【艾比森】Micro LED大屏顯示技術分析——顯示色域

　　自20世紀80年代至今，LED顯示(shi)技(ji)術持(chi)續(xu)演進，應用場(chang)景(jing)不斷(duan)豐(feng)富，市場(chang)規模日益壯(zhuang)大(da)。作(zuo)為LED顯示(shi)行(xing)業(ye)領軍企業(ye)，將定期推出系列(lie)科普文章，由資(zi)深技(ji)術專家解讀LED顯示(shi)技(ji)術相關(guan)原理，相信(xin)可以給業(ye)界同仁帶來(lai)更(geng)多的思路和參考。

　　在信息化時代，顯示產品作為人類與信息的接觸界面，極大地影響著人們的生活。隨著信息量的劇增及更新速度的加快，尤其是多媒體數字音視頻信息對傳統單一的文字視頻信息的代替，人們對顯示效果提出了更高的要求。的色域直接影響著顯示畫面的色彩表現力和色彩還原度，是目前顯示屏產品關注的焦點。

　　本文將從色度學原理出發，闡述不同的色域標準，深入分析LED顯示屏色域范圍與色彩表現力(li)和色彩還原度之間的關系。

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　　色度學原理

　　我們生活在(zai)(zai)五(wu)彩(cai)繽(bin)紛的(de)(de)(de)(de)世界中(zhong)(zhong)，人類能感受不(bu)同的(de)(de)(de)(de)顏(yan)(yan)色(se)(se)(se)是由于(yu)人眼(yan)接收到(dao)不(bu)同波長的(de)(de)(de)(de)光(guang)信號產生的(de)(de)(de)(de)視(shi)(shi)(shi)覺響應(ying)(ying)。人眼(yan)的(de)(de)(de)(de)視(shi)(shi)(shi)網膜上存在(zai)(zai)視(shi)(shi)(shi)桿細胞和視(shi)(shi)(shi)錐(zhui)(zhui)細胞兩種感光(guang)細胞，視(shi)(shi)(shi)桿細胞主要(yao)在(zai)(zai)暗光(guang)情況下(xia)發(fa)揮(hui)作用(yong)(yong)(yong)，沒有色(se)(se)(se)彩(cai)識(shi)別功能;而視(shi)(shi)(shi)錐(zhui)(zhui)細胞在(zai)(zai)明亮條(tiao)件下(xia)發(fa)揮(hui)作用(yong)(yong)(yong)，視(shi)(shi)(shi)錐(zhui)(zhui)細胞分為(wei)紅(hong)(hong)(hong)敏視(shi)(shi)(shi)錐(zhui)(zhui)細胞、綠(lv)(lv)敏視(shi)(shi)(shi)錐(zhui)(zhui)細胞和藍敏視(shi)(shi)(shi)錐(zhui)(zhui)細胞三種，分別對紅(hong)(hong)(hong)、綠(lv)(lv)、藍最敏感。根據(ju)混(hun)色(se)(se)(se)原(yuan)(yuan)(yuan)理(li)，自(zi)然界中(zhong)(zhong)幾乎(hu)所(suo)有的(de)(de)(de)(de)顏(yan)(yan)色(se)(se)(se)也都可(ke)以由紅(hong)(hong)(hong)綠(lv)(lv)藍三色(se)(se)(se)組合(he)(he)而成，視(shi)(shi)(shi)網膜上三種視(shi)(shi)(shi)錐(zhui)(zhui)細胞對紅(hong)(hong)(hong)綠(lv)(lv)藍三色(se)(se)(se)光(guang)的(de)(de)(de)(de)視(shi)(shi)(shi)覺響應(ying)(ying)組合(he)(he)即(ji)可(ke)得(de)到(dao)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)顏(yan)(yan)色(se)(se)(se)感受。基(ji)于(yu)以上原(yuan)(yuan)(yuan)理(li)，現代顯示(shi)(shi)中(zhong)(zhong)通常使(shi)用(yong)(yong)(yong)紅(hong)(hong)(hong)綠(lv)(lv)藍作為(wei)三基(ji)色(se)(se)(se)，根據(ju)人眼(yan)視(shi)(shi)(shi)覺特(te)性和混(hun)色(se)(se)(se)原(yuan)(yuan)(yuan)理(li)，將三基(ji)色(se)(se)(se)按不(bu)同比(bi)例混(hun)合(he)(he)即(ji)可(ke)還原(yuan)(yuan)(yuan)自(zi)然界中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)大部分顏(yan)(yan)色(se)(se)(se)，如圖1所(suo)示(shi)(shi)。可(ke)使(shi)用(yong)(yong)(yong)配(pei)(pei)(pei)色(se)(se)(se)方程定量描述混(hun)色(se)(se)(se)原(yuan)(yuan)(yuan)理(li)，對于(yu)需(xu)要(yao)顯示(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)色(se)(se)(se)光(guang)C，其配(pei)(pei)(pei)色(se)(se)(se)方程可(ke)表(biao)示(shi)(shi)為(wei)C[C]=R[R]+G[G]+B[B]，其中(zhong)(zhong)，C, R, G, B分別代表(biao)了匹(pi)配(pei)(pei)(pei)色(se)(se)(se)光(guang)、紅(hong)(hong)(hong)光(guang)、綠(lv)(lv)光(guang)、藍光(guang)的(de)(de)(de)(de)相對強度，該配(pei)(pei)(pei)色(se)(se)(se)方程表(biao)示(shi)(shi)R個單位的(de)(de)(de)(de)紅(hong)(hong)(hong)原(yuan)(yuan)(yuan)色(se)(se)(se)、G個單位的(de)(de)(de)(de)綠(lv)(lv)原(yuan)(yuan)(yuan)色(se)(se)(se)和B個單位的(de)(de)(de)(de)藍原(yuan)(yuan)(yuan)色(se)(se)(se)相加混(hun)合(he)(he)，可(ke)匹(pi)配(pei)(pei)(pei)出C個單位的(de)(de)(de)(de)C顏(yan)(yan)色(se)(se)(se)，R, G, B稱為(wei)三刺(ci)激(ji)值。

