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)
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。
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
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。
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。
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。
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。