基于阿爾法形態(tài)的顯示器三維色域體積快速算法
【專利摘要】本發(fā)明涉及數(shù)字電視、顯示器測(cè)量技術(shù)，為開(kāi)發(fā)一種能夠高效、準(zhǔn)確計(jì)算不規(guī)則三維顯示器色域體積的方法。使用該方法計(jì)算顯示器色域體積應(yīng)能達(dá)到實(shí)時(shí)性要求，從而推動(dòng)三維色域檢測(cè)、寬色域顯示設(shè)備認(rèn)證在工程實(shí)際中的應(yīng)用。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于阿爾法形態(tài)的顯示器三維色域體積快速算法，包括下列步驟：步驟一：使用規(guī)范色域測(cè)試樣本測(cè)試得到待測(cè)顯示器的色域表面散點(diǎn)數(shù)據(jù)集S；步驟二：對(duì)點(diǎn)集S進(jìn)行三角剖分；步驟三：利用Alpha?Shapes算法原理對(duì)四面體進(jìn)行篩除；步驟四：可視化步驟三所得三維色域的邊界面；步驟五：對(duì)符合條件的四面體分別計(jì)算其體積。本發(fā)明主要應(yīng)用于數(shù)字電視、顯示器測(cè)量。
【專利說(shuō)明】基于阿爾法形態(tài)的顯示器三維色域體積快速算法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)字電視、顯示器測(cè)量技術(shù)，寬色域顯示技術(shù)，具體講，涉及基于Alphashapes的顯示器三維色域體積快速算法。
技術(shù)背景
[0002]目前通常用二維空間色域表示顯示器能夠重顯的色彩范圍，而色彩實(shí)際上是一個(gè)三維的量，各種可用來(lái)表示顏色的色空間(如XYZ，RGB，Luv，Lab)都是三維色空間。在二維空間計(jì)算色域及色域覆蓋率忽略了亮度級(jí)別對(duì)色域范圍的影響，所得結(jié)果不能充分反映色彩重顯特性。因此，需要在包含亮度信息的三維空間中計(jì)算色域及色域覆蓋率。目前已有一些計(jì)算三維色域體積的算法被提出。Bangyong Sun等[I]提出了 CIELAB色空間的液晶顯示器色域描述算法。該算法在CIELAB色空間利用Delaunay (德洛涅)三角剖分技術(shù)將色域邊界面分割成小三角形。取中心點(diǎn)并將其與表面劃分的三角形相連形成四面體，求所有四面體之和得到三維色域體積。Andreas Willert等[2]分別在CMY及CMYK色空間按亮度將色域體積均分成一系列薄片，在每個(gè)薄片上劃分網(wǎng)格計(jì)算其色域大小。況盛坤等
[3]采用基于空間區(qū)域分割的四面體網(wǎng)格剖分算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸出設(shè)備色域的三維立體再現(xiàn)和色域體積的求取。該算法將色度坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為球面坐標(biāo)，分別將色相角和仰角均分成N份，從而將整個(gè)顏色空間分成NXN個(gè)子區(qū)域進(jìn)行計(jì)算。李超等[4]根據(jù)Delaunay理論在三維空間的擴(kuò)展，將不規(guī)則的顏色空間立體分解為多個(gè)四面體網(wǎng)格進(jìn)行色域體積的計(jì)算。該算法將分解得到的所有四面體體積相加，并沒(méi)有考慮到色域立體表面的凹凸程度可能與分割成的四面體網(wǎng)格表面不一致。現(xiàn)有這些求三維體積快速算法多針對(duì)凸包，將色域表面作為光滑的凸面進(jìn)行處理。實(shí)際上，從根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)重構(gòu)出的顯示器三維色域立體可以看出，在設(shè)備無(wú)關(guān)色空間，顯示器三維色域是凸包與凹坑相混合的不規(guī)則立體，用已有算法進(jìn)行計(jì)算多會(huì)產(chǎn)生誤差，結(jié)果并不準(zhǔn)確。
