利用四原色降低显示器功耗方法的研究

高 寒， 雷志春*， 林长海

(1. 天津大学 微电子学院，天津 300072；2. 四川苏格通讯技术有限公司， 四川 宜宾，644000)

1 引 言

在信息社会中，显示器是传达信息的重要手段。LCD显示器、OLED显示器在生活中随处可见。在上述设备中，显示面板消耗了大部分功耗[1]，因此降低显示器的功耗尤为迫切。

红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)3种原色是显示技术中主流的三原色，但是RGB三原色理论无法解释色盲现象。而颜色对立学说[2](Opponent-process theory)比三原色理论更符合人眼的视觉系统。根据颜色对立学说，绿色和红色混色形成白色(W)而不是黄色(Y)。现在的RGB系统中，为了兼顾黄色光的重现，对绿原色和红原色主波长的选取进行折中[3]，而导致三原色可覆盖的色域范围缩小。并且黄色是人眼非常敏感的颜色，这意味着相比于红色或蓝色光，黄色光在较低的功耗下可以达到相同的亮度。所以为了达到高亮度或者低功耗的目的，研究者们大多使用RGBY多原色的LCD或者OLED系统。与流行的RGB三原色显示器相比，使用多原色技术可以显著降低显示器的功耗[4-9]。

为了提高LCD显示器中光线的利用率，大部分研究集中于多原色液晶结构，而不同的研究采用不同的多原色液晶方案[4-7]。例如，RGBY四原色[4]、RGBW四原色[5]、RGBY和青色(C)组成的RGBCY五原色[6]。现在常见的商业化四原色液晶显示器产品为使用了Quattron技术的夏普LCD-80XU 35A液晶显示器，其为RGB+Y的四原色液晶显示方案[7]。但是根据报道可以得知，其功耗达到了470 W，节能效果较差。

对于OLED显示器，目前也有RGBY四原色像素结构。台湾友达光电公司已展示带有黄色子像素的RGBY高清OLED面板[8]。Xiong等人[9]研究了多原色像素结构OLED面板，在扩大色域的同时，可以显著降低功耗。但是根据混色定理可以得知，特定复合色可以由三原色唯一表达。而在原色增加时，表达特定复合色存在多种可能，系统的复杂程度将急剧提高。

大多数多原色显示技术的研究侧重于扩展色域或降低功耗，对于多原色重新混合所引起的颜色感知问题研究较少，尤其是在色域三角形边界上的饱和颜色。针对此问题，本文通过人眼光谱光视效率来引入人眼敏感的原色橙色(O)并降低人眼不敏感原色的使用，实验结果表明，本方法可以显著降低功耗。在表达颜色之前，通过判断颜色在色度图中所属的位置，进而决定颜色的表达方式。如果目标的颜色处于OGB区域，使用OGB三原色表达，而不使用RGB表达；在表达ROB区域的颜色时，依然使用RGB表达。实验证明，该方案可以有效降低功耗并且具有极小色差。

2 颜色重新表达原理

2.1 选择第4种原色

人眼对不同波长的光有不同的敏感度，这可以通过如图1所示的明视觉人眼光谱光视效率归一化函数来描述[10]。光谱光视效率函数是在不同颜色产生相同亮度感知的条件下测量的。这意味着在相同亮度的前提下，人眼对该颜色越敏感，产生特定波长光的功率越低，节能效果就越明显。从图1可以看出，人类视觉系统对波长为555 nm的黄绿色光线最敏感，对红色和蓝色最不敏感。这意味着，要达到同样的亮度感知，红光的辐射通量必须远大于黄绿色光的辐射通量。因此，用具有较高的明视觉光谱光视效率的颜色代替红色或蓝色可以减少能耗。

图1 CIE明视觉人眼光谱光视效率函数[10]

根据上述原则，有两种节能方案可以选择：一是添加新的原色取代红色；二是使用新的原色取代蓝色。虽然蓝色的光谱光视效率比红色低，但是蓝色LED的电光转换效率(Wall-plug efficiency，WPE)要远远高于红色LED，如图2所示[11]。本文引入国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)指定的辐射发光效率[12]，来综合考量红色或蓝色哪种颜色应该被替代。

图2 LED电光转换效率[11]

定义辐射发光效率的公式为[12]：

，

(1)

