多元色液晶電視顯示器色重顯特性

李桂苓，李 彥,2，潘 榕，徐 巖

（1.天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072；2.天津師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，天津 300387）

目前，平板電視機(jī)已成為家用電視機(jī)主流產(chǎn)品，顯示屏多用紅綠藍(lán)三基色（RGB）液晶（LCD）或等離子體（PDP）顯示器件，可重顯的顏色范圍（色域）限定在色度圖中的RGB三角形內(nèi)，按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，該范圍不足視覺(jué)所能感受顏色范圍的1/3[1]。

目前擴(kuò)展平板顯示器顏色重顯范圍有兩類(lèi)方法：將三基色色度坐標(biāo)向譜色延拓和采用多元色顯示屏。

向譜色延拓基色色度坐標(biāo)意味著使基色更純，即其光譜分布更窄。對(duì)LCD顯示屏，可通過(guò)改善冷陰極熒光燈（CCFL）背光源光譜分布，采用發(fā)光二極管（LED）背光源，使用色純度更高的濾色膜等實(shí)現(xiàn)。對(duì)PDP顯示屏，可使用色純度更高的熒光粉。改善CCFL光譜分布或采用LED背光源是擴(kuò)大重顯色域、提高光源利用率行之有效的方法，已得到實(shí)用。采用色純度更高的濾色膜或熒光粉擴(kuò)大色域的實(shí)際效果不夠明顯，且會(huì)降低透光率或發(fā)光效率，單獨(dú)用于平板電視機(jī)還不是優(yōu)選方法，往往與前者共用。

在一個(gè)像素由RGB三個(gè)基色像元組成的三基色顯示屏基礎(chǔ)上，增加視覺(jué)敏感顏色，或光譜能量集中分布顏色的像元，對(duì)擴(kuò)大重顯色域或提高光源利用率，原理上更加有效。目前，增加黃色像元并使綠色更純的四元色（RGBYe）LCD顯示器已商品化，更多元色LCD顯示器已可實(shí)用[2]。

本文對(duì)四元色LCD顯示器色度特性實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析，重點(diǎn)指出測(cè)試三維色度特性的重要意義。

1 色域

LCD電視顯示器發(fā)光強(qiáng)度分布I（λ）如式（1）所示，主要由背光源分光分布B（λ）、液晶板分光特性L(fǎng)（λ）和濾色膜分光透過(guò)率特性F（λ）之積在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍（380～780 nm）內(nèi)的積分決定，即

LCD電視顯示器能重顯的顏色范圍稱(chēng)為重顯色域。對(duì)RGB三基色LCD電視顯示器，在國(guó)際照明委員會(huì)CIE 1976 UCS均勻色空間u′v′坐標(biāo)系色度圖上，重顯色域限定在RGB三角形內(nèi)，其面積占可見(jiàn)光譜色軌跡包圍面積（0.195 2）的百分比稱(chēng)為色域覆蓋率[3]，為

圖1a、圖1b分別示出了目前采用較廣的CCFL和LED背光源LCD電視顯示屏的典型光譜分布。兩者均呈帶狀，RGB都不是譜色，前者除主峰外還有副峰，而使基色更加偏離譜色，縮窄了重顯色域。

圖2示出了CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值曲線(xiàn)。

由圖1和圖2可知，為提高LCD電視顯示器的亮度效率，應(yīng)盡量使顯示器綠基色的譜峰與觀察者刺激值yˉ（）λ的峰一致。此外，為獲得較寬的重顯色域，應(yīng)縮窄顯示器三基色特別是綠基色的譜。但縮窄基色的光譜范圍，對(duì)LCD電視顯示器，會(huì)降低光源能源利用率，對(duì)陰極射線(xiàn)管（CRT）和PDP電視顯示器，會(huì)降低熒光粉發(fā)光效率。另如下節(jié)所述，因自然界并不多見(jiàn)高飽和基色，通過(guò)提高三基色純度擴(kuò)展重顯色域，不會(huì)產(chǎn)生明顯的實(shí)際效果。為此，近年來(lái)出現(xiàn)了多元色電視顯示器。

2 色域拓展

圖3和圖4分別在u′v′色度圖上示出了Pointer色域和Munsell色域。為對(duì)比，圖中還示出了按ITU-R BT.709-4（GY/T 155—2000）構(gòu)建的現(xiàn)行電視系統(tǒng)常規(guī)色域及計(jì)算機(jī)、印刷、數(shù)碼攝像等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的Adobe RGB寬色域色空間的色域。