圖1 顯示三基色(se)混色(se)原(yuan)理(li)

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　　CIE1931標準色度系統

　　為了便(bian)于比較(jiao)和(he)統(tong)一，1931年，國際照明委員會 (CIE) 提出了標(biao)準觀察者和(he)色(se)坐(zuo)(zuo)標(biao)系統(tong)，采(cai)用(yong)700nm，546.1nm，435.8nm作為R，G，B三(san)原(yuan)色(se)波長，對配色(se)方程進行歸一化處理得 [C]=R/(R+G+B)[R]+G/(R+G+B) [G]+B/(R+G+B) [B]，定義色(se)度坐(zuo)(zuo)標(biao)r，g，b，其(qi)中r= R/(R+G+B)，g= G/(R+G+B)，b= B/(R+G+B)，則[C]=r[R]+g [G]+b[B]，由于r+b+g=1，已知三(san)刺激值中任意兩(liang)個即可定量表征(zheng)匹配色(se)C，基于以上內容(rong)，CIE 1931 RGB色(se)品圖(tu)使用(yong) (r, g) 二維坐(zuo)(zuo)標(biao)定量表征(zheng)色(se)彩，如(ru)圖(tu)2所示。

圖(tu)2 CIE 1931 RGB色品圖(tu)

　　由(you)于顏(yan)(yan)色(se)(se)匹配(pei)(pei)試(shi)驗的(de)(de)(de)(de)問題(ti)，CIE RGB色(se)(se)品(pin)圖(tu)(tu)中(zhong)存在(zai)負值(zhi)(zhi)，不利于計算和理(li)解，因此CIE又提出(chu)了CIE 1931 XYZ色(se)(se)度系(xi)(xi)統，該色(se)(se)度系(xi)(xi)統用假想的(de)(de)(de)(de)三個原色(se)(se)XYZ代替RGB系(xi)(xi)統的(de)(de)(de)(de)三原色(se)(se)，對(dui)原來的(de)(de)(de)(de)RGB色(se)(se)品(pin)圖(tu)(tu)進行數學(xue)轉換，得到(dao)(dao)與RGB系(xi)(xi)統中(zhong)的(de)(de)(de)(de)三刺激(ji)值(zhi)(zhi)R, G, B對(dui)應的(de)(de)(de)(de)全為(wei)正數的(de)(de)(de)(de)三刺激(ji)值(zhi)(zhi)X, Y, Z，相應的(de)(de)(de)(de)，色(se)(se)光(guang)(guang)(guang)C的(de)(de)(de)(de)配(pei)(pei)色(se)(se)方(fang)程可(ke)表示為(wei)C[C]=X [X]+Y[Y]+Z[Z]，對(dui)配(pei)(pei)色(se)(se)方(fang)程進行歸一化(hua)處理(li)得 [C]=X/(X+Y+Z)[X]+Y/(X+Y+Z)[Y]+Z/(X+Y+Z)[Z]，令x=X/(X+Y+Z)，y= Y/(X+Y+Z)，z= Z/(X+Y+Z)，由(you)于x+y+z=1，僅(jin)通過x和y就可(ke)以在(zai)二維平(ping)面中(zhong)確定一個顏(yan)(yan)色(se)(se)，以x，y為(wei)橫(heng)、縱(zong)坐(zuo)標，即得到(dao)(dao)如(ru)圖(tu)(tu)3所示的(de)(de)(de)(de)得到(dao)(dao)CIE 1931 XYZ色(se)(se)品(pin)圖(tu)(tu)。在(zai)CIE 1931 XYZ色(se)(se)品(pin)圖(tu)(tu)中(zhong)，380nm到(dao)(dao)780nm的(de)(de)(de)(de)可(ke)見光(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)色(se)(se)連(lian)接可(ke)得到(dao)(dao)馬蹄(ti)(ti)狀曲線(xian)(xian)，馬蹄(ti)(ti)狀曲線(xian)(xian)旁注釋的(de)(de)(de)(de)數字為(wei)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)波長值(zhi)(zhi)。