平板显示图片色彩构成分析

万翔宇，梅兴安，田永红，熊艳

（长江大学物理与光电工程学院，湖北荆州434023）

进入21世纪后，平板显示技术的不断进步对网络和信息技术的发展起着至关重要的作用，显示技术的不断发展和成熟会给人们带来更加丰富、真实的色彩感受。液晶显示器（LCD）因其体积小、功耗低、失真小等优点曾在平板显示行业占有很大份额，而由于其采用冷阴极荧光灯（CCFL）作为背光源，无法让显示器达到宽广的色域显示范围，最新的有机发光二极管（OLED）显示技术具有轻薄、成本低、可视角度大、显示色彩更丰富等优点［1～3］。然而不同纬度的地区所拍摄的图片受日照、色彩差别等因素的影响，图片中的颜色组成不同及使用的电视制式区别，会造与平板显示的差异［4，5］。而在当前全球互联网大数据时代的背景下，互联网视频规模的不断发展壮大，对平板显示的性能提出了更高的要求，彩色人物图片是平板显示的重要素材，深入了解平板显示中彩色人物图片的颜色组成与纬度的关系及不同电视制式的影响，对当前显示技术的真实色彩还原有着重要参考意义。

笔者所选取的3个纬度差异明显的地区分别为纬度为55～70°N的欧洲北部地区、30°N的中国中部地区及纬度为0°N的赤道地区［6］。从互联网中随机选取了上述3个地区各500张彩色人物图片，利用Matlab软件分析其颜色组成，探究不同纬度地区人物图片的颜色组成差别，同时探讨了照片修改前后颜色组成的改变，以期为平板显示技术的彩色还原研究提供参考。

1 试验原理与方法

对于日常生活中平板显示的彩色人物图片，通常采用RGB色彩模式。RGB色彩模式作为工业界的一种颜色标准，是通过对红（R）、绿（G）、蓝（B）3个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色的，这个标准几乎包括了人类视力所能感知的所有颜色，是目前运用最广的颜色系统之一［7～9］。目前的显示技术大都是采用了RGB颜色标准，在传统的阴极射线管显示器（CRT）上，是通过电子枪打在屏幕的红、绿、蓝三色发光极上来产生色彩的，一般显示32位颜色，约有一百万种以上的颜色［10］。LCD平板显示技术是用红、绿、蓝3块液晶板分别作为红、绿、蓝三色光的控制层，光源发射出来的白色光经过镜头组后会聚到分色镜组，3种颜色的光在棱镜中会聚，最后由投影镜头投射到屏幕上形成一幅全彩色图像［11］。对于发展迅速的LED领域则利用三合一点阵全彩技术，一个发光单元里由RGB三色晶片组成全彩像素［12，13］。

因此，试验中所取的均为RGB颜色模式下的彩色人物图片来进行分析。在地理纬度上，分别取欧洲北部、中国中部、赤道地区3个纬度由高到低、具有代表性的3个区域。图片数量各为500张，格式统一选定日常使用最广泛的JPEG格式。然后利用Matlab软件对3个纬度地区的500张彩色人物图片的颜色组成进行采样统计分析。在统计分析中，首先通过Matlab软件读取一张照片的RGB值，将读取的数据转化为CIE XYZ色空间坐标［9］，并对数据的峰值、范围进行分析，通过比对CIE标准色度系统，统计出各颜色组成的概率。然后将相同纬度地区的500张彩色人物图片的分析结果进行统计取平均，最后再和其他纬度地区的分析结果在颜色组成概率峰值、白光的概率分布、色域分布等进行对比。

2 不同纬度地区彩色人物图片颜色组成对比分析

通过Matlab软件统计不同纬度地区彩色人物图片的颜色组成，并将不同纬度地区的人物图片颜色的概率分布标记为色品图，如图1所示。由于太阳辐射能量主要集中在可见光区域，图片中可见光所占比例应最大［14］。通过以上统计结果，可以发现波长从500nm到540nm的绿光及波长从400nm到470nm的蓝光在统计中所占比例很低，而白光所占比例较高，且在x＝（0.31～0.4）、y＝（0.31～0.4）区域内白光所占成分最大。

