Micro LED大屏顯示技術(shù)分析——顯示色域

    自20世紀(jì)80年代至今，LED顯示技術(shù)持續(xù)演進(jìn)，應(yīng)用場(chǎng)景不斷豐富，市場(chǎng)規(guī)模日益壯大。作為L(zhǎng)ED顯示行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)，艾比森將定期推出系列科普文章，由資深技術(shù)專家解讀LED顯示技術(shù)相關(guān)原理，相信可以給業(yè)界同仁帶來(lái)更多的思路和參考。

    在信息化時(shí)代，顯示產(chǎn)品作為人類與信息的接觸界面，極大地影響著人們的生活。隨著信息量的劇增及更新速度的加快，尤其是多媒體數(shù)字音視頻信息對(duì)傳統(tǒng)單一的文字視頻信息的代替，人們對(duì)顯示效果提出了更高的要求。顯示屏的色域直接影響著顯示畫面的色彩表現(xiàn)力和色彩還原度，是目前顯示屏產(chǎn)品關(guān)注的焦點(diǎn)。

    本文將從色度學(xué)原理出發(fā)，闡述不同的色域標(biāo)準(zhǔn)，深入分析LED顯示屏色域范圍與色彩表現(xiàn)力和色彩還原度之間的關(guān)系。

    01色度學(xué)原理

    我們生活在五彩繽紛的世界中，人類能感受不同的顏色是由于人眼接收到不同波長(zhǎng)的光信號(hào)產(chǎn)生的視覺(jué)響應(yīng)。人眼的視網(wǎng)膜上存在視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞兩種感光細(xì)胞，視桿細(xì)胞主要在暗光情況下發(fā)揮作用，沒(méi)有色彩識(shí)別功能；而視錐細(xì)胞在明亮條件下發(fā)揮作用，視錐細(xì)胞分為紅敏視錐細(xì)胞、綠敏視錐細(xì)胞和藍(lán)敏視錐細(xì)胞三種，分別對(duì)紅、綠、藍(lán)最敏感。根據(jù)混色原理，自然界中幾乎所有的顏色也都可以由紅綠藍(lán)三色組合而成，視網(wǎng)膜上三種視錐細(xì)胞對(duì)紅綠藍(lán)三色光的視覺(jué)響應(yīng)組合即可得到不同的顏色感受�；�于以上原理，現(xiàn)代顯示中通常使用紅綠藍(lán)作為三基色，根據(jù)人眼視覺(jué)特性和混色原理，將三基色按不同比例混合即可還原自然界中的大部分顏色，如圖1所示。可使用配色方程定量描述混色原理，對(duì)于需要顯示的色光C，其配色方程可表示為C[C]＝R[R]＋G[G]＋B[B]，其中，C, R, G, B分別代表了匹配色光、紅光、綠光、藍(lán)光的相對(duì)強(qiáng)度，該配色方程表示R個(gè)單位的紅原色、G個(gè)單位的綠原色和Ｂ個(gè)單位的藍(lán)原色相加混合，可匹配出C個(gè)單位的C顏色，R, G, B稱為三刺激值。

圖1 顯示三基色混色原理

    02CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)

    為了便于比較和統(tǒng)一，1931年，國(guó)際照明委員會(huì) (CIE) 提出了標(biāo)準(zhǔn)觀察者和色坐標(biāo)系統(tǒng)，采用700nm，546.1nm，435.8nm作為R，G，B三原色波長(zhǎng)，對(duì)配色方程進(jìn)行歸一化處理得 [C]＝R/(R+G+B)[R]＋G/(R+G+B) [G]＋B/(R+G+B) [B]，定義色度坐標(biāo)r，g，b，其中r= R/(R+G+B)，g= G/(R+G+B)，b= B/(R+G+B)，則[C]＝r[R]＋g [G]＋b[B]，由于r+b+g=1，已知三刺激值中任意兩個(gè)即可定量表征匹配色C，基于以上內(nèi)容，CIE 1931 RGB色品圖使用 (r, g) 二維坐標(biāo)定量表征色彩，如圖2所示。

