用於電子真彩顯示的設備、系統和方法

2023-11-12 04:40:02 3

專利名稱：用於電子真彩顯示的設備、系統和方法
技術領域：
本發明的一個實施方案涉及用於電子真彩顯示的設備、系統和方法，特別地，涉及這樣的設備、系統和方法其中在整個電子顯示設備——例如計算設備的顯示器——中，可顯示擴展的色空間。
背景技術：
人類視覺對色彩的感知包括處於可視頻譜(400nm-780nm)中的不同波長的光對人眼的影響，以及人腦對合成信號的處理。例如，為了使某個個體感知某個物體為「紅色」，該物體必須將波長為大約580-780nm的光反射到該個體的視網膜上。依靠光的頻譜分布並假設正常的色彩視覺，個體從範圍很寬的這種光中感知到不同色彩。
另外，個體感知到色彩的各種特徵。色彩本身也可稱作「色調」。另外，飽和度決定了色彩的亮度，這樣飽和的色度感覺上就是很鮮豔的，而蠟筆畫的同種色彩就更不飽和。色調和飽和度的結合形成了色彩的色度。在個體看來，色彩也有亮度，它是色彩的表觀或感知能量，這樣色彩「黑色」實際上就是任何色彩的亮度都為零。
儘管色彩是物理學和生理學現象的結合，如前面所描述的，但匹配於某些可視色彩的色彩可僅用三種色彩的混合來獲得。通常使用紅、綠和藍這樣的特定頻譜。這三種色彩可稱為加色法原色。通過將每種色彩取不同量來混合，可獲得人眼可視的寬色域。並不是每種色彩都可以用三原色的混合來表達(參看www.barco.com，2000年9月28日)。實際上，某些色彩只能在某個或某些原色的值為負時才能充分地精確表達。儘管這樣的負值在理論上是可行的，但卻無法用物理設備來產生。
一個國際標準團體CIE(Commission Internationale del』Eclairage「國際照明委員會」)定義了一組特殊的虛原色，所有色彩都可以用正值來表達。之所以說這些原色是虛的，是因為它們都只有數學上的意義，無法由物理設備產生。儘管如此，這個系統在色彩表達上還是很有用，如下所述。
該系統由色彩匹配函數X(λ)、Y(λ)和Z(λ)來定義，它們定義了原色對波長λ的單色激勵的響應。此外，Y(λ)選為和人眼中色敏部分的亮度靈敏度相一致。利用這些原色，每種色彩都可以用三個正值XYZ來表達，其中Y比例於激勵的亮度。通過用X+Y+Z來除XYZ中的每個值，可得出一組歸一化的xyz。在新的一組中，x+y+z＝1。如果給出三個值中的兩個，可從中推出第三個值。這樣，就可以用色度圖中的一組兩個值(例如，x和y)來表達一種色彩，如背景技術圖1中所示。歸一化過程中丟失的信息為色彩的亮度，但是保留了所有色度信息。
圖1中的色度圖描述了xy空間中一個形狀為馬蹄形的閉合區域。馬蹄邊(示為線10)上的點認為是頻譜軌跡，它們是相應於從400nm到780nm範圍中的單色激勵的xy值，正如所標出的。從下面封閉馬蹄的直線12位於長波端和短波端的極限單色激勵之間，稱作紫線。白點為人眼感知到「白色」的那一點，它處在封閉區域之內。所有能被人眼辨別的色彩都處在該封閉區域之內，稱作眼睛的色域。如果激勵是單色的，則它位於馬蹄邊上。如果它是寬譜的，即含有一系列頻譜的光，則其坐標位於色域之內。
色彩的電子再現——例如由計算機顯示器這樣的電子顯示設備來再現——現在都是由三原色來完成通常是紅、綠和藍。這些系統無法顯示人眼所能感知的所有色彩範圍。這種設備無法顯示人眼所能感知的完整色彩範圍的原因是某些色彩是由一種或多種原色的負值來表達的，這不可能由物理光源來實現。某些背景技術的設備和系統使用第四種「色彩」，它實際上是通過中性濾光器的光，或「白光」，它用來控制所顯示色彩的亮度，正如關於US專利號5233385的例子中所描述的。然而，中性濾光器的使用無法影響所能顯示的最終色域。
根據三原色紅、綠和藍系統工作的電子顯示設備包括諸如計算機顯示器、電視、計算展示設備、電子戶外顯示這樣的設備以及其它這樣的設備。用於色彩顯示的裝置和使用各種設備，例如陰極射線管(CRT)、液晶顯示器(LCD)、等離子顯示器、發光二極體(LED)以及用於在大屏幕上展示和顯示視頻資料的三色投影設備。
作為這種設備的工作的例子，CRT顯示器含有具有三種不同螢光體的象素，通過激勵來發射紅、綠和藍光。在現有顯示器中，送入顯示器的視頻信號為每個象素確定三個RGB色彩坐標(或這些坐標的一些函數)。每個坐標代表相關螢光體的激勵強度。觀看顯示器的人將來自相鄰象素的光合併以得到對所需色彩的感覺。合併的過程自動進行，人自己是不知道的，這個合併通過眼睛自己的以及大腦對來自眼睛的信號的處理這樣的生理活動而發生。
螢光體的紅、綠和藍發射確定了xy平面上的三個點。圖2中標為14、16和18的點分別代表電視及相關設備中所用的典型螢光體組的紅、綠和藍。正如從圖2中可以看出的，點14、16和18位於眼睛感知範圍的譜域之內，這個譜域為人眼所能看見的光的譜值範圍。利用這些原色可得到很多色彩。然而，正如前面所述的，並不能得到所有色彩，因為只可能有RGB的正值。這些正值的混合代表了三原色所能得到的色彩，它們處於三角形20中，由圖2易見。然而，人眼色域的很大一部分在三角形20之外，從而無法利用三螢光體系統來顯示。
這個問題的一部分可通過利用雷射或其它窄譜光來減輕，因為螢光體所發的光是寬譜的，從而導致處於所產生的色彩範圍中的數值三角形更小。同樣的問題在LCD顯示器中也發現了，在LCD顯示器中，通過讓「白色」光通過濾光器來工作，濾光器也必須是寬譜的以使足夠多的光能通過濾光器。然而，顯示色域有限的問題並不能通過利用像雷射這樣的單色光源來解決，儘管所得三角形更大，但人眼色域的很大一部分還是無法僅靠使用三原色來顯示，無論光源的類型如何。
更有用的解決方法將使電視或計算機顯示器這樣的電子顯示設備能顯示更寬的色彩範圍。這樣的解決方法將是有效的，而且適用於大型電子顯示設備和更小的便攜設備。對這類解決方法的詳細說明的嘗試可在，例如，PCT申請WO 97/42770和WO 95/10160中找到，它們都描述了用四種或更多種原色來處理圖像數據的方法。然而，這些申請中都沒有講解或提出一種能夠顯示四種或更多種原色的設備。
US專利號4800375和6097367都描述了給出這種設備的嘗試。然而，所公開的設備都不是解決這個問題的合適方法，因為這些設備都具有顯著的缺陷。例如，US專利號4800375描述了一種平面背光屏，其中光源和控制器形成了單個單元。然而，由於每個象素具有不同色彩，增加原色的數目也就增加了生產成本，因為每個色彩都需要附加的光源/控制器單元，同時降低了屏幕解析度。在US專利號6097367所公開的基於LED(發光二極體)的設備中也發現了類似的問題。這樣，這些公開的背景技術設備都因顯著的缺陷而受損害，尤其是形成圖像的原色數目增加導致的所顯示圖像解析度的降低。
所以，對能為色彩的電子顯示和再現提供擴展色譜的設備、系統和方法的需求還未滿足，擁有這種設備、系統和方法將是很有用的，它們將有效地工作且可適用於尺寸不同的顯示設備，並且在原色數目增加時它們不會導致所顯示圖像解析度的降低。

發明內容
本發明的一個實施方案給出了顯示擴展色域的設備、系統和方法。本發明適用於各類電子顯示設備，例如電視和用於計算設備的顯示器設備(「顯示器」)。本發明的一個實施方案通過利用超過三種的原色來工作。正如前面所描述的，術語「原色」明確地不包括來自白色或多色光源並且僅穿過中性濾光器的光。這樣，不同於背景技術的系統和設備，本發明並不局限於僅產生於三原色——例如紅、綠和藍——的色彩的混合。
