Micro LED大屏显示技术分析——显示色域

    自20世纪80年代至今，LED显示技术持续演进，应用场景不断丰富，市场规模日益壮大。作为LED显示行业领军企业，艾比森将定期推出系列科普文章，由资深技术专家解读LED显示技术相关原理，相信可以给业界同仁带来更多的思路和参考。

    在信息化时代，显示产品作为人类与信息的接触界面，极大地影响着人们的生活。随着信息量的剧增及更新速度的加快，尤其是多媒体数字音视频信息对传统单一的文字视频信息的代替，人们对显示效果提出了更高的要求。显示屏的色域直接影响着显示画面的色彩表现力和色彩还原度，是目前显示屏产品关注的焦点。

    本文将从色度学原理出发，阐述不同的色域标准，深入分析LED显示屏色域范围与色彩表现力和色彩还原度之间的关系。

    01色度学原理

    我们生活在五彩缤纷的世界中，人类能感受不同的颜色是由于人眼接收到不同波长的光信号产生的视觉响应。人眼的视网膜上存在视杆细胞和视锥细胞两种感光细胞，视杆细胞主要在暗光情况下发挥作用，没有色彩识别功能；而视锥细胞在明亮条件下发挥作用，视锥细胞分为红敏视锥细胞、绿敏视锥细胞和蓝敏视锥细胞三种，分别对红、绿、蓝最敏感。根据混色原理，自然界中几乎所有的颜色也都可以由红绿蓝三色组合而成，视网膜上三种视锥细胞对红绿蓝三色光的视觉响应组合即可得到不同的颜色感受。基于以上原理，现代显示中通常使用红绿蓝作为三基色，根据人眼视觉特性和混色原理，将三基色按不同比例混合即可还原自然界中的大部分颜色，如图1所示。可使用配色方程定量描述混色原理，对于需要显示的色光C，其配色方程可表示为C[C]＝R[R]＋G[G]＋B[B]，其中，C, R, G, B分别代表了匹配色光、红光、绿光、蓝光的相对强度，该配色方程表示R个单位的红原色、G个单位的绿原色和Ｂ个单位的蓝原色相加混合，可匹配出C个单位的C颜色，R, G, B称为三刺激值。

图1 显示三基色混色原理

    02CIE1931标准色度系统

    为了便于比较和统一，1931年，国际照明委员会 (CIE) 提出了标准观察者和色坐标系统，采用700nm，546.1nm，435.8nm作为R，G，B三原色波长，对配色方程进行归一化处理得 [C]＝R/(R+G+B)[R]＋G/(R+G+B) [G]＋B/(R+G+B) [B]，定义色度坐标r，g，b，其中r= R/(R+G+B)，g= G/(R+G+B)，b= B/(R+G+B)，则[C]＝r[R]＋g [G]＋b[B]，由于r+b+g=1，已知三刺激值中任意两个即可定量表征匹配色C，基于以上内容，CIE 1931 RGB色品图使用 (r, g) 二维坐标定量表征色彩，如图2所示。

图2 CIE 1931 RGB色品图

    由于颜色匹配试验的问题，CIE RGB色品图中存在负值，不利于计算和理解，因此CIE又提出了CIE 1931 XYZ色度系统，该色度系统用假想的三个原色XYZ代替RGB系统的三原色，对原来的RGB色品图进行数学转换，得到与RGB系统中的三刺激值R, G, B对应的全为正数的三刺激值X, Y, Z，相应的，色光C的配色方程可表示为C[C]＝X [X]＋Y[Y]＋Z[Z]，对配色方程进行归一化处理得 [C]＝X/(X+Y+Z)[X]＋Y/(X+Y+Z)[Y]＋Z/(X+Y+Z)[Z]，令x=X/(X+Y+Z)，y= Y/(X+Y+Z)，z= Z/(X+Y+Z)，由于x+y+z=1，仅通过x和y就可以在二维平面中确定一个颜色，以x，y为横、纵坐标，即得到如图3所示的得到CIE 1931 XYZ色品图。在CIE 1931 XYZ色品图中，380nm到780nm的可见光光谱色连接可得到马蹄状曲线，马蹄状曲线旁注释的数字为光谱波长值。位于马蹄状曲线上为单色光，具有最大饱和度，越靠近马蹄形曲线的内部，颜色的饱和度越小，颜色越接近白光。