[0003]阿爾法形態(tài)(Alpha shapes)算法的基本思想是將一個(gè)半徑為α的圓圍繞給定的離散點(diǎn)集S滾動(dòng)，S的輪廓是一個(gè)多邊形，由S和半徑α決定。當(dāng)α取值適當(dāng)，這個(gè)圓就不會(huì)滾到S的內(nèi)部，與圓相交的點(diǎn)就是S的邊緣輪廓點(diǎn)，其滾動(dòng)的痕跡就是S的邊界線[5]。Edelsbruuner等[6]于1983年給出了 Alpha Shapes模型判斷準(zhǔn)則,根據(jù)這一準(zhǔn)則可以確定邊界線。判斷條件如下:在點(diǎn)集S內(nèi)任取兩個(gè)點(diǎn)P1和P2，過(guò)這兩點(diǎn)繪制半徑為α的圓，若圓內(nèi)沒(méi)有其它點(diǎn)，則可認(rèn)為P1P2是邊界線。Edelsbruuner等[7]于1994年從幾何學(xué)的角度給出了三維Alpha shapes的原理,為其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。Tomasz J.Cholewo等[8]于1999年提出一種基于Alpha shapes算法的面向彩色打印設(shè)備和彩色圖像的色域邊界提取算法。
[0004]參考文獻(xiàn)
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，開(kāi)發(fā)一種能夠高效、準(zhǔn)確計(jì)算不規(guī)則三維顯示器色域體積的方法。使用該方法計(jì)算顯示器色域體積應(yīng)能達(dá)到實(shí)時(shí)性要求，從而推動(dòng)三維色域檢測(cè)、寬色域顯示設(shè)備認(rèn)證在工程實(shí)際中的應(yīng)用。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于阿爾法形態(tài)的顯示器三維色域體積快速算法，包括下列步驟:
[0014]步驟一:使用規(guī)范色域測(cè)試樣本測(cè)試得到待測(cè)顯示器的色域表面散點(diǎn)數(shù)據(jù)集S，S中的散點(diǎn)均為分布在三維色域表面上的點(diǎn)，集合S確定了該顯示器的三維色域邊界；
[0015]步驟二:對(duì)點(diǎn)集S進(jìn)行三角剖分，建立三維Delaunay三角網(wǎng)，得到η行4列的矩陣，η為分割的四面體的個(gè)數(shù)，矩陣的每行為分割成的四面體頂點(diǎn)的索引值；
[0016]步驟三:利用Alpha Shapes算法原理對(duì)四面體進(jìn)行篩除。對(duì)每一個(gè)單純形四面體計(jì)算其外接圓半徑R ;對(duì)于給定的Alpha shapes半徑參數(shù)α ,僅保留R〈 α的四面體；經(jīng)過(guò)篩除之后，所剩小四面體的外邊界面即為三維色域體積的邊界面。
[0017]步驟四:可視化步驟三所得三維色域的邊界面，即可視化篩除后所剩小四面體的外界面，通過(guò)改變?chǔ)恋拇笮?，控制得到的邊界面的精?xì)程度；
[0018]步驟五:對(duì)符合條件的四面體分別計(jì)算其體積，再將所有的體積相加即得到三維色域的體積。
[0019]通過(guò)改變?chǔ)恋拇笮?，控制得到的邊界面的精?xì)程度具體是，觀察邊界面的情況調(diào)整α:若邊界面有空洞不連續(xù)，表示當(dāng)前α值過(guò)小，增大α值，重復(fù)步驟三；若邊界面連續(xù)但空間位置位于S中散點(diǎn)之下，表示當(dāng)前α值仍然過(guò)小，增大α值，重復(fù)步驟三；若邊界面連續(xù)但空間位置位于S中散點(diǎn)之上，表示當(dāng)前α值過(guò)大，減小α值，重復(fù)步驟三；調(diào)整α值直至邊界面連續(xù)且與S中散點(diǎn)重合，表明此時(shí)所取α值大小正好，其重構(gòu)的邊界面的凹凸程度與實(shí)際色域表面的凹凸程度一致。
[0020]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)與效果:
[0021]采用本發(fā)明的技術(shù)方案可準(zhǔn)確地計(jì)算同時(shí)具有凸包和凹坑特征的、設(shè)備無(wú)關(guān)色空間中的三維色域的體積，并具有較好的實(shí)時(shí)性。集成該方法的三維色域處理平臺(tái)可將顯示器色度測(cè)試結(jié)果直接可視化為三維彩色色域立體圖、并現(xiàn)場(chǎng)給出色域體積，適合顯示器生產(chǎn)廠家和測(cè)試認(rèn)證機(jī)構(gòu)在評(píng)價(jià)顯示器色重顯性能時(shí)推廣應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1Luv空間色域立體圖；