本發明提供一種用於顯示彩色圖像的設備，包含光源，它選擇性產生具有至少四種可獨立選擇的原色的光；以及控制器，它接收以所述至少四種原色表示所述彩色圖像的圖像數據，並且根據該圖像數據，選擇性控制該至少四種原色的光的路徑，以產生相應於所述彩色圖像的光圖案，所述控制器包含空間光調製器，根據所述圖像數據選擇性調製該至少四種原色的光，其中，所述光源包括多色源；以及至少四個可獨立選擇的濾色器，每個濾色器相應於所述至少四種原色中的一種，用於通過過濾來自多色源的多色光而產生所述至少四種原色的光。
本發明還提供一種用於顯示彩色圖像的系統，包含光源，選擇性產生具有至少四種可獨立選擇的原色的光；轉換器，將表示所述彩色圖像的三原色輸入數據轉換成以所述至少四種原色表示所述彩色圖像的轉換圖像數據；以及控制器，根據所述轉換圖像數據選擇性地控制所述至少四種原色的光的路徑，以產生相應於所述彩色圖像的光圖案，所述控制器包含空間光調製器，根據所述圖像數據選擇性調製該至少四種原色的光，其中，所述光源包括多色源；以及至少四個可獨立選擇的濾色器，每個濾色器相應於所述至少四種原色中的一種，用於通過過濾來自多色源的多色光而產生所述至少四種原色的光；本發明還提供一種用於顯示彩色圖像的方法，包含通過至少四個可獨立選擇的濾色器過濾多色光來選擇性產生具有至少四種可獨立選擇的原色的光，每個濾色器相應於所述至少四種原色中的一種；將表示所述彩色圖像的三原色輸入數據轉換成以所述至少四種原色表示所述彩色圖像的轉換圖像數據；以及根據所述轉換圖像數據選擇性地調製該至少四種原色的光，以產生相應於所述彩色圖像的光圖案。
本發明還提供一種用於投影彩色圖像的設備，包含光源，順序產生具有至少四種可獨立選擇的原色的光，該光源包含多色源和至少四個可獨立選擇的濾色器，每個濾色器相應於所述至少四種原色中的一種，用於過濾來自所述多色源的多色光，以產生所述至少四種原色的光；控制器，接收以所述至少四種原色表示所述彩色圖像的圖像數據，並且根據該圖像數據選擇性控制該至少四種原色的光的路徑，以產生相應於所述彩色圖像的光圖案，該控制器包含空間光調製器，它根據所述圖像數據順序調製所述至少四種原色的光；以及至少一個光學元件來投影所述光圖案。
根據本發明的一個實施方案，給出一種顯示含有大量色彩的圖像數據的設備，該設備包括(a)光源，用以產生至少具有四原色的光；(b)控制器，用以根據要用光源產生的圖像數據來確定至少四原色中至少一種的混合，這樣控制器與光源分離；以及(c)顯示屏，用以根據控制器的混合來顯示圖像數據。
根據本發明的另一實施方案，給出一種顯示含有大量色彩的圖像數據的系統，該系統包括(a)光源，用以產生至少具有四原色的光；(b)轉換器，用以將圖像數據變換成至少四原色中至少一種的混合以形成映像；(c)控制器，用以控制來自光源的混合產量，其中控制器與光源分離；以及(d)顯示屏，用以顯示來自光源被控制器控制的混合所得的圖像數據。
根據本發明的又一實施方案，在用以顯示具有大量色彩的圖像的設備中，該設備包括用以產生至少具有四原色的光的光源和用以顯示圖像的顯示屏，光被投射到顯示屏上；在這樣的設備中，給出一種產生所顯示圖像的方法，該方法包括下列步驟(a)由至少具有四原色的光源產生光；(b)根據圖像數據對每個原色的光確定路徑；以及(c)根據該路徑將每個原色的光投射到顯示屏上來形成圖像。
在本發明的另一實施方案中，選擇一組原色或濾光器以獲得某組色彩的頻譜重構。為了提高一組原色所表達的色彩的精確性，並提高不同觀察者精確感知特定色彩的可能性，可基於頻譜匹配而不是色度匹配來創建一組原色，這樣的一組原色可用於根據本發明一個實施方案的顯示系統中。選擇要再現的一組目標頻譜，並選擇一組能最大限度再現該組目標頻譜的l個原色。
給出了本發明的各種實施方案，它們被用來利用至少四原色將源數據(例如，RGB數據(紅綠藍數據)或YCC型數據(包括亮度成分和兩個色差成分的數據))變換成適於顯示的數據。創建了圖形或曲線，它們包括用於顯示中的n原色，並進一步包括一個或多個中點。這個或這些中點確定了具有鄰近原色對的三角形。源數據被映射到這些三角形中的一個上，且找到了原色關聯對和關聯中點的恆定水平(constant level)的解。可找到原色不在這個三角形中的恆定水平。這些恆定水平可用來控制顯示中原色的水平。
在本發明的某一實施方案中，選擇一組濾光器以獲得最寬的可能光譜覆蓋範圍，同時保持白平衡、效率和亮度。選擇一組濾光器，以使這些濾光器中的至少三個包括靠近色度馬蹄拐角處的頻率。在某一實施方案中，選擇一組至少三原色，這樣該組中至少具有三原色的濾光器具有下面的特徵一個濾光器不允許波長小於600nm的光通過，另一個不允許波長小於450nm的光通過，而第三個為窄帶通濾光器，中心頻率位於大約500-550nm範圍內，其總寬度不超過100nm。還可選擇附加原色。
以下，術語「中性」指的是具有與白光源差別不大的頻譜分布的光，例如可通過讓來自白光源的光通過中性密度濾光器來獲得這樣的光。


在此僅作為例子參考附圖描述本發明，其中圖1為背景技術的色度圖；圖2為一色度圖，示出根據背景技術的典型螢光體組的色域，還示出根據本發明一個實施方案的示意性擴展色域；圖3A和3B為根據本發明一個實施方案的示意性顯示設備和系統的兩個實施方案的示意框圖；圖4A-4C顯示本發明一個實施方案的實施，具有示意性中性密度(ND)濾光器、具有這樣一個ND濾光器的色彩轉盤的濾光器排列的說明性實施、濾色器轉盤的工作時序(圖4B)，以及ND濾光器的密度圖(圖4C)；圖5A和5B顯示了典型RGB背景技術系統(圖5A)和根據本發明一個實施方案具有六種色彩的示意性實施(圖5B)的不同頻譜。
圖6顯示了將圖像數據從背景技術的三色RGB格式變換成根據本發明一個實施方案的示意性格式的方法；以及圖7描繪了根據本發明一個實施方案變換源數據以計算原色影響水平的色度映射。
圖8描繪了本發明的系統的某一實施方案，它優選地基於同步投影模式。
圖9為一曲線圖，描繪了一組與根據本發明某一實施方案的顯示系統一起使用的濾光器的色度。
圖10為一曲線圖，描繪了一些色度範圍，從中可以選取與根據本發明某一實施方案的顯示系統一起使用的濾光器。
圖11為產生圖8中所示原色組的濾光器的透過譜圖。
具體實施例方式
在下面的描述中，將描述本發明的各個方面。為解釋起見，提出了具體結構和細節以給出對本發明的徹底了解。然而，很顯然，即使沒有此處所述的具體細節，熟練的技術人員也可以實踐本發明。進一步，熟知的特點可省略或簡化以免使本發明難以理解。
本發明的一個實施方案給出顯示擴展色域的設備、系統和方法。本發明適用於各種類型的電子顯示設備，例如電視和計算設備的顯示器設備(「監視器」)。本發明的一個實施方案通過利用多於三個的原色來工作。正如前面所描述的，術語「原色」具體並不包括來自白色或多色光源且只通過中性濾光器的光。這樣，不同於背景技術的系統和設備，本發明並不局限於僅有三原色——例如紅、綠和藍——產生和混合色。
根據本發明的具體實施方案，使用了來自六原色的光，儘管對於本發明任何數目的原色都是有效的，只要至少包括四種這樣的原色。優選地使用六原色，因為由所得的六邊形覆蓋的領域要比RGB螢光體產生的三角形20大得多，例如，仍能作為電子色彩顯示的一部分有效地產生，如下面關於具體實施方案的更大細節中所說明的。如圖2中的含有點24、26、28、30、32和34的六邊形22所示，由這樣的原色混合產生的色域比RGB螢光體產生的簡單三角形20大得多。下面結合圖5A和5B給出選擇這種原色頻譜的方法的示意性但具體的實施方案的描述。