圖2 CIE 1931 RGB色品圖

    由于顏色匹配試驗(yàn)的問(wèn)題，CIE RGB色品圖中存在負(fù)值，不利于計(jì)算和理解，因此CIE又提出了CIE 1931 XYZ色度系統(tǒng)，該色度系統(tǒng)用假想的三個(gè)原色XYZ代替RGB系統(tǒng)的三原色，對(duì)原來(lái)的RGB色品圖進(jìn)行數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，得到與RGB系統(tǒng)中的三刺激值R, G, B對(duì)應(yīng)的全為正數(shù)的三刺激值X, Y, Z，相應(yīng)的，色光C的配色方程可表示為C[C]＝X [X]＋Y[Y]＋Z[Z]，對(duì)配色方程進(jìn)行歸一化處理得 [C]＝X/(X+Y+Z)[X]＋Y/(X+Y+Z)[Y]＋Z/(X+Y+Z)[Z]，令x=X/(X+Y+Z)，y= Y/(X+Y+Z)，z= Z/(X+Y+Z)，由于x+y+z=1，僅通過(guò)x和y就可以在二維平面中確定一個(gè)顏色，以x，y為橫、縱坐標(biāo)，即得到如圖3所示的得到CIE 1931 XYZ色品圖。在CIE 1931 XYZ色品圖中，380nm到780nm的可見(jiàn)光光譜色連接可得到馬蹄狀曲線，馬蹄狀曲線旁注釋的數(shù)字為光譜波長(zhǎng)值。位于馬蹄狀曲線上為單色光，具有最大飽和度，越靠近馬蹄形曲線的內(nèi)部，顏色的飽和度越小，顏色越接近白光。

    03顯示屏色域及色域標(biāo)準(zhǔn)

    色域可以理解為顯示設(shè)備能夠顯示顏色的范圍，對(duì)于現(xiàn)代顯示中最常用的三基色顯示，根據(jù)混色原理，將顯示設(shè)備采用的紅綠藍(lán)三基色的色坐標(biāo)定位在CIE 1931 XYZ色品圖中，之后將三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)連接，即可得到顯示設(shè)備對(duì)應(yīng)的色域三角形。色域三角形的三個(gè)頂點(diǎn)是顯示設(shè)備紅綠藍(lán)三基色的色坐標(biāo)，三角形圍成的區(qū)域是顯示設(shè)備三基色混合能得到的所有顏色，即顯示設(shè)備能表現(xiàn)的所有顏色，三角形的面積越大，表明顯示設(shè)備的色域范圍越大，能夠顯示的色彩越豐富。

    為了便于信息傳遞，顯示行業(yè)制定了一系列的色域標(biāo)準(zhǔn)，其中常用的標(biāo)準(zhǔn)主要有NTSC、Rec.709、DCI-P3和Rec.2020色域標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示。

圖3 常用色域標(biāo)準(zhǔn)范圍

    NTSC色域是1953年由美國(guó)國(guó)家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)訂制的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是為當(dāng)時(shí)剛出現(xiàn)不久的 CRT 彩色電視定制的，由于實(shí)在太過(guò)古老，早已不適用于現(xiàn)代顯示器。更重要的是現(xiàn)代顯示內(nèi)容創(chuàng)作者幾乎沒(méi)有以 NTSC 為工作空間的，這就意味著以NTSC作為色域指標(biāo)的顯示產(chǎn)品無(wú)法與顯示內(nèi)容之間建立必然聯(lián)系。

    Rec.709色域是1990年國(guó)際電信聯(lián)盟發(fā)布的色域標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)被用作高清顯示（HDTV）的色彩標(biāo)準(zhǔn)，是目前使用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，1996年微軟聯(lián)合HP、三菱、愛(ài)普生等廠商開(kāi)發(fā)出sRGB色彩標(biāo)準(zhǔn)，受微軟強(qiáng)大用戶群體的影響力的威懾，絕大多數(shù)的數(shù)碼圖像采集設(shè)備，如數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、掃描儀、顯示器等都支持支持sRGB標(biāo)準(zhǔn)。該色域標(biāo)準(zhǔn)與Rec.709色域標(biāo)準(zhǔn)完全相同，因而也使得Rec.709色域標(biāo)準(zhǔn)成為目前使用最廣泛的色域標(biāo)準(zhǔn)。

