时空混色显示器件色彩管理的关键理论和方法的研究

Hybrid Spatial-Temporal Color synthesis benefits from advantages both of spatial color and temporal color modes. A display with Hybrid Spatial-Temporal Color synthesis is supposed to have a wide color gamut, low power consumption, and high effective resolution. It is considered to be one of the most promising future display technologies. However it is now facing the challenge in its color reproduction and color management, due to its multi dimensional color synthesis and dynamic and complex primary settings. Based on the display physical properties and human vision behaviors, the theory revealing the relation between the key physical properties and device performance is to be studied and the mathematical model will be established. Based on this model, Hybrid Spatial-Temporal Color display structures will be optimally designed to achieve maximum color gamut and maximum light efficiency. On the basis of relevance theory, for the given optimal Hybrid Spatial-Temporal Color display configuration, a real time and high accuracy dynamic gamut and color separation algorithm will be studied, which converts the traditional RGB image/video signals to the driving signals for the Spatial-Temporal Color displays, including backlight driving signal and panel driving signal. Beside, by solving a multi-objective optimization problem, further design is implemented to make full use of the possible color gamut, reduce the power consumption and suppress the color breakup.

时空混色兼具了空间混色和时序混色的优点，具有宽色域、低功耗、高分辨的特点，被认为是未来电子显示的重要方式。但因其混色维度的增加和基色组合的多样化，给显示器件的设计与实现带来新的挑战：时空混色显示器件结构的最优设计、对应显示驱动信号的快速计算等问题尚未解决。项目以显示器件物理属性和人类视觉感知特性为基础，通过光学测量和仿真计算，研究显示器件核心部件光学特性与显示色域及光效等性能之间的关联性理论；建立数学模型，用于优化时空混色显示器件设计，扩大色域和提高光效。在关联性理论研究的基础上，根据优化确定的时空混色显示结构和器件参数，研究色域映射和分色的快速算法，实现传统RGB图像信号到时空混色显示驱动信号的实时高精准转换；在完成色彩准确还原和满足视频显示实时性要求的前提下，通过求解多目标最优化问题，提供最优的背光驱动和显示屏驱动信号，最大限度扩大色域范围、降低实时功耗和抑制色彩分裂。

依据本项目的研究计划，在项目负责人的带领下，通过各位研究人员的共同努力与分工协作，我们完成了项目要求的核心科学问题探索与实际显示器件方案设计。项目研究成果主要包括8个部分。1. 在充分调研与研究时空混色显示器件关键物理属性与器件显示性能之间的关联性后，建立了场序显示系统色彩分裂仿真的数学模型。改模型成功实现了色彩分裂仿真与复现。我们通过主观实验验证了其精确性。2. 基于色彩分裂仿真模型，在正确测量显示器响应波形的条件下，对许多不同色域映射方法和分色算法的显示器件的画质效果进行了预测与先验分析。3. 对时序合色中的人眼视觉特征进行了研究。设计并完成了色彩分裂感知阈值搜索实验。通过对阈值分布规律的分析发现了视觉系统对场序显示系统子场基色敏感度的感知不对称性，为实现宽色域、高分辨率、低功耗、高色精准度的时空混色显示器件提供了主观感知理论依据。4. 基于时空混色显示中背光单元、光阀模组、滤色片等多个部件在时间维度和空间位置上的协同机制，研究了色域映射管理方法和分色算法，实现了场序显示器得到色域与光效优化目的。5. 通过主观实验结合仿真图像对比评估了包括运动补偿、背光调制、区域去饱和化等主流的色彩分裂抑制技术的效果，为场序显示系统的画质优化提出了建设性方案。6. 对场序显示系统的成本与画质进行了对比权衡，给出了合理范围的背光分区数目，优化了显示器设计。7. 设计了一个具有720Hz高刷新率的LED显示系统，实现了高速图像数据的缓存与处理，满足了场序显示系统高刷新率实时显示的要求。8. 提出并初步实现了一种2F2CF时空混色显示器件设计方案，该方案基于色场颜色动态调整降低色彩分裂现象的场序合色算法，适用于两场、三场、和多场的时序彩色显示，同时可扩展到二维和三维显示。.基于以上所述的项目科研成果，我们对时空混色型场序显示系统的理论模型与合色原理的理解变得更加深入，对色彩分裂伪像抑制算法的效果评估更加准确，优化方案更加多样化。同时也积极探索了高刷新率显示模组的硬件设计与软件构建，为未来时空混色型场序显示技术的发展推广、设计优化、量化评估等方面提供了基础和帮助。