高 寒， 雷志春*， 林長(zhǎng)海

(1. 天津大學(xué) 微電子學(xué)院，天津 300072；2. 四川蘇格通訊技術(shù)有限公司， 四川 宜賓，644000)

1 引 言

在信息社會(huì)中，顯示器是傳達(dá)信息的重要手段。LCD顯示器、OLED顯示器在生活中隨處可見(jiàn)。在上述設(shè)備中，顯示面板消耗了大部分功耗[1]，因此降低顯示器的功耗尤為迫切。

紅色(R)、綠色(G)和藍(lán)色(B)3種原色是顯示技術(shù)中主流的三原色，但是RGB三原色理論無(wú)法解釋色盲現(xiàn)象。而顏色對(duì)立學(xué)說(shuō)[2](Opponent-process theory)比三原色理論更符合人眼的視覺(jué)系統(tǒng)。根據(jù)顏色對(duì)立學(xué)說(shuō)，綠色和紅色混色形成白色(W)而不是黃色(Y)?，F(xiàn)在的RGB系統(tǒng)中，為了兼顧黃色光的重現(xiàn)，對(duì)綠原色和紅原色主波長(zhǎng)的選取進(jìn)行折中[3]，而導(dǎo)致三原色可覆蓋的色域范圍縮小。并且黃色是人眼非常敏感的顏色，這意味著相比于紅色或藍(lán)色光，黃色光在較低的功耗下可以達(dá)到相同的亮度。所以為了達(dá)到高亮度或者低功耗的目的，研究者們大多使用RGBY多原色的LCD或者OLED系統(tǒng)。與流行的RGB三原色顯示器相比，使用多原色技術(shù)可以顯著降低顯示器的功耗[4-9]。

為了提高LCD顯示器中光線的利用率，大部分研究集中于多原色液晶結(jié)構(gòu)，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)組成的RGBCY五原色[6]?，F(xiàn)在常見(jiàn)的商業(yè)化四原色液晶顯示器產(chǎn)品為使用了Quattron技術(shù)的夏普LCD-80XU 35A液晶顯示器，其為RGB+Y的四原色液晶顯示方案[7]。但是根據(jù)報(bào)道可以得知，其功耗達(dá)到了470 W，節(jié)能效果較差。

對(duì)于OLED顯示器，目前也有RGBY四原色像素結(jié)構(gòu)。臺(tái)灣友達(dá)光電公司已展示帶有黃色子像素的RGBY高清OLED面板[8]。Xiong等人[9]研究了多原色像素結(jié)構(gòu)OLED面板，在擴(kuò)大色域的同時(shí)，可以顯著降低功耗。但是根據(jù)混色定理可以得知，特定復(fù)合色可以由三原色唯一表達(dá)。而在原色增加時(shí)，表達(dá)特定復(fù)合色存在多種可能，系統(tǒng)的復(fù)雜程度將急劇提高。

大多數(shù)多原色顯示技術(shù)的研究側(cè)重于擴(kuò)展色域或降低功耗，對(duì)于多原色重新混合所引起的顏色感知問(wèn)題研究較少，尤其是在色域三角形邊界上的飽和顏色。針對(duì)此問(wèn)題，本文通過(guò)人眼光譜光視效率來(lái)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，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本方法可以顯著降低功耗。在表達(dá)顏色之前，通過(guò)判斷顏色在色度圖中所屬的位置，進(jìn)而決定顏色的表達(dá)方式。如果目標(biāo)的顏色處于OGB區(qū)域，使用OGB三原色表達(dá)，而不使用RGB表達(dá)；在表達(dá)ROB區(qū)域的顏色時(shí)，依然使用RGB表達(dá)。實(shí)驗(yàn)證明，該方案可以有效降低功耗并且具有極小色差。

