多投影仪无缝拼接显示中的颜色校正技术比较研究

中国图象图形学报第１３卷

距离最短，因此该点的像素亮度最大；类似的，由于投影图像边界的像素点到投影仪镜头中心的距离最长。因此这些点的像素亮度也最小。同时，投影仪和投影屏幕之间的夹角变化也会导致投影图像亮度的不均匀衰减。

（２）输出颜色的帧间变化

如图１（ｂ）所示，无缝拼接投影系统中，不同投影仪的投影图像之间也存在着颜色差别（指亮度差别），称之为输出颜色的帧间变化Ⅲ’¨Ｊ。这主要是由于不同投影仪的投影输出特性，以及不同投影仪的放置位置和投影方向的不同造成的。另外，不同投影仪的各种投影参数的设置，例如亮度、对比度和缩放的设置不同等等因素也是造成输出颜色的帧间变化的原因。文献［２１］中指出，对于相同型号的投影仪来说，相对于输出颜色的亮度的帧间变化，其色度的帧间变化可以忽略不计。二

（３）输出颜色的重叠区变化

无缝拼接系统的重叠区定义为多个投影仪投影图像的重叠范围。由于在这个区域内，所有像素的亮度值是由多个投影仪在该位置的投影光亮度交叠而成的，因而形成了一个高亮区（如图１（Ｃ）所示），明显区别于相邻的非重叠区的亮度。对于相同型号的投影仪形成的重叠区，其色度与相邻的非重叠区的色度相差不大。但是对于不同型号投影仪来说，重叠区的像素亮度和色度与非重叠区均不相同¨“。

（ａ）输出颜色的帧内变化（ｂ）输出颜色的帧间变化（ｃ）输出颜色的重叠区变化

图ｌ投影仪输出颜色的空间变化特性

Ｆｉｇ．１Ｓｐａｔｉａｌｃｏｌｏｒｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｐｒｏｊｅｃｔｏｒ

２．２投影屏幕和投影环境的影响

影响输出图像颜色变化的客观原因是投影屏幕的非兰伯特特性（ｎｏｎ—ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ），这是导致空间中不同位置的观察者看到一幅图像内相同位置的像素亮度不同的主要原因唧’，特别是对于后向投影显示系统，这种亮度不同现象更加明显。另外，投影环境也会对投影输出图像的颜色变化产生影响，例如环境光的强度，颜色等等。

３颜色校正技术

针对上述两种造成颜色失调的原因，近几年来，许多研究机构和研究者着手研究各种颜色校正技术，目的是补偿或消除由颜色失调对多投影仪无缝拼接显示所造成的影响。根据现有的各种技术解决颜色失调问题的原理和实现方法的不同，可以分为以下３种：基于边缘融合的校正技术、基于单一投影光源的校正技术和基于颜色／亮度输出匹配的校正技术。３．１基于边缘融合的校正技术

最初阶段的多投影仪投影输出的无缝拼接显示颜色校正技术的侧重点是解决投影仪之间投影输出重叠区的亮度增加问题。考虑到造成投影输出重叠区域亮度增加的原因是由于多个投影仪在投影输出重叠区域投影光的叠加，因此可以通过减少每个投影仪在投影输出重叠区域内投影光的强度来解决。例如，考虑一个处于两个投影仪Ｐ，和Ｐ：投影输出重叠区域的像素点石，该像素点的亮度，（茹）来自于两个投影仪的贡献之和。设两个投影仪在该点能够投出的亮度为，，．（茗）和‘，（菇），则满足式（１）的投影输出重叠区的所有像素点均可以达到与非重叠区相一致的亮度。

，（茗）＝口。（茗），，．（茹）＋口：（童）‘，（石）（１）其中，ａＩ（石）＋口２（算）＝１，且０≤口ｌ（互），ａ２（茗）≤１。函数ｄ（名）比较典型的有线性函数、余弦函数和指数函数等。进而可以将上述原理推广到解决多个投影