位(wei)于馬蹄(ti)(ti)狀曲線(xian)(xian)上為(wei)單(dan)色(se)(se)光(guang)(guang)(guang)，具有最大飽(bao)和度，越(yue)(yue)靠近馬蹄(ti)(ti)形曲線(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)內部(bu)，顏(yan)(yan)色(se)(se)的(de)(de)(de)(de)飽(bao)和度越(yue)(yue)小，顏(yan)(yan)色(se)(se)越(yue)(yue)接近白光(guang)(guang)(guang)。

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　　顯示屏色域及色域標準

　　色(se)(se)域(yu)可以理解(jie)為顯(xian)(xian)示(shi)(shi)(shi)(shi)設備(bei)能(neng)(neng)夠(gou)(gou)顯(xian)(xian)示(shi)(shi)(shi)(shi)顏(yan)色(se)(se)的(de)(de)(de)范圍，對于現(xian)(xian)代顯(xian)(xian)示(shi)(shi)(shi)(shi)中最(zui)常用(yong)的(de)(de)(de)三(san)(san)基(ji)色(se)(se)顯(xian)(xian)示(shi)(shi)(shi)(shi)，根(gen)據混(hun)色(se)(se)原(yuan)理，將顯(xian)(xian)示(shi)(shi)(shi)(shi)設備(bei)采(cai)用(yong)的(de)(de)(de)紅綠藍(lan)(lan)三(san)(san)基(ji)色(se)(se)的(de)(de)(de)色(se)(se)坐(zuo)標(biao)定(ding)位在CIE 1931 XYZ色(se)(se)品圖中，之(zhi)后將三(san)(san)個坐(zuo)標(biao)點連接，即可得到顯(xian)(xian)示(shi)(shi)(shi)(shi)設備(bei)對應的(de)(de)(de)色(se)(se)域(yu)三(san)(san)角(jiao)(jiao)形。色(se)(se)域(yu)三(san)(san)角(jiao)(jiao)形的(de)(de)(de)三(san)(san)個頂點是顯(xian)(xian)示(shi)(shi)(shi)(shi)設備(bei)紅綠藍(lan)(lan)三(san)(san)基(ji)色(se)(se)的(de)(de)(de)色(se)(se)坐(zuo)標(biao)，三(san)(san)角(jiao)(jiao)形圍成的(de)(de)(de)區域(yu)是顯(xian)(xian)示(shi)(shi)(shi)(shi)設備(bei)三(san)(san)基(ji)色(se)(se)混(hun)合能(neng)(neng)得到的(de)(de)(de)所有顏(yan)色(se)(se)，即顯(xian)(xian)示(shi)(shi)(shi)(shi)設備(bei)能(neng)(neng)表(biao)現(xian)(xian)的(de)(de)(de)所有顏(yan)色(se)(se)，三(san)(san)角(jiao)(jiao)形的(de)(de)(de)面積越(yue)(yue)大，表(biao)明顯(xian)(xian)示(shi)(shi)(shi)(shi)設備(bei)的(de)(de)(de)色(se)(se)域(yu)范圍越(yue)(yue)大，能(neng)(neng)夠(gou)(gou)顯(xian)(xian)示(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)色(se)(se)彩(cai)越(yue)(yue)豐富。