對於光源的類型，或用以為每個原色產生光的設備，本發明可選擇使用不同類型的源和/或裝置。可選地且優選地，為了獲得色域最大的覆蓋，每個原色的光應當優選地為單色的。當然，對於本發明，雷射可選做原色的光源。單色激勵也可選擇由白光通過窄譜濾光器來產生。然而，由於激勵的譜帶寬受到限制，所得光的亮度變低(假設源的亮度相同)。另一方面，由於原色激勵的頻譜變得更寬，電子色彩顯示的最終色域更受限制。所以，如果不使用雷射作為單色光源，就必須考慮原色純度和亮度之間的相互影響。
另外，本發明可選用各種顯示裝置，這也影響到了對產生原色的光源和/或設備的選擇。具體的顯示裝置為光學投影系統將光投影到顯示屏上。投影顯示可同時工作，其中所有色彩的光同時照亮顯示屏；或順序工作，其中不同色彩的光一個接一個地照亮屏幕。對於後一種顯示類型，人眼的視覺系統通過暫留合併而感知到混合光，因為色彩的順序顯示是極快地進行的。
第二種類型的顯示系統基於空間調製色光並將其投影到顯示屏上。空間調製可選用液晶空間調製器來進行，其中要使用極化光源；或者，例如，選用像德州儀器(USA)所生產的數字微鏡設備(DMD)這樣的裝置來進行，它可使用非極化光。當然，也可選用其它進行空間調製的設備，也包括在本發明範圍內。
根據所使用的調製設備類型，空間調製可選用模擬或二元級別或等級來進行。向列型液晶調製器——例如CRL Opto(英國)所推出的，或Kopin Inc.(USA)所推出的——可以模擬「灰度級」，而鐵電液晶調製器——例如Micropic Technologies(英國)推出的，或Displaytech(USA)推出的LightCasterTM——以及DMD都是二元設備。如果二元設備用於空間調製，「灰度級」通過控制照明的持續時間和/或入射到空間調製器上的光的強度來獲得。
基於光學投影的出光裝置相對於那些基於屏幕或顯示設備其它部分上的光發射的裝置來說更為優選。光發射裝置的例子包括CRT、場致發射和等離子體顯示器，由屏幕或其它設備上的螢光體來發光；LED屏幕，由電發光二極體來發光；以及平面LCD，每個象素具有獨立的濾色器。在這些系統中，將物理尺寸很小的不同原色發射體——它們產生小的、聚焦的色光點——相鄰緊密放置。然後眼睛將相鄰象素髮射的光自動混合來獲得色彩感覺。
然而，這些光發射系統都有很多缺陷。首先，原色的增加降低了顯示解析度，而在光學投影裝置中，原色的增加並不會影響顯示解析度。其次，需要修改象素矩陣以使顯示屏能顯示超過三種的顏色。對於CRT和LED裝置，必須分別開發特定的螢光體和二極體。對LCD顯示器，必須修改濾色器組，以使四種或更多種原色能通過這些濾色器。所有的這些修改都需要附加額外的單元，例如額外的螢光體或額外的二極體，從而為能顯示更多色彩而增加了系統成本。相反，正如下面要詳細描述的，光學投影系統所要做的修改相對較小，不會導致系統成本的增加。這樣，比起光發射系統，光學投影系統更優選。
參考附圖和所附描述可更好地理解根據本發明地設備、系統和方法的原理和工作。
現在參看附圖，圖3A和3B為根據本發明一個實施方案顯示至少四原色的顯示設備和系統的兩個實施方案的示意框圖。圖3A示出顯示設備和系統的基本實施方案，而圖3B示出具體實施方案，其特徵在於光投影裝置。
如圖3A所示，系統36的特徵在於用以產生至少具有四原色的光的光源38。來自光源38的光在顯示屏40上顯示，從而使觀眾能看到所顯示圖像(未示出)的色彩。優選地，來自光源38的光被投影到顯示屏40上。為了使每種色彩都能嚴格地顯示在所顯示圖像的正確位置上，用控制器42控制每種色彩的光的產生，從而在顯示屏40的正確位置示出正確的光。優選地，控制器42與光源38分離，從而這兩個元件不合成單個元件。
可選地且更優選地，對於系統36的具體投影實施方案，光源38投影至少四種色彩的光，但不能控制所投影的光在顯示屏40上的位置。然後控制器42確定投影到顯示屏40上的每種顏色的光的相對位置，例如使用空間光調製器和/或另一鏡面和/或透鏡系統，正如下面結合圖3B和7詳細描述的。
為了使控制器42能夠確定顯示屏40每部分所顯示的正確光線，控制器42可選地且更優選地接收來自數據輸入44的數據，這些數據可是數字的或模擬的。最優選地，控制器42還接收來自轉換器46的指令和/或命令，轉換器46位於數據輸入44和控制器42之間。轉換器46將來自數據輸入44的數據變換成適合於控制器42的格式，並包括任何可使控制器42理解這些數據的必要指令和/或命令。可選地，轉換器46也可將數據從模擬信號變換成數字數據。
圖3B示出根據本發明一個實施方案的示意性顯示設備的第二實施方案，它基於順序光投射系統，於US專利號5592188中所提出的類似。然而，應當指出，本發明使用四種或更多種原色，而背景技術系統被限制為僅使用三原色的電子色彩顯示器。另外，本發明的這個實施方案僅是說明性的，並不是以任何方式進行限制。
系統48基於使來自源50的白光通過適當的濾色器52來形成頻譜範圍確定的色光。正如前面所描述的，優選地系統48的特徵在於六個這樣的濾色器52，可選地配置成濾色器轉盤54。在此例中，光源50和濾色器52的組合可看作形成了上面圖3A的光源的至少一部分，可選地具有其它包括在光產生中的元件。
然後該色光照亮空間調製蔭罩56，它也稱作SLM(空間光調製器)，通過確定特定色彩的光是否被允許通過而照亮某個象素，來確定顯示在圖像每部分(通常為每個象素)上的色彩。然後該圖像的色光被投影透鏡58投影到顯示屏60上。顯示屏對用戶(未示出)顯示出最終的彩色圖像。空間調製蔭罩56——更優選地為空間調製蔭罩56和投影透鏡58的組合——可看作圖3A的控制器的一個例子。
空間調製蔭罩56可選為二元調製型或連續調製型。
連續調製型的例子包括像LCD(液晶顯示器)、電光調製器和磁光調製器這樣的極化旋轉設備，但不局限於此。在這些設備中，照射光的極性被旋轉了。在此處，LCD的特徵在於各向異性分子的有組織結構，通過加電壓使各向異性的軸旋轉，從而旋轉極性。對於電光調製器，其特徵在於各向異性晶體，通過加電壓使沿不同軸的折射率發生改變從而改變光輻射極性的旋轉。電光調製器可用於連續非二元的實施或用於二元的實施。磁光調製器是利用磁場通過改變晶體磁光性質來旋轉極性的設備。
二元調製型的例子包括DMD、FLC、量子阱調製器和電光調製器，但不局限於此。DMD(數字微鏡設備)為一鏡面列陣，每個鏡面有兩個位置，要麼將光反射到顯示屏60上，要麼將光反射到顯示屏60外。FLC(鐵電液晶)的特徵在於液晶，它們僅有兩個雙穩取向狀態，從而將光輻射的極性改變為兩個狀態中的一個(有效地「開」和「關」)。量子阱調製器是這樣的設備，其中在量子阱中加電壓，根據所加電壓，通過改變阱中電子的狀態來將光的透射和反射性質改變為兩個水平中的一個。電子被從吸收性的變為透過性的。
為了使光直接通過適當的濾光器52，優選地，光被聚光透鏡62聚焦，可選地使用兩個這樣的透鏡62作為說明，並不是要將其局限於此。然後聚焦光直接通過濾光器轉盤54上的某個濾光器。濾光器轉盤54具有至少四個濾色器52，其透射頻譜被設計成能覆蓋人眼色域的大部分。馬達64可選地且優選地在光源50之前旋轉濾光器轉盤54，這樣在每個輪迴中空間調製蔭罩56被濾光器轉盤54中的所有色彩依次照亮。優選地，旋轉速率為幀頻，即顯示屏60上全色圖像刷新的頻率。典型的幀頻(旋轉頻率)為30-85Hz的範圍。
