李桂苓，徐 巖，李 彥，2

(1.天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072；2.天津師范大學(xué) 電子與通信工程學(xué)院，天津 300387)

超高清液晶電視顯示屏性能分析

李桂苓1，徐 巖1，李 彥1，2

(1.天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072；2.天津師范大學(xué) 電子與通信工程學(xué)院，天津 300387)

闡釋了數(shù)字電視系統(tǒng)部分視頻參數(shù)的確定，比較了RGB，RGBYe和RGBW三種液晶電視顯示屏的像素結(jié)構(gòu)、像素形狀、像素分布和像元分布。指出了顯示屏與UHDTV信號(hào)格式不同所需格式變換將損傷圖像。最后，分析了3種顯示屏在色明度、色域、能效和重顯HDR圖像方面的性能。

超高清晰度電視；液晶顯示屏；像素；圖像格式變換；高動(dòng)態(tài)范圍

國(guó)際上對(duì)超高清晰度電視(UHDTV)[1]的基礎(chǔ)研究已相當(dāng)深入，其關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)逐步進(jìn)入實(shí)用階段，一些國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)已制訂，有的國(guó)家開始試播。我國(guó)也正在大力研究其關(guān)鍵技術(shù)，制訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，超高清顯示技術(shù)發(fā)展尤為迅速?，F(xiàn)在雖缺少UHDTV節(jié)目，但以網(wǎng)絡(luò)傳輸或記錄載體形式提供的超高清圖像和視頻服務(wù)已逐漸涌現(xiàn)。

目前商品化的液晶電視顯示屏主要有紅綠藍(lán)三基色RGB屏、紅綠藍(lán)黃四元色RGBYe屏和紅綠藍(lán)白四元色RGBW屏。本文面向我國(guó)UHDTV終端標(biāo)準(zhǔn)制訂工作，比較了這3種屏的像素構(gòu)成、像素形狀、像素分布和像元分布，指出了顯示屏與UHDTV信號(hào)格式不同所需格式變換對(duì)圖像的損傷，分析了3種屏在色明度、色域、能效和重顯高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)[2]圖像等方面的性能，希望對(duì)制訂我國(guó)UHDTV標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展UHDTV顯示技術(shù)有一定參考價(jià)值。

1 數(shù)字電視系統(tǒng)部分參數(shù)及其確定

數(shù)字電視系統(tǒng)的掃描行數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)視距由正常視力(近似對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)視力檢查表1.0視力)能分辨張角約1′、亮度和對(duì)比度足夠的相鄰兩黑白點(diǎn)確定。據(jù)此，可開列或算出表1所示標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視(SDTV)[3]、高清晰度電視(HDTV)[4]和超高清晰度電視(UHDTV)[1]系統(tǒng)部分參數(shù)，其他參數(shù)算法和取值參見文獻(xiàn)[5]。

電視系統(tǒng)基于紅綠藍(lán)三基色相加混色原理構(gòu)建，但視覺的彩色細(xì)節(jié)分辨力低于黑白細(xì)節(jié)分辨力，不用于確定電視系統(tǒng)分辨力，電視系統(tǒng)也不傳送RGB 3個(gè)寬帶基色信號(hào)，而采用亮色分離信號(hào)傳輸方式。據(jù)此，模擬電視系統(tǒng)傳輸1個(gè)寬帶亮度信號(hào)和2個(gè)窄帶色差信號(hào)，數(shù)字電視系統(tǒng)傳輸?shù)纳钚盘?hào)(CB、CR)在水平、垂直方向有效像素?cái)?shù)均為亮度信號(hào)(Y)的一半，即4:2:0信號(hào)。

數(shù)字電視系統(tǒng)發(fā)端按掃描次序逐像素采集其RGB值，經(jīng)編碼予以傳輸，終端逆處理重建。借用DCI(數(shù)字電影倡導(dǎo)聯(lián)盟)對(duì)數(shù)字電影畫面格式的簡(jiǎn)稱，目前流行將水平和垂直有效像素?cái)?shù)1 920×1 080(HDTV)、3 840×2 160(UHDTV4K)和7 680×4 320(UHDTV8K)的數(shù)字電視圖像格式分別簡(jiǎn)稱2K、4K和8K畫面。

