多元色液晶电视显示器色重显特性

李桂苓，李 彦,2，潘 榕，徐 岩

（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）

目前，平板电视机已成为家用电视机主流产品，显示屏多用红绿蓝三基色（RGB）液晶（LCD）或等离子体（PDP）显示器件，可重显的颜色范围（色域）限定在色度图中的RGB三角形内，按现行标准，该范围不足视觉所能感受颜色范围的1/3[1]。

目前扩展平板显示器颜色重显范围有两类方法：将三基色色度坐标向谱色延拓和采用多元色显示屏。

向谱色延拓基色色度坐标意味着使基色更纯，即其光谱分布更窄。对LCD显示屏，可通过改善冷阴极荧光灯（CCFL）背光源光谱分布，采用发光二极管（LED）背光源，使用色纯度更高的滤色膜等实现。对PDP显示屏，可使用色纯度更高的荧光粉。改善CCFL光谱分布或采用LED背光源是扩大重显色域、提高光源利用率行之有效的方法，已得到实用。采用色纯度更高的滤色膜或荧光粉扩大色域的实际效果不够明显，且会降低透光率或发光效率，单独用于平板电视机还不是优选方法，往往与前者共用。

在一个像素由RGB三个基色像元组成的三基色显示屏基础上，增加视觉敏感颜色，或光谱能量集中分布颜色的像元，对扩大重显色域或提高光源利用率，原理上更加有效。目前，增加黄色像元并使绿色更纯的四元色（RGBYe）LCD显示器已商品化，更多元色LCD显示器已可实用[2]。

本文对四元色LCD显示器色度特性实测结果进行了分析，重点指出测试三维色度特性的重要意义。

1 色域

LCD电视显示器发光强度分布I（λ）如式（1）所示，主要由背光源分光分布B（λ）、液晶板分光特性L（λ）和滤色膜分光透过率特性F（λ）之积在可见光波长范围（380～780 nm）内的积分决定，即

LCD电视显示器能重显的颜色范围称为重显色域。对RGB三基色LCD电视显示器，在国际照明委员会CIE 1976 UCS均匀色空间u′v′坐标系色度图上，重显色域限定在RGB三角形内，其面积占可见光谱色轨迹包围面积（0.195 2）的百分比称为色域覆盖率[3]，为

图1a、图1b分别示出了目前采用较广的CCFL和LED背光源LCD电视显示屏的典型光谱分布。两者均呈带状，RGB都不是谱色，前者除主峰外还有副峰，而使基色更加偏离谱色，缩窄了重显色域。

图2示出了CIE 1931标准色度观察者光谱三刺激值曲线。

由图1和图2可知，为提高LCD电视显示器的亮度效率，应尽量使显示器绿基色的谱峰与观察者刺激值yˉ（）λ的峰一致。此外，为获得较宽的重显色域，应缩窄显示器三基色特别是绿基色的谱。但缩窄基色的光谱范围，对LCD电视显示器，会降低光源能源利用率，对阴极射线管（CRT）和PDP电视显示器，会降低荧光粉发光效率。另如下节所述，因自然界并不多见高饱和基色，通过提高三基色纯度扩展重显色域，不会产生明显的实际效果。为此，近年来出现了多元色电视显示器。

2 色域拓展

图3和图4分别在u′v′色度图上示出了Pointer色域和Munsell色域。为对比，图中还示出了按ITU-R BT.709-4（GY/T 155—2000）构建的现行电视系统常规色域及计算机、印刷、数码摄像等领域广泛应用的Adobe RGB宽色域色空间的色域。

Pointer色域是Pointer从4 089种色样中选出576种物体真实表面色界定的自然界和人工生成彩色的最大色域[4]，并成为国际电信联盟ITU-R BT.1361，ITU-R BT.709-4和中国GY/T 155—2000扩展色域高清晰度电视（HDTV）系统的目标色域[5-7]。

高速公路软土路基的含水量是比较高的，这是因为软土的核心构成成分是黏土以及淤泥颗粒，其中有一部分颗粒的有机质因为在各种地质环境中沉淀，就让软土内部形成了絮状的结构，这种结构的空隙是相对较小的，不过更多的软土其内部结构还是具有较大的空隙，含水量也比较高。

Munsell色域是按视觉等距原则，在CIE标准C光源照明下，标识纺织品、塑料制品、染料、涂料、医药和化学制品等非荧光表面色的数千种色样集的色域[8]。

表1列出了由图3和图4计算的色域覆盖情况。

表1 色域覆盖情况

图3、图4和表1表明，常规色域电视系统只能覆盖宽色域电视目标色域的71.33%，主要靠延拓三基色（主要是绿），色度坐标点的Adobe RGB色域只能覆盖Pointer色域的83.3%。这说明拓宽现行重现颜色色域、研制宽色域电视显示器很有必要。为此，拓展三基色色度点虽可提升色域覆盖率，但因自然界或人工生成的饱和度很高的基色并不多见，所以这对提高物体表面色的覆盖率不一定有效。拓宽色域的另一途径是除向谱色方向拓展三基色色度坐标外，再增加元色数量。

