国外标准关于色彩测量方法的综述

李　默

(国家广播电视产品质量监督检验中心，北京100015)

国外标准关于色彩测量方法的综述

李默

(国家广播电视产品质量监督检验中心，北京100015)

摘要:近年来各类多基色显示设备和显示系统推陈出新。全面深入掌握显示设备的工作原理及特性，将有助于更好地发挥其作用，并指导测试。介绍了ICDM、ITU-R BT.1361和中国行业标准SJ/T 11348—2006起草标准中关于色彩测量的方案。色彩测量包括诸基色、补色、灰度、任意颜色的测量，方案由三基色色域面积提出了相对色域面积的概念和测量方法。最后提出以相对色域面积考量显示色彩还原能力。

关键词:色彩；相对色域面积；色彩还原能力

近年来，国际国内都提出了多基色、基色补色的理论研究和技术实践，三基色、三补色显示技术席卷全球，带来了包括电视机的各类显示设备的重大色彩显示革命。从基色和补色的选定、色彩计算、色彩重现的偏差进行单独色的调整和补偿，色彩处理压缩和传输到显示设备。色彩理论中多基色补色的提出，试图突破彩色电视机发明50年的三基色显像原理，给产、学、研各界提出了新的挑战。尤为引人关注的是针对使用多基色多补色技术的终端的色彩还原能力的考量和检测，其色彩还原的效果直接影响人们的主观感受。目前，国际、国内各研究机构都在努力研究和制定多基色标准。国际电信联盟无线电通信组(ITU-R)于1988年制定基于Pointer色域的宽色域理论[1]，中国行业标准(SJ/T11348—2006)也已对液晶平板电视提出了色彩测量理论[2]。国际显示计量委员会(ICDM)最近详细提出了色彩多基色补色的测量和方法[3]。

1色彩测量系统

色彩测量系统是由被测样机(这里以电视机为例)、标准信号发生器、色度计组成色彩测量系统。图1是色彩测量系统示意图。测试端口规定在VGA、DVI、HDMI1.4a中选定，本文只讨论使用HDMI1.4a端口进行的测量。目前ICDM、ITU-RBT.1361和中国行业标准SJ/T11348—2006没有严格规定测试信号的格式，但三者一致指出：实际测试时能够匹配被测样机即可[1-3]，例如：固有分辨力为1 920×1 080的电视机，输入给电视1 920×1 080i/50Hz信号。

特别指出的是，本测量的测量样机是液晶光源的电视机，因此色度计应在测量前以液晶特性的光源进行校正色度值[4]。除了上述以液晶为光源的显示器外，其他类型光源的显示器的光谱曲线特性均各不相同，应获取各个特性曲线的相应的校正值[4]。本次测量使用的色度计是点色度计，目前，显示质量测量仪器大多采用点亮度计，而用成像式色度计的情况较少，成像式色度计只用来进行与均匀性有关的测量[5]。如采用成像式色度计测量时，其测量绝对值是可用的[5]。关于测量仪器的计量仅在国家行业标准SJ/T11348—2006中有提及[2]，IDMS和ITR-RBT.1361未对此进行具体说明。

关于测量系统的搭建，SJ/T11348—2006规定测量距离为被测屏幕高度的3倍距离，IDMS除为说明测量距离外，其测量系统的搭建和SJ/T11348—2006是一致的(如图1所示)；而ITU-RBT.1361则未具体说明测量系统设置。

图1　色彩测量系统示意图

测量准备工作：ICDM和SJ/T11348—2006均规定从标准信号发生器输出50%背景的极限八灰阶信号，在被测样机上显示出该信号。并调整亮度和对比度的设置，使得0%与5%、95%与100%均可恰好分辨，此为测试状态。图2是国际显示计量委员会(ICDM)的50%背景的极限八灰阶示意图。图3是SJ/T11348—2006的极限八灰度等级信号示意图。图2与图3的区别是测试图上下边框内容不同，SJ/T11348—2006测试图(图3)的极限八灰阶面积大于IDMS(如图2所示)面积，且SJ/T11348—2006(图3)的每个灰度矩形占满屏面积的5%，并且具有与整个显示图像一致的幅型比。

图2　50%背景的极限八灰阶示意图(截图)

ICDM规定被测样机的颜色和色温设置保持出厂默认值。这一点SJ/T11348—2006和ITU-R规定一致。

测量环境的要求：测量应在不受外界电磁场干扰的室内进行。如果干扰影响测量结果，测量应在屏蔽室内进行。测量色度应在暗室内进行，暗室杂散光照度小于或等于1lx。国际显示计量委员会(ICDM)建议可在色度计前加装遮光罩，以减小干扰光对测量点结果的影响[3]。图4是加装遮光罩的测量示意图。

