LCD液晶顯示器的顏色特性研究

周澤宏

（深圳市弘電顯示技術(shù)有限公司，廣東深圳 518000）

液晶顯示器的顏色特性化模型有著多種多樣的類型，如分段分空間模型、三維查找表模型。在這些模型中，精度相對(duì)較高的主要為3D 的0.83個(gè)色差單位，其他均維持在1個(gè)色差單位之上。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的快速發(fā)展，近年來，一些較為精確的顏色和視覺評(píng)價(jià)試驗(yàn)均在顯示器方面進(jìn)行。這些試驗(yàn)精度相對(duì)較高，所以對(duì)于顯示器特性化精度也提出了更加嚴(yán)格的要求。顏色特性化相對(duì)于全局特性化主要是指對(duì)某個(gè)顏色中心小范圍進(jìn)行特性化，所使用的局部特性化方式均可以實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)精確控制液晶顯示器顯示顏色及色差，從而作為顏色與視覺評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)在液晶顯示方面提供特性化的依據(jù)。

1 LCD液晶顯示器及顏色特性概述

LCD 液晶顯示器主要是指平面超薄的顯示設(shè)備，其主要是使用一定數(shù)量的彩色或黑白像素共同構(gòu)成，并放置于光源或反射面前方。其功耗相對(duì)較低，所以備受工程師歡迎，較為適用使用電池的電子設(shè)備。

LCD 液晶顯示器的主要原理在于以電流進(jìn)行液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)的刺激，從而使其點(diǎn)、線、面配合背部燈管形成畫面。

目前LCD 液晶顯示器在人們的生活中應(yīng)用較為廣泛，如計(jì)算器、電子表、掌上游戲機(jī)。依據(jù)分子結(jié)構(gòu)排列的不同，大致可分為3 種：類似粘土狀的Smestic 液晶、類似棉花棒的Nematic 液晶、類似膽固醇狀的Choleseic 液晶，由于物理特性不相同，用于液晶顯示器的主要為類似棉花棒的Nematic 液晶。

LCD 液晶顯示器具有對(duì)人體、眼睛無損傷以及無輻射的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在彩色圖像顯示中應(yīng)用范圍較廣，而由于顯示原理存在一定的差異，其顏色顯示特性與色域?qū)︼@示圖像的顏色質(zhì)量有著直接的影響。

為明確LCD 液晶顯示器彩色圖像顯示質(zhì)量的影響，需要重點(diǎn)研究其顏色的顯示特性以及顏色表現(xiàn)范圍與標(biāo)定方式。在使用彩色LCD 面板顯示顏色圖像過程當(dāng)中，每一個(gè)像素均是由3個(gè)液晶單元格共同構(gòu)成，每一單元格前都有著紅色、藍(lán)色與綠色的過濾器，通過不同單元格光線與屏幕當(dāng)中所顯現(xiàn)。不同顏色LCD 液晶顯示器中的紅、藍(lán)、綠、綠色器顏色特性和照明光源性能在確定以后，彩色LCD 顯示器顏色特性與色域范圍可得到基本確定。

從顯示設(shè)備角度來說，無論是LCD 液晶顯示器還是CRT 液晶顯示器，在顏色、空間方面均設(shè)定為RGB 空間，主要是通過RGB 值來進(jìn)行彩色圖像顏色和區(qū)分每一像素點(diǎn)顏色差異的表示，但相同的RGB值在不同顏色設(shè)備當(dāng)中會(huì)顯示出不同的顏色，這也就意味著同樣的RGB 值對(duì)于不同設(shè)備會(huì)表現(xiàn)出明顯的顏色差異。

從視覺角度來講，顏色視覺的差異性主要是利用CIELAB 標(biāo)準(zhǔn)顏色空間予以衡量，如RGB 空間作為設(shè)備輸入CIELAB 顏色空間是屬于設(shè)備的輸出。如果彩色圖像的RGB 值分別輸入不同顏色設(shè)備當(dāng)中，則彩色圖像的輸出值會(huì)出現(xiàn)很大的差異性，導(dǎo)致彩色圖像發(fā)生失真。相反，同樣的輸出彩色圖像值在不同顏色設(shè)備、中對(duì)應(yīng)不同RGB 值，如果希望CRT 與LCD液晶顯示器上顯示的彩色圖像顏色保持一致，需要在LCD 與CRT 液晶顯示器所對(duì)應(yīng)的各個(gè)像素點(diǎn)RGB值保持不同。在這一過程中，CRT 顯示器從RGB 值到輸出彩色圖像值之間的關(guān)系可以稱為顏色設(shè)備的特性化。LCD 液晶顯示器從彩色圖像輸出值到RGB 值之間的關(guān)系則稱為顏色設(shè)備標(biāo)定，其本質(zhì)屬于設(shè)備顏色空間RGB 與視覺標(biāo)準(zhǔn)顏色空間CIELAB 之間的關(guān)系呈現(xiàn)出映射關(guān)系，一旦關(guān)系不確定，則彩色圖像在任意CRT 液晶顯示器和LCD 液晶顯示器予以顯示過程中，必然會(huì)發(fā)生顏色視覺失真。

