利用四原色降低顯示器功耗方法的研究

高 寒， 雷志春*， 林長海

(1. 天津大學 微電子學院，天津 300072；2. 四川蘇格通訊技術有限公司， 四川 宜賓，644000)

1 引 言

在信息社會中，顯示器是傳達信息的重要手段。LCD顯示器、OLED顯示器在生活中隨處可見。在上述設備中，顯示面板消耗了大部分功耗[1]，因此降低顯示器的功耗尤為迫切。

紅色(R)、綠色(G)和藍色(B)3種原色是顯示技術中主流的三原色，但是RGB三原色理論無法解釋色盲現象。而顏色對立學說[2](Opponent-process theory)比三原色理論更符合人眼的視覺系統。根據顏色對立學說，綠色和紅色混色形成白色(W)而不是黃色(Y)。現在的RGB系統中，為了兼顧黃色光的重現，對綠原色和紅原色主波長的選取進行折中[3]，而導致三原色可覆蓋的色域范圍縮小。并且黃色是人眼非常敏感的顏色，這意味著相比于紅色或藍色光，黃色光在較低的功耗下可以達到相同的亮度。所以為了達到高亮度或者低功耗的目的，研究者們大多使用RGBY多原色的LCD或者OLED系統。與流行的RGB三原色顯示器相比，使用多原色技術可以顯著降低顯示器的功耗[4-9]。

為了提高LCD顯示器中光線的利用率，大部分研究集中于多原色液晶結構，而不同的研究采用不同的多原色液晶方案[4-7]。例如，RGBY四原色[4]、RGBW四原色[5]、RGBY和青色(C)組成的RGBCY五原色[6]。現在常見的商業化四原色液晶顯示器產品為使用了Quattron技術的夏普LCD-80XU 35A液晶顯示器，其為RGB+Y的四原色液晶顯示方案[7]。但是根據報道可以得知，其功耗達到了470 W，節能效果較差。

對于OLED顯示器，目前也有RGBY四原色像素結構。臺灣友達光電公司已展示帶有黃色子像素的RGBY高清OLED面板[8]。Xiong等人[9]研究了多原色像素結構OLED面板，在擴大色域的同時，可以顯著降低功耗。但是根據混色定理可以得知，特定復合色可以由三原色唯一表達。而在原色增加時，表達特定復合色存在多種可能，系統的復雜程度將急劇提高。

大多數多原色顯示技術的研究側重于擴展色域或降低功耗，對于多原色重新混合所引起的顏色感知問題研究較少，尤其是在色域三角形邊界上的飽和顏色。針對此問題，本文通過人眼光譜光視效率來引入人眼敏感的原色橙色(O)并降低人眼不敏感原色的使用，實驗結果表明，本方法可以顯著降低功耗。在表達顏色之前，通過判斷顏色在色度圖中所屬的位置，進而決定顏色的表達方式。如果目標的顏色處于OGB區域，使用OGB三原色表達，而不使用RGB表達；在表達ROB區域的顏色時，依然使用RGB表達。實驗證明，該方案可以有效降低功耗并且具有極小色差。

2 顏色重新表達原理

2.1 選擇第4種原色

人眼對不同波長的光有不同的敏感度，這可以通過如圖1所示的明視覺人眼光譜光視效率歸一化函數來描述[10]。光譜光視效率函數是在不同顏色產生相同亮度感知的條件下測量的。這意味著在相同亮度的前提下，人眼對該顏色越敏感，產生特定波長光的功率越低，節能效果就越明顯。從圖1可以看出，人類視覺系統對波長為555 nm的黃綠色光線最敏感，對紅色和藍色最不敏感。這意味著，要達到同樣的亮度感知，紅光的輻射通量必須遠大于黃綠色光的輻射通量。因此，用具有較高的明視覺光譜光視效率的顏色代替紅色或藍色可以減少能耗。

圖1 CIE明視覺人眼光譜光視效率函數[10]

根據上述原則，有兩種節能方案可以選擇：一是添加新的原色取代紅色；二是使用新的原色取代藍色。雖然藍色的光譜光視效率比紅色低，但是藍色LED的電光轉換效率(Wall-plug efficiency，WPE)要遠遠高于紅色LED，如圖2所示[11]。本文引入國際電工委員會(International Electrotechnical Commission，IEC)指定的輻射發光效率[12]，來綜合考量紅色或藍色哪種顏色應該被替代。

圖2 LED電光轉換效率[11]

定義輻射發光效率的公式為[12]：

，

(1)

