寬色域視頻圖像技術研究與發(fā)展

宇 欣，雷志春

(天津大學 微電子學院，天津 300072)

1 引 言

視頻圖像的色彩是衡量圖像質量的重要指標，彩色信號的色域決定了視頻圖像色彩的豐富度。如果成像、傳輸與顯示技術不能充分覆蓋圖像的色域，就會導致圖像的色度失真、色飽和度下降，從而導致重現(xiàn)圖像質量變差、真實感降低，大大降低用戶的收視體驗。隨著人們生活、工作、娛樂和消費方式的改變，寬色域圖像的應用范圍越來越廣。不僅視頻廣播領域需要寬色域圖像源和寬色域顯示設備，在諸如電子商務等新興行業(yè)中更加亟需色彩高保真圖像。例如，圖像的色度和色飽和度直接關系到消費者能否真實地了解商品的顏色信息。歐洲網(wǎng)購服裝的退貨原因中，服裝色差問題占第三位[1]，僅次于尺寸錯誤和面料手感。因為當前的顯示技術尚不能對所有顏色無失真地顯示，所以目前尚無法解決由于服裝色差造成的退貨問題。IHS Technology的市場調查顯示，近年來，寬色域顯示器市場占有率逐年上升，預計到2021年將達到27.1%[2]。因此，寬色域視頻圖像仍有很大研究與發(fā)展空間。

1931年，國際照明委員會CIE制定了CIE 1931 RGB色彩空間和CIE 1931 XYZ色彩空間，并由CIE 1931 XYZ色彩空間導出CIE 1931 xyY色彩空間，做出CIE 1931 xy色度圖。為了提高色彩空間感知均勻性，CIE創(chuàng)建了CIE LUV色彩空間，作出CIE 1976 u′v′色度圖。人眼視覺系統(tǒng)可感知的最大色域范圍為可視色域，由色度圖中舌形曲線表示。

目前高清晰度電視(HDTV)廣播系統(tǒng)，其演播室執(zhí)行國際電信聯(lián)盟(ITU)Rec.ITU-R BT.709[3](Rec.709)建議書，我國廣播電影電視行業(yè)標準GY/T 155-2000[4]參照該建議書制訂。Rec.709按當時主流顯示器陰極射線管(CRT)設定色度參數(shù)，以紅(R)、綠(G)、藍(B)三原色界定的三角形為系統(tǒng)可實現(xiàn)色域，即sRGB色域，也稱為常規(guī)色域或標準色域。ITU依此規(guī)范了現(xiàn)行HDTV廣播系統(tǒng)，包括發(fā)射端、傳輸系統(tǒng)以及終端接收設備。sRGB系統(tǒng)的色域覆蓋率理論最大值為可視色域的33.25%[5]，顯然此數(shù)值遠遠不能滿足真實再現(xiàn)自然色彩的需求。Pointer色域[6]是在實測4 089種實際色樣的基礎上得到的“物體真實表面色”，它以576個最大飽和度色樣界定出“真實顏色的最大色域”范圍，被許多寬色域(WCG)視頻標準作為目標色域。

常規(guī)色域系統(tǒng)不僅不能顯示較鮮艷的自然色，而且不能重顯很多物體表面顏色，更無法重現(xiàn)人造色彩。因此，許多研究機構分別研究制定了不同建議書或標準，將三原色選在不同的光譜軌跡上，改變RGB色度值，采用更加飽和的三原色來擴展色域，并被不同攝像機、顯示器、打印機、電影放映機等采用，應用于不同場景的視頻圖像成像與顯示。

但是RGB三原色理論無法解釋色盲現(xiàn)象，而拮抗理論[7](Opponent-process theory，也稱為四原色說)較三原色理論能夠更準確地描述人眼視覺系統(tǒng)。根據(jù)拮抗理論，綠色和紅色光加性混色形成白光而不能形成黃色光。但是黃色具有其獨有的特點，例如，黃色是四原色中不可缺少的原色，是自然界唯一既具有高飽和度、又具有高亮度的色彩[8-9]。為了兼顧黃色光的重現(xiàn)，在三原色系統(tǒng)下，只能對綠色和/或紅色光主波長的選取進行折中[10]。

