广色域显示器色度及讯号设计

作者:陈鸿兴

广色域弥补RGB色彩表现不足

目前RGB三色色频各8-bit的液晶显示器或液晶电视能够表现1760万色，此种色阶能力大致可以满足一般使用者，但对于未来需要更高色彩表现能力的应用来说，三原色显示器的色彩再现能力即显得不足，近年则来陆续有不少广色域显示技术被研发出来。

广色域显示技术可以分别从色度设计与讯号设计两方面着手；在色度设计方面，主要基于以下两类概念：

(1) 增加三原色纯度：如图(1)-(a)的CIE-xy色度图所示，藉由背光光源(例如，采用LED光源)或彩色滤光片的设计(例如，增加彩色滤光片厚度)来提高显示器发射红、绿、蓝三原色光的纯度。

(2) 增加原色数目：如图(1)-(b) 的CIE-xy色度图所示，藉由多原色(例如，4原色、5原色或6原色)的组合设计方式，增大欲复制的色域范围。
方式(1)的概念虽然简单，但必须克服液晶显示器背光光源或彩色滤光片等材料限制的问题，如果光源或成像材料有所限制的前提下，方式(2)亦不失为一种有效的广色域显示设计方法。以下将以色度设计与讯号设计的观点说明目前广色域显示器发展的重要趋势。





图1 广色域显示器的概念

广色域显示器的色度设计

近年来，显示器色域范围不断提升，传统sRGB 以及相对应的sYCC 色彩编码标准已无法满足广色域显示器的需求。由于sRGB 已经无法涵盖印刷媒体或数字打样的色域范围，因此，印前输出界与美工设计界逐渐有使用AdobeRGB规格来取代sRGB 规格的趋势。目前市面上贩卖的高阶单眼數位相机多已支持AdobeRGB规格来输出影像，因此，支持AdobeRGB规格的显示器成为广色域显示器的开发方向。由于支持AdobeRGB规格的广色域显示器仍正在发展中，市面上仍鲜少有相关制品，以下依据图1的广色域显示器之概念各举例说明支持AdobeRGB规格的广色域显示器发展动向。

(1) 3原色广色域显示器：此一类型显示器代表为EIZO公司生产的ColorEdge CG221系列液晶显示器。ColorEdge CG221内部具有16bit LUT色彩运算处理功能，能够处理运算更多的阶调值，特别是在处理显示影像暗部和亮部的细微表现部分。每一台ColorEdge CG210在出厂时都经过严格的 gamma 校正，可以从12bit(4081阶调)中自动选择最佳的8bit(256阶调)输出，提供正确的g曲线。

如图2所示，ColorEdge CG221的最大显示色域可以达到Adobe RGB规格，在色温5000K的设定校正下，可以涵盖印刷业界常用的印刷色彩规范：JMPA Color (日本杂志广告标准色)或Japan Color (日本印刷标准色)的色域范围，它提供一种解决银幕色与打印色色彩不一致的软式打样 (softproof)表示方法。

图2 ColorEdge CG221与AdobeRGB色域
黑色三角形为AdobeRGB规格，红色三角形为CG221实测值

(2) 多原色液晶显示器：EPSON公司在2006年推出了一款新型的可携式多煤体拨放器P-5000，和一般多煤体拨放器最大的不同在于有一个4寸超大TFT LCD液晶屏幕，它使用三洋爱普生影像设备公司最新开发的4色TFT LCD液晶面板(低温多晶硅LCD+白光LED背光)，为市面上第一款使用多原色显示器的应用产品。此一TFT LCD液晶屏幕将传统的红、绿、蓝3色滤光片变更为红、黄绿、翠绿、蓝4色(red, yellow green, emerald green, blue)液晶屏幕，表现色数可达1,677万色，相当于一般个人计算机用桌上LCD显示器所能达到的发色能力。此外， P-5000 也是市面上第一款支持Adobe GRB规格的数字显示装置，它的CIE-xy色域覆盖率达Adobe RGB 色域的88%，可以让摄影师在浏览照片时，所看到的屏幕显示影像相当接近于实际拍摄的场景。
　
由于目前市面上尚未有支持四色输出的数字相机或视讯摄影机，因此，P-5000系统内部必须进行传统RGB影像3色讯号转换成4色信号的色彩转换演算(图3)，这种多色转换演算成为此类4原色显示器色彩再现的重要关键。

图3 四色讯号变换

广色域显示器的讯号设计

2006 年Sony 向国际电器委员会IEC (International Electrotechnical Commission)提出广色域动态影像视讯规格xvYCC已获得通过。它能够以8-bit 色阶或者更高的阶调解析度去记錄影像的亮度值(Y)与色差值(Cb, Cr)。由于它支持传统的8-bit阶调描述方式，并且涵盖一般表面色(例如: Munsell色票)的色域范围，相当符合未来业界的需求。xvYCC规格的主要特色在于其光电转换函数的设计(参照图4)，一般在进行色彩讯号变换时，在非线性RGB信号(R‘G‘B‘)与线性RGB信号(RGB)之间的讯号量被限制于0~1范围内处理，xvYCC规格除了采用介于0~1间的讯号量之外，并巧妙地加入了大于1及小于0的讯号量设计，使得能够保存原先sRGB规格(ITU-R BT.709规格)的正确色再现性之外，在sRGB规格(ITU-R BT.709规格)色域外的颜色亦能够纪录与表现。

在产品开发方面，2006年1月Sony发表第一款支持xvYCC规格的82吋LED背光液晶电视，接着，2006年2月三菱电机也发表了支持xvYCC规格的3色半导体雷射52吋背投电视。另外，支持xvYCC规格的高传真多媒体接口HDMI Ver1.3 (High-Definition Multimedia Interface Version 1.3)也在2006年6月发表出来，Sony亦在2007年2月刚推出支持xvYCC规格的HD视讯摄影机「HDR-UX7」、「HDR-UX5」、「HDR-HC7」系列，预料动态影像用的广色域xvYCC规格将会逐渐普及，渗透到各种视讯产品之中。

图4 xvYCC规格色彩变换