【艾比森】Micro LED大屏顯示技術分析2---顯示色域

　　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(biao)現力和色彩還原度之(zhi)間的關系。

　　1 色(se)度學原理

　　我們生(sheng)(sheng)活在五彩繽紛(fen)的(de)(de)(de)世界(jie)中(zhong)，人(ren)(ren)類(lei)能感(gan)(gan)(gan)受不同(tong)的(de)(de)(de)顏色(se)(se)(se)(se)(se)是由于人(ren)(ren)眼(yan)接(jie)收(shou)到不同(tong)波長的(de)(de)(de)光(guang)(guang)信號產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)視(shi)(shi)(shi)(shi)覺(jue)響應(ying)。人(ren)(ren)眼(yan)的(de)(de)(de)視(shi)(shi)(shi)(shi)網膜上存在視(shi)(shi)(shi)(shi)桿(gan)細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)和視(shi)(shi)(shi)(shi)錐細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)兩(liang)種感(gan)(gan)(gan)光(guang)(guang)細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)，視(shi)(shi)(shi)(shi)桿(gan)細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)主要在暗光(guang)(guang)情況下發揮作用(yong)，沒有色(se)(se)(se)(se)(se)彩識(shi)別(bie)(bie)功能;而(er)視(shi)(shi)(shi)(shi)錐細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)在明亮條(tiao)件下發揮作用(yong)，視(shi)(shi)(shi)(shi)錐細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)分(fen)為(wei)紅(hong)(hong)敏(min)(min)視(shi)(shi)(shi)(shi)錐細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)、綠(lv)敏(min)(min)視(shi)(shi)(shi)(shi)錐細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)和藍敏(min)(min)視(shi)(shi)(shi)(shi)錐細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)三(san)(san)種，分(fen)別(bie)(bie)對紅(hong)(hong)、綠(lv)、藍最敏(min)(min)感(gan)(gan)(gan)。根(gen)據混色(se)(se)(se)(se)(se)原(yuan)(yuan)(yuan)理(li)，自然界(jie)中(zhong)幾乎所(suo)(suo)有的(de)(de)(de)顏色(se)(se)(se)(se)(se)也都可(ke)(ke)(ke)以(yi)由紅(hong)(hong)綠(lv)藍三(san)(san)色(se)(se)(se)(se)(se)組(zu)合而(er)成，視(shi)(shi)(shi)(shi)網膜上三(san)(san)種視(shi)(shi)(shi)(shi)錐細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)對紅(hong)(hong)綠(lv)藍三(san)(san)色(se)(se)(se)(se)(se)光(guang)(guang)的(de)(de)(de)視(shi)(shi)(shi)(shi)覺(jue)響應(ying)組(zu)合即(ji)可(ke)(ke)(ke)得到不同(tong)的(de)(de)(de)顏色(se)(se)(se)(se)(se)感(gan)(gan)(gan)受。基(ji)于以(yi)上原(yuan)(yuan)(yuan)理(li)，現代(dai)顯示中(zhong)通(tong)常使用(yong)紅(hong)(hong)綠(lv)藍作為(wei)三(san)(san)基(ji)色(se)(se)(se)(se)(se)，根(gen)據人(ren)(ren)眼(yan)視(shi)(shi)(shi)(shi)覺(jue)特(te)性(xing)和混色(se)(se)(se)(se)(se)原(yuan)(yuan)(yuan)理(li)，將三(san)(san)基(ji)色(se)(se)(se)(se)(se)按不同(tong)比例(li)混合即(ji)可(ke)(ke)(ke)還原(yuan)(yuan)(yuan)自然界(jie)中(zhong)的(de)(de)(de)大部分(fen)顏色(se)(se)(se)(se)(se)，如圖1所(suo)(suo)示。可(ke)(ke)(ke)使用(yong)配色(se)(se)(se)(se)(se)方程(cheng)定(ding)量描(miao)述混色(se)(se)(se)(se)(se)原(yuan)(yuan)(yuan)理(li)，對于需要顯示的(de)(de)(de)色(se)(se)(se)(se)(se)光(guang)(guang)C，其(qi)配色(se)(se)(se)(se)(se)方程(cheng)可(ke)(ke)(ke)表示為(wei)C[C]=R[R]+G[G]+B[B]，其(qi)中(zhong)，C, R, G, B分(fen)別(bie)(bie)代(dai)表了匹配色(se)(se)(se)(se)(se)光(guang)(guang)、紅(hong)(hong)光(guang)(guang)、綠(lv)光(guang)(guang)、藍光(guang)(guang)的(de)(de)(de)相對強度，該(gai)配色(se)(se)(se)(se)(se)方程(cheng)表示R個(ge)單(dan)(dan)(dan)位的(de)(de)(de)紅(hong)(hong)原(yuan)(yuan)(yuan)色(se)(se)(se)(se)(se)、G個(ge)單(dan)(dan)(dan)位的(de)(de)(de)綠(lv)原(yuan)(yuan)(yuan)色(se)(se)(se)(se)(se)和B個(ge)單(dan)(dan)(dan)位的(de)(de)(de)藍原(yuan)(yuan)(yuan)色(se)(se)(se)(se)(se)相加混合，可(ke)(ke)(ke)匹配出C個(ge)單(dan)(dan)(dan)位的(de)(de)(de)C顏色(se)(se)(se)(se)(se)，R, G, B稱為(wei)三(san)(san)刺激值(zhi)。