图3　极限八灰度等级信号(截图)

图4　加装遮光罩的测量示意图

特别指出：尝试将标准信号发生器和色度计连接在测量系统中时，应考虑将其置于暗室之外，或隔绝其仪器指示灯等发出的一切光源；被测样机的下边框待机/开关指示灯需进行遮挡。图4是一个可行性建议方案。SJ/T11348—2006和ITU-RBT.1361则没有遮光罩设计方案。

2基色补色和色域面积的测量

2.1基色

IDMS和ITU-RBT.1361是对基色(红绿蓝)和补色(青品黄)测量；SJ/T11348—2006是对基色(红绿蓝)测量。

全场基色，即全红色场、全绿色场和全蓝色场。使用经过计量的色度计对被测样机的中心进行色度测量，记录其中心点色度坐标值。图5是全场基色测量示意图。

图5　全场基色测量示意图

2.2补色

全场补色，即全场青色、全场品红和全场黄色，补色是红绿蓝三基色合成得到的颜色。使用经过计量的色度计对被测样机的中心进行色度测量，记录其中心点色度坐标值。图6是全场补色测量示意图。

图6　全场补色测量示意图

2.3色域面积

色域面积，即CIE1976 u′v′颜色空间的色度计算面积A。单位：无，此值为百分比值。

首先，按照2.1测量基色的方法，得到红绿蓝色的色坐标值(u′，v′)；如果测量仪器给出了每个测量值的CIE1976(u′，v′)的坐标，则可以直接带入色域公式进行计算。否则，把每个(x，y)换算为(u′，v′)，利用下面的公式进行换算：

u′=4x/(3+12y-2x)

(1)

v′=9y/(3+12y-2x)

(2)

(3)

注：当被测图不是白色点时，面积域比体积域更合适来表征颜色。一个均匀颜色空间——CIELUV已经嵌入在它的色度空间中(u′，v′)[6]，已广泛应用于显示器行业，例如显示器屏幕的色度均匀性指标[1-2]。另外，IDMS测量标准中引用了ANSI标准规定的色度测量用色度坐标(u′，v′)。此外，均匀色度空间的面积一直是一个合理的色域数字品质因数[7]。因此，这里提出的度量是由基色(红、绿、蓝)中的色度空间的坐标(u′，v′)所对应得出的三角形面积[8]。以上均被纳入到IDMS测量标准中。表1是一组被测样机的红绿蓝色的坐标值和色域面积值A。

表1被测样机的样本数据

基色xyu'v'红色0.6440.3420.4430.529绿色0.3040.6180.1240.567蓝色0.1500.0430.1870.120色域面积A/%36

值得指出的是，上面的色域面积计算结果仅是在色度测量仪器绝对理想情况下得到的值；而实际仪器使用时，肯定在使用过程中逐渐产生误差，因此必须首先经被测物同类别的光源进行校准后，方可进行测量。测量得到的色度坐标值再经校准因数校准u0′=u′+Δu、v0′=v′+Δv[7]，其中(Δu，Δv)是校准因数。得到修正色度坐标(u0′，v0′)，进而计算得到被测样机的实际色域面积值A。

比较ITU-RBT.1361与IDMS中的色域面积，以彩条信号各条的色度值为例(如图7所示)，然后绘出ITU-RBT.1361与IDMS常规色域(即ITU-RBT.709常规色域)比较图。虚线为IDMS标准色域(ITU-RBT.709常规色域面积)，实线表示的ITU-RBT.1361标准色域面积略大于IDMS常规色域面积[7]。

图7　ITU-R BT.1361与IDMS(ITU-R BT.709)色域比较

2.4背景画面对目标测量的影响分析

点亮色度计与成像式亮色度计是亮色度计的两大类别。成像式亮色度计与点亮色度计的典型差异之一为它以面的形式来成像。相当于多个成像式亮色度计规则性阵列摆放组成。因此，减小使用点亮色度计时的环境光影响，使用遮光罩(如图4)。

而成像式亮色度计，只要测量画面稍有不同，即使只是背景变化而被测物没有变化，成像式亮色度计仍然会得出不同测量结果。因此，用其进行测量时，要使测量区域内刚好是完整的被测物且无其他环境背景进入，这样就无需增加遮光罩来减少环境光影响；如果增加遮光罩，即遮挡了部分测量点，则改变了被测物测试图的面积和取样点数量，影响测试结果。所以结论是，成像式亮色度计不需要遮光罩辅助测试[9]。