Pointer色域是Pointer從4 089種色樣中選出576種物體真實(shí)表面色界定的自然界和人工生成彩色的最大色域[4]，并成為國(guó)際電信聯(lián)盟ITU-R BT.1361，ITU-R BT.709-4和中國(guó)GY/T 155—2000擴(kuò)展色域高清晰度電視（HDTV）系統(tǒng)的目標(biāo)色域[5-7]。

高速公路軟土路基的含水量是比較高的，這是因?yàn)檐浲恋暮诵臉?gòu)成成分是黏土以及淤泥顆粒，其中有一部分顆粒的有機(jī)質(zhì)因?yàn)樵诟鞣N地質(zhì)環(huán)境中沉淀，就讓軟土內(nèi)部形成了絮狀的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的空隙是相對(duì)較小的，不過(guò)更多的軟土其內(nèi)部結(jié)構(gòu)還是具有較大的空隙，含水量也比較高。

Munsell色域是按視覺(jué)等距原則，在CIE標(biāo)準(zhǔn)C光源照明下，標(biāo)識(shí)紡織品、塑料制品、染料、涂料、醫(yī)藥和化學(xué)制品等非熒光表面色的數(shù)千種色樣集的色域[8]。

表1列出了由圖3和圖4計(jì)算的色域覆蓋情況。

表1 色域覆蓋情況

圖3、圖4和表1表明，常規(guī)色域電視系統(tǒng)只能覆蓋寬色域電視目標(biāo)色域的71.33%，主要靠延拓三基色（主要是綠），色度坐標(biāo)點(diǎn)的Adobe RGB色域只能覆蓋Pointer色域的83.3%。這說(shuō)明拓寬現(xiàn)行重現(xiàn)顏色色域、研制寬色域電視顯示器很有必要。為此，拓展三基色色度點(diǎn)雖可提升色域覆蓋率，但因自然界或人工生成的飽和度很高的基色并不多見(jiàn)，所以這對(duì)提高物體表面色的覆蓋率不一定有效。拓寬色域的另一途徑是除向譜色方向拓展三基色色度坐標(biāo)外，再增加元色數(shù)量。

3 多元色LCD電視顯示器

現(xiàn)行常規(guī)色域電視系統(tǒng)基于RGB三基色相加混色原理構(gòu)建，其色度參數(shù)列于表2左列，色域覆蓋率理論值為33.24%。目前重顯電視圖像多用LCD或PDP顯示器，每個(gè)像素由RGB三個(gè)基色像元組成，分別由常規(guī)色域電視信號(hào)解碼的RGB信號(hào)激勵(lì)。圖5a為一種三基色LCD電視顯示屏的局部放大照片，其實(shí)測(cè)色度參數(shù)列于表2第2列。圖5b為四元色LCD電視顯示屏樣品的局部放大照片，實(shí)測(cè)的色度參數(shù)列于表2右列，相對(duì)功率譜分布如圖6所示。圖5a與圖5b、表2右側(cè)兩列相比，四元色較三基色LCD電視顯示屏增加了黃色像元（Ye），并向譜色延拓了綠元色色度坐標(biāo)，綠、青和黃附近的顏色重顯范圍有所擴(kuò)大（見(jiàn)4，5節(jié)）。圖6表明，新加黃色像元可充分利用背光源中能量較高的黃光，加上青色亦為高亮度敏感顏色，對(duì)改善重顯圖像的主觀效果和提高背光源利用率有利。

表2 三基色電視系統(tǒng)色度參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值和四元色LCD電視顯示器色度參數(shù)實(shí)測(cè)值

按圖7所示原理，可構(gòu)造元色數(shù)更多的六元色LCD顯示屏。它采用兩組色度參數(shù)不同的RGB像元，輪流切換，共同組成一個(gè)像素。

多元色顯示器重顯現(xiàn)行常規(guī)色域電視圖像，需由解碼的RGB信號(hào)變換為各像元的激勵(lì)信號(hào)，利用映射中存在的冗余度，可得不同主觀感受圖像，改善視覺(jué)效果。