其中：Km为最大光谱光视效能常数，Km=683 lm/W，V(λ)代表人眼明视觉光谱光视效率函数，ηWPE(λ)是对应波长LED的电光转换效率。辐射发光效率越高，说明在使用该种颜色表达相同亮度时，所需要的能耗越小。

通过计算可知465 nm蓝色LED的辐射发光效率为55 lm/W；630 nm红色LED的辐射发光效率为39 lm/W；530 nm绿色LED的辐射发光效率为106 lm/W。根据如上数据，可以看出如果使用某种辐射发光效率更高的颜色来代替辐射发光效率最低的红色，可以有效降低能耗。如果试图在RGB三原色中减少蓝色原色的使用，那么不能像红色原色那样节省能源，如图2所示，蓝色 LED 的WPE值约为70%，比红色LED的WPE(只有25%)大得多。

所以本文选择一个辐射发光效率更高的原色来代替红色。由图3可以看出，当第四种原色位于绿色和红色色度坐标之间时，在表达颜色时才可以代替红色。例如图3中添加的原色为Y，在表达YGB三角型的原色可以使用Y代替红色，从而降低红色的使用。而在RYB区域中，依然使用RGB表达颜色，因为原色Y的光谱光视效率低于绿色(G)的光谱光视效率。

图3 CIE 1931 色度图

首先确定了原色Y位于RG原色之间。接下来，定义函数K来确定原色Y的具体波长。

K=M×ηe(λ)+N×ηe(λR)

，

(2)

其中：M为三角形YGB的面积占RGB区域的比例，N为RYB三角形面积占RGB面积的比例，ηe(λ)是原色Y的辐射发光效率，其随波长的改变而变化。ηe(λR)是630 nm波长红光的辐射发光效率。由该公式(2)可知，M值越大，在OGB三角形范围覆盖就越大，可使用第四种原色表达的颜色就越多，产生的节能效果就越好。

M和N由上述定义表达为：

M=SYGB/SRGB

，

(3)

N=SRYB/SRGB

，

(4)

根据公式(3)和(4)可知：M和N的值与YGB和RYB的面积有关。如图4所示，原色Y的色度坐标在RG直线上移动时，不影响三角形的高度h，所以M=LYG/LRG，N=LRY/LRG，LRG、LRY、LYG分别是RG、RY、YG的长度。

图4 RY和GY线的关系

系数K与波长的关系如图5所示，由该图可知当第四原色的波长选择为590 nm时，K值最大。因此，第四种原色Y 应选择波长λ= 590 nm的橙黄色。综上所述，本文选择使用较为常见的590 nm波长的橙色LED，即为橙色(O)，其在色度图中的位置如图6所示。在下文中第四种原色均使用橙色(O)表示。

图5 K值和波长的关系

图6 颜色O在CIE 1931 xy色度图中的位置

2.2 颜色重新表达

在采用RGBO方案进行节能实验之前，本文将首先讨论整个过程，如图7所示。首先输入目标颜色数据。再将颜色数据转换到XYZ色彩空间中，计算出目标颜色的色度坐标。根据色度坐标进行颜色所属区域的判断，判断目标颜色是否落入OGB区域。如果落入OGB区域，则使用OGB混色方程(5)，即可计算出需要三原色LED的开启强度。如果落入ROB区域，则依然使用RGB进行表达。

图7 颜色表达流程图

OGB混色方程如式(5)所示。

(5)

其中，(X,Y,Z)是目标颜色的三次刺激值，(XO,YO,ZO)是橙色(O)LED最大亮度时的三刺激值，OLED为LED的开启强度，范围为0～1，即OLED= 0时LED关闭，OLED=即1时LED发光强度最大。对于绿色(G)和蓝色(B)，LED是相同的。

由于传统的多原色需要复杂的算法，例如建立查找表和矩阵切换[13]，使得三原色到多原色的转换复杂或者效率低下。使用色域分区判断选择不同的三原色，可以在降低系统复杂程度的同时，达到准确显示颜色的目的，并且引入第四种原色来取代人眼不敏感的颜色可以很好地降低显示系统的功耗。