　　圖1 顯示三基色(se)(se)混色(se)(se)原理

　　2 CIE1931標準(zhun)色度(du)系統

　　為了便于(yu)(yu)比(bi)較和(he)統一，1931年，國際照明委員(yuan)會 (CIE) 提(ti)出了標(biao)準觀察者和(he)色坐(zuo)標(biao)系統，采用(yong)(yong)700nm，546.1nm，435.8nm作(zuo)為R，G，B三原色波長(chang)，對配(pei)色方(fang)程進行歸(gui)一化處理得 [C]=R/(R+G+B)[R]+G/(R+G+B) [G]+B/(R+G+B) [B]，定(ding)義色度坐(zuo)標(biao)r，g，b，其(qi)中(zhong)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(yu)(yu)r+b+g=1，已(yi)知(zhi)三刺激(ji)值中(zhong)任意(yi)兩個即可(ke)定(ding)量(liang)表(biao)征匹配(pei)色C，基(ji)于(yu)(yu)以(yi)上內(nei)容，CIE 1931 RGB色品圖使用(yong)(yong) (r, g) 二(er)維坐(zuo)標(biao)定(ding)量(liang)表(biao)征色彩，如圖2所示。

　　圖2 CIE 1931 RGB色品(pin)圖

　　由于(yu)(yu)顏(yan)(yan)色(se)(se)匹配試(shi)驗(yan)的(de)(de)(de)問題，CIE RGB色(se)(se)品圖中(zhong)(zhong)存在負(fu)值(zhi)(zhi)，不利于(yu)(yu)計算和理解，因此CIE又提(ti)出了CIE 1931 XYZ色(se)(se)度(du)系統(tong)，該(gai)色(se)(se)度(du)系統(tong)用假(jia)想的(de)(de)(de)三個原(yuan)色(se)(se)XYZ代替(ti)RGB系統(tong)的(de)(de)(de)三原(yuan)色(se)(se)，對(dui)原(yuan)來的(de)(de)(de)RGB色(se)(se)品圖進行數學(xue)轉換，得(de)到(dao)與RGB系統(tong)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)三刺激(ji)值(zhi)(zhi)R, G, B對(dui)應(ying)的(de)(de)(de)全為(wei)(wei)正數的(de)(de)(de)三刺激(ji)值(zhi)(zhi)X, Y, Z，相應(ying)的(de)(de)(de)，色(se)(se)光(guang)C的(de)(de)(de)配色(se)(se)方(fang)程可(ke)(ke)表示(shi)為(wei)(wei)C[C]=X [X]+Y[Y]+Z[Z]，對(dui)配色(se)(se)方(fang)程進行歸一(yi)化處理得(de) [C]=X/(X+Y+Z)[X]+Y/(X+Y+Z)[Y]+Z/(X+Y+Z)[Z]，令(ling)x=X/(X+Y+Z)，y= Y/(X+Y+Z)，z= Z/(X+Y+Z)，由于(yu)(yu)x+y+z=1，僅通過x和y就可(ke)(ke)以在二維平面中(zhong)(zhong)確定一(yi)個顏(yan)(yan)色(se)(se)，以x，y為(wei)(wei)橫、縱(zong)坐(zuo)標，即(ji)得(de)到(dao)如圖3所示(shi)的(de)(de)(de)得(de)到(dao)CIE 1931 XYZ色(se)(se)品圖。在CIE 1931 XYZ色(se)(se)品圖中(zhong)(zhong)，380nm到(dao)780nm的(de)(de)(de)可(ke)(ke)見光(guang)光(guang)譜色(se)(se)連接(jie)(jie)可(ke)(ke)得(de)到(dao)馬蹄(ti)狀曲線(xian)(xian)(xian)，馬蹄(ti)狀曲線(xian)(xian)(xian)旁注釋(shi)的(de)(de)(de)數字為(wei)(wei)光(guang)譜波長值(zhi)(zhi)。位于(yu)(yu)馬蹄(ti)狀曲線(xian)(xian)(xian)上為(wei)(wei)單色(se)(se)光(guang)，具有最大飽(bao)和度(du)，越(yue)靠近馬蹄(ti)形(xing)曲線(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)內部(bu)，顏(yan)(yan)色(se)(se)的(de)(de)(de)飽(bao)和度(du)越(yue)小，顏(yan)(yan)色(se)(se)越(yue)接(jie)(jie)近白光(guang)。

