三基色显示设备三维色域的构建及计算

李 彦，李 娜，王 静，李桂苓

（1.天津师范大学 电子与通信工程学院，天津 300074；2.天津大学 电子信息工程学院，天津 300072）

三基色显示设备三维色域的构建及计算

李 彦1,2，李 娜1，王 静1，李桂苓2

（1.天津师范大学 电子与通信工程学院，天津 300074；2.天津大学 电子信息工程学院，天津 300072）

从颜色的三重属性出发，设计生成了测定颜色亮度、色调和色饱和度的三维色域测试图，用这些测试图，对被测显示器进行了色度测试，得到了不同亮度下的三维色域图。用切片算法计算了被测显示器的三维色域，并与笔者之前基于相加混色原理计算的理论三维色域值进行了比较，结果表明二者基本相等。

三维色域；色度测量；体积计算

为实现不同色域信号与不同显示器件或显示方式的色域匹配，例如将常规窄色域电视信号展宽，使宽色域显示器件或宽色域显示方式得以重显色彩更饱和的宽色域图像或视频画面，来提高视觉效果，这就是通常所说的色域映射或色域匹配，而这需要以色度测试数据为依据或前提。

目前通用的色度测试是用特定亮度（明度）的二维测试图，比如我国相关标准规定测定“色域覆盖率”[1]时，分别测量100%幅度的红、绿和蓝三种满幅测试图的色度参数，进而计算重显三基色限定的色度范围与可见光色度范围的比值。实际上，不同显示器件或显示方式在不同亮度（明度）下，色域有很大的差别[2]。例如LCD，PDP等平板显示器，当亮度（明度）提高后，色域大为缩窄，这意味着采用现有技术，这些显示器不能显示高亮度（明度）的高饱和色。

本文基于三基色相加混色原理[3]，设计了一套视频测试图序列。利用这些测试序列，本文对被测显示器进行了实际测量，得到了显示器的实测三维色域，并计算出其体积。同时本文也计算了显示器理论三维色域体积，并对二者进行了比较。

1 测试图设计

1.1 三基色相加混色原理

图1所示为RGB色立方体，其配色规律遵循

图1 RGB色立方体（截图）

当三基色R，G，B选取不同的值时，合成色参数不同，图像呈现不同颜色。因此，理论上讲，只要在由基准白信号幅度归一化的0～1范围内遍历取三基色值，那么根据式（1）分别组合，即可得所有色立方体表面及内部颜色，若拟测试显示设备的最大色域，那么只要选取RGB色立方体的表面颜色即可。

1.2 颜色和灰度阶选取

将RGB立方体各边均分12等份，可得13个值，再把它们按8 bit精度量化，于是RGB取值范围为[0，255]，如表1所列。这些RGB值的组合，对应色立方体表面的866个点，其中，饱和色469种。由于866种颜色位于RGB色立体的表面，所以由这些颜色点限定的色域范围就是该系统的最大色域。

另选黑（R=G=B=0）到白（R=G=B=1）间13个灰阶色块（见表1），用来说明显示设备对黑白图像的表现能力。

表1 R，G，B均匀13级分级与8 bit量化值的对应关系

2 测试图布局

根据已确定的色块数据，本文设计了多色块和单色块两种测试图模板。多色块测试模板如图2所示。测试图上下各约去除画面高度的1/9，左右各约去除画面宽度的1/9。为减小来自测试图边缘非有效测量区光线对色度测量的影响，非有效测量区填充黑色。此外，为定位色度计与测试图间的相对位置，测试图四边设白色三角形满幅标志，中央设测试图中心标志。而且为减小来自相邻色块光线对所测色块色度参数的影响，各色块在列和行之间，均间隔足够的距离（像素），并将之填充黑色。

图2 多色块测试图模板

对具有一次成像功能，并可按标定的测量区来测量、计算和输出多色块测试图各色块色度参数的CCD面阵型色度计，采用图2所示复合三维色度测试图可便捷地进行显示器的三维色度测量。但多色块测试图色块间易产生干扰，对无一次成像功能的色度计，测试中需频繁移动色度计，这也给测量带来不便并易造成误差。为满足精确色度测试需求，本文还设计、生成了单色块测试图序列，其模板如图3所示。

图3 单色块测试图模板

单色块测试模板是将多色块测试模板中的866个色块转化为866个独立的单色块测试图，另外添加了对实验结果影响较大的11个中性灰色块测试图，共计877个单色块测试图，每张测试图中央只有一个色块，色块四周均用黑色填充。

3 色度测量

3.1 测试环境设置

测试仪器包括信号发生器、被测显示器和色度计，按图4搭建实验系统。图中，色度计的光轴与被测显示器的中心区域正交，h为被测显示器有效可视高度，d为色度计镜头与被测显示器之间的水平距离，测试距离取h的3倍（HDTV）或4倍（SDTV）。测量在暗室进行，为确保显示器特性不随时间产生明显变化，实测开始前仪器进行30min以上的开机预热[4]。

图4 实验设备示意图

3.2 实测数据处理

实验时，将显示器调到出场设置，然后将877张测试图进行排序，逐一播放测试图，对每一张测试图进行测试，得到显示器不同亮度下的三维色域实测数据，并可画出图5所示的点云图。从图5可知，测试数据在三维空间呈现不规则分布。

