超高清液晶電視顯示屏性能分析

李桂苓，徐 巖，李 彥，2

(1.天津大學 電子信息工程學院，天津 300072；2.天津師范大學 電子與通信工程學院，天津 300387)

超高清液晶電視顯示屏性能分析

李桂苓1，徐 巖1，李 彥1，2

(1.天津大學 電子信息工程學院，天津 300072；2.天津師范大學 電子與通信工程學院，天津 300387)

闡釋了數字電視系統部分視頻參數的確定，比較了RGB，RGBYe和RGBW三種液晶電視顯示屏的像素結構、像素形狀、像素分布和像元分布。指出了顯示屏與UHDTV信號格式不同所需格式變換將損傷圖像。最后，分析了3種顯示屏在色明度、色域、能效和重顯HDR圖像方面的性能。

超高清晰度電視；液晶顯示屏；像素；圖像格式變換；高動態范圍

國際上對超高清晰度電視(UHDTV)[1]的基礎研究已相當深入，其關鍵技術和設備的研發逐步進入實用階段，一些國家和國際標準已制訂，有的國家開始試播。我國也正在大力研究其關鍵技術，制訂相關標準，超高清顯示技術發展尤為迅速。現在雖缺少UHDTV節目，但以網絡傳輸或記錄載體形式提供的超高清圖像和視頻服務已逐漸涌現。

目前商品化的液晶電視顯示屏主要有紅綠藍三基色RGB屏、紅綠藍黃四元色RGBYe屏和紅綠藍白四元色RGBW屏。本文面向我國UHDTV終端標準制訂工作，比較了這3種屏的像素構成、像素形狀、像素分布和像元分布，指出了顯示屏與UHDTV信號格式不同所需格式變換對圖像的損傷，分析了3種屏在色明度、色域、能效和重顯高動態范圍(HDR)[2]圖像等方面的性能，希望對制訂我國UHDTV標準和發展UHDTV顯示技術有一定參考價值。

1 數字電視系統部分參數及其確定

數字電視系統的掃描行數和標準視距由正常視力(近似對應標準視力檢查表1.0視力)能分辨張角約1′、亮度和對比度足夠的相鄰兩黑白點確定。據此，可開列或算出表1所示標準清晰度電視(SDTV)[3]、高清晰度電視(HDTV)[4]和超高清晰度電視(UHDTV)[1]系統部分參數，其他參數算法和取值參見文獻[5]。

電視系統基于紅綠藍三基色相加混色原理構建，但視覺的彩色細節分辨力低于黑白細節分辨力，不用于確定電視系統分辨力，電視系統也不傳送RGB 3個寬帶基色信號，而采用亮色分離信號傳輸方式。據此，模擬電視系統傳輸1個寬帶亮度信號和2個窄帶色差信號，數字電視系統傳輸的色差信號(CB、CR)在水平、垂直方向有效像素數均為亮度信號(Y)的一半，即4:2:0信號。

數字電視系統發端按掃描次序逐像素采集其RGB值，經編碼予以傳輸，終端逆處理重建。借用DCI(數字電影倡導聯盟)對數字電影畫面格式的簡稱，目前流行將水平和垂直有效像素數1 920×1 080(HDTV)、3 840×2 160(UHDTV4K)和7 680×4 320(UHDTV8K)的數字電視圖像格式分別簡稱2K、4K和8K畫面。

表1 SDTV，HDTV和UHDTV系統部分參數

序號參數SDTVHDTVUHDTVUHDTV4KUHDTV8K1有效像素數/像素720×5761920×10803840×21607680×43202像素尋址從左到右，從上到下3R、G、B、Y取樣結構固定，正交4幅型比431695像素寬高比106710006視距(畫面高度h的歸一化值)5503001500757掃描行垂直視角/(′)108510618靜態清晰度理論值/電視線水平540垂直576108021604320