2 顏色重新表達(dá)原理

2.1 選擇第4種原色

人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的光有不同的敏感度，這可以通過(guò)如圖1所示的明視覺(jué)人眼光譜光視效率歸一化函數(shù)來(lái)描述[10]。光譜光視效率函數(shù)是在不同顏色產(chǎn)生相同亮度感知的條件下測(cè)量的。這意味著在相同亮度的前提下，人眼對(duì)該顏色越敏感，產(chǎn)生特定波長(zhǎng)光的功率越低，節(jié)能效果就越明顯。從圖1可以看出，人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)波長(zhǎng)為555 nm的黃綠色光線最敏感，對(duì)紅色和藍(lán)色最不敏感。這意味著，要達(dá)到同樣的亮度感知，紅光的輻射通量必須遠(yuǎn)大于黃綠色光的輻射通量。因此，用具有較高的明視覺(jué)光譜光視效率的顏色代替紅色或藍(lán)色可以減少能耗。

圖1 CIE明視覺(jué)人眼光譜光視效率函數(shù)[10]

根據(jù)上述原則，有兩種節(jié)能方案可以選擇：一是添加新的原色取代紅色；二是使用新的原色取代藍(lán)色。雖然藍(lán)色的光譜光視效率比紅色低，但是藍(lán)色LED的電光轉(zhuǎn)換效率(Wall-plug efficiency，WPE)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于紅色LED，如圖2所示[11]。本文引入國(guó)際電工委員會(huì)(International Electrotechnical Commission，IEC)指定的輻射發(fā)光效率[12]，來(lái)綜合考量紅色或藍(lán)色哪種顏色應(yīng)該被替代。

圖2 LED電光轉(zhuǎn)換效率[11]

定義輻射發(fā)光效率的公式為[12]：

，

(1)

其中：Km為最大光譜光視效能常數(shù)，Km=683 lm/W，V(λ)代表人眼明視覺(jué)光譜光視效率函數(shù)，ηWPE(λ)是對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)LED的電光轉(zhuǎn)換效率。輻射發(fā)光效率越高，說(shuō)明在使用該種顏色表達(dá)相同亮度時(shí)，所需要的能耗越小。

通過(guò)計(jì)算可知465 nm藍(lán)色LED的輻射發(fā)光效率為55 lm/W；630 nm紅色LED的輻射發(fā)光效率為39 lm/W；530 nm綠色LED的輻射發(fā)光效率為106 lm/W。根據(jù)如上數(shù)據(jù)，可以看出如果使用某種輻射發(fā)光效率更高的顏色來(lái)代替輻射發(fā)光效率最低的紅色，可以有效降低能耗。如果試圖在RGB三原色中減少藍(lán)色原色的使用，那么不能像紅色原色那樣節(jié)省能源，如圖2所示，藍(lán)色 LED 的WPE值約為70%，比紅色LED的WPE(只有25%)大得多。

所以本文選擇一個(gè)輻射發(fā)光效率更高的原色來(lái)代替紅色。由圖3可以看出，當(dāng)?shù)谒姆N原色位于綠色和紅色色度坐標(biāo)之間時(shí)，在表達(dá)顏色時(shí)才可以代替紅色。例如圖3中添加的原色為Y，在表達(dá)YGB三角型的原色可以使用Y代替紅色，從而降低紅色的使用。而在RYB區(qū)域中，依然使用RGB表達(dá)顏色，因?yàn)樵玒的光譜光視效率低于綠色(G)的光譜光視效率。

圖3 CIE 1931 色度圖

首先確定了原色Y位于RG原色之間。接下來(lái)，定義函數(shù)K來(lái)確定原色Y的具體波長(zhǎng)。

K=M×ηe(λ)+N×ηe(λR)

，

(2)

其中：M為三角形YGB的面積占RGB區(qū)域的比例，N為RYB三角形面積占RGB面積的比例，ηe(λ)是原色Y的輻射發(fā)光效率，其隨波長(zhǎng)的改變而變化。ηe(λR)是630 nm波長(zhǎng)紅光的輻射發(fā)光效率。由該公式(2)可知，M值越大，在OGB三角形范圍覆蓋就越大，可使用第四種原色表達(dá)的顏色就越多，產(chǎn)生的節(jié)能效果就越好。

