像元、像素、色域及多元色顯示器

李桂苓 ，徐巖，李彥，2

（1.天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072；2.天津師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，天津 300387）

責任編輯:哈宏疆

筆者在本期《數(shù)字電視顏色管理術(shù)語》[1]一文中，給出了“像元”、“像素”、“色域”及“多元色顯示器”的定義和簡要解釋，本短文再稍加展開地予以說明。

可見光是波長為380～780 nm的一段電磁波，不同波長的光刺激產(chǎn)生不同顏色視覺，彩色電視系統(tǒng)難以一一傳送，而基于“三基色相加混色原理”構(gòu)建。

按三基色相加混色原理，電視系統(tǒng)將畫面分解成足夠多的“像素”，各像素由分別發(fā)紅（R）、綠（G）和藍（B）3種基色光的“像元”組成，空間相距極近的同一組像元所發(fā)基色光被視覺相加混合，感覺為像素的色刺激。

無論電視系統(tǒng)對電視信號處理過程如何復(fù)雜，實質(zhì)上只傳送R，G和B 3個獨立變量?！蔼毩ⅰ敝溉我换荒苡闪硪粋€或另兩個基色相加配出，但由配比不同的任意2個或3個基色光卻能相加配出眾多亮度（明度）、色調(diào)（色相）和色飽和度（彩度）不同的顏色光。

《SJ/T 11324—2006數(shù)字電視接收設(shè)備術(shù)語》[2]定義“像素”為“組成一幅圖像的全部可能亮度和色度的最小圖像單元”。其中的“色度”即“色調(diào)”和“色飽和度”。SJ/T 11324—2006雖面向數(shù)字電視接收設(shè)備，但像素的定義也適用于包括發(fā)端在內(nèi)的整個電視系統(tǒng)，只不過發(fā)端和收端分別是將圖像分解成像素和把像素合成為圖像的過程。

本期《數(shù)字電視顏色管理術(shù)語》一文中，定義“像元”是“組成一幅圖像的最小圖像單元”。與“像素”不同，“像元”只能顯現(xiàn)不同強度的某種顏色，由一組像元的光相加混合，才能使像素顯現(xiàn)“全部可能亮度和色度”。

顏色設(shè)備或系統(tǒng)所能表現(xiàn)的圖像顏色范圍稱“色域”。色域大小用“色域覆蓋率”衡量。對三基色電視設(shè)備或系統(tǒng)，色域覆蓋率表示成CIE 1976 UCS色空間u′v′坐標系色度圖上三基色色度點圍成的三角形面積對閉合的譜色軌跡內(nèi)面積（0.1952）的百分比。

為提高色域覆蓋率，三基色色度坐標點應(yīng)接近譜色軌跡上的相應(yīng)“譜色”，即縮窄基色光譜分布。不過光譜越窄，可見光功率譜的利用率越低，越不易獲得高發(fā)光強度基色。按我國《GY/T 155—2000高清晰度電視節(jié)目制作及交換用視頻參數(shù)值》[3]計算，我國高清晰度電視（HDTV）信號的色域覆蓋率理論值約33.24%。

這表明，我國HDTV演播室信號的色域覆蓋率不足可見光全部顏色范圍的1/3，可見“像素”定義中的“全部可能亮度和色度”也是針對電視系統(tǒng)而言。對三基色電視系統(tǒng)，像素中至少有一個像元不顯現(xiàn)時，該像素即呈現(xiàn)100%飽和度，對應(yīng)的色度點位于色度圖中基色三角形外邊界，但對視覺可見光范圍而言，并非飽和色。與基色三角形外邊界不同，其內(nèi)部各色度點對應(yīng)的顏色含某一數(shù)值的等量三基色量，這些成分相加混合為白色，顏色不再100%飽和。

因三基色電視系統(tǒng)中的顏色光有亮度、色調(diào)和色飽和度3重屬性，故更應(yīng)在三維色空間考察。在三維色空間，色域是有界體積。對此，作者設(shè)計、生成了三維色空間測試信號，編制了數(shù)據(jù)處理軟件。實測和分析結(jié)果表明，對應(yīng)不同亮度，不同色調(diào)，電視系統(tǒng)和顯示器的三維色域分布很不一樣。本期《數(shù)字電視顏色管理術(shù)語》一文中，反映了在三維色空間研究顏色的思想，但為有可比性，色域覆蓋率仍沿用相關(guān)標準，定義于u′v′坐標系二維色度圖。

