超高清液晶电视色彩显示技术的特点及应用

范小霞

（四川长虹电器股份有限公司 四川省绵阳市 621000）

与高清电视显示技术相比，超高清电视技术更具优越性，尤其是随着8K 时代的来临，LED 背光的使用，HDR 技术的发展，需要进行色彩显示的深入研究。

1 色域覆盖率

色域覆盖率是描述色彩显示数量的指标，是指在CIE 色空间坐标系上，R G B 三基色对应的坐标点形成的三角形面积占人眼可见全色域面积的百分比。色域覆盖率越高，色彩显示数量就越多，色彩越细腻。

1.1 色域覆盖率在实际工作中的不同计算方法

色域覆盖率根据色彩空间的不同有不同的度量方法，通常按国标的计算方法取值范围分布一般在28%-43%之间；其他几种根据色空间和应用领域的不同，有Adobe、SRGB、DCI-P3、REC2020 等。在液晶电视领域一般应用国标和DCI-P3 较为普遍。图1 是部分色域计算方式下的色域图。

图1：色域图

1.2 色域覆盖率的影响因素

主要有液晶屏和背光。量子点电视因增加了量子膜色域最大，可以达到44%，量子点是一种微小的纳米材料，里面不同大小的粒子受到LED 蓝光刺激时会吸收不同波长的光，同时发出不同波长的光，发出纯度极高的红色光和蓝色光，驱动液晶分子，使液晶电视出光光谱分布图中R 和B 的半波宽窄，波形度陡峭，颜色更纯，极大提高液晶电视的色域，量子膜成本较高，在色域要求高的应用领域可以采用；背光灯条荧光粉改善可以增加色域，通过此种方法，液晶电视色域最高可以达到41%，再就是普通色域电视，色域覆盖率在29%-35%之间，这种色域范围内的电视，背光光源是普通的合成白色光源没有增加KSF 红粉，没有增加量子膜，能满足一般电视的观看要求。

2 色域重合度

色域重合度表征颜色显示还原度。色域重合度是指液晶电视R G B 三基色所围成的三角形面积与DCI-P3 色域面积的重合面积与DCI-P3 色域面积之比。

DCI-P3 是一种广泛应用于数字影视领域、具有更好的色彩还原性和表现力的一种色域标准，它的标准色域面积是0.081。重合部分面积越大，色域重合度越高，色彩还原度越高。色域重合度的影响因素及优化措施如下：

2.1 机芯因素

机芯的色饱和度、白平衡、亮度和HDR、gamma 等关键参数设计；色饱和度影响最大，色饱和度主要是调节液晶电视色彩浓淡，调节范围是0-100.当饱和度低于50 时，色彩激励不够，色域重合度会急剧下降，所以在色饱和度非线性调节对应的内部寄存器值一定要满足要求，一般建议是128 以上；白平衡是通过调节R GAIN、G GAIN、B GAIN，这几个参数值来调整整机的白色色温，在0-100 的范围内调节，R 和B 值的参数设计大于20 小于80，任何一个参数低于20，色域重合度将会降低1%；亮度指标也是影响的极大因素，用户对于调节范围是0-100，它的影响大小为5.1%，在标准状态下亮度的寄存器范围应保持在124-134 之间；HDR 是高动态亮度调节参数，在HDR 开时，动态亮度显示范围扩大，映射的色彩空间为BT2020，色域重合度会增加，所以在有HDR 显示功能时，HDR 可以设置为开来色彩还原度；gamma 的影响大小为2%，因为gamma 调节实际上是调节R G B 三条曲线，达到每个灰阶上的色温一致，同时整个曲线的亮度曲线满足2.2 的指数要求，在调节gamma 曲线时，R G B 三条曲线不可分隔太大，因gamma 曲线导致整机色温降低或增加太多时，色域重合度会下降。

