LCD液晶显示器的颜色特性研究

周泽宏

（深圳市弘电显示技术有限公司，广东深圳 518000）

液晶显示器的颜色特性化模型有着多种多样的类型，如分段分空间模型、三维查找表模型。在这些模型中，精度相对较高的主要为3D 的0.83个色差单位，其他均维持在1个色差单位之上。随着现代计算机技术、信息技术的快速发展，近年来，一些较为精确的颜色和视觉评价试验均在显示器方面进行。这些试验精度相对较高，所以对于显示器特性化精度也提出了更加严格的要求。颜色特性化相对于全局特性化主要是指对某个颜色中心小范围进行特性化，所使用的局部特性化方式均可以实现小范围内精确控制液晶显示器显示颜色及色差，从而作为颜色与视觉评价实验在液晶显示方面提供特性化的依据。

1 LCD液晶显示器及颜色特性概述

LCD 液晶显示器主要是指平面超薄的显示设备，其主要是使用一定数量的彩色或黑白像素共同构成，并放置于光源或反射面前方。其功耗相对较低，所以备受工程师欢迎，较为适用使用电池的电子设备。

LCD 液晶显示器的主要原理在于以电流进行液晶分子产生点的刺激，从而使其点、线、面配合背部灯管形成画面。

目前LCD 液晶显示器在人们的生活中应用较为广泛，如计算器、电子表、掌上游戏机。依据分子结构排列的不同，大致可分为3 种：类似粘土状的Smestic 液晶、类似棉花棒的Nematic 液晶、类似胆固醇状的Choleseic 液晶，由于物理特性不相同，用于液晶显示器的主要为类似棉花棒的Nematic 液晶。

LCD 液晶显示器具有对人体、眼睛无损伤以及无辐射的应用优势，在彩色图像显示中应用范围较广，而由于显示原理存在一定的差异，其颜色显示特性与色域对显示图像的颜色质量有着直接的影响。

为明确LCD 液晶显示器彩色图像显示质量的影响，需要重点研究其颜色的显示特性以及颜色表现范围与标定方式。在使用彩色LCD 面板显示颜色图像过程当中，每一个像素均是由3个液晶单元格共同构成，每一单元格前都有着红色、蓝色与绿色的过滤器，通过不同单元格光线与屏幕当中所显现。不同颜色LCD 液晶显示器中的红、蓝、绿、绿色器颜色特性和照明光源性能在确定以后，彩色LCD 显示器颜色特性与色域范围可得到基本确定。

从显示设备角度来说，无论是LCD 液晶显示器还是CRT 液晶显示器，在颜色、空间方面均设定为RGB 空间，主要是通过RGB 值来进行彩色图像颜色和区分每一像素点颜色差异的表示，但相同的RGB值在不同颜色设备当中会显示出不同的颜色，这也就意味着同样的RGB 值对于不同设备会表现出明显的颜色差异。

从视觉角度来讲，颜色视觉的差异性主要是利用CIELAB 标准颜色空间予以衡量，如RGB 空间作为设备输入CIELAB 颜色空间是属于设备的输出。如果彩色图像的RGB 值分别输入不同颜色设备当中，则彩色图像的输出值会出现很大的差异性，导致彩色图像发生失真。相反，同样的输出彩色图像值在不同颜色设备、中对应不同RGB 值，如果希望CRT 与LCD液晶显示器上显示的彩色图像颜色保持一致，需要在LCD 与CRT 液晶显示器所对应的各个像素点RGB值保持不同。在这一过程中，CRT 显示器从RGB 值到输出彩色图像值之间的关系可以称为颜色设备的特性化。LCD 液晶显示器从彩色图像输出值到RGB 值之间的关系则称为颜色设备标定，其本质属于设备颜色空间RGB 与视觉标准颜色空间CIELAB 之间的关系呈现出映射关系，一旦关系不确定，则彩色图像在任意CRT 液晶显示器和LCD 液晶显示器予以显示过程中，必然会发生颜色视觉失真。

目前RGB 与彩色图像输出值之间的映射关系构建必须要建立在准确测量RGB 值和其所对应的彩色图像输出值基础上，也就是视觉颜色感受定量描述，再以此为基础，运用模型法与神经网络法和三维查表法来进行所有色域点映射关系的构建。

2 LCD颜色特性测试与RGB空间和CIELAB空间映射关系的构建

在进行LCD 液晶显示器颜色特性测试实验时，需要选定合适的计算机设备。为了能够实现对人眼观察的模拟，在测试时，其侧视角需要垂直于LCD 显示屏面，LCD 液晶显示器RGB 颜色空间属于立方体模型，主要为256×256×256，为能够详细地描述色域边界的变化状态，采样点的选择需确定为不均匀的分割方法，在边界面每隔32取1采样点，内部需要每隔48取1采样点，共选择512个采样点。