目前RGB 與彩色圖像輸出值之間的映射關(guān)系構(gòu)建必須要建立在準(zhǔn)確測(cè)量RGB 值和其所對(duì)應(yīng)的彩色圖像輸出值基礎(chǔ)上，也就是視覺顏色感受定量描述，再以此為基礎(chǔ)，運(yùn)用模型法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和三維查表法來進(jìn)行所有色域點(diǎn)映射關(guān)系的構(gòu)建。

2 LCD顏色特性測(cè)試與RGB空間和CIELAB空間映射關(guān)系的構(gòu)建

在進(jìn)行LCD 液晶顯示器顏色特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要選定合適的計(jì)算機(jī)設(shè)備。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人眼觀察的模擬，在測(cè)試時(shí)，其側(cè)視角需要垂直于LCD 顯示屏面，LCD 液晶顯示器RGB 顏色空間屬于立方體模型，主要為256×256×256，為能夠詳細(xì)地描述色域邊界的變化狀態(tài)，采樣點(diǎn)的選擇需確定為不均勻的分割方法，在邊界面每隔32取1采樣點(diǎn)，內(nèi)部需要每隔48取1采樣點(diǎn)，共選擇512個(gè)采樣點(diǎn)。

在得到具體的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)后，需選擇三維查表法來建立RGB 與彩色圖像輸出值之間的映射關(guān)系，并從正向RGB 向彩色圖像輸出值之間的查找表建立。在此過程中，非采樣點(diǎn)輸出值必須要通過與其相鄰已知的8個(gè)點(diǎn)的線性插值方能夠獲取，而出于RGB 空間采樣點(diǎn)選擇屬于均勻有序考慮，所以非采樣點(diǎn)相鄰點(diǎn)可以依據(jù)一定的規(guī)律予以確定，從逆向彩色圖像輸出值到RGB 值查找表的建立中采樣點(diǎn)的彩色圖像數(shù)值分布屬于不均勻狀態(tài)，且并無規(guī)律可言，當(dāng)輸入采樣點(diǎn)的彩色圖像輸出值時(shí)，其相鄰8個(gè)點(diǎn)的彩色圖像輸出值查找難度較高，無法運(yùn)用插值方法來予以計(jì)算，所以需要通過三維檢索匹配方法逐步予以逼近，并建立逆向的映射關(guān)系，依據(jù)所建立的RGB 空間和CIELAB 空間映射關(guān)系確定，采樣點(diǎn)當(dāng)中選取256個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)換誤差，并隨機(jī)由空間當(dāng)中進(jìn)行9個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)的抽取予以轉(zhuǎn)換誤差分析，從采樣點(diǎn)角度來說，由RGB 值到彩色圖像輸出值的正向映射與從彩色圖像輸出值到RGB 值的逆向映射，均能夠準(zhǔn)確查找到樣本數(shù)據(jù)，所以并無明顯色差。

從測(cè)試點(diǎn)角度分析，由RGB 到彩色圖像輸出值正向映射表實(shí)際來講，最大的色差顯示為1.2546，平均色差則為0.5681，如圖1所示。

圖1 由RGB向彩色圖像輸出正向轉(zhuǎn)換色差分布

由圖1可以看出，其轉(zhuǎn)換色差較為明顯，而由彩色圖像輸出直到RGB 值逆向映射實(shí)際數(shù)據(jù)來講，最大色差為4.3122，平均色差則為1.4105，其轉(zhuǎn)換色差分布圖如圖2所示。

由圖2可以看到，從正向轉(zhuǎn)換來講，無論在采樣點(diǎn)還是測(cè)試點(diǎn)，轉(zhuǎn)換精度有所保障，原因在于測(cè)試點(diǎn)是依據(jù)相鄰采樣點(diǎn)差值計(jì)算，所以其在相鄰點(diǎn)構(gòu)成的立方體之范圍之內(nèi)轉(zhuǎn)換色差主要是由采樣點(diǎn)密度予以確定，一旦提高采樣點(diǎn)密度，則色差相對(duì)較小，轉(zhuǎn)換精度會(huì)隨之提升。而逆向轉(zhuǎn)換結(jié)果和正向相比而言，測(cè)試點(diǎn)色差相對(duì)較大，原因在于三維搜索匹配方法在逐步進(jìn)行逼近時(shí)，會(huì)容易陷入局部極值點(diǎn)。