表1 SDTV，HDTV和UHDTV系統(tǒng)部分參數(shù)

序號(hào)參數(shù)SDTVHDTVUHDTVUHDTV4KUHDTV8K1有效像素?cái)?shù)/像素720×5761920×10803840×21607680×43202像素尋址從左到右，從上到下3R、G、B、Y取樣結(jié)構(gòu)固定，正交4幅型比431695像素寬高比106710006視距(畫面高度h的歸一化值)5503001500757掃描行垂直視角/(′)108510618靜態(tài)清晰度理論值/電視線水平540垂直576108021604320

2 液晶電視顯示屏像素構(gòu)成及分布

2.1 數(shù)字電視圖像分辨力和清晰度

按RGB三基色相加混色原理構(gòu)建的數(shù)字電視系統(tǒng)，發(fā)端按掃描次序逐像素采集其RGB值，以像素為最小單位將其RGB值編碼成數(shù)字分量信號(hào)Y、CB和CR傳輸，終端逆處理重建。數(shù)字電視畫面水平和垂直方向有效像素?cái)?shù)表示其分辨力，而圖像細(xì)節(jié)清晰程度用圖像清晰度反映。表1列出了數(shù)字電視系統(tǒng)靜態(tài)圖像清晰度理論值，其取決于畫面有效像素?cái)?shù)，但需按畫面幅型比換算為電視線表示[6]。我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)列有對(duì)數(shù)字電視系統(tǒng)和設(shè)備分辨力的要求和測(cè)量方法。

像素是組成一幅圖像的全部可能亮度和色度的最小圖像單元[7]。數(shù)字電視系統(tǒng)以像素為最小單位傳輸其RGB編碼信息。LCD屏的像素一般由RGB像元(子像素、亞像素)組成，它們能單獨(dú)激勵(lì)、發(fā)光。

2.2 液晶電視顯示屏固有分辨力

液晶電視顯示屏按像素尋址方式工作，物理分辨力為其固有分辨力。圖1是目前常見的3種液晶電視顯示屏像素構(gòu)成示意圖，不同產(chǎn)品具體實(shí)現(xiàn)方式很多。圖中所標(biāo)像素尺寸為歸一化值，1=h/NH，h和NH分別是屏的有效高度和有效行數(shù)。圖1a為3 840×2 160 RGB三基色屏。圖1b為增加了黃色像元(Ye)的RGBYe四元色屏，目前見到的是1 920× 1 080 規(guī)格，為對(duì)比下面也以3 840×2 160陣列為例。圖1c是增加了白色像元(W)的2 880×2 160 RGBW四元色屏。

圖1 3種顯示屏像素構(gòu)成示意圖

2.3 液晶電視顯示屏像素構(gòu)成

圖1各分圖右側(cè)示意畫出了3種屏的像素組成。圖1a、圖1b均為UHDTV4K格式。按像元激勵(lì)信號(hào)獲取方法，圖1c有兩種像素劃分方式，分辨力分別為2 880×2 160和5 760×1 080，均非UHDTV4K格式，若按RGB-WRG-BWR-GBW劃分，則后3個(gè)單元不能重顯全部亮度和色度。

2.4 液晶電視顯示屏像素形狀

圖1所示3種屏的有效行數(shù)均為2 160，按標(biāo)準(zhǔn)視距1.5h計(jì)算，像素的垂直視角1.06′，每度視角有效像素?cái)?shù)56.60，正常視力剛剛可辨。圖1a、圖1b所示RGB、RGBYe屏均由方像素構(gòu)成，像素寬高比1:1，1.5h視距對(duì)應(yīng)的像素水平視角亦為1.06′。圖1c所示兩種劃分方式的RGBW屏均為矩形像素，像素寬高比分別為1.33:1和0.33:1，以前者為例，1.5h視距對(duì)應(yīng)的像素水平視角增至1.41′，每度視角有效像素?cái)?shù)減為42.55，未達(dá)正常視力極限，且與像素的垂直視角不同。

