三基色顯示設(shè)備三維色域的構(gòu)建及計(jì)算

李 彥，李 娜，王 靜，李桂苓

（1.天津師范大學(xué) 電子與通信工程學(xué)院，天津 300074；2.天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072）

三基色顯示設(shè)備三維色域的構(gòu)建及計(jì)算

李 彥1,2，李 娜1，王 靜1，李桂苓2

（1.天津師范大學(xué) 電子與通信工程學(xué)院，天津 300074；2.天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072）

從顏色的三重屬性出發(fā)，設(shè)計(jì)生成了測(cè)定顏色亮度、色調(diào)和色飽和度的三維色域測(cè)試圖，用這些測(cè)試圖，對(duì)被測(cè)顯示器進(jìn)行了色度測(cè)試，得到了不同亮度下的三維色域圖。用切片算法計(jì)算了被測(cè)顯示器的三維色域，并與筆者之前基于相加混色原理計(jì)算的理論三維色域值進(jìn)行了比較，結(jié)果表明二者基本相等。

三維色域；色度測(cè)量；體積計(jì)算

為實(shí)現(xiàn)不同色域信號(hào)與不同顯示器件或顯示方式的色域匹配，例如將常規(guī)窄色域電視信號(hào)展寬，使寬色域顯示器件或?qū)捝蝻@示方式得以重顯色彩更飽和的寬色域圖像或視頻畫(huà)面，來(lái)提高視覺(jué)效果，這就是通常所說(shuō)的色域映射或色域匹配，而這需要以色度測(cè)試數(shù)據(jù)為依據(jù)或前提。

目前通用的色度測(cè)試是用特定亮度（明度）的二維測(cè)試圖，比如我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測(cè)定“色域覆蓋率”[1]時(shí)，分別測(cè)量100%幅度的紅、綠和藍(lán)三種滿幅測(cè)試圖的色度參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算重顯三基色限定的色度范圍與可見(jiàn)光色度范圍的比值。實(shí)際上，不同顯示器件或顯示方式在不同亮度（明度）下，色域有很大的差別[2]。例如LCD，PDP等平板顯示器，當(dāng)亮度（明度）提高后，色域大為縮窄，這意味著采用現(xiàn)有技術(shù)，這些顯示器不能顯示高亮度（明度）的高飽和色。

本文基于三基色相加混色原理[3]，設(shè)計(jì)了一套視頻測(cè)試圖序列。利用這些測(cè)試序列，本文對(duì)被測(cè)顯示器進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，得到了顯示器的實(shí)測(cè)三維色域，并計(jì)算出其體積。同時(shí)本文也計(jì)算了顯示器理論三維色域體積，并對(duì)二者進(jìn)行了比較。

1 測(cè)試圖設(shè)計(jì)

1.1 三基色相加混色原理

圖1所示為RGB色立方體，其配色規(guī)律遵循

圖1 RGB色立方體（截圖）

當(dāng)三基色R，G，B選取不同的值時(shí)，合成色參數(shù)不同，圖像呈現(xiàn)不同顏色。因此，理論上講，只要在由基準(zhǔn)白信號(hào)幅度歸一化的0～1范圍內(nèi)遍歷取三基色值，那么根據(jù)式（1）分別組合，即可得所有色立方體表面及內(nèi)部顏色，若擬測(cè)試顯示設(shè)備的最大色域，那么只要選取RGB色立方體的表面顏色即可。

1.2 顏色和灰度階選取

將RGB立方體各邊均分12等份，可得13個(gè)值，再把它們按8 bit精度量化，于是RGB取值范圍為[0，255]，如表1所列。這些RGB值的組合，對(duì)應(yīng)色立方體表面的866個(gè)點(diǎn)，其中，飽和色469種。由于866種顏色位于RGB色立體的表面，所以由這些顏色點(diǎn)限定的色域范圍就是該系統(tǒng)的最大色域。

另選黑（R=G=B=0）到白（R=G=B=1）間13個(gè)灰階色塊（見(jiàn)表1），用來(lái)說(shuō)明顯示設(shè)備對(duì)黑白圖像的表現(xiàn)能力。

表1 R，G，B均勻13級(jí)分級(jí)與8 bit量化值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 測(cè)試圖布局

根據(jù)已確定的色塊數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)了多色塊和單色塊兩種測(cè)試圖模板。多色塊測(cè)試模板如圖2所示。測(cè)試圖上下各約去除畫(huà)面高度的1/9，左右各約去除畫(huà)面寬度的1/9。為減小來(lái)自測(cè)試圖邊緣非有效測(cè)量區(qū)光線對(duì)色度測(cè)量的影響，非有效測(cè)量區(qū)填充黑色。此外，為定位色度計(jì)與測(cè)試圖間的相對(duì)位置，測(cè)試圖四邊設(shè)白色三角形滿幅標(biāo)志，中央設(shè)測(cè)試圖中心標(biāo)志。而且為減小來(lái)自相鄰色塊光線對(duì)所測(cè)色塊色度參數(shù)的影響，各色塊在列和行之間，均間隔足夠的距離（像素），并將之填充黑色。

