技术前沿：显示色域与背光源技术

正常情况下，人眼视网膜上分布三种不同的视锥细胞，分别含有对红、绿、蓝三种光敏感的视色素。当某种波长的光线到达视网膜时，会分别对三种视锥细胞产生不同程度的刺激。随后把这部分信息混合传递到中枢系统，大脑就会产生对某种颜色的感受。
将红、绿、蓝三种颜色的光相互混合后，就能呈现出不同色彩。例如：100%红色+100%绿色+100%蓝色=纯白色、0%红色+100%绿色+100%蓝色=青色。而我们常用的RGB色彩模型，便是由这三种颜色的英文Red、Green、Blue的首字母所命名。由于该模型下的色彩由三原色叠加而成，所以它又被称为加色法混色模型。

显示器的屏幕之所以能显示不同的颜色，组成一张张惊艳美丽的画面，也是基于RGB色彩模型。熟悉显示器的朋友应该知道，显示器上液晶屏幕的点、线和面都由像素组成，根据像素点排列数量的不同，把显示器分为1080P、2K、4K不同的分辨率。

做设计对色彩要求十分重要，所以通常选购显示器的时候会在意显示器色域参数，常见的色域标准有三种，那就是sRGB、Adobe RGB、NTSC。

色域是什么？
色域其实也可以叫做色彩空间（Color Space），而域有是一个数学概念，可以更好的说明色彩是有一定的范围。色域是对一种颜色进行编码的方法，也指一个技术系统能够产生颜色的总和。在计算机图形处理中色域是颜色的某个完全的子集。颜色子集最常见的应用是用来精确地代表一种给定的情况，例如一个给定的空间或是某个输出装置的呈色范围。色域是显示器屏幕所能够表达的颜色数量所构成的范围区域，在现实世界中自然界中可见光谱的颜色组成了最大的色域空间，该色域空间中包含了人眼所能见到的所有颜色。

CIE国际照明协会为了更好的让用户轻易的理解色域，制定了一个用于描述色域的方法，那就是CIE-xy色度图。在这个坐标系中，各种显示设备能表现的色域范围用RGB（红、绿、蓝）三点连线组成的三角形区域来表示，三角形的面积越大，就表示这种显示设备的色域范围越大。 

常见的屏幕色域三种标准：
目前常见的屏幕色域标准有三种，分别是sRGB、NTSC、Adobe RGB。

1、sRGB
sRGB色域是微软和HP在1996年共同开发的色彩空间，也是目前的微软旗下的Windows系统和众多原生软件默认支持的色彩空间。

2、NTSC
NTSC色域是NTSC电视标准下的色彩空间，NTSC是美国国家电视标准委员会，他们所推出的NTSC电视标准是一套广播电视传输协议，被运用在美国、日本等国家的广播电视系统中。当然这也就意味着，NTSC色彩空间更多被运用在电视行业。

3、Adobe RGB
Adobe RGB是专业软件生产商Adobe在1998年推出的色彩空间，初衷是为了同时囊括sRGB（电脑常用的色彩空间）和CMYK（印刷常用的色彩空间），这样拍出的数码照片不仅能在电脑上正常显示和编辑，也能印刷出颜色无损而正确的相片。Adobe RGB相比sRGB囊括的色彩范围更广，受到设计师的青睐，因此在专业的摄影和后期领域被广泛使用。

通过下图可以得知，Adobe RGB的色域几乎和NTSC1953年标准比较相近一些，而sRGB所能表示的色彩最少，sRGB色彩空间范围要小于前两者，近似相当于 sRGB ≈ 72% NTSC，Adobe RGB≈95% NTSC，不过sRGB是世界上最为广泛使用的色彩空间，大多数的显示器，都只支持sRGB的色域范围。AdobeRGB相比sRGB，能表示出更加细腻的青色和绿色，而NTSC的色域范围是最广的。 
不少用户会认为100%sRGB=72%NTSC，其实这是错误的观念，其实从上图中，我们可以发现NTSC并不能完全覆盖住sRGB，所以如果以严谨的方式来说，sRGB是不能换算为NTSC，只能说100%sRGB的覆盖面积近似于72%NTSC。