    03显示屏色域及色域标准

    色域可以理解为显示设备能够显示颜色的范围，对于现代显示中最常用的三基色显示，根据混色原理，将显示设备采用的红绿蓝三基色的色坐标定位在CIE 1931 XYZ色品图中，之后将三个坐标点连接，即可得到显示设备对应的色域三角形。色域三角形的三个顶点是显示设备红绿蓝三基色的色坐标，三角形围成的区域是显示设备三基色混合能得到的所有颜色，即显示设备能表现的所有颜色，三角形的面积越大，表明显示设备的色域范围越大，能够显示的色彩越丰富。

    为了便于信息传递，显示行业制定了一系列的色域标准，其中常用的标准主要有NTSC、Rec.709、DCI-P3和Rec.2020色域标准，如图3所示。

图3 常用色域标准范围

    NTSC色域是1953年由美国国家电视标准委员会订制的标准，该标准是为当时刚出现不久的 CRT 彩色电视定制的，由于实在太过古老，早已不适用于现代显示器。更重要的是现代显示内容创作者几乎没有以 NTSC 为工作空间的，这就意味着以NTSC作为色域指标的显示产品无法与显示内容之间建立必然联系。

    Rec.709色域是1990年国际电信联盟发布的色域标准，该标准被用作高清显示（HDTV）的色彩标准，是目前使用最广泛的标准。随着计算机技术的发展，1996年微软联合HP、三菱、爱普生等厂商开发出sRGB色彩标准，受微软强大用户群体的影响力的威慑，绝大多数的数码图像采集设备，如数码相机、数码摄像机、扫描仪、显示器等都支持支持sRGB标准。该色域标准与Rec.709色域标准完全相同，因而也使得Rec.709色域标准成为目前使用最广泛的色域标准。

    DCI-P3色域是美国电影行业于2005年推出的一种广色域标准，是目前数字电影设备最常采用的色彩标准之一，如图3中所示，与Rec.709色域相比，DCI-P3色域在绿色和红色区域范围更广，可呈现的色域相比Rec.709色域大了25%。随着4K时代的来临，原有的Rec.709/sRGB 已经无法满足显示需求，越来越多的显示设备开始采用DCI-P3标准作为显示色域。

    Rec.2020色域标准是2012年国际电信联盟针对超高清设备（4K&8K）发布的色域标准，如图3所示，Rec.2020色域范围是目前所有色域标准中最广的。

    如图3中所示，上述几种色域标准中，Rec.709色域面积最小，DCI-P3色域可完全覆盖Rec.709色域，Rec.2020色域可完全覆盖DCI-P3色域。而Rec.709色域面积虽然仅为72%的NTSC色域面积，但NTSC色域在蓝色区域并没有完全覆盖Rec.709色域，实际上NTSC色域只能覆盖82% 的 Rec.709色域。

    当显示设备的色域范围能完全覆盖显示数据的色域范围时，显示设备可以完全呈现显示数据中的色彩，还原视频或图片创作者的创作意图。目前，图片或视频源数据采用的色域标准通常为Rec.709色域标准、DCI-P3色域标准和Rec.2020色域标准，没有任何图片或视频源采用NTSC色域作为标准。由于NTSC色域标准并不能完全覆盖Rec.709、DCI-P3和Rec.2020三种色域标准中的任何一种，因而以NTSC色域作为指标的显示设备无法与显示数据（以Rec.709色域、DCI-P3色域或Rec.2020色域作为色域标准）之间建立必然联系。显示设备的NTSC色域指标无法展现对Rec.709、DCI-P3和Rec.2020 色域覆盖率，因而无法展现出对图片或视频源数据的色彩还原能力，对于消费者来说没有任何参考价值。

    04总 结

    本文以色度学原理为基础，详细阐述了不同的色域标准，分析了显示屏色域范围与色彩表现力和色彩还原度之间的关系。基于以上分析可知，传统LED显示屏产品以NTSC色域作为参数指标，无法表征显示屏对图片或视频源数据的色彩还原能力，以Rec.709、DCI-P3或Rec.2020色域作为参数指标才是对LED显示产品色彩表现力的科学表征方法。