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 電子信息工程學院，天津 300072；2.天津師范大學 物理與電子信息學院，天津 300387）

目前，平板電視機已成為家用電視機主流產品，顯示屏多用紅綠藍三基色（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，按現行標準，該范圍不足視覺所能感受顏色范圍的1/3[1]。

目前擴展平板顯示器顏色重顯范圍有兩類方法：將三基色色度坐標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意味著使基色更純，即其光譜分布更窄。對LCD顯示屏，可通過改善冷陰極熒光燈（CCFL）背光源光譜分布，采用發光二極管（LED）背光源，使用色純度更高的濾色膜等實現。對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背光源是擴大重顯色域、提高光源利用率行之有效的方法，已得到實用。采用色純度更高的濾色膜或熒光粉擴大色域的實際效果不夠明顯，且會降低透光率或發光效率，單獨用于平板電視機還不是優選方法，往往與前者共用。

在一個像素由RGB三個基色像元組成的三基色顯示屏基礎上，增加視覺敏感顏色，或光譜能量集中分布顏色的像元，對擴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顯示器已可實用[2]。

本文對四元色LCD顯示器色度特性實測結果進行了分析，重點指出測試三維色度特性的重要意義。

1 色域

LCD電視顯示器發光強度分布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（λ）和濾色膜分光透過率特性F（λ）之積在可見光波長范圍（380～780 nm）內的積分決定，即

LCD電視顯示器能重顯的顏色范圍稱為重顯色域。對RGB三基色LCD電視顯示器，在國際照明委員會CIE 1976 UCS均勻色空間u′v′坐標系色度圖上，重顯色域限定在RGB三角形內，其面積占可見光譜色軌跡包圍面積（0.195 2）的百分比稱為色域覆蓋率[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標準色度觀察者光譜三刺激值曲線。

由圖1和圖2可知，為提高LCD電視顯示器的亮度效率，應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LCD電視顯示器，會降低光源能源利用率，對陰極射線管（CRT）和PDP電視顯示器，會降低熒光粉發光效率。另如下節所述，因自然界并不多見高飽和基色，通過提高三基色純度擴展重顯色域，不會產生明顯的實際效果。為此，近年來出現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。為對比，圖中還示出了按ITU-R BT.709-4（GY/T 155—2000）構建的現行電視系統常規色域及計算機、印刷、數碼攝像等領域廣泛應用的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]，并成為國際電信聯盟ITU-R BT.1361，ITU-R BT.709-4和中國GY/T 155—2000擴展色域高清晰度電視（HDTV）系統的目標色域[5-7]。

高速公路軟土路基的含水量是比較高的，這是因為軟土的核心構成成分是黏土以及淤泥顆粒，其中有一部分顆粒的有機質因為在各種地質環境中沉淀，就讓軟土內部形成了絮狀的結構，這種結構的空隙是相對較小的，不過更多的軟土其內部結構還是具有較大的空隙，含水量也比較高。

Munsell色域是按視覺等距原則，在CIE標準C光源照明下，標識紡織品、塑料制品、染料、涂料、醫藥和化學制品等非熒光表面色的數千種色樣集的色域[8]。

表1列出了由圖3和圖4計算的色域覆蓋情況。

表1 色域覆蓋情況

圖3、圖4和表1表明，常規色域電視系統只能覆蓋寬色域電視目標色域的71.33%，主要靠延拓三基色（主要是綠），色度坐標點的Adobe RGB色域只能覆蓋Pointer色域的83.3%。這說明拓寬現行重現顏色色域、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，所以這對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外，再增加元色數量。

3 多元色LCD電視顯示器

現行常規色域電視系統基于RGB三基色相加混色原理構建，其色度參數列于表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，每個像素由RGB三個基色像元組成，分別由常規色域電視信號解碼的RGB信號激勵。圖5a為一種三基色LCD電視顯示屏的局部放大照片，其實測色度參數列于表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，實測的色度參數列于表2右列，相對功率譜分布如圖6所示。圖5a與圖5b、表2右側兩列相比，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，綠、青和黃附近的顏色重顯范圍有所擴大（見4，5節）。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 三基色電視系統色度參數標準值和四元色LCD電視顯示器色度參數實測值

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

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

4 二維色度圖重顯特性

同等條件下，實測第3節所述四元色和三基色LCD樣品屏的色度參數，依之繪制的xy坐標系二維色度圖如圖8所示。圖中，最外圍實線對應譜色可見光，它限定了人類視覺可識別的顏色光范圍；圓圈實線三角形界定了ITU-R BT.709常規色域；方塊實線三角形內部為三基色LCD樣品屏的重顯色域；虛線三角形內部對應四元色LCD樣品屏的重顯色域。

圖8表明，在xy坐標系，四元色LCD樣品屏的重顯色域明顯超出了常規色域和三基色LCD樣品屏的色域，紅-綠連線和綠-藍連線區超出更多。圖9是圖8中紅-綠（黃）和綠-藍（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屏的重顯色域實際上由三角形變成了四邊形，利于提升重顯色域。

由同一組實測色度參數繪制的u′v′坐標系二維色度圖如圖10所示，其中各標記的含義與圖8相同，圖11是圖10中紅-綠和綠-藍部分的局部放大。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色域和三基色LCD樣品屏色域，紅-藍（品）和紅-綠（黃）區較明顯。

將圖10、圖11與圖8、圖9相比，四元色LCD樣品屏色域對常規色域和三基色LCD樣品屏色域的拓寬，在u′v′坐標系不如在xy坐標系明顯。這是由于兩者分別繪制于均勻色空間和XYZ色空間。這種對比表明，四元色LCD樣品屏在xy坐標系色度圖上對重顯色域的顯著擴大，對人類視覺的貢獻并不那么大。按相關標準[3]，色域用色域覆蓋率衡量，它按 u′v′色空間計算（式（2）），由實測樣品值計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，體現了顏色的三重屬性，對色域的色度學描述更全面。本文測量了四元色LCD樣品屏重顯877個顏色的色度數據，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個實測值在CIE LAB均勻色空間繪制的三維色域圖如圖12中的實心點所示。為了對比，圖12以星形散點形式，同時繪出了Pointer三維色域。

由圖12可見，四元色LCD樣品屏的三維重顯色域遠大于作為寬色域電視系統目標色域的Pointer色域[4-5]。雖因Pointer只給出了明度L*≤90的實測值[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擴大了重顯色域，再次說明黃元色的引入，更易重顯明度高的顏色，并提高了背光源利用率。

6 結束語

本文通過實測不同類型LCD樣品屏重顯RGB色空間眾多色樣的色度參數，分析和研究了它們的色重顯性能。

由實測的色度參數，在不同坐標系繪制的二維色度圖和計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常規色域HDTV系統、ITU-R BT.1361寬色域HDTV系統和RGB三基色LCD樣品屏的重顯色域有明顯擴大。

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

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[1]李彥.寬色域HDTV系統兼容傳輸方案及其重顯研究[D].天津：天津大學，2009.

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