M和N由上述定義表達(dá)為：

M=SYGB/SRGB

，

(3)

N=SRYB/SRGB

，

(4)

根據(jù)公式(3)和(4)可知：M和N的值與YGB和RYB的面積有關(guān)。如圖4所示，原色Y的色度坐標(biāo)在RG直線上移動(dòng)時(shí)，不影響三角形的高度h，所以M=LYG/LRG，N=LRY/LRG，LRG、LRY、LYG分別是RG、RY、YG的長(zhǎng)度。

圖4 RY和GY線的關(guān)系

系數(shù)K與波長(zhǎng)的關(guān)系如圖5所示，由該圖可知當(dāng)?shù)谒脑牟ㄩL(zhǎng)選擇為590 nm時(shí)，K值最大。因此，第四種原色Y 應(yīng)選擇波長(zhǎng)λ= 590 nm的橙黃色。綜上所述，本文選擇使用較為常見(jiàn)的590 nm波長(zhǎng)的橙色LED，即為橙色(O)，其在色度圖中的位置如圖6所示。在下文中第四種原色均使用橙色(O)表示。

圖5 K值和波長(zhǎng)的關(guān)系

圖6 顏色O在CIE 1931 xy色度圖中的位置

2.2 顏色重新表達(dá)

在采用RGBO方案進(jìn)行節(jié)能實(shí)驗(yàn)之前，本文將首先討論整個(gè)過(guò)程，如圖7所示。首先輸入目標(biāo)顏色數(shù)據(jù)。再將顏色數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到XYZ色彩空間中，計(jì)算出目標(biāo)顏色的色度坐標(biāo)。根據(jù)色度坐標(biāo)進(jìn)行顏色所屬區(qū)域的判斷，判斷目標(biāo)顏色是否落入OGB區(qū)域。如果落入OGB區(qū)域，則使用OGB混色方程(5)，即可計(jì)算出需要三原色LED的開(kāi)啟強(qiáng)度。如果落入ROB區(qū)域，則依然使用RGB進(jìn)行表達(dá)。

圖7 顏色表達(dá)流程圖

OGB混色方程如式(5)所示。

(5)

其中，(X,Y,Z)是目標(biāo)顏色的三次刺激值，(XO,YO,ZO)是橙色(O)LED最大亮度時(shí)的三刺激值，OLED為L(zhǎng)ED的開(kāi)啟強(qiáng)度，范圍為0～1，即OLED= 0時(shí)LED關(guān)閉，OLED=即1時(shí)LED發(fā)光強(qiáng)度最大。對(duì)于綠色(G)和藍(lán)色(B)，LED是相同的。

由于傳統(tǒng)的多原色需要復(fù)雜的算法，例如建立查找表和矩陣切換[13]，使得三原色到多原色的轉(zhuǎn)換復(fù)雜或者效率低下。使用色域分區(qū)判斷選擇不同的三原色，可以在降低系統(tǒng)復(fù)雜程度的同時(shí)，達(dá)到準(zhǔn)確顯示顏色的目的，并且引入第四種原色來(lái)取代人眼不敏感的顏色可以很好地降低顯示系統(tǒng)的功耗。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置組成

在本節(jié)中，將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證使用OGB代替RGB混色在表達(dá)ΔOGB區(qū)域內(nèi)顏色時(shí)的節(jié)能效果。