4 二維色度圖重顯特性

同等條件下，實(shí)測(cè)第3節(jié)所述四元色和三基色LCD樣品屏的色度參數(shù)，依之繪制的xy坐標(biāo)系二維色度圖如圖8所示。圖中，最外圍實(shí)線(xiàn)對(duì)應(yīng)譜色可見(jiàn)光，它限定了人類(lèi)視覺(jué)可識(shí)別的顏色光范圍；圓圈實(shí)線(xiàn)三角形界定了ITU-R BT.709常規(guī)色域；方塊實(shí)線(xiàn)三角形內(nèi)部為三基色LCD樣品屏的重顯色域；虛線(xiàn)三角形內(nèi)部對(duì)應(yīng)四元色LCD樣品屏的重顯色域。

圖8表明，在xy坐標(biāo)系，四元色LCD樣品屏的重顯色域明顯超出了常規(guī)色域和三基色LCD樣品屏的色域，紅-綠連線(xiàn)和綠-藍(lán)連線(xiàn)區(qū)超出更多。圖9是圖8中紅-綠（黃）和綠-藍(lán)（青）部分的局部放大。圖8、圖9表明，由于黃元色的引入，四元色LCD屏的重顯色域?qū)嶋H上由三角形變成了四邊形，利于提升重顯色域。

由同一組實(shí)測(cè)色度參數(shù)繪制的u′v′坐標(biāo)系二維色度圖如圖10所示，其中各標(biāo)記的含義與圖8相同，圖11是圖10中紅-綠和綠-藍(lán)部分的局部放大。圖10、圖11也表明，四元色LCD樣品屏的重顯色域總體上大于常規(guī)色域和三基色LCD樣品屏色域，紅-藍(lán)（品）和紅-綠（黃）區(qū)較明顯。

將圖10、圖11與圖8、圖9相比，四元色LCD樣品屏色域?qū)ΤＲ?guī)色域和三基色LCD樣品屏色域的拓寬，在u′v′坐標(biāo)系不如在xy坐標(biāo)系明顯。這是由于兩者分別繪制于均勻色空間和XYZ色空間。這種對(duì)比表明，四元色LCD樣品屏在xy坐標(biāo)系色度圖上對(duì)重顯色域的顯著擴(kuò)大，對(duì)人類(lèi)視覺(jué)的貢獻(xiàn)并不那么大。按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3]，色域用色域覆蓋率衡量，它按 u′v′色空間計(jì)算（式（2）），由實(shí)測(cè)樣品值計(jì)算的色域覆蓋率已列于表2。

5 三維色空間重顯特性

三維色空間增加了明度（亮度）信息，體現(xiàn)了顏色的三重屬性，對(duì)色域的色度學(xué)描述更全面。本文測(cè)量了四元色LCD樣品屏重顯877個(gè)顏色的色度數(shù)據(jù)，這些顏色分布于RGB色空間色立體的表面，可依之界定該屏的三維色域。以這877個(gè)實(shí)測(cè)值在CIE LAB均勻色空間繪制的三維色域圖如圖12中的實(shí)心點(diǎn)所示。為了對(duì)比，圖12以星形散點(diǎn)形式，同時(shí)繪出了Pointer三維色域。

由圖12可見(jiàn)，四元色LCD樣品屏的三維重顯色域遠(yuǎn)大于作為寬色域電視系統(tǒng)目標(biāo)色域的Pointer色域[4-5]。雖因Pointer只給出了明度L*≤90的實(shí)測(cè)值[4]，不能比較全部明度色域的情況，但圖12還是清楚地表明，四原色LCD樣品屏特別是在明度維度上更加顯著地?cái)U(kuò)大了重顯色域，再次說(shuō)明黃元色的引入，更易重顯明度高的顏色，并提高了背光源利用率。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)測(cè)不同類(lèi)型LCD樣品屏重顯RGB色空間眾多色樣的色度參數(shù)，分析和研究了它們的色重顯性能。

由實(shí)測(cè)的色度參數(shù)，在不同坐標(biāo)系繪制的二維色度圖和計(jì)算的色域覆蓋率表明，增加了黃元色的RGBYe四元色LCD樣品屏，較ITU-R BT.709常規(guī)色域HDTV系統(tǒng)、ITU-R BT.1361寬色域HDTV系統(tǒng)和RGB三基色LCD樣品屏的重顯色域有明顯擴(kuò)大。

由實(shí)測(cè)的色度參數(shù)，在CIE LAB均勻色空間繪制的三維散點(diǎn)圖表明，在三維色空間，RGBYe四元色LCD樣品屏擴(kuò)展重顯色域的效果更加明顯，特別是在高明度區(qū)更加顯著，這意味著黃元色的引入，不僅改善了色重顯，而且對(duì)利用背光源中的高亮度區(qū)能量有顯著效果。

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