三原色混色基于條件配色原理(Metamerism)，但是條件配色不滿足Luther條件[11]，有其局限性，不適合對色彩要求較高行業(yè)的需求。Yamaguchi[12]等學者詳細陳述了超越三原色的必要性。多原色是實現(xiàn)高保真彩色重現(xiàn)的有效手段。因此國內外大學和研究機構都開展了基于多原色的寬色域成像與顯示技術研究，一些顯示器生產廠家也已經(jīng)意識到多原色系統(tǒng)的技術優(yōu)勢，開展了多原色成像與顯示的研發(fā)工作。

本文將詳細介紹擴展色域的相關技術、相關國際色域視頻標準、當前主流的寬色域視頻成像與顯示技術的研究進展及其應用，以及寬色域顏色變換。然后介紹基于多原色的寬色域技術研究進展及其應用。最后分析寬色域視頻圖像技術的發(fā)展趨勢。

2 擴展色域的相關技術

2.1 傳輸“負”值色光信號

如圖1所示，根據(jù)CIE 1931 RGB混色實驗結果，為了使用RGB三原色表達高飽和度色光，需要物理上無法實現(xiàn)的“負”值色光。

圖1 CIE 1931 RGB混色曲線

為了提高色域范圍，國際標準組織針對傳輸“負”值色光信號先后制定了建議書和標準，采用兼容傳輸“負”值信號的方式，盡可能多地傳輸常規(guī)色域外的顏色。1998年，ITU發(fā)布第一個WCG國際視頻建議書Rec.ITU-R BT.1361(Rec.1361)[13]，將Pointer色域作為WCG系統(tǒng)的目標色域，色域覆蓋率提高到39.40%[14]。該建議書通過擴大彩色信號的幅值范圍達到擴展色域的目的，采用非對稱的Gamma校正曲線壓縮信號的“負”值部分。我國廣電行業(yè)標準GY/T 155-2000參照此標準增加了擴展色域的內容。但是Rec.1361并未得到實際應用，2015年國際標準組織取消了Rec.1361[15]。

真正推動WCG研究進程、催化WCG高端產業(yè)研發(fā)的是2006年國際電工委員會(IEC)頒布的WCG國際標準IEC61966-2-4[16-17](xvYCC色彩空間)。該標準對傳輸彩色信號的幅值沒有限制，并采用對稱的Gamma校正曲線壓縮信號的“負”值部分，采用擴大量化級的方式將色域覆蓋率擴大到37.19%[18]。

Sony公司和三菱電機公司推動了xvYCC的標準化和商品化[19]。2006年，Sony發(fā)布了支持xvYCC的利用RGB三原色LED作為背光光源的液晶電視，三菱電機也發(fā)布了支持xvYCC的利用半導體激光作為光源的背投電視。隨后，Sony公司推出小型高清WCG數(shù)碼攝像機，滿足xvYCC標準。

2.2 采用飽和度更高的三原色

2.2.1 Adobe RGB色域

Adobe公司1998年發(fā)布Adobe RGB標準，Adobe RGB使用的紅色和藍色原色與sRGB相同，但綠色原色更飽和，改善了sRGB難以覆蓋的青綠色區(qū)域，色域覆蓋了人眼可視色域的38.7%，Pointer色域的80.3%。

目前，很多專業(yè)商用大屏顯示器以及專業(yè)攝影和電競電腦顯示器將Adobe RGB寬色域標準作為目標色域，已經(jīng)實現(xiàn)大于99% 的Adobe RGB色域。Adobe RGB還包含sRGB色域沒有覆蓋的CMYK色彩空間。CMYK四色技術基于色彩相減原理，普遍用于印刷行業(yè)。因此Adobe RGB色域標準成為打印機、印染業(yè)、很多軟件或網(wǎng)站的默認色彩空間。

2.2.2 DCI-P3色域

DCI-P3色彩空間是SMPTE(美國電影和電視工程學會)2007年發(fā)布的SMPTE RP 431-2“數(shù)字影院質量-參考投影儀和環(huán)境”標準[20]的一部分，DCI-P3使用的藍色原色與sRGB相同，綠色和紅色原色更加飽和，覆蓋了人眼可視色域的41.7%，Pointer色域的85.5%。