2.5摩尔纹效应的影响

由于越来越多的LED背光显示设备的使用，在本文测量时也面对摩尔效应的问题，因此本文简要说明消除摩尔纹的措施。

摩尔纹现象是由LED显示屏的固有结构产生的(图8是摩尔纹的产生示意图)，如果使摩尔纹产生的条件——LED显示屏的网络结构或是摄像机CCD(CMOS)的网格结构的其中之一消失，理论上就可以完全消除摩尔纹干扰。

由于安装在亮色度计的前面是一个CCD镜头，因此可以采用以下办法来减轻或消除摩尔纹干扰：

图8　摩尔纹的产生示意图

1)为降低摩尔效应发生的几率，在CCD面阵前安装有低通滤镜以降低成像的空间频率[1]；

2)改变镜头角度。由于CCD镜头与LED显示屏的角度会导致摩尔纹，改变亮色度计镜头的角度(通过旋转镜头)可以减轻或消除摩尔纹。

3)改变镜头焦长、曝光量及光圈(主要针对成像式亮色度计的镜头设置)。成像式亮色度计可以组合设置曝光量、光圈值参数，因此用不同的参数设定，来改变或消除摩尔纹。

3相对色域面积

基于上述三基色色域面积理论，IDMS提出相对色域面积概念(ITU-RBT.709)。在色域Aref中的色域面积ADUT所占的比值G：G = ADUT/Aref。其中ADUT为被测样机的色域面积，Aref为ITU-RBT.709标准在CIE1931的色域面积[3]。表2是相对色域面积的确定示例。

表2相对色域面积的确定示例

标准sRGB(ITU-R BT.709-5)Aref/%33.24白点xWyW其他0.31270.3290D65红绿蓝xRyRxGyGxByB0.64000.33000.30000.60000.15000.0600u'Rv'Ru'Gv'Gu'Bv'B0.45070.52290.12500.56250.17540.1579

图9是相对色域面积ADUT/Aref，小三角形是ITU-RBT.709标准在CIE1931中的色域面积Aref。通过相对色域面积概念，以ITU-RBT.709标准在CIE1931色域面积为基准值，来考量被测样机的色彩还原能力，实际用途上更为实用准确。

图9　相对色域面积ADUT/Aref

4小结

多基色、基色补色是显示研究领域广受关注的方向。通过比较ICDM的IDMS1.03草案、ITU-RBT.1361和SJ/T11348—2006中色彩测量的内容，对推动色彩特别是基色补色和相对色域的测量研究以及应用有一定借鉴作用。目前，我国也在显示设备领域加紧研究制定标准。国家广播电视产品质量监督检验中心已在此基础上，将其应用在实际测量和科研之中。

参考文献：

[1]ITU-RBT.1361，Worldwideunifiedcolorimetryandrelatedcharacteristicsoffuturetelevisionandimagesystem[S].1998.

[2]SJ/T11348—2006，数字电视平板显示器测量方法[S].2006.

[3]ICDM(InternationalCommitteeforDisplayMetrology)IDMSversion1.03[S].2012.

[4]李默.不同光谱特性的电视机在光学测量中的校准[J].电视技术，2011，35(22)：87-91.

[5]李默.积分式与分光式测光测色仪器的计量校正[J].电视技术，2012，36(4)：71-77.

[6]Colorimetry，secondedition：CIEpublication15.2.Vienna：BureauCentralCIE[S].1986.

[7]徐岩，李彦，安永成，等. 宽色域视频标准ITU-RBT.1361与IEC61966-2-4的分析和比较[J].电视技术，2009，33(3)：93-95.

[8]THORNTONWA.Color-discriminationindex[J].J.Opt.Soc.Amer.， 1972，62：191-194.

[9]温娜，武晓光，李默，等. 成像式亮色度计测量特性分析[J]. 电视技术，2014，38(S1)：34-37.

责任编辑：闫雯雯

Overviewofforeignstandardsforcolormeasurement

LIMo

(National Testing & Inspection Center for Radio & TV Products of China，Beijing 100015，China)

Abstract:In recent years， various types of multi primary display device and display system to bring forth the new through the old. Comprehensive and in-depth understanding of the work principle and characteristics of the device will help to better play its role， and guide the test. The scheme of color measurement in IDMS， ITU-R BT.1361and China industry standard SJ/T 11348—2006 is introduced. Color measurements include various color， secondary colors， grayscale， any color measurement， a scheme put forward the concept and measuring method of relative color area from the concept of three color gamut area. Finally， the relative color gamut area is proposed to consider the color reduction ability.

Key words:color；relative color area；color reduction ability

中图分类号:TN949.6

文献标志码：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.03.029

收稿日期：2015-10-29

文献引用格式：李默. 国外标准关于色彩测量方法的综述[J].电视技术，2016，40(3)：138-141.

LIM.Overviewofforeignstandardsforcolormeasurement[J].Videoengineering， 2016，40(3)：138-141.