就以笔记本屏幕最常见的色域来说，45%NTSC、72%NTSC以及100%sRGB，无疑是45%NTSC的色彩表现丰富度最低，此外72%NTSC和100%sRGB并不能直接来判断谁的色彩表现更好，因为存在一个屏幕调教的问题，如果屏幕调教不好，就算是色彩表现丰富度再高，也未必会显示出最好的效果，非要做出一个判断的话，建议购买100%sRGB屏幕可能会更稳妥一些。

如何通过色域选择屏幕？
Adobe RGB是由Adobe公司推出的色域标准，针对修图的人，可以多关注Adobe RGB数值；
sRGB色域的标准是针对计算机外部设备提出的定义，那么对于普通工作、或者日常打印的话，买sRGB色域的设备就可以了；
NTSC作为电视标准，也是三者中色域最广的，那么显示器用户中的电影爱好者就可以主要参考它的数值。

背光源技术拓展液晶显示器的色域
一般来说，目前可用于PC的液晶显示器几乎能够显示整个sRGB色域，这得益于液晶面板（和面板控件）的规格。然而，正如上文中所述的那样，由于对比sRGB更广的色域还原能力的需求不断增长，最新型号已经扩大了液晶显示器的色域，并以Adobe RGB作为扩展目标。但是，如何才能扩展液晶显示器的色域？

背光源的改进在扩大液晶显示器色域的技术中占了很大的比例。有两种主要改进方法：一种涉及扩展主流的冷阴极背光技术的色域；还有一种是采用RGB LED背光源。

对于使用冷阴极扩展色域，虽然增强液晶面板的彩色滤光片是一个快速解决问题的方法，但也会导致光透射率减小，降低屏幕亮度。增加冷阴极来抵消这种效果则会缩短设备的寿命，而且往往会导致照明不规则。到目前为止，人们已经在很大程度上克服了这些缺点；许多液晶显示器配备了通过调整荧光粉而得到的宽色域冷阴极。这种方法还具有较好的成本效益，因为它能够在没有对现有结构进行重大改变的情况下扩大色域。

近些年RGB LED背光的应用出现了显著增长。这些背光源能够实现比冷阴极更高水平的亮度和色纯度。尽管有一些缺点，包括色彩稳定性比冷阴极低（即辐射热的问题），以及难以在整个屏幕显示均匀的白色，因为它涉及到RGB LED的组合，这些缺点已经部分得到了解决。RGB LED背光源的成本比冷阴极背光源更高，目前只有很少的液晶显示器正在使用。然而，由于其在扩大色域方面的功效，采用这种技术的液晶显示器将会大大增加。这也适用于液晶电视。

色深
需要注意的是，显示器的高分辨率并不等同于高素质，它所代表的的只是量，并不能表明质。高品质的显示器面板对液晶分子的控制精度会更高，单个像素点能表达更多的色彩。而色深，就是表达每个像素点显示颜色总数量的参数。
它的单位是bit。色深为8bit的面板，红、绿、蓝三种颜色可以有2的8次方，也就是256种表达。三者相乘后的数量，就是显示器单个像素点能表达的最大色彩数量：1677万色。而10bit色深的显示器，红、绿、蓝三种颜色则能得到2的10次方—1024种表达，显示器所能表达的色彩数量就变为了10.7亿。
色深更高的显示器，可显示的色彩数量就越多，就越不容易发生色彩断层的情况。