更優選地，由定時系統66使數據向空間調製蔭罩56的加載與濾光器轉盤54的旋轉同步。光線被空間調製蔭罩56空間調製，從而改變了每種原色在顯示屏60不同部分上出現的亮度，通常是對於圖像的每個象素。顯示屏60上的每個位置68優選地與空間調製蔭罩56中的某個象素70聯繫在一起。那個位置上的亮度由圖像中的相關數據象素確定。圖像中象素的值可選地且優選地由圖像數據文件72來檢索。在觀看投影到顯示屏60上的圖像時，觀眾將原色圖像的順序流合併以獲得具有寬色域的全色圖像。
使用液晶調製器的實施需要使用極化光。對於反射設備，例如矽上液晶(LCOS)設備，可使用相同的起偏器——通常是偏光立方分光鏡——來使入射光起偏並分析反射光。對於光線通過象素矩陣的透射設備，例如基於Epson、Kopin(USA)和其它廠商提供的薄膜電晶體技術(TFT)的動態矩陣LCD，在空間調製蔭罩56前後放置線性起偏器。示於圖3中的示意性的但是具體的實施基於用作空間調製蔭罩56的反射LCOS設備，因此在系統48中包括偏光立方分光鏡80。應當指出，這僅用作說明目的，系統48基於其它調製器的實施也是可能的，例如作為其它這類空間調製設備的例子所描述的那些設備。
圖3B還示出數據流和數據處理的示意性描述。數據可選地由所示的數字圖像文件72給出，或以模擬視頻信號(未示出)給出。數據可選地且典型地以光柵格式到達，對與計算機相關的顯示系統尤其如此。光柵格式為以全畫面逐點逐行呈現R、G和B值的信號。在隔行掃描的視頻中，畫面被分為兩個先後發送的掃描場，第一掃描場包含的僅是奇數行，而第二掃描場包含的是偶數行。計算機顯示器典型的模擬顯卡接收數字圖像數據，然後將這些圖像數據作為模擬信號在五行上發送出去，三行為R、G和B信號而兩行為同步信號。R、G和B信號為圖像中響應象素RGB值的非線性函數。這個函數(在此技術中稱為伽馬修正函數)是這樣的，CRT對其輸出的響應在原始象素值上是線性的，從而來自特定螢光體的發射的亮度取決於所接收到信號的電壓。在一個視頻信號中，RGB信號被變換成其它表示象素的亮度和色度的組合，它們中的每個都分別編碼(例如，使用YCC型格式)。
為了本發明的目的，例如為了對視頻/顯卡接口導致的影響進行校正，模擬圖像數據可選地且更優選地被變換成數字數據以獲得數字RGB(三色)圖像數據72。這種校正可選地且優選地所產生的影響的例子包括，但不局限於，模擬到數字(A/D)的變換和視頻解碼的影響、反伽馬變換的影響，以及隔行掃描到非隔行掃描信號的變換的影響。根據本發明具體實施方案，數據僅出現在一個掃描場中，而不是像背景技術的隔行掃描視頻那樣出現在兩個或更多個掃描場中。因此，優選對數據進行變換，以免數據在被送入幀緩衝器之前就被隔行掃描，如下更詳細描述的。
數字RGB數據也可選地且更優選地直接從數字顯卡中獲得，ATI、Number Nine Revolution和其它廠商都有提供這種顯卡。
無論是那種情形，正如下面將更詳細描述的，數字RGB圖像數據和YCC型數據都隨後都在多色變換模塊74中生成色彩格式，它包括色彩轉盤52的每種色彩所需的數據，每種色彩有N比特數據(例如，7色，其中一種為白色，每色8比特)。
為空間調製蔭罩56的響應，所得的7色彩通道更優選地由伽馬校正模塊76進行伽馬校正處理。伽馬校正模塊76對每個數據通道進行一個非線性變換，稱作「反伽馬」處理。變換優選地為非線性的，因為，為了對系統內部元件對從電纜進入顯示屏60(未示出)的信號的影響做校正，輸入信號通常都是非線性的，以使變換的輸出為優選線性的。優選地，變換通過給出一些查找表(每個通道一個或幾個)來進行，查找表含有對應於所有可能輸入值的輸出值。使用這樣的查找表給出了標準化的、校正的、線性的輸出，可更精確地由本發明的系統來顯示。
然後校正的數據被加載到幀緩衝器和格式模塊78中，它們以與空間調製蔭罩56的電子需求相一致的格式排列數據流。幀緩衝器和格式模塊78是保存圖像數據的存儲設備。典型地，數據以和圖像以及空間調製蔭罩56的象素相同的幾何布置來保存。
對上述系統，幀緩衝器和格式模塊78的幀緩衝器本身優選地分為許多位平面。每個位平面為比特的平面陣列，其中每個比特相應於空間調製蔭罩56上的一個象素。每個位平面實際上至少代表了每種色彩的部分數據，這樣，如果一個象素要具有包括特定原色的成分，那麼這個象素由以該原色為特徵的適當位平面上的特定比特來表達。位平面按照從最重要到最不重要的順序依次從上往下排列，形成數據的三維排列。總共有m×N個位平面(m為比特/色彩通道的數目，N為色彩通道的數目)。
定時系統66可看作至少是上面圖3A的轉換器一部分的例子，更優選地與多色變換模塊74、伽馬校正模塊76以及幀緩衝器和格式模塊78結合。
數據通常表達為七原色中的每一個8比特(256級)。照明的各個「灰度級」可以用不同的方式得到，取決於所用空間調製蔭罩56的類型。對於「模擬」調製器，例如向列LC調製器，灰度級由光軸旋轉的總量來確定，它由所加電壓控制。對空間調製蔭罩56的這種結構，每幀需要七個「更新」，或者說改變，色彩轉盤52的原色中每個對應一個更新。對於顯示屏60的50Hz幀刷新率，這相當於350Hz的更新率。相應於相關色彩的八個位平面從幀緩衝器和格式模塊78的幀緩衝器本身中檢索，可選地且優選地變換成模擬信號。然後這些模擬信號被放大並加到空間調製蔭罩56上。
對於空間調製蔭罩56的「二元」型，例如德州儀器生產的數字微鏡設備(DMD)或者MicroPix、Displaytech和其它廠商生產的鐵電液晶(FLC)SLM，灰度級通過光的脈衝寬度調製(PWM)來獲得，這是一種本技術領域中廣為人知的技術。為了進行光的脈衝寬度調製，在顯示相關色彩期間，對每個原色向空間調製蔭罩56中加載m位平面，此處示出的m＝8。對50Hz的幀頻和7色顯示，每種色彩顯示的時間為20ms/7＝2.85ms(20ms＝1/50Hz)。在此期間，8位平面應當被加載進空間調製蔭罩56，導致2.8kHz的更新率。然而，如果在光上加了PWM，則最不重要的位平面在空間調製蔭罩56上只應出現11.2毫秒。
為延長顯示周期以避免空間調製蔭罩56如此頻繁的刷新或改變，可選地且優選地，不在光上加PWM。作為替代，照明時間在位平面之間平均分配。這樣可選地且更優選地通過改變入射到空間調製蔭罩56上的光亮度來創建不同的比特值。可選地且更優選地，入射光的亮度通過利用一個連續變化的中性密度(ND)濾光器來改變，如下面所更詳細描述的。
圖4A示出具有這樣一個ND濾光器82的色彩轉盤的濾光器排列的說明性實施。濾色器轉盤分成幾個色彩區域，分別標為「C1」至「C7」，每個的寬度為2π/N弧度，其中N為原色的數目。正如下面將更詳細描述的，每個色彩區域為一個不同的濾色器，它優選地具有分離的ND濾光器。ND濾光器並不影響過濾光的頻譜內容，而是改變整個光譜上的過濾光的強度。
濾色器轉盤82的工作時序繪於圖4B中。濾色器轉盤全程旋轉所需時間為2π/ω，每個色彩區域有一個長為2π/ωN的時間空檔(時隙)，期間m位平面被加載到空間調製蔭罩中。每個位平面佔據相同的持續時間，在最後一個重要的位平面加載之後，存在一個死區。為獲得光強和相應比特值之間正確的依賴關係，在濾光器82的每個色彩區域中放置一個連續變化的ND濾光器。ND濾光器的強度隨θ？從零強度線性變化到強度為m·log102≈0.3m，m為比特/通道數目，如圖4C中所示。在過渡區(死區)，從一種色彩最不重要的比特(lsb)到下一種色彩最重要的比特(msb)，強度增加到一個較大值以避免色彩混合。如下所示，這種設計確保從I位平面偏轉的光的亮度基本上線性依賴於第i比特的值。如上面所說明的，一個伽馬校正查找表(LUT)補償了剩餘的非線性。
第i比特期間(msb＝0比特，lsb＝m-1比特)通過ND濾光器的光強由下式給出
