像元、像素、色域及多元色显示器

李桂苓 ，徐岩，李彦，2

（1.天津大学电子信息工程学院，天津 300072；2.天津师范大学物理与电子信息学院，天津 300387）

责任编辑:哈宏疆

笔者在本期《数字电视颜色管理术语》[1]一文中，给出了“像元”、“像素”、“色域”及“多元色显示器”的定义和简要解释，本短文再稍加展开地予以说明。

可见光是波长为380～780 nm的一段电磁波，不同波长的光刺激产生不同颜色视觉，彩色电视系统难以一一传送，而基于“三基色相加混色原理”构建。

按三基色相加混色原理，电视系统将画面分解成足够多的“像素”，各像素由分别发红（R）、绿（G）和蓝（B）3种基色光的“像元”组成，空间相距极近的同一组像元所发基色光被视觉相加混合，感觉为像素的色刺激。

无论电视系统对电视信号处理过程如何复杂，实质上只传送R，G和B 3个独立变量。“独立”指任一基色不能由另一个或另两个基色相加配出，但由配比不同的任意2个或3个基色光却能相加配出众多亮度（明度）、色调（色相）和色饱和度（彩度）不同的颜色光。

《SJ/T 11324—2006数字电视接收设备术语》[2]定义“像素”为“组成一幅图像的全部可能亮度和色度的最小图像单元”。其中的“色度”即“色调”和“色饱和度”。SJ/T 11324—2006虽面向数字电视接收设备，但像素的定义也适用于包括发端在内的整个电视系统，只不过发端和收端分别是将图像分解成像素和把像素合成为图像的过程。

本期《数字电视颜色管理术语》一文中，定义“像元”是“组成一幅图像的最小图像单元”。与“像素”不同，“像元”只能显现不同强度的某种颜色，由一组像元的光相加混合，才能使像素显现“全部可能亮度和色度”。

颜色设备或系统所能表现的图像颜色范围称“色域”。色域大小用“色域覆盖率”衡量。对三基色电视设备或系统，色域覆盖率表示成CIE 1976 UCS色空间u′v′坐标系色度图上三基色色度点围成的三角形面积对闭合的谱色轨迹内面积（0.1952）的百分比。

为提高色域覆盖率，三基色色度坐标点应接近谱色轨迹上的相应“谱色”，即缩窄基色光谱分布。不过光谱越窄，可见光功率谱的利用率越低，越不易获得高发光强度基色。按我国《GY/T 155—2000高清晰度电视节目制作及交换用视频参数值》[3]计算，我国高清晰度电视（HDTV）信号的色域覆盖率理论值约33.24%。

这表明，我国HDTV演播室信号的色域覆盖率不足可见光全部颜色范围的1/3，可见“像素”定义中的“全部可能亮度和色度”也是针对电视系统而言。对三基色电视系统，像素中至少有一个像元不显现时，该像素即呈现100%饱和度，对应的色度点位于色度图中基色三角形外边界，但对视觉可见光范围而言，并非饱和色。与基色三角形外边界不同，其内部各色度点对应的颜色含某一数值的等量三基色量，这些成分相加混合为白色，颜色不再100%饱和。

因三基色电视系统中的颜色光有亮度、色调和色饱和度3重属性，故更应在三维色空间考察。在三维色空间，色域是有界体积。对此，作者设计、生成了三维色空间测试信号，编制了数据处理软件。实测和分析结果表明，对应不同亮度，不同色调，电视系统和显示器的三维色域分布很不一样。本期《数字电视颜色管理术语》一文中，反映了在三维色空间研究颜色的思想，但为有可比性，色域覆盖率仍沿用相关标准，定义于u′v′坐标系二维色度图。

