超高清液晶电视显示屏性能分析

李桂苓，徐 岩，李 彦，2

(1.天津大学 电子信息工程学院，天津 300072；2.天津师范大学 电子与通信工程学院，天津 300387)

超高清液晶电视显示屏性能分析

李桂苓1，徐 岩1，李 彦1，2

(1.天津大学 电子信息工程学院，天津 300072；2.天津师范大学 电子与通信工程学院，天津 300387)

阐释了数字电视系统部分视频参数的确定，比较了RGB，RGBYe和RGBW三种液晶电视显示屏的像素结构、像素形状、像素分布和像元分布。指出了显示屏与UHDTV信号格式不同所需格式变换将损伤图像。最后，分析了3种显示屏在色明度、色域、能效和重显HDR图像方面的性能。

超高清晰度电视；液晶显示屏；像素；图像格式变换；高动态范围

国际上对超高清晰度电视(UHDTV)[1]的基础研究已相当深入，其关键技术和设备的研发逐步进入实用阶段，一些国家和国际标准已制订，有的国家开始试播。我国也正在大力研究其关键技术，制订相关标准，超高清显示技术发展尤为迅速。现在虽缺少UHDTV节目，但以网络传输或记录载体形式提供的超高清图像和视频服务已逐渐涌现。

目前商品化的液晶电视显示屏主要有红绿蓝三基色RGB屏、红绿蓝黄四元色RGBYe屏和红绿蓝白四元色RGBW屏。本文面向我国UHDTV终端标准制订工作，比较了这3种屏的像素构成、像素形状、像素分布和像元分布，指出了显示屏与UHDTV信号格式不同所需格式变换对图像的损伤，分析了3种屏在色明度、色域、能效和重显高动态范围(HDR)[2]图像等方面的性能，希望对制订我国UHDTV标准和发展UHDTV显示技术有一定参考价值。

1 数字电视系统部分参数及其确定

数字电视系统的扫描行数和标准视距由正常视力(近似对应标准视力检查表1.0视力)能分辨张角约1′、亮度和对比度足够的相邻两黑白点确定。据此，可开列或算出表1所示标准清晰度电视(SDTV)[3]、高清晰度电视(HDTV)[4]和超高清晰度电视(UHDTV)[1]系统部分参数，其他参数算法和取值参见文献[5]。

电视系统基于红绿蓝三基色相加混色原理构建，但视觉的彩色细节分辨力低于黑白细节分辨力，不用于确定电视系统分辨力，电视系统也不传送RGB 3个宽带基色信号，而采用亮色分离信号传输方式。据此，模拟电视系统传输1个宽带亮度信号和2个窄带色差信号，数字电视系统传输的色差信号(CB、CR)在水平、垂直方向有效像素数均为亮度信号(Y)的一半，即4:2:0信号。

数字电视系统发端按扫描次序逐像素采集其RGB值，经编码予以传输，终端逆处理重建。借用DCI(数字电影倡导联盟)对数字电影画面格式的简称，目前流行将水平和垂直有效像素数1 920×1 080(HDTV)、3 840×2 160(UHDTV4K)和7 680×4 320(UHDTV8K)的数字电视图像格式分别简称2K、4K和8K画面。

表1 SDTV，HDTV和UHDTV系统部分参数

序号参数SDTVHDTVUHDTVUHDTV4KUHDTV8K1有效像素数/像素720×5761920×10803840×21607680×43202像素寻址从左到右，从上到下3R、G、B、Y取样结构固定，正交4幅型比431695像素宽高比106710006视距(画面高度h的归一化值)5503001500757扫描行垂直视角/(′)108510618静态清晰度理论值/电视线水平540垂直576108021604320

2 液晶电视显示屏像素构成及分布

2.1 数字电视图像分辨力和清晰度

按RGB三基色相加混色原理构建的数字电视系统，发端按扫描次序逐像素采集其RGB值，以像素为最小单位将其RGB值编码成数字分量信号Y、CB和CR传输，终端逆处理重建。数字电视画面水平和垂直方向有效像素数表示其分辨力，而图像细节清晰程度用图像清晰度反映。表1列出了数字电视系统静态图像清晰度理论值，其取决于画面有效像素数，但需按画面幅型比换算为电视线表示[6]。我国相关标准列有对数字电视系统和设备分辨力的要求和测量方法。

像素是组成一幅图像的全部可能亮度和色度的最小图像单元[7]。数字电视系统以像素为最小单位传输其RGB编码信息。LCD屏的像素一般由RGB像元(子像素、亚像素)组成，它们能单独激励、发光。