　　為了便于(yu)信息傳遞，顯示行業制(zhi)定了一系列的色(se)(se)域標準(zhun)，其(qi)中常用的標準(zhun)主(zhu)要(yao)有NTSC、Rec.709、DCI-P3和(he)Rec.2020色(se)(se)域標準(zhun)，如圖3所示。

圖3 常(chang)用色域標(biao)準范圍

　　NTSC色域是1953年由美國國家電視標準(zhun)委員會訂(ding)制的(de)標準(zhun)，該(gai)標準(zhun)是為(wei)當(dang)時(shi)剛出現不久(jiu)的(de) CRT 彩色電視定制的(de)，由于實在(zai)太過古老(lao)，早已(yi)不適(shi)用(yong)于現代顯(xian)示(shi)器。更重(zhong)要的(de)是現代顯(xian)示(shi)內(nei)容創作(zuo)(zuo)(zuo)者幾乎(hu)沒有以(yi) NTSC 為(wei)工作(zuo)(zuo)(zuo)空(kong)間的(de)，這(zhe)就意味(wei)著以(yi)NTSC作(zuo)(zuo)(zuo)為(wei)色域指標的(de)顯(xian)示(shi)產(chan)品無(wu)法(fa)與(yu)顯(xian)示(shi)內(nei)容之間建立必(bi)然聯系(xi)。

　　Rec.709色域是1990年國際電信聯盟發布的色域標準，該標準被用作高清顯示(HDTV)的色彩標準，是目前使用最廣泛的標準。隨著計算機技術的發展，1996年微軟聯合HP、、等廠商開發出sRGB色彩標準，受微軟強大用戶群體的影響力的威懾，絕大多數的數碼圖像采集設備，如數碼相機、數碼攝像機、掃(sao)描儀、顯示器等都支持支持sRGB標(biao)準(zhun)。該色域標(biao)準(zhun)與Rec.709色域標(biao)準(zhun)完全相同(tong)，因而也(ye)使得Rec.709色域標(biao)準(zhun)成為目前使用(yong)最廣泛的(de)色域標(biao)準(zhun)。

　　DCI-P3色(se)域(yu)是(shi)美國電(dian)影行業于2005年推出(chu)的(de)一種廣色(se)域(yu)標(biao)準，是(shi)目(mu)前數字電(dian)影設備(bei)最常采用的(de)色(se)彩標(biao)準之(zhi)一，如圖3中所(suo)示，與Rec.709色(se)域(yu)相比(bi)，DCI-P3色(se)域(yu)在綠色(se)和紅(hong)色(se)區域(yu)范圍更廣，可呈現的(de)色(se)域(yu)相比(bi)Rec.709色(se)域(yu)大了25%。隨著4K時代(dai)的(de)來臨，原有(you)的(de)Rec.709/sRGB 已經無法滿(man)足顯示需(xu)求，越來越多的(de)顯示設備(bei)開始采用DCI-P3標(biao)準作為顯示色(se)域(yu)。

　　Rec.2020色(se)域(yu)標(biao)準是2012年(nian)國際電信聯盟針對超高清設備(bei)(4K&8K)發(fa)布的(de)(de)色(se)域(yu)標(biao)準，如圖3所(suo)示，Rec.2020色(se)域(yu)范圍是目(mu)前所(suo)有色(se)域(yu)標(biao)準中最廣(guang)的(de)(de)。

　　如圖(tu)3中所示，上述幾(ji)種色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)標準(zhun)中，Rec.709色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)面積最小(xiao)，DCI-P3色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)可(ke)完(wan)(wan)全覆蓋(gai)(gai)Rec.709色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)，Rec.2020色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)可(ke)完(wan)(wan)全覆蓋(gai)(gai)DCI-P3色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)。而(er)Rec.709色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)面積雖(sui)然僅為72%的NTSC色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)面積，但NTSC色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)在藍色(se)(se)區域(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)并沒有(you)完(wan)(wan)全覆蓋(gai)(gai)Rec.709色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)，實際上NTSC色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)只(zhi)能覆蓋(gai)(gai)82% 的 Rec.709色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)。

