國外標準關于色彩測量方法的綜述

李　默

(國家廣播電視產品質量監督檢驗中心，北京100015)

國外標準關于色彩測量方法的綜述

李默

(國家廣播電視產品質量監督檢驗中心，北京100015)

摘要:近年來各類多基色顯示設備和顯示系統推陳出新。全面深入掌握顯示設備的工作原理及特性，將有助于更好地發揮其作用，并指導測試。介紹了ICDM、ITU-R BT.1361和中國行業標準SJ/T 11348—2006起草標準中關于色彩測量的方案。色彩測量包括諸基色、補色、灰度、任意顏色的測量，方案由三基色色域面積提出了相對色域面積的概念和測量方法。最后提出以相對色域面積考量顯示色彩還原能力。

關鍵詞:色彩；相對色域面積；色彩還原能力

近年來，國際國內都提出了多基色、基色補色的理論研究和技術實踐，三基色、三補色顯示技術席卷全球，帶來了包括電視機的各類顯示設備的重大色彩顯示革命。從基色和補色的選定、色彩計算、色彩重現的偏差進行單獨色的調整和補償，色彩處理壓縮和傳輸到顯示設備。色彩理論中多基色補色的提出，試圖突破彩色電視機發明50年的三基色顯像原理，給產、學、研各界提出了新的挑戰。尤為引人關注的是針對使用多基色多補色技術的終端的色彩還原能力的考量和檢測，其色彩還原的效果直接影響人們的主觀感受。目前，國際、國內各研究機構都在努力研究和制定多基色標準。國際電信聯盟無線電通信組(ITU-R)于1988年制定基于Pointer色域的寬色域理論[1]，中國行業標準(SJ/T11348—2006)也已對液晶平板電視提出了色彩測量理論[2]。國際顯示計量委員會(ICDM)最近詳細提出了色彩多基色補色的測量和方法[3]。

1色彩測量系統

色彩測量系統是由被測樣機(這里以電視機為例)、標準信號發生器、色度計組成色彩測量系統。圖1是色彩測量系統示意圖。測試端口規定在VGA、DVI、HDMI1.4a中選定，本文只討論使用HDMI1.4a端口進行的測量。目前ICDM、ITU-RBT.1361和中國行業標準SJ/T11348—2006沒有嚴格規定測試信號的格式，但三者一致指出：實際測試時能夠匹配被測樣機即可[1-3]，例如：固有分辨力為1 920×1 080的電視機，輸入給電視1 920×1 080i/50Hz信號。

特別指出的是，本測量的測量樣機是液晶光源的電視機，因此色度計應在測量前以液晶特性的光源進行校正色度值[4]。除了上述以液晶為光源的顯示器外，其他類型光源的顯示器的光譜曲線特性均各不相同，應獲取各個特性曲線的相應的校正值[4]。本次測量使用的色度計是點色度計，目前，顯示質量測量儀器大多采用點亮度計，而用成像式色度計的情況較少，成像式色度計只用來進行與均勻性有關的測量[5]。如采用成像式色度計測量時，其測量絕對值是可用的[5]。關于測量儀器的計量僅在國家行業標準SJ/T11348—2006中有提及[2]，IDMS和ITR-RBT.1361未對此進行具體說明。

關于測量系統的搭建，SJ/T11348—2006規定測量距離為被測屏幕高度的3倍距離，IDMS除為說明測量距離外，其測量系統的搭建和SJ/T11348—2006是一致的(如圖1所示)；而ITU-RBT.1361則未具體說明測量系統設置。

圖1　色彩測量系統示意圖

測量準備工作：ICDM和SJ/T11348—2006均規定從標準信號發生器輸出50%背景的極限八灰階信號，在被測樣機上顯示出該信號。并調整亮度和對比度的設置，使得0%與5%、95%與100%均可恰好分辨，此為測試狀態。圖2是國際顯示計量委員會(ICDM)的50%背景的極限八灰階示意圖。圖3是SJ/T11348—2006的極限八灰度等級信號示意圖。圖2與圖3的區別是測試圖上下邊框內容不同，SJ/T11348—2006測試圖(圖3)的極限八灰階面積大于IDMS(如圖2所示)面積，且SJ/T11348—2006(圖3)的每個灰度矩形占滿屏面積的5%，并且具有與整個顯示圖像一致的幅型比。

圖2　50%背景的極限八灰階示意圖(截圖)

ICDM規定被測樣機的顏色和色溫設置保持出廠默認值。這一點SJ/T11348—2006和ITU-R規定一致。

測量環境的要求：測量應在不受外界電磁場干擾的室內進行。如果干擾影響測量結果，測量應在屏蔽室內進行。測量色度應在暗室內進行，暗室雜散光照度小于或等于1lx。國際顯示計量委員會(ICDM)建議可在色度計前加裝遮光罩，以減小干擾光對測量點結果的影響[3]。圖4是加裝遮光罩的測量示意圖。

