RGGB四基色激光顯示系統(tǒng)的研究

朱立全,姚昞暉,鄧林宵,楊雨樺,王 貫,顧 春,許立新*

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230026;2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理學(xué)院 安徽省光電子科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230026;3.先進(jìn)激光技術(shù)安徽省實(shí)驗(yàn)室,合肥 230026)

引 言

作為人機(jī)交互的重要界面,顯示設(shè)備近年來(lái)發(fā)展迅猛,以電腦、平板、手機(jī)和投影儀為代表的各種顯示系統(tǒng)相繼進(jìn)入千家萬(wàn)戶。隨著技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)顯示效果有了更高的要求。對(duì)于固定的圖像或者視頻源,其顯示效果完全由顯示系統(tǒng)的性能決定。一般來(lái)說(shuō),表征一個(gè)顯示系統(tǒng)性能的主要參數(shù)包括亮度、對(duì)比度、分辨率和色域[1-2]。色域表征著顯示系統(tǒng)渲染顏色的能力,是其最為重要的參數(shù)之一。色域包括色域大小和色域覆蓋率[3]兩個(gè)指標(biāo)。色域大小即顯示系統(tǒng)的色域面積或色域體積[4],表征其可以渲染的顏色數(shù)量[5];色域覆蓋率即顯示系統(tǒng)的色域和目標(biāo)色域的覆蓋程度,影響著該系統(tǒng)色彩還原和色域映射的能力。對(duì)于某一個(gè)確定的色域標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō),顯示系統(tǒng)色域超出該標(biāo)準(zhǔn)的部分是沒(méi)有意義的,所以色域覆蓋率越高,則顯示系統(tǒng)可有效利用的色域越大。因此,研究色域的方向是在增加色域覆蓋率的基礎(chǔ)上盡可能地增加色域的大小。

色域大小可以通過(guò)減小光源的光譜寬度來(lái)提升。從早期的氙燈到發(fā)光二極管、微發(fā)光二極管、量子點(diǎn),再到窄譜激光[6],隨著光源譜寬的減小,顯示系統(tǒng)的色域大小逐漸增大,且接近飽和,進(jìn)一步減小譜寬對(duì)色域大小的影響極低[4]。由于激光的高單色性[7],激光顯示成為了目前唯一能夠達(dá)到超高清顯示標(biāo)準(zhǔn)Rec.2020[8]的技術(shù)。此外,色域大小還可以通過(guò)波長(zhǎng)優(yōu)化來(lái)最大化[9]。經(jīng)過(guò)這兩種方法的優(yōu)化,三基色系統(tǒng)[10-11]已經(jīng)達(dá)到了美國(guó)國(guó)家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(National Television Standards Committee,NTSC) 標(biāo)準(zhǔn)色域的151%。要再進(jìn)一步擴(kuò)大色域,就必須要增加基色數(shù)目,也就是發(fā)展多基色顯示系統(tǒng)[12-14]。多基色方面目前已有許多相關(guān)研究,根據(jù)研究的目的,可以將它們分為兩類：第1類是是針對(duì)寬譜光源,通過(guò)增加黃色或青色波段的濾波片來(lái)增強(qiáng)亮度的方案[15-16];第2類是增強(qiáng)色域的方案[17-18],但也僅局限于研究色域的大小,沒(méi)有研究色域覆蓋率的變化。在給定白點(diǎn)的多基色系統(tǒng)中,其白點(diǎn)的配平擁有無(wú)數(shù)組解,意味著組成該系統(tǒng)的多種基色存在著無(wú)數(shù)種的亮度比例[19],對(duì)應(yīng)的立體色域形狀隨該比例而變化,與目標(biāo)色域的覆蓋率也隨之變化,因此研究其色域覆蓋率的變化規(guī)律是有重要意義的。相較于三基色顯示系統(tǒng),多基色顯示系統(tǒng)的色域體積整體上有明顯提升,但在各基色不同亮度比例時(shí),其立體色域形狀不同,意味著在不同色調(diào)方向的顯色能力存在差異,因此顯示系統(tǒng)特定顏色區(qū)域的色域增強(qiáng)能力的評(píng)估和評(píng)價(jià)愈發(fā)重要。此前有不少基于人眼視覺(jué)主觀判斷或者圖像的方法[17,20]。這些定性的心理學(xué)實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法有一定的參考價(jià)值,但是它們不能直觀定量描述其色域增強(qiáng)能力。在之前的工作中,作者提出了在3-D顏色空間CIEL*a*b*中定量描述特定顏色區(qū)域色域增強(qiáng)的算法[21],從而可以分析不同顯示系統(tǒng)在不同顏色區(qū)域的顏色表現(xiàn)能力。