2 液晶電視顯示屏像素構成及分布

2.1 數字電視圖像分辨力和清晰度

按RGB三基色相加混色原理構建的數字電視系統，發端按掃描次序逐像素采集其RGB值，以像素為最小單位將其RGB值編碼成數字分量信號Y、CB和CR傳輸，終端逆處理重建。數字電視畫面水平和垂直方向有效像素數表示其分辨力，而圖像細節清晰程度用圖像清晰度反映。表1列出了數字電視系統靜態圖像清晰度理論值，其取決于畫面有效像素數，但需按畫面幅型比換算為電視線表示[6]。我國相關標準列有對數字電視系統和設備分辨力的要求和測量方法。

像素是組成一幅圖像的全部可能亮度和色度的最小圖像單元[7]。數字電視系統以像素為最小單位傳輸其RGB編碼信息。LCD屏的像素一般由RGB像元(子像素、亞像素)組成，它們能單獨激勵、發光。

2.2 液晶電視顯示屏固有分辨力

液晶電視顯示屏按像素尋址方式工作，物理分辨力為其固有分辨力。圖1是目前常見的3種液晶電視顯示屏像素構成示意圖，不同產品具體實現方式很多。圖中所標像素尺寸為歸一化值，1=h/NH，h和NH分別是屏的有效高度和有效行數。圖1a為3 840×2 160 RGB三基色屏。圖1b為增加了黃色像元(Ye)的RGBYe四元色屏，目前見到的是1 920× 1 080 規格，為對比下面也以3 840×2 160陣列為例。圖1c是增加了白色像元(W)的2 880×2 160 RGBW四元色屏。

圖1 3種顯示屏像素構成示意圖

2.3 液晶電視顯示屏像素構成

圖1各分圖右側示意畫出了3種屏的像素組成。圖1a、圖1b均為UHDTV4K格式。按像元激勵信號獲取方法，圖1c有兩種像素劃分方式，分辨力分別為2 880×2 160和5 760×1 080，均非UHDTV4K格式，若按RGB-WRG-BWR-GBW劃分，則后3個單元不能重顯全部亮度和色度。

2.4 液晶電視顯示屏像素形狀

圖1所示3種屏的有效行數均為2 160，按標準視距1.5h計算，像素的垂直視角1.06′，每度視角有效像素數56.60，正常視力剛剛可辨。圖1a、圖1b所示RGB、RGBYe屏均由方像素構成，像素寬高比1:1，1.5h視距對應的像素水平視角亦為1.06′。圖1c所示兩種劃分方式的RGBW屏均為矩形像素，像素寬高比分別為1.33:1和0.33:1，以前者為例，1.5h視距對應的像素水平視角增至1.41′，每度視角有效像素數減為42.55，未達正常視力極限，且與像素的垂直視角不同。

方像素的垂直、水平視角相同，與視網膜錐狀細胞近似呈圓形相匹配。矩形像素與HDTV和UHDTV方像素信號不匹配，所需格式變換難以同時保證圖像質量和不產生幾何畸變。

非方像素還不利按方像素工作的計算機處理，按通用數學函數、程序生成幾何圖形易畸變。如圖2所示，定義圖像左上角為坐標原點后，按圖中方程以(a，b)為圓心，r為半徑畫圓，會因像素為扁平的幾何失真而顯示為橢圓。

圖2 矩形像素產生

2.5 液晶電視顯示屏像素和像元分布

表2列出了3種顯示屏的像素數、像元數及其分布。其中2 880×2 160 RGBW屏以圖1c第一種像素劃分為例。與圖1a相比，圖1c的像元總數雖相同，但水平像素數和像素總數均減少1/4。與圖1b相比，圖1c的像元總數、水平像素數和像素總數均減少1/4。

表2 RGB、RGBYe、RGBW屏像素數、像元數及其分布

顯示屏像素數(水平×垂直)像素總數像素分布像元數(水平×垂直)像元總數像元分布RGB三基色屏3840×21608294400固定、正交11520×216024883200固定、正交RGBYe四元色屏3840×21608294400固定、正交15360×216033177600固定、正交RGBW四元色屏2880×21606220800幀五點形11520×216024883200幀五點形