整體實(shí)驗(yàn)裝置主要由3部分組成：四原色LED背光板、控制部分和測(cè)量裝置。LED背光板由48個(gè)RGBO LED單元組成，如圖8所示。光擴(kuò)散板放置在RGBO LED背光板前，使混光均勻化。控制部件的核心組件是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)，用于控制每個(gè)LED的開(kāi)啟強(qiáng)度，例如在0～255之間任意調(diào)整LED的強(qiáng)度。FPGA控制還實(shí)現(xiàn)了顏色混合功能，即通過(guò)不同的原色混合復(fù)合顏色。本實(shí)驗(yàn)使用的測(cè)量裝置是Konica Minolta的色彩亮度計(jì)CS-150。CS-150 配備了具有與人眼光譜光視效率匹配的傳感器。根據(jù)說(shuō)明的要求，色度計(jì)垂直放置在LED背光板前方 60 cm。對(duì)于每個(gè)測(cè)試樣點(diǎn)，進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)量。3個(gè)測(cè)量結(jié)果的平均值作為最終測(cè)量結(jié)果。整個(gè)系統(tǒng)使用5 V穩(wěn)壓電源進(jìn)行供電，使用Fluke15B+萬(wàn)用表進(jìn)行電流測(cè)量，萬(wàn)用表的測(cè)量精度為0.001 A。LED背光板的功耗等于穩(wěn)壓電源的電壓值與測(cè)得的電流值相乘，所以功率測(cè)量的精度為0.005 W。

圖8 LED背光板

3.2 色差計(jì)算方法

為了保證顯示顏色的一致性，需要評(píng)估OGB三原色表達(dá)顏色的色度坐標(biāo)和RGB表達(dá)顏色的色度坐標(biāo)的偏差程度，也就是需要評(píng)估不同方案表達(dá)顏色的色差。本文引入如下公式計(jì)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表示顏色的色度坐標(biāo)(x,y)，X、Y、Z代表顏色的三刺激值，Xn、Yn、Zn表示白色D65的歸一化CIE XYZ三刺激值。L*、a*、b*表示某一顏色點(diǎn)在CIE LAB顏色空間中的坐標(biāo)，L*、a*、b*表示測(cè)量的顏色數(shù)據(jù)的和對(duì)比顏色數(shù)據(jù)之間的差值。

3.3 OGB區(qū)域內(nèi)部顏色對(duì)比節(jié)能實(shí)驗(yàn)

在CIE 1931 xy色度圖中，為了驗(yàn)證OGB三原色的節(jié)能效果，本文在ΔOGB 三角型區(qū)域選擇了 12 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，如圖9所示。在測(cè)試時(shí)，所選取的 12 個(gè)測(cè)試點(diǎn)將在相同的亮度下分別使用OGB LEDs和 RGB LEDs進(jìn)行混色，然后比較這兩種方式混色后背光板的能耗和色差。評(píng)估色差是為了保證使用OGB所形成的顏色和RGB形成的顏色在視覺(jué)上沒(méi)有區(qū)別。

圖9 樣點(diǎn)位置示意圖

一般顯示器的亮度范圍為250～350 cd/m2[15]，本文在亮度為300 cd/m2的情況下進(jìn)行測(cè)試。具體步驟如第2.2節(jié)中所示。首先把目標(biāo)顏色的亮度和色度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三刺激值，再將其代入混色方程(5)。根據(jù)OGB LEDs的三刺激值，可以計(jì)算出OGB每種原色LED需要開(kāi)啟的強(qiáng)度，同理RGB每種原色LED開(kāi)啟的強(qiáng)度也可以計(jì)算得出。由于本文使用FPGA輸出8位脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)來(lái)控制每一個(gè)LED的亮度，需要把每個(gè)LED開(kāi)啟的強(qiáng)度值量化到0～255的范圍內(nèi)，從而調(diào)控LED背光板的顏色。最后分別測(cè)量RGB和OGB兩種方案表達(dá)出的顏色的亮度、色度坐標(biāo)和功耗。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果在表1中給出。表中樣點(diǎn)序號(hào)1-RGB代表使用RGB表達(dá)顏色樣點(diǎn)1，1-OGB代表使用OGB表達(dá)顏色樣點(diǎn)1，x和y代表測(cè)量的顏色的色度坐標(biāo)，亮度和功耗為實(shí)際測(cè)量得到，ΔE代表色差，節(jié)能比例為OGB相比于RGB的節(jié)能比例。

