超高清显示色度体积测量研究

陈 宇

（北京泰瑞特检测技术服务有限责任公司，北京 100015）

0 引 言

现阶段，评价超高清显示设备的色彩还原能力时，色域覆盖率[1]是核心关键指标。测量时，仅在CIE 1931或CIEu´v´1976色空间内测量三基色的色度坐标，然后计算色域覆盖率，体现显示设备的色彩呈现能力。这种传统的表征方法不能完整地体现显示设备的色彩能力，缺少亮度数据。实际上颜色包括明度、色调以及色饱和度三个要素，明度就是指显示设备的亮暗，即亮度，色调是指R、G、B三基色的混合比例，色饱和度是指颜色的深浅程度。所以就需要既能体现色度数据，又能表现亮度数据的三维色空间来表征超高清显示设备呈现的颜色。

随着超高清显示、广色域（Wide Color Gamut，WCG）显示和宽动态范围（High Dynamic Range，HDR）显示技术的发展，超高清显示系统进入 10 bit、12 bit时代。大尺寸、超高清晰度、广色域（WCG）和宽动态范围（HDR）是超高清显示的优势，可以给消费者带来更细腻、逼真的图像，更强临场感的画面。因此应该采用全面考量显示设备的色度体积这一指标诠释超高清显示设备的色彩能力。本文重点介绍超高清显示设备色度体积的测量方法，体现色度体积的重要性。

1 色度体积的含义

色度体积表征超高清显示设备在三维色空间中还原色彩的能力。色度体积也可以理解为在CIE xy色度图中引入亮度参数的立体色域覆盖率。色度体积不仅表达出了色彩能力，同时也表现出了灰度解析能力。色度体积在CIELab色空间中量化还原，CIELab色彩空间中亮度和色度是分开的， L轴只有亮度，a轴和b轴只有色度。如图1所示，在三维坐标系中，a*轴代表绿色-红色，b*轴代表蓝色-黄色，L*轴代表黑色-白色。从图1可以清楚地感知到，L越大，亮度越高。L为0时代表黑色，为100时代表白色。a*和b*为0时都代表灰色。a*从负数变到正数，对应颜色从绿色变到红色。b*从负数变到正数，对应颜色从蓝色变到黄色。色度体积越大，超高清显示设备呈现的色彩越多，画面细节内容越丰富。

图1 CIELab色空间

2 CIELab均匀色空间下的色度体积

CIELab色彩空间是均匀的色彩空间，所谓均匀是指当数值均匀变化时，人的感官也是均匀变化。CIELab色空间是将XYZ坐标变换成坐标L*，a*，b*的非线性变换[1]。

CIELab色彩空间是颜色-对立空间，带有维度L表示亮度，a和b表示颜色的维度。CIELab色彩空间具有以下特性：

（1）CIELab色彩空间中亮度和色度是分开的；

（2）在CIELab中进行调节简单，速度快；

（3）色域覆盖率宽，人的肉眼能感知的色彩，都能通过CIELab模型还原重现出来；

（4）在CIEL*a*b*模型中均匀改变对应于在感知颜色中的均匀改变。

在CIELab色空间中表征色度体积有两点好处。

（1）感知均匀。如果L*、a*、b*数值变化的幅度一样，那么在CIELab色空间中呈现的色度体积带给人视觉上的变化幅度也是差不多的。通过把任意一种颜色量化为CIELab色空间中一个点，并呈现在色度体积图上，这个点的变化与人眼视觉感知差最为接近。其他色彩空间就不具备此特性，例如CIEUCS色空间，一个点的三刺激值发生变化，在CIEUCS色空间中，只能看到颜色深浅的变化，没有明暗的感知，这是因为CIEUCS色空间仅对xy色域图进行线性变换，使得色空间均匀性得到一定的改善，但亮度因素没有优化，因此，呈像变化与视觉感知差略有区别。

（2）设备无关。在CIELab空间内给定白之后，这个颜色空间就确定了各颜色如何构建，与使用的显示设备无关。CIELab定义的白点是相对于白点的颜色，而在其他色空间中白点定义的白点是绝对值。例如，显示设备白点定为D50或D65，在CIEXYZ色空间中，各颜色间的关系通过匹配三刺激值的比例关系绘制，其混出的颜色一定落在显示设备规定的色域内，受显示设备的界定。