Canon(佳能)EOS C500 PL[21]數(shù)碼攝像機支持DCI-P3色域，三星量子點發(fā)光二極管(Quantum Dot Light Emitting Diodes, QLED)系列面板[22]實現(xiàn)了95% DCI-P3的色域覆蓋率。目前，DCI-P3已經(jīng)成為家用大屏顯示器的色域標準，例如JVC DLA-N8、BenQ(明基)W5700和L6000 4K 超高清家庭影院投影機[23-25]。

2.2.3 ITU BT.2020色域

2012年，ITU頒布了面向新一代超高清(Ultra-High Definition, UHD)視頻制作與顯示系統(tǒng)的ITU-R BT.2020[26](Rec.2020)標準，重新定義了電視廣播與消費電子領域關于超高清視頻顯示的各項參數(shù)指標。該建議書將新三原色選在了可見光譜軌跡上，大約覆蓋了可視色域的57.2%，Pointer色域的99.7%。我國廣播電影電視行業(yè)標準GY/T 307-2017[27]和GY/T 315-2018[28]在色度參數(shù)方面參照該建議書制訂。

盡管HDR10、Dolby Vision、HDMI2.0、DisplayPort1.4、H.264/MPEG-4 AVC、H.265/HEVC[29-34]等標準支持Rec.2020，其中HDR10可支持10 bit位深，Dolby Vision最高可支持12 bit位深。然而到目前為止尚沒有完全滿足其要求的成像技術和顯示技術。目前開發(fā)出的以Rec.2020色域為目標色域的視頻顯示技術如下：三星Q90R系列電視[35]采用LED背光，全陣列局部調光(FALD)技術，色域覆蓋了Rec.2020的69%。Kumakura[36]等于2015年開發(fā)出采用寬色域LED背光的216 cm(85 in)8K液晶顯示器(LCD)原型樣機，色域覆蓋了Rec.2020的85%以上。目前覆蓋超過90% Rec.2020色域的顯示器采用量子點(Quantom Dot, QD)材料、有源矩陣有機發(fā)光二極管(AMOLED)或者激光與液晶相結合來實現(xiàn)，例如：2016年，Lee[37]等將無鎘和低鎘量子點材料的組合應用于液晶面板，色域覆蓋了Rec.2020的90%以上；Lee[38]等于2017年開發(fā)出可折疊的19.8 cm(7.8 in)AMOLED顯示器，色域覆蓋了Rec.2020的95%以上；2017年，Sasaki[39]等采用其新開發(fā)的發(fā)光材料和器件結構實現(xiàn)了高效長壽命白色串聯(lián)OLED，通過將該OLED器件與濾光陣列和頂部發(fā)光結構相結合，制造出33.7 cm(13.3 in)8K AMOLED面板，覆蓋了Rec.2020色域的96%；Fan[40]等于2018年開發(fā)出采用準直透鏡和多層光學薄膜彩色濾光片的側面發(fā)光LED背光的LCD，色域覆蓋了Rec.2020的90%以上；2019年，Asakawa[41]等制造了以激光作為背光光源的39 cm(17 in)8K LCD原型樣機，色域覆蓋了Rec.2020的97%；科視CP4330-RGB[42]4K純激光影院投影儀可以再現(xiàn)Rec.2020色彩空間的95%以上；在2018年國際消費電子展上，海信公司展示了使用RGB激光器的4K 激光投影儀，已經(jīng)開發(fā)了178 cm(70 in)和254 cm(100 in)版本，正在開發(fā)更大的381 cm(150 in)版本，可以再現(xiàn)Rec.2020色彩空間的97%[43]。

常規(guī)色域及主流的采用飽和度更高的三原色達到寬色域目標的視頻標準如表1所示，國際視頻標準色度參數(shù)如表2所示，色域覆蓋范圍如圖2所示。

表1 常規(guī)色域和寬色域視頻標準

表2 常規(guī)色域和寬色域國際視頻標準色度參數(shù)

