投影显示图像颜色失真校正研究

摘要

投影显示作为一种大画面显示方式，凭借其自身设备与显示屏幕分离的显著特点在显示领域未来拓展中表现出巨大的潜力，因而受到人们的普遍关注。现有投影显示技术以理想暗室环境和均匀漫反射白屏作为图像颜色再现的基本条件，而投影显示的应用拓展以及在未来向移动应用的发展趋势要求其在现实环境中的物理表面上再现图像时，势必带来因颜色失真而导致投影显示图像质量的劣化问题，所以研究常见物理表面投影显示图像的颜色失真及其校正对于投影显示技术的发展具有非常重要的意义。为此，本论文主要针对现有投影显示设备在带有亮色图案或纹理的漫反射彩色表面上进行图像投影时的颜色失真校正问题展开理论方法和实验技术的探索性研究。
　　 根据投影显示技术原理，分析了现有投影显示设备在日常环境中的彩色表面上投影显示时的颜色再现物理过程，建立了相应的物理模型，并系统全面地讨论了彩色表面投影显示图像颜色失真的物理因素和心理感知因素。由此，提出了基于投影仪相机系统的投影显示图像颜色失真校正方案，并从图像的来源、彩色表面投影显示特点以及图像再现意图三个方面来探讨颜色失真校正的测评依据。基于理想针孔模型和颜色再现物理模型，建立了投影显示图像从输入像素到输出像素的几何映射模型以及颜色转换模型，并给出了投影显示图像颜色失真校正的一般性数学描述。
　　 结合投影仪相机实验系统的特点，提出了几何映射的实施算法，并将算法分为采样分割、区域编码、区域定位、区域识别以及像素映射五个过程，评价结果表明其精度已达到像素级水平。对投影仪的显示特性、相机的响应特性以及投影仪相机整个系统的传输特性进行测试，以此为基础将相机颜色空间设为颜色特征化空间，根据暗室和亮室两种不同环境下的彩色表面投影显示特点，分别建立其颜色特征化的模型；同时，考虑到特征化实施的效率和系统应用的灵活性等实用性能，提出了分别适于不同环境的准在线和在线颜色特征化算法。采用ISO标准测试图像对不同颜色特征化算法的预测性能进行评价，结果表明两种算法在不同环境下的的特征化精度没有明显差异，其正向预测的各通道误差△R、△G、△B的平均值都在10左右，而反向预测通道误差都在20左右，达到了图像校正的应用要求。
　　 根据图像质量评价的研究现状，确定了将输入补偿图像的求解分解为目标输出颜色和输入补偿颜色两个计算过程的技术方案。基于颜色再现评价目标以及图像再现意图，分别以色度再现和等价再现两种评价目标来建立在暗室和亮室环境下颜色失真校正目标输出颜色的计算方法，并在颜色特征化的基础上分别提出了两种不同照明环境下针对两种不同再现意图的目标色和补偿色的适应性算法，最终确立了投影显示图像颜色失真校正的一般性实施框架。以颜色再现性评价目标为依据设计了颜色失真校正的评价方法，并采用ISO标准测试图像，分别在暗室和亮室两种环境下在带有“色块”和“花样”两种图案的彩色表面上进行颜色失真校正实验，结果表明校正输出图像明显改善了彩色表面背景图案对投影显示图像质量的影响，验证了本文研究中所提出模型和方法的有效性。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章 绪论

1.1 研究背景、目的和意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究目的和意义

1.2 国内外研究概述

1.3 本论文的研究内容

第二章 颜色与图像

2.1 颜色科学基本理论

2.1.1 颜色相关基本概念

2.1.2 CIE标准色度系统及颜色测量

2.1.3 均匀颜色空间及色差公式

2.1.4 颜色再现及颜色管理

2.2 数字图像及其处理基础

2.2.1 图像的形成及颜色表征

2.2.2 直方图与图像基本运算

2.2.4 图像分割算法

2.3 投影显示技术基础

2.3.1 投影显示技术原理

2.3.2 投影仪颜色特征化方法

2.4 本章小结

第三章 基于投影仪相机系统的颜色失真校正机理分析

3.1 投影显示颜色再现物理过程建模

3.2 彩色表面投影显示颜色失真因素分析

3.3 投影显示图像颜色失真测评依据分析

3.4 投影显示图像颜色失真校正建模

3.5 投影仪相机实验系统

3.6 本章小结

第四章 基于彩色结构光编解码的几何映射

4.1 几何映射建模

4.2 几何映射算法

4.2.1 像面分割采样

4.2.2 采样结构编码

4.2.3 采样结构定位

4.2.4 采样结构识别

4.2.5 像素映射

4.2.6 编解码方法的拓展

4.3 几何映射评价

4.4 本章小结

第五章 彩色表面投影显示颜色特征化

5.1 投影仪相机实验系统颜色特性测试

5.1.1 投影仪显示特性测试

5.1.2 相机通道响应特性测试

5.1.3 投影仪相机系统颜色传输特性测试

5.2 彩色表面颜色特征化建模

5.3 暗室环境下颜色特征化及评价

5.4 亮室环境下颜色特征化及评价

5.5 本章小结

第六章 彩色表面投影显示颜色补偿

6.1 颜色补偿问题求解分析

6.2 暗室环境下目标色计算

6.3 亮室环境下目标色计算

6.4 不同环境下的补偿色计算

6.5 本章小结

第七章 投影显示图像颜色失真校正及评价

7.1 颜色失真校正实施流程

7.2 颜色失真校正评价方法

7.3 暗室环境下颜色失真校正实验

7.4 亮室环境下颜色失真校正实验

7.5 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 总结

8.2 展望

参考文献

博士在读期间研究成果

论文

专利