國外標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于色彩測量方法的綜述

李　默

(國家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京100015)

國外標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于色彩測量方法的綜述

李默

(國家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京100015)

摘要:近年來各類多基色顯示設(shè)備和顯示系統(tǒng)推陳出新。全面深入掌握顯示設(shè)備的工作原理及特性，將有助于更好地發(fā)揮其作用，并指導(dǎo)測試。介紹了ICDM、ITU-R BT.1361和中國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ/T 11348—2006起草標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于色彩測量的方案。色彩測量包括諸基色、補(bǔ)色、灰度、任意顏色的測量，方案由三基色色域面積提出了相對色域面積的概念和測量方法。最后提出以相對色域面積考量顯示色彩還原能力。

關(guān)鍵詞:色彩；相對色域面積；色彩還原能力

近年來，國際國內(nèi)都提出了多基色、基色補(bǔ)色的理論研究和技術(shù)實(shí)踐，三基色、三補(bǔ)色顯示技術(shù)席卷全球，帶來了包括電視機(jī)的各類顯示設(shè)備的重大色彩顯示革命。從基色和補(bǔ)色的選定、色彩計(jì)算、色彩重現(xiàn)的偏差進(jìn)行單獨(dú)色的調(diào)整和補(bǔ)償，色彩處理壓縮和傳輸?shù)斤@示設(shè)備。色彩理論中多基色補(bǔ)色的提出，試圖突破彩色電視機(jī)發(fā)明50年的三基色顯像原理，給產(chǎn)、學(xué)、研各界提出了新的挑戰(zhàn)。尤為引人關(guān)注的是針對使用多基色多補(bǔ)色技術(shù)的終端的色彩還原能力的考量和檢測，其色彩還原的效果直接影響人們的主觀感受。目前，國際、國內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)都在努力研究和制定多基色標(biāo)準(zhǔn)。國際電信聯(lián)盟無線電通信組(ITU-R)于1988年制定基于Pointer色域的寬色域理論[1]，中國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SJ/T11348—2006)也已對液晶平板電視提出了色彩測量理論[2]。國際顯示計(jì)量委員會(ICDM)最近詳細(xì)提出了色彩多基色補(bǔ)色的測量和方法[3]。

1色彩測量系統(tǒng)

色彩測量系統(tǒng)是由被測樣機(jī)(這里以電視機(jī)為例)、標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器、色度計(jì)組成色彩測量系統(tǒng)。圖1是色彩測量系統(tǒng)示意圖。測試端口規(guī)定在VGA、DVI、HDMI1.4a中選定，本文只討論使用HDMI1.4a端口進(jìn)行的測量。目前ICDM、ITU-RBT.1361和中國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ/T11348—2006沒有嚴(yán)格規(guī)定測試信號的格式，但三者一致指出：實(shí)際測試時(shí)能夠匹配被測樣機(jī)即可[1-3]，例如：固有分辨力為1 920×1 080的電視機(jī)，輸入給電視1 920×1 080i/50Hz信號。

特別指出的是，本測量的測量樣機(jī)是液晶光源的電視機(jī)，因此色度計(jì)應(yīng)在測量前以液晶特性的光源進(jìn)行校正色度值[4]。除了上述以液晶為光源的顯示器外，其他類型光源的顯示器的光譜曲線特性均各不相同，應(yīng)獲取各個(gè)特性曲線的相應(yīng)的校正值[4]。本次測量使用的色度計(jì)是點(diǎn)色度計(jì)，目前，顯示質(zhì)量測量儀器大多采用點(diǎn)亮度計(jì)，而用成像式色度計(jì)的情況較少，成像式色度計(jì)只用來進(jìn)行與均勻性有關(guān)的測量[5]。如采用成像式色度計(jì)測量時(shí)，其測量絕對值是可用的[5]。關(guān)于測量儀器的計(jì)量僅在國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ/T11348—2006中有提及[2]，IDMS和ITR-RBT.1361未對此進(jìn)行具體說明。

關(guān)于測量系統(tǒng)的搭建，SJ/T11348—2006規(guī)定測量距離為被測屏幕高度的3倍距離，IDMS除為說明測量距離外，其測量系統(tǒng)的搭建和SJ/T11348—2006是一致的(如圖1所示)；而ITU-RBT.1361則未具體說明測量系統(tǒng)設(shè)置。