    DCI-P3色域是美國(guó)電影行業(yè)于2005年推出的一種廣色域標(biāo)準(zhǔn)，是目前數(shù)字電影設(shè)備最常采用的色彩標(biāo)準(zhǔn)之一，如圖3中所示，與Rec.709色域相比，DCI-P3色域在綠色和紅色區(qū)域范圍更廣，可呈現(xiàn)的色域相比Rec.709色域大了25%。隨著4K時(shí)代的來(lái)臨，原有的Rec.709/sRGB 已經(jīng)無(wú)法滿足顯示需求，越來(lái)越多的顯示設(shè)備開(kāi)始采用DCI-P3標(biāo)準(zhǔn)作為顯示色域。

    Rec.2020色域標(biāo)準(zhǔn)是2012年國(guó)際電信聯(lián)盟針對(duì)超高清設(shè)備（4K&8K）發(fā)布的色域標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示，Rec.2020色域范圍是目前所有色域標(biāo)準(zhǔn)中最廣的。

    如圖3中所示，上述幾種色域標(biāo)準(zhǔn)中，Rec.709色域面積最小，DCI-P3色域可完全覆蓋Rec.709色域，Rec.2020色域可完全覆蓋DCI-P3色域。而Rec.709色域面積雖然僅為72%的NTSC色域面積，但NTSC色域在藍(lán)色區(qū)域并沒(méi)有完全覆蓋Rec.709色域，實(shí)際上NTSC色域只能覆蓋82% 的 Rec.709色域。

    當(dāng)顯示設(shè)備的色域范圍能完全覆蓋顯示數(shù)據(jù)的色域范圍時(shí)，顯示設(shè)備可以完全呈現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)中的色彩，還原視頻或圖片創(chuàng)作者的創(chuàng)作意圖。目前，圖片或視頻源數(shù)據(jù)采用的色域標(biāo)準(zhǔn)通常為Rec.709色域標(biāo)準(zhǔn)、DCI-P3色域標(biāo)準(zhǔn)和Rec.2020色域標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有任何圖片或視頻源采用NTSC色域作為標(biāo)準(zhǔn)。由于NTSC色域標(biāo)準(zhǔn)并不能完全覆蓋Rec.709、DCI-P3和Rec.2020三種色域標(biāo)準(zhǔn)中的任何一種，因而以NTSC色域作為指標(biāo)的顯示設(shè)備無(wú)法與顯示數(shù)據(jù)（以Rec.709色域、DCI-P3色域或Rec.2020色域作為色域標(biāo)準(zhǔn)）之間建立必然聯(lián)系。顯示設(shè)備的NTSC色域指標(biāo)無(wú)法展現(xiàn)對(duì)Rec.709、DCI-P3和Rec.2020 色域覆蓋率，因而無(wú)法展現(xiàn)出對(duì)圖片或視頻源數(shù)據(jù)的色彩還原能力，對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)沒(méi)有任何參考價(jià)值。

    04總 結(jié)

    本文以色度學(xué)原理為基礎(chǔ)，詳細(xì)闡述了不同的色域標(biāo)準(zhǔn)，分析了顯示屏色域范圍與色彩表現(xiàn)力和色彩還原度之間的關(guān)系�；�于以上分析可知，傳統(tǒng)LED顯示屏產(chǎn)品以NTSC色域作為參數(shù)指標(biāo)，無(wú)法表征顯示屏對(duì)圖片或視頻源數(shù)據(jù)的色彩還原能力，以Rec.709、DCI-P3或Rec.2020色域作為參數(shù)指標(biāo)才是對(duì)LED顯示產(chǎn)品色彩表現(xiàn)力的科學(xué)表征方法。