为简化计算，下面采用切片法近似计算被测显示器的实测三维色域。

图5 显示器三维色域

显示器实测数据的L*在[0，100]范围内，可以10为步长建立测试数据的切片，得L*=0，10，20，…，90，100共11个切片。将实测数据分别投影到距这11个切片最近的切片上，将投影后的数据点云与原数据进行对比，如图6所示。

图6 实测数据与切片数据对比

从图6可以看出，对于显示器的实测三维点云进行切片投影以后，切片数据包络的三维色域的范围与原实测数据包络的色域范围基本相同，因此切片数据包络的三维色域可近似等于显示器的三维色域。根据切片分层分别计算相邻切片之间的体积，最后将相邻切片间的体积进行累加，可得显示器的三维色域体积。

根据相邻切片间边界的相似性，可按多棱台计算式计算相邻切面间的体积

式中：Vi为相邻切片间的体积；Si和Si+1分别为相邻切片各自的面积；（L*i+1-L*i）为相邻切片间的高度。将相邻切片间的体积累加，所得显示器的三维色域体积为

在CIE LAB色空间，按切片法计算所得被测显示器的实测色域体积为8.7×105。

3.3 理论三维色域的计算

实测被测显示器的三基色及参考白的色度学参数如表2所示。按笔者在文献[5]中所述构建理论三维色域的方法，被测显示器的理论三维色域如图7所示。

表2 被测显示器的色度学参数

图7 理论三维色域

由图7可见，理论三维色域边界比实测三维色域边界要规则，本文根据Hill’s的理论[6]，将ΔL*=Δa*=Δb*=1看作一个小色立方体，计算理论三维色域所包含的小立方体的数量即为显示器三维色域的大小。

在CIE LAB色空间，在L*=[0，100]范围内的亮度平面之间，若以1为单位对色域边界进行插值，计算每一层的色域边界包络的色域面积为SL*，则显示器的三维色域大小为

最终得到该显示器的理论三维色域体积大小为8.58×105。

计算值表明，三基色显示器的实测数据体积（8.7× 105）和理论体积（8.58×105）基本相等。若将实测数据和理论构建的三维色域同时画在图8所示的一张图中，同样可以看出显示器实测色域和理论色域基本重合。

4 结束语

本文设计、生成了两种测试图序列，它们可用于显示器的三维色度特性测试。本文用单色块测试图序列，实测了LCD显示器的色度参数，并分析和处理了实测数据，绘制出三维色度图，计算了相应指标。

图8 实测色域与理论色域比较

本文的分析、实测和测试数据表明，显示器重显不同亮度（明度）信号的色域变化很大，以二维色度测量表示显示器的色度特性具有一定的局限性。

为定量评价显示器的三维色重显特性，本文由实测数据计算了三维色域体积，并与其理论值进行了比较。对被测LCD显示器，在CIE LAB色空间，二者分别为8.7× 105和8.58×105，误差约1.4%，二者基本吻合。

希望本文的工作引起业界对显示器色重显特性，特别是三维色重显特性的关注，改善显示器色重显性能，特别是重显不同亮度信号时的色性能。

[1]刘全恩.色域及色域覆盖率[J].电视技术，2004，28（11）：48-51.

[2] MATSUMOTO T.xvYCC:a new standard forvideo systems using ex⁃tended-gamut YCC color space[C]//Proc.SID 06 digest.[S.l.]：SID Press，2006：1130-1133.

[3]胡威捷，汤顺青，朱正芳.现代颜色技术原理与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2007.

[4] 李彦，王静，李娜，等.四元色液晶显示器色温与色重显性能的研究[J].电视技术，2013，37（2）：36-39.

[5] LIYan，LINa，WANG Jing，et al.Construction and evaluation of three-dimensional gamut for UHDTV based on the additive color mixing principle[J].Applied Mechanics and Materials，2013（303-306）：2086-2089.

[6] HILL B.Comparative analysis of the quantization of color spaces on the basis of the CIELAB color difference formulate[J].ACM Trans. Graph，1997（16）：109-154.

李 彦，女，副教授，博士，从事信号与信息处理、数字视频与多媒体技术教学、科研工作；

李 娜，女，硕士，进行色度学和显示器色度特性评价研究；

王 静；女，硕士生，进行色度学和显示器色度特性评价研究；

李桂苓，教授，博士生导师，从事信号与信息处理、数字视频与多媒体技术教学、科研工作。

Construction and Calculation of Three Dimensional Gamut of Three Primary Colors Displayer

LI Yan1,2，LI Na1，WANG Jing1，LI Guiling2
（1.College of Electronic and Communication Engineering,Tianjin Normal University，Tianjin 300074，China；2.Electronic Information Engineering Institute,Tianjin University，Tianjin 300072，China）

According to three properties of colors,test patterns of three dimensional gamut to test the luminance(brightness), hue and saturation of colors are designed and generated.Chromaticity parameters of the tested displayer are measured with these test patterns,and three dimensional gamut patterns under the different brightness are got.In this paper,three dimensional gamut volume of the tested displayer with slicing algorithm is also calculated and compared with theoretical three dimensional gamut value based on additive color mixture theory.The result shows that the both are basically equal.

three dimensional gamut;colorimetric measurement;volume calculation

TN873

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2014-01-14

【本文献信息】李彦，李娜，王静，等.三基色显示设备三维色域的构建及计算[J].电视技术，2014，38（21）.

天津师范大学博士基金项目（52XB1006）