圖2 多色塊測(cè)試圖模板

對(duì)具有一次成像功能，并可按標(biāo)定的測(cè)量區(qū)來(lái)測(cè)量、計(jì)算和輸出多色塊測(cè)試圖各色塊色度參數(shù)的CCD面陣型色度計(jì)，采用圖2所示復(fù)合三維色度測(cè)試圖可便捷地進(jìn)行顯示器的三維色度測(cè)量。但多色塊測(cè)試圖色塊間易產(chǎn)生干擾，對(duì)無(wú)一次成像功能的色度計(jì)，測(cè)試中需頻繁移動(dòng)色度計(jì)，這也給測(cè)量帶來(lái)不便并易造成誤差。為滿足精確色度測(cè)試需求，本文還設(shè)計(jì)、生成了單色塊測(cè)試圖序列，其模板如圖3所示。

圖3 單色塊測(cè)試圖模板

單色塊測(cè)試模板是將多色塊測(cè)試模板中的866個(gè)色塊轉(zhuǎn)化為866個(gè)獨(dú)立的單色塊測(cè)試圖，另外添加了對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大的11個(gè)中性灰色塊測(cè)試圖，共計(jì)877個(gè)單色塊測(cè)試圖，每張測(cè)試圖中央只有一個(gè)色塊，色塊四周均用黑色填充。

3 色度測(cè)量

3.1 測(cè)試環(huán)境設(shè)置

測(cè)試儀器包括信號(hào)發(fā)生器、被測(cè)顯示器和色度計(jì)，按圖4搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。圖中，色度計(jì)的光軸與被測(cè)顯示器的中心區(qū)域正交，h為被測(cè)顯示器有效可視高度，d為色度計(jì)鏡頭與被測(cè)顯示器之間的水平距離，測(cè)試距離取h的3倍（HDTV）或4倍（SDTV）。測(cè)量在暗室進(jìn)行，為確保顯示器特性不隨時(shí)間產(chǎn)生明顯變化，實(shí)測(cè)開(kāi)始前儀器進(jìn)行30min以上的開(kāi)機(jī)預(yù)熱[4]。

圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖

3.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將顯示器調(diào)到出場(chǎng)設(shè)置，然后將877張測(cè)試圖進(jìn)行排序，逐一播放測(cè)試圖，對(duì)每一張測(cè)試圖進(jìn)行測(cè)試，得到顯示器不同亮度下的三維色域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)，并可畫(huà)出圖5所示的點(diǎn)云圖。從圖5可知，測(cè)試數(shù)據(jù)在三維空間呈現(xiàn)不規(guī)則分布。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，下面采用切片法近似計(jì)算被測(cè)顯示器的實(shí)測(cè)三維色域。

圖5 顯示器三維色域

顯示器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的L*在[0，100]范圍內(nèi)，可以10為步長(zhǎng)建立測(cè)試數(shù)據(jù)的切片，得L*=0，10，20，…，90，100共11個(gè)切片。將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別投影到距這11個(gè)切片最近的切片上，將投影后的數(shù)據(jù)點(diǎn)云與原數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

圖6 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與切片數(shù)據(jù)對(duì)比

從圖6可以看出，對(duì)于顯示器的實(shí)測(cè)三維點(diǎn)云進(jìn)行切片投影以后，切片數(shù)據(jù)包絡(luò)的三維色域的范圍與原實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)包絡(luò)的色域范圍基本相同，因此切片數(shù)據(jù)包絡(luò)的三維色域可近似等于顯示器的三維色域。根據(jù)切片分層分別計(jì)算相鄰切片之間的體積，最后將相鄰切片間的體積進(jìn)行累加，可得顯示器的三維色域體積。

根據(jù)相鄰切片間邊界的相似性，可按多棱臺(tái)計(jì)算式計(jì)算相鄰切面間的體積

式中：Vi為相鄰切片間的體積；Si和Si+1分別為相鄰切片各自的面積；（L*i+1-L*i）為相鄰切片間的高度。將相鄰切片間的體積累加，所得顯示器的三維色域體積為

在CIE LAB色空間，按切片法計(jì)算所得被測(cè)顯示器的實(shí)測(cè)色域體積為8.7×105。

3.3 理論三維色域的計(jì)算

實(shí)測(cè)被測(cè)顯示器的三基色及參考白的色度學(xué)參數(shù)如表2所示。按筆者在文獻(xiàn)[5]中所述構(gòu)建理論三維色域的方法，被測(cè)顯示器的理論三維色域如圖7所示。

表2 被測(cè)顯示器的色度學(xué)參數(shù)

