摘要 该文研究了在全彩色 LED 显示系统中应用基色转换技术实现图像的真彩 色显示。由于彩色 LED 显示屏所选用的三基色与电视系统三基色在光谱特性上 有着较大差别, 同一颜色在 2 个不同的色度系统中, 其三刺激值必然不同。为了真 实地再现视频图像信息, RGB 信号在送给彩色 LED 显示屏之前必须进行基色变 换处理。文中叙述了基色转换的方法, 并针对实际系统给出其彩色校正矩阵及其 硬件实现。实验结果表明, 通过校正处理能有效地减小颜色再现色差, 提高图像的 视觉质量。

 关键词 显示屏, 实时处理, 视频系统; 显示技术, 彩色校正

近几年, 彩色 LED 显示屏在国内发展非常迅速, 全彩色 LED 显示屏也已经出现。但是 目前的全彩色 LED 显示屏用于动画和视频图像的显示还存在不少缺点, 尤其是颜色的真实 再现问题显得更加突出。产生这种现象的根本原因在于, 彩色 LED 显示屏所选用的三基色 与彩色电视系统荧光粉的三基色在光谱特性上有着较大的差别, 同一颜色在 2 个不同的三 基色颜色系统中, 其三刺激值必然不同。因此如果简单地把送给彩色电视终端的视频信号 直接送到 LED 进行显示, 就必然会引起严重的颜色失真。所以为了在彩色 LED 显示系统 中实现视频图像的真实再现, 就必须对来自于彩色电视系统的信号进行基色变换。

1 基色转换原理

令 (X )( Y)( Z) 代表 CIE 1931 标准色度系统的三原色, ( R )( G ) ( B) 代表彩色电视系 统荧光粉的三原色, ( R L )( G L )( B L ) 代表LED 显示系统的三原色, 由格拉斯曼定律知, 一个 色度系统的单位原色可由另一个色度系统的三原色相加混合得到, 可用下列方程组表示 ( R ) S X r (X ) + Y r ( Y) + Zr( Z) ( G ) S X g( X ) + Yg ( Y) + Zg ( Z) ( B ) S X b(X ) + Yb ( Y) + Zb( Z) ( 1) 式中, X r、Yr、Zr 为匹配单位( R ) 原色所需要的( X ) 、( Y )、( Z) 三原色的三刺激值, 同理 X g、Yg、Z g 和 X b、Yb、Zb 分别为匹配单位( G )、(B ) 原色所需要的(X )、( Y)、(Z ) 三原色的 三刺激值。

对于某一颜色 C, 在 CIE 1931 标准色度系统中其颜色方程为 C ( C) S X ( X ) + Y( Y) + Z( Z) ( 2) 在彩色电视系统三原色色度系统中其颜色方程为 C ( C) S R ( R ) + G ( G ) + B ( B ) ( 3) 将方程( 1) 代入方程( 3) , 整理可得 C ( C) S ( X r R + X g G + X bB )( X ) + ( Yr R + Yg G + YbB) ( Y) + ( Zr R + Zg G + ZbB )( Z) ( 4) 比较( 2) 式与( 4) 式可得 2 个色度系统的三刺激值间关系为 X = X r R + X g G + X bB Y = Yr R + Yg G + YbB Z = Zr R + Zg G + ZbB 。用 矩阵形式可表示为 X Y Z = X r X g X b Yr Yg Yb Zr Zg Zb R G B ( 5)

通常情况下, 彩色电视系统的三原色在标准色度系统中的色品坐标是已知的, 它们分别 是 x r, y r, z r, x g , y g , z g, x b, y b, z b 则( 5) 式可写为 X Y Z = C r x r Cg x g C b x b Cr y r C g y g Cb y b Cr z r Cg z g Cb z b R G B ( 6) 式中, C r = X r + Yr + Z r, Cg = X g + Yg + Zg , C b = X b + Yb + Zb 。由此, 只要求出 Cr, C g , C b3 个值, 则2 个色度系统之间三刺激值的转换关系就确定了。令 $c= x r( y g z b- y b z g ) + x g( y b z r - y r z b) + x b( y r z g - y g zr) , 则( 6) 式的逆方程可以表示为 R = (( y g z b - y b z g ) X + ( x b z g - x g z b) Y + ( x g y b - x by g ) Z)/ C r $c G = ( ( y b z r - y r z b)X + ( x r z b - x b zr) Y + ( x by r - x ry b) Z) / Cg $c B = ( ( y r z g - y g z r)X + ( x g zr - x r z g ) Y + ( x ry g - x g y r) Z)/ C b $c ( 7)

选择一参照白光如 D65, 将其 X , Y, Z 三刺激值代入( 7) 式, 并取 R = G = B = 1 进行 归一化, 就可以求得 C r, Cg , C b。再代入( 7) 式就可以得到转换方程, 假设求得的转换矩阵为 M, 则该方程可以表示为 X Y Z T = M R G B T。同理可得彩色 LED 显示屏的三 原色 色 度 系 统 与 标 准 色 度 系 统 三 刺 激 值 的 转 换 关 系 为 X Y Z T = N R L GL B L T。所以, 彩色 LED 显示屏的三原色色度系统与彩色电视系统的三原色 色度系统三刺激值之间的转换关系为 R L G L B L T = N - 1M R G B T。

令 T = N - 1M , 则 T 就是所要求的彩色校正矩阵。

3 彩色校正矩阵的硬件实现

根据上述基色转换原理, 在实际的系统设计中, 经过颜色匹配实验与计算得到彩色LED 显示屏的三原色色度系统与标准色度系统三刺激值的转换矩阵以及彩色电视系统的 三 基 色 与 标 准 色 度 系 统 的 三 刺 激 值 的 转 换 矩 阵 分 别 为 N = 01286 0 01509 1 01204 9 01106 5 01636 3 01007 2 01000 4 01102 3 01986 2 , M = 01430 0 01342 0 01178 0 01222 0 01707 0 01071 0 01020 0 01130 0 01939 0 , 从而得到其颜色校 正矩阵为 T = 11251 4 - 11111 0 - 01324 8 01139 4 11297 0 01155 4 01005 3 - 01002 3 01936 2 。

由于视频信号具有高速实时性特点, 而矩阵运算的运算量大且相当费时, 为了满足其速 度要求, 文中采用了 3DOLUT 查询表结构来实现该彩色校正矩阵。具体方法是把校正前的 RGB 数字视频信号作为寻址信号, 而把校正后的 RLGLBL 数字视频信号作为对应存储单元 的内容分别固化在 3 片 EPROM 存储器中形成红绿蓝 3 组彩色变换码表。该系统的电路原 理框图如图 1 所示。

从微型计算机送给显示器的视频信号其幅值较小, 因此在电路的输入端设计了放大电 路, 首先对视频信号进行放大预处理, 以便提高 A/ D 转换的精度, 然后将 A/ D 转换输出的 RGB 数字信号按照一定的组合原则, 作为寻址信号送往彩色变换码表, 此时 3 组存储器的 输出就是经过彩色校正后的 RLGLBL 三基色信号, 再通过帧存储器的缓冲, 最后送往彩色 LED 显示屏的驱动电路进行信息显示。

由于全彩色 LED 显示屏与彩色电视系统三基色的光谱特性不同, 在全彩色 LED 显示 屏上直接显示视频图像信息时其颜色失真现象较为严重, 所以必须进行颜色校正。实验结 果表明, 本文所设计的彩色校正矩阵能有效地实现颜色的真实再现, 得到较为完美的图像显 示质量, 大大改善了 LED 显示屏的观赏效果。