色域覆蓋率是色域的重要指標(biāo),高色域覆蓋率是色彩精確還原和映射的基礎(chǔ)。目前,主要考慮與兩種目標(biāo)色域的覆蓋率。

第1個(gè)目標(biāo)色域?qū)?yīng)顯示設(shè)備中常用的顏色標(biāo)準(zhǔn)。為了方便不同設(shè)備之間的色域映射,美國(guó)電影電視工程師協(xié)會(huì)和國(guó)際電信聯(lián)盟提出了DCI-P3[22]、Rec.709[23]和Rec.2020[8]等色域標(biāo)準(zhǔn)。顯示設(shè)備與這些標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋率越高,則其再現(xiàn)圖像的能力就越強(qiáng),顏色表現(xiàn)就越準(zhǔn)確。這里以最新、色域最大的超高清顯示標(biāo)準(zhǔn)Rec.2020為例。

第2個(gè)目標(biāo)色域?qū)?yīng)的是自然界的顏色。1980年,POINTER采集了4089個(gè)真實(shí)物體的顏色樣本,定義了Pointer色域,以之表述自然界顏色的范圍[24]。然而,由于年代久遠(yuǎn)和采樣數(shù)量較少的緣故,其色域范圍很小,目前的主流顯示系統(tǒng)的色域都已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)對(duì)其的全覆蓋;另一方面,它并未包括新開(kāi)發(fā)的染料和顏料的顏色數(shù)據(jù)。因此,MASAOKA[25],WEN[26]和SONG[13]等人均推薦使用標(biāo)準(zhǔn)照明體的麥克亞當(dāng)極限來(lái)作為目標(biāo)色域。D65是亞洲地區(qū)常用的顯示器白點(diǎn),也在攝影中廣泛被采用。因此作者將標(biāo)準(zhǔn)照明體D65的色域作為第2個(gè)目標(biāo)色域,簡(jiǎn)稱為D65標(biāo)準(zhǔn)照明體色域。與D65標(biāo)準(zhǔn)照明體色域的覆蓋率越高,則表示還原自然界顏色的能力越強(qiáng)。

在之前的工作中,作者針對(duì)不同波長(zhǎng)組合的紅綠藍(lán)黃(red,green,blue,yellow,RGBY)四基色系統(tǒng),對(duì)色域體積、色域覆蓋率和黃區(qū)色域增強(qiáng)這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行了研究,并根據(jù)側(cè)重黃區(qū)域色域增強(qiáng)的需求,推薦了最佳四基色波長(zhǎng)組合(660 nm,520 nm,465 nm,577 nm)[21]。而對(duì)于一個(gè)顯示系統(tǒng)來(lái)說(shuō),綠色部分的色域占比最大,且人眼對(duì)綠色最為敏感(綠光的視效函數(shù)值最大)。因此,如果要獲得更大的綠色色域,應(yīng)考慮在傳統(tǒng)紅綠藍(lán)三基色的基礎(chǔ)上添加綠基色作為第四基色。另一方面,Rec.2020是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)最重要的超高清顯示標(biāo)準(zhǔn),它采用的綠基色色坐標(biāo)為(0.170,0.797),對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)532 nm。因此,采用532 nm綠光有可能獲得與該標(biāo)準(zhǔn)更高的色域覆蓋率,實(shí)現(xiàn)更精確的色彩還原。目前市場(chǎng)上的577 nm黃光以固體激光器為主,體積大、轉(zhuǎn)換效率低,而體積小、轉(zhuǎn)換效率高的半導(dǎo)體或者光纖黃光激光器還停留在實(shí)驗(yàn)室層面,功率低,短期內(nèi)無(wú)法市場(chǎng)化應(yīng)用,導(dǎo)致實(shí)際的RGBY的四基色顯示系統(tǒng)搭建存在一定難度。而日亞化學(xué)(Nichia)公司目前已有單管1 W的半導(dǎo)體二極管綠光上市,為模組集成并應(yīng)用到顯示系統(tǒng)中提供了可能性。因此,對(duì)紅綠綠藍(lán)(red,green,green,blue,RGGB)四基色顯示系統(tǒng)進(jìn)行研究是有現(xiàn)實(shí)意義的。

本文作者通過(guò)理論模擬,分析了在傳統(tǒng)三基色基礎(chǔ)上添加532 nm綠光的RGGB四基色組合(660 nm,532 nm,520 nm,465 nm)的表現(xiàn)。結(jié)果表明,該系統(tǒng)在色域體積、色域覆蓋率、黃區(qū)的色域增強(qiáng)及綠區(qū)色域增強(qiáng)方面均有優(yōu)異表現(xiàn)。因此,RGGB組合可以作為搭建四基色顯示系統(tǒng)的可行方案。