3 色度体积的测量

针对超高清显示设备WCG、HDR等技术特点，国家广播电视产品质量检验检测中心自2016年起，针对HDR和WCG显示性能的测量开展研究，着手采用色度体积评价超高清显示设备的色彩还原能力，并进行了摸底测试和数据积累。

色度体积的测量采用多种颜色信号进行。选择信号时，应考虑不同颜色的信号，如白、黑、蓝、绿、红、青、品红、黄等；同时考虑信号的灰度，即颜色的明暗。测试信号的色调越多，灰度越多，测量的色度体积越接近超高清显示设备的实际色彩能力。

色度体积的测试系统如图2所示，针对超高清显示设备，测试应采用基于ITU-R BT.2100-2[2]、SMPTE ST 2086[3]和GY/T 307—2017[4]色彩范围的格式、10 bit信号。测量时，光学测试仪器位置与显示设备屏幕中心测量点正交垂直，且在整个测量过程中，亮色度计的测量位置应保持不动。使用亮色度计分别测量显示设备中心区域显示的各颜色的亮色参数X、Y、Z。

图2 测试系统图

目前，色度体积的测量建议至少选取20种灰度、色彩不同的信号进行测量。将数据做归一化处理，以白色为100%，再利用公式将X、Y、Z转换到L*、a*、b*色彩空间。

测量完成后要进行色度体积的计算，采用CIELab空间内分割四面体算法实现三维色域的还原与色度体积的计算。该算法是将8个点的色坐标数据拟合成一个扭曲的多边形，然后以白点和黑点的坐标为四面体的一条边，与任意两个相邻坐标（红-品红、品红-蓝、蓝-青、青-绿、绿-黄、黄-红）连线，从而将多边形分割成6个四面体，再将所有的四面体的体积相加，最终求出三维色度体积。具体计算公式[5]如下：

式中：Xw、Yw、Zw为来源端光源参考白点的三刺激值，XP、YP、ZP为各元色Q的三刺激值。

以黑和白为两个顶点，通过这两点与其他任意相邻的两点连线，形成四面体。总体积为所有四面体的体积和。实验室利用Matlab语言编写了色度体积计算工具。

4 数据分析

在实验室测量了某款超高清电视的色度体积和色域覆盖率，测试结果如图3、图4所示。可以直观地感受到，色度体积可以更好地、完整地呈现显示设备的亮度和色彩水平。

图3 色度体积

图4 色域覆盖率

为了比较信号亮度电平对色彩呈现能力的影响，对同一个显示设备、不同信号亮度电平下的色度体积进行测试，该显示设备峰值亮度为1 050 cd·m-2， 测试结果如表1所示。

表1 不同信号亮度电平下的色度体积

由表1可以看出，不同信号亮度电平下，信号亮度电平越大，色度体积越大。

为了比较相同色域下、不同亮度对色彩呈现能力的影响，实验室挑选了五款超高清显示设备进行测量，它们的DCI-P3色域覆盖率均在109%左右，得到色度体积测试结果如表2所示。

表2 亮度不同下的色度体积

从表2的实验结果可以看出，不同的亮度下，色域体积不同，亮度越大，色度体积越大。

另外对比4台相同亮度（亮度均为600±10 cd·m-2）， 但色域覆盖率不同的显示设备，重复上述测量步骤，得到不同色域覆盖率下的数据，如表3所示。

表3 不同色域下的色度体积

从表3的实验结果可以分析出，在相同亮度条件下，色域覆盖率越大，色度体积也越大。

5 结 语

通过上述剖析、实测及实验结果分析，色度体积为超高清显示设备提供了一种新型的色彩评价方式，综合考量显示设备的色彩饱和度。色彩饱和度受亮度和色度影响，仅以二维的色度测量表征显示设备色彩还原能力具有很大的局限性，使用三维空间评价色彩还原能力可以直观、全面地评定显示设备的能力。