IAVG(i)I0=1T+T(i+1)TmiTm10-0.3mtTdt=T0.3mln10(T+T)10-0.3i(1-10-0.3)]]>=1/2mln2(1+T/T)12i]]>這裡T+ΔT為色彩區域的持續時間，其中ΔT為死區的時間。顯然，在兩個先後的比特中的平均強度之比實際為2。當ND濾光器在msb期間密度為0.22時也可獲得類似的關係，在msb周期之後，密度從零線性上升為0.3(m-1)，同時保持時序不變。
其它可選的用來改變光亮度的實施也是可行的，而且也包括在本發明的領域中。例如，可在綠色區轉盤之後放置一個中性密度濾光器的可變轉盤。這個ND濾光器轉盤與濾色器轉盤同步旋轉，從而ND濾光器轉盤在色彩轉盤的一個輪迴中完成了七個輪迴。
另一可選的實施在濾色器轉盤後面使用電子控制LC或電光光強調製器。這樣的一個設備通過電子(數字)控制來控制過濾光的亮度。這樣的設備的一個例子是CRL Opto(英國)生產的LC調製器。作為另一選擇，可以放置一個電子快門系統作為控制到達SLM或從SLM到達屏幕的光總量的光圈。
通過即時調製，光源的強度也可改變。例如，可選用閃光燈作為光源，它以猝發或「閃光」的方式發光。然後光隨時間衰減，這樣，隨著時間的過去，光的亮度降低。這個降低使光的強度或亮度不通過中性密度濾光器就可得以改變。作為選擇，在一個類似的具有閃光燈的系統中，燈可以高重複率發射閃光，這樣每單位時間脈衝的數目就可確定發射光的亮度。
圖5A和5B示出背景技術RGB系統的透過譜(圖5A)和根據本發明具有六種色彩的示例色彩系統的透過譜(圖5B)。如圖5A中所示，RGB濾光器的透過譜——示為頻譜84(紅)、86(綠)和88(藍)——受到限制，不能給出對要顯示色域的寬覆蓋。圖5B示出六色系統的透過譜——示為頻譜90、92、94、96、98和100。這些頻譜是通過將具有圖5A中所示的頻譜的RGB濾光器中每個的頻譜範圍二等分而得到的。濾光器對90和92覆蓋更寬的濾光器70相同的頻譜範圍，等等，從而增大了可能被覆蓋的色域。原色數目的選擇優選地根據增加更多原色——這增大了可顯示的色域——的需求和增加更多色彩的更大複雜性之間的平衡來進行。
圖5A的頻譜對應於具有點24、26、28、30、32和34的六邊形22(未示出，參看圖2)，與RGB螢光體產生的色域(圖2的三角形20)相比，超過四種色彩所產生的色域範圍增大了。
然而，絕大多數電子圖像數據通常都是以RGB格式或依據RGB格式的某些函數的RGB相關格式給出，或者以其它像YCC型數據這樣的格式給出。在一個示意性實施方案中，使用這樣的數據要求數據被變換成適合於至少包括四原色的顯示的格式。這種數據變換的可選方法結合圖6A和6B以及在圖7中描述。僅為描述的目的而不是要對其進行限制，使用本發明的系統的六加一實施，其中有六種原色和一個由(xw，yx)確定的白光源。白光源優選地由六原色的混合來產生。在一個替代實施方案中，白光源可用一個單獨的白色濾光器或出光設備來產生。這種安排在顯示的色域中建立了六個三角形。在替代實施方案中，用來產生三角形區域的點無需是白色的或基本白色的。
正如結合圖6b的流程圖中的示意性方法所說明的，作為輸入到達的YCC型這樣的信號或RGB信號優選地在步驟1中通過使用技術中熟知的3×3矩陣變換來變換到XYZ坐標空間中。在步驟2中，從XYZ坐標計算該色彩向x-y色度平面上輸入點的投影。輸入點(x0，y0)的位置處在圖6B中所示的幾個部分中的某一個之內。為了確定輸入點(x0，y0)出現在哪個部分中，在步驟3中，以代表白色源的白點作為原點，計算了輸入點(x0，y0)關於參考原色——例如最紅的原色——的角度φ＝φ0+φR＝tg-1[(y0-yw)/(x0-xw)]-tg-1[(yR-yw)/(xR-xw)]其中正切的符號通過將相關y坐標和yw進行比較來確定。在確定了角度Φ之後，將它與所有原色的角度Φi(i＝1-6)進行比較以確定輸入數據點出現在哪個部分中。在計算了這個之後，利用角部的三種色彩(即，白色和其它六種色彩中處在相關三角形角部的兩種，此例中為p1和p2)來創建代表輸入數據的加法線性組合X0Y0Z0=awXwYwZw+a1X1Y1Z1+a2X2Y2Z2]]>在步驟4中，組合的參數(aw，a1，a2)如下給出aWa1a2=XWX1X2YWY1Y2ZWZ1Z2-1X0Y0Z0]]>求解上面的加法線性組合以得出常數aw，a1和a2。
如果三個主向量不在同個平面上，則可對XYZ矩陣進行轉換。在步驟5中，如果參數(aw，a1，a2)中的一個為負，則輸入點在色域之外。在此情形中，負值可設為零。這些步驟產生了最終的七色(六色加上調亮度用的白光)數據。
參數a1和a2代表了確定相關三角形外邊的兩個非白原色的常數。常數a1和a2代表了要再現由輸入點(x0，y0)代表的色彩，相應於這些常數的原色所應顯示的水平。六原色p1-p6中的每一種都依照某些預定的水平對由(xw，yx)確定的白色源的產生有貢獻，因為白色源由這些原色中的每種的某些部分形成。為了確保那些確定四原色水平的常數a3、a4、a5和a6不是這個相關三角形的一部分，相應於這些常數的原色對白色源(xw，yx)的貢獻水平被乘上常數aw。例如，如果相應於常數a3的原色對白色源的貢獻是0.25(以0-1的比例)，則用aw乘以0.25來確定a3。在某一實施方案中，由於形成該相關三角形的兩個非白原色也對白色源有貢獻，故而基於它們對白色源的貢獻和aw值對這些原色確定兩個附加的水平，這兩個水平被加到a1和a2上來計算這兩個常數對產生相應於輸入點(x0，y0)的輸入點色彩的貢獻。
在另一實施方案中，選擇白色源(xw，yx)以形成三角形頻譜區域，使六個非白原色沿馬蹄的邊緣放置；並可使用另一組源w1-w6(每對相鄰非白原色對中的一個)來計算非白原色對產生輸入點所代表的色彩的貢獻。源w1-w6無需接近白色。在替代實施方案中，用作中點的那種或那些色彩無需是白色或接近白色。
圖7描繪了根據本發明一個實施方案轉換源數據以計算原色貢獻水平的色度映射。參看圖7，馬蹄600包括原色p1-p6、白色源(xw，yx)和源w1-w6(為清楚起見，僅繪出了源w1和w2)。源w1相應於相鄰原色對p1和p6，和這兩個原色一起形成了一個三角形區域。源w2相應於相鄰原色對p3和p4，和這兩個原色一起形成了一個三角形區域。
首先，代表目標色彩的輸入點(x0，y0)映射到空間600上，找到了由白色源(xw，yx)和兩個非白原色確定的相關三角形，如上所述。接著，參看w1-w6中選出的第二源wβ，相關源為由六個非白原色形成的，但不包括形成相關三角形外邊的兩個非白原色。優選地，第二源wβ和形成相關三角形外邊的兩個非白原色形成基本與相關三角形重疊的第二三角形。在類似於上述的加法線性組合中，該相關源wβ和這兩個相關非白原色一起使用X0Y0Z0=awXwYwZw+a1X1Y1Z1+a2X2Y2Z2]]>組合的參數(awβ，a1，a2)由下式給出
aWa1a2=XWX1X2YWY1Y2ZWZ1Z2-1X0Y0Z0]]>求解該加法線性組合得到常數awβ、a1和a2。
參數a1和a2代表確定相關三角形外邊的兩個非白原色的常數。常數a1和a2為要再現輸入點(x0，y0)所代表的色彩，這些常數可顯示(例如，投影到屏幕上或通過LCD顯示)的水平。剩下的四個非白原色(六個非白原色中不包括兩個相關非白原色的那些)根據某些預定水平對來自w1-w6的相關源wβ有貢獻，因為該相關源由這些剩餘原色中每一個的某些部分構成。這樣，為了確定常數a3、a4、a5和a6，用常數awβ乘以相應於這些常數的原色對相關源wβ的貢獻水平。因為在這樣一個實施方案中，形成相關三角形的兩個非白原色對相關源沒有貢獻，無需進行附加的計算來計算這兩個常數的貢獻。
