LCD液晶顯示器的顏色特性研究

周澤宏

（深圳市弘電顯示技術有限公司，廣東深圳 518000）

液晶顯示器的顏色特性化模型有著多種多樣的類型，如分段分空間模型、三維查找表模型。在這些模型中，精度相對較高的主要為3D 的0.83個色差單位，其他均維持在1個色差單位之上。隨著現代計算機技術、信息技術的快速發展，近年來，一些較為精確的顏色和視覺評價試驗均在顯示器方面進行。這些試驗精度相對較高，所以對于顯示器特性化精度也提出了更加嚴格的要求。顏色特性化相對于全局特性化主要是指對某個顏色中心小范圍進行特性化，所使用的局部特性化方式均可以實現小范圍內精確控制液晶顯示器顯示顏色及色差，從而作為顏色與視覺評價實驗在液晶顯示方面提供特性化的依據。

1 LCD液晶顯示器及顏色特性概述

LCD 液晶顯示器主要是指平面超薄的顯示設備，其主要是使用一定數量的彩色或黑白像素共同構成，并放置于光源或反射面前方。其功耗相對較低，所以備受工程師歡迎，較為適用使用電池的電子設備。

LCD 液晶顯示器的主要原理在于以電流進行液晶分子產生點的刺激，從而使其點、線、面配合背部燈管形成畫面。

目前LCD 液晶顯示器在人們的生活中應用較為廣泛，如計算器、電子表、掌上游戲機。依據分子結構排列的不同，大致可分為3 種：類似粘土狀的Smestic 液晶、類似棉花棒的Nematic 液晶、類似膽固醇狀的Choleseic 液晶，由于物理特性不相同，用于液晶顯示器的主要為類似棉花棒的Nematic 液晶。

LCD 液晶顯示器具有對人體、眼睛無損傷以及無輻射的應用優勢，在彩色圖像顯示中應用范圍較廣，而由于顯示原理存在一定的差異，其顏色顯示特性與色域對顯示圖像的顏色質量有著直接的影響。

為明確LCD 液晶顯示器彩色圖像顯示質量的影響，需要重點研究其顏色的顯示特性以及顏色表現范圍與標定方式。在使用彩色LCD 面板顯示顏色圖像過程當中，每一個像素均是由3個液晶單元格共同構成，每一單元格前都有著紅色、藍色與綠色的過濾器，通過不同單元格光線與屏幕當中所顯現。不同顏色LCD 液晶顯示器中的紅、藍、綠、綠色器顏色特性和照明光源性能在確定以后，彩色LCD 顯示器顏色特性與色域范圍可得到基本確定。

從顯示設備角度來說，無論是LCD 液晶顯示器還是CRT 液晶顯示器，在顏色、空間方面均設定為RGB 空間，主要是通過RGB 值來進行彩色圖像顏色和區分每一像素點顏色差異的表示，但相同的RGB值在不同顏色設備當中會顯示出不同的顏色，這也就意味著同樣的RGB 值對于不同設備會表現出明顯的顏色差異。

從視覺角度來講，顏色視覺的差異性主要是利用CIELAB 標準顏色空間予以衡量，如RGB 空間作為設備輸入CIELAB 顏色空間是屬于設備的輸出。如果彩色圖像的RGB 值分別輸入不同顏色設備當中，則彩色圖像的輸出值會出現很大的差異性，導致彩色圖像發生失真。相反，同樣的輸出彩色圖像值在不同顏色設備、中對應不同RGB 值，如果希望CRT 與LCD液晶顯示器上顯示的彩色圖像顏色保持一致，需要在LCD 與CRT 液晶顯示器所對應的各個像素點RGB值保持不同。在這一過程中，CRT 顯示器從RGB 值到輸出彩色圖像值之間的關系可以稱為顏色設備的特性化。LCD 液晶顯示器從彩色圖像輸出值到RGB 值之間的關系則稱為顏色設備標定，其本質屬于設備顏色空間RGB 與視覺標準顏色空間CIELAB 之間的關系呈現出映射關系，一旦關系不確定，則彩色圖像在任意CRT 液晶顯示器和LCD 液晶顯示器予以顯示過程中，必然會發生顏色視覺失真。

目前RGB 與彩色圖像輸出值之間的映射關系構建必須要建立在準確測量RGB 值和其所對應的彩色圖像輸出值基礎上，也就是視覺顏色感受定量描述，再以此為基礎，運用模型法與神經網絡法和三維查表法來進行所有色域點映射關系的構建。

2 LCD顏色特性測試與RGB空間和CIELAB空間映射關系的構建

在進行LCD 液晶顯示器顏色特性測試實驗時，需要選定合適的計算機設備。為了能夠實現對人眼觀察的模擬，在測試時，其側視角需要垂直于LCD 顯示屏面，LCD 液晶顯示器RGB 顏色空間屬于立方體模型，主要為256×256×256，為能夠詳細地描述色域邊界的變化狀態，采樣點的選擇需確定為不均勻的分割方法，在邊界面每隔32取1采樣點，內部需要每隔48取1采樣點，共選擇512個采樣點。