方像素的垂直、水平視角相同，與視網(wǎng)膜錐狀細(xì)胞近似呈圓形相匹配。矩形像素與HDTV和UHDTV方像素信號(hào)不匹配，所需格式變換難以同時(shí)保證圖像質(zhì)量和不產(chǎn)生幾何畸變。

非方像素還不利按方像素工作的計(jì)算機(jī)處理，按通用數(shù)學(xué)函數(shù)、程序生成幾何圖形易畸變。如圖2所示，定義圖像左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)后，按圖中方程以(a，b)為圓心，r為半徑畫圓，會(huì)因像素為扁平的幾何失真而顯示為橢圓。

圖2 矩形像素產(chǎn)生

2.5 液晶電視顯示屏像素和像元分布

表2列出了3種顯示屏的像素?cái)?shù)、像元數(shù)及其分布。其中2 880×2 160 RGBW屏以圖1c第一種像素劃分為例。與圖1a相比，圖1c的像元總數(shù)雖相同，但水平像素?cái)?shù)和像素總數(shù)均減少1/4。與圖1b相比，圖1c的像元總數(shù)、水平像素?cái)?shù)和像素總數(shù)均減少1/4。

表2 RGB、RGBYe、RGBW屏像素?cái)?shù)、像元數(shù)及其分布

顯示屏像素?cái)?shù)(水平×垂直)像素總數(shù)像素分布像元數(shù)(水平×垂直)像元總數(shù)像元分布RGB三基色屏3840×21608294400固定、正交11520×216024883200固定、正交RGBYe四元色屏3840×21608294400固定、正交15360×216033177600固定、正交RGBW四元色屏2880×21606220800幀五點(diǎn)形11520×216024883200幀五點(diǎn)形

像素分布對(duì)應(yīng)圖像的空間樣點(diǎn)分布。SDTV、HDTV和UHDTV系統(tǒng)均采用正交，取樣位置逐行逐幀重復(fù)的取樣結(jié)構(gòu)，圖1a、圖1b所示RGB、RGBYe屏與之對(duì)應(yīng)，而圖1c所示RGBW屏與之不同，呈交錯(cuò)狀的幀五點(diǎn)形分布。

3 格式變換

3.1 三基色顯示

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式(1)～式(6)表明，三基色電視系統(tǒng)有3個(gè)彼此獨(dú)立的基色，其編碼和傳輸對(duì)應(yīng)3個(gè)方程，收端重建3個(gè)獨(dú)立解。像素?cái)?shù)量及分布與UHDTV4K格式相同的3 840×2 160 RGB屏可按像素對(duì)應(yīng)方式，最佳地顯示UHDTV4K信號(hào)。

3.2 多元色顯示與格式變換

除像素、像元數(shù)量不同外，若其分布不正交，為顯示UHDTV4K信號(hào)也需進(jìn)行變換。圖1b所示3 840×2 160 RGBYe四元色屏各像素所增Ye像元的激勵(lì)信號(hào)可取自本像素RGB值，像素?cái)?shù)與UHDTV4K相同，且正交分布，可按像素對(duì)應(yīng)方式，最佳地顯示UHDTV4K信號(hào)。

圖1c所示2 880×2 160 RGBW四元色屏像素?cái)?shù)及分布均不同于UHDTV4K格式，顯示UHDTV4K信號(hào)需進(jìn)行像素?cái)?shù)及分布變換。變換用不同低通、內(nèi)插算法的數(shù)字濾波器完成，依其算法將不同程度地?fù)p傷重顯畫面。這類損傷往往對(duì)不同圖像表現(xiàn)不一，例如影響細(xì)線條連續(xù)性或圖像清晰度，出現(xiàn)邊緣模糊或頻譜混疊帶來的偽像等。

