One Pro分光光度仪对CRT显示器进行屏幕校正和特性化的所得测试数据代表整个CIERGB色空间,从而达到模型推导的目的。在推导CIERGB和CIEXYZ关系过程中,采用多项式拟合算法求取两者之间的关系式,降低了算法的复杂度,使得在实际应用中更加方便。实验结果也表明本文算法的精度能够较好地满足显示器的实际应用要求。

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