如前所述，基色三角形位于譜色軌跡內(nèi)部，包括其邊界對應(yīng)的電視系統(tǒng)飽和色，還達不到視覺能感受的飽和度。實際上盡管現(xiàn)行電視信號的色域覆蓋率理論值約33.24%，但重顯顏色范圍可超過該值，這時顏色雖不“保真”，但卻能看到更鮮艷、飽和的顏色。目前高動態(tài)范圍、多次曝光等寬色域攝像機已實用化，計算機已采用寬于電視用的色空間，并能制作、編輯更加飽和的電視節(jié)目，國際和我國也都制訂了寬色域數(shù)字電視演播室標準，某些進口電視機已宣稱支持xvYCC寬色域標準。這些情況表明，在現(xiàn)行常規(guī)色域電視系統(tǒng)中，開發(fā)寬色域顯示器和投影機等，也能重顯主觀感受更好的畫面，這將有力促進電視廣播的寬色域化。

實現(xiàn)寬色域顯示，可選用更接近譜色的基色，也可增加像元數(shù)量，或兩者同時采用。本期“數(shù)字電視顏色管理術(shù)語”一文中列出的“多元色顯示器”即屬于后者。目前已商品化的4元色LCD和5元色LCD顯示器，大多選用了色度坐標向譜色移動的綠基色，還分別增設(shè)了黃色（Ye）和黃色及青色（C）像元，使得各像素由4種（R/G/B/Ye）或5種（R/G/B/Ye/C）像元組成。這類顯示器的重顯色域，在二維色度圖上由三角形變成四邊形或五邊形，色域覆蓋率提升。在三維色空間，色域為多面體，色域擴大，特別是高亮度區(qū)。

有的廠家在CIE 1931 XYZ色度系統(tǒng)xy色度圖上表現(xiàn)多元色顯示器明顯擴大了色域，但因CIE 1931 XYZ色度系統(tǒng)并非建立于均勻色空間，xy色度圖上色域的擴大并不會對視覺產(chǎn)生同樣的改善，色域覆蓋率還應(yīng)按定義，在CIE 1931 UCS均勻色空間u′v′色度圖上計算，結(jié)果是提升并不那么明顯。不過由于增加黃色、青色像元，光源功率譜中能量相當大的黃色光、青色光得以利用，而可明顯提高光能利用率，并因圖像“明亮”而改善主觀感受。

為激勵多元色顯示器各像元，需由解碼現(xiàn)行電視信號重建的RGB三基色信號，變換為多于3個的調(diào)制信號，通過編制和查找查詢表（LUT），將重顯顏色映射到顯示屏的色域。這種變換稱為“多元色分解”。由R，G，B 3個獨立變量，分解為4個或4個以上激勵信號存在自由度，這為改善色重顯的主觀效果提供了可能。

本期《數(shù)字電視顏色管理術(shù)語》一文定義“多元色顯示器”為“用不同方式使各像素由多于紅（R）、綠（G）、藍（B）3個像元構(gòu)成的顯示器”。之所以稱為“多元色顯示器”，一方面考慮到早些年國內(nèi)個別廠家推出“多基色電視機”，當時因其易誤解為出現(xiàn)了多于三基色的新電視系統(tǒng)等原因，被業(yè)界質(zhì)疑。同樣，目前不宜稱“多元色顯示器”為“多基色顯示器”。另外，對三基色8 bit量化精度電視系統(tǒng)，理論上可顯示多達十幾兆種顏色，若稱“多元色顯示器”為“4色顯示器”、“5色顯示器”或“多色顯示器”，易使消費者誤解為重顯顏色數(shù)減少。

此外，按物理模型，稱多于3個基色“像元”的顯示器為“多元色顯示器”較符合漢語習慣。例如貨幣單位“元”，“化學(xué)元素”，“單元”，“元件”，哲學(xué)中的“多元論”等，都已在漢語中通用。若稱“多元色顯示器”為“多原色顯示器”，則易理解成“原始”、“原有”，而偏離重顯時相加混色最小顏色組成單元之意，而且新加像元顯示的顏色是派生出來再參與相加混色的。

本短文說明了像素與像元間的色度學(xué)差別；可見光色域（視覺色域）與電視系統(tǒng)色域以及電視信號色域與電視顯示器色域間的區(qū)別和聯(lián)系；從物理和語言習慣層面建議命名像元和多元色顯示器的考慮等。因?qū)僬f明性短文，故只用了敘述形式，以節(jié)省篇幅，有些語言并不嚴格（如LCD顯示器也籠統(tǒng)地稱發(fā)光等）。該短文和《數(shù)字電視顏色管理術(shù)語》一文，希引起業(yè)內(nèi)專家和工程技術(shù)人員的關(guān)注，經(jīng)研討和修改，正確而規(guī)范地應(yīng)用。

[1]李桂苓，徐巖，李彥.數(shù)字電視顏色管理術(shù)語[J].電視技術(shù)，2012，36（2）:90-97.

[2]SJ/T 11324—2006數(shù)字電視接收設(shè)備術(shù)語[S].2006.

[3]GY/T 155—2000高清晰度電視節(jié)目制作及交換用視頻參數(shù)值[S].2000.