2.2 液晶电视显示屏固有分辨力

液晶电视显示屏按像素寻址方式工作，物理分辨力为其固有分辨力。图1是目前常见的3种液晶电视显示屏像素构成示意图，不同产品具体实现方式很多。图中所标像素尺寸为归一化值，1=h/NH，h和NH分别是屏的有效高度和有效行数。图1a为3 840×2 160 RGB三基色屏。图1b为增加了黄色像元(Ye)的RGBYe四元色屏，目前见到的是1 920× 1 080 规格，为对比下面也以3 840×2 160阵列为例。图1c是增加了白色像元(W)的2 880×2 160 RGBW四元色屏。

图1 3种显示屏像素构成示意图

2.3 液晶电视显示屏像素构成

图1各分图右侧示意画出了3种屏的像素组成。图1a、图1b均为UHDTV4K格式。按像元激励信号获取方法，图1c有两种像素划分方式，分辨力分别为2 880×2 160和5 760×1 080，均非UHDTV4K格式，若按RGB-WRG-BWR-GBW划分，则后3个单元不能重显全部亮度和色度。

2.4 液晶电视显示屏像素形状

图1所示3种屏的有效行数均为2 160，按标准视距1.5h计算，像素的垂直视角1.06′，每度视角有效像素数56.60，正常视力刚刚可辨。图1a、图1b所示RGB、RGBYe屏均由方像素构成，像素宽高比1:1，1.5h视距对应的像素水平视角亦为1.06′。图1c所示两种划分方式的RGBW屏均为矩形像素，像素宽高比分别为1.33:1和0.33:1，以前者为例，1.5h视距对应的像素水平视角增至1.41′，每度视角有效像素数减为42.55，未达正常视力极限，且与像素的垂直视角不同。

方像素的垂直、水平视角相同，与视网膜锥状细胞近似呈圆形相匹配。矩形像素与HDTV和UHDTV方像素信号不匹配，所需格式变换难以同时保证图像质量和不产生几何畸变。

非方像素还不利按方像素工作的计算机处理，按通用数学函数、程序生成几何图形易畸变。如图2所示，定义图像左上角为坐标原点后，按图中方程以(a，b)为圆心，r为半径画圆，会因像素为扁平的几何失真而显示为椭圆。

图2 矩形像素产生

2.5 液晶电视显示屏像素和像元分布

表2列出了3种显示屏的像素数、像元数及其分布。其中2 880×2 160 RGBW屏以图1c第一种像素划分为例。与图1a相比，图1c的像元总数虽相同，但水平像素数和像素总数均减少1/4。与图1b相比，图1c的像元总数、水平像素数和像素总数均减少1/4。

表2 RGB、RGBYe、RGBW屏像素数、像元数及其分布

显示屏像素数(水平×垂直)像素总数像素分布像元数(水平×垂直)像元总数像元分布RGB三基色屏3840×21608294400固定、正交11520×216024883200固定、正交RGBYe四元色屏3840×21608294400固定、正交15360×216033177600固定、正交RGBW四元色屏2880×21606220800帧五点形11520×216024883200帧五点形

像素分布对应图像的空间样点分布。SDTV、HDTV和UHDTV系统均采用正交，取样位置逐行逐帧重复的取样结构，图1a、图1b所示RGB、RGBYe屏与之对应，而图1c所示RGBW屏与之不同，呈交错状的帧五点形分布。

3 格式变换

3.1 三基色显示

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式(1)～式(6)表明，三基色电视系统有3个彼此独立的基色，其编码和传输对应3个方程，收端重建3个独立解。像素数量及分布与UHDTV4K格式相同的3 840×2 160 RGB屏可按像素对应方式，最佳地显示UHDTV4K信号。

3.2 多元色显示与格式变换

除像素、像元数量不同外，若其分布不正交，为显示UHDTV4K信号也需进行变换。图1b所示3 840×2 160 RGBYe四元色屏各像素所增Ye像元的激励信号可取自本像素RGB值，像素数与UHDTV4K相同，且正交分布，可按像素对应方式，最佳地显示UHDTV4K信号。

图1c所示2 880×2 160 RGBW四元色屏像素数及分布均不同于UHDTV4K格式，显示UHDTV4K信号需进行像素数及分布变换。变换用不同低通、内插算法的数字滤波器完成，依其算法将不同程度地损伤重显画面。这类损伤往往对不同图像表现不一，例如影响细线条连续性或图像清晰度，出现边缘模糊或频谱混叠带来的伪像等。

