陳 宇

（北京泰瑞特檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，北京 100015）

0 引 言

現(xiàn)階段，評(píng)價(jià)超高清顯示設(shè)備的色彩還原能力時(shí)，色域覆蓋率[1]是核心關(guān)鍵指標(biāo)。測(cè)量時(shí)，僅在CIE 1931或CIEu′v′1976色空間內(nèi)測(cè)量三基色的色度坐標(biāo)，然后計(jì)算色域覆蓋率，體現(xiàn)顯示設(shè)備的色彩呈現(xiàn)能力。這種傳統(tǒng)的表征方法不能完整地體現(xiàn)顯示設(shè)備的色彩能力，缺少亮度數(shù)據(jù)。實(shí)際上顏色包括明度、色調(diào)以及色飽和度三個(gè)要素，明度就是指顯示設(shè)備的亮暗，即亮度，色調(diào)是指R、G、B三基色的混合比例，色飽和度是指顏色的深淺程度。所以就需要既能體現(xiàn)色度數(shù)據(jù)，又能表現(xiàn)亮度數(shù)據(jù)的三維色空間來(lái)表征超高清顯示設(shè)備呈現(xiàn)的顏色。

隨著超高清顯示、廣色域（Wide Color Gamut，WCG）顯示和寬動(dòng)態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）顯示技術(shù)的發(fā)展，超高清顯示系統(tǒng)進(jìn)入 10 bit、12 bit時(shí)代。大尺寸、超高清晰度、廣色域（WCG）和寬動(dòng)態(tài)范圍（HDR）是超高清顯示的優(yōu)勢(shì)，可以給消費(fèi)者帶來(lái)更細(xì)膩、逼真的圖像，更強(qiáng)臨場(chǎng)感的畫(huà)面。因此應(yīng)該采用全面考量顯示設(shè)備的色度體積這一指標(biāo)詮釋超高清顯示設(shè)備的色彩能力。本文重點(diǎn)介紹超高清顯示設(shè)備色度體積的測(cè)量方法，體現(xiàn)色度體積的重要性。

1 色度體積的含義

色度體積表征超高清顯示設(shè)備在三維色空間中還原色彩的能力。色度體積也可以理解為在CIE xy色度圖中引入亮度參數(shù)的立體色域覆蓋率。色度體積不僅表達(dá)出了色彩能力，同時(shí)也表現(xiàn)出了灰度解析能力。色度體積在CIELab色空間中量化還原，CIELab色彩空間中亮度和色度是分開(kāi)的， L軸只有亮度，a軸和b軸只有色度。如圖1所示，在三維坐標(biāo)系中，a*軸代表綠色-紅色，b*軸代表藍(lán)色-黃色，L*軸代表黑色-白色。從圖1可以清楚地感知到，L越大，亮度越高。L為0時(shí)代表黑色，為100時(shí)代表白色。a*和b*為0時(shí)都代表灰色。a*從負(fù)數(shù)變到正數(shù)，對(duì)應(yīng)顏色從綠色變到紅色。b*從負(fù)數(shù)變到正數(shù)，對(duì)應(yīng)顏色從藍(lán)色變到黃色。色度體積越大，超高清顯示設(shè)備呈現(xiàn)的色彩越多，畫(huà)面細(xì)節(jié)內(nèi)容越豐富。

圖1 CIELab色空間

2 CIELab均勻色空間下的色度體積

CIELab色彩空間是均勻的色彩空間，所謂均勻是指當(dāng)數(shù)值均勻變化時(shí)，人的感官也是均勻變化。CIELab色空間是將XYZ坐標(biāo)變換成坐標(biāo)L*，a*，b*的非線性變換[1]。

CIELab色彩空間是顏色-對(duì)立空間，帶有維度L表示亮度，a和b表示顏色的維度。CIELab色彩空間具有以下特性：

（1）CIELab色彩空間中亮度和色度是分開(kāi)的；

（2）在CIELab中進(jìn)行調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，速度快；

（3）色域覆蓋率寬，人的肉眼能感知的色彩，都能通過(guò)CIELab模型還原重現(xiàn)出來(lái)；

（4）在CIEL*a*b*模型中均勻改變對(duì)應(yīng)于在感知顏色中的均勻改變。

在CIELab色空間中表征色度體積有兩點(diǎn)好處。

（1）感知均勻。如果L*、a*、b*數(shù)值變化的幅度一樣，那么在CIELab色空間中呈現(xiàn)的色度體積帶給人視覺(jué)上的變化幅度也是差不多的。通過(guò)把任意一種顏色量化為CIELab色空間中一個(gè)點(diǎn)，并呈現(xiàn)在色度體積圖上，這個(gè)點(diǎn)的變化與人眼視覺(jué)感知差最為接近。其他色彩空間就不具備此特性，例如CIEUCS色空間，一個(gè)點(diǎn)的三刺激值發(fā)生變化，在CIEUCS色空間中，只能看到顏色深淺的變化，沒(méi)有明暗的感知，這是因?yàn)镃IEUCS色空間僅對(duì)xy色域圖進(jìn)行線性變換，使得色空間均勻性得到一定的改善，但亮度因素沒(méi)有優(yōu)化，因此，呈像變化與視覺(jué)感知差略有區(qū)別。