雖然在上面的描述中，就六原色描述了這個方法，上述方法可用來將色彩點轉換到包括任何原色數目的色彩系統。此外，在替代實施方案中，可使用其它的步驟來對一組原色計算水平，計算使用了一組由原色對和中點所形成的三角形區域。
上面的這組步驟優選地由處理器或數據轉換器來進行，處理器或數據轉換器是根據本發明一個示意性實施方案的顯示系統的一部分。這樣的處理器或數據轉換器可以使任何傳統的數據處理設備，例如微處理器、「片上計算機」，或圖形處理器。
上述方法僅是將RGB數據變換成一種適合於至少具有四種色彩的顯示器的格式的一個可能途徑。特別地，至於詳細的程序，並非一定要在色彩點中包括白光點。該程序僅需要確定一組三角形，這基於已有原色和任何一組附加色彩，附加色彩優選地由其它原色組成。例如，源或白色點的確定可替代為它們由六原色等量組成。
如圖8所示，本發明的系統的另一可選實施方案優選地基於同步投影設計。在系統102中，白光源104產生白光束。令光束通過聚光的準直透鏡106。接著，使其通過許多分色鏡108。優選地，對每種想要的原色使用一個分色鏡108。示出了四個這樣的分色鏡108，但僅是為了描述的目的，並非要將其數目限制為四個。每個分色鏡108使光譜的部分通過，而剩下的部分被反射，從而用作產生每種所需原色的光的濾光器。
接下來，使用了許多SLM(空間光調製器)110。每個SLM 110用來根據所要產生的圖像的數據調製每束光線。可選地，可在投影之前混合光束，但是優選地，它們被分別投影到顯示屏112上，如圖所示。對於後一種實施，光束在顯示屏112上混合。光束的合併在顯示屏112上同步進行。
可選地且優選地，每個SLM 110都帶有一個成像透鏡，用來將通過SLM 110的光束聚焦到顯示屏112上。優選地，每個成像透鏡114放置在遠離穿過SLM 110的光束軸線的位置上，這樣，光的混合束對準出現在顯示屏112。作為選擇，分色鏡可用來使光束對準，和/或可調整每個SLM 110的角度來調整光束離開每個SLM 110時的角度。
根據另一實施方案，來自白光源的光分成許多束。可以通過使光束經過稜鏡/光柵而分散且會聚頻譜中相關部分來進行光束分離。作為選擇，白光可不用分散成許多光束而進行分離，之後過濾每束光來產生相關色彩。還可作為選擇，可使用分色鏡/濾光器的合適排列。
一個類似的實施可選地且優選地基於具有合適螢光體的七個CRT(陰極射線管)或具有合適濾光器的黑白CRT，將光束投影到螢光屏上且在那裡對準混合，就像在三原色CRT(陰極射線管)投影儀(例如，Barco Inc.生產的Reality 800產品系列)中那樣。
在本發明的某一實施方案中，選擇一組濾光器來獲得可能的最寬色度覆蓋，同時保持白平衡、效率和亮度。圖9描繪了根據本發明某一實施方案的顯示系統所用的一組濾光器的色度。參看圖9，馬蹄600代表人眼通常所能看到的色域，也就是想要在顯示中產生的色域。三角形602代表現有技術顯示的典型範圍，使用了點a、b和c所描述的原色。通過使用，例如，點610、612、614、616、618和620所描述的原色，可獲得更精確和真實的色彩顯示，它具有更寬的色度覆蓋。可選擇這樣一組原色，以增加色度的覆蓋，給出最大的亮度和效率，並優選地用同比例的各種原色的簡單加總來產生白色，而不是將不同比例的原色進行混合。
在本發明的某一實施方案中，基於這樣的原則選擇一組濾光器為獲得色域的寬覆蓋，對馬蹄600的每個拐角604、605或606，至少應該選擇一種原色使其落在靠近拐角604、605或606。在本發明的某一實施方案中，選擇至少一組三種原色，從而在該組中的至少三種原色的濾光器處具有如下特點一個濾光器不讓波長小於600nm的光通過；另一個不讓波長大於450nm的光通過；而第三個為窄帶通濾光器，其中心波長處在大約500-550nm範圍內，總寬度不超過100nm。可選擇附加的原色來增加處在三濾光器所創建的三角形之外可表達的色彩的數目，增加亮度和效率，並顧及白平衡。
圖10描繪了一些色度範圍，從中選出一組與根據本發明某一實施方案的顯示系統一起使用的濾光器。圖10中描繪的色度範圍得與D65照明一起使用；也可使用其它照明類型。參看圖10，馬蹄600代表人眼通常能看到的色域。區域630代表相應於不允許波長短於600nm的光通過的一組濾光器的色度區域。區域640代表相應於不允許波長超過450nm的光通過的一組濾光器的色度區域。區域650代表相應於某組濾光器的色度區域，該組濾光器為窄帶通濾光器，允許中心波長位於大約500至550nm範圍內，寬度不超過100nm的波段通過。在某一實施方案中，選擇一組顯示系統的原色，以使該組原色中的至少三個中的每個處在區域630、640和650之一內。對於一個給定的區域630、640或650，可以有不止一個原色的波長基本落在區域630、640和650中。
參看圖9，原色610、614、616和620從圖10中所示的色度區域中選出。選擇原色612和618來增大色域覆蓋並輔助產生白平衡，也是為了效率和亮度。
圖11為產生圖9中所描繪的那組原色的濾光器的透過譜。參看圖11，第一濾光器允許波長在661範圍中的光通過，相應於圖9中的原色616。這個濾光器相應於選自圖10中的區域640的原色。第二濾光器允許波長在662範圍中的光通過，相應於圖9中的原色618。第三濾光器允許波長在663範圍中的光通過，相應於圖9中的原色620。這個濾光器相應於選自圖10中的區域650的原色。第四濾光器允許波長在664範圍中的光通過，相應於圖9中的原色610。這個濾光器相應於選自圖10中的區域650的原色。第五濾光器允許波長在665範圍中的光通過，相應於圖9中的原色612。第六濾光器允許波長在666範圍中的光通過，相應於圖9中的原色614。這個濾光器相應於選自圖10中的區域630的原色。
在替代實施方案中，可使用原色和濾光器的其它組合，其中包括來自上面討論的範圍中的三種原色。例如，除使用上面討論的範圍中的三種原色之外，僅使用一種來自這些範圍之外的附加原色。
在本發明某一實施方案中，選擇一組原色和濾光器以獲得某組色彩的頻譜重構。當使用一組有限的原色來為人的觀察再現「真實的」或「自然的」色彩時，可由該組原色的不同水平或組合來再現要再現的某組目標色彩。用同樣的目標色彩坐標可代表許多不同的頻譜，這個現象稱作同色異譜現象。利用一組基於「平均」觀察者對一組原色的反應的原色來表達目標色彩是不精確的，因為一個真實的觀察者未必能將目標色彩的表象感知為符合真實目標色彩。
在現有技術中，顯示器和其它系統(例如列印系統)所用的原色的頻譜基於色度匹配來選擇。在色度匹配中，對一系列實驗者顯示用原色中的三個的組合產生的色標。對每個實驗者出示兩個色標，一個目標色標和一個由三原色混合產生的色標。調整每個原色的水平直到實驗者聲稱目標色標和原色色標相同。對每個目標色彩，將該組實驗者所得出的水平進行平均。所得的一組平均水平用作再現這些目標色彩的模型。通過色度分析形成色彩導致了人們對所得顯示器產生的色彩的感知上的不精確，因為每個人對色彩的感知都不同。一個觀看使用色度匹配所產生的原色的顯示器的人未必能象那些用來建立原色頻譜的「平均」人那樣感知色彩，從而可能感知到與預想不同的色彩。