圖1　色彩測量系統(tǒng)示意圖

測量準(zhǔn)備工作：ICDM和SJ/T11348—2006均規(guī)定從標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器輸出50%背景的極限八灰階信號，在被測樣機(jī)上顯示出該信號。并調(diào)整亮度和對比度的設(shè)置，使得0%與5%、95%與100%均可恰好分辨，此為測試狀態(tài)。圖2是國際顯示計(jì)量委員會(ICDM)的50%背景的極限八灰階示意圖。圖3是SJ/T11348—2006的極限八灰度等級信號示意圖。圖2與圖3的區(qū)別是測試圖上下邊框內(nèi)容不同，SJ/T11348—2006測試圖(圖3)的極限八灰階面積大于IDMS(如圖2所示)面積，且SJ/T11348—2006(圖3)的每個(gè)灰度矩形占滿屏面積的5%，并且具有與整個(gè)顯示圖像一致的幅型比。

圖2　50%背景的極限八灰階示意圖(截圖)

ICDM規(guī)定被測樣機(jī)的顏色和色溫設(shè)置保持出廠默認(rèn)值。這一點(diǎn)SJ/T11348—2006和ITU-R規(guī)定一致。

測量環(huán)境的要求：測量應(yīng)在不受外界電磁場干擾的室內(nèi)進(jìn)行。如果干擾影響測量結(jié)果，測量應(yīng)在屏蔽室內(nèi)進(jìn)行。測量色度應(yīng)在暗室內(nèi)進(jìn)行，暗室雜散光照度小于或等于1lx。國際顯示計(jì)量委員會(ICDM)建議可在色度計(jì)前加裝遮光罩，以減小干擾光對測量點(diǎn)結(jié)果的影響[3]。圖4是加裝遮光罩的測量示意圖。

圖3　極限八灰度等級信號(截圖)

圖4　加裝遮光罩的測量示意圖

特別指出：嘗試將標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器和色度計(jì)連接在測量系統(tǒng)中時(shí)，應(yīng)考慮將其置于暗室之外，或隔絕其儀器指示燈等發(fā)出的一切光源；被測樣機(jī)的下邊框待機(jī)/開關(guān)指示燈需進(jìn)行遮擋。圖4是一個(gè)可行性建議方案。SJ/T11348—2006和ITU-RBT.1361則沒有遮光罩設(shè)計(jì)方案。

2基色補(bǔ)色和色域面積的測量

2.1基色

IDMS和ITU-RBT.1361是對基色(紅綠藍(lán))和補(bǔ)色(青品黃)測量；SJ/T11348—2006是對基色(紅綠藍(lán))測量。

全場基色，即全紅色場、全綠色場和全藍(lán)色場。使用經(jīng)過計(jì)量的色度計(jì)對被測樣機(jī)的中心進(jìn)行色度測量，記錄其中心點(diǎn)色度坐標(biāo)值。圖5是全場基色測量示意圖。

圖5　全場基色測量示意圖

2.2補(bǔ)色

全場補(bǔ)色，即全場青色、全場品紅和全場黃色，補(bǔ)色是紅綠藍(lán)三基色合成得到的顏色。使用經(jīng)過計(jì)量的色度計(jì)對被測樣機(jī)的中心進(jìn)行色度測量，記錄其中心點(diǎn)色度坐標(biāo)值。圖6是全場補(bǔ)色測量示意圖。

圖6　全場補(bǔ)色測量示意圖

2.3色域面積

色域面積，即CIE1976 u′v′顏色空間的色度計(jì)算面積A。單位：無，此值為百分比值。

首先，按照2.1測量基色的方法，得到紅綠藍(lán)色的色坐標(biāo)值(u′，v′)；如果測量儀器給出了每個(gè)測量值的CIE1976(u′，v′)的坐標(biāo)，則可以直接帶入色域公式進(jìn)行計(jì)算。否則，把每個(gè)(x，y)換算為(u′，v′)，利用下面的公式進(jìn)行換算：

u′=4x/(3+12y-2x)

(1)

v′=9y/(3+12y-2x)

