Micro LED大屏顯示技術分析——顯示色域

自20世紀80年代至今，LED顯示技術持續演進，應用場景不斷豐富，市場規模日益壯大。作爲LED顯示行業領軍企業，艾比森將定期推出系列科普文章，由資深技術專家解讀LED顯示技術相關原理，相信可以給業界同仁帶來更多的思路和參考。

在信息化時代，顯示產品作爲人類與信息的接觸界面，極大地影響着人們的生活。隨着信息量的劇增及更新速度的加快，尤其是多媒體數字音視頻信息對傳統單一的文字視頻信息的代替，人們對顯示效果提出了更高的要求。顯示屏的色域直接影響着顯示畫面的色彩表現力和色彩還原度，是目前顯示屏產品關注的焦點。

本文將從色度學原理出發，闡述不同的色域標準，深入分析LED顯示屏色域範圍與色彩表現力和色彩還原度之間的關係。

01色度學原理

我們生活在五彩繽紛的世界中，人類能感受不同的顏色是由於人眼接收到不同波長的光信號產生的視覺響應。人眼的視網膜上存在視杆細胞和視錐細胞兩種感光細胞，視杆細胞主要在暗光情況下發揮作用，沒有色彩識別功能；而視錐細胞在明亮條件下發揮作用，視錐細胞分爲紅敏視錐細胞、綠敏視錐細胞和藍敏視錐細胞三種，分別對紅、綠、藍最敏感。根據混色原理，自然界中幾乎所有的顏色也都可以由紅綠藍三色組合而成，視網膜上三種視錐細胞對紅綠藍三色光的視覺響應組合即可得到不同的顏色感受。基於以上原理，現代顯示中通常使用紅綠藍作爲三基色，根據人眼視覺特性和混色原理，將三基色按不同比例混合即可還原自然界中的大部分顏色，如圖1所示。可使用配色方程定量描述混色原理，對於需要顯示的色光C，其配色方程可表示爲C[C]＝R[R]＋G[G]＋B[B]，其中，C, R, G, B分別代表了匹配色光、紅光、綠光、藍光的相對強度，該配色方程表示R個單位的紅原色、G個單位的綠原色和Ｂ個單位的藍原色相加混合，可匹配出C個單位的C顏色，R, G, B稱爲三刺激值。

圖1 顯示三基色混色原理

02CIE1931標準色度系統

爲了便於比較和統一，1931年，國際照明委員會 (CIE) 提出了標準觀察者和色座標系統，採用700nm，546.1nm，435.8nm作爲R，G，B三原色波長，對配色方程進行歸一化處理得 [C]＝R/(R+G+B)[R]＋G/(R+G+B) [G]＋B/(R+G+B) [B]，定義色度座標r，g，b，其中r= R/(R+G+B)，g= G/(R+G+B)，b= B/(R+G+B)，則[C]＝r[R]＋g [G]＋b[B]，由於r+b+g=1，已知三刺激值中任意兩個即可定量表徵匹配色C，基於以上內容，CIE 1931 RGB色品圖使用 (r, g) 二維座標定量表徵色彩，如圖2所示。

圖2 CIE 1931 RGB色品圖

由於顏色匹配試驗的問題，CIE RGB色品圖中存在負值，不利於計算和理解，因此CIE又提出了CIE 1931 XYZ色度系統，該色度系統用假想的三個原色XYZ代替RGB系統的三原色，對原來的RGB色品圖進行數學轉換，得到與RGB系統中的三刺激值R, G, B對應的全爲正數的三刺激值X, Y, Z，相應的，色光C的配色方程可表示爲C[C]＝X [X]＋Y[Y]＋Z[Z]，對配色方程進行歸一化處理得 [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)，由於x+y+z=1，僅通過x和y就可以在二維平面中確定一個顏色，以x，y爲橫、縱座標，即得到如圖3所示的得到CIE 1931 XYZ色品圖。在CIE 1931 XYZ色品圖中，380nm到780nm的可見光光譜色連接可得到馬蹄狀曲線，馬蹄狀曲線旁註釋的數字爲光譜波長值。位於馬蹄狀曲線上爲單色光，具有最大飽和度，越靠近馬蹄形曲線的內部，顏色的飽和度越小，顏色越接近白光。