一个误解：广色域意味着高画质
当我们了解了液晶显示器的色域后，重要的是要记住，广色域并不一定等同于高图像质量。这一点可能会让很多人产生误会。

色域是用来测量液晶显示器图像质量的一个规格，但色域不能单独确定图像质量。用于实现广色域液晶面板全部功能的控件的质量是至关重要的。从根本上讲，产生适合自己用途的精确颜色的能力远远比宽广的色域更加重要。

当考虑一台具有广色域的液晶显示器时，我们需要确定它是否具有色域转换功能。这样的功能能够基于目标色域，例如Adobe RGB或sRGB，来控制液晶显示器的色域。例如，通过从菜单选项中选择sRGB模式，我们甚至可以对一台具有广色域和高Adobe RGB覆盖的液晶显示器进行调整，使屏幕上显示的颜色处于sRGB色域范围内。

目前只有少数液晶显示器提供色域转换功能（既兼容Adobe RGB和sRGB色域）。然而，色域转换功能对于需要在Adobe RGB和sRGB色域显示准确色彩的应用至关重要，例如照片润饰和Web制作。

对于需要准确显示色彩的应用，没有任何色域转换功能但色域很广的液晶彩色显示器其实在某些情况下是不利的。这些液晶显示器以八位全色将每种RGB色映射到液晶显示面板所固有的色域。其结果是，对于在sRGB色域中显示图像，所产生的颜色往往过于鲜艳（即，sRGB色域不能被准确还原）。
这里展示的是在一台兼容sRGB的液晶显示器上显示sRGB色域照片（左侧照片），以及在一台具有广色域但不兼容sRGB，而且没有色域转换功能的液晶显示器上显示sRGB色域照片（右侧照片） 。虽然右侧照片显得较为鲜艳，但某些部位的饱和度高得不自然。我们还看到颜色与摄影的设想存在显著差异，以及所谓的记忆色彩。

色彩偏差
除了色域覆盖外，色彩精准度也是一个比较重要参数。我们一般用△E（DeltaE）来表达显示面板颜色与标准颜色间的偏差值，它可通过校色来提升，但会受到硬件素质影响。一般来说，当平均△E值小于2的时候，人眼基本分辨不出色彩的差异。

现在色彩展现能力较强的专业显示器基本在出厂时就会进行色彩调整，来消除色彩的显示偏差。但是这种色彩校准并不是一劳永逸的，显示器在工作时会不断散发热量，使用一段时间后就会出现色彩衰减的情况。所以，对颜色要求比较高的行业从业者，需要对显示器进行定期校色。

通过校准提高广色域的值
要充分利用广色域液晶显示器，按照用户的意图显示色彩，我们需要考虑采用校准环境。液晶显示器校准是一套系统，使用专用校验仪测量屏幕的色彩，然后在操作系统使用的ICC配置文件（一个定义设备色彩特性的文件）中反映色彩的特点。通过ICC配置文件，可以确保由图形软件或其他软件处理的色彩信息和由液晶显示器生成的色彩达到高精确度的一致性。

请记住，有两种类型的液晶显示器校准：软件校准和硬件校准。

软件校准是指，使用液晶显示器的调节菜单，按照专门校准软件的说明来调整参数，例如亮度、对比度和色温（RGB平衡），通过手动调整获得想要的色彩。在某些情况下，需要调整显卡驱动程序的颜色，而不是液晶显示器的调节菜单。软件校准成本低，并且可以用来校准任何液晶显示器。

但是，由于软件校准需要进行手动调节，因此可能会出现精度的偏差。在内部，RGB色阶会受到影响，因为显示均衡是通过软件处理减小RGB输出水平实现的。即使如此，使用软件校准也能够比不使用校准更容易地还原需要的色彩。

与此相反，硬件校准显然比软件校准更为精确。而且需要的操作也更少，尽管它只能用于兼容的液晶显示器，并且需要一定的设置成本。一般情况下，它包括以下步骤：校准软件控制校验仪；将屏幕上的色彩特征与目标色彩特征相匹配，并在硬件级别上直接调整液晶显示器的亮度、对比度和伽马校正表（查找表）。另一方面，硬件校准的易用性也不能忽视。从开始操作，到生成调整结果的ICC配置文件并注册到操作系统,所有任务都自动完成。