　　當顯示(shi)設備(bei)的(de)(de)(de)色(se)(se)(se)(se)域(yu)范圍能完(wan)全(quan)(quan)覆(fu)蓋(gai)顯示(shi)數(shu)(shu)據(ju)(ju)的(de)(de)(de)色(se)(se)(se)(se)域(yu)范圍時，顯示(shi)設備(bei)可(ke)以完(wan)全(quan)(quan)呈現顯示(shi)數(shu)(shu)據(ju)(ju)中(zhong)的(de)(de)(de)色(se)(se)(se)(se)彩，還原視(shi)頻(pin)或(huo)圖(tu)片(pian)創(chuang)作者的(de)(de)(de)創(chuang)作意圖(tu)。目前，圖(tu)片(pian)或(huo)視(shi)頻(pin)源(yuan)數(shu)(shu)據(ju)(ju)采(cai)用的(de)(de)(de)色(se)(se)(se)(se)域(yu)標(biao)準(zhun)通常為(wei)(wei)Rec.709色(se)(se)(se)(se)域(yu)標(biao)準(zhun)、DCI-P3色(se)(se)(se)(se)域(yu)標(biao)準(zhun)和Rec.2020色(se)(se)(se)(se)域(yu)標(biao)準(zhun)，沒有任(ren)何圖(tu)片(pian)或(huo)視(shi)頻(pin)源(yuan)采(cai)用NTSC色(se)(se)(se)(se)域(yu)作為(wei)(wei)標(biao)準(zhun)。由于NTSC色(se)(se)(se)(se)域(yu)標(biao)準(zhun)并(bing)不能完(wan)全(quan)(quan)覆(fu)蓋(gai)Rec.709、DCI-P3和Rec.2020三種色(se)(se)(se)(se)域(yu)標(biao)準(zhun)中(zhong)的(de)(de)(de)任(ren)何一種，因而(er)以NTSC色(se)(se)(se)(se)域(yu)作為(wei)(wei)指標(biao)的(de)(de)(de)顯示(shi)設備(bei)無(wu)法(fa)(fa)與(yu)顯示(shi)數(shu)(shu)據(ju)(ju)(以Rec.709色(se)(se)(se)(se)域(yu)、DCI-P3色(se)(se)(se)(se)域(yu)或(huo)Rec.2020色(se)(se)(se)(se)域(yu)作為(wei)(wei)色(se)(se)(se)(se)域(yu)標(biao)準(zhun))之間建立必然聯系。顯示(shi)設備(bei)的(de)(de)(de)NTSC色(se)(se)(se)(se)域(yu)指標(biao)無(wu)法(fa)(fa)展(zhan)現對Rec.709、DCI-P3和Rec.2020 色(se)(se)(se)(se)域(yu)覆(fu)蓋(gai)率，因而(er)無(wu)法(fa)(fa)展(zhan)現出(chu)對圖(tu)片(pian)或(huo)視(shi)頻(pin)源(yuan)數(shu)(shu)據(ju)(ju)的(de)(de)(de)色(se)(se)(se)(se)彩還原能力，對于消費(fei)者來說沒有任(ren)何參考(kao)價值。

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　　總 結

　　本(ben)文以(yi)(yi)色(se)度學原(yuan)理為基礎(chu)，詳細闡(chan)述了不同的色(se)域(yu)(yu)標準，分(fen)析(xi)(xi)了顯示(shi)屏色(se)域(yu)(yu)范圍與色(se)彩表現力(li)和色(se)彩還原(yuan)度之間(jian)的關系。基于以(yi)(yi)上(shang)分(fen)析(xi)(xi)可知，傳統LED顯示(shi)屏產(chan)(chan)品(pin)以(yi)(yi)NTSC色(se)域(yu)(yu)作(zuo)為參數(shu)指(zhi)標，無法表征顯示(shi)屏對圖片或視(shi)頻源(yuan)數(shu)據的色(se)彩還原(yuan)能力(li)，以(yi)(yi)Rec.709、DCI-P3或Rec.2020色(se)域(yu)(yu)作(zuo)為參數(shu)指(zhi)標才是對LED顯示(shi)產(chan)(chan)品(pin)色(se)彩表現力(li)的科學表征方法。

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