　　3 顯示屏色域及色域標準

　　色(se)(se)(se)域可(ke)以理(li)解為顯(xian)(xian)示(shi)(shi)設備(bei)能夠(gou)顯(xian)(xian)示(shi)(shi)顏色(se)(se)(se)的(de)(de)(de)(de)范(fan)(fan)圍(wei)(wei)，對(dui)于(yu)現(xian)代顯(xian)(xian)示(shi)(shi)中最常(chang)用的(de)(de)(de)(de)三(san)(san)基(ji)色(se)(se)(se)顯(xian)(xian)示(shi)(shi)，根據混(hun)色(se)(se)(se)原(yuan)理(li)，將顯(xian)(xian)示(shi)(shi)設備(bei)采用的(de)(de)(de)(de)紅綠藍三(san)(san)基(ji)色(se)(se)(se)的(de)(de)(de)(de)色(se)(se)(se)坐標(biao)定位在CIE 1931 XYZ色(se)(se)(se)品圖(tu)中，之后將三(san)(san)個坐標(biao)點(dian)連接，即可(ke)得到顯(xian)(xian)示(shi)(shi)設備(bei)對(dui)應的(de)(de)(de)(de)色(se)(se)(se)域三(san)(san)角(jiao)形(xing)(xing)。色(se)(se)(se)域三(san)(san)角(jiao)形(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)三(san)(san)個頂(ding)點(dian)是顯(xian)(xian)示(shi)(shi)設備(bei)紅綠藍三(san)(san)基(ji)色(se)(se)(se)的(de)(de)(de)(de)色(se)(se)(se)坐標(biao)，三(san)(san)角(jiao)形(xing)(xing)圍(wei)(wei)成的(de)(de)(de)(de)區(qu)域是顯(xian)(xian)示(shi)(shi)設備(bei)三(san)(san)基(ji)色(se)(se)(se)混(hun)合能得到的(de)(de)(de)(de)所有顏色(se)(se)(se)，即顯(xian)(xian)示(shi)(shi)設備(bei)能表現(xian)的(de)(de)(de)(de)所有顏色(se)(se)(se)，三(san)(san)角(jiao)形(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)面積越(yue)大，表明顯(xian)(xian)示(shi)(shi)設備(bei)的(de)(de)(de)(de)色(se)(se)(se)域范(fan)(fan)圍(wei)(wei)越(yue)大，能夠(gou)顯(xian)(xian)示(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)色(se)(se)(se)彩越(yue)豐富。

　　為了便(bian)于信息傳(chuan)遞，顯(xian)示(shi)行業制(zhi)定(ding)了一系(xi)列的(de)色域標準(zhun)，其(qi)中常用(yong)的(de)標準(zhun)主(zhu)要有(you)NTSC、Rec.709、DCI-P3和Rec.2020色域標準(zhun)，如圖3所(suo)示(shi)。

　　圖3 常用色(se)域標準(zhun)范圍

　　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、掃描儀(yi)、顯示器(qi)等(deng)都(dou)支(zhi)持(chi)支(zhi)持(chi)sRGB標準(zhun)。該(gai)色(se)域標準(zhun)與Rec.709色(se)域標準(zhun)完全相同，因而也使(shi)得Rec.709色(se)域標準(zhun)成為目前(qian)使(shi)用最廣泛的色(se)域標準(zhun)。

　　DCI-P3色(se)域是美國電影行(xing)業于2005年推出的一種廣色(se)域標準(zhun)，是目前數(shu)字電影設備最(zui)常(chang)采用(yong)的色(se)彩(cai)標準(zhun)之一，如圖3中所示，與Rec.709色(se)域相比，DCI-P3色(se)域在綠色(se)和紅色(se)區域范圍(wei)更廣，可呈(cheng)現(xian)的色(se)域相比Rec.709色(se)域大了25%。隨著4K時代的來臨(lin)，原有(you)的Rec.709/sRGB 已經無(wu)法滿足顯(xian)示需求，越來越多(duo)的顯(xian)示設備開(kai)始采用(yong)DCI-P3標準(zhun)作(zuo)為顯(xian)示色(se)域。

