三基色顯示設備三維色域的構建及計算

李 彥，李 娜，王 靜，李桂苓

（1.天津師范大學 電子與通信工程學院，天津 300074；2.天津大學 電子信息工程學院，天津 300072）

三基色顯示設備三維色域的構建及計算

李 彥1,2，李 娜1，王 靜1，李桂苓2

（1.天津師范大學 電子與通信工程學院，天津 300074；2.天津大學 電子信息工程學院，天津 300072）

從顏色的三重屬性出發，設計生成了測定顏色亮度、色調和色飽和度的三維色域測試圖，用這些測試圖，對被測顯示器進行了色度測試，得到了不同亮度下的三維色域圖。用切片算法計算了被測顯示器的三維色域，并與筆者之前基于相加混色原理計算的理論三維色域值進行了比較，結果表明二者基本相等。

三維色域；色度測量；體積計算

為實現不同色域信號與不同顯示器件或顯示方式的色域匹配，例如將常規窄色域電視信號展寬，使寬色域顯示器件或寬色域顯示方式得以重顯色彩更飽和的寬色域圖像或視頻畫面，來提高視覺效果，這就是通常所說的色域映射或色域匹配，而這需要以色度測試數據為依據或前提。

目前通用的色度測試是用特定亮度（明度）的二維測試圖，比如我國相關標準規定測定“色域覆蓋率”[1]時，分別測量100%幅度的紅、綠和藍三種滿幅測試圖的色度參數，進而計算重顯三基色限定的色度范圍與可見光色度范圍的比值。實際上，不同顯示器件或顯示方式在不同亮度（明度）下，色域有很大的差別[2]。例如LCD，PDP等平板顯示器，當亮度（明度）提高后，色域大為縮窄，這意味著采用現有技術，這些顯示器不能顯示高亮度（明度）的高飽和色。

本文基于三基色相加混色原理[3]，設計了一套視頻測試圖序列。利用這些測試序列，本文對被測顯示器進行了實際測量，得到了顯示器的實測三維色域，并計算出其體積。同時本文也計算了顯示器理論三維色域體積，并對二者進行了比較。

1 測試圖設計

1.1 三基色相加混色原理

圖1所示為RGB色立方體，其配色規律遵循

圖1 RGB色立方體（截圖）

當三基色R，G，B選取不同的值時，合成色參數不同，圖像呈現不同顏色。因此，理論上講，只要在由基準白信號幅度歸一化的0～1范圍內遍歷取三基色值，那么根據式（1）分別組合，即可得所有色立方體表面及內部顏色，若擬測試顯示設備的最大色域，那么只要選取RGB色立方體的表面顏色即可。

1.2 顏色和灰度階選取

將RGB立方體各邊均分12等份，可得13個值，再把它們按8 bit精度量化，于是RGB取值范圍為[0，255]，如表1所列。這些RGB值的組合，對應色立方體表面的866個點，其中，飽和色469種。由于866種顏色位于RGB色立體的表面，所以由這些顏色點限定的色域范圍就是該系統的最大色域。

另選黑（R=G=B=0）到白（R=G=B=1）間13個灰階色塊（見表1），用來說明顯示設備對黑白圖像的表現能力。

表1 R，G，B均勻13級分級與8 bit量化值的對應關系

2 測試圖布局

根據已確定的色塊數據，本文設計了多色塊和單色塊兩種測試圖模板。多色塊測試模板如圖2所示。測試圖上下各約去除畫面高度的1/9，左右各約去除畫面寬度的1/9。為減小來自測試圖邊緣非有效測量區光線對色度測量的影響，非有效測量區填充黑色。此外，為定位色度計與測試圖間的相對位置，測試圖四邊設白色三角形滿幅標志，中央設測試圖中心標志。而且為減小來自相鄰色塊光線對所測色塊色度參數的影響，各色塊在列和行之間，均間隔足夠的距離（像素），并將之填充黑色。

圖2 多色塊測試圖模板

對具有一次成像功能，并可按標定的測量區來測量、計算和輸出多色塊測試圖各色塊色度參數的CCD面陣型色度計，采用圖2所示復合三維色度測試圖可便捷地進行顯示器的三維色度測量。但多色塊測試圖色塊間易產生干擾，對無一次成像功能的色度計，測試中需頻繁移動色度計，這也給測量帶來不便并易造成誤差。為滿足精確色度測試需求，本文還設計、生成了單色塊測試圖序列，其模板如圖3所示。

圖3 單色塊測試圖模板

單色塊測試模板是將多色塊測試模板中的866個色塊轉化為866個獨立的單色塊測試圖，另外添加了對實驗結果影響較大的11個中性灰色塊測試圖，共計877個單色塊測試圖，每張測試圖中央只有一個色塊，色塊四周均用黑色填充。

3 色度測量

3.1 測試環境設置

測試儀器包括信號發生器、被測顯示器和色度計，按圖4搭建實驗系統。圖中，色度計的光軸與被測顯示器的中心區域正交，h為被測顯示器有效可視高度，d為色度計鏡頭與被測顯示器之間的水平距離，測試距離取h的3倍（HDTV）或4倍（SDTV）。測量在暗室進行，為確保顯示器特性不隨時間產生明顯變化，實測開始前儀器進行30min以上的開機預熱[4]。

圖4 實驗設備示意圖

3.2 實測數據處理

實驗時，將顯示器調到出場設置，然后將877張測試圖進行排序，逐一播放測試圖，對每一張測試圖進行測試，得到顯示器不同亮度下的三維色域實測數據，并可畫出圖5所示的點云圖。從圖5可知，測試數據在三維空間呈現不規則分布。