像素分布對應圖像的空間樣點分布。SDTV、HDTV和UHDTV系統均采用正交，取樣位置逐行逐幀重復的取樣結構，圖1a、圖1b所示RGB、RGBYe屏與之對應，而圖1c所示RGBW屏與之不同，呈交錯狀的幀五點形分布。

3 格式變換

3.1 三基色顯示

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式(1)～式(6)表明，三基色電視系統有3個彼此獨立的基色，其編碼和傳輸對應3個方程，收端重建3個獨立解。像素數量及分布與UHDTV4K格式相同的3 840×2 160 RGB屏可按像素對應方式，最佳地顯示UHDTV4K信號。

3.2 多元色顯示與格式變換

除像素、像元數量不同外，若其分布不正交，為顯示UHDTV4K信號也需進行變換。圖1b所示3 840×2 160 RGBYe四元色屏各像素所增Ye像元的激勵信號可取自本像素RGB值，像素數與UHDTV4K相同，且正交分布，可按像素對應方式，最佳地顯示UHDTV4K信號。

圖1c所示2 880×2 160 RGBW四元色屏像素數及分布均不同于UHDTV4K格式，顯示UHDTV4K信號需進行像素數及分布變換。變換用不同低通、內插算法的數字濾波器完成，依其算法將不同程度地損傷重顯畫面。這類損傷往往對不同圖像表現不一，例如影響細線條連續性或圖像清晰度，出現邊緣模糊或頻譜混疊帶來的偽像等。

圖3a為RGB屏(上)、RGBW屏(下)以像素對應方式顯示R、G、B、W單像素歸一化1～0相間豎直、45°線組效果圖。圖3b為RGB屏(上)、RGBW屏(下)以像素對應方式顯示文字效果圖。該圖上下兩組雖無像素對應關系，但仍可顯現像素、像元正交分布與幀五點形分布顯示效果的不同，如果再引入像素數下變換，上下兩組的差別更大。2 880×2 160 RGBW屏水平方向像素數少于UHDTV4K圖像格式，需在水平方向進行下變換，這會導致不同圖像細節的平均亮度不一，圖4為綠色水平細節(右)平均亮度明顯低于綠色垂直細節(左)平均亮度的例子。圖5為豎直平行線組(左)水平方向下變換產生偽像(右)的示意圖。

圖3 RGB屏(上)和RGBW屏(下)像素對應方式顯示效果圖

圖4 飽和色細節的平均亮度

圖5 偽像示意圖

4 色域

4.1 色域與色域覆蓋率

色域為顏色設備或系統所能表現的圖像顏色范圍，通常用色度圖或色空間內的有界面積或體積描述。色域大小用色域覆蓋率表示。色域覆蓋率為CIE 1976 LUV均勻色空間(u′，v′)坐標系色度圖上，三基色色度點包圍的三角形面積，或多元色顯示器各元色色度點包圍的多邊形面積，占譜色軌跡內面積(0.195 2)的百分比。按相關標準[1,4]，HDTV、UHDTV信號的色域覆蓋率計算值分別為33.24%和57.29%。計算機等可生成較廣播電視色域更寬的畫面。

4.2 顯示屏色域

為顯示計算機等生成的高色飽和度畫面，或渲染重顯的電視圖像，或滿足視覺偏好，電視顯示屏的重顯色域不是必須與信號色域相同。展寬顯示器色域可選用色域更寬的光源或熒光粉(基色光譜更窄)，也可增加像元。