在得到具体的采样点数据后，需选择三维查表法来建立RGB 与彩色图像输出值之间的映射关系，并从正向RGB 向彩色图像输出值之间的查找表建立。在此过程中，非采样点输出值必须要通过与其相邻已知的8个点的线性插值方能够获取，而出于RGB 空间采样点选择属于均匀有序考虑，所以非采样点相邻点可以依据一定的规律予以确定，从逆向彩色图像输出值到RGB 值查找表的建立中采样点的彩色图像数值分布属于不均匀状态，且并无规律可言，当输入采样点的彩色图像输出值时，其相邻8个点的彩色图像输出值查找难度较高，无法运用插值方法来予以计算，所以需要通过三维检索匹配方法逐步予以逼近，并建立逆向的映射关系，依据所建立的RGB 空间和CIELAB 空间映射关系确定，采样点当中选取256个数据计算转换误差，并随机由空间当中进行9个检验点的抽取予以转换误差分析，从采样点角度来说，由RGB 值到彩色图像输出值的正向映射与从彩色图像输出值到RGB 值的逆向映射，均能够准确查找到样本数据，所以并无明显色差。

从测试点角度分析，由RGB 到彩色图像输出值正向映射表实际来讲，最大的色差显示为1.2546，平均色差则为0.5681，如图1所示。

图1 由RGB向彩色图像输出正向转换色差分布

由图1可以看出，其转换色差较为明显，而由彩色图像输出直到RGB 值逆向映射实际数据来讲，最大色差为4.3122，平均色差则为1.4105，其转换色差分布图如图2所示。

由图2可以看到，从正向转换来讲，无论在采样点还是测试点，转换精度有所保障，原因在于测试点是依据相邻采样点差值计算，所以其在相邻点构成的立方体之范围之内转换色差主要是由采样点密度予以确定，一旦提高采样点密度，则色差相对较小，转换精度会随之提升。而逆向转换结果和正向相比而言，测试点色差相对较大，原因在于三维搜索匹配方法在逐步进行逼近时，会容易陷入局部极值点。

图2 由彩色图像输出向RGB逆向转换色差分布

3 LCD颜色特性对彩色图像显示所产生的影响分析

根据上述相关实验数据，确定边界点在CIELAB空间中可标识出LCD 色域，前期进行相关CRT 研究过程中所采用的显示器设备CRT 色域，通过分析比较后，可以得出LCD 液晶显示器的显示色域相比CRT 要较小，而且可完全包含在其中，这一特性也就表示CRT 可以表现出的图像颜色，却无法在LCD液晶显示器上予以表现。而从颜色视觉感知属性角度而言，通过相关研究，其所表现的颜色、明度、色调范围以及彩度都有着一定的差异性。所以LCD 液晶显示器的显示色域被CRT 完全包含在内。

从色域明度角度分析，LCD 液晶显示器可以表现出的明度范围确定为83，CRT 的明度范围则确定为101，所以两者之间存在18个名度单位，由此可以发现，LCD 几乎是CRT 颜色明度范围的1/5，也就意味着颜色明度的表现当中，LCD 液晶显示器在进行CRT 图像颜色显现时，会存在1/5明度范围的颜色无法再现的情况，许多高明度颜色常会在LCD 液晶显示器上表现为失真状态。

从色域的色调和彩度而言，红绿轴方面LCD 与CRT 之间相差52 个单位，在黄蓝轴方面，LCD 与CRT 之间相差40个单位，而LCD 与CRT 色域分别投影的彩色图像输出平面可以看出分别。

从摄于立体各顶点投影点分析，LCD 色调平面中，除红色之外，其他各顶点均与CRT 存在很大差异，并且基本都处在CRT 的边界内，其中蓝色点与绿色点有着最大的差异性，其次为黄色和青色以及品红色，使用LCD 液晶显示器去进行CRT 上所显示全色域彩色图像的再现时，更多是蓝色区域、绿色区域颜色无法实现再现，而红色区域则可实现颜色的再现相对较多。

从另一层面来讲，如果彩色图像具有相同的RGB 值，则从输入LCD 液晶显示器与CRT 液晶显示器之后，如果没有进行任何标定，则其所体现出的各色域顶点颜色均存在一定差异。例如，CRT 液晶显示器中的黄色点主要由于其坐标相比LCD 液晶显示器坐标值更小，而黄色值更大，所以会表现出明显的偏黄绿色。同理，可以得出其他各顶点颜色发生失真的偏色实际情况，而由于颜色特性存在的差异性，LCD 液晶显示器显示色域相比CRT 液晶显示器相对较小，同时基本上被完全包含其中，所以当彩色图像输出到LCD 液晶显示器与CRT 液晶显示器上时，在CRT 液晶显示器上往往可以表现出完整的图像颜色，但却无法在LCD 液晶显示器上完全予以表现，而显示器被标定后，这种颜色发生失真的问题则需要利用色域映射予以妥善解决。

4 结束语

通过对彩色LCD 液晶显示器设备颜色空间RGB值与标准颜色空间CIELAB 之间对应关系的测定与建立，从而获取了相关颜色的显示特性，而依据这种对应关系的分析，运用查找表方法进行设备颜色显示特性化描述的建立，为LCD 显示器间的标定提供了依据。通过对标准颜色、空间边界关系得到了颜色表现范围的分析，以及对比CRT 液晶显示器可以得知颜色失真的主要色调区，所以为能够实现液晶显示器显示彩色图像时颜色发生失真的一些基本规律和有效解决彩色图像在LCD 液晶显示器传输过程中颜色失真问题的解决，可以以文章研究提供一些理论与数据支持，具有一定的参照意义。