3 实验与结果

3.1 实验装置组成

在本节中，将进行实验验证使用OGB代替RGB混色在表达ΔOGB区域内颜色时的节能效果。

整体实验装置主要由3部分组成：四原色LED背光板、控制部分和测量装置。LED背光板由48个RGBO LED单元组成，如图8所示。光扩散板放置在RGBO LED背光板前，使混光均匀化。控制部件的核心组件是现场可编程门阵列(FPGA)，用于控制每个LED的开启强度，例如在0～255之间任意调整LED的强度。FPGA控制还实现了颜色混合功能，即通过不同的原色混合复合颜色。本实验使用的测量装置是Konica Minolta的色彩亮度计CS-150。CS-150 配备了具有与人眼光谱光视效率匹配的传感器。根据说明的要求，色度计垂直放置在LED背光板前方 60 cm。对于每个测试样点，进行3次重复测量。3个测量结果的平均值作为最终测量结果。整个系统使用5 V稳压电源进行供电，使用Fluke15B+万用表进行电流测量，万用表的测量精度为0.001 A。LED背光板的功耗等于稳压电源的电压值与测得的电流值相乘，所以功率测量的精度为0.005 W。

图8 LED背光板

3.2 色差计算方法

为了保证显示颜色的一致性，需要评估OGB三原色表达颜色的色度坐标和RGB表达颜色的色度坐标的偏差程度，也就是需要评估不同方案表达颜色的色差。本文引入如下公式计算色差E。

，

(6)

Y=Y

，

(7)

，

(8)

L*=116f(Y/Yn)-16

，

(9)

a*=500[f(X/Xn)-f(Y/Yn)]

，

(10)

b*=200[f(Y/Yn)-f(Z/Zn)]

，

(11)

，

(12)

，

(13)

在上述公式中，x和y表示颜色的色度坐标(x,y)，X、Y、Z代表颜色的三刺激值，Xn、Yn、Zn表示白色D65的归一化CIE XYZ三刺激值。L*、a*、b*表示某一颜色点在CIE LAB颜色空间中的坐标，L*、a*、b*表示测量的颜色数据的和对比颜色数据之间的差值。

3.3 OGB区域内部颜色对比节能实验

在CIE 1931 xy色度图中，为了验证OGB三原色的节能效果，本文在ΔOGB 三角型区域选择了 12 个测试点，如图9所示。在测试时，所选取的 12 个测试点将在相同的亮度下分别使用OGB LEDs和 RGB LEDs进行混色，然后比较这两种方式混色后背光板的能耗和色差。评估色差是为了保证使用OGB所形成的颜色和RGB形成的颜色在视觉上没有区别。

图9 样点位置示意图

一般显示器的亮度范围为250～350 cd/m2[15]，本文在亮度为300 cd/m2的情况下进行测试。具体步骤如第2.2节中所示。首先把目标颜色的亮度和色度坐标转换为三刺激值，再将其代入混色方程(5)。根据OGB LEDs的三刺激值，可以计算出OGB每种原色LED需要开启的强度，同理RGB每种原色LED开启的强度也可以计算得出。由于本文使用FPGA输出8位脉宽调制(PWM)信号来控制每一个LED的亮度，需要把每个LED开启的强度值量化到0～255的范围内，从而调控LED背光板的颜色。最后分别测量RGB和OGB两种方案表达出的颜色的亮度、色度坐标和功耗。

实验结果在表1中给出。表中样点序号1-RGB代表使用RGB表达颜色样点1，1-OGB代表使用OGB表达颜色样点1，x和y代表测量的颜色的色度坐标，亮度和功耗为实际测量得到，ΔE代表色差，节能比例为OGB相比于RGB的节能比例。

表1 RGB与OGB的功耗对比

实验结果表明，与现阶段流行的RGB三原色相比，OGB原色的应用可以节省功耗。与RGB三原色相比，使用OGB三原色表达颜色最大可节省27.33%的功耗，平均节省15.59%的功耗。并且色差ΔE不超过1.9，不会产生明显的颜色差异。上述实验结果显示，对于OGB区域内部颜色，使用橙色代替红色，在颜色还原准确的前提下可以产生较好的节能效果。

通过上述实验结果可以分析得出，使用本文提出的颜色转换方法和LED控制方法，可以将不同方案表达的颜色的亮度差别控制在1% 以内。OGB三原色混色后的色度坐标和RGB三原色混色后的色度坐标虽然不能完全一致，但是色差不超过1.9，不会产生明显的色差。RGB与OGB的功耗对比结果反映在图10中。可以看出，在OGB三角形内，使用OGB表达颜色对于所有的测试样点都有节能效果。