表1 RGB與OGB的功耗對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與現(xiàn)階段流行的RGB三原色相比，OGB原色的應(yīng)用可以節(jié)省功耗。與RGB三原色相比，使用OGB三原色表達(dá)顏色最大可節(jié)省27.33%的功耗，平均節(jié)省15.59%的功耗。并且色差ΔE不超過(guò)1.9，不會(huì)產(chǎn)生明顯的顏色差異。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)于OGB區(qū)域內(nèi)部顏色，使用橙色代替紅色，在顏色還原準(zhǔn)確的前提下可以產(chǎn)生較好的節(jié)能效果。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以分析得出，使用本文提出的顏色轉(zhuǎn)換方法和LED控制方法，可以將不同方案表達(dá)的顏色的亮度差別控制在1% 以?xún)?nèi)。OGB三原色混色后的色度坐標(biāo)和RGB三原色混色后的色度坐標(biāo)雖然不能完全一致，但是色差不超過(guò)1.9，不會(huì)產(chǎn)生明顯的色差。RGB與OGB的功耗對(duì)比結(jié)果反映在圖10中?？梢钥闯?，在OGB三角形內(nèi)，使用OGB表達(dá)顏色對(duì)于所有的測(cè)試樣點(diǎn)都有節(jié)能效果。

圖10 樣點(diǎn)功耗對(duì)比

3.4 OGB區(qū)域邊界顏色對(duì)比節(jié)能實(shí)驗(yàn)

本文將測(cè)試使用OGB LEDs重現(xiàn)色域邊界上飽和顏色的節(jié)能效果，以及驗(yàn)證顏色重現(xiàn)的準(zhǔn)確性是否會(huì)受到不同三原色重新混合的影響。選取的測(cè)試點(diǎn)位置如圖11所示。

圖11 測(cè)試點(diǎn)位置示意圖

圖12和圖13分別為A1～A8坐標(biāo)點(diǎn)使用RGB和OGB表達(dá)時(shí)，功耗和色差的對(duì)比。使用OGB重新表達(dá)顏色對(duì)于RGB方案，功耗平均降低43.2%。由于轉(zhuǎn)換方法符合混色原理，色差可以控制在1.4以?xún)?nèi)。

圖12 OB直線上樣點(diǎn)的功耗對(duì)比

圖13 OB線上測(cè)試點(diǎn)的色差

圖14和圖15分別為OB直線左側(cè)的B1～B8坐標(biāo)點(diǎn)使用RGB和OGB表達(dá)時(shí)，功耗和色差的對(duì)比。可以看出，由于B1～B8測(cè)試點(diǎn)位于A1～A8附近，因此兩組的曲線非常相似。重現(xiàn)這些樣點(diǎn)顏色，需要較多紅色分量。根據(jù)本文提出的理論，紅色光的使用越少節(jié)能效果越明顯。通過(guò)計(jì)算得出OGB對(duì)比RGB平均可以節(jié)省40%的功耗。此外，圖15顯示了色差E折線，所有值都小于1。

圖14 OB線左側(cè)測(cè)試點(diǎn)的功耗對(duì)比

圖15 OB線左側(cè)測(cè)試點(diǎn)的色差

圖16和圖17分別為GB直線左側(cè)的C1～C8坐標(biāo)點(diǎn)使用RGB和OGB表達(dá)時(shí)，功耗和色差的對(duì)比。由于C1～C8坐標(biāo)點(diǎn)在表達(dá)顏色時(shí)，需要的橙色/紅色分量很小所以節(jié)能效果不顯著。此外，圖17顯示了色差E，所有值都小于2。因此在這些測(cè)試點(diǎn)中，所使用的節(jié)能方法不會(huì)影響顏色感知。