為了增加一組原色所表達的色彩的精確性，並增加不同觀察者精確感知某種色彩的可能性，使用本發明的系統和方法的某一實施方案來選擇並確定一組基於頻譜匹配而不是色度匹配的原色，這樣的一組原色可用在根據本發明一個具體實施方案的顯示系統中。選擇一組原色以使最精確地表達了一組真實的頻譜樣本。
在某一實施方案中，為了選擇一組l個原色來用在，例如，顯示系統中，要選擇一組欲再現的目標頻譜，且選擇一組能最佳再現該組目標頻譜的l個原色。雖然使用l個原色來再現一組寬的可視頻譜，也希望這組目標頻譜能儘可能精確地進行再現。該組目標頻譜可選來用於某種應用中，例如，彩色膠片的再現。
例如，為了選擇一組l個原色(其中，例如，l＝6)用於已優化來再現某類彩色膠片的色譜的彩色顯示器，則要選取由該彩色膠片所產生的一組m個樣本頻譜，並建立能最好地產生所要色譜的l個原色。再彩色膠片中，光穿過青色、洋紅色和黃色染料層。染料的濃度確定了膠片的透過譜。濃度的測量是分別對這些青色、洋紅色和黃色染料測量紅、綠和藍的密度。濃度根據膠片的曝光而改變；即，根據曝光期間落到膠片上的色譜而改變。在某一實施方案中，選擇一組通常用於膠片的樣本透過譜，並選取一組l個濾光器或原色，從而對於所給樣本透過譜中的每一個，可產生基本模擬了該樣本頻譜的色彩。優選地，每個樣本頻譜與產生該頻譜的染料密度相關，允許相應於該染料密度的源數據可在顯示系統中容易地轉換成原色水平。
可基於某些約束條件，或以意識中的某些目標來選擇m個樣本頻譜。例如，樣本頻譜可包括像「記憶色彩」這樣的色彩，它們可輕易地被觀察者以錯誤的再現而感知。記憶色彩可包括，例如，膚色或草的顏色。相對於如果顯示器不精確地再現了例如一組氣球的顏色，觀察者更容易注意到如果顯示器不精確地再現了膚色的不精確性。樣本頻譜可包括來自真實物體的照片或膠片的樣本。樣本頻譜可包括很大範圍內的色調，每種色調都有不同的飽和度和亮度水平。
為了確定原色的頻譜和原色的數目，所選的m個目標頻譜從樣本波長中取n個樣本。測定頻譜在所需解析度特定波長處進行取樣。例如，可在400-700nm範圍內以10nm的解析度對頻譜進行取樣，對每個頻譜給出了31個樣本點。這樣，每個連續的樣本頻譜被轉換成一個n維空間中的向量；在所給例子中，n＝31。m個向量Si(λ)(i＝1...m且λ＝1...n(在本例中n＝31))中的每一個都是一組n個有序數字，優選地在0和1之間。每個數字代表400-700nm範圍內相應于波長λ的取樣譜值。所有色標的頻譜排成一個m×n矩陣Siλ？？？？，優選地m＞＞n，其中m為所取樣的頻譜數目，而n為每個頻譜樣本點的數目。
為了找到以某種精確性再現樣本頻譜的一組l個原色，要尋找n個基向量Ψl(λ)l＜＜n，優選地l＜＜n，它們生成一個子空間，這個子空間與m個樣本向量生成的子空間相同，從而對於所有m個向量||Si(λ)-∑lαilΨl(λ)||接近於零。這裡||x||為向量x的模。每個基向量為具有n個樣本點的頻譜，這n個樣本點用來創建，例如，一個原色或一個用於原色的濾光器。一個原色或濾光器可相應於一個基向量，因為一個基向量可給出形成原色或濾光器的頻譜模型。可用各種方法修改基向量來為濾光器創建頻譜，例如，可旋轉基向量，或根據不同方法變換其常數。
可利用各種方法將m個樣本向量轉換成n個基向量。在一個示意性實施方案中，從該n個基向量中選擇l個基向量組成的子集，以使該子集包括那些對再現m個樣本頻譜貢獻最大的基向量。優選地，利用一種類似於因子分析的方法來排除任何負值，並旋轉所得的l個基向量。還優選地，進一步要求係數0≤αil≤1，並且對所有的i、l和λ都有0≤Ψl(λ)≤1。
在某一實施方案中，用到了大家所熟知的奇異值分解(SVD)方法。m×n矩陣S＝Siλ矩陣，優選地m＞＞n；優選地，S矩陣分解成三個矩陣，例如S＝VWU，其中V為一個m×n矩陣，W為一個n×n對角矩陣，而U為一個n×n正交矩陣。
上述分解可寫為
Si=kwkVikUk]]>寫為向量形式Si=k(Vikwk)Uk=kaikUk]]>這樣，用n個基向量Uk(λ)，k＝1...n，線性組合出了樣本向量Si(λ)U的行包括了上述n個基向量。W包括了這些基向量的權重，即n個基向量中的每一個對解的貢獻。W的對角線包括n個常數，優選地處在0和1之間，代表n個基向量中的每一個對解的貢獻的相對量。V含有加權了的分解係數。
優選地，要確定少於n個的原色。如果在m個原始樣本向量之間存在這樣的依賴(或近似依賴)由m個樣本向量生成的子空間具有較低的維數，則W對角線上的某些權重為零或近似為零。通過去掉U中含有相應於這些低權重的基向量的那些行，可獲得具有較低維數的基。決定哪些權重足夠小要基於最終的重構所需的精確性。因此，優選地基於矩陣W中的那組常數，確定了一組l個基向量，其中l＜n，它們對解的貢獻最大，或者說它們與樣本色彩的重構關係最大。確定了l個最高常數，使用了相應於這些常數的l個基向量。作為選擇，可通過確定哪個基向量對解貢獻一定百分比來確定所用基向量的數目。例如，可確定對對解貢獻90％的l個基向量。在替代實施方案中，無需減少基向量的數目。
基向量Ψl(λ)是正交的，因此它們可包括負數。因為產生原色的濾光器的通光率在0(沒有光通過)和1(全部通過)之間，該基向量優選地只包括正數，優選地在0和1之間。
在某一實施方案中，使用了類似於因子分析的方法來將該組基向量或簡化基向量Ψl(λ)轉換成一組非正交且包括正數——優選地在0和1之間——的基向量。優選地，利用已知的向量變換，旋轉這些基向量來確定一組基向量，以使0≤Ψl(λ)≤1且對於任何Si(λ)≈∑lαilΨl(λ)，係數0≤αil≤1。
可從這些所得基向量中建立一組原色譜，以及用於這些頻譜的濾光器。優選地，對於每個基向量，由該向量中的n個水平建立一條曲線。可使用各種方法來建立這樣的一條曲線，例如內插法。利用這樣的一條曲線來產生一個濾光器，它允許波長在相應於或基本相應於該曲線的範圍內的光通過。這個濾光器可用在根據本發明一個實施方案的顯示系統中，來產生一個相應於那個基向量的原色。
在替代實施方案中，可使用其它確定基向量的方法，例如分量分析(PCA)。在使用PCA的某一實施方案中，在n維空間中聚集m個向量Si，並計算協方差矩陣C，例如C1,2i(Si1-Si>)(Si2-Si>)]]>其中Si>=Si]]>協方差矩陣是一個n×n對稱矩陣。然後找出該協方差矩陣的特徵值和特徵向量。特徵值為基中每個特徵向量的權重。基向量是正交的，並可旋轉從而構造滿足這些要求的新基。
在替代實施方案中，可使用其它步驟來將一組樣本頻譜轉換成一組原色，這組原色可用來產生那些樣本頻譜。
根據本發明一個實施方案的顯示器接收源數據，象RGB、CYM或YCC型值，並將這些源數據轉換成要顯示的原色水平。如果通過參看一組樣本頻譜建立了一組原色，如上所述，並且該組樣本頻譜中的每個頻譜都相應於某些源數據值，例如染料濃度或其它值(RGB、YCC等)，則源數據向原色水平的轉換可包括對原色選擇過程中建立的那組數據的參考。當將一組m個樣本頻譜轉換成一組l個原色時，每個樣本頻譜可已經與像染料濃度或原色值(即，一組RGB或YCC型水平)這樣的一組色彩值結合。如果源數據直接或容易地對應於該組色彩值，則可使用最初的轉換中所用的色彩值來將源數據轉換成估計原色水平，而後者再通過插值來為源數據計算真實的原色水平。