目前兼容硬件校准的艺卓液晶显示器包括ColorEdge系列。FlexScan系列采用软件校准。（注：截至2011年1月，兼容EasyPIX版本2的FlexScan显示器也具备硬件校准功能。） 有关ColorEdge系列校准功能的详细信息，我建议读者参考这篇文章：《ColorNavigator5.0：瞄准极致色彩还原的校准软件。”

包度学原理与应用
01 色度学原理
我们生活在五彩缤纷的世界中，人类能感受不同的颜色是由于人眼接收到不同波长的光信号产生的视觉响应。人眼的视网膜上存在视杆细胞和视锥细胞两种感光细胞，视杆细胞主要在暗光情况下发挥作用，没有色彩识别功能；而视锥细胞在明亮条件下发挥作用，视锥细胞分为红敏视锥细胞、绿敏视锥细胞和蓝敏视锥细胞三种，分别对红、绿、蓝最敏感。根据混色原理，自然界中几乎所有的颜色也都可以由红绿蓝三色组合而成，视网膜上三种视锥细胞对红绿蓝三色光的视觉响应组合即可得到不同的颜色感受。基于以上原理，现代显示中通常使用红绿蓝作为三基色，根据人眼视觉特性和混色原理，将三基色按不同比例混合即可还原自然界中的大部分颜色，如图1所示。可使用配色方程定量描述混色原理，对于需要显示的色光C，其配色方程可表示为C[C]＝R[R]＋G[G]＋B[B]，其中，C, R, G, B分别代表了匹配色光、红光、绿光、蓝光的相对强度，该配色方程表示R个单位的红原色、G个单位的绿原色和Ｂ个单位的蓝原色相加混合，可匹配出C个单位的C颜色，R, G, B称为三刺激值。

02 CIE1931标准色度系统
为了便于比较和统一，1931年，国际照明委员会 (CIE) 提出了标准观察者和色坐标系统，采用700nm，546.1nm，435.8nm作为R，G，B三原色波长，对配色方程进行归一化处理得 [C]＝R/(R+G+B)[R]＋G/(R+G+B) [G]＋B/(R+G+B) [B]，定义色度坐标r，g，b，其中r= R/(R+G+B)，g= G/(R+G+B)，b= B/(R+G+B)，则[C]＝r[R]＋g [G]＋b[B]，由于r+b+g=1，已知三刺激值中任意两个即可定量表征匹配色C，基于以上内容，CIE 1931 RGB色品图使用 (r, g) 二维坐标定量表征色彩，如图2所示。

图2 CIE 1931 RGB色品图

由于颜色匹配试验的问题，CIE RGB色品图中存在负值，不利于计算和理解，因此CIE又提出了CIE 1931 XYZ色度系统，该色度系统用假想的三个原色XYZ代替RGB系统的三原色，对原来的RGB色品图进行数学转换，得到与RGB系统中的三刺激值R, G, B对应的全为正数的三刺激值X, Y, Z，相应的，色光C的配色方程可表示为C[C]＝X [X]＋Y[Y]＋Z[Z]，对配色方程进行归一化处理得 [C]＝X/(X+Y+Z)[X]＋Y/(X+Y+Z)[Y]＋Z/(X+Y+Z)[Z]，令x=X/(X+Y+Z)，y= Y/(X+Y+Z)，z= Z/(X+Y+Z)，由于x+y+z=1，仅通过x和y就可以在二维平面中确定一个颜色，以x，y为横、纵坐标，即得到如图3所示的得到CIE 1931 XYZ色品图。在CIE 1931 XYZ色品图中，380nm到780nm的可见光光谱色连接可得到马蹄状曲线，马蹄状曲线旁注释的数字为光谱波长值。位于马蹄状曲线上为单色光，具有最大饱和度，越靠近马蹄形曲线的内部，颜色的饱和度越小，颜色越接近白光。

