像元、像素、色域及多元色顯示器

李桂苓 ，徐巖，李彥，2

（1.天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072；2.天津師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，天津 300387）

責(zé)任編輯:哈宏疆

筆者在本期《數(shù)字電視顏色管理術(shù)語》[1]一文中，給出了“像元”、“像素”、“色域”及“多元色顯示器”的定義和簡要解釋，本短文再稍加展開地予以說明。

可見光是波長為380～780 nm的一段電磁波，不同波長的光刺激產(chǎn)生不同顏色視覺，彩色電視系統(tǒng)難以一一傳送，而基于“三基色相加混色原理”構(gòu)建。

按三基色相加混色原理，電視系統(tǒng)將畫面分解成足夠多的“像素”，各像素由分別發(fā)紅（R）、綠（G）和藍(lán)（B）3種基色光的“像元”組成，空間相距極近的同一組像元所發(fā)基色光被視覺相加混合，感覺為像素的色刺激。

無論電視系統(tǒng)對電視信號處理過程如何復(fù)雜，實質(zhì)上只傳送R，G和B 3個獨(dú)立變量。“獨(dú)立”指任一基色不能由另一個或另兩個基色相加配出，但由配比不同的任意2個或3個基色光卻能相加配出眾多亮度（明度）、色調(diào)（色相）和色飽和度（彩度）不同的顏色光。

《SJ/T 11324—2006數(shù)字電視接收設(shè)備術(shù)語》[2]定義“像素”為“組成一幅圖像的全部可能亮度和色度的最小圖像單元”。其中的“色度”即“色調(diào)”和“色飽和度”。SJ/T 11324—2006雖面向數(shù)字電視接收設(shè)備，但像素的定義也適用于包括發(fā)端在內(nèi)的整個電視系統(tǒng)，只不過發(fā)端和收端分別是將圖像分解成像素和把像素合成為圖像的過程。

本期《數(shù)字電視顏色管理術(shù)語》一文中，定義“像元”是“組成一幅圖像的最小圖像單元”。與“像素”不同，“像元”只能顯現(xiàn)不同強(qiáng)度的某種顏色，由一組像元的光相加混合，才能使像素顯現(xiàn)“全部可能亮度和色度”。

顏色設(shè)備或系統(tǒng)所能表現(xiàn)的圖像顏色范圍稱“色域”。色域大小用“色域覆蓋率”衡量。對三基色電視設(shè)備或系統(tǒng)，色域覆蓋率表示成CIE 1976 UCS色空間u′v′坐標(biāo)系色度圖上三基色色度點(diǎn)圍成的三角形面積對閉合的譜色軌跡內(nèi)面積（0.1952）的百分比。

為提高色域覆蓋率，三基色色度坐標(biāo)點(diǎn)應(yīng)接近譜色軌跡上的相應(yīng)“譜色”，即縮窄基色光譜分布。不過光譜越窄，可見光功率譜的利用率越低，越不易獲得高發(fā)光強(qiáng)度基色。按我國《GY/T 155—2000高清晰度電視節(jié)目制作及交換用視頻參數(shù)值》[3]計算，我國高清晰度電視（HDTV）信號的色域覆蓋率理論值約33.24%。

這表明，我國HDTV演播室信號的色域覆蓋率不足可見光全部顏色范圍的1/3，可見“像素”定義中的“全部可能亮度和色度”也是針對電視系統(tǒng)而言。對三基色電視系統(tǒng)，像素中至少有一個像元不顯現(xiàn)時，該像素即呈現(xiàn)100%飽和度，對應(yīng)的色度點(diǎn)位于色度圖中基色三角形外邊界，但對視覺可見光范圍而言，并非飽和色。與基色三角形外邊界不同，其內(nèi)部各色度點(diǎn)對應(yīng)的顏色含某一數(shù)值的等量三基色量，這些成分相加混合為白色，顏色不再100%飽和。

因三基色電視系統(tǒng)中的顏色光有亮度、色調(diào)和色飽和度3重屬性，故更應(yīng)在三維色空間考察。在三維色空間，色域是有界體積。對此，作者設(shè)計、生成了三維色空間測試信號，編制了數(shù)據(jù)處理軟件。實測和分析結(jié)果表明，對應(yīng)不同亮度，不同色調(diào)，電視系統(tǒng)和顯示器的三維色域分布很不一樣。本期《數(shù)字電視顏色管理術(shù)語》一文中，反映了在三維色空間研究顏色的思想，但為有可比性，色域覆蓋率仍沿用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，定義于u′v′坐標(biāo)系二維色度圖。