圖3a為RGB屏(上)、RGBW屏(下)以像素對(duì)應(yīng)方式顯示R、G、B、W單像素歸一化1～0相間豎直、45°線組效果圖。圖3b為RGB屏(上)、RGBW屏(下)以像素對(duì)應(yīng)方式顯示文字效果圖。該圖上下兩組雖無像素對(duì)應(yīng)關(guān)系，但仍可顯現(xiàn)像素、像元正交分布與幀五點(diǎn)形分布顯示效果的不同，如果再引入像素?cái)?shù)下變換，上下兩組的差別更大。2 880×2 160 RGBW屏水平方向像素?cái)?shù)少于UHDTV4K圖像格式，需在水平方向進(jìn)行下變換，這會(huì)導(dǎo)致不同圖像細(xì)節(jié)的平均亮度不一，圖4為綠色水平細(xì)節(jié)(右)平均亮度明顯低于綠色垂直細(xì)節(jié)(左)平均亮度的例子。圖5為豎直平行線組(左)水平方向下變換產(chǎn)生偽像(右)的示意圖。

圖3 RGB屏(上)和RGBW屏(下)像素對(duì)應(yīng)方式顯示效果圖

圖4 飽和色細(xì)節(jié)的平均亮度

圖5 偽像示意圖

4 色域

4.1 色域與色域覆蓋率

色域?yàn)轭伾O(shè)備或系統(tǒng)所能表現(xiàn)的圖像顏色范圍，通常用色度圖或色空間內(nèi)的有界面積或體積描述。色域大小用色域覆蓋率表示。色域覆蓋率為CIE 1976 LUV均勻色空間(u′，v′)坐標(biāo)系色度圖上，三基色色度點(diǎn)包圍的三角形面積，或多元色顯示器各元色色度點(diǎn)包圍的多邊形面積，占譜色軌跡內(nèi)面積(0.195 2)的百分比。按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1,4]，HDTV、UHDTV信號(hào)的色域覆蓋率計(jì)算值分別為33.24%和57.29%。計(jì)算機(jī)等可生成較廣播電視色域更寬的畫面。

4.2 顯示屏色域

為顯示計(jì)算機(jī)等生成的高色飽和度畫面，或渲染重顯的電視圖像，或滿足視覺偏好，電視顯示屏的重顯色域不是必須與信號(hào)色域相同。展寬顯示器色域可選用色域更寬的光源或熒光粉(基色光譜更窄)，也可增加像元。

多元色顯示屏新增像元的激勵(lì)信號(hào)由解碼重建的RGB經(jīng)色域映射獲取。表3開列了實(shí)測(cè)1 920×1 080 RGBYe屏樣品的色度坐標(biāo)。圖1b中RGBYe屏增加了黃色像元，其色域在色度圖內(nèi)可由圖1a中RGB屏的三角形擴(kuò)展成四邊形，如圖6所示。為減小計(jì)算誤差，按表3數(shù)據(jù)，由GBYe與RBYe兩三角形面積之和算出的色域覆蓋率約36.16%，由RGB三角形面積算出的色域覆蓋率約34.58%，色域覆蓋率約提升1.58%。圖6a在(u′，v′)坐標(biāo)系畫出了該屏色域與常規(guī)色域電視信號(hào)和另一臺(tái)RGB屏色域的比較。圖6b是圖6a的局部放大。圖6表明，該RGBYe屏色域覆蓋率約提升1.58%不單靠增加黃色像元，顯像基色坐標(biāo)也發(fā)生了變化。應(yīng)順便指出，將CIE 1931 XYZ色空間轉(zhuǎn)換到CIE 1976 LUV色空間后，RGBYe屏較RGB屏的色域擴(kuò)展實(shí)際上不像在xy色度圖上那么明顯，均勻色空間才更接近視覺感受。

表3 HDTV常規(guī)色域電視系統(tǒng)色度參數(shù)和顯示屏樣品色度參數(shù)實(shí)測(cè)值

項(xiàng)目常規(guī)色域三基色系統(tǒng)三基色LCD屏樣品RGBYe四元色LCD屏樣品色度坐標(biāo)(u′，v′)R(0451，0523)(04367，05266)(04493，05255)G(0125，0563)(0115，0563)(01142，05729)B(0175，0158)(01674，01496)(01788，01464)Ye——(02125，05612)色域覆蓋率/%332433583616