(2)

(3)

注：當(dāng)被測圖不是白色點(diǎn)時(shí)，面積域比體積域更合適來表征顏色。一個(gè)均勻顏色空間——CIELUV已經(jīng)嵌入在它的色度空間中(u′，v′)[6]，已廣泛應(yīng)用于顯示器行業(yè)，例如顯示器屏幕的色度均勻性指標(biāo)[1-2]。另外，IDMS測量標(biāo)準(zhǔn)中引用了ANSI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的色度測量用色度坐標(biāo)(u′，v′)。此外，均勻色度空間的面積一直是一個(gè)合理的色域數(shù)字品質(zhì)因數(shù)[7]。因此，這里提出的度量是由基色(紅、綠、藍(lán))中的色度空間的坐標(biāo)(u′，v′)所對應(yīng)得出的三角形面積[8]。以上均被納入到IDMS測量標(biāo)準(zhǔn)中。表1是一組被測樣機(jī)的紅綠藍(lán)色的坐標(biāo)值和色域面積值A(chǔ)。

表1被測樣機(jī)的樣本數(shù)據(jù)

基色xyu'v'紅色0.6440.3420.4430.529綠色0.3040.6180.1240.567藍(lán)色0.1500.0430.1870.120色域面積A/%36

值得指出的是，上面的色域面積計(jì)算結(jié)果僅是在色度測量儀器絕對理想情況下得到的值；而實(shí)際儀器使用時(shí)，肯定在使用過程中逐漸產(chǎn)生誤差，因此必須首先經(jīng)被測物同類別的光源進(jìn)行校準(zhǔn)后，方可進(jìn)行測量。測量得到的色度坐標(biāo)值再經(jīng)校準(zhǔn)因數(shù)校準(zhǔn)u0′=u′+Δu、v0′=v′+Δv[7]，其中(Δu，Δv)是校準(zhǔn)因數(shù)。得到修正色度坐標(biāo)(u0′，v0′)，進(jìn)而計(jì)算得到被測樣機(jī)的實(shí)際色域面積值A(chǔ)。

比較ITU-RBT.1361與IDMS中的色域面積，以彩條信號各條的色度值為例(如圖7所示)，然后繪出ITU-RBT.1361與IDMS常規(guī)色域(即ITU-RBT.709常規(guī)色域)比較圖。虛線為IDMS標(biāo)準(zhǔn)色域(ITU-RBT.709常規(guī)色域面積)，實(shí)線表示的ITU-RBT.1361標(biāo)準(zhǔn)色域面積略大于IDMS常規(guī)色域面積[7]。

圖7　ITU-R BT.1361與IDMS(ITU-R BT.709)色域比較

2.4背景畫面對目標(biāo)測量的影響分析

點(diǎn)亮色度計(jì)與成像式亮色度計(jì)是亮色度計(jì)的兩大類別。成像式亮色度計(jì)與點(diǎn)亮色度計(jì)的典型差異之一為它以面的形式來成像。相當(dāng)于多個(gè)成像式亮色度計(jì)規(guī)則性陣列擺放組成。因此，減小使用點(diǎn)亮色度計(jì)時(shí)的環(huán)境光影響，使用遮光罩(如圖4)。

而成像式亮色度計(jì)，只要測量畫面稍有不同，即使只是背景變化而被測物沒有變化，成像式亮色度計(jì)仍然會得出不同測量結(jié)果。因此，用其進(jìn)行測量時(shí)，要使測量區(qū)域內(nèi)剛好是完整的被測物且無其他環(huán)境背景進(jìn)入，這樣就無需增加遮光罩來減少環(huán)境光影響；如果增加遮光罩，即遮擋了部分測量點(diǎn)，則改變了被測物測試圖的面積和取樣點(diǎn)數(shù)量，影響測試結(jié)果。所以結(jié)論是，成像式亮色度計(jì)不需要遮光罩輔助測試[9]。

