宇 欣，雷志春

(天津大学 微电子学院，天津 300072)

1 引 言

视频图像的色彩是衡量图像质量的重要指标，彩色信号的色域决定了视频图像色彩的丰富度。如果成像、传输与显示技术不能充分覆盖图像的色域，就会导致图像的色度失真、色饱和度下降，从而导致重现图像质量变差、真实感降低，大大降低用户的收视体验。随着人们生活、工作、娱乐和消费方式的改变，宽色域图像的应用范围越来越广。不仅视频广播领域需要宽色域图像源和宽色域显示设备，在诸如电子商务等新兴行业中更加亟需色彩高保真图像。例如，图像的色度和色饱和度直接关系到消费者能否真实地了解商品的颜色信息。欧洲网购服装的退货原因中，服装色差问题占第三位[1]，仅次于尺寸错误和面料手感。因为当前的显示技术尚不能对所有颜色无失真地显示，所以目前尚无法解决由于服装色差造成的退货问题。IHS Technology的市场调查显示，近年来，宽色域显示器市场占有率逐年上升，预计到2021年将达到27.1%[2]。因此，宽色域视频图像仍有很大研究与发展空间。

1931年，国际照明委员会CIE制定了CIE 1931 RGB色彩空间和CIE 1931 XYZ色彩空间，并由CIE 1931 XYZ色彩空间导出CIE 1931 xyY色彩空间，做出CIE 1931 xy色度图。为了提高色彩空间感知均匀性，CIE创建了CIE LUV色彩空间，作出CIE 1976 u′v′色度图。人眼视觉系统可感知的最大色域范围为可视色域，由色度图中舌形曲线表示。

目前高清晰度电视(HDTV)广播系统，其演播室执行国际电信联盟(ITU)Rec.ITU-R BT.709[3](Rec.709)建议书，我国广播电影电视行业标准GY/T 155-2000[4]参照该建议书制订。Rec.709按当时主流显示器阴极射线管(CRT)设定色度参数，以红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色界定的三角形为系统可实现色域，即sRGB色域，也称为常规色域或标准色域。ITU依此规范了现行HDTV广播系统，包括发射端、传输系统以及终端接收设备。sRGB系统的色域覆盖率理论最大值为可视色域的33.25%[5]，显然此数值远远不能满足真实再现自然色彩的需求。Pointer色域[6]是在实测4 089种实际色样的基础上得到的“物体真实表面色”，它以576个最大饱和度色样界定出“真实颜色的最大色域”范围，被许多宽色域(WCG)视频标准作为目标色域。

常规色域系统不仅不能显示较鲜艳的自然色，而且不能重显很多物体表面颜色，更无法重现人造色彩。因此，许多研究机构分别研究制定了不同建议书或标准，将三原色选在不同的光谱轨迹上，改变RGB色度值，采用更加饱和的三原色来扩展色域，并被不同摄像机、显示器、打印机、电影放映机等采用，应用于不同场景的视频图像成像与显示。

但是RGB三原色理论无法解释色盲现象，而拮抗理论[7](Opponent-process theory，也称为四原色说)较三原色理论能够更准确地描述人眼视觉系统。根据拮抗理论，绿色和红色光加性混色形成白光而不能形成黄色光。但是黄色具有其独有的特点，例如，黄色是四原色中不可缺少的原色，是自然界唯一既具有高饱和度、又具有高亮度的色彩[8-9]。为了兼顾黄色光的重现，在三原色系统下，只能对绿色和/或红色光主波长的选取进行折中[10]。

三原色混色基于条件配色原理(Metamerism)，但是条件配色不满足Luther条件[11]，有其局限性，不适合对色彩要求较高行业的需求。Yamaguchi[12]等学者详细陈述了超越三原色的必要性。多原色是实现高保真彩色重现的有效手段。因此国内外大学和研究机构都开展了基于多原色的宽色域成像与显示技术研究，一些显示器生产厂家也已经意识到多原色系统的技术优势，开展了多原色成像与显示的研发工作。

本文将详细介绍扩展色域的相关技术、相关国际色域视频标准、当前主流的宽色域视频成像与显示技术的研究进展及其应用，以及宽色域颜色变换。然后介绍基于多原色的宽色域技术研究进展及其应用。最后分析宽色域视频图像技术的发展趋势。