例如，源數據可是來自源膠片的RGB值或YCC值變換成RGB值，並且基於該RGB或YCC值所確定的一組樣本建立了用於顯示中的原色。RGB值分別代表用來建立源膠片的青色、洋紅色和黃色染料的密度。為了將源數據轉換成一組常數，這些常數用來在根據本發明某一具體實施方案的成像系統或顯示器中顯示原色的，首先從源數據的RGB值中計算出膠片的透過譜。從濾光器透過譜中構造一個頻譜，並且可能還考慮了所需的照明。生成了一組常數，它們使該組原色與所構造頻譜近似。優選地，計算從源數據得出的頻譜和利用原色重構的頻譜之間的色度差，並且，如果需要的話，進行修正。
可使用各種方法從源數據再造源頻譜。如果染料的吸收以及密度和染料濃度之間的關係都已知，則可計算用於源膠片的透過的物理模型。例如，用於從源數據再造源頻譜的模型可以是T=10-DRC10-DGM10-DBY]]>其中αi(λ)，i＝C，M，Y，為密度為1的相應染料的吸收率。密度DR、DG、DB從源數據中計算。這樣，對於一個給定的源數據值，可求得頻譜T(λ)。也可實施更多詳細的物理模型。
在一個替代實施方案中，透過譜可通過查找表中的插值來計算。在確定原色時，測量一組頻譜來確定濾光器，RGB(或其它源數據)值已與每個頻譜關聯，可通過在已知樣本頻譜中插值為RGB的每個值找到一個頻譜。在進一步的實施方案中，可使用其它方法來產生透過譜。
在計算了由源數據得出的透過譜之後，可以由通過「真實」膠片投影的光來計算投影譜S(λ)T(λ)，其中S(λ)為光源頻譜，可由投影儀的光學系統進行修正。這個投影譜可基於重構的透過數據來計算。投影譜可表達為l-濾光器的函數，使用了l-原色監視器，可為濾光器解出這些常數。這樣ST=l=1laiSi]]>優選地，如上面方程所示，對膠片和濾光投影儀使用相同的光源；在替代實施方案中，也可使用不同的光源。優選地，為求解該方程得到該組原色參數ai，使用了一種約束最小二乘法。優選地，所得參數ai在
之間，並用它們來為顯示器確定原色的比例。
作為選擇，為了將源數據變換成一組原色常數ai，可使用原色建立計算過程中所建立的那些原色常數組，並對所得值進行插值。在某一實施方案中，在確定用於顯示系統的一組原色時，建立了與RGB這樣的源數據關聯的一組樣本頻譜。在為原色計算頻譜時，樣本頻譜中的每一個都與一組常數關聯，後者可與所得原色一起用來逼近樣本頻譜。這些常數可置於一個查找表中，並以用來建立該頻譜的源數據(例如，RGB數據)作為索引。在使用這些原色的顯示系統的工作過程中，為了將源數據轉換成一組原色常數，要參考該查找表來尋找與解接近的常數組。在這些常數組上進行插值來產生一組使這些原色最接近目標頻譜的常數。
對所得常數組可進行色彩修正來獲得更好的色彩匹配。色彩修正包括基於輸入數據的投影譜與要從該l濾光器顯示器中產生的頻譜的色彩坐標之間的比較。對於給定源值，可計算通過膠片投影的光的色彩坐標，如上所示。用類似的方式，可計算l濾光器顯示器的色彩坐標。為了修正源產生頻譜和原色產生頻譜之間的任何偏差，可使用各種方法。例如，可計算源和原色頻譜之間的色度差並進行適當的修正。
優選地，用一個處理器或數據轉換器來進行源數據到用於原色的常數的轉換，處理器或數據轉換器是根據本發明一個示意性實施方案的顯示系統的一部分。這樣的處理器或數據轉換器可以是任何傳統的數據處理設備，例如微處理器、「片上計算機」或圖形處理器。
雖然在上面就有限數量的實施方案描述了本發明，但應當理解，本發明的許多變化、修改和其它應用都是可行的。
權利要求
1.一種產生彩色圖像的方法，包括投射來自光源的多色光到色彩轉盤的第一側，該色彩轉盤具有至少四個非白色且非黑色的濾色器；旋轉所述色彩轉盤，使得來自所述光源的多色光因穿過所述至少四個濾色器而被順序地過濾，以順序地在與第一側相對的色彩轉盤的第二側產生至少四種顏色的光，所述四種顏色的光的每一種都具有與該至少四種顏色中的其他顏色不同的色度；和根據數據信號來空間調製所述至少四種顏色的光，以產生所述彩色圖像。
2.根據權利要求1的方法，其中在所述色彩轉盤一次旋轉期間，所述至少四種顏色光的每一種都被至少產生一次。
3.根據權利要求1或2的方法，進一步包括操作與所述色彩轉盤相連的馬達，用於旋轉所述色彩轉盤。
4.根據權利要求1至3的任意一種方法，進一步包括投影所述過濾後的光到觀察屏上。
5.根據權利要求1至4的任意一種方法，其中所述空間調製所述光包括根據所述數據信號來選擇性地激活空間光調製器。
6.根據權利要求5的方法，其中所述空間光調製器為數字微鏡面器件(DMD)。
7.根據權利要求5或6的方法，其中所述選擇性地激活空間光調製器包括根據所述數據信號激活所述空間光調製器來順序地調製所述至少4種不同顏色的光。
8.根據權利要求1至7的任意一種方法，進一步包括按照三種顏色的表示所述彩色圖像的三顏色數據轉換成按照所述至少四種不同顏色的表示所述彩色圖像的轉換圖像數據。
9.根據權利要求8的方法，進一步包括接收按照所述至少四種顏色的表示所述彩色圖像的圖像數據；和生成格式化的數據信號，該數據信號包括一系列顏色數據陣列，每個陣列包括表示對應於所述至少四顏色之一的所述圖像數據的至少部分的數據。
10.根據權利要求9的方法，其中所述空間調製所述光包括基於所述格式化的數據信號來選擇性地激活空間光調製器，以產生相應於所述彩色圖像的光圖案。
11.一種產生彩色圖像的設備，該設備包括色彩轉盤，具有至少四個非白色且非黑色的濾色器，以順序產生至少四種顏色的光，所述四種顏色的每一種都具有與該至少四種顏色中的其他顏色不同的色度；控制器，隨所述色彩轉盤的旋轉同步產生按照所述至少四種顏色的表示所述圖像的數據信號，其中所述數據信號包括色彩轉盤單一旋轉周期期間的所述至少四顏色的數據；調製器，根據所述數據信號來空間調製至少四種顏色的所述光，以產生所述彩色圖像。
12.根據權利要求11的設備，包括光源，用於投射多色光到所述色彩轉盤，其中所述色彩轉盤通過過濾所述多色光來生成所述至少四種顏色的光。
13.根據權利要求12的設備，其中所述光源基本上在所述色彩轉盤整個所述旋轉周期內連續地將所述多色光投射到所述色彩轉盤的一側。
14.根據權利要求12或13的設備，其中所述光源包括單個光源。
15.根據權利要求11至14的任意一種設備，其中所述調製器選自由二元調製型調製器和連續調製型調製器構成的組。
16.根據權利要求15的設備，其中所述調製器選自由可變形微鏡面器件(DMD)、鐵電液晶(FLC)器件、量子阱調製器、電光調製器、液晶器件(LCD)、電光調製器和磁光調製器構成的組。
17.根據權利要求11至16的任意一種設備，其中所述至少四種顏色包括至少五種彩色。
18.根據權利要求17的設備，其中所述至少五種顏色包括至少六種彩色。
19.根據權利要求11至18的任意一種設備，包括轉換器，將以三種顏色表示的所述彩色圖像的三顏色數據轉換成以所述至少四種顏色表示的所述彩色圖像的三種以上顏色數據，其中所述控制器基於所述三種以上顏色數據生成所述數據信號。
20.根據權利要求19的設備，其中所述三顏色數據包括紅綠藍(RGB)圖像數據。
21.根據權利要求11至20的任意一種設備，包括至少一個光學元件以將所述調製器調製的光投射到觀察幕上。
全文摘要
用於顯示具有許多色彩的圖像數據的設備、系統和方法，該設備包括光源(50)，用以產生具有至少四種原色的光；控制器(56，58)，用以根據要由光源產生的圖像數據(72)來確定該至少四種原色的組合；顯示屏(60)，用以根據來自控制器的組合顯示圖像數據。本發明並不局限於僅由三種原色——例如紅、綠和藍——所產生的色彩的組合。
文檔編號H04N9/31GK1941920SQ20061014236
公開日2007年4月4日 申請日期2001年6月7日 優先權日2000年6月7日
發明者艾蘭·本－大尉, 墨西·本－朝潤 申請人:格諾色彩技術有限公司