仪的投影输出重叠区间的亮边问题。

第７期吕品等：多投影仪无缝拼接显示中的颜色校正技术比较研究１２７５

基于上述原理的颜色校正技术则称为边缘融合技术。该技术的具体实现方法又分为软件实现和硬件实现两种。其中软件实现方法是通过修改对应于每个投影仪的图像帧缓存的ａｌｐｈａ通道的数值来达到改变投影仪投影输出重叠区间的投影光亮度的目的ⅢＪ２１（如图２（ａ）所示）。硬件实现方法又可以分为以下两种，一种是在投影仪镜头边沿放置物理掩模Ⅲ１，另一种是在投影光的通路上放置光学掩模‘２４∞３（见图２（ｂ）），两种方法都能够实现改变投影仪在投影输出重叠区间的投影光亮度的目的。

（ａ）边缘融合校正技术的软件实现（ｂ）边缘融合校正技术的硬件实现图２边缘融合校正技术的两种实现方法

Ｆｉｇ．２Ｔｗｏ—ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｅｄｇｅｂｌｅｎｄｉｎｇ

３．２基于单一投影光源的校正技术

基于边缘融合的校正技术主要考虑的是解决多投影仪输出的重叠区颜色变化问题。随着无缝拼接显示系统使用时间的增长，另一个重要因素——投影仪输出颜色的时间变化特性对显示颜色失调影响也越来越显著，而这是基于边缘融合的校正技术所不能解决的。鉴于此，文献［２６］、［２７］提出了一种基于单一投影光源的校正技术。通常情况下，因为每个投影仪的驱动光源是独立的，所以它们的特性均存在不同程度的差异。当显示系统建立之初，这种差异可能还不明显，但是随使用时间的增长，这种差异会逐渐积累，从而导致每个投影仪在相同输入的条件下，输出的颜色发生失调。因此，一个直观的解决办法就是统一所有投影仪的驱动光源。

具体的实现方法是先对无缝拼接显示系统中的所有投影仪使用一个灯泡产生驱动光源；然后由该光源产生的光，再通过光纤分配器和多条光纤分别送到每个投影仪的投影显示系统作为驱动光源。由于每个投影仪的驱动光源都相同，并且随投影系统使用时间的变化而同步变化，因此投影出来的色彩也就能保持一致，而且不随时间变化而变得不一致。另外，在投影系统的输出端，采用了由费聂耳平铺光学镜头组成的硬件掩模系统，用来解决重叠区亮度增加的问题。上述两点的结合，较好地解决了无缝拼接显示系统的颜色失调问题。

３．３基于颜色／亮度输出匹配的校正技术

基于单一光源的校正技术虽然较好地解决了不同投影仪投影图像的颜色不一致现象，但是由于受制于单一驱动光源的功率和散热问题，目前最多只能支持９个投影仪，并且该技术并不能解决颜色输出的帧内变化问题，因此不适用于十几个甚至几十个投影仪构成的更大规模的无缝拼接显示系统。针对这种情况，文献［２０］、［２１］、［２８］、［２９］提出了基于匹配所有投影仪颜色输出的色彩校正技术，并对其进行了深入研究。这一技术的理论基础是，在ＣＩＥ．ＸＹＺ颜色空间内，每个投影仪都具有各自不同的、独立的颜色输出范围（ｇａｍｍｕｔｏｕｔｐｕｔ）。而通过获得每个投影仪的颜色输出范围，即可先得到一个公共的颜色输出范围，再通过修正投影仪的颜色查找表或修改送人投影仪的输入图像的像素值来达到直接或间接地匹配所有投影仪的颜色输出范围的目的。这样，经过校正后的投影仪，其输出的颜色无论是在帧内，还是在帧间就一致了。再结合３．１节讨论的技术就能彻底解决多投影仪无缝拼接显示的色彩失调问题。