2 扩展色域的相关技术

2.1 传输“负”值色光信号

如图1所示，根据CIE 1931 RGB混色实验结果，为了使用RGB三原色表达高饱和度色光，需要物理上无法实现的“负”值色光。

图1 CIE 1931 RGB混色曲线

为了提高色域范围，国际标准组织针对传输“负”值色光信号先后制定了建议书和标准，采用兼容传输“负”值信号的方式，尽可能多地传输常规色域外的颜色。1998年，ITU发布第一个WCG国际视频建议书Rec.ITU-R BT.1361(Rec.1361)[13]，将Pointer色域作为WCG系统的目标色域，色域覆盖率提高到39.40%[14]。该建议书通过扩大彩色信号的幅值范围达到扩展色域的目的，采用非对称的Gamma校正曲线压缩信号的“负”值部分。我国广电行业标准GY/T 155-2000参照此标准增加了扩展色域的内容。但是Rec.1361并未得到实际应用，2015年国际标准组织取消了Rec.1361[15]。

真正推动WCG研究进程、催化WCG高端产业研发的是2006年国际电工委员会(IEC)颁布的WCG国际标准IEC61966-2-4[16-17](xvYCC色彩空间)。该标准对传输彩色信号的幅值没有限制，并采用对称的Gamma校正曲线压缩信号的“负”值部分，采用扩大量化级的方式将色域覆盖率扩大到37.19%[18]。

Sony公司和三菱电机公司推动了xvYCC的标准化和商品化[19]。2006年，Sony发布了支持xvYCC的利用RGB三原色LED作为背光光源的液晶电视，三菱电机也发布了支持xvYCC的利用半导体激光作为光源的背投电视。随后，Sony公司推出小型高清WCG数码摄像机，满足xvYCC标准。

2.2 采用饱和度更高的三原色

2.2.1 Adobe RGB色域

Adobe公司1998年发布Adobe RGB标准，Adobe RGB使用的红色和蓝色原色与sRGB相同，但绿色原色更饱和，改善了sRGB难以覆盖的青绿色区域，色域覆盖了人眼可视色域的38.7%，Pointer色域的80.3%。

目前，很多专业商用大屏显示器以及专业摄影和电竞电脑显示器将Adobe RGB宽色域标准作为目标色域，已经实现大于99% 的Adobe RGB色域。Adobe RGB还包含sRGB色域没有覆盖的CMYK色彩空间。CMYK四色技术基于色彩相减原理，普遍用于印刷行业。因此Adobe RGB色域标准成为打印机、印染业、很多软件或网站的默认色彩空间。

2.2.2 DCI-P3色域

DCI-P3色彩空间是SMPTE(美国电影和电视工程学会)2007年发布的SMPTE RP 431-2“数字影院质量-参考投影仪和环境”标准[20]的一部分，DCI-P3使用的蓝色原色与sRGB相同，绿色和红色原色更加饱和，覆盖了人眼可视色域的41.7%，Pointer色域的85.5%。

Canon(佳能)EOS C500 PL[21]数码摄像机支持DCI-P3色域，三星量子点发光二极管(Quantum Dot Light Emitting Diodes, QLED)系列面板[22]实现了95% DCI-P3的色域覆盖率。目前，DCI-P3已经成为家用大屏显示器的色域标准，例如JVC DLA-N8、BenQ(明基)W5700和L6000 4K 超高清家庭影院投影机[23-25]。

2.2.3 ITU BT.2020色域

2012年，ITU颁布了面向新一代超高清(Ultra-High Definition, UHD)视频制作与显示系统的ITU-R BT.2020[26](Rec.2020)标准，重新定义了电视广播与消费电子领域关于超高清视频显示的各项参数指标。该建议书将新三原色选在了可见光谱轨迹上，大约覆盖了可视色域的57.2%，Pointer色域的99.7%。我国广播电影电视行业标准GY/T 307-2017[27]和GY/T 315-2018[28]在色度参数方面参照该建议书制订。