多元色顯示屏新增像元的激勵信號由解碼重建的RGB經色域映射獲取。表3開列了實測1 920×1 080 RGBYe屏樣品的色度坐標。圖1b中RGBYe屏增加了黃色像元，其色域在色度圖內可由圖1a中RGB屏的三角形擴展成四邊形，如圖6所示。為減小計算誤差，按表3數據，由GBYe與RBYe兩三角形面積之和算出的色域覆蓋率約36.16%，由RGB三角形面積算出的色域覆蓋率約34.58%，色域覆蓋率約提升1.58%。圖6a在(u′，v′)坐標系畫出了該屏色域與常規色域電視信號和另一臺RGB屏色域的比較。圖6b是圖6a的局部放大。圖6表明，該RGBYe屏色域覆蓋率約提升1.58%不單靠增加黃色像元，顯像基色坐標也發生了變化。應順便指出，將CIE 1931 XYZ色空間轉換到CIE 1976 LUV色空間后，RGBYe屏較RGB屏的色域擴展實際上不像在xy色度圖上那么明顯，均勻色空間才更接近視覺感受。

表3 HDTV常規色域電視系統色度參數和顯示屏樣品色度參數實測值

項目常規色域三基色系統三基色LCD屏樣品RGBYe四元色LCD屏樣品色度坐標(u′，v′)R(0451，0523)(04367，05266)(04493，05255)G(0125，0563)(0115，0563)(01142，05729)B(0175，0158)(01674，01496)(01788，01464)Ye——(02125，05612)色域覆蓋率/%332433583616

圖6 (u′，v′)坐標系色域圖

對圖1c的RGBW屏按現行分別施測紅、綠、藍飽和色色度坐標方法，色域覆蓋率應不受白色像元影響。但自然圖像多為非飽和色，其飽和度是否被新增白色像元所發白光沖淡應另行測試。

5 亮度和能效

5.1 亮度和能效

如4.2節所述，RGBYe屏增加黃色像元對色域覆蓋率的提升并不明顯。觀察(u′，v′)坐標系色度圖可知，增加青色像元(Cy)擴大重顯色域潛力更大，對西方人偏愛青-綠色也有利。除增大、改變重顯色域外，新增Ye或Cy像元還可明顯提高背光源光譜利用率，使圖像明亮、鮮艷，利于節能和環保。

RGBW屏增設W像元，更利于提高背光源利用率，使圖像更加明亮。2 880×2 160 RGBW屏較3 840×2 160 RGBYe屏水平方向像元數少，開口率可高于后者，更有利提高能效。不過2 880×2 160 RGBW屏RGB像元數是3 840×2 160 RGB屏的3/4，從而影響飽和色的亮度。如果格式變換中再加權處理某些顏色的亮度，那么更會帶來自然圖像色失真。

提高大屏幕電視機能效的環保意義顯著，歐盟等國際組織在分階段大幅度提高能效指標。由于LCD顯示器往往引入動態背光調整，測試狀態和長時間觀看正常電視節目兩種情況下，屏幕亮度和能耗往往相差很多，所以更應觀測真實工作狀態下的實際值。

5.2 HDR適應性

如圖7所示[2]，自然界存在和視覺可感受的場景亮度范圍極寬，與之適應的圖像攝取、處理、保存、重現技術稱高動態范圍(High Dynamic Range，HDR)技術。HDR圖像多用不同曝光值快拍多張照片再合成得到，HDR視頻則需拍攝更亮、更暗細節，加寬動態范圍。HDR圖像明暗對比均勻，可避免過亮、過暗，有更暗、更亮細節和更寬色域，圖8為其一例[8]。

對HDR顯示器的主要要求包括高亮度、高對比度，能適應小面積峰值發光畫面、大面積峰值發光畫面、短暫峰值發光視頻和持續峰值發光視頻等。RGBW屏可顯示較高亮度畫面，但距顯示HDR圖像要求還相差甚遠。

6 結束語

UHDTV是傳送ITU-R BT.2020-1推薦的，比HDTV圖像格式級別更高的視頻圖像，并能傳送可較好模擬三維聲場聲音的電視系統，是繼HDTV后電視系統的發展趨勢。UHDTV優良的視頻和聲音質量由節目源、傳輸信道和設備鏈共同保證。本文著重研討了終端的某些顯示性能。