图1 彩色人物图片的颜色分布色品图

为更直观地对比不同纬度地区人物图片的颜色分布，图2给出了各CIE色坐标对应的色彩使用的比率，不同纬度地区人物图片颜色的峰值坐标见表1。

图2 不同纬度地区人物图片的颜色组成统计结果三维图

由以上统计结果可以看出，峰值所对应的坐标恰为等能白光（E光）的坐标值，即（0.33，0.33），不同纬度地区的颜色都较集中在非饱和的白光区域，其中北欧地区色域中等能白光的概率最高，为18.84%，中国中部地区次之，赤道地区的白光概率相对最低，为17.53%。由于大气层的厚度随纬度的减小而增加，对阳光的吸收随纬度的减小而增大，同时人种肤色的深浅由纬度的降低而加深，造成人物图片中的白光峰值随纬度的减小而减少［5，15］。

表1 不同纬度地区颜色组成统计结果的峰值坐标

为进一步分析色空间坐标在（0.31～0.40，0.31～0.40）白光范围内的概率分布，将3个不同纬度地区的统计结果中白光部分的结果列于表2。

表2 不同纬度地区白光的概率分布

由表2可见，各地区白光的概率分布规律大致相同，但北欧地区白光在偏低色温（0.31～0.34，031～0.34）所占比例（42.6787%）高于赤道地区的（38.5629%），而赤道地区白光在偏高色温（0.37～0.40，0.37～0.40）所占比例（6.6236%）高于北欧地区的（4.3757%），相同色温的白光比例随纬度减小而增大。由于随着越高纬度地区的人种肤色更浅，对应比例的白光色温也会随之偏低，且低纬度地区的气候温度、植被丰富程度都会增加偏高色温白光的比例［14，15］。

3 不同纬度地区彩色人物图片颜色分布比例对比分析

为对比不同纬度地区的人物图片中颜色分布上的区别，将图片所分析的颜色数据划入不同的CIE颜色区间中，如表3所示。

表3 不同纬度地区颜色分布比例对比

由表3可以看出，除白光外其他颜色光的总和随纬度增大而递减，从赤道地区的11.43%到中国中部地区的10.89%及北欧地区的10.37%依次递减了0.5%。说明图片中颜色的丰富程度与纬度的高低成反比，纬度越低颜色越丰富。这是由于人物图片中人种的肤色随纬度减小而加深，同时低纬度的地区植被更加多样使得相应图片的环境色彩丰富，造成人物图片的色彩丰富程度随纬度的减小而增加。

近年来兴起的红绿蓝白（RGBW）4原色显示技术，正是遵循自然界白光所占比例远大于其他饱和色这一特征，充分利用白光像素来大大减少能量损耗，提高平板显示器工作效率［16，17］。对于平板显示器播放彩色电视节目，由于各国的彩色电视制式在帧频、分解率、色彩空间的转换关系等不同，导致相同显示器在不同显示制式下的色彩还原也会存在差别［18，19］。根据不同纬度地区人物图片色彩的差异，对平板显示器参数、显示制式进行优化设计，可进一步提高显示效率，并还原真实色彩，提升显示质量。

4 彩色人物图片修改前后的对比

由于笔者所选彩色人物照片图片均来自互联网，为考查图片处理对图片颜色组成的影响，通过Photoshop软件随机选择一张人物照片进行常见的降噪、暖化、黑白、反色处理，并将照片中的颜色组成进行对比，结果分别如图3及表4所示。降噪处理即降低图片噪点，暖化处理则将图片色调调整为暖色调，黑白处理即将彩色图片处理为黑白图片，反色处理则是图片中的颜色调整为其补色［20］。

从以上图片修改结果可以看出，白光所占比例最高且变化不大，经暖化处理的图片等能白光E点峰值从2.72%增大到8.20%。而黑白色处理后，所有颜色全部集中到了E点上。反色处理后，绿光峰值由0.0019%增大到1.7809%，除白光外其他颜色比例增加。而对图片进行降噪处理，图片颜色组成没有明显的变化。

表4 彩色人物图片修改后颜色组成变化

5 结语

通过Matlab软件对不同纬度地区彩色人物图片的颜色组成进行了采样分析。分析了RGB色彩模式下的彩色人物图片颜色组成与纬度的关系，探讨了图片修改前后对颜色组成的影响。结果表明，3个不同纬度地区颜色组成中，等能白光所占比例最大，白光峰值与纬度的高低成正比；照片中颜色的丰富程度与纬度的高低成反比。适当调试显示参数可达到提高显示器工作效率、增加画面逼真度的效果。

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