圖2 常規(guī)色域和寬色域國際視頻標準色域覆蓋范圍

2.2.4 覆蓋Pointer色域的最佳色域和基于RGB三原色的最大色域

盡管國際標準化組織制定了多種基于三原色的圖像色域標準，但是所有這些標準都不是最優(yōu)的。為了兼顧黃色/金色的重現(xiàn)，只能對綠色/紅色光的主波長進行折中選取。一些學者探討了不兼顧黃色/金色重現(xiàn)情況下的三原色色域覆蓋情況[10,44]。例如Jansen[44]計算出基于RGB三原色的最大色域，覆蓋了可視色域的83.4%和Pointer色域的96.8%。Jansen還計算出覆蓋Pointer色域的最佳色域，并覆蓋可視色域的58.6%。表3示出其色度參數(shù)，色域覆蓋范圍如圖3所示。

表3 覆蓋Pointer色域的最佳色域和基于RGB三原色的最大色域色度參數(shù)

Tab.3 Chromaticity coordinates of optimal RGB color space for Pointer's gamut coverage and maximum achievable color gamut using RGB primaries

色域覆蓋Pointer色域的最佳色域基于RGB三原色的最大色域色度參數(shù)(CIE1931)xyxy紅(R)0.7080.2920.7350.265綠(G)0.1310.8190.0590.829藍(B)0.1310.0460.1680.009

續(xù) 表

圖3 覆蓋Pointer色域的最佳色域和基于RGB三原色的最大色域

3 基于多原色的寬色域技術

3.1 多原色成像技術

為了能使色彩高保真地重現(xiàn)色彩，需在信源端提供多原色視頻信號。Yamaguchi[12]等通過多原色轉換方法由三刺激值或多光譜數(shù)據(jù)的圖像生成多原色信號，用于相機成像。除上述轉換方法，開發(fā)多原色圖像傳感器已經(jīng)引起了業(yè)界的關注，目前已有幾種多原色圖像傳感器類型，拓寬了RGB三原色圖像傳感器的色域覆蓋范圍。例如青色、黃色、綠色、品紅色(Cyan, Yellow, Green and Magenta, CYGM)圖像傳感器[45]，紅、綠、藍和寶石藍四原色(Red, Green, Blue and Emerald, RGBE)圖像傳感器[46]。Sony公司的RGBE四原色CCD圖像傳感器已經(jīng)投入了實際應用，ICX456、Cyber-Shot DSC-F828 攝像機采用RGBE四原色圖像傳感器。圖4(a)示出RGBE四原色圖像傳感器的彩色濾光陣列(Color Filter Array, CFA)，與圖4(b)所示當前流行的Bayer彩色濾波陣列相比，多了寶石藍濾鏡。由于“負”綠色和藍色的絕對幅值遠小于“負”紅色的絕對幅值，第四原色(E)的光譜波段位于“負”值紅色波長部分(參見圖1)，也就是紅色的補色。因此Sony公司以E為第四原色設計的RGBE四原色圖像傳感器，可獲得人眼視覺特性的絕大部分色度信息，色彩重現(xiàn)誤差減小，藍綠色和紅色的重現(xiàn)增強，如圖4(c)和(d)所示。

圖4 RGBE和RGB彩色濾光陣列和圖像[46]

Brauers[47]等利用7個光學帶通濾波器開發(fā)出多光譜相機，與RGB相機相比，擴展了區(qū)分更多光譜的功能，如圖5所示。

圖5 七原色多光譜相機[47]

圖6 移動的彩色濾光片陣列組合成CMY(a)、RGB(b)和RGBCMY(c)模式[48]。

Sajadi[48]等使用可移動的雙層CFA開發(fā)出具有可切換原色功能的相機，可以在同一相機中切換多組彩色原色(即RGB、CMY和RGBCY)，如圖6所示。在RGBCY模式下的色彩保真度高于RGB或CMY模式，如圖7所示。