在得到具體的采樣點數據后，需選擇三維查表法來建立RGB 與彩色圖像輸出值之間的映射關系，并從正向RGB 向彩色圖像輸出值之間的查找表建立。在此過程中，非采樣點輸出值必須要通過與其相鄰已知的8個點的線性插值方能夠獲取，而出于RGB 空間采樣點選擇屬于均勻有序考慮，所以非采樣點相鄰點可以依據一定的規律予以確定，從逆向彩色圖像輸出值到RGB 值查找表的建立中采樣點的彩色圖像數值分布屬于不均勻狀態，且并無規律可言，當輸入采樣點的彩色圖像輸出值時，其相鄰8個點的彩色圖像輸出值查找難度較高，無法運用插值方法來予以計算，所以需要通過三維檢索匹配方法逐步予以逼近，并建立逆向的映射關系，依據所建立的RGB 空間和CIELAB 空間映射關系確定，采樣點當中選取256個數據計算轉換誤差，并隨機由空間當中進行9個檢驗點的抽取予以轉換誤差分析，從采樣點角度來說，由RGB 值到彩色圖像輸出值的正向映射與從彩色圖像輸出值到RGB 值的逆向映射，均能夠準確查找到樣本數據，所以并無明顯色差。

從測試點角度分析，由RGB 到彩色圖像輸出值正向映射表實際來講，最大的色差顯示為1.2546，平均色差則為0.5681，如圖1所示。

圖1 由RGB向彩色圖像輸出正向轉換色差分布

由圖1可以看出，其轉換色差較為明顯，而由彩色圖像輸出直到RGB 值逆向映射實際數據來講，最大色差為4.3122，平均色差則為1.4105，其轉換色差分布圖如圖2所示。

由圖2可以看到，從正向轉換來講，無論在采樣點還是測試點，轉換精度有所保障，原因在于測試點是依據相鄰采樣點差值計算，所以其在相鄰點構成的立方體之范圍之內轉換色差主要是由采樣點密度予以確定，一旦提高采樣點密度，則色差相對較小，轉換精度會隨之提升。而逆向轉換結果和正向相比而言，測試點色差相對較大，原因在于三維搜索匹配方法在逐步進行逼近時，會容易陷入局部極值點。

圖2 由彩色圖像輸出向RGB逆向轉換色差分布

3 LCD顏色特性對彩色圖像顯示所產生的影響分析

根據上述相關實驗數據，確定邊界點在CIELAB空間中可標識出LCD 色域，前期進行相關CRT 研究過程中所采用的顯示器設備CRT 色域，通過分析比較后，可以得出LCD 液晶顯示器的顯示色域相比CRT 要較小，而且可完全包含在其中，這一特性也就表示CRT 可以表現出的圖像顏色，卻無法在LCD液晶顯示器上予以表現。而從顏色視覺感知屬性角度而言，通過相關研究，其所表現的顏色、明度、色調范圍以及彩度都有著一定的差異性。所以LCD 液晶顯示器的顯示色域被CRT 完全包含在內。

從色域明度角度分析，LCD 液晶顯示器可以表現出的明度范圍確定為83，CRT 的明度范圍則確定為101，所以兩者之間存在18個名度單位，由此可以發現，LCD 幾乎是CRT 顏色明度范圍的1/5，也就意味著顏色明度的表現當中，LCD 液晶顯示器在進行CRT 圖像顏色顯現時，會存在1/5明度范圍的顏色無法再現的情況，許多高明度顏色常會在LCD 液晶顯示器上表現為失真狀態。

從色域的色調和彩度而言，紅綠軸方面LCD 與CRT 之間相差52 個單位，在黃藍軸方面，LCD 與CRT 之間相差40個單位，而LCD 與CRT 色域分別投影的彩色圖像輸出平面可以看出分別。

從攝于立體各頂點投影點分析，LCD 色調平面中，除紅色之外，其他各頂點均與CRT 存在很大差異，并且基本都處在CRT 的邊界內，其中藍色點與綠色點有著最大的差異性，其次為黃色和青色以及品紅色，使用LCD 液晶顯示器去進行CRT 上所顯示全色域彩色圖像的再現時，更多是藍色區域、綠色區域顏色無法實現再現，而紅色區域則可實現顏色的再現相對較多。

從另一層面來講，如果彩色圖像具有相同的RGB 值，則從輸入LCD 液晶顯示器與CRT 液晶顯示器之后，如果沒有進行任何標定，則其所體現出的各色域頂點顏色均存在一定差異。例如，CRT 液晶顯示器中的黃色點主要由于其坐標相比LCD 液晶顯示器坐標值更小，而黃色值更大，所以會表現出明顯的偏黃綠色。同理，可以得出其他各頂點顏色發生失真的偏色實際情況，而由于顏色特性存在的差異性，LCD 液晶顯示器顯示色域相比CRT 液晶顯示器相對較小，同時基本上被完全包含其中，所以當彩色圖像輸出到LCD 液晶顯示器與CRT 液晶顯示器上時，在CRT 液晶顯示器上往往可以表現出完整的圖像顏色，但卻無法在LCD 液晶顯示器上完全予以表現，而顯示器被標定后，這種顏色發生失真的問題則需要利用色域映射予以妥善解決。

4 結束語

通過對彩色LCD 液晶顯示器設備顏色空間RGB值與標準顏色空間CIELAB 之間對應關系的測定與建立，從而獲取了相關顏色的顯示特性，而依據這種對應關系的分析，運用查找表方法進行設備顏色顯示特性化描述的建立，為LCD 顯示器間的標定提供了依據。通過對標準顏色、空間邊界關系得到了顏色表現范圍的分析，以及對比CRT 液晶顯示器可以得知顏色失真的主要色調區，所以為能夠實現液晶顯示器顯示彩色圖像時顏色發生失真的一些基本規律和有效解決彩色圖像在LCD 液晶顯示器傳輸過程中顏色失真問題的解決，可以以文章研究提供一些理論與數據支持，具有一定的參照意義。