2.5摩爾紋效應(yīng)的影響

由于越來越多的LED背光顯示設(shè)備的使用，在本文測量時(shí)也面對摩爾效應(yīng)的問題，因此本文簡要說明消除摩爾紋的措施。

摩爾紋現(xiàn)象是由LED顯示屏的固有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的(圖8是摩爾紋的產(chǎn)生示意圖)，如果使摩爾紋產(chǎn)生的條件——LED顯示屏的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或是攝像機(jī)CCD(CMOS)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的其中之一消失，理論上就可以完全消除摩爾紋干擾。

由于安裝在亮色度計(jì)的前面是一個(gè)CCD鏡頭，因此可以采用以下辦法來減輕或消除摩爾紋干擾：

圖8　摩爾紋的產(chǎn)生示意圖

1)為降低摩爾效應(yīng)發(fā)生的幾率，在CCD面陣前安裝有低通濾鏡以降低成像的空間頻率[1]；

2)改變鏡頭角度。由于CCD鏡頭與LED顯示屏的角度會導(dǎo)致摩爾紋，改變亮色度計(jì)鏡頭的角度(通過旋轉(zhuǎn)鏡頭)可以減輕或消除摩爾紋。

3)改變鏡頭焦長、曝光量及光圈(主要針對成像式亮色度計(jì)的鏡頭設(shè)置)。成像式亮色度計(jì)可以組合設(shè)置曝光量、光圈值參數(shù)，因此用不同的參數(shù)設(shè)定，來改變或消除摩爾紋。

3相對色域面積

基于上述三基色色域面積理論，IDMS提出相對色域面積概念(ITU-RBT.709)。在色域Aref中的色域面積ADUT所占的比值G：G = ADUT/Aref。其中ADUT為被測樣機(jī)的色域面積，Aref為ITU-RBT.709標(biāo)準(zhǔn)在CIE1931的色域面積[3]。表2是相對色域面積的確定示例。

表2相對色域面積的確定示例

標(biāo)準(zhǔn)sRGB(ITU-R BT.709-5)Aref/%33.24白點(diǎn)xWyW其他0.31270.3290D65紅綠藍(lán)xRyRxGyGxByB0.64000.33000.30000.60000.15000.0600u'Rv'Ru'Gv'Gu'Bv'B0.45070.52290.12500.56250.17540.1579

圖9是相對色域面積ADUT/Aref，小三角形是ITU-RBT.709標(biāo)準(zhǔn)在CIE1931中的色域面積Aref。通過相對色域面積概念，以ITU-RBT.709標(biāo)準(zhǔn)在CIE1931色域面積為基準(zhǔn)值，來考量被測樣機(jī)的色彩還原能力，實(shí)際用途上更為實(shí)用準(zhǔn)確。

圖9　相對色域面積ADUT/Aref

4小結(jié)

多基色、基色補(bǔ)色是顯示研究領(lǐng)域廣受關(guān)注的方向。通過比較ICDM的IDMS1.03草案、ITU-RBT.1361和SJ/T11348—2006中色彩測量的內(nèi)容，對推動色彩特別是基色補(bǔ)色和相對色域的測量研究以及應(yīng)用有一定借鑒作用。目前，我國也在顯示設(shè)備領(lǐng)域加緊研究制定標(biāo)準(zhǔn)。國家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心已在此基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用在實(shí)際測量和科研之中。

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責(zé)任編輯：閆雯雯

Overviewofforeignstandardsforcolormeasurement

LIMo

(National Testing & Inspection Center for Radio & TV Products of China，Beijing 100015，China)

Abstract:In recent years， various types of multi primary display device and display system to bring forth the new through the old. Comprehensive and in-depth understanding of the work principle and characteristics of the device will help to better play its role， and guide the test. The scheme of color measurement in IDMS， ITU-R BT.1361and China industry standard SJ/T 11348—2006 is introduced. Color measurements include various color， secondary colors， grayscale， any color measurement， a scheme put forward the concept and measuring method of relative color area from the concept of three color gamut area. Finally， the relative color gamut area is proposed to consider the color reduction ability.

Key words:color；relative color area；color reduction ability

中圖分類號:TN949.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.03.029

收稿日期：2015-10-29

文獻(xiàn)引用格式：李默. 國外標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于色彩測量方法的綜述[J].電視技術(shù)，2016，40(3)：138-141.

LIM.Overviewofforeignstandardsforcolormeasurement[J].Videoengineering， 2016，40(3)：138-141.