图3a为RGB屏(上)、RGBW屏(下)以像素对应方式显示R、G、B、W单像素归一化1～0相间竖直、45°线组效果图。图3b为RGB屏(上)、RGBW屏(下)以像素对应方式显示文字效果图。该图上下两组虽无像素对应关系，但仍可显现像素、像元正交分布与帧五点形分布显示效果的不同，如果再引入像素数下变换，上下两组的差别更大。2 880×2 160 RGBW屏水平方向像素数少于UHDTV4K图像格式，需在水平方向进行下变换，这会导致不同图像细节的平均亮度不一，图4为绿色水平细节(右)平均亮度明显低于绿色垂直细节(左)平均亮度的例子。图5为竖直平行线组(左)水平方向下变换产生伪像(右)的示意图。

图3 RGB屏(上)和RGBW屏(下)像素对应方式显示效果图

图4 饱和色细节的平均亮度

图5 伪像示意图

4 色域

4.1 色域与色域覆盖率

色域为颜色设备或系统所能表现的图像颜色范围，通常用色度图或色空间内的有界面积或体积描述。色域大小用色域覆盖率表示。色域覆盖率为CIE 1976 LUV均匀色空间(u′，v′)坐标系色度图上，三基色色度点包围的三角形面积，或多元色显示器各元色色度点包围的多边形面积，占谱色轨迹内面积(0.195 2)的百分比。按相关标准[1,4]，HDTV、UHDTV信号的色域覆盖率计算值分别为33.24%和57.29%。计算机等可生成较广播电视色域更宽的画面。

4.2 显示屏色域

为显示计算机等生成的高色饱和度画面，或渲染重显的电视图像，或满足视觉偏好，电视显示屏的重显色域不是必须与信号色域相同。展宽显示器色域可选用色域更宽的光源或荧光粉(基色光谱更窄)，也可增加像元。

多元色显示屏新增像元的激励信号由解码重建的RGB经色域映射获取。表3开列了实测1 920×1 080 RGBYe屏样品的色度坐标。图1b中RGBYe屏增加了黄色像元，其色域在色度图内可由图1a中RGB屏的三角形扩展成四边形，如图6所示。为减小计算误差，按表3数据，由GBYe与RBYe两三角形面积之和算出的色域覆盖率约36.16%，由RGB三角形面积算出的色域覆盖率约34.58%，色域覆盖率约提升1.58%。图6a在(u′，v′)坐标系画出了该屏色域与常规色域电视信号和另一台RGB屏色域的比较。图6b是图6a的局部放大。图6表明，该RGBYe屏色域覆盖率约提升1.58%不单靠增加黄色像元，显像基色坐标也发生了变化。应顺便指出，将CIE 1931 XYZ色空间转换到CIE 1976 LUV色空间后，RGBYe屏较RGB屏的色域扩展实际上不像在xy色度图上那么明显，均匀色空间才更接近视觉感受。

表3 HDTV常规色域电视系统色度参数和显示屏样品色度参数实测值

项目常规色域三基色系统三基色LCD屏样品RGBYe四元色LCD屏样品色度坐标(u′，v′)R(0451，0523)(04367，05266)(04493，05255)G(0125，0563)(0115，0563)(01142，05729)B(0175，0158)(01674，01496)(01788，01464)Ye——(02125，05612)色域覆盖率/%332433583616

图6 (u′，v′)坐标系色域图

对图1c的RGBW屏按现行分别施测红、绿、蓝饱和色色度坐标方法，色域覆盖率应不受白色像元影响。但自然图像多为非饱和色，其饱和度是否被新增白色像元所发白光冲淡应另行测试。

5 亮度和能效

5.1 亮度和能效

如4.2节所述，RGBYe屏增加黄色像元对色域覆盖率的提升并不明显。观察(u′，v′)坐标系色度图可知，增加青色像元(Cy)扩大重显色域潜力更大，对西方人偏爱青-绿色也有利。除增大、改变重显色域外，新增Ye或Cy像元还可明显提高背光源光谱利用率，使图像明亮、鲜艳，利于节能和环保。

RGBW屏增设W像元，更利于提高背光源利用率，使图像更加明亮。2 880×2 160 RGBW屏较3 840×2 160 RGBYe屏水平方向像元数少，开口率可高于后者，更有利提高能效。不过2 880×2 160 RGBW屏RGB像元数是3 840×2 160 RGB屏的3/4，从而影响饱和色的亮度。如果格式变换中再加权处理某些颜色的亮度，那么更会带来自然图像色失真。

提高大屏幕电视机能效的环保意义显著，欧盟等国际组织在分阶段大幅度提高能效指标。由于LCD显示器往往引入动态背光调整，测试状态和长时间观看正常电视节目两种情况下，屏幕亮度和能耗往往相差很多，所以更应观测真实工作状态下的实际值。