1 四基色立體色域的理論計(jì)算方法

眾所周知,三基色組合具有唯一的一組解。而四基色具有一個(gè)自由度的變量,因此有無(wú)數(shù)種解。根據(jù)YAO等人的理論[19],可按照如下方法進(jìn)行四基色的配平和色域體積的計(jì)算。

首先,根據(jù)給定的紅綠藍(lán)(RGB)波長(zhǎng),將顯示系統(tǒng)配平至白平衡點(diǎn)[11]D65(x=0.3127,y=0.3290),得到唯一的一組亮度解(Yr,Yg和Yb),Yr、Yg和Yb分別為紅光、綠光和藍(lán)光的亮度。設(shè)三基色系統(tǒng)的總亮度為Yw,同時(shí)它也是四基色系統(tǒng)的總亮度,定義如下：

Yr+Yg+Yb=Yw

(1)

假設(shè)添加的綠基色的初始亮度是常數(shù)Yg,1,它可以由原來(lái)的RGB三基色表示：

Yr′+Yg′+Yb′=Yg,1

(2)

式中,Yr′、Yg′和Yb′分別為表示該綠基色的原三基色亮度。假設(shè)k為532 nm基色的亮度系數(shù),那么kYg,1就是四基色系統(tǒng)中532 nm基色的亮度。聯(lián)立(1)式和(2)式,可得到：

Yr+Yg+Yb+k[Yg,1-(Yr′+Yg′+Yb′)]=Yw

(3)

整理后可得：

(Yr-kYr′)+(Yg-kYg′)+

(Yb-kYb′)+kYg,1=Yw

(4)

方程等號(hào)左邊的4項(xiàng)對(duì)應(yīng)于原有的紅、綠、藍(lán)和添加的第四基色的亮度YR,YG,YB和YG,1。由于實(shí)際的四基色系統(tǒng)中4個(gè)基色的亮度不可能為負(fù)值,所以其約束關(guān)系可以寫成如下形式：

(5)

特別是當(dāng)(5)式中任意等式成立時(shí),四基色系統(tǒng)將退化為三基色;當(dāng)k=0時(shí),四基色系統(tǒng)退化為原來(lái)的紅綠藍(lán)三基色系統(tǒng)。利用上述方法,可以確定k的取值范圍,其中每一個(gè)k的取值都對(duì)應(yīng)著一組唯一確定的四基色亮度比例。因此,可以計(jì)算出所有組合對(duì)應(yīng)的四基色亮度比例,進(jìn)而繪制出所有組合對(duì)應(yīng)的色立體的形狀并計(jì)算出色域體積。

以在(660 nm,520 nm,465 nm)的三基色組合的基礎(chǔ)上添加532 nm為例(如表1所示),為了簡(jiǎn)化計(jì)算,假設(shè)Yw和Yg,1為100,這樣可得：

表1 RGGB四基色的色坐標(biāo)

(6)

4種基色的亮度比例為：

(7)

所得k的取值范圍為0≤k≤0.71。為了說(shuō)明色域體積和覆蓋率等參數(shù)隨k的變化,按0.01的間隔,選取從0～0.71的72個(gè)點(diǎn),遍歷k,可以得到所有的組合對(duì)應(yīng)的參數(shù)情況。

2 RGGB四基色顯示系統(tǒng)的性能分析

根據(jù)上面所介紹的算法,依次對(duì)RGGB四基色組合(660 nm,532 nm,520 nm,465 nm)的色域體積、色域覆蓋率和色域增強(qiáng)等參數(shù)進(jìn)行了研究。如果不作特殊說(shuō)明,下文中所指RGGB即為紅、綠、綠、藍(lán)四基色組合(660 nm,532 nm,520 nm,465 nm),RGBY組合即為此前工作中得到的紅、綠、藍(lán)、黃四基色的最佳組合(660 nm,577 nm,520 nm,465 nm),三基色組合即為(660 nm,520 nm,465 nm)。

2.1 立體色域體積

本文作者計(jì)算了RGGB組合不同的k對(duì)應(yīng)的色域體積,結(jié)果如圖1所示。可以看到,其色域體積隨著k的增加而增加,在k=0.28時(shí)達(dá)到峰值2218900。此時(shí)對(duì)應(yīng)的4種基色的亮度比例可由(7)式得到,為25.30∶28.00∶41.71∶4.99,其立體色域如圖2所示。在CIEL*a*b*顏色空間中,L*為亮度,a*軸正負(fù)分別代表紅綠色,b*軸正負(fù)分別代表黃藍(lán)色。之后,色域體積隨著k的增加而逐漸減小,當(dāng)k超過(guò)0.6后,其色域體積開(kāi)始低于三基色組合。