如前所述，基色三角形位于谱色轨迹内部，包括其边界对应的电视系统饱和色，还达不到视觉能感受的饱和度。实际上尽管现行电视信号的色域覆盖率理论值约33.24%，但重显颜色范围可超过该值，这时颜色虽不“保真”，但却能看到更鲜艳、饱和的颜色。目前高动态范围、多次曝光等宽色域摄像机已实用化，计算机已采用宽于电视用的色空间，并能制作、编辑更加饱和的电视节目，国际和我国也都制订了宽色域数字电视演播室标准，某些进口电视机已宣称支持xvYCC宽色域标准。这些情况表明，在现行常规色域电视系统中，开发宽色域显示器和投影机等，也能重显主观感受更好的画面，这将有力促进电视广播的宽色域化。

实现宽色域显示，可选用更接近谱色的基色，也可增加像元数量，或两者同时采用。本期“数字电视颜色管理术语”一文中列出的“多元色显示器”即属于后者。目前已商品化的4元色LCD和5元色LCD显示器，大多选用了色度坐标向谱色移动的绿基色，还分别增设了黄色（Ye）和黄色及青色（C）像元，使得各像素由4种（R/G/B/Ye）或5种（R/G/B/Ye/C）像元组成。这类显示器的重显色域，在二维色度图上由三角形变成四边形或五边形，色域覆盖率提升。在三维色空间，色域为多面体，色域扩大，特别是高亮度区。

有的厂家在CIE 1931 XYZ色度系统xy色度图上表现多元色显示器明显扩大了色域，但因CIE 1931 XYZ色度系统并非建立于均匀色空间，xy色度图上色域的扩大并不会对视觉产生同样的改善，色域覆盖率还应按定义，在CIE 1931 UCS均匀色空间u′v′色度图上计算，结果是提升并不那么明显。不过由于增加黄色、青色像元，光源功率谱中能量相当大的黄色光、青色光得以利用，而可明显提高光能利用率，并因图像“明亮”而改善主观感受。

为激励多元色显示器各像元，需由解码现行电视信号重建的RGB三基色信号，变换为多于3个的调制信号，通过编制和查找查询表（LUT），将重显颜色映射到显示屏的色域。这种变换称为“多元色分解”。由R，G，B 3个独立变量，分解为4个或4个以上激励信号存在自由度，这为改善色重显的主观效果提供了可能。

本期《数字电视颜色管理术语》一文定义“多元色显示器”为“用不同方式使各像素由多于红（R）、绿（G）、蓝（B）3个像元构成的显示器”。之所以称为“多元色显示器”，一方面考虑到早些年国内个别厂家推出“多基色电视机”，当时因其易误解为出现了多于三基色的新电视系统等原因，被业界质疑。同样，目前不宜称“多元色显示器”为“多基色显示器”。另外，对三基色8 bit量化精度电视系统，理论上可显示多达十几兆种颜色，若称“多元色显示器”为“4色显示器”、“5色显示器”或“多色显示器”，易使消费者误解为重显颜色数减少。

此外，按物理模型，称多于3个基色“像元”的显示器为“多元色显示器”较符合汉语习惯。例如货币单位“元”，“化学元素”，“单元”，“元件”，哲学中的“多元论”等，都已在汉语中通用。若称“多元色显示器”为“多原色显示器”，则易理解成“原始”、“原有”，而偏离重显时相加混色最小颜色组成单元之意，而且新加像元显示的颜色是派生出来再参与相加混色的。

本短文说明了像素与像元间的色度学差别；可见光色域（视觉色域）与电视系统色域以及电视信号色域与电视显示器色域间的区别和联系；从物理和语言习惯层面建议命名像元和多元色显示器的考虑等。因属说明性短文，故只用了叙述形式，以节省篇幅，有些语言并不严格（如LCD显示器也笼统地称发光等）。该短文和《数字电视颜色管理术语》一文，希引起业内专家和工程技术人员的关注，经研讨和修改，正确而规范地应用。

[1]李桂苓，徐岩，李彦.数字电视颜色管理术语[J].电视技术，2012，36（2）:90-97.

[2]SJ/T 11324—2006数字电视接收设备术语[S].2006.

[3]GY/T 155—2000高清晰度电视节目制作及交换用视频参数值[S].2000.