5.2 HDR适应性

如图7所示[2]，自然界存在和视觉可感受的场景亮度范围极宽，与之适应的图像摄取、处理、保存、重现技术称高动态范围(High Dynamic Range，HDR)技术。HDR图像多用不同曝光值快拍多张照片再合成得到，HDR视频则需拍摄更亮、更暗细节，加宽动态范围。HDR图像明暗对比均匀，可避免过亮、过暗，有更暗、更亮细节和更宽色域，图8为其一例[8]。

对HDR显示器的主要要求包括高亮度、高对比度，能适应小面积峰值发光画面、大面积峰值发光画面、短暂峰值发光视频和持续峰值发光视频等。RGBW屏可显示较高亮度画面，但距显示HDR图像要求还相差甚远。

6 结束语

UHDTV是传送ITU-R BT.2020-1推荐的，比HDTV图像格式级别更高的视频图像，并能传送可较好模拟三维声场声音的电视系统，是继HDTV后电视系统的发展趋势。UHDTV优良的视频和声音质量由节目源、传输信道和设备链共同保证。本文着重研讨了终端的某些显示性能。

电视画面有效像素数是电视图像格式的重要指标，可像素寻址的显示屏，其像素阵列数是其物理固有分辨力。三基色相加混色数字电视系统以像素为最小单元传送Y，CB，CR三个分量信号，含R，G，B三个彼此独立的信息量。相关标准明确定义像素为组成一幅图像的全部可能亮度和色度的最小图像单元。

3 840×2 160 RGB屏的分辨力与UHDTV4K一致，可最佳显示UHDTV4K信号，是UHDTV4K显示屏主流。2 880×2 160 RGBW屏增设白像元，旨在提高背光源利用率，使图像更亮。这种屏固有分辨力低于UHDTV4K规范，但像素和像元为帧五点形分布，可使静态图像清晰度测试值达UHDTV4K要求，是一种UHDTV4K显示屏产品。这种屏显示UHDTV4K信号需进行像素数及像素、像元分布变换，信号处理复杂且会不同程度损伤图像，重显自然图像和文字的效果与像素对应最佳显示方式有重要区别。

超高清显示技术和显示屏在快速发展，由于提高LCD屏背光能效所限，研发新型高效、自发光显示屏势在必行。

图7 高动态范围

图8 HDR摄影(上)和普通摄影(下)图像

致谢：本文部分内容曾与多个单位专业技术人员研讨，在此一并致以诚挚的感谢！

[1] ITU-R BT.2020-1(06/2014)，Parameter values for ultra-high definition television systems for production and international programme exchange[S].2014.

[2] HDR and IEC TC100. IEC TC100 AGS，Tokyo，4-November-2014[S].2014.

[3] GB/T 14857—1993，演播室数字电视编码参数规范(等效采用ITU-R BT.601-3 1992)[S].1993.

[4] GY/T 155—2000，高清晰度电视节目制作及交换用视频参数值(参照ITU-R BT.709-3中第二部分)[S].1993.

[5] 李桂苓，李彦，徐岩.超高清晰度电视系统视频参数计算和选择[J].电视技术，2014，38(18)：87-91.

[6] 李桂苓，李秀敏，赵希.数字电视图像清晰度[J].电视技术，2005，29(12)：80-83.

[7] SJ/T 11324—2006，数字电视接收设备术语[S].2006.

[8] High dynamic range image[EB/OL].[2015-06-21].http：//de.wikipedia.org/wiki/High_Dynamic_Ra0nge_Image.

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；

徐 岩,女，副教授，博士，硕士生导师，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；

李 彦,女，副教授，博士，硕士生导师，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。

责任编辑：时 雯

Performance Analysis for Ultra-high Definition LCDs

LI Guiling1，XU Yan1，LI Yan1，2

(1.SchoolofElectronicInformationEngineering，TianjinUniversity，Tianjin300072，China； 2.CollegeofElectronicsandCommunication，TianjinNormalUniversity，Tianjin300387，China)

In this paper, how to determine some parameters of digital TV systems is studied. It compares three ultra-high definition LCDs including RGB， RGBYe and RGBW in terms of their pixel structure and shape， and pixel and subpixel distribution. The image deterioration caused by conversion from UHDTV signal to LCD format is also analysed. The different performance on color brightness， color gamut， energy efficiency，and HDR image display for the three LCDs has further been investigated.

UHDTV；LCD；pixel；image format conversion；HDR

国家自然科学基金项目(60802050)；天津市自然科学基金项目(10JCYBJC00300)

TN949

A

10.16280/j.videoe.2015.16.020

2015-07-20

【本文献信息】李桂苓，徐岩，李彦.超高清液晶电视显示屏性能分析[J].电视技术,2015，39(16).