為簡化計算，下面采用切片法近似計算被測顯示器的實測三維色域。

圖5 顯示器三維色域

顯示器實測數據的L*在[0，100]范圍內，可以10為步長建立測試數據的切片，得L*=0，10，20，…，90，100共11個切片。將實測數據分別投影到距這11個切片最近的切片上，將投影后的數據點云與原數據進行對比，如圖6所示。

圖6 實測數據與切片數據對比

從圖6可以看出，對于顯示器的實測三維點云進行切片投影以后，切片數據包絡的三維色域的范圍與原實測數據包絡的色域范圍基本相同，因此切片數據包絡的三維色域可近似等于顯示器的三維色域。根據切片分層分別計算相鄰切片之間的體積，最后將相鄰切片間的體積進行累加，可得顯示器的三維色域體積。

根據相鄰切片間邊界的相似性，可按多棱臺計算式計算相鄰切面間的體積

式中：Vi為相鄰切片間的體積；Si和Si+1分別為相鄰切片各自的面積；（L*i+1-L*i）為相鄰切片間的高度。將相鄰切片間的體積累加，所得顯示器的三維色域體積為

在CIE LAB色空間，按切片法計算所得被測顯示器的實測色域體積為8.7×105。

3.3 理論三維色域的計算

實測被測顯示器的三基色及參考白的色度學參數如表2所示。按筆者在文獻[5]中所述構建理論三維色域的方法，被測顯示器的理論三維色域如圖7所示。

表2 被測顯示器的色度學參數

圖7 理論三維色域

由圖7可見，理論三維色域邊界比實測三維色域邊界要規則，本文根據Hill’s的理論[6]，將ΔL*=Δa*=Δb*=1看作一個小色立方體，計算理論三維色域所包含的小立方體的數量即為顯示器三維色域的大小。

在CIE LAB色空間，在L*=[0，100]范圍內的亮度平面之間，若以1為單位對色域邊界進行插值，計算每一層的色域邊界包絡的色域面積為SL*，則顯示器的三維色域大小為

最終得到該顯示器的理論三維色域體積大小為8.58×105。

計算值表明，三基色顯示器的實測數據體積（8.7× 105）和理論體積（8.58×105）基本相等。若將實測數據和理論構建的三維色域同時畫在圖8所示的一張圖中，同樣可以看出顯示器實測色域和理論色域基本重合。

4 結束語

本文設計、生成了兩種測試圖序列，它們可用于顯示器的三維色度特性測試。本文用單色塊測試圖序列，實測了LCD顯示器的色度參數，并分析和處理了實測數據，繪制出三維色度圖，計算了相應指標。

圖8 實測色域與理論色域比較

本文的分析、實測和測試數據表明，顯示器重顯不同亮度（明度）信號的色域變化很大，以二維色度測量表示顯示器的色度特性具有一定的局限性。

為定量評價顯示器的三維色重顯特性，本文由實測數據計算了三維色域體積，并與其理論值進行了比較。對被測LCD顯示器，在CIE LAB色空間，二者分別為8.7× 105和8.58×105，誤差約1.4%，二者基本吻合。

希望本文的工作引起業界對顯示器色重顯特性，特別是三維色重顯特性的關注，改善顯示器色重顯性能，特別是重顯不同亮度信號時的色性能。

[1]劉全恩.色域及色域覆蓋率[J].電視技術，2004，28（11）：48-51.

[2] MATSUMOTO T.xvYCC:a new standard forvideo systems using ex?tended-gamut YCC color space[C]//Proc.SID 06 digest.[S.l.]：SID Press，2006：1130-1133.

[3]胡威捷，湯順青，朱正芳.現代顏色技術原理與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2007.

[4] 李彥，王靜，李娜，等.四元色液晶顯示器色溫與色重顯性能的研究[J].電視技術，2013，37（2）：36-39.

[5] LIYan，LINa，WANG Jing，et al.Construction and evaluation of three-dimensional gamut for UHDTV based on the additive color mixing principle[J].Applied Mechanics and Materials，2013（303-306）：2086-2089.

[6] HILL B.Comparative analysis of the quantization of color spaces on the basis of the CIELAB color difference formulate[J].ACM Trans. Graph，1997（16）：109-154.

李 彥，女，副教授，博士，從事信號與信息處理、數字視頻與多媒體技術教學、科研工作；

李 娜，女，碩士，進行色度學和顯示器色度特性評價研究；

王 靜；女，碩士生，進行色度學和顯示器色度特性評價研究；

李桂苓，教授，博士生導師，從事信號與信息處理、數字視頻與多媒體技術教學、科研工作。

Construction and Calculation of Three Dimensional Gamut of Three Primary Colors Displayer

LI Yan1,2，LI Na1，WANG Jing1，LI Guiling2
（1.College of Electronic and Communication Engineering,Tianjin Normal University，Tianjin 300074，China；2.Electronic Information Engineering Institute,Tianjin University，Tianjin 300072，China）

According to three properties of colors,test patterns of three dimensional gamut to test the luminance(brightness), hue and saturation of colors are designed and generated.Chromaticity parameters of the tested displayer are measured with these test patterns,and three dimensional gamut patterns under the different brightness are got.In this paper,three dimensional gamut volume of the tested displayer with slicing algorithm is also calculated and compared with theoretical three dimensional gamut value based on additive color mixture theory.The result shows that the both are basically equal.

three dimensional gamut;colorimetric measurement;volume calculation

TN873

A

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2014-01-14

【本文獻信息】李彥，李娜，王靜，等.三基色顯示設備三維色域的構建及計算[J].電視技術，2014，38（21）.

天津師范大學博士基金項目（52XB1006）