圖1 色域體積隨k的變化曲線

圖2 k=0.28時(shí)CIEL*a*b*空間中的四基色系統(tǒng)色立體

2.2 與Rec.2020和D65標(biāo)準(zhǔn)照明體的色域覆蓋率

本文作者計(jì)算了RGGB四基色組合在不同k時(shí)與Rec.2020標(biāo)準(zhǔn)和D65標(biāo)準(zhǔn)照明體色域的覆蓋率,結(jié)果如圖3和圖4所示。從圖3可以看到,它與Rec.2020的覆蓋率先隨k的增加而單調(diào)遞增,并在k=0.66時(shí)達(dá)到峰值97.51%,其后出現(xiàn)小幅下降,峰值對(duì)應(yīng)的4種基色的亮度比例為23.34∶66.00∶5.56∶5.10。這是因?yàn)镽ec.2020標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的綠光波長(zhǎng)正好是532 nm,因此添加532 nm基色后,其覆蓋率隨著基色強(qiáng)度的增加而單調(diào)增加。由圖4可知,RGGB四基色系統(tǒng)與D65標(biāo)準(zhǔn)照明體色域的覆蓋率先隨著k的增加而增加,在k=0.43時(shí)達(dá)到峰值83.02%,然后逐漸下降。峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的4種基色的亮度比例為24.53∶43.00∶27.44∶5.03。

圖3 RGGB四基色與Rec.2020標(biāo)準(zhǔn)的色域覆蓋率隨k的變化曲線

圖4 RGGB四基色與D65標(biāo)準(zhǔn)照明體色域的覆蓋率隨k的變化曲線

2.3 黃色區(qū)域和綠色區(qū)域的色域增強(qiáng)

人眼對(duì)于黃色和綠色波長(zhǎng)的響應(yīng)最高,對(duì)其顏色分辨能力也最強(qiáng)。因此,在顯示系統(tǒng)中,綠色和黃色的顏色渲染能力有非常重要的意義,也對(duì)之進(jìn)行了研究。參照此前對(duì)黃區(qū)顏色增強(qiáng)的定義,可將其推廣到綠區(qū)。分別計(jì)算RGGB四基色組合在黃色區(qū)域(560 nm～600 nm)和綠色區(qū)域(500 nm～560 nm)的色域增強(qiáng)比例,結(jié)果如圖5所示。可以看到,隨著k的增加,黃色區(qū)域的色域增強(qiáng)比例迅速上升,在達(dá)到峰值29.75%后小幅回落,峰值處k=0.51,對(duì)應(yīng)基色亮度比例為24.11∶51.00∶19.83∶5.06;綠色區(qū)域的色域增強(qiáng)為9.58%,達(dá)到峰值后迅速下降,峰值處k=0.27,對(duì)應(yīng)基色亮度比例為25.35∶27.00∶42.66∶4.99。

圖5 黃色區(qū)域和綠色區(qū)域的色域增強(qiáng)隨k的變化曲線

同樣地,為了方便研究不同色調(diào)角方向的色域體積,并直觀比較黃色區(qū)域和綠色區(qū)域的色域增強(qiáng),利用色域環(huán)算法[27],將3-D立體色域轉(zhuǎn)換到2-D極坐標(biāo)平面圖中處理,繪制出了四基色顯示系統(tǒng)和三基色顯示系統(tǒng)在極坐標(biāo)下的圖形,如圖6和圖7所示。其中B代表在某一色調(diào)角方向的色域體積,其具體定義計(jì)算可詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[27]。圖中的線條所圍形狀的面積即為對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的色域體積,徑向半徑的長(zhǎng)度代表了該色調(diào)角方向的色域體積。

圖6 k=0.51時(shí)黃色區(qū)域和綠色區(qū)域的色域增強(qiáng)示意圖

圖7 k=0.27時(shí)黃色區(qū)域和綠色區(qū)域的色域增強(qiáng)示意圖

圖6為k=0.51時(shí)的色域環(huán),黑色線條所圍成的面積代表了三基色組合的色域體積,紅色線條圍成的面積代表了RGGB四基色組合的色域體積,由原點(diǎn)出發(fā)的箭頭分別標(biāo)示了不同色調(diào)角的方向。兩個(gè)環(huán)在560 nm和600 nm之間的差額部分,也就是多邊形AA1CD的面積即為黃色區(qū)域的增強(qiáng)。兩個(gè)環(huán)在500 nm和560 nm之間的差額部分,也就是多邊形CDE和EFGH的面積差即為綠色區(qū)域的增強(qiáng)?？梢钥吹?此時(shí)黃色區(qū)域的增強(qiáng)最大,而綠色部分在532 nm方向有一定增強(qiáng),但在520 nm方向也有較大幅度的減弱。這是因?yàn)榇藭r(shí)k值較大,532 nm基色的強(qiáng)度較高,導(dǎo)致520 nm基色的強(qiáng)度減弱,從而色域相應(yīng)變化。