電視畫面有效像素數是電視圖像格式的重要指標，可像素尋址的顯示屏，其像素陣列數是其物理固有分辨力。三基色相加混色數字電視系統以像素為最小單元傳送Y，CB，CR三個分量信號，含R，G，B三個彼此獨立的信息量。相關標準明確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。

3 840×2 160 RGB屏的分辨力與UHDTV4K一致，可最佳顯示UHDTV4K信號，是UHDTV4K顯示屏主流。2 880×2 160 RGBW屏增設白像元，旨在提高背光源利用率，使圖像更亮。這種屏固有分辨力低于UHDTV4K規范，但像素和像元為幀五點形分布，可使靜態圖像清晰度測試值達UHDTV4K要求，是一種UHDTV4K顯示屏產品。這種屏顯示UHDTV4K信號需進行像素數及像素、像元分布變換，信號處理復雜且會不同程度損傷圖像，重顯自然圖像和文字的效果與像素對應最佳顯示方式有重要區別。

超高清顯示技術和顯示屏在快速發展，由于提高LCD屏背光能效所限，研發新型高效、自發光顯示屏勢在必行。

圖7 高動態范圍

圖8 HDR攝影(上)和普通攝影(下)圖像

致謝：本文部分內容曾與多個單位專業技術人員研討，在此一并致以誠摯的感謝！

[1] ITU-R BT.2020-1(06/2014)，Parameter values for ultra-high definition television systems for production and international programme exchange[S].2014.

[2] HDR and IEC TC100. IEC TC100 AGS，Tokyo，4-November-2014[S].2014.

[3] GB/T 14857—1993，演播室數字電視編碼參數規范(等效采用ITU-R BT.601-3 1992)[S].1993.

[4] GY/T 155—2000，高清晰度電視節目制作及交換用視頻參數值(參照ITU-R BT.709-3中第二部分)[S].1993.

[5] 李桂苓，李彥，徐巖.超高清晰度電視系統視頻參數計算和選擇[J].電視技術，2014，38(18)：87-91.

[6] 李桂苓，李秀敏，趙希.數字電視圖像清晰度[J].電視技術，2005，29(12)：80-83.

[7] SJ/T 11324—2006，數字電視接收設備術語[S].2006.

[8] High dynamic range image[EB/OL].[2015-06-21].http：//de.wikipedia.org/wiki/High_Dynamic_Ra0nge_Image.

李桂苓，教授，博士生導師，從事信號與信息處理、數字視頻與多媒體技術教學、科研工作；

徐 巖,女，副教授，博士，碩士生導師，從事信號與信息處理、數字視頻與多媒體技術教學、科研工作；

李 彥,女，副教授，博士，碩士生導師，從事信號與信息處理、數字視頻與多媒體技術教學、科研工作。

責任編輯：時 雯

Performance Analysis for Ultra-high Definition LCDs

LI Guiling1，XU Yan1，LI Yan1，2

(1.SchoolofElectronicInformationEngineering，TianjinUniversity，Tianjin300072，China； 2.CollegeofElectronicsandCommunication，TianjinNormalUniversity，Tianjin300387，China)

In this paper, how to determine some parameters of digital TV systems is studied. It compares three ultra-high definition LCDs including RGB， RGBYe and RGBW in terms of their pixel structure and shape， and pixel and subpixel distribution. The image deterioration caused by conversion from UHDTV signal to LCD format is also analysed. The different performance on color brightness， color gamut， energy efficiency，and HDR image display for the three LCDs has further been investigated.

UHDTV；LCD；pixel；image format conversion；HDR

國家自然科學基金項目(60802050)；天津市自然科學基金項目(10JCYBJC00300)

TN949

A

10.16280/j.videoe.2015.16.020

2015-07-20

【本文獻信息】李桂苓，徐巖，李彥.超高清液晶電視顯示屏性能分析[J].電視技術,2015，39(16).