圖7 實際圖像以及CMY、RGB和RGBCY模式圖像對比[48]。

3.2 多原色顯示技術

多原色是實現(xiàn)高保真彩色重現(xiàn)的有效手段，國內外大學和研究機構都開展了基于多原色的WCG顯示技術研究。Yang[49]等于2005年開發(fā)出采用RGBCMY六原色濾光陣列的LCD原型樣機，大約覆蓋了可視色域的38%；Chino[50]等于2006年開發(fā)出基于白色LED背光和紅色、藍色、黃綠色和翠綠色(Red, Blue, Yellowish green and Emerald green, R-B-YG-EG)四原色濾光陣列的LCD原型樣機，大約覆蓋了可視色域的40%；Ueki[51]等于2009年開發(fā)出122 cm(60 in)R1CGR2BY五原色濾光陣列的LCD原型樣機，大約覆蓋了可視色域的42%。圖8示出上述彩色濾光陣列。

圖8 多原色彩色濾光片陣列

2010年，Cheng[9]等采用RGBCY五原色寬色域冷陰極熒光燈(Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL)背光的LCD原型樣機，大約覆蓋了可視色域的43%。夏普LCD-70XU30A、LCD-80X8800A[10]采用RGBY彩色濾光陣列 Quattron和Quattron Pro四色技術實現(xiàn)了更寬廣的色域范圍，黃色、金色與青綠色的重現(xiàn)得以增強，從原理上說，可以更好地滿足拮抗理論。天津大學于2018年開發(fā)出基于白色和寶石藍色(White and Emerald, WE)LED背光單元(Backlight Unit, BLU)的高動態(tài)范圍WCG顯示器，大約覆蓋了可視色域的46%[52-54]。白色LED背光通過RGB濾光陣列產生所需的RGB三原色，與寶石藍色LED一起實現(xiàn)RGBE四原色顯示。圖9示出普通白光顯示器與WE背光高動態(tài)范圍WCG顯示器顯示效果對比圖。

圖9 普通液晶顯示器與WE背光液晶顯示器對比

圖10示出該系統(tǒng)可重現(xiàn)色域的測試結果。圖中的RwGwBw三角形表示只使用白色LED背光單元能取得的色域覆蓋范圍(white BLU color gamut，E原色混合比例為0)，ReGeBe三角形表示只使用寶石藍色LED背光單元能夠覆蓋的色域范圍(Emerald BLU color gamut，E原色混合比例為最大)，而RwGwGeBeBw多邊形表示采用白色和寶石藍色LED背光單元、在不同E色混合比例情況下達到的色域覆蓋范圍(WE BLU color gamut)，當固定E原色混合比例時是四邊形色域。

圖10 不同寶石藍原色混合比情況下的色域覆蓋范圍

4 結 論

近年來，寬色域視頻圖像技術取得了較大發(fā)展，通過采用更加飽和的三原色以及采用多原色背光或多原色彩色濾光陣列的多原色成像與顯示技術大大提高了色域覆蓋范圍。從事視頻顯示的研究人員可以綜合寬色域標準、顯示材料、器件和用途選擇所要達到的目標色域。但是目前的三原色技術還不能實現(xiàn)覆蓋Pointer色域的最佳色域和基于RGB三原色的最大色域。而且盡管當前與WCG相關的標準通常將Pointer色域視為目標色域，但其不應該是技術發(fā)展的最終色域。工業(yè)界已經(jīng)指出了覆蓋Pointer色域之外的顏色的必要性，例如霓虹燈、LED燈和激光等人造光源的顏色超出了Pointer色域，甚至超出了BT.2020色域。另外，通過將量子點技術應用于成像設備，可以對純色進行成像，這些色彩位于Pointer色域之外。多原色技術是實現(xiàn)更寬色域的有效方法，但是目前的多原色技術擴展的色域范圍有限，仍需研究采用更加飽和的多原色實現(xiàn)方法。而且若要通過多原色達到擴展色域的目的，視頻系統(tǒng)必須能夠攝取并兼容傳播多原色圖像，同時顯示多原色圖像。目前的多原色技術將信源端傳輸?shù)娜曨l圖像信號映射到多原色顯示系統(tǒng)，即顯示端接收到的信號內容仍是三原色。因此，目前還缺乏有效傳輸多原色圖像內容的方法，涉及到多原色視頻圖像編解碼和三原色與多原色系統(tǒng)的兼容性問題。因此，寬色域視頻圖像技術還有很大的發(fā)展空間，寬色域標準也會隨著技術的不斷發(fā)展而不斷更新完善。