圖2 由彩色圖像輸出向RGB逆向轉(zhuǎn)換色差分布

3 LCD顏色特性對(duì)彩色圖像顯示所產(chǎn)生的影響分析

根據(jù)上述相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定邊界點(diǎn)在CIELAB空間中可標(biāo)識(shí)出LCD 色域，前期進(jìn)行相關(guān)CRT 研究過程中所采用的顯示器設(shè)備CRT 色域，通過分析比較后，可以得出LCD 液晶顯示器的顯示色域相比CRT 要較小，而且可完全包含在其中，這一特性也就表示CRT 可以表現(xiàn)出的圖像顏色，卻無法在LCD液晶顯示器上予以表現(xiàn)。而從顏色視覺感知屬性角度而言，通過相關(guān)研究，其所表現(xiàn)的顏色、明度、色調(diào)范圍以及彩度都有著一定的差異性。所以LCD 液晶顯示器的顯示色域被CRT 完全包含在內(nèi)。

從色域明度角度分析，LCD 液晶顯示器可以表現(xiàn)出的明度范圍確定為83，CRT 的明度范圍則確定為101，所以兩者之間存在18個(gè)名度單位，由此可以發(fā)現(xiàn)，LCD 幾乎是CRT 顏色明度范圍的1/5，也就意味著顏色明度的表現(xiàn)當(dāng)中，LCD 液晶顯示器在進(jìn)行CRT 圖像顏色顯現(xiàn)時(shí)，會(huì)存在1/5明度范圍的顏色無法再現(xiàn)的情況，許多高明度顏色常會(huì)在LCD 液晶顯示器上表現(xiàn)為失真狀態(tài)。

從色域的色調(diào)和彩度而言，紅綠軸方面LCD 與CRT 之間相差52 個(gè)單位，在黃藍(lán)軸方面，LCD 與CRT 之間相差40個(gè)單位，而LCD 與CRT 色域分別投影的彩色圖像輸出平面可以看出分別。

從攝于立體各頂點(diǎn)投影點(diǎn)分析，LCD 色調(diào)平面中，除紅色之外，其他各頂點(diǎn)均與CRT 存在很大差異，并且基本都處在CRT 的邊界內(nèi)，其中藍(lán)色點(diǎn)與綠色點(diǎn)有著最大的差異性，其次為黃色和青色以及品紅色，使用LCD 液晶顯示器去進(jìn)行CRT 上所顯示全色域彩色圖像的再現(xiàn)時(shí)，更多是藍(lán)色區(qū)域、綠色區(qū)域顏色無法實(shí)現(xiàn)再現(xiàn)，而紅色區(qū)域則可實(shí)現(xiàn)顏色的再現(xiàn)相對(duì)較多。

從另一層面來講，如果彩色圖像具有相同的RGB 值，則從輸入LCD 液晶顯示器與CRT 液晶顯示器之后，如果沒有進(jìn)行任何標(biāo)定，則其所體現(xiàn)出的各色域頂點(diǎn)顏色均存在一定差異。例如，CRT 液晶顯示器中的黃色點(diǎn)主要由于其坐標(biāo)相比LCD 液晶顯示器坐標(biāo)值更小，而黃色值更大，所以會(huì)表現(xiàn)出明顯的偏黃綠色。同理，可以得出其他各頂點(diǎn)顏色發(fā)生失真的偏色實(shí)際情況，而由于顏色特性存在的差異性，LCD 液晶顯示器顯示色域相比CRT 液晶顯示器相對(duì)較小，同時(shí)基本上被完全包含其中，所以當(dāng)彩色圖像輸出到LCD 液晶顯示器與CRT 液晶顯示器上時(shí)，在CRT 液晶顯示器上往往可以表現(xiàn)出完整的圖像顏色，但卻無法在LCD 液晶顯示器上完全予以表現(xiàn)，而顯示器被標(biāo)定后，這種顏色發(fā)生失真的問題則需要利用色域映射予以妥善解決。

4 結(jié)束語

通過對(duì)彩色LCD 液晶顯示器設(shè)備顏色空間RGB值與標(biāo)準(zhǔn)顏色空間CIELAB 之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的測(cè)定與建立，從而獲取了相關(guān)顏色的顯示特性，而依據(jù)這種對(duì)應(yīng)關(guān)系的分析，運(yùn)用查找表方法進(jìn)行設(shè)備顏色顯示特性化描述的建立，為L(zhǎng)CD 顯示器間的標(biāo)定提供了依據(jù)。通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)顏色、空間邊界關(guān)系得到了顏色表現(xiàn)范圍的分析，以及對(duì)比CRT 液晶顯示器可以得知顏色失真的主要色調(diào)區(qū)，所以為能夠?qū)崿F(xiàn)液晶顯示器顯示彩色圖像時(shí)顏色發(fā)生失真的一些基本規(guī)律和有效解決彩色圖像在LCD 液晶顯示器傳輸過程中顏色失真問題的解決，可以以文章研究提供一些理論與數(shù)據(jù)支持，具有一定的參照意義。