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【艾比森】Micro LED大屏顯示技術(shù)分析2---顯示色域

來(lái)源:艾比森        編輯:lsy631994092    2022-10-10 18:00:32     加入收藏

在信息化時(shí)代,顯示產(chǎn)品作為人類(lèi)與信息的接觸界面,極大地影響著(zhù)人們的生活。隨著(zhù)信息量的劇增及更新速度的加快,尤其是多媒體數字音視頻信息對傳統單一的文...

  在信息化時(shí)代,顯示產(chǎn)品作為人類(lèi)與信息的接觸界面,極大地影響著(zhù)人們的生活。隨著(zhù)信息量的劇增及更新速度的加快,尤其是多媒體數字音視頻信息對傳統單一的文字視頻信息的代替,人們對顯示效果提出了更高的要求,顯示屏的色域直接影響著(zhù)顯示畫(huà)面的色彩表現力和色彩還原度,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),闡述不同的色域標準,深入分析LED顯示屏色域范圍與色彩表現力和色彩還原度之間的關(guān)系。

  1 色度學(xué)原理

  我們生活在五彩繽紛的世界中,人類(lèi)能感受不同的顏色是由于人眼接收到不同波長(cháng)的光信號產(chǎn)生的視覺(jué)響應。人眼的視網(wǎng)膜上存在視桿細胞和視錐細胞兩種感光細胞,視桿細胞主要在暗光情況下發(fā)揮作用,沒(méi)有色彩識別功能;而視錐細胞在明亮條件下發(fā)揮作用,視錐細胞分為紅敏視錐細胞、綠敏視錐細胞和藍敏視錐細胞三種,分別對紅、綠、藍最敏感。根據混色原理,自然界中幾乎所有的顏色也都可以由紅綠藍三色組合而成,視網(wǎng)膜上三種視錐細胞對紅綠藍三色光的視覺(jué)響應組合即可得到不同的顏色感受?;谝陨显?,現代顯示中通常使用紅綠藍作為三基色,根據人眼視覺(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??墒褂门渖匠潭棵枋龌焐?,對于需要顯示的色光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、藍光的相對強度,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)單位的藍原色相加混合,可匹配出C個(gè)單位的C顏色,R, G, B稱(chēng)為三刺激值。

  圖1 顯示三基色混色原理

  2 CIE1931標準色度系統

  為了便于比較和統一,1931年,國際照明委員會(huì ) (CIE) 提出了標準觀(guān)察者和色坐標系統,采用700nm,546.1nm,435.8nm作為R,G,B三原色波長(cháng),對配色方程進(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,基于以上內容,CIE 1931 RGB色品圖使用 (r, g) 二維坐標定量表征色彩,如圖2所示。

  圖2 CIE 1931 RGB色品圖

  由于顏色匹配試驗的問(wèn)題,CIE RGB色品圖中存在負值,不利于計算和理解,因此CIE又提出了CIE 1931 XYZ色度系統,該色度系統用假想的三個(gè)原色XYZ代替RGB系統的三原色,對原來(lái)的RGB色品圖進(jìn)行數學(xué)轉換,得到與RGB系統中的三刺激值R, G, B對應的全為正數的三刺激值X, Y, Z,相應的,色光C的配色方程可表示為C[C]=X [X]+Y[Y]+Z[Z],對配色方程進(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,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(xiàn),馬蹄狀曲線(xiàn)旁注釋的數字為光譜波長(cháng)值。位于馬蹄狀曲線(xiàn)上為單色光,具有最大飽和度,越靠近馬蹄形曲線(xiàn)的內部,顏色的飽和度越小,顏色越接近白光。

  3 顯示屏色域及色域標準

  色域可以理解為顯示設備能夠顯示顏色的范圍,對于現代顯示中最常用的三基色顯示,根據混色原理,將顯示設備采用的紅綠藍三基色的色坐標定位在CIE 1931 XYZ色品圖中,之后將三個(gè)坐標點(diǎn)連接,即可得到顯示設備對應的色域三角形。色域三角形的三個(gè)頂點(diǎn)是顯示設備紅綠藍三基色的色坐標,三角形圍成的區域是顯示設備三基色混合能得到的所有顏色,即顯示設備能表現的所有顏色,三角形的面積越大,表明顯示設備的色域范圍越大,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準,其中常用的標準主要有NTSC、Rec.709、DCI-P3和Rec.2020色域標準,如圖3所示。

  圖3 常用色域標準范圍

  Rec.709色域是1990年國際電信聯(lián)盟發(fā)布的色域標準,該標準被用作高清顯示(HDTV)的色彩標準,是目前使用最廣泛的標準。隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展,1996年微軟聯(lián)合HP、三菱、愛(ài)普生等廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)出sRGB色彩標準,受微軟強大用戶(hù)群體的影響力的威懾,絕大多數的數碼圖像采集設備,如數碼相機、數碼攝像機、掃描儀、顯示器等都支持支持sRGB標準。該色域標準與Rec.709色域標準完全相同,因而也使得Rec.709色域標準成為目前使用最廣泛的色域標準。

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

  Rec.2020色域標準是2012年國際電信聯(lián)盟針對超高清設備(4K&8K)發(fā)布的色域標準,如圖3所示,Rec.2020色域范圍是目前所有色域標準中最廣的。

  如圖3中所示,上述幾種色域標準中,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色域在藍色區域并沒(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。

  當顯示設備的色域范圍能完全覆蓋顯示數據的色域范圍時(shí),顯示設備可以完全呈現顯示數據中的色彩,還原視頻或圖片創(chuàng )作者的創(chuàng )作意圖。目前,圖片或視頻源數據采用的色域標準通常為Rec.709色域標準、DCI-P3色域標準和Rec.2020色域標準,沒(méi)有任何圖片或視頻源采用NTSC色域作為標準。由于NTSC色域標準并不能完全覆蓋Rec.709、DCI-P3和Rec.2020三種色域標準中的任何一種,因而以NTSC色域作為指標的顯示設備無(wú)法與顯示數據(以Rec.709色域、DCI-P3色域或Rec.2020色域作為色域標準)之間建立必然聯(lián)系。顯示設備的NTSC色域指標無(wú)法展現對Rec.709、DCI-P3和Rec.2020 色域覆蓋率,因而無(wú)法展現出對圖片或視頻源數據的色彩還原能力,對于消費者來(lái)說(shuō)沒(méi)有任何參考價(jià)值。

  4 總結

  本文以色度學(xué)原理為基礎,詳細闡述了不同的色域標準,分析了顯示屏色域范圍與色彩表現力和色彩還原度之間的關(guān)系?;谝陨戏治隹芍?,傳統LED顯示屏產(chǎn)品以NTSC色域作為參數指標,無(wú)法表征顯示屏對圖片或視頻源數據的色彩還原能力,以Rec.709、DCI-P3或Rec.2020色域作為參數指標才是對LED顯示產(chǎn)品色彩表現力的科學(xué)表征方法。

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