圖6 (u′，v′)坐標(biāo)系色域圖

對(duì)圖1c的RGBW屏按現(xiàn)行分別施測(cè)紅、綠、藍(lán)飽和色色度坐標(biāo)方法，色域覆蓋率應(yīng)不受白色像元影響。但自然圖像多為非飽和色，其飽和度是否被新增白色像元所發(fā)白光沖淡應(yīng)另行測(cè)試。

5 亮度和能效

5.1 亮度和能效

如4.2節(jié)所述，RGBYe屏增加黃色像元對(duì)色域覆蓋率的提升并不明顯。觀察(u′，v′)坐標(biāo)系色度圖可知，增加青色像元(Cy)擴(kuò)大重顯色域潛力更大，對(duì)西方人偏愛青-綠色也有利。除增大、改變重顯色域外，新增Ye或Cy像元還可明顯提高背光源光譜利用率，使圖像明亮、鮮艷，利于節(jié)能和環(huán)保。

RGBW屏增設(shè)W像元，更利于提高背光源利用率，使圖像更加明亮。2 880×2 160 RGBW屏較3 840×2 160 RGBYe屏水平方向像元數(shù)少，開口率可高于后者，更有利提高能效。不過2 880×2 160 RGBW屏RGB像元數(shù)是3 840×2 160 RGB屏的3/4，從而影響飽和色的亮度。如果格式變換中再加權(quán)處理某些顏色的亮度，那么更會(huì)帶來自然圖像色失真。

提高大屏幕電視機(jī)能效的環(huán)保意義顯著，歐盟等國(guó)際組織在分階段大幅度提高能效指標(biāo)。由于LCD顯示器往往引入動(dòng)態(tài)背光調(diào)整，測(cè)試狀態(tài)和長(zhǎng)時(shí)間觀看正常電視節(jié)目?jī)煞N情況下，屏幕亮度和能耗往往相差很多，所以更應(yīng)觀測(cè)真實(shí)工作狀態(tài)下的實(shí)際值。

5.2 HDR適應(yīng)性

如圖7所示[2]，自然界存在和視覺可感受的場(chǎng)景亮度范圍極寬，與之適應(yīng)的圖像攝取、處理、保存、重現(xiàn)技術(shù)稱高動(dòng)態(tài)范圍(High Dynamic Range，HDR)技術(shù)。HDR圖像多用不同曝光值快拍多張照片再合成得到，HDR視頻則需拍攝更亮、更暗細(xì)節(jié)，加寬動(dòng)態(tài)范圍。HDR圖像明暗對(duì)比均勻，可避免過亮、過暗，有更暗、更亮細(xì)節(jié)和更寬色域，圖8為其一例[8]。

對(duì)HDR顯示器的主要要求包括高亮度、高對(duì)比度，能適應(yīng)小面積峰值發(fā)光畫面、大面積峰值發(fā)光畫面、短暫峰值發(fā)光視頻和持續(xù)峰值發(fā)光視頻等。RGBW屏可顯示較高亮度畫面，但距顯示HDR圖像要求還相差甚遠(yuǎn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

UHDTV是傳送ITU-R BT.2020-1推薦的，比HDTV圖像格式級(jí)別更高的視頻圖像，并能傳送可較好模擬三維聲場(chǎng)聲音的電視系統(tǒng)，是繼HDTV后電視系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。UHDTV優(yōu)良的視頻和聲音質(zhì)量由節(jié)目源、傳輸信道和設(shè)備鏈共同保證。本文著重研討了終端的某些顯示性能。

電視畫面有效像素?cái)?shù)是電視圖像格式的重要指標(biāo)，可像素尋址的顯示屏，其像素陣列數(shù)是其物理固有分辨力。三基色相加混色數(shù)字電視系統(tǒng)以像素為最小單元傳送Y，CB，CR三個(gè)分量信號(hào)，含R，G，B三個(gè)彼此獨(dú)立的信息量。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)明確定義像素為組成一幅圖像的全部可能亮度和色度的最小圖像單元。