如前所述，基色三角形位于譜色軌跡內(nèi)部，包括其邊界對應(yīng)的電視系統(tǒng)飽和色，還達(dá)不到視覺能感受的飽和度。實際上盡管現(xiàn)行電視信號的色域覆蓋率理論值約33.24%，但重顯顏色范圍可超過該值，這時顏色雖不“保真”，但卻能看到更鮮艷、飽和的顏色。目前高動態(tài)范圍、多次曝光等寬色域攝像機(jī)已實用化，計算機(jī)已采用寬于電視用的色空間，并能制作、編輯更加飽和的電視節(jié)目，國際和我國也都制訂了寬色域數(shù)字電視演播室標(biāo)準(zhǔn)，某些進(jìn)口電視機(jī)已宣稱支持xvYCC寬色域標(biāo)準(zhǔn)。這些情況表明，在現(xiàn)行常規(guī)色域電視系統(tǒng)中，開發(fā)寬色域顯示器和投影機(jī)等，也能重顯主觀感受更好的畫面，這將有力促進(jìn)電視廣播的寬色域化。

實現(xiàn)寬色域顯示，可選用更接近譜色的基色，也可增加像元數(shù)量，或兩者同時采用。本期“數(shù)字電視顏色管理術(shù)語”一文中列出的“多元色顯示器”即屬于后者。目前已商品化的4元色LCD和5元色LCD顯示器，大多選用了色度坐標(biāo)向譜色移動的綠基色，還分別增設(shè)了黃色（Ye）和黃色及青色（C）像元，使得各像素由4種（R/G/B/Ye）或5種（R/G/B/Ye/C）像元組成。這類顯示器的重顯色域，在二維色度圖上由三角形變成四邊形或五邊形，色域覆蓋率提升。在三維色空間，色域為多面體，色域擴(kuò)大，特別是高亮度區(qū)。

有的廠家在CIE 1931 XYZ色度系統(tǒng)xy色度圖上表現(xiàn)多元色顯示器明顯擴(kuò)大了色域，但因CIE 1931 XYZ色度系統(tǒng)并非建立于均勻色空間，xy色度圖上色域的擴(kuò)大并不會對視覺產(chǎn)生同樣的改善，色域覆蓋率還應(yīng)按定義，在CIE 1931 UCS均勻色空間u′v′色度圖上計算，結(jié)果是提升并不那么明顯。不過由于增加黃色、青色像元，光源功率譜中能量相當(dāng)大的黃色光、青色光得以利用，而可明顯提高光能利用率，并因圖像“明亮”而改善主觀感受。

為激勵多元色顯示器各像元，需由解碼現(xiàn)行電視信號重建的RGB三基色信號，變換為多于3個的調(diào)制信號，通過編制和查找查詢表（LUT），將重顯顏色映射到顯示屏的色域。這種變換稱為“多元色分解”。由R，G，B 3個獨(dú)立變量，分解為4個或4個以上激勵信號存在自由度，這為改善色重顯的主觀效果提供了可能。

本期《數(shù)字電視顏色管理術(shù)語》一文定義“多元色顯示器”為“用不同方式使各像素由多于紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）3個像元構(gòu)成的顯示器”。之所以稱為“多元色顯示器”，一方面考慮到早些年國內(nèi)個別廠家推出“多基色電視機(jī)”，當(dāng)時因其易誤解為出現(xiàn)了多于三基色的新電視系統(tǒng)等原因，被業(yè)界質(zhì)疑。同樣，目前不宜稱“多元色顯示器”為“多基色顯示器”。另外，對三基色8 bit量化精度電視系統(tǒng)，理論上可顯示多達(dá)十幾兆種顏色，若稱“多元色顯示器”為“4色顯示器”、“5色顯示器”或“多色顯示器”，易使消費(fèi)者誤解為重顯顏色數(shù)減少。

此外，按物理模型，稱多于3個基色“像元”的顯示器為“多元色顯示器”較符合漢語習(xí)慣。例如貨幣單位“元”，“化學(xué)元素”，“單元”，“元件”，哲學(xué)中的“多元論”等，都已在漢語中通用。若稱“多元色顯示器”為“多原色顯示器”，則易理解成“原始”、“原有”，而偏離重顯時相加混色最小顏色組成單元之意，而且新加像元顯示的顏色是派生出來再參與相加混色的。

本短文說明了像素與像元間的色度學(xué)差別；可見光色域（視覺色域）與電視系統(tǒng)色域以及電視信號色域與電視顯示器色域間的區(qū)別和聯(lián)系；從物理和語言習(xí)慣層面建議命名像元和多元色顯示器的考慮等。因?qū)僬f明性短文，故只用了敘述形式，以節(jié)省篇幅，有些語言并不嚴(yán)格（如LCD顯示器也籠統(tǒng)地稱發(fā)光等）。該短文和《數(shù)字電視顏色管理術(shù)語》一文，希引起業(yè)內(nèi)專家和工程技術(shù)人員的關(guān)注，經(jīng)研討和修改，正確而規(guī)范地應(yīng)用。

[1]李桂苓，徐巖，李彥.數(shù)字電視顏色管理術(shù)語[J].電視技術(shù)，2012，36（2）:90-97.

[2]SJ/T 11324—2006數(shù)字電視接收設(shè)備術(shù)語[S].2006.

[3]GY/T 155—2000高清晰度電視節(jié)目制作及交換用視頻參數(shù)值[S].2000.