03顯示屏色域及色域標準

色域可以理解爲顯示設備能夠顯示顏色的範圍，對於現代顯示中最常用的三基色顯示，根據混色原理，將顯示設備採用的紅綠藍三基色的色座標定位在CIE 1931 XYZ色品圖中，之後將三個座標點連接，即可得到顯示設備對應的色域三角形。色域三角形的三個頂點是顯示設備紅綠藍三基色的色座標，三角形圍成的區域是顯示設備三基色混合能得到的所有顏色，即顯示設備能表現的所有顏色，三角形的面積越大，表明顯示設備的色域範圍越大，能夠顯示的色彩越豐富。

爲了便於信息傳遞，顯示行業制定了一系列的色域標準，其中常用的標準主要有NTSC、Rec.709、DCI-P3和Rec.2020色域標準，如圖3所示。

圖3 常用色域標準範圍

NTSC色域是1953年由美國國家電視標準委員會訂製的標準，該標準是爲當時剛出現不久的 CRT 彩色電視定製的，由於實在太過古老，早已不適用於現代顯示器。更重要的是現代顯示內容創作者幾乎沒有以 NTSC 爲工作空間的，這就意味着以NTSC作爲色域指標的顯示產品無法與顯示內容之間建立必然聯繫。

Rec.709色域是1990年國際電信聯盟發佈的色域標準，該標準被用作高清顯示（HDTV）的色彩標準，是目前使用最廣泛的標準。隨着計算機技術的發展，1996年微軟聯合HP、三菱、愛普生等廠商開發出sRGB色彩標準，受微軟強大用戶羣體的影響力的威懾，絕大多數的數碼圖像採集設備，如數碼相機、數碼攝像機、掃描儀、顯示器等都支持支持sRGB標準。該色域標準與Rec.709色域標準完全相同，因而也使得Rec.709色域標準成爲目前使用最廣泛的色域標準。

DCI-P3色域是美國電影行業於2005年推出的一種廣色域標準，是目前數字電影設備最常採用的色彩標準之一，如圖3中所示，與Rec.709色域相比，DCI-P3色域在綠色和紅色區域範圍更廣，可呈現的色域相比Rec.709色域大了25%。隨着4K時代的來臨，原有的Rec.709/sRGB 已經無法滿足顯示需求，越來越多的顯示設備開始採用DCI-P3標準作爲顯示色域。

Rec.2020色域標準是2012年國際電信聯盟針對超高清設備（4K&8K）發佈的色域標準，如圖3所示，Rec.2020色域範圍是目前所有色域標準中最廣的。

如圖3中所示，上述幾種色域標準中，Rec.709色域面積最小，DCI-P3色域可完全覆蓋Rec.709色域，Rec.2020色域可完全覆蓋DCI-P3色域。而Rec.709色域面積雖然僅爲72%的NTSC色域面積，但NTSC色域在藍色區域並沒有完全覆蓋Rec.709色域，實際上NTSC色域只能覆蓋82% 的 Rec.709色域。

當顯示設備的色域範圍能完全覆蓋顯示數據的色域範圍時，顯示設備可以完全呈現顯示數據中的色彩，還原視頻或圖片創作者的創作意圖。目前，圖片或視頻源數據採用的色域標準通常爲Rec.709色域標準、DCI-P3色域標準和Rec.2020色域標準，沒有任何圖片或視頻源採用NTSC色域作爲標準。由於NTSC色域標準並不能完全覆蓋Rec.709、DCI-P3和Rec.2020三種色域標準中的任何一種，因而以NTSC色域作爲指標的顯示設備無法與顯示數據（以Rec.709色域、DCI-P3色域或Rec.2020色域作爲色域標準）之間建立必然聯繫。顯示設備的NTSC色域指標無法展現對Rec.709、DCI-P3和Rec.2020 色域覆蓋率，因而無法展現出對圖片或視頻源數據的色彩還原能力，對於消費者來說沒有任何參考價值。

04總 結

本文以色度學原理爲基礎，詳細闡述了不同的色域標準，分析了顯示屏色域範圍與色彩表現力和色彩還原度之間的關係。基於以上分析可知，傳統LED顯示屏產品以NTSC色域作爲參數指標，無法表徵顯示屏對圖片或視頻源數據的色彩還原能力，以Rec.709、DCI-P3或Rec.2020色域作爲參數指標纔是對LED顯示產品色彩表現力的科學表徵方法。