圖7為k=0.27時(shí)的色域環(huán),同樣的,多邊形AA1CD的面積為黃色區(qū)域的增強(qiáng)。由于兩個(gè)環(huán)在520 nm和500 nm之間幾乎重合,因此多邊形CDE的面積約等于綠色區(qū)域的增強(qiáng)。可以看到綠色部分在532 nm方向有一定增強(qiáng),在520 nm方向有微小減弱。

這是因?yàn)榇藭r(shí)k值較小,520 nm基色的強(qiáng)度減弱不明顯。

3 討論與分析

將前面得到的分析結(jié)果匯總到表2中?？梢园l(fā)現(xiàn),RGGB四基色組合的色域體積在k=0.28時(shí)取得最大值2218900,比三基色組合增加了5.96%,比RGBY組合增加了2.79%;與Rec.2020色域標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋率在k=0.66時(shí)取得最大值97.51%,比三基色的87.56%提升了11.36%,比RGBY四基色系統(tǒng)提升了4.86%;與D65標(biāo)準(zhǔn)照明體的覆蓋率在k=0.43時(shí)取得最大值83.02%,比三基色組合的76.32%提升了8.07%,相較于RGBY四基色的82.45%僅有小幅提升。

表2 RGGB組合、RGBY組合與三基色組合的性能比較

黃色區(qū)域的色域增強(qiáng)在k=0.51時(shí)取得最大值68204(色域增強(qiáng)峰值為29.74%),相較于RGBY四基色的99668(色域增強(qiáng)峰值為43.46%)有降低。綠色區(qū)域的色域增強(qiáng)在k=0.27時(shí)取得最大值63172(色域增強(qiáng)峰值為9.58%),相較于RGBY四基色在k=0.09時(shí)的19584(色域增強(qiáng)峰值為2.97%)有明顯提升。

綜上可知,與RGBY四基色組合相比,RGGB四基色組合在色域體積、色域覆蓋率和綠色區(qū)域色域增強(qiáng)等各個(gè)參數(shù)維度均有顯著提升;在黃區(qū)的色域增強(qiáng)方面有一定幅度減弱,但較之三基色組合,其提升依然很可觀。在實(shí)際使用中,可以根據(jù)對(duì)顯示系統(tǒng)性能的需求來(lái)靈活調(diào)整要應(yīng)用的4種基色的亮度比例,即k的取值。如果側(cè)重整體顏色表現(xiàn)能力,追求最大的色域體積,則設(shè)定為k=0.28,亮度比例25.30∶28.00∶41.71∶4.99;如果側(cè)重與Rec.2020標(biāo)準(zhǔn)的色域兼容能力,追求最大的色域覆蓋,則設(shè)定為k=0.66,亮度比例23.34∶66.00∶5.56∶5.10;如果側(cè)重綠色部分的色域動(dòng)態(tài)范圍,則設(shè)定為k=0.27,亮度比例為25.35∶27.00∶42.66∶4.99。

4 結(jié) 論

本文中研究了添加綠基色532 nm的RGGB四基色組合在立體色域體積、色域覆蓋率、黃區(qū)色域增強(qiáng)以及綠區(qū)域色域增強(qiáng)這幾個(gè)方面的表現(xiàn)。與之前工作中優(yōu)化后的RGBY組合(660 nm,532 nm,520 nm,465 nm)相比較,RGGB除了在黃區(qū)色域增強(qiáng)方面有一定幅度減弱外,其余各個(gè)參數(shù)上均有更佳表現(xiàn),與超高清顯示標(biāo)準(zhǔn)Rec.2020的覆蓋率高達(dá)97.51%。結(jié)合高功率黃色激光器的獲取難度,推薦采用添加532 nm波長(zhǎng)的RGGB組合來(lái)作為實(shí)際四基色激光顯示系統(tǒng)搭建的選擇,根據(jù)性能的需求來(lái)采用不同的亮度比例。本工作為四基色激光顯示系統(tǒng)的搭建提供了強(qiáng)有力的理論指導(dǎo)。