尽管HDR10、Dolby Vision、HDMI2.0、DisplayPort1.4、H.264/MPEG-4 AVC、H.265/HEVC[29-34]等标准支持Rec.2020，其中HDR10可支持10 bit位深，Dolby Vision最高可支持12 bit位深。然而到目前为止尚没有完全满足其要求的成像技术和显示技术。目前开发出的以Rec.2020色域为目标色域的视频显示技术如下：三星Q90R系列电视[35]采用LED背光，全阵列局部调光(FALD)技术，色域覆盖了Rec.2020的69%。Kumakura[36]等于2015年开发出采用宽色域LED背光的216 cm(85 in)8K液晶显示器(LCD)原型样机，色域覆盖了Rec.2020的85%以上。目前覆盖超过90% Rec.2020色域的显示器采用量子点(Quantom Dot, QD)材料、有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)或者激光与液晶相结合来实现，例如：2016年，Lee[37]等将无镉和低镉量子点材料的组合应用于液晶面板，色域覆盖了Rec.2020的90%以上；Lee[38]等于2017年开发出可折叠的19.8 cm(7.8 in)AMOLED显示器，色域覆盖了Rec.2020的95%以上；2017年，Sasaki[39]等采用其新开发的发光材料和器件结构实现了高效长寿命白色串联OLED，通过将该OLED器件与滤光阵列和顶部发光结构相结合，制造出33.7 cm(13.3 in)8K AMOLED面板，覆盖了Rec.2020色域的96%；Fan[40]等于2018年开发出采用准直透镜和多层光学薄膜彩色滤光片的侧面发光LED背光的LCD，色域覆盖了Rec.2020的90%以上；2019年，Asakawa[41]等制造了以激光作为背光光源的39 cm(17 in)8K LCD原型样机，色域覆盖了Rec.2020的97%；科视CP4330-RGB[42]4K纯激光影院投影仪可以再现Rec.2020色彩空间的95%以上；在2018年国际消费电子展上，海信公司展示了使用RGB激光器的4K 激光投影仪，已经开发了178 cm(70 in)和254 cm(100 in)版本，正在开发更大的381 cm(150 in)版本，可以再现Rec.2020色彩空间的97%[43]。

常规色域及主流的采用饱和度更高的三原色达到宽色域目标的视频标准如表1所示，国际视频标准色度参数如表2所示，色域覆盖范围如图2所示。

表1 常规色域和宽色域视频标准

表2 常规色域和宽色域国际视频标准色度参数

图2 常规色域和宽色域国际视频标准色域覆盖范围

2.2.4 覆盖Pointer色域的最佳色域和基于RGB三原色的最大色域

尽管国际标准化组织制定了多种基于三原色的图像色域标准，但是所有这些标准都不是最优的。为了兼顾黄色/金色的重现，只能对绿色/红色光的主波长进行折中选取。一些学者探讨了不兼顾黄色/金色重现情况下的三原色色域覆盖情况[10,44]。例如Jansen[44]计算出基于RGB三原色的最大色域，覆盖了可视色域的83.4%和Pointer色域的96.8%。Jansen还计算出覆盖Pointer色域的最佳色域，并覆盖可视色域的58.6%。表3示出其色度参数，色域覆盖范围如图3所示。

表3 覆盖Pointer色域的最佳色域和基于RGB三原色的最大色域色度参数

Tab.3 Chromaticity coordinates of optimal RGB color space for Pointer's gamut coverage and maximum achievable color gamut using RGB primaries

色域覆盖Pointer色域的最佳色域基于RGB三原色的最大色域色度参数(CIE1931)xyxy红(R)0.7080.2920.7350.265绿(G)0.1310.8190.0590.829蓝(B)0.1310.0460.1680.009

续 表

图3 覆盖Pointer色域的最佳色域和基于RGB三原色的最大色域

3 基于多原色的宽色域技术

3.1 多原色成像技术

为了能使色彩高保真地重现色彩，需在信源端提供多原色视频信号。Yamaguchi[12]等通过多原色转换方法由三刺激值或多光谱数据的图像生成多原色信号，用于相机成像。除上述转换方法，开发多原色图像传感器已经引起了业界的关注，目前已有几种多原色图像传感器类型，拓宽了RGB三原色图像传感器的色域覆盖范围。例如青色、黄色、绿色、品红色(Cyan, Yellow, Green and Magenta, CYGM)图像传感器[45]，红、绿、蓝和宝石蓝四原色(Red, Green, Blue and Emerald, RGBE)图像传感器[46]。Sony公司的RGBE四原色CCD图像传感器已经投入了实际应用，ICX456、Cyber-Shot DSC-F828 摄像机采用RGBE四原色图像传感器。图4(a)示出RGBE四原色图像传感器的彩色滤光阵列(Color Filter Array, CFA)，与图4(b)所示当前流行的Bayer彩色滤波阵列相比，多了宝石蓝滤镜。由于“负”绿色和蓝色的绝对幅值远小于“负”红色的绝对幅值，第四原色(E)的光谱波段位于“负”值红色波长部分(参见图1)，也就是红色的补色。因此Sony公司以E为第四原色设计的RGBE四原色图像传感器，可获得人眼视觉特性的绝大部分色度信息，色彩重现误差减小，蓝绿色和红色的重现增强，如图4(c)和(d)所示。

图4 RGBE和RGB彩色滤光阵列和图像[46]