3 多元色LCD电视显示器

现行常规色域电视系统基于RGB三基色相加混色原理构建，其色度参数列于表2左列，色域覆盖率理论值为33.24%。目前重显电视图像多用LCD或PDP显示器，每个像素由RGB三个基色像元组成，分别由常规色域电视信号解码的RGB信号激励。图5a为一种三基色LCD电视显示屏的局部放大照片，其实测色度参数列于表2第2列。图5b为四元色LCD电视显示屏样品的局部放大照片，实测的色度参数列于表2右列，相对功率谱分布如图6所示。图5a与图5b、表2右侧两列相比，四元色较三基色LCD电视显示屏增加了黄色像元（Ye），并向谱色延拓了绿元色色度坐标，绿、青和黄附近的颜色重显范围有所扩大（见4，5节）。图6表明，新加黄色像元可充分利用背光源中能量较高的黄光，加上青色亦为高亮度敏感颜色，对改善重显图像的主观效果和提高背光源利用率有利。

表2 三基色电视系统色度参数标准值和四元色LCD电视显示器色度参数实测值

按图7所示原理，可构造元色数更多的六元色LCD显示屏。它采用两组色度参数不同的RGB像元，轮流切换，共同组成一个像素。

多元色显示器重显现行常规色域电视图像，需由解码的RGB信号变换为各像元的激励信号，利用映射中存在的冗余度，可得不同主观感受图像，改善视觉效果。

4 二维色度图重显特性

同等条件下，实测第3节所述四元色和三基色LCD样品屏的色度参数，依之绘制的xy坐标系二维色度图如图8所示。图中，最外围实线对应谱色可见光，它限定了人类视觉可识别的颜色光范围；圆圈实线三角形界定了ITU-R BT.709常规色域；方块实线三角形内部为三基色LCD样品屏的重显色域；虚线三角形内部对应四元色LCD样品屏的重显色域。

图8表明，在xy坐标系，四元色LCD样品屏的重显色域明显超出了常规色域和三基色LCD样品屏的色域，红-绿连线和绿-蓝连线区超出更多。图9是图8中红-绿（黄）和绿-蓝（青）部分的局部放大。图8、图9表明，由于黄元色的引入，四元色LCD屏的重显色域实际上由三角形变成了四边形，利于提升重显色域。

由同一组实测色度参数绘制的u′v′坐标系二维色度图如图10所示，其中各标记的含义与图8相同，图11是图10中红-绿和绿-蓝部分的局部放大。图10、图11也表明，四元色LCD样品屏的重显色域总体上大于常规色域和三基色LCD样品屏色域，红-蓝（品）和红-绿（黄）区较明显。

将图10、图11与图8、图9相比，四元色LCD样品屏色域对常规色域和三基色LCD样品屏色域的拓宽，在u′v′坐标系不如在xy坐标系明显。这是由于两者分别绘制于均匀色空间和XYZ色空间。这种对比表明，四元色LCD样品屏在xy坐标系色度图上对重显色域的显著扩大，对人类视觉的贡献并不那么大。按相关标准[3]，色域用色域覆盖率衡量，它按 u′v′色空间计算（式（2）），由实测样品值计算的色域覆盖率已列于表2。

5 三维色空间重显特性

三维色空间增加了明度（亮度）信息，体现了颜色的三重属性，对色域的色度学描述更全面。本文测量了四元色LCD样品屏重显877个颜色的色度数据，这些颜色分布于RGB色空间色立体的表面，可依之界定该屏的三维色域。以这877个实测值在CIE LAB均匀色空间绘制的三维色域图如图12中的实心点所示。为了对比，图12以星形散点形式，同时绘出了Pointer三维色域。

由图12可见，四元色LCD样品屏的三维重显色域远大于作为宽色域电视系统目标色域的Pointer色域[4-5]。虽因Pointer只给出了明度L*≤90的实测值[4]，不能比较全部明度色域的情况，但图12还是清楚地表明，四原色LCD样品屏特别是在明度维度上更加显著地扩大了重显色域，再次说明黄元色的引入，更易重显明度高的颜色，并提高了背光源利用率。

6 结束语

本文通过实测不同类型LCD样品屏重显RGB色空间众多色样的色度参数，分析和研究了它们的色重显性能。

由实测的色度参数，在不同坐标系绘制的二维色度图和计算的色域覆盖率表明，增加了黄元色的RGBYe四元色LCD样品屏，较ITU-R BT.709常规色域HDTV系统、ITU-R BT.1361宽色域HDTV系统和RGB三基色LCD样品屏的重显色域有明显扩大。

由实测的色度参数，在CIE LAB均匀色空间绘制的三维散点图表明，在三维色空间，RGBYe四元色LCD样品屏扩展重显色域的效果更加明显，特别是在高明度区更加显著，这意味着黄元色的引入，不仅改善了色重显，而且对利用背光源中的高亮度区能量有显著效果。

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[1]李彦.宽色域HDTV系统兼容传输方案及其重显研究[D].天津：天津大学，2009.

[2]SUGIURA H，KANEKO H，KAGAWA S，et al.Improved six-primary-color23-in WXGA LCD using six-colorLEDs[EB/OL].[2012-04-01].http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-XDYS200509005.htm.

[3]SJ/T 11343—2006，数字电视液晶显示器通用规范[S].2006.

[4]POINTER M R.The gamut of real surface colours[J].Color Research and Application，1980，5（3）：145-155.

[5]ITU-R BT.1361，Worldwide unified colorimetry and related characteristics of future television and imaging systems[S].1998.

[6]ITU-R BT.709-4，Parameter values for the HDTV standards for production and international programme exchange[S].2000.

[7]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.

[8]MIELE M.Colour concepts and the Munsell system[J].Color Research and Application，2004，29（3）：247-248.