【艾比森】Micro LED大屏顯示技術(shù)分析——顯示色域
來源:艾比森 編輯:lsy631994092 2022-03-22 19:04:25 加入收藏
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LED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。
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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的光信號(hào)產(chǎn)生的視覺響應(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)三色光的視覺響應(yīng)組合即可得到不同的顏色感受?;谝陨显?,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恚瑢?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
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CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)
為了便于比較和統(tǒng)一,1931年,國際照明委員會(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,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。
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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年由美國國家電視標(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)品無法與顯示內(nèi)容之間建立必然聯(lián)系。
Rec.709色域是1990年國際電信聯(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、愛普生等廠商開發(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)代的來臨,原有的Rec.709/sRGB 已經(jīng)無法滿足顯示需求,越來越多的顯示設(shè)備開始采用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)無法展現(xiàn)對(duì)Rec.709、DCI-P3和Rec.2020 色域覆蓋率,因而無法展現(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)者來說沒有任何參考價(jià)值。
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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。基于以上分析可知,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。
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