Brauers[47]等利用7个光学带通滤波器开发出多光谱相机，与RGB相机相比，扩展了区分更多光谱的功能，如图5所示。

图5 七原色多光谱相机[47]

图6 移动的彩色滤光片阵列组合成CMY(a)、RGB(b)和RGBCMY(c)模式[48]。

Sajadi[48]等使用可移动的双层CFA开发出具有可切换原色功能的相机，可以在同一相机中切换多组彩色原色(即RGB、CMY和RGBCY)，如图6所示。在RGBCY模式下的色彩保真度高于RGB或CMY模式，如图7所示。

图7 实际图像以及CMY、RGB和RGBCY模式图像对比[48]。

3.2 多原色显示技术

多原色是实现高保真彩色重现的有效手段，国内外大学和研究机构都开展了基于多原色的WCG显示技术研究。Yang[49]等于2005年开发出采用RGBCMY六原色滤光阵列的LCD原型样机，大约覆盖了可视色域的38%；Chino[50]等于2006年开发出基于白色LED背光和红色、蓝色、黄绿色和翠绿色(Red, Blue, Yellowish green and Emerald green, R-B-YG-EG)四原色滤光阵列的LCD原型样机，大约覆盖了可视色域的40%；Ueki[51]等于2009年开发出122 cm(60 in)R1CGR2BY五原色滤光阵列的LCD原型样机，大约覆盖了可视色域的42%。图8示出上述彩色滤光阵列。

图8 多原色彩色滤光片阵列

2010年，Cheng[9]等采用RGBCY五原色宽色域冷阴极荧光灯(Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL)背光的LCD原型样机，大约覆盖了可视色域的43%。夏普LCD-70XU30A、LCD-80X8800A[10]采用RGBY彩色滤光阵列 Quattron和Quattron Pro四色技术实现了更宽广的色域范围，黄色、金色与青绿色的重现得以增强，从原理上说，可以更好地满足拮抗理论。天津大学于2018年开发出基于白色和宝石蓝色(White and Emerald, WE)LED背光单元(Backlight Unit, BLU)的高动态范围WCG显示器，大约覆盖了可视色域的46%[52-54]。白色LED背光通过RGB滤光阵列产生所需的RGB三原色，与宝石蓝色LED一起实现RGBE四原色显示。图9示出普通白光显示器与WE背光高动态范围WCG显示器显示效果对比图。

图9 普通液晶显示器与WE背光液晶显示器对比

图10示出该系统可重现色域的测试结果。图中的RwGwBw三角形表示只使用白色LED背光单元能取得的色域覆盖范围(white BLU color gamut，E原色混合比例为0)，ReGeBe三角形表示只使用宝石蓝色LED背光单元能够覆盖的色域范围(Emerald BLU color gamut，E原色混合比例为最大)，而RwGwGeBeBw多边形表示采用白色和宝石蓝色LED背光单元、在不同E色混合比例情况下达到的色域覆盖范围(WE BLU color gamut)，当固定E原色混合比例时是四边形色域。

图10 不同宝石蓝原色混合比情况下的色域覆盖范围

4 结 论

近年来，宽色域视频图像技术取得了较大发展，通过采用更加饱和的三原色以及采用多原色背光或多原色彩色滤光阵列的多原色成像与显示技术大大提高了色域覆盖范围。从事视频显示的研究人员可以综合宽色域标准、显示材料、器件和用途选择所要达到的目标色域。但是目前的三原色技术还不能实现覆盖Pointer色域的最佳色域和基于RGB三原色的最大色域。而且尽管当前与WCG相关的标准通常将Pointer色域视为目标色域，但其不应该是技术发展的最终色域。工业界已经指出了覆盖Pointer色域之外的颜色的必要性，例如霓虹灯、LED灯和激光等人造光源的颜色超出了Pointer色域，甚至超出了BT.2020色域。另外，通过将量子点技术应用于成像设备，可以对纯色进行成像，这些色彩位于Pointer色域之外。多原色技术是实现更宽色域的有效方法，但是目前的多原色技术扩展的色域范围有限，仍需研究采用更加饱和的多原色实现方法。而且若要通过多原色达到扩展色域的目的，视频系统必须能够摄取并兼容传播多原色图像，同时显示多原色图像。目前的多原色技术将信源端传输的三原色视频图像信号映射到多原色显示系统，即显示端接收到的信号内容仍是三原色。因此，目前还缺乏有效传输多原色图像内容的方法，涉及到多原色视频图像编解码和三原色与多原色系统的兼容性问题。因此，宽色域视频图像技术还有很大的发展空间，宽色域标准也会随着技术的不断发展而不断更新完善。