　　Rec.2020色(se)域(yu)標準是2012年(nian)國際電信聯盟針(zhen)對超高清設備(4K&8K)發布的色(se)域(yu)標準，如(ru)圖3所(suo)示，Rec.2020色(se)域(yu)范圍是目(mu)前所(suo)有色(se)域(yu)標準中最(zui)廣(guang)的。

　　如圖3中所(suo)示(shi)，上(shang)述(shu)幾種色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)標準(zhun)中，Rec.709色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)面(mian)(mian)積(ji)最(zui)小，DCI-P3色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)可完(wan)全(quan)覆(fu)蓋Rec.709色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)，Rec.2020色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)可完(wan)全(quan)覆(fu)蓋DCI-P3色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)。而(er)Rec.709色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)面(mian)(mian)積(ji)雖然僅為72%的NTSC色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)面(mian)(mian)積(ji)，但NTSC色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)在(zai)藍色(se)(se)區(qu)域(yu)(yu)(yu)并沒有完(wan)全(quan)覆(fu)蓋Rec.709色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)，實際上(shang)NTSC色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)只能(neng)覆(fu)蓋82% 的 Rec.709色(se)(se)域(yu)(yu)(yu)。

　　當顯(xian)示(shi)(shi)(shi)設備(bei)的(de)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)范圍能(neng)完全(quan)覆蓋顯(xian)示(shi)(shi)(shi)數(shu)據的(de)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)范圍時，顯(xian)示(shi)(shi)(shi)設備(bei)可(ke)以完全(quan)呈現(xian)顯(xian)示(shi)(shi)(shi)數(shu)據中的(de)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)彩，還原視頻(pin)或圖(tu)片(pian)創作者的(de)創作意(yi)圖(tu)。目前，圖(tu)片(pian)或視頻(pin)源(yuan)數(shu)據采用(yong)的(de)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)通常(chang)為(wei)Rec.709色(se)(se)(se)(se)(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)、DCI-P3色(se)(se)(se)(se)(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)和(he)Rec.2020色(se)(se)(se)(se)(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)，沒有(you)任何(he)圖(tu)片(pian)或視頻(pin)源(yuan)采用(yong)NTSC色(se)(se)(se)(se)(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)作為(wei)標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)。由(you)于NTSC色(se)(se)(se)(se)(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)并不能(neng)完全(quan)覆蓋Rec.709、DCI-P3和(he)Rec.2020三種色(se)(se)(se)(se)(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)中的(de)任何(he)一種，因而(er)以NTSC色(se)(se)(se)(se)(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)作為(wei)指標(biao)(biao)(biao)(biao)的(de)顯(xian)示(shi)(shi)(shi)設備(bei)無法(fa)(fa)與顯(xian)示(shi)(shi)(shi)數(shu)據(以Rec.709色(se)(se)(se)(se)(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)、DCI-P3色(se)(se)(se)(se)(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)或Rec.2020色(se)(se)(se)(se)(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)作為(wei)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun))之間(jian)建(jian)立必然聯系。顯(xian)示(shi)(shi)(shi)設備(bei)的(de)NTSC色(se)(se)(se)(se)(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)指標(biao)(biao)(biao)(biao)無法(fa)(fa)展現(xian)對(dui)(dui)Rec.709、DCI-P3和(he)Rec.2020 色(se)(se)(se)(se)(se)(se)域(yu)(yu)(yu)(yu)覆蓋率，因而(er)無法(fa)(fa)展現(xian)出對(dui)(dui)圖(tu)片(pian)或視頻(pin)源(yuan)數(shu)據的(de)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)彩還原能(neng)力，對(dui)(dui)于消費者來說沒有(you)任何(he)參考價(jia)值。

　　4 總結

　　本文以色度(du)學(xue)原理(li)為(wei)基礎，詳細闡述了(le)不同的(de)色域標(biao)準，分析了(le)顯示屏(ping)(ping)色域范(fan)圍與(yu)色彩(cai)表(biao)(biao)現力(li)和色彩(cai)還(huan)原度(du)之間的(de)關系。基于以上分析可知，傳統LED顯示屏(ping)(ping)產品以NTSC色域作(zuo)為(wei)參(can)數(shu)指標(biao)，無法表(biao)(biao)征(zheng)顯示屏(ping)(ping)對圖片(pian)或視頻源數(shu)據的(de)色彩(cai)還(huan)原能(neng)力(li)，以Rec.709、DCI-P3或Rec.2020色域作(zuo)為(wei)參(can)數(shu)指標(biao)才是對LED顯示產品色彩(cai)表(biao)(biao)現力(li)的(de)科學(xue)表(biao)(biao)征(zheng)方(fang)法。