3 840×2 160 RGB屏的分辨力與UHDTV4K一致，可最佳顯示UHDTV4K信號(hào)，是UHDTV4K顯示屏主流。2 880×2 160 RGBW屏增設(shè)白像元，旨在提高背光源利用率，使圖像更亮。這種屏固有分辨力低于UHDTV4K規(guī)范，但像素和像元為幀五點(diǎn)形分布，可使靜態(tài)圖像清晰度測(cè)試值達(dá)UHDTV4K要求，是一種UHDTV4K顯示屏產(chǎn)品。這種屏顯示UHDTV4K信號(hào)需進(jìn)行像素?cái)?shù)及像素、像元分布變換，信號(hào)處理復(fù)雜且會(huì)不同程度損傷圖像，重顯自然圖像和文字的效果與像素對(duì)應(yīng)最佳顯示方式有重要區(qū)別。

超高清顯示技術(shù)和顯示屏在快速發(fā)展，由于提高LCD屏背光能效所限，研發(fā)新型高效、自發(fā)光顯示屏勢(shì)在必行。

圖7 高動(dòng)態(tài)范圍

圖8 HDR攝影(上)和普通攝影(下)圖像

致謝：本文部分內(nèi)容曾與多個(gè)單位專業(yè)技術(shù)人員研討，在此一并致以誠(chéng)摯的感謝！

[1] ITU-R BT.2020-1(06/2014)，Parameter values for ultra-high definition television systems for production and international programme exchange[S].2014.

[2] HDR and IEC TC100. IEC TC100 AGS，Tokyo，4-November-2014[S].2014.

[3] GB/T 14857—1993，演播室數(shù)字電視編碼參數(shù)規(guī)范(等效采用ITU-R BT.601-3 1992)[S].1993.

[4] GY/T 155—2000，高清晰度電視節(jié)目制作及交換用視頻參數(shù)值(參照ITU-R BT.709-3中第二部分)[S].1993.

[5] 李桂苓，李彥，徐巖.超高清晰度電視系統(tǒng)視頻參數(shù)計(jì)算和選擇[J].電視技術(shù)，2014，38(18)：87-91.

[6] 李桂苓，李秀敏，趙希.數(shù)字電視圖像清晰度[J].電視技術(shù)，2005，29(12)：80-83.

[7] SJ/T 11324—2006，數(shù)字電視接收設(shè)備術(shù)語(yǔ)[S].2006.

[8] High dynamic range image[EB/OL].[2015-06-21].http：//de.wikipedia.org/wiki/High_Dynamic_Ra0nge_Image.

李桂苓，教授，博士生導(dǎo)師，從事信號(hào)與信息處理、數(shù)字視頻與多媒體技術(shù)教學(xué)、科研工作；

徐 巖,女，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事信號(hào)與信息處理、數(shù)字視頻與多媒體技術(shù)教學(xué)、科研工作；

李 彥,女，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事信號(hào)與信息處理、數(shù)字視頻與多媒體技術(shù)教學(xué)、科研工作。

責(zé)任編輯：時(shí) 雯

Performance Analysis for Ultra-high Definition LCDs

LI Guiling1，XU Yan1，LI Yan1，2

(1.SchoolofElectronicInformationEngineering，TianjinUniversity，Tianjin300072，China； 2.CollegeofElectronicsandCommunication，TianjinNormalUniversity，Tianjin300387，China)

In this paper, how to determine some parameters of digital TV systems is studied. It compares three ultra-high definition LCDs including RGB， RGBYe and RGBW in terms of their pixel structure and shape， and pixel and subpixel distribution. The image deterioration caused by conversion from UHDTV signal to LCD format is also analysed. The different performance on color brightness， color gamut， energy efficiency，and HDR image display for the three LCDs has further been investigated.

UHDTV；LCD；pixel；image format conversion；HDR

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60802050)；天津市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(10JCYBJC00300)

TN949

A

10.16280/j.videoe.2015.16.020

2015-07-20

【本文獻(xiàn)信息】李桂苓，徐巖，李彥.超高清液晶電視顯示屏性能分析[J].電視技術(shù),2015，39(16).