超高清顯示色度體積測量研究

陳 宇

（北京泰瑞特檢測技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，北京 100015）

0 引 言

現(xiàn)階段，評價超高清顯示設(shè)備的色彩還原能力時，色域覆蓋率[1]是核心關(guān)鍵指標(biāo)。測量時，僅在CIE 1931或CIEu′v′1976色空間內(nèi)測量三基色的色度坐標(biāo)，然后計算色域覆蓋率，體現(xiàn)顯示設(shè)備的色彩呈現(xiàn)能力。這種傳統(tǒng)的表征方法不能完整地體現(xiàn)顯示設(shè)備的色彩能力，缺少亮度數(shù)據(jù)。實際上顏色包括明度、色調(diào)以及色飽和度三個要素，明度就是指顯示設(shè)備的亮暗，即亮度，色調(diào)是指R、G、B三基色的混合比例，色飽和度是指顏色的深淺程度。所以就需要既能體現(xiàn)色度數(shù)據(jù)，又能表現(xiàn)亮度數(shù)據(jù)的三維色空間來表征超高清顯示設(shè)備呈現(xiàn)的顏色。

隨著超高清顯示、廣色域（Wide Color Gamut，WCG）顯示和寬動態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）顯示技術(shù)的發(fā)展，超高清顯示系統(tǒng)進(jìn)入 10 bit、12 bit時代。大尺寸、超高清晰度、廣色域（WCG）和寬動態(tài)范圍（HDR）是超高清顯示的優(yōu)勢，可以給消費者帶來更細(xì)膩、逼真的圖像，更強臨場感的畫面。因此應(yīng)該采用全面考量顯示設(shè)備的色度體積這一指標(biāo)詮釋超高清顯示設(shè)備的色彩能力。本文重點介紹超高清顯示設(shè)備色度體積的測量方法，體現(xiàn)色度體積的重要性。

1 色度體積的含義

色度體積表征超高清顯示設(shè)備在三維色空間中還原色彩的能力。色度體積也可以理解為在CIE xy色度圖中引入亮度參數(shù)的立體色域覆蓋率。色度體積不僅表達(dá)出了色彩能力，同時也表現(xiàn)出了灰度解析能力。色度體積在CIELab色空間中量化還原，CIELab色彩空間中亮度和色度是分開的， L軸只有亮度，a軸和b軸只有色度。如圖1所示，在三維坐標(biāo)系中，a*軸代表綠色-紅色，b*軸代表藍(lán)色-黃色，L*軸代表黑色-白色。從圖1可以清楚地感知到，L越大，亮度越高。L為0時代表黑色，為100時代表白色。a*和b*為0時都代表灰色。a*從負(fù)數(shù)變到正數(shù)，對應(yīng)顏色從綠色變到紅色。b*從負(fù)數(shù)變到正數(shù)，對應(yīng)顏色從藍(lán)色變到黃色。色度體積越大，超高清顯示設(shè)備呈現(xiàn)的色彩越多，畫面細(xì)節(jié)內(nèi)容越豐富。

圖1 CIELab色空間

2 CIELab均勻色空間下的色度體積

CIELab色彩空間是均勻的色彩空間，所謂均勻是指當(dāng)數(shù)值均勻變化時，人的感官也是均勻變化。CIELab色空間是將XYZ坐標(biāo)變換成坐標(biāo)L*，a*，b*的非線性變換[1]。

CIELab色彩空間是顏色-對立空間，帶有維度L表示亮度，a和b表示顏色的維度。CIELab色彩空間具有以下特性：

（1）CIELab色彩空間中亮度和色度是分開的；

（2）在CIELab中進(jìn)行調(diào)節(jié)簡單，速度快；

（3）色域覆蓋率寬，人的肉眼能感知的色彩，都能通過CIELab模型還原重現(xiàn)出來；

（4）在CIEL*a*b*模型中均勻改變對應(yīng)于在感知顏色中的均勻改變。

在CIELab色空間中表征色度體積有兩點好處。

（1）感知均勻。如果L*、a*、b*數(shù)值變化的幅度一樣，那么在CIELab色空間中呈現(xiàn)的色度體積帶給人視覺上的變化幅度也是差不多的。通過把任意一種顏色量化為CIELab色空間中一個點，并呈現(xiàn)在色度體積圖上，這個點的變化與人眼視覺感知差最為接近。其他色彩空間就不具備此特性，例如CIEUCS色空間，一個點的三刺激值發(fā)生變化，在CIEUCS色空間中，只能看到顏色深淺的變化，沒有明暗的感知，這是因為CIEUCS色空間僅對xy色域圖進(jìn)行線性變換，使得色空間均勻性得到一定的改善，但亮度因素沒有優(yōu)化，因此，呈像變化與視覺感知差略有區(qū)別。