圖7 理論三維色域

由圖7可見(jiàn)，理論三維色域邊界比實(shí)測(cè)三維色域邊界要規(guī)則，本文根據(jù)Hill’s的理論[6]，將ΔL*=Δa*=Δb*=1看作一個(gè)小色立方體，計(jì)算理論三維色域所包含的小立方體的數(shù)量即為顯示器三維色域的大小。

在CIE LAB色空間，在L*=[0，100]范圍內(nèi)的亮度平面之間，若以1為單位對(duì)色域邊界進(jìn)行插值，計(jì)算每一層的色域邊界包絡(luò)的色域面積為SL*，則顯示器的三維色域大小為

最終得到該顯示器的理論三維色域體積大小為8.58×105。

計(jì)算值表明，三基色顯示器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)體積（8.7× 105）和理論體積（8.58×105）基本相等。若將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論構(gòu)建的三維色域同時(shí)畫(huà)在圖8所示的一張圖中，同樣可以看出顯示器實(shí)測(cè)色域和理論色域基本重合。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)、生成了兩種測(cè)試圖序列，它們可用于顯示器的三維色度特性測(cè)試。本文用單色塊測(cè)試圖序列，實(shí)測(cè)了LCD顯示器的色度參數(shù)，并分析和處理了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制出三維色度圖，計(jì)算了相應(yīng)指標(biāo)。

圖8 實(shí)測(cè)色域與理論色域比較

本文的分析、實(shí)測(cè)和測(cè)試數(shù)據(jù)表明，顯示器重顯不同亮度（明度）信號(hào)的色域變化很大，以二維色度測(cè)量表示顯示器的色度特性具有一定的局限性。

為定量評(píng)價(jià)顯示器的三維色重顯特性，本文由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算了三維色域體積，并與其理論值進(jìn)行了比較。對(duì)被測(cè)LCD顯示器，在CIE LAB色空間，二者分別為8.7× 105和8.58×105，誤差約1.4%，二者基本吻合。

希望本文的工作引起業(yè)界對(duì)顯示器色重顯特性，特別是三維色重顯特性的關(guān)注，改善顯示器色重顯性能，特別是重顯不同亮度信號(hào)時(shí)的色性能。

[1]劉全恩.色域及色域覆蓋率[J].電視技術(shù)，2004，28（11）：48-51.

[2] MATSUMOTO T.xvYCC:a new standard forvideo systems using ex?tended-gamut YCC color space[C]//Proc.SID 06 digest.[S.l.]：SID Press，2006：1130-1133.

[3]胡威捷，湯順青，朱正芳.現(xiàn)代顏色技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2007.

[4] 李彥，王靜，李娜，等.四元色液晶顯示器色溫與色重顯性能的研究[J].電視技術(shù)，2013，37（2）：36-39.

[5] LIYan，LINa，WANG Jing，et al.Construction and evaluation of three-dimensional gamut for UHDTV based on the additive color mixing principle[J].Applied Mechanics and Materials，2013（303-306）：2086-2089.

[6] HILL B.Comparative analysis of the quantization of color spaces on the basis of the CIELAB color difference formulate[J].ACM Trans. Graph，1997（16）：109-154.

李 彥，女，副教授，博士，從事信號(hào)與信息處理、數(shù)字視頻與多媒體技術(shù)教學(xué)、科研工作；

李 娜，女，碩士，進(jìn)行色度學(xué)和顯示器色度特性評(píng)價(jià)研究；

王 靜；女，碩士生，進(jìn)行色度學(xué)和顯示器色度特性評(píng)價(jià)研究；

李桂苓，教授，博士生導(dǎo)師，從事信號(hào)與信息處理、數(shù)字視頻與多媒體技術(shù)教學(xué)、科研工作。

Construction and Calculation of Three Dimensional Gamut of Three Primary Colors Displayer

LI Yan1,2，LI Na1，WANG Jing1，LI Guiling2
（1.College of Electronic and Communication Engineering,Tianjin Normal University，Tianjin 300074，China；2.Electronic Information Engineering Institute,Tianjin University，Tianjin 300072，China）

According to three properties of colors,test patterns of three dimensional gamut to test the luminance(brightness), hue and saturation of colors are designed and generated.Chromaticity parameters of the tested displayer are measured with these test patterns,and three dimensional gamut patterns under the different brightness are got.In this paper,three dimensional gamut volume of the tested displayer with slicing algorithm is also calculated and compared with theoretical three dimensional gamut value based on additive color mixture theory.The result shows that the both are basically equal.

three dimensional gamut;colorimetric measurement;volume calculation

TN873

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?? 盈

2014-01-14

【本文獻(xiàn)信息】李彥，李娜，王靜，等.三基色顯示設(shè)備三維色域的構(gòu)建及計(jì)算[J].電視技術(shù)，2014，38（21）.

天津師范大學(xué)博士基金項(xiàng)目（52XB1006）