LED顯示屏顏色轉換設計與校正

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問題的背景

走在晚風都市，或春日田野，我們都會看到一個色彩斑斕的世界。色彩是我們對世界一種重要感知。什么是色彩，或顏色？顏色是光作用于人眼引起的視覺感知現象，它與物體的材質和光照有關?，由物體反射（或發射）的電磁波特定波長決定，其本質是大腦對光刺激的神經信號處理的結果。

為了更好地復原現實世界的色彩，我們需要色彩采集設備（光譜色差儀、攝像機等）和顯示設備（顯示器等）。由于顏色記錄設備（如：攝像機）的感知能力和顏色顯示設備（如：LED顯示器）的還原能力不完全一致，如何將記錄設備的顏色逼真表達出來是高性能顯示器的主要目標。

根據人眼視覺的特性，在彩色復現過程中，重要的是獲得與原景物相同的彩色感覺，并不要求完全恢復原景物輻射光的光譜成分；而與某一顏色相同的彩色感覺，可由不同光譜分布的色光組合產生。如果適當選擇三基色，將它們按不同比例進行合成，就可以引起各種不同的色彩感覺，合成彩色的亮度由這三個基色的亮度相加之和決定，而色度則由三個基色分量的比例決定。

根據三基色原理，可以采用不同的三色組合。但是在顯示領域中，比較多的采用紅色(r)、綠色(g)和藍色(b)的光譜區域內選擇三個基色。這樣自然界中所能觀察到的各種顏色，幾乎都能由它們合成出來。

CIE 標準[1,2]

現代色度學采用國際照明委員會(CIE)所規定的一套顏色測量原理、數據和計算方法，稱為 CIE 標準色度學系統。

l?1931CIE –RGB 顏色系統[1]

1931年CIE在 2°視場條件下，進行了專門的顏色混合匹配實驗，定出匹配等能光譜色的 r (λ)、g(λ)、b (λ) (λ為光譜波長)光譜三刺激函數，這三個函數即上述中提到的大腦對光刺激神經信號的數學表達式，稱為“1931 CIE-RGB 系統標準色度觀察者光譜三刺激值”，簡稱為“1931 CIE-RGB 光譜三刺激值”(圖1a)。系統采用波長為700 nm的紅、546.1nm的綠和435.8 nm 的藍作為 (R)、(G)、(B)三原色(圖1b)。它們為色度學奠定了數學基礎。

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問題1：顏色空間轉換

圖2所示為CIE1931的標準色空間，自然界中我們所觀察到的所有顏色坐標都可以表示在這個馬蹄形狀的曲線內，每個坐標值表示的便是一種顏色。

在圖2中，棕色三角形表示BT2020[4]標準的高清視頻源的三基色色空間，而紅色三角形表示的通常普通顯示屏的RGB三基色空間，紅色三角形所形成的色域比棕色的小，所表示出的顏色就比較少，顯示器不能完全還原出視頻源記錄的顏色，從而導致色彩損失，但這是不可避免的。試定義合適的轉換損失函數，設計視頻源顏色空間到顯示屏RGB顏色空間的轉換映射，使色彩轉換損失最小。

問題2：顏色空間轉換(4通道到5通道)

為了最大程度的呈現大自然界的中顏色，通常將攝像機增加了一個顏色通道

，即攝像機可以輸出四基色視頻源RGBV，從而擴大了色域空間的面積，坐標(包含亮度信號)分別為：

這里，YS(s表示R、G、B或V)為亮度信息。類似地，為了增強LED的顯示能力，也可以設計成為五基色(通道)的顯示屏RGBCX(圖3 紅色五邊形所圍起的五邊形)，試定義合適的顏色轉換映射，將視頻源4通道信號轉化到五通道LED顯示器上，使色顏色轉換損失最小。

問題3：LED顯示器顏色校正

由于組成彩色LED全顯示屏(如分辨率1920×1080)每個像素的發光器件內部色度存在差異，全彩LED模塊顯示屏的顏色即使全都在同樣的標定值(220)下，呈現的色彩也會有差異。圖4.1是R、G、B在標定值時顯示的照片(顏色數據在附錄中)，可以看出顯示不一致，不能滿足高品質的顯示需求。因此，我們需要利用顏色的合成特性將顏色進行校正，使顯示器在標定值(220)下呈現如圖4.2，即R、G、B的顏色輸出是均勻一致的[5]。試根據你設計的(1)-(2) 色域轉換結果應用在LED顏色校正中，將全屏顏色進行校正并運用在給的64×64的顯示數據模塊

附件：數據集：64×64x10 數據集合(注： 包括顯示的目標值(每個像素設定為220)和每個受擾動的屏幕顯示的R、G、B值)

參考文獻：

1.?CIE1931色彩空間,https://baike.baidu.com/item/CIE1931色彩空間/22735546,2025.3

2. XYZ表色系統,https://baike.baidu.com/item/XYZ表色系統/22038691,2025.3

3. 周純麗,呂錫坤,謝文馨等,LED混光顏色質量及優化研究,照明工程學報，35(1)，15-23，2024

4. Masayuki Sugawara, Seo-Young Choi, David Wood,Ultra-High-Definition Television (Rec. ITU-R BT.2020): A Generational Leap in the Evolution of Television, .IEEE Signal Processing Magazine,2014(5)，2014

5. 趙星梅. LED 顯示屏亮度非均勻性逐點校正技術的研究[D]. 中國優秀碩士學位論文全文數據庫,2009.

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