如何测量显示器的彩色以确保涵盖整个色彩色域

日期:  
2018年 8月 28日
作者: 
Anne Corning  | 
主题: 

传统上,在世界杯年份,全球电视机的销售量都会激增,2018年也不例外。在世界各国,从爱尔兰到印度,从小屏幕电视机到巨型高清平板显示器,销售量均呈现不同程度的增长。

在全世界盯着电视屏幕观看国际足联(FIFA)世界杯比赛的所有观众中间,至少有一个人会将注意力平均分配在比赛与球员衣着上,其中有个人就是Nanosys公司的Jeff Yurek。具体来说,他会专注于从电视屏幕上看到的各个国家队的队服色彩。屏幕上的色彩是否准确反映了每支球队球衣的色彩?他决定自己进行色彩研究,并分析国际足联各球队的球衣色彩在目前最常见类型的电视机显示屏上的呈现情况。

入围世界杯决赛的两只球队的装备:(从左至右)克罗地亚队的主场和客场球衣,以及法国队的主场和客场球衣。

为了进行这项研究,Yurek首先必须确定每支球队的球衣在现实世界中的色彩。基于“可获取的公开数据和一点数学知识”,他解释了他如何将位列2018年世界杯前10名国家队的球衣色彩绘制到CIE 1931色彩空间(人眼可见的所有色彩的图示)。

位列世界杯前10名的国家队球衣色彩,基于目前最常见电视机类型所使用的两种主要色域绘制(HDTV BT.709 和4K HDR BT.20201

然后,Yurek将他在现实世界中测量的球衣色彩与电视屏幕上呈现的球衣色彩进行了比较,令人遗憾的是,他发现大部分球队的球衣色彩都超出了如今的标准HDTV色彩范围(“色域”)。这意味着世界各地的大多数观众都没有在他们的电视屏幕上体验到2018年世界杯比赛现场的完整色彩强度和范围。

但显示器行业已经在努力开发能够呈现更生动、更逼真观看体验的新一代显示技术。

了解CIE色彩空间

人眼中有三种类型的感光细胞(即视锥细胞),它们会影响我们对色彩的辨别。每种视锥细胞对不同的光波长敏感,这些光波长略有重叠;人眼可见的整个光谱范围介于约380纳米(nm)与750 nm之间。人眼中的每种视锥细胞覆盖该波长范围的一部分(视锥细胞通常与红光、蓝光和绿光波长范围相关联)。

 

人眼的视锥细胞(分别标记为S、M和L,以示它们对短波长、中波长和长波长光线的反应,这些波长范围通常涵盖蓝光、绿光和红光。)

1931年,国际照明委员会(CIE)定义了一种标准,用于科学地量化不同色彩的物理特性,以确保能够准确地表现和再现这些色彩。CIE色彩空间并不包含所有光线(太阳光会产生许多人眼不可见的光波长,比如红外线和紫外线),旨在描述人眼可见的所有色彩(即所有光波长)。

CIE 1931色彩空间图示,显示了人眼可见的所有色彩。蓝色数字是每个坐标点的光波长(称为Cx和Cy1

色域

色域是特定电子设备上可提供(可产生)的所有色彩集合(整个CIE色彩空间的子集)。当一种色彩“超出色域范围”时,此色彩将无法在该设备上完全再现。直到现在,任何显示器屏幕的色域都距离涵盖整个CIE色彩空间很远,仅包含有限的色彩集合,比如sRGB、Adobe RGB和NTSC。(了解更多有关这些色域的信息。)

举例来说,高清电视(HDTV)已经面世相当长一段时间,虽然它们能够提供清晰且色彩丰富的观看体验,但它们也仅可呈现人眼可以感知到的CIE色彩空间完整色彩阵列的约三分之一。高清电视的色域包含一个标准的色彩值集合,即BT.709色域;这也是如今标准电视广播传输中呈现的色彩值范围。

黑色三角形显示了BT.709色域的范围。D65点为白光2

要观看更宽广的色域,您需要具备以下因素:能够显示更多色彩(比如4K HDR)的显示器屏幕、包含更大量色彩值(比如HDR10标准或DolbyVision色彩值)的广播传输以及在HD模式下创建的内容。了解更多有关HDR的信息。

Rec.2020是一种更宽广的色域,它是新一代“超高清”( “super-hivision”)电视的目标色域。这包括4K HDR(高动态范围)电视屏幕,其将伴随广播传输的相应升级。对于那些引领潮流、已经拥有或正在考虑购买4K HDR电视的人们来说,一些流媒体服务提供商已经可提供宽色域传输。

黑色三角形显示更宽广的Rec.2020色域,其包含人眼可见的更多其他颜色,但仍然并非所有颜色2

最早的电视屏幕使用的是阴极射线管(CRT)显示器,其远远无法准确地再现色彩。到了21世纪初期,液晶平板显示器开始进入消费市场,紧随其后的是LED显示器,虽然这两种显示器都提供更高分辨率的图像再现效果以及其他优点,但它们在色彩表现方面并无显著改进。近年来,OLED(有机LED)屏幕技术已成为显示器和消费类电子产品行业的开发重点。OLED显示器不仅能够显示更丰富的色彩,还可以显示更深的黑色(因为图像黑色区域中的像素发射器可以完全关闭)和更高的分辨率,同时还能够节省能源。

在显示器色彩表现方面,最新创新成果之一是量子点技术,量子点是一种微观粒子,尺寸仅为几纳米,能够发射更纯正的色彩(即更接近各种色彩光波长的x,y坐标点)。

显示器质量的测量

为了确保这些先进的电视屏幕能够提供消费者购买电视时预期的色彩、清晰度和优质观看体验,电视机制造商必须进行严格的产品测试。基于CCD的色度测量系统已经证明对于各种发光显示设备的测量非常有效,包括LED、 LCD、OLED、microLED、量子点显示设备以及消费类电子设备中(比如手机、笔记本电脑和电视)采用的其他显示设备。

Radiant的ProMetric成像色度计解决方案可以测量和分析显示器屏幕的像素级和亚像素级性能,以确保如今高清(高分辨率)屏幕所要求的绝对质量。我们基于CCD的解决方案能够检测和校正各种质量问题,比如亮度和色度不准确或不均匀以及Mura、死像素以及其他缺陷。如需了解更多有关亮度和色度测量学科方面的信息,请观看我们关于相关基础知识方面的网络研讨会。在该网络研讨会上,我们探讨了以下问题:

  • 人眼如何对光线和色彩作出反应
  • 基于CIE三色刺激曲线量化色度
  • 能够复制人类视觉反应的技术
  • 光学测量系统及其在亮度测量方面的成像优势

与此同时,您将只需要等待新一代电视屏幕的问世,就可以看清楚国际足联西班牙足球俱乐部著名球星莱昂内尔·梅西(Lionel Messi)彩色防滑钉鞋的准确色彩。

上面的三角形描绘了高清电视在CIE 1976色彩空间方面的局限性。莱昂内尔·梅西的蓝色防滑钉鞋的色彩远远超出了该色域范围,因此您在电视上看到的色彩并不准确1

图片来源

1. Jeff Yurek from dot-color.com, accessed 8/3/18, https://dot-color.com/author/jeffyurek/

2. Image: By CIExy1931.svg: Sakuramboderivative work: GrandDrake (CIExy1931.svg) [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0), via Wikimedia Commons