（2）設(shè)備無(wú)關(guān)。在CIELab空間內(nèi)給定白之后，這個(gè)顏色空間就確定了各顏色如何構(gòu)建，與使用的顯示設(shè)備無(wú)關(guān)。CIELab定義的白點(diǎn)是相對(duì)于白點(diǎn)的顏色，而在其他色空間中白點(diǎn)定義的白點(diǎn)是絕對(duì)值。例如，顯示設(shè)備白點(diǎn)定為D50或D65，在CIEXYZ色空間中，各顏色間的關(guān)系通過(guò)匹配三刺激值的比例關(guān)系繪制，其混出的顏色一定落在顯示設(shè)備規(guī)定的色域內(nèi)，受顯示設(shè)備的界定。

3 色度體積的測(cè)量

針對(duì)超高清顯示設(shè)備WCG、HDR等技術(shù)特點(diǎn)，國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心自2016年起，針對(duì)HDR和WCG顯示性能的測(cè)量開(kāi)展研究，著手采用色度體積評(píng)價(jià)超高清顯示設(shè)備的色彩還原能力，并進(jìn)行了摸底測(cè)試和數(shù)據(jù)積累。

色度體積的測(cè)量采用多種顏色信號(hào)進(jìn)行。選擇信號(hào)時(shí)，應(yīng)考慮不同顏色的信號(hào)，如白、黑、藍(lán)、綠、紅、青、品紅、黃等；同時(shí)考慮信號(hào)的灰度，即顏色的明暗。測(cè)試信號(hào)的色調(diào)越多，灰度越多，測(cè)量的色度體積越接近超高清顯示設(shè)備的實(shí)際色彩能力。

色度體積的測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示，針對(duì)超高清顯示設(shè)備，測(cè)試應(yīng)采用基于ITU-R BT.2100-2[2]、SMPTE ST 2086[3]和GY/T 307—2017[4]色彩范圍的格式、10 bit信號(hào)。測(cè)量時(shí)，光學(xué)測(cè)試儀器位置與顯示設(shè)備屏幕中心測(cè)量點(diǎn)正交垂直，且在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，亮色度計(jì)的測(cè)量位置應(yīng)保持不動(dòng)。使用亮色度計(jì)分別測(cè)量顯示設(shè)備中心區(qū)域顯示的各顏色的亮色參數(shù)X、Y、Z。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)圖

目前，色度體積的測(cè)量建議至少選取20種灰度、色彩不同的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。將數(shù)據(jù)做歸一化處理，以白色為100%，再利用公式將X、Y、Z轉(zhuǎn)換到L*、a*、b*色彩空間。

測(cè)量完成后要進(jìn)行色度體積的計(jì)算，采用CIELab空間內(nèi)分割四面體算法實(shí)現(xiàn)三維色域的還原與色度體積的計(jì)算。該算法是將8個(gè)點(diǎn)的色坐標(biāo)數(shù)據(jù)擬合成一個(gè)扭曲的多邊形，然后以白點(diǎn)和黑點(diǎn)的坐標(biāo)為四面體的一條邊，與任意兩個(gè)相鄰坐標(biāo)（紅-品紅、品紅-藍(lán)、藍(lán)-青、青-綠、綠-黃、黃-紅）連線，從而將多邊形分割成6個(gè)四面體，再將所有的四面體的體積相加，最終求出三維色度體積。具體計(jì)算公式[5]如下：

式中：Xw、Yw、Zw為來(lái)源端光源參考白點(diǎn)的三刺激值，XP、YP、ZP為各元色Q的三刺激值。

以黑和白為兩個(gè)頂點(diǎn)，通過(guò)這兩點(diǎn)與其他任意相鄰的兩點(diǎn)連線，形成四面體。總體積為所有四面體的體積和。實(shí)驗(yàn)室利用Matlab語(yǔ)言編寫(xiě)了色度體積計(jì)算工具。

4 數(shù)據(jù)分析

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量了某款超高清電視的色度體積和色域覆蓋率，測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4所示?？梢灾庇^地感受到，色度體積可以更好地、完整地呈現(xiàn)顯示設(shè)備的亮度和色彩水平。

圖3 色度體積

圖4 色域覆蓋率

為了比較信號(hào)亮度電平對(duì)色彩呈現(xiàn)能力的影響，對(duì)同一個(gè)顯示設(shè)備、不同信號(hào)亮度電平下的色度體積進(jìn)行測(cè)試，該顯示設(shè)備峰值亮度為1 050 cd·m-2， 測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同信號(hào)亮度電平下的色度體積

由表1可以看出，不同信號(hào)亮度電平下，信號(hào)亮度電平越大，色度體積越大。

為了比較相同色域下、不同亮度對(duì)色彩呈現(xiàn)能力的影響，實(shí)驗(yàn)室挑選了五款超高清顯示設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，它們的DCI-P3色域覆蓋率均在109%左右，得到色度體積測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 亮度不同下的色度體積

從表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，不同的亮度下，色域體積不同，亮度越大，色度體積越大。

另外對(duì)比4臺(tái)相同亮度（亮度均為600±10 cd·m-2）， 但色域覆蓋率不同的顯示設(shè)備，重復(fù)上述測(cè)量步驟，得到不同色域覆蓋率下的數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 不同色域下的色度體積

從表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以分析出，在相同亮度條件下，色域覆蓋率越大，色度體積也越大。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述剖析、實(shí)測(cè)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，色度體積為超高清顯示設(shè)備提供了一種新型的色彩評(píng)價(jià)方式，綜合考量顯示設(shè)備的色彩飽和度。色彩飽和度受亮度和色度影響，僅以二維的色度測(cè)量表征顯示設(shè)備色彩還原能力具有很大的局限性，使用三維空間評(píng)價(jià)色彩還原能力可以直觀、全面地評(píng)定顯示設(shè)備的能力。