[0023]圖2Alpha shapes算法α值取不同值時(shí)三維色域體積計(jì)算示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024]寬色域通常指大于sRGB/Rec.709標(biāo)準(zhǔn)的色域。Adobe RGB, DC1-P3和ITU-RBT.2020是目前國(guó)際上廣泛承認(rèn)的寬色域顯示標(biāo)準(zhǔn)。一些國(guó)際知名顯示器生產(chǎn)商如HP(惠普)，Mitsubishi (三菱)，Sony (索尼)和Dolby (杜比)已推出自己的寬色域顯示產(chǎn)品。除了顯示器生產(chǎn)企業(yè)，顯示設(shè)備測(cè)試認(rèn)證機(jī)構(gòu)也需要測(cè)試、評(píng)價(jià)顯示器色域大小。傳統(tǒng)在CIExy色度圖上顯示的二維色域不體現(xiàn)亮度信息，因此無(wú)法全面體現(xiàn)色域的整體特征。三維色域能夠準(zhǔn)確、全面地反映色域特點(diǎn)，但由于建立在設(shè)備無(wú)關(guān)色空間(如Luv)中的三維色域通常具有不規(guī)則的形狀，部分為凸包部分為凹坑，計(jì)算色域體積時(shí)較高的計(jì)算復(fù)雜度使其無(wú)法在對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的工程實(shí)際中得到應(yīng)用。
[0025]已知設(shè)備無(wú)關(guān)色空間中的三維色域是凸包和凹坑混合的不規(guī)則立體，需要開(kāi)發(fā)一種能自適應(yīng)凸凹兩種情況的算法。Alpha shapes算法理論上可滿足上述要求。將傳統(tǒng)Alphashapes算法擴(kuò)展至三維，即可用來(lái)計(jì)算設(shè)備無(wú)關(guān)色空間中三維不規(guī)則形狀色域的體積。
[0026]用擴(kuò)展的三維Alpha shapes算法重構(gòu)三維色域邊界并計(jì)算體積的步驟如下:
[0027]步驟一:使用規(guī)范色域測(cè)試樣本測(cè)試得到待測(cè)顯示器的色域表面散點(diǎn)數(shù)據(jù)集S，S中的散點(diǎn)均為分布在三維色域表面上的點(diǎn)，集合S確定了該顯示器的三維色域邊界；
[0028]步驟二:對(duì)點(diǎn)集S進(jìn)行三角剖分，建立三維Delaunay三角網(wǎng)，得到η行4列的矩陣，η為分割的四面體的個(gè)數(shù)，矩陣的每行為分割成的四面體頂點(diǎn)的索引值；
[0029]步驟三:利用Alpha Shapes算法原理對(duì)四面體進(jìn)行篩除。對(duì)每一個(gè)單純形四面體計(jì)算其外接圓半徑R ;對(duì)于給定的Alpha shapes半徑參數(shù)α ,僅保留R〈 α的四面體；經(jīng)過(guò)篩除之后，所剩小四面體的外邊界面即為三維色域體積的邊界面；
[0030]步驟四:可視化步驟三所得三維色域的邊界面(即篩除后所剩小四面體的外界面)，觀察邊界面的情況調(diào)整α:若邊界面有空洞不連續(xù)，表示當(dāng)前α值過(guò)小，增大α值，重復(fù)步驟三；若邊界面連續(xù)但空間位置位于S中散點(diǎn)之下，表示當(dāng)前α值仍然過(guò)小，增大α值，重復(fù)步驟三；若邊界面連續(xù)但空間位置位于S中散點(diǎn)之上，表示當(dāng)前α值過(guò)大，減小α值，重復(fù)步驟三；調(diào)整α值直至邊界面連續(xù)且與S中散點(diǎn)重合，表明此時(shí)所取α值大小正好，其重構(gòu)的邊界面的凹凸程度與實(shí)際色域表面的凹凸程度一致；
[0031]步驟五:對(duì)符合條件的四面體分別計(jì)算其體積，再將所有的體積相加即得到三維色域的體積。
[0032]對(duì)符合條件的四面體分別計(jì)算其體積，這里的體積是指首先經(jīng)三角剖分、然后經(jīng)篩除后剩下的、構(gòu)成色域表面的小四面體的體積，其頂點(diǎn)為數(shù)據(jù)集S中空間相鄰的點(diǎn)。
[0033]為驗(yàn)證算法效果，首先建立了一個(gè)顯示器三維色域測(cè)試樣本集S。該樣本集由Luv空間中代表色域線邊界的18條邊上的180個(gè)點(diǎn)組成(每條邊上各10個(gè)點(diǎn))。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、在MatIab中建立的三維色域立體如圖1所示。從圖中可以看出該立體在紫-紅-黃-白區(qū)域是凹坑，其余部位是凸包。
