廣色域顯示器色度及訊號設(shè)計

作者:陳鴻興

廣色域彌補RGB色彩表現(xiàn)不足

目前RGB三色色頻各8-bit的液晶顯示器或液晶電視能夠表現(xiàn)1760萬色，此種色階能力大致可以滿足一般使用者，但對于未來需要更高色彩表現(xiàn)能力的應(yīng)用來說，三原色顯示器的色彩再現(xiàn)能力即顯得不足，近年則來陸續(xù)有不少廣色域顯示技術(shù)被研發(fā)出來。

廣色域顯示技術(shù)可以分別從色度設(shè)計與訊號設(shè)計兩方面著手；在色度設(shè)計方面，主要基于以下兩類概念：

(1) 增加三原色純度：如圖(1)-(a)的CIE-xy色度圖所示，藉由背光光源(例如，采用LED光源)或彩色濾光片的設(shè)計(例如，增加彩色濾光片厚度)來提高顯示器發(fā)射紅、綠、藍三原色光的純度。

(2) 增加原色數(shù)目：如圖(1)-(b) 的CIE-xy色度圖所示，藉由多原色(例如，4原色、5原色或6原色)的組合設(shè)計方式，增大欲復(fù)制的色域范圍。
方式(1)的概念雖然簡單，但必須克服液晶顯示器背光光源或彩色濾光片等材料限制的問題，如果光源或成像材料有所限制的前提下，方式(2)亦不失為一種有效的廣色域顯示設(shè)計方法。以下將以色度設(shè)計與訊號設(shè)計的觀點說明目前廣色域顯示器發(fā)展的重要趨勢。





圖1 廣色域顯示器的概念

廣色域顯示器的色度設(shè)計

近年來，顯示器色域范圍不斷提升，傳統(tǒng)sRGB 以及相對應(yīng)的sYCC 色彩編碼標準已無法滿足廣色域顯示器的需求。由于sRGB 已經(jīng)無法涵蓋印刷媒體或數(shù)字打樣的色域范圍，因此，印前輸出界與美工設(shè)計界逐漸有使用AdobeRGB規(guī)格來取代sRGB 規(guī)格的趨勢。目前市面上販賣的高階單眼數位相機多已支持AdobeRGB規(guī)格來輸出影像，因此，支持AdobeRGB規(guī)格的顯示器成為廣色域顯示器的開發(fā)方向。由于支持AdobeRGB規(guī)格的廣色域顯示器仍正在發(fā)展中，市面上仍鮮少有相關(guān)制品，以下依據(jù)圖1的廣色域顯示器之概念各舉例說明支持AdobeRGB規(guī)格的廣色域顯示器發(fā)展動向。

(1) 3原色廣色域顯示器：此一類型顯示器代表為EIZO公司生產(chǎn)的ColorEdge CG221系列液晶顯示器。ColorEdge CG221內(nèi)部具有16bit LUT色彩運算處理功能，能夠處理運算更多的階調(diào)值，特別是在處理顯示影像暗部和亮部的細微表現(xiàn)部分。每一臺ColorEdge CG210在出廠時都經(jīng)過嚴格的 gamma 校正，可以從12bit(4081階調(diào))中自動選擇最佳的8bit(256階調(diào))輸出，提供正確的g曲線。

如圖2所示，ColorEdge CG221的最大顯示色域可以達到Adobe RGB規(guī)格，在色溫5000K的設(shè)定校正下，可以涵蓋印刷業(yè)界常用的印刷色彩規(guī)范：JMPA Color (日本雜志廣告標準色)或Japan Color (日本印刷標準色)的色域范圍，它提供一種解決銀幕色與打印色色彩不一致的軟式打樣 (softproof)表示方法。

圖2 ColorEdge CG221與AdobeRGB色域
黑色三角形為AdobeRGB規(guī)格，紅色三角形為CG221實測值

(2) 多原色液晶顯示器：EPSON公司在2006年推出了一款新型的可攜式多煤體撥放器P-5000，和一般多煤體撥放器最大的不同在于有一個4寸超大TFT LCD液晶屏幕，它使用三洋愛普生影像設(shè)備公司最新開發(fā)的4色TFT LCD液晶面板(低溫多晶硅LCD+白光LED背光)，為市面上第一款使用多原色顯示器的應(yīng)用產(chǎn)品。此一TFT LCD液晶屏幕將傳統(tǒng)的紅、綠、藍3色濾光片變更為紅、黃綠、翠綠、藍4色(red, yellow green, emerald green, blue)液晶屏幕，表現(xiàn)色數(shù)可達1,677萬色，相當于一般個人計算機用桌上LCD顯示器所能達到的發(fā)色能力。此外， P-5000 也是市面上第一款支持Adobe GRB規(guī)格的數(shù)字顯示裝置，它的CIE-xy色域覆蓋率達Adobe RGB 色域的88%，可以讓攝影師在瀏覽照片時，所看到的屏幕顯示影像相當接近于實際拍攝的場景。
　
由于目前市面上尚未有支持四色輸出的數(shù)字相機或視訊攝影機，因此，P-5000系統(tǒng)內(nèi)部必須進行傳統(tǒng)RGB影像3色訊號轉(zhuǎn)換成4色信號的色彩轉(zhuǎn)換演算(圖3)，這種多色轉(zhuǎn)換演算成為此類4原色顯示器色彩再現(xiàn)的重要關(guān)鍵。

圖3 四色訊號變換

廣色域顯示器的訊號設(shè)計

2006 年Sony 向國際電器委員會IEC (International Electrotechnical Commission)提出廣色域動態(tài)影像視訊規(guī)格xvYCC已獲得通過。它能夠以8-bit 色階或者更高的階調(diào)解析度去記錄影像的亮度值(Y)與色差值(Cb, Cr)。由于它支持傳統(tǒng)的8-bit階調(diào)描述方式，并且涵蓋一般表面色(例如: Munsell色票)的色域范圍，相當符合未來業(yè)界的需求。xvYCC規(guī)格的主要特色在于其光電轉(zhuǎn)換函數(shù)的設(shè)計(參照圖4)，一般在進行色彩訊號變換時，在非線性RGB信號(R‘G‘B‘)與線性RGB信號(RGB)之間的訊號量被限制于0~1范圍內(nèi)處理，xvYCC規(guī)格除了采用介于0~1間的訊號量之外，并巧妙地加入了大于1及小于0的訊號量設(shè)計，使得能夠保存原先sRGB規(guī)格(ITU-R BT.709規(guī)格)的正確色再現(xiàn)性之外，在sRGB規(guī)格(ITU-R BT.709規(guī)格)色域外的顏色亦能夠紀錄與表現(xiàn)。

在產(chǎn)品開發(fā)方面，2006年1月Sony發(fā)表第一款支持xvYCC規(guī)格的82吋LED背光液晶電視，接著，2006年2月三菱電機也發(fā)表了支持xvYCC規(guī)格的3色半導(dǎo)體雷射52吋背投電視。另外，支持xvYCC規(guī)格的高傳真多媒體接口HDMI Ver1.3 (High-Definition Multimedia Interface Version 1.3)也在2006年6月發(fā)表出來，Sony亦在2007年2月剛推出支持xvYCC規(guī)格的HD視訊攝影機「HDR-UX7」、「HDR-UX5」、「HDR-HC7」系列，預(yù)料動態(tài)影像用的廣色域xvYCC規(guī)格將會逐漸普及，滲透到各種視訊產(chǎn)品之中。

圖4 xvYCC規(guī)格色彩變換