（2）設(shè)備無關(guān)。在CIELab空間內(nèi)給定白之后，這個顏色空間就確定了各顏色如何構(gòu)建，與使用的顯示設(shè)備無關(guān)。CIELab定義的白點是相對于白點的顏色，而在其他色空間中白點定義的白點是絕對值。例如，顯示設(shè)備白點定為D50或D65，在CIEXYZ色空間中，各顏色間的關(guān)系通過匹配三刺激值的比例關(guān)系繪制，其混出的顏色一定落在顯示設(shè)備規(guī)定的色域內(nèi)，受顯示設(shè)備的界定。

3 色度體積的測量

針對超高清顯示設(shè)備WCG、HDR等技術(shù)特點，國家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測中心自2016年起，針對HDR和WCG顯示性能的測量開展研究，著手采用色度體積評價超高清顯示設(shè)備的色彩還原能力，并進(jìn)行了摸底測試和數(shù)據(jù)積累。

色度體積的測量采用多種顏色信號進(jìn)行。選擇信號時，應(yīng)考慮不同顏色的信號，如白、黑、藍(lán)、綠、紅、青、品紅、黃等；同時考慮信號的灰度，即顏色的明暗。測試信號的色調(diào)越多，灰度越多，測量的色度體積越接近超高清顯示設(shè)備的實際色彩能力。

色度體積的測試系統(tǒng)如圖2所示，針對超高清顯示設(shè)備，測試應(yīng)采用基于ITU-R BT.2100-2[2]、SMPTE ST 2086[3]和GY/T 307—2017[4]色彩范圍的格式、10 bit信號。測量時，光學(xué)測試儀器位置與顯示設(shè)備屏幕中心測量點正交垂直，且在整個測量過程中，亮色度計的測量位置應(yīng)保持不動。使用亮色度計分別測量顯示設(shè)備中心區(qū)域顯示的各顏色的亮色參數(shù)X、Y、Z。

圖2 測試系統(tǒng)圖

目前，色度體積的測量建議至少選取20種灰度、色彩不同的信號進(jìn)行測量。將數(shù)據(jù)做歸一化處理，以白色為100%，再利用公式將X、Y、Z轉(zhuǎn)換到L*、a*、b*色彩空間。

測量完成后要進(jìn)行色度體積的計算，采用CIELab空間內(nèi)分割四面體算法實現(xiàn)三維色域的還原與色度體積的計算。該算法是將8個點的色坐標(biāo)數(shù)據(jù)擬合成一個扭曲的多邊形，然后以白點和黑點的坐標(biāo)為四面體的一條邊，與任意兩個相鄰坐標(biāo)（紅-品紅、品紅-藍(lán)、藍(lán)-青、青-綠、綠-黃、黃-紅）連線，從而將多邊形分割成6個四面體，再將所有的四面體的體積相加，最終求出三維色度體積。具體計算公式[5]如下：

式中：Xw、Yw、Zw為來源端光源參考白點的三刺激值，XP、YP、ZP為各元色Q的三刺激值。

以黑和白為兩個頂點，通過這兩點與其他任意相鄰的兩點連線，形成四面體?？傮w積為所有四面體的體積和。實驗室利用Matlab語言編寫了色度體積計算工具。

4 數(shù)據(jù)分析

在實驗室測量了某款超高清電視的色度體積和色域覆蓋率，測試結(jié)果如圖3、圖4所示?？梢灾庇^地感受到，色度體積可以更好地、完整地呈現(xiàn)顯示設(shè)備的亮度和色彩水平。

圖3 色度體積

圖4 色域覆蓋率

為了比較信號亮度電平對色彩呈現(xiàn)能力的影響，對同一個顯示設(shè)備、不同信號亮度電平下的色度體積進(jìn)行測試，該顯示設(shè)備峰值亮度為1 050 cd·m-2， 測試結(jié)果如表1所示。

表1 不同信號亮度電平下的色度體積

由表1可以看出，不同信號亮度電平下，信號亮度電平越大，色度體積越大。

為了比較相同色域下、不同亮度對色彩呈現(xiàn)能力的影響，實驗室挑選了五款超高清顯示設(shè)備進(jìn)行測量，它們的DCI-P3色域覆蓋率均在109%左右，得到色度體積測試結(jié)果如表2所示。

表2 亮度不同下的色度體積

從表2的實驗結(jié)果可以看出，不同的亮度下，色域體積不同，亮度越大，色度體積越大。

另外對比4臺相同亮度（亮度均為600±10 cd·m-2）， 但色域覆蓋率不同的顯示設(shè)備，重復(fù)上述測量步驟，得到不同色域覆蓋率下的數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 不同色域下的色度體積

從表3的實驗結(jié)果可以分析出，在相同亮度條件下，色域覆蓋率越大，色度體積也越大。

5 結(jié) 語

通過上述剖析、實測及實驗結(jié)果分析，色度體積為超高清顯示設(shè)備提供了一種新型的色彩評價方式，綜合考量顯示設(shè)備的色彩飽和度。色彩飽和度受亮度和色度影響，僅以二維的色度測量表征顯示設(shè)備色彩還原能力具有很大的局限性，使用三維空間評價色彩還原能力可以直觀、全面地評定顯示設(shè)備的能力。