圖16 GB線右側(cè)測(cè)試點(diǎn)的功耗

圖17 GB線右側(cè)測(cè)試點(diǎn)的色差

使用RGB和OGB表達(dá)D1～D4的功耗和色差結(jié)果如圖18和圖19所示?？梢云骄?jié)省13.4%的功耗?？梢钥闯鲈贠GB具有良好節(jié)能效果的同時(shí)，重現(xiàn)顏色的色差也較小。證明此節(jié)能方法可以在不影響顏色感知的情況下很好地達(dá)到節(jié)能的目的。

圖18 OG線左側(cè)測(cè)試點(diǎn)的功耗對(duì)比

圖19 OG線左側(cè)測(cè)試點(diǎn)的色差

3.5 改進(jìn)的RGBO背光顯示器

上一節(jié)中測(cè)試了OGB表達(dá)顏色的節(jié)能特性，表明使用OGB三原色相比于RGB三原色可以產(chǎn)生節(jié)能效果。在此基礎(chǔ)上，本文提出一種改進(jìn)的RBGO背光液晶顯示器方案，使RGBO四原色LED背光板充當(dāng)液晶顯示的背光源，對(duì)比傳統(tǒng)的RGB背光可以顯著降低功耗。顯示時(shí)，流程如圖7所示。

本文選取國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試圖像，以測(cè)試RGB和RGBO兩種背光方案的液晶顯示器顯示圖片時(shí)的節(jié)能效果。液晶顯示器的背光亮度會(huì)直接影響功率大小，測(cè)試時(shí)，RGB背光和RGBO背光均設(shè)置為300 cd/m2。實(shí)測(cè)得RGB背光亮度為302.1 cd/m2，色度坐標(biāo)為(0.312,0.329)，色溫為6 533 K；RGBO背光亮度為303.5 cd/m2，色度坐標(biāo)為(0.313,0.327)，色溫為6 509 K，兩種背光的色差ΔE為1.16。采用RGBO背光的液晶屏功耗為5.255 W，采用RGB背光的顯示屏功耗為6.760 W，使用RGBO背光相比較于RGB背光，節(jié)能比例可以達(dá)到22.26%。

通過(guò)比較圖20中的測(cè)試結(jié)果，可以看出兩種背光的顯示器顯示出的圖像區(qū)別較小，人眼不會(huì)產(chǎn)生明顯的顏色感知差異。在RGB和RGBO背光亮度基本相同的前提下，使用RGBO四原色背光的液晶顯示器的方案更加節(jié)能，證明本文提出的節(jié)能方法對(duì)于當(dāng)前主流的液晶顯示器具有良好的節(jié)能效果。

圖20 兩種背光的液晶顯示器顯示的圖像

4 結(jié) 論

本文根據(jù)現(xiàn)代顯示技術(shù)的顯示準(zhǔn)確和低功耗的要求，提出了使用人眼敏感的橙色代替人眼不敏感的紅色可以產(chǎn)生節(jié)能效果的理論。根據(jù)色域分區(qū)原理，介紹了一種OGB三原色重新表達(dá)顏色方法，研究了該方案在與現(xiàn)有三原色系統(tǒng)兼容的前提下，可以達(dá)到的節(jié)能效果。最后，基于上述理論，本文對(duì)OGB三原色表達(dá)一些特定色度坐標(biāo)的節(jié)能性能和顏色表達(dá)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：表達(dá)OGB區(qū)域內(nèi)顏色時(shí)，使用OGB LEDs代替RGB LEDs最高可以節(jié)省49%的能耗，平均可以節(jié)省15.59%的能耗。同一顏色在使用兩種三原色方案表達(dá)時(shí)，色差最大不超過(guò)1.9。通過(guò)改進(jìn)的RGBO LED背光液晶顯示器進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)圖像的測(cè)試。結(jié)果表明，使用RGBO方案在降低顯示裝置功耗的同時(shí)，可以較為準(zhǔn)確地再現(xiàn)原始圖像。本文方法對(duì)于目前顯示器節(jié)能的要求有很大的借鑒意義。