其实现过程分为以下３步：（１）首先通过点光线测量设备（例如色度仪，分光度辐射计）在一个固定位置（通常为投影屏幕的正前方）测量每个投影仪的

颜色输出范围（图３（ａ））；（２）进行颜色输出空间的匹

第７期吕品等：多投影仪无缝拼接显示中的颜色校正技术比较研究

（－）全景图像的亮度衰减图（ｂ）单个投影仪的亮度衰减图

图４基于亮度输出匹配的校正技术中的亮度衰减图

Ｆｉｇ．４ＴｈｅＬＡＭｆｏｒｔｈｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｂａｓｅｄ

ｏｎ

ｔｈｅｌｕｍｉｎａｎｃｅｍａｔｃｈｉｎｇ

无论是基于颜色输出匹配的校正技术还是基于亮度输出匹配的校正技术，它们都是通过使投影显示区域内所有像素的色彩或亮度响应趋于严格一致来达到解决多投影仪无缝拼接显示中颜色失调问题的目的，但由于这会导致显示图像的亮度和对比度取决于整个显示区域中亮度对比度最差的那个像素心虬３ｈ３８１，从而严重影响显示效果。为解决这一问题，文献［１８］、［３９］、［４０］根据人眼的感知特性，即根据人眼分辨不出在一定范围内的亮度差异的特点，提出了一种非严格一致性亮度输出匹配的校正方法，从而把颜色失调问题的处理转化为一个最优化问题，而优化的目标则是在实现投影图像亮度一致性的同时，最大化图像的显示质量，即最大化显示图像的亮度动态范围。而文献［４１］则提出要同时考虑投影仪的亮度输出特性和被投影图像的亮度特性，在色彩空间平滑约束下通过拓展输入图像的亮度动态范围，以达到提高投影显示图像亮度的目的。

４颜色校正技术比较

在各种颜色校正技术未被研究前，由于通常的色彩校正是先通过手工调整每个投影仪的参数（如亮度、对比度、缩放等），然后经过人工判断来完成的，因此具有很大的主观性，其色彩校正的准确性和拼接显示效果都比较差。而前文所述的３种颜色校正技术，在解决多投影仪无缝拼接显示的色彩失调问题时，更多的是强调客观评价标准和尽可能少的人工干预。但是由于各种校正技术假设的前提条件各不相同，例如基于边缘融合的方法是假设输出颜色的帧内和帧间变化可以忽略；基于单一投影光源的校正方法是假设不存在重叠区，并且灯泡发出的光能够均匀到达每个投影仪的投影系统；基于亮度输出匹配的方法则假设帧内、帧间和重叠区的色度变化可以忽略等等。上述不同的假设前提条件，造成了各种校正技术在解决色彩失调问题上的侧重点不同，从而使每种技术应用于无缝拼接显示的效果各不相同，也存在各自特有的优缺点，现简述如下：

（１）基于边缘融合的校正方法不仅解决了投影仪重叠区的亮度变化问题，同时也考虑到了输入颜色变化对颜色失调的影响。该技术的软件实现方法计算复杂性相对比较低，但是不能解决投影仪固有的“黑电平”现象。而硬件方法虽然没有计算量的要求，但是对光学掩模和物理掩模的安装、调试都不方便，造成系统的可维护性和可扩展性都比较差。不论是软件，还是硬件实现方法，由于都忽视了投影仪输出颜色的帧内和帧间变化问题，所以只有当形成重叠区的各投影仪的亮度范围基本一致时，才会有好的显示结果。这一要求在系统初始建立，且规模比较小（２—４个投影仪组成的系统）时，可以通过调整每个投影仪的亮度和对比度等参数来实现，但是随着系统使用时间和规模的增长，该要求则越来越不容易满足，从而严重影响显示效果。

（２）基于单一投影光源的校正技术，该技术通过硬件手段很好地解决了多投影仪颜色输出随时间的变化和投影仪投影图像之间颜色输出的色彩变化的问题，取得了比较好的显示效果，但是由于整个校正技术的实现是基于复杂的光学设备，所需要的专业技术性强，并且受制于灯泡功率和散热的因素，其最大只能支持由９个投影仪组成的投影阵列，所以

严重影响了基于该技术的整个无缝拼接显示系统的

多投影仪无缝拼接显示中的颜色校正技术比较研究

作者：吕品， 张金芳， 王宇心， LV Pin， ZHANG Jin-fang， WANG Yu-xin

作者单位：吕品,LV Pin(中国科学院软件研究所综合信息系统技术国家级重点实验室,北京,100190;中国科学院研究生院,北京,100049)， 张金芳,王宇心,ZHANG Jin-fang,WANG Yu-xin(中国科

学院软件研究所综合信息系统技术国家级重点实验室,北京,100190)

刊名：

中国图象图形学报

英文刊名：JOURNAL OF IMAGE AND GRAPHICS

年，卷(期)：2008，13(7)

被引用次数：0次

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