其中：Km為最大光譜光視效能常數，Km=683 lm/W，V(λ)代表人眼明視覺光譜光視效率函數，ηWPE(λ)是對應波長LED的電光轉換效率。輻射發光效率越高，說明在使用該種顏色表達相同亮度時，所需要的能耗越小。

通過計算可知465 nm藍色LED的輻射發光效率為55 lm/W；630 nm紅色LED的輻射發光效率為39 lm/W；530 nm綠色LED的輻射發光效率為106 lm/W。根據如上數據，可以看出如果使用某種輻射發光效率更高的顏色來代替輻射發光效率最低的紅色，可以有效降低能耗。如果試圖在RGB三原色中減少藍色原色的使用，那么不能像紅色原色那樣節省能源，如圖2所示，藍色 LED 的WPE值約為70%，比紅色LED的WPE(只有25%)大得多。

所以本文選擇一個輻射發光效率更高的原色來代替紅色。由圖3可以看出，當第四種原色位于綠色和紅色色度坐標之間時，在表達顏色時才可以代替紅色。例如圖3中添加的原色為Y，在表達YGB三角型的原色可以使用Y代替紅色，從而降低紅色的使用。而在RYB區域中，依然使用RGB表達顏色，因為原色Y的光譜光視效率低于綠色(G)的光譜光視效率。

圖3 CIE 1931 色度圖

首先確定了原色Y位于RG原色之間。接下來，定義函數K來確定原色Y的具體波長。

K=M×ηe(λ)+N×ηe(λR)

，

(2)

其中：M為三角形YGB的面積占RGB區域的比例，N為RYB三角形面積占RGB面積的比例，ηe(λ)是原色Y的輻射發光效率，其隨波長的改變而變化。ηe(λR)是630 nm波長紅光的輻射發光效率。由該公式(2)可知，M值越大，在OGB三角形范圍覆蓋就越大，可使用第四種原色表達的顏色就越多，產生的節能效果就越好。

M和N由上述定義表達為：

M=SYGB/SRGB

，

(3)

N=SRYB/SRGB

，

(4)

根據公式(3)和(4)可知：M和N的值與YGB和RYB的面積有關。如圖4所示，原色Y的色度坐標在RG直線上移動時，不影響三角形的高度h，所以M=LYG/LRG，N=LRY/LRG，LRG、LRY、LYG分別是RG、RY、YG的長度。

圖4 RY和GY線的關系

系數K與波長的關系如圖5所示，由該圖可知當第四原色的波長選擇為590 nm時，K值最大。因此，第四種原色Y 應選擇波長λ= 590 nm的橙黃色。綜上所述，本文選擇使用較為常見的590 nm波長的橙色LED，即為橙色(O)，其在色度圖中的位置如圖6所示。在下文中第四種原色均使用橙色(O)表示。

圖5 K值和波長的關系

圖6 顏色O在CIE 1931 xy色度圖中的位置

2.2 顏色重新表達

在采用RGBO方案進行節能實驗之前，本文將首先討論整個過程，如圖7所示。首先輸入目標顏色數據。再將顏色數據轉換到XYZ色彩空間中，計算出目標顏色的色度坐標。根據色度坐標進行顏色所屬區域的判斷，判斷目標顏色是否落入OGB區域。如果落入OGB區域，則使用OGB混色方程(5)，即可計算出需要三原色LED的開啟強度。如果落入ROB區域，則依然使用RGB進行表達。

圖7 顏色表達流程圖

OGB混色方程如式(5)所示。

(5)

其中，(X,Y,Z)是目標顏色的三次刺激值，(XO,YO,ZO)是橙色(O)LED最大亮度時的三刺激值，OLED為LED的開啟強度，范圍為0～1，即OLED= 0時LED關閉，OLED=即1時LED發光強度最大。對于綠色(G)和藍色(B)，LED是相同的。

由于傳統的多原色需要復雜的算法，例如建立查找表和矩陣切換[13]，使得三原色到多原色的轉換復雜或者效率低下。使用色域分區判斷選擇不同的三原色，可以在降低系統復雜程度的同時，達到準確顯示顏色的目的，并且引入第四種原色來取代人眼不敏感的顏色可以很好地降低顯示系統的功耗。

