超高清顯示色度體積測量研究

陳 宇

（北京泰瑞特檢測技術服務有限責任公司，北京 100015）

0 引 言

現階段，評價超高清顯示設備的色彩還原能力時，色域覆蓋率[1]是核心關鍵指標。測量時，僅在CIE 1931或CIEu′v′1976色空間內測量三基色的色度坐標，然后計算色域覆蓋率，體現顯示設備的色彩呈現能力。這種傳統的表征方法不能完整地體現顯示設備的色彩能力，缺少亮度數據。實際上顏色包括明度、色調以及色飽和度三個要素，明度就是指顯示設備的亮暗，即亮度，色調是指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色度數據，又能表現亮度數據的三維色空間來表征超高清顯示設備呈現的顏色。

隨著超高清顯示、廣色域（Wide Color Gamut，WCG）顯示和寬動態范圍（High Dynamic Range，HDR）顯示技術的發展，超高清顯示系統進入 10 bit、12 bit時代。大尺寸、超高清晰度、廣色域（WCG）和寬動態范圍（HDR）是超高清顯示的優勢，可以給消費者帶來更細膩、逼真的圖像，更強臨場感的畫面。因此應該采用全面考量顯示設備的色度體積這一指標詮釋超高清顯示設備的色彩能力。本文重點介紹超高清顯示設備色度體積的測量方法，體現色度體積的重要性。

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的立體色域覆蓋率。色度體積不僅表達出了色彩能力，同時也表現出了灰度解析能力。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，在三維坐標系中，a*軸代表綠色-紅色，b*軸代表藍色-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時代表黑色，為100時代表白色。a*和b*為0時都代表灰色。a*從負數變到正數，對應顏色從綠色變到紅色。b*從負數變到正數，對應顏色從藍色變到黃色。色度體積越大，超高清顯示設備呈現的色彩越多，畫面細節內容越豐富。

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，所謂均勻是指當數值均勻變化時，人的感官也是均勻變化。CIELab色空間是將XYZ坐標變換成坐標L*，a*，b*的非線性變換[1]。

CIELab色彩空間是顏色-對立空間，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的；

（2）在CIELab中進行調節簡單，速度快；

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

（4）在CIEL*a*b*模型中均勻改變對應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好處。

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

（2）設備無關。在CIELab空間內給定白之后，這個顏色空間就確定了各顏色如何構建，與使用的顯示設備無關。CIELab定義的白點是相對于白點的顏色，而在其他色空間中白點定義的白點是絕對值。例如，顯示設備白點定為D50或D65，在CIEXYZ色空間中，各顏色間的關系通過匹配三刺激值的比例關系繪制，其混出的顏色一定落在顯示設備規定的色域內，受顯示設備的界定。

3 色度體積的測量

針對超高清顯示設備WCG、HDR等技術特點，國家廣播電視產品質量檢驗檢測中心自2016年起，針對HDR和WCG顯示性能的測量開展研究，著手采用色度體積評價超高清顯示設備的色彩還原能力，并進行了摸底測試和數據積累。

色度體積的測量采用多種顏色信號進行。選擇信號時，應考慮不同顏色的信號，如白、黑、藍、綠、紅、青、品紅、黃等；同時考慮信號的灰度，即顏色的明暗。測試信號的色調越多，灰度越多，測量的色度體積越接近超高清顯示設備的實際色彩能力。

色度體積的測試系統如圖2所示，針對超高清顯示設備，測試應采用基于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。測量時，光學測試儀器位置與顯示設備屏幕中心測量點正交垂直，且在整個測量過程中，亮色度計的測量位置應保持不動。使用亮色度計分別測量顯示設備中心區域顯示的各顏色的亮色參數X、Y、Z。

圖2 測試系統圖

目前，色度體積的測量建議至少選取20種灰度、色彩不同的信號進行測量。將數據做歸一化處理，以白色為100%，再利用公式將X、Y、Z轉換到L*、a*、b*色彩空間。

測量完成后要進行色度體積的計算，采用CIELab空間內分割四面體算法實現三維色域的還原與色度體積的計算。該算法是將8個點的色坐標數據擬合成一個扭曲的多邊形，然后以白點和黑點的坐標為四面體的一條邊，與任意兩個相鄰坐標（紅-品紅、品紅-藍、藍-青、青-綠、綠-黃、黃-紅）連線，從而將多邊形分割成6個四面體，再將所有的四面體的體積相加，最終求出三維色度體積。具體計算公式[5]如下：

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

以黑和白為兩個頂點，通過這兩點與其他任意相鄰的兩點連線，形成四面體。總體積為所有四面體的體積和。實驗室利用Matlab語言編寫了色度體積計算工具。

4 數據分析

在實驗室測量了某款超高清電視的色度體積和色域覆蓋率，測試結果如圖3、圖4所示。可以直觀地感受到，色度體積可以更好地、完整地呈現顯示設備的亮度和色彩水平。

圖3 色度體積

圖4 色域覆蓋率

為了比較信號亮度電平對色彩呈現能力的影響，對同一個顯示設備、不同信號亮度電平下的色度體積進行測試，該顯示設備峰值亮度為1 050 cd·m-2， 測試結果如表1所示。

表1 不同信號亮度電平下的色度體積

由表1可以看出，不同信號亮度電平下，信號亮度電平越大，色度體積越大。

為了比較相同色域下、不同亮度對色彩呈現能力的影響，實驗室挑選了五款超高清顯示設備進行測量，它們的DCI-P3色域覆蓋率均在109%左右，得到色度體積測試結果如表2所示。

表2 亮度不同下的色度體積

從表2的實驗結果可以看出，不同的亮度下，色域體積不同，亮度越大，色度體積越大。

另外對比4臺相同亮度（亮度均為600±10 cd·m-2）， 但色域覆蓋率不同的顯示設備，重復上述測量步驟，得到不同色域覆蓋率下的數據，如表3所示。

表3 不同色域下的色度體積

從表3的實驗結果可以分析出，在相同亮度條件下，色域覆蓋率越大，色度體積也越大。

5 結 語

通過上述剖析、實測及實驗結果分析，色度體積為超高清顯示設備提供了一種新型的色彩評價方式，綜合考量顯示設備的色彩飽和度。色彩飽和度受亮度和色度影響，僅以二維的色度測量表征顯示設備色彩還原能力具有很大的局限性，使用三維空間評價色彩還原能力可以直觀、全面地評定顯示設備的能力。