03 显示屏色域及色域标准
色域可以理解为显示设备能够显示颜色的范围，对于现代显示中最常用的三基色显示，根据混色原理，将显示设备采用的红绿蓝三基色的色坐标定位在CIE 1931 XYZ色品图中，之后将三个坐标点连接，即可得到显示设备对应的色域三角形。色域三角形的三个顶点是显示设备红绿蓝三基色的色坐标，三角形围成的区域是显示设备三基色混合能得到的所有颜色，即显示设备能表现的所有颜色，三角形的面积越大，表明显示设备的色域范围越大，能够显示的色彩越丰富。

为了便于信息传递，显示行业制定了一系列的色域标准，其中常用的标准主要有NTSC、Rec.709、DCI-P3和Rec.2020色域标准，如图3所示。

NTSC色域是1953年由美国国家电视标准委员会订制的标准，该标准是为当时刚出现不久的 CRT 彩色电视定制的，由于实在太过古老，早已不适用于现代显示器。更重要的是现代显示内容创作者几乎没有以 NTSC 为工作空间的，这就意味着以NTSC作为色域指标的显示产品无法与显示内容之间建立必然联系。

Rec.709色域是1990年国际电信联盟发布的色域标准，该标准被用作高清显示（HDTV）的色彩标准，是目前使用最广泛的标准。随着计算机技术的发展，1996年微软联合HP、三菱、爱普生等厂商开发出sRGB色彩标准，受微软强大用户群体的影响力的威慑，绝大多数的数码图像采集设备，如数码相机、数码摄像机、扫描仪、显示器等都支持支持sRGB标准。该色域标准与Rec.709色域标准完全相同，因而也使得Rec.709色域标准成为目前使用最广泛的色域标准。

DCI-P3色域是美国电影行业于2005年推出的一种广色域标准，是目前数字电影设备最常采用的色彩标准之一，如图3中所示，与Rec.709色域相比，DCI-P3色域在绿色和红色区域范围更广，可呈现的色域相比Rec.709色域大了25%。随着4K时代的来临，原有的Rec.709/sRGB 已经无法满足显示需求，越来越多的显示设备开始采用DCI-P3标准作为显示色域。

Rec.2020色域标准是2012年国际电信联盟针对超高清设备（4K&8K）发布的色域标准，如图3所示，Rec.2020色域范围是目前所有色域标准中最广的。

如图3中所示，上述几种色域标准中，Rec.709色域面积最小，DCI-P3色域可完全覆盖Rec.709色域，Rec.2020色域可完全覆盖DCI-P3色域。而Rec.709色域面积虽然仅为72%的NTSC色域面积，但NTSC色域在蓝色区域并没有完全覆盖Rec.709色域，实际上NTSC色域只能覆盖82% 的 Rec.709色域。

当显示设备的色域范围能完全覆盖显示数据的色域范围时，显示设备可以完全呈现显示数据中的色彩，还原视频或图片创作者的创作意图。目前，图片或视频源数据采用的色域标准通常为Rec.709色域标准、DCI-P3色域标准和Rec.2020色域标准，没有任何图片或视频源采用NTSC色域作为标准。由于NTSC色域标准并不能完全覆盖Rec.709、DCI-P3和Rec.2020三种色域标准中的任何一种，因而以NTSC色域作为指标的显示设备无法与显示数据（以Rec.709色域、DCI-P3色域或Rec.2020色域作为色域标准）之间建立必然联系。显示设备的NTSC色域指标无法展现对Rec.709、DCI-P3和Rec.2020 色域覆盖率，因而无法展现出对图片或视频源数据的色彩还原能力，对于消费者来说没有任何参考价值。

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