2.2 TCON部分

TCON 部分包括LINE OD、VAC 和C gain。

（1）设置LINE OD 功能存储寄存器，并设置为开，增加液晶显示响应时间同时提高色域重合度，提高幅度为3.2%；

（2）设置VAC 寄存器，将VAC 功能设置为开，增加色度视角同时提高色域重合度。

（3）C GAIN，设置C GAIN 寄存器，C gain 的值低于0x60。

2.3 背光部分

包括灯条、膜片及OC。在相同背光下，不同的OC 都有其不同穿透率曲线，针对IPS 和VAC 屏，RGB 和RGBW 屏，OC 在优先选择权方面RGB 大于RGBW，IPS 大于VA。规范液晶OC 和背光灯条的匹配，加强光谱曲线的测试和峰值波长值的定义，其中最为重要的是灯条的选择，在灯条匹配中应该规范RGB 三色的峰值波长值范围，提高色域重合度。

3 色度视角

色度可视角包括水平可视角和垂直可视角。是从不同观看角度来衡量色彩显示性能的指标。当从不同角度看显示屏时，色彩的变化程度。比如从侧面看蓝色变成紫色，色调发生了变化；或者色彩饱和度变淡，如绿色变成白色等。色度可视角越高，色彩显示性能越好。

色度可视角的测量和改善方法：

色度可视角分别测试具有代表性的九种色彩（即红、绿、蓝、青、紫、黄、深肤色、浅肤色、灰色）在-80°到+80°（其中0°为屏幕的正方位）的范围内，色度变化的程度，在九种颜色的平均误差为0.02 时对应的角度为该显示屏的色度可视角。色度可视角的决定性因素在液晶OC；IPS 屏液晶分子是水平排列的，色度可视角大，最大可视角度指标可达160°；VA 屏因其液晶分子是垂直排布，所以从侧面看，可视角度会变弱，色调和色饱和度都会有较大影响，对于VA 屏，水平可视角度范围为30°—60°，所以在对可视角度要求较高的应用领域，采用IPS 屏较为合适。

可视角度的改善主要从两个方面进行：

（1）对液晶分子的像素排列进行优化，优化其排列顺序、角度和部分色彩的滤光特性；

（2）对TCON 板的算法进行改善，通过改变R G B 驱动算法来优化色度可视角。

4 色深和色彩空间的信号转换及处理

色深指每个像素的显示位数，目前有8 位、10 位、12 位，位数越高，色彩显示越细腻。8 位的像素，R G B 三色都有256 个灰度，能产生约1677 万种色彩，10 位、12 位的显示色彩就更多了。

色彩空间转换是电视内部采用的色彩处理方法，在进行信号处理过程中，先进行色彩空间转换，目前主要是采用RGB、YUV 和REC2020 色彩空间。一方面，空间转换算法，在对超高清电视色彩性能问题解决时，色彩空间的转换算法发挥着积极的意义，可降低转换次数，进一步优化画面色调及色彩亮度。通过色彩空间算法的使用，可实现源空间信号以非线性转换解码；另一方面，色彩空间管理，其与色彩性能有着直接的关系，通常液晶电视是将RGB转化为YUV，进行色彩和亮度调节，上屏之前转化为RGB 空间，HDR 要转化为REC2020 色彩空间；在液晶电视的色空间转换时，尤其需要注意RGB 转换为YUV 时，信号值范围的换算和取值，转换为REC 2020 时需进行色彩和亮度的匹配，才能达到最佳的色彩处理效果。

5 结语

综上所述，在超高清液晶电视显示领域，色彩性能的研究及应用对画质效果起着关键作用，色彩指标是衡量显示性能好坏的最重要指标之一。本文从色域覆盖率、色域重合度、色度可视角、色深及色空间几个方面进行浅析和改善方法研究。从机芯信号处理上，对于电视机机芯内关键影响指标进行设计和设置；对TCON 的算法进行优化；在背光上对灯条的光谱进行分析，定义RGB 三色峰值波长，准确匹配灯条；在色深和色空间转换上，加强信号色空间转换的处理，色彩和亮度的匹配等几个方面进行改善研究，从而提高超高清液晶电视的色彩显示性能，提升色彩显示范围、视角和还原度。