圖3　極限八灰度等級信號(截圖)

圖4　加裝遮光罩的測量示意圖

特別指出：嘗試將標準信號發生器和色度計連接在測量系統中時，應考慮將其置于暗室之外，或隔絕其儀器指示燈等發出的一切光源；被測樣機的下邊框待機/開關指示燈需進行遮擋。圖4是一個可行性建議方案。SJ/T11348—2006和ITU-RBT.1361則沒有遮光罩設計方案。

2基色補色和色域面積的測量

2.1基色

IDMS和ITU-RBT.1361是對基色(紅綠藍)和補色(青品黃)測量；SJ/T11348—2006是對基色(紅綠藍)測量。

全場基色，即全紅色場、全綠色場和全藍色場。使用經過計量的色度計對被測樣機的中心進行色度測量，記錄其中心點色度坐標值。圖5是全場基色測量示意圖。

圖5　全場基色測量示意圖

2.2補色

全場補色，即全場青色、全場品紅和全場黃色，補色是紅綠藍三基色合成得到的顏色。使用經過計量的色度計對被測樣機的中心進行色度測量，記錄其中心點色度坐標值。圖6是全場補色測量示意圖。

圖6　全場補色測量示意圖

2.3色域面積

色域面積，即CIE1976 u′v′顏色空間的色度計算面積A。單位：無，此值為百分比值。

首先，按照2.1測量基色的方法，得到紅綠藍色的色坐標值(u′，v′)；如果測量儀器給出了每個測量值的CIE1976(u′，v′)的坐標，則可以直接帶入色域公式進行計算。否則，把每個(x，y)換算為(u′，v′)，利用下面的公式進行換算：

u′=4x/(3+12y-2x)

(1)

v′=9y/(3+12y-2x)

(2)

(3)

注：當被測圖不是白色點時，面積域比體積域更合適來表征顏色。一個均勻顏色空間——CIELUV已經嵌入在它的色度空間中(u′，v′)[6]，已廣泛應用于顯示器行業，例如顯示器屏幕的色度均勻性指標[1-2]。另外，IDMS測量標準中引用了ANSI標準規定的色度測量用色度坐標(u′，v′)。此外，均勻色度空間的面積一直是一個合理的色域數字品質因數[7]。因此，這里提出的度量是由基色(紅、綠、藍)中的色度空間的坐標(u′，v′)所對應得出的三角形面積[8]。以上均被納入到IDMS測量標準中。表1是一組被測樣機的紅綠藍色的坐標值和色域面積值A。

表1被測樣機的樣本數據

基色xyu'v'紅色0.6440.3420.4430.529綠色0.3040.6180.1240.567藍色0.1500.0430.1870.120色域面積A/%36

值得指出的是，上面的色域面積計算結果僅是在色度測量儀器絕對理想情況下得到的值；而實際儀器使用時，肯定在使用過程中逐漸產生誤差，因此必須首先經被測物同類別的光源進行校準后，方可進行測量。測量得到的色度坐標值再經校準因數校準u0′=u′+Δu、v0′=v′+Δv[7]，其中(Δu，Δv)是校準因數。得到修正色度坐標(u0′，v0′)，進而計算得到被測樣機的實際色域面積值A。

比較ITU-RBT.1361與IDMS中的色域面積，以彩條信號各條的色度值為例(如圖7所示)，然后繪出ITU-RBT.1361與IDMS常規色域(即ITU-RBT.709常規色域)比較圖。虛線為IDMS標準色域(ITU-RBT.709常規色域面積)，實線表示的ITU-RBT.1361標準色域面積略大于IDMS常規色域面積[7]。

圖7　ITU-R BT.1361與IDMS(ITU-R BT.709)色域比較

2.4背景畫面對目標測量的影響分析

點亮色度計與成像式亮色度計是亮色度計的兩大類別。成像式亮色度計與點亮色度計的典型差異之一為它以面的形式來成像。相當于多個成像式亮色度計規則性陣列擺放組成。因此，減小使用點亮色度計時的環境光影響，使用遮光罩(如圖4)。

而成像式亮色度計，只要測量畫面稍有不同，即使只是背景變化而被測物沒有變化，成像式亮色度計仍然會得出不同測量結果。因此，用其進行測量時，要使測量區域內剛好是完整的被測物且無其他環境背景進入，這樣就無需增加遮光罩來減少環境光影響；如果增加遮光罩，即遮擋了部分測量點，則改變了被測物測試圖的面積和取樣點數量，影響測試結果。所以結論是，成像式亮色度計不需要遮光罩輔助測試[9]。