3 實驗與結果

3.1 實驗裝置組成

在本節中，將進行實驗驗證使用OGB代替RGB混色在表達ΔOGB區域內顏色時的節能效果。

整體實驗裝置主要由3部分組成：四原色LED背光板、控制部分和測量裝置。LED背光板由48個RGBO LED單元組成，如圖8所示。光擴散板放置在RGBO LED背光板前，使混光均勻化。控制部件的核心組件是現場可編程門陣列(FPGA)，用于控制每個LED的開啟強度，例如在0～255之間任意調整LED的強度。FPGA控制還實現了顏色混合功能，即通過不同的原色混合復合顏色。本實驗使用的測量裝置是Konica Minolta的色彩亮度計CS-150。CS-150 配備了具有與人眼光譜光視效率匹配的傳感器。根據說明的要求，色度計垂直放置在LED背光板前方 60 cm。對于每個測試樣點，進行3次重復測量。3個測量結果的平均值作為最終測量結果。整個系統使用5 V穩壓電源進行供電，使用Fluke15B+萬用表進行電流測量，萬用表的測量精度為0.001 A。LED背光板的功耗等于穩壓電源的電壓值與測得的電流值相乘，所以功率測量的精度為0.005 W。

圖8 LED背光板

3.2 色差計算方法

為了保證顯示顏色的一致性，需要評估OGB三原色表達顏色的色度坐標和RGB表達顏色的色度坐標的偏差程度，也就是需要評估不同方案表達顏色的色差。本文引入如下公式計算色差E。

，

(6)

Y=Y

，

(7)

，

(8)

L*=116f(Y/Yn)-16

，

(9)

a*=500[f(X/Xn)-f(Y/Yn)]

，

(10)

b*=200[f(Y/Yn)-f(Z/Zn)]

，

(11)

，

(12)

，

(13)

在上述公式中，x和y表示顏色的色度坐標(x,y)，X、Y、Z代表顏色的三刺激值，Xn、Yn、Zn表示白色D65的歸一化CIE XYZ三刺激值。L*、a*、b*表示某一顏色點在CIE LAB顏色空間中的坐標，L*、a*、b*表示測量的顏色數據的和對比顏色數據之間的差值。

3.3 OGB區域內部顏色對比節能實驗

在CIE 1931 xy色度圖中，為了驗證OGB三原色的節能效果，本文在ΔOGB 三角型區域選擇了 12 個測試點，如圖9所示。在測試時，所選取的 12 個測試點將在相同的亮度下分別使用OGB LEDs和 RGB LEDs進行混色，然后比較這兩種方式混色后背光板的能耗和色差。評估色差是為了保證使用OGB所形成的顏色和RGB形成的顏色在視覺上沒有區別。

圖9 樣點位置示意圖

一般顯示器的亮度范圍為250～350 cd/m2[15]，本文在亮度為300 cd/m2的情況下進行測試。具體步驟如第2.2節中所示。首先把目標顏色的亮度和色度坐標轉換為三刺激值，再將其代入混色方程(5)。根據OGB LEDs的三刺激值，可以計算出OGB每種原色LED需要開啟的強度，同理RGB每種原色LED開啟的強度也可以計算得出。由于本文使用FPGA輸出8位脈寬調制(PWM)信號來控制每一個LED的亮度，需要把每個LED開啟的強度值量化到0～255的范圍內，從而調控LED背光板的顏色。最后分別測量RGB和OGB兩種方案表達出的顏色的亮度、色度坐標和功耗。

實驗結果在表1中給出。表中樣點序號1-RGB代表使用RGB表達顏色樣點1，1-OGB代表使用OGB表達顏色樣點1，x和y代表測量的顏色的色度坐標，亮度和功耗為實際測量得到，ΔE代表色差，節能比例為OGB相比于RGB的節能比例。

表1 RGB與OGB的功耗對比

實驗結果表明，與現階段流行的RGB三原色相比，OGB原色的應用可以節省功耗。與RGB三原色相比，使用OGB三原色表達顏色最大可節省27.33%的功耗，平均節省15.59%的功耗。并且色差ΔE不超過1.9，不會產生明顯的顏色差異。上述實驗結果顯示，對于OGB區域內部顏色，使用橙色代替紅色，在顏色還原準確的前提下可以產生較好的節能效果。

通過上述實驗結果可以分析得出，使用本文提出的顏色轉換方法和LED控制方法，可以將不同方案表達的顏色的亮度差別控制在1% 以內。OGB三原色混色后的色度坐標和RGB三原色混色后的色度坐標雖然不能完全一致，但是色差不超過1.9，不會產生明顯的色差。RGB與OGB的功耗對比結果反映在圖10中。可以看出，在OGB三角形內，使用OGB表達顏色對于所有的測試樣點都有節能效果。