图10 样点功耗对比

3.4 OGB区域边界颜色对比节能实验

本文将测试使用OGB LEDs重现色域边界上饱和颜色的节能效果，以及验证颜色重现的准确性是否会受到不同三原色重新混合的影响。选取的测试点位置如图11所示。

图11 测试点位置示意图

图12和图13分别为A1～A8坐标点使用RGB和OGB表达时，功耗和色差的对比。使用OGB重新表达颜色对于RGB方案，功耗平均降低43.2%。由于转换方法符合混色原理，色差可以控制在1.4以内。

图12 OB直线上样点的功耗对比

图13 OB线上测试点的色差

图14和图15分别为OB直线左侧的B1～B8坐标点使用RGB和OGB表达时，功耗和色差的对比。可以看出，由于B1～B8测试点位于A1～A8附近，因此两组的曲线非常相似。重现这些样点颜色，需要较多红色分量。根据本文提出的理论，红色光的使用越少节能效果越明显。通过计算得出OGB对比RGB平均可以节省40%的功耗。此外，图15显示了色差E折线，所有值都小于1。

图14 OB线左侧测试点的功耗对比

图15 OB线左侧测试点的色差

图16和图17分别为GB直线左侧的C1～C8坐标点使用RGB和OGB表达时，功耗和色差的对比。由于C1～C8坐标点在表达颜色时，需要的橙色/红色分量很小所以节能效果不显著。此外，图17显示了色差E，所有值都小于2。因此在这些测试点中，所使用的节能方法不会影响颜色感知。

图16 GB线右侧测试点的功耗

图17 GB线右侧测试点的色差

使用RGB和OGB表达D1～D4的功耗和色差结果如图18和图19所示。可以平均节省13.4%的功耗。可以看出在OGB具有良好节能效果的同时，重现颜色的色差也较小。证明此节能方法可以在不影响颜色感知的情况下很好地达到节能的目的。

图18 OG线左侧测试点的功耗对比

图19 OG线左侧测试点的色差

3.5 改进的RGBO背光显示器

上一节中测试了OGB表达颜色的节能特性，表明使用OGB三原色相比于RGB三原色可以产生节能效果。在此基础上，本文提出一种改进的RBGO背光液晶显示器方案，使RGBO四原色LED背光板充当液晶显示的背光源，对比传统的RGB背光可以显著降低功耗。显示时，流程如图7所示。

本文选取国际标准的测试图像，以测试RGB和RGBO两种背光方案的液晶显示器显示图片时的节能效果。液晶显示器的背光亮度会直接影响功率大小，测试时，RGB背光和RGBO背光均设置为300 cd/m2。实测得RGB背光亮度为302.1 cd/m2，色度坐标为(0.312,0.329)，色温为6 533 K；RGBO背光亮度为303.5 cd/m2，色度坐标为(0.313,0.327)，色温为6 509 K，两种背光的色差ΔE为1.16。采用RGBO背光的液晶屏功耗为5.255 W，采用RGB背光的显示屏功耗为6.760 W，使用RGBO背光相比较于RGB背光，节能比例可以达到22.26%。

通过比较图20中的测试结果，可以看出两种背光的显示器显示出的图像区别较小，人眼不会产生明显的颜色感知差异。在RGB和RGBO背光亮度基本相同的前提下，使用RGBO四原色背光的液晶显示器的方案更加节能，证明本文提出的节能方法对于当前主流的液晶显示器具有良好的节能效果。

图20 两种背光的液晶显示器显示的图像

4 结 论

本文根据现代显示技术的显示准确和低功耗的要求，提出了使用人眼敏感的橙色代替人眼不敏感的红色可以产生节能效果的理论。根据色域分区原理，介绍了一种OGB三原色重新表达颜色方法，研究了该方案在与现有三原色系统兼容的前提下，可以达到的节能效果。最后，基于上述理论，本文对OGB三原色表达一些特定色度坐标的节能性能和颜色表达的准确性进行了实验。实验结果证明：表达OGB区域内颜色时，使用OGB LEDs代替RGB LEDs最高可以节省49%的能耗，平均可以节省15.59%的能耗。同一颜色在使用两种三原色方案表达时，色差最大不超过1.9。通过改进的RGBO LED背光液晶显示器进行了标准图像的测试。结果表明，使用RGBO方案在降低显示装置功耗的同时，可以较为准确地再现原始图像。本文方法对于目前显示器节能的要求有很大的借鉴意义。