2.5摩爾紋效應的影響

由于越來越多的LED背光顯示設備的使用，在本文測量時也面對摩爾效應的問題，因此本文簡要說明消除摩爾紋的措施。

摩爾紋現象是由LED顯示屏的固有結構產生的(圖8是摩爾紋的產生示意圖)，如果使摩爾紋產生的條件——LED顯示屏的網絡結構或是攝像機CCD(CMOS)的網格結構的其中之一消失，理論上就可以完全消除摩爾紋干擾。

由于安裝在亮色度計的前面是一個CCD鏡頭，因此可以采用以下辦法來減輕或消除摩爾紋干擾：

圖8　摩爾紋的產生示意圖

1)為降低摩爾效應發生的幾率，在CCD面陣前安裝有低通濾鏡以降低成像的空間頻率[1]；

2)改變鏡頭角度。由于CCD鏡頭與LED顯示屏的角度會導致摩爾紋，改變亮色度計鏡頭的角度(通過旋轉鏡頭)可以減輕或消除摩爾紋。

3)改變鏡頭焦長、曝光量及光圈(主要針對成像式亮色度計的鏡頭設置)。成像式亮色度計可以組合設置曝光量、光圈值參數，因此用不同的參數設定，來改變或消除摩爾紋。

3相對色域面積

基于上述三基色色域面積理論，IDMS提出相對色域面積概念(ITU-RBT.709)。在色域Aref中的色域面積ADUT所占的比值G：G = ADUT/Aref。其中ADUT為被測樣機的色域面積，Aref為ITU-RBT.709標準在CIE1931的色域面積[3]。表2是相對色域面積的確定示例。

表2相對色域面積的確定示例

標準sRGB(ITU-R BT.709-5)Aref/%33.24白點xWyW其他0.31270.3290D65紅綠藍xRyRxGyGxByB0.64000.33000.30000.60000.15000.0600u'Rv'Ru'Gv'Gu'Bv'B0.45070.52290.12500.56250.17540.1579

圖9是相對色域面積ADUT/Aref，小三角形是ITU-RBT.709標準在CIE1931中的色域面積Aref。通過相對色域面積概念，以ITU-RBT.709標準在CIE1931色域面積為基準值，來考量被測樣機的色彩還原能力，實際用途上更為實用準確。

圖9　相對色域面積ADUT/Aref

4小結

多基色、基色補色是顯示研究領域廣受關注的方向。通過比較ICDM的IDMS1.03草案、ITU-RBT.1361和SJ/T11348—2006中色彩測量的內容，對推動色彩特別是基色補色和相對色域的測量研究以及應用有一定借鑒作用。目前，我國也在顯示設備領域加緊研究制定標準。國家廣播電視產品質量監督檢驗中心已在此基礎上，將其應用在實際測量和科研之中。

參考文獻：

[1]ITU-RBT.1361，Worldwideunifiedcolorimetryandrelatedcharacteristicsoffuturetelevisionandimagesystem[S].1998.

[2]SJ/T11348—2006，數字電視平板顯示器測量方法[S].2006.

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[4]李默.不同光譜特性的電視機在光學測量中的校準[J].電視技術，2011，35(22)：87-91.

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[6]Colorimetry，secondedition：CIEpublication15.2.Vienna：BureauCentralCIE[S].1986.

[7]徐巖，李彥，安永成，等. 寬色域視頻標準ITU-RBT.1361與IEC61966-2-4的分析和比較[J].電視技術，2009，33(3)：93-95.

[8]THORNTONWA.Color-discriminationindex[J].J.Opt.Soc.Amer.， 1972，62：191-194.

[9]溫娜，武曉光，李默，等. 成像式亮色度計測量特性分析[J]. 電視技術，2014，38(S1)：34-37.

責任編輯：閆雯雯

Overviewofforeignstandardsforcolormeasurement

LIMo

(National Testing & Inspection Center for Radio & TV Products of China，Beijing 100015，China)

Abstract:In recent years， various types of multi primary display device and display system to bring forth the new through the old. Comprehensive and in-depth understanding of the work principle and characteristics of the device will help to better play its role， and guide the test. The scheme of color measurement in IDMS， ITU-R BT.1361and China industry standard SJ/T 11348—2006 is introduced. Color measurements include various color， secondary colors， grayscale， any color measurement， a scheme put forward the concept and measuring method of relative color area from the concept of three color gamut area. Finally， the relative color gamut area is proposed to consider the color reduction ability.

Key words:color；relative color area；color reduction ability

中圖分類號:TN949.6

文獻標志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.03.029

收稿日期：2015-10-29

文獻引用格式：李默. 國外標準關于色彩測量方法的綜述[J].電視技術，2016，40(3)：138-141.

LIM.Overviewofforeignstandardsforcolormeasurement[J].Videoengineering， 2016，40(3)：138-141.