圖10 樣點功耗對比

3.4 OGB區域邊界顏色對比節能實驗

本文將測試使用OGB LEDs重現色域邊界上飽和顏色的節能效果，以及驗證顏色重現的準確性是否會受到不同三原色重新混合的影響。選取的測試點位置如圖11所示。

圖11 測試點位置示意圖

圖12和圖13分別為A1～A8坐標點使用RGB和OGB表達時，功耗和色差的對比。使用OGB重新表達顏色對于RGB方案，功耗平均降低43.2%。由于轉換方法符合混色原理，色差可以控制在1.4以內。

圖12 OB直線上樣點的功耗對比

圖13 OB線上測試點的色差

圖14和圖15分別為OB直線左側的B1～B8坐標點使用RGB和OGB表達時，功耗和色差的對比。可以看出，由于B1～B8測試點位于A1～A8附近，因此兩組的曲線非常相似。重現這些樣點顏色，需要較多紅色分量。根據本文提出的理論，紅色光的使用越少節能效果越明顯。通過計算得出OGB對比RGB平均可以節省40%的功耗。此外，圖15顯示了色差E折線，所有值都小于1。

圖14 OB線左側測試點的功耗對比

圖15 OB線左側測試點的色差

圖16和圖17分別為GB直線左側的C1～C8坐標點使用RGB和OGB表達時，功耗和色差的對比。由于C1～C8坐標點在表達顏色時，需要的橙色/紅色分量很小所以節能效果不顯著。此外，圖17顯示了色差E，所有值都小于2。因此在這些測試點中，所使用的節能方法不會影響顏色感知。

圖16 GB線右側測試點的功耗

圖17 GB線右側測試點的色差

使用RGB和OGB表達D1～D4的功耗和色差結果如圖18和圖19所示。可以平均節省13.4%的功耗。可以看出在OGB具有良好節能效果的同時，重現顏色的色差也較小。證明此節能方法可以在不影響顏色感知的情況下很好地達到節能的目的。

圖18 OG線左側測試點的功耗對比

圖19 OG線左側測試點的色差

3.5 改進的RGBO背光顯示器

上一節中測試了OGB表達顏色的節能特性，表明使用OGB三原色相比于RGB三原色可以產生節能效果。在此基礎上，本文提出一種改進的RBGO背光液晶顯示器方案，使RGBO四原色LED背光板充當液晶顯示的背光源，對比傳統的RGB背光可以顯著降低功耗。顯示時，流程如圖7所示。

本文選取國際標準的測試圖像，以測試RGB和RGBO兩種背光方案的液晶顯示器顯示圖片時的節能效果。液晶顯示器的背光亮度會直接影響功率大小，測試時，RGB背光和RGBO背光均設置為300 cd/m2。實測得RGB背光亮度為302.1 cd/m2，色度坐標為(0.312,0.329)，色溫為6 533 K；RGBO背光亮度為303.5 cd/m2，色度坐標為(0.313,0.327)，色溫為6 509 K，兩種背光的色差ΔE為1.16。采用RGBO背光的液晶屏功耗為5.255 W，采用RGB背光的顯示屏功耗為6.760 W，使用RGBO背光相比較于RGB背光，節能比例可以達到22.26%。

通過比較圖20中的測試結果，可以看出兩種背光的顯示器顯示出的圖像區別較小，人眼不會產生明顯的顏色感知差異。在RGB和RGBO背光亮度基本相同的前提下，使用RGBO四原色背光的液晶顯示器的方案更加節能，證明本文提出的節能方法對于當前主流的液晶顯示器具有良好的節能效果。

圖20 兩種背光的液晶顯示器顯示的圖像

4 結 論

本文根據現代顯示技術的顯示準確和低功耗的要求，提出了使用人眼敏感的橙色代替人眼不敏感的紅色可以產生節能效果的理論。根據色域分區原理，介紹了一種OGB三原色重新表達顏色方法，研究了該方案在與現有三原色系統兼容的前提下，可以達到的節能效果。最后，基于上述理論，本文對OGB三原色表達一些特定色度坐標的節能性能和顏色表達的準確性進行了實驗。實驗結果證明：表達OGB區域內顏色時，使用OGB LEDs代替RGB LEDs最高可以節省49%的能耗，平均可以節省15.59%的能耗。同一顏色在使用兩種三原色方案表達時，色差最大不超過1.9。通過改進的RGBO LED背光液晶顯示器進行了標準圖像的測試。結果表明，使用RGBO方案在降低顯示裝置功耗的同時，可以較為準確地再現原始圖像。本文方法對于目前顯示器節能的要求有很大的借鑒意義。