[0034]應(yīng)用如上所述的擴(kuò)展的Alpha shapes算法計(jì)算Luv色空間中三維色域的體積。以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在惠普400-021cx臺(tái)式電腦(CPU:G20202.9GHz,4G內(nèi)存)上測(cè)得，算法開(kāi)發(fā)、運(yùn)行平臺(tái)為Matlab2012a。在半徑參數(shù)α取不同值時(shí)所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較如圖2所示。從圖2中可以看出半徑參數(shù)α對(duì)體積計(jì)算的影響:α值越大,用Alpha shapes算法重構(gòu)出的色域邊界越凸，因此設(shè)置合適的α值才能得到正確的結(jié)果。經(jīng)反復(fù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，當(dāng)α值小于45時(shí),該算法不能重構(gòu)色域表面；α值小于50時(shí),重構(gòu)色域表面略低于測(cè)試樣點(diǎn)；當(dāng)50〈α〈200時(shí)重構(gòu)三維色域輪廓與真實(shí)輪廓相一致。表1給出了當(dāng)α取不同值時(shí)計(jì)算出的體積值與計(jì)算所用時(shí)間。
[0035]從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用本發(fā)明的技術(shù)方案可準(zhǔn)確地計(jì)算同時(shí)具有凸包和凹坑特征的、設(shè)備無(wú)關(guān)色空間中的三維色域的體積，并具有較好的實(shí)時(shí)性。集成該方法的三維色域處理平臺(tái)可將顯示器色度測(cè)試結(jié)果直接可視化為三維彩色色域立體圖、并現(xiàn)場(chǎng)給出色域體積，適合顯示器生產(chǎn)廠家和測(cè)試認(rèn)證機(jī)構(gòu)在評(píng)價(jià)顯示器色重顯性能時(shí)推廣應(yīng)用。
[0036]表1不同條件(α值、樣本集大小)下計(jì)算體積值與所用時(shí)間
[0037]

【權(quán)利要求】
1.一種基于阿爾法形態(tài)的顯示器三維色域體積快速算法，其特征是，包括下列步驟: 步驟一:使用規(guī)范色域測(cè)試樣本測(cè)試得到待測(cè)顯示器的色域表面散點(diǎn)數(shù)據(jù)集S，S中的散點(diǎn)均為分布在三維色域表面上的點(diǎn)，集合S確定了該顯示器的三維色域邊界； 步驟二:對(duì)點(diǎn)集S進(jìn)行三角剖分，建立三維Delaunay三角網(wǎng)，得到η行4列的矩陣，η為分割的四面體的個(gè)數(shù)，矩陣的每行為分割成的四面體頂點(diǎn)的索引值； 步驟三:利用Alpha Shapes算法原理對(duì)四面體進(jìn)行篩除，對(duì)每一個(gè)單純形四面體計(jì)算其外接圓半徑R ;對(duì)于給定的Alpha shapes半徑參數(shù)α，僅保留R〈a的四面體；經(jīng)過(guò)篩除之后，所剩小四面體的外邊界面即為三維色域體積的邊界面； 步驟四:可視化步驟三所得三維色域的邊界面，即可視化篩除后所剩小四面體的外界面，通過(guò)改變?chǔ)恋拇笮?，控制得到的邊界面的精?xì)程度； 步驟五:對(duì)符合條件的四面體分別計(jì)算其體積，再將所有的體積相加即得到三維色域的體積。
2.如權(quán)利要求1所述的基于阿爾法形態(tài)的顯示器三維色域體積快速算法，其特征是，通過(guò)改變?chǔ)恋拇笮?，控制得到的邊界面的精?xì)程度具體是，觀察邊界面的情況調(diào)整α:若邊界面有空洞不連續(xù)，表示當(dāng)前α值過(guò)小，增大α值，重復(fù)步驟三；若邊界面連續(xù)但空間位置位于S中散點(diǎn)之下，表示當(dāng)前α值仍然過(guò)小，增大α值，重復(fù)步驟三；若邊界面連續(xù)但空間位置位于S中散點(diǎn)之上，表示當(dāng)前α值過(guò)大，減小α值，重復(fù)步驟三；調(diào)整α值直至邊界面連續(xù)且與S中散點(diǎn)重合，表明此時(shí)所取α值大小正好，其重構(gòu)的邊界面的凹凸程度與實(shí)際色域表面的凹凸程度一致。
【文檔編號(hào)】G09G3/00GK104077987SQ201410271569
【公開(kāi)日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】徐巖, 孫婧, 李桂苓 申請(qǐng)人:天津大學(xué)