我們怎樣看到顏色，為什么顏色對PID方案非常重要

在2017年CES上，“更廣的色域”是更加熱門的詞語之一。在此白皮書中，我們的專家將為您講解這個詞，幫助您理解顏色及其與顯示屏的關系。

這篇“回歸基本”的文章將介紹人眼怎樣感知顏色、色域的定義以及顯示解決方案怎樣生成顏色。希望此文章能幫助您將分散的知識點聯系起來，并認識到創新顯示屏制造商在色彩表現和圖像品質方面取得的進步。

著迷于行業在色彩空間領域的快速發展？請閱讀此系列的第二部分，深入了解顯示屏中的量子點技術及其功能。

顏色與人眼 - 什么是顏色，我們怎樣看到顏色？

顏色是我們的眼睛通過我們的大腦感知并處理光信息后得到的視覺感知。當光線照射到一個物體上時，物體會吸收一部分光并反射其余部分的光。吸收或反射的光波長取決于物體的特性。當光從物體上反射回來時，它會撞擊到眼睛后面的光敏視網膜。視網膜上有數百萬個專門的色素細胞，稱為視錐細胞。人類的視錐細胞有三種不同的光譜敏感性 – 短、中、長。視錐細胞負責我們的三原色視覺。

人眼能夠感知到波長范圍在約380納米至780納米的可見光。簡單來說，每種類型的視錐細胞專門感知特定的波長。紅色波長較長，綠色中等，藍色較短。因此，當物體反射的光線射到視錐細胞上時，它對視錐細胞有不同程度的刺激。眼睛會將信號通過視神經傳送到大腦中負責解讀顏色的視覺皮層。

所有顏色都是由紅色、綠色和藍色組合生成的。當混合的顏色穿過人眼時，各種波長分別刺激各自的視錐細胞，而視錐細胞將啟動光學網絡進行識別和解讀。許多不同的光波長組合可以讓我們感知到相同的顏色。

光強度是影響我們顏色感知的另一個重要特性。色溫用來表示組成光線的各種波長的相對強度。色溫以開爾文(K)單位表示 - 色溫低意味著光線更發紅，色溫高意味著光線更發藍。在這種情況下，顏色以溫度表示，因為物體升溫時會輻射不同的光頻。

色彩空間 - 我們如何衡量顏色？

顯示世界中有許多衡量色彩的標準，而CIE 1976 [1]是信息顯示學會(SID)推薦的權威顯示測量標準。，因為其只測量色彩質量，并能隔離如亮度等的其它因素，所以色坐標圖是衡量色彩空間的首選方式。色彩空間是對人眼感知的可見光的統一表示。它將所有顏色映射在一個網格上，為它們分配光譜吸收率的可衡量值，從而可將色彩與色域標準的描述進行對比。

CIE色坐標圖按亮度參數映射光的光譜分布，兩個色度坐標表示色調和飽和度。一般人可見的所有色調都包含在“馬蹄”圖中。“馬蹄”的邊緣為光譜軌跡，表示光譜色（以納米為單位的光波長測量）的更加大飽和度。紫線是連接光譜軌跡兩端的直線，它代表完全飽和的顏色，由紫色（360納米）和紅色（780納米）組合而成。不飽和色位于中心，由白光發出。圖白色區域中的曲線以開爾文單位顯示絕對色溫。

上面的CIE圖呈現了使用加色混合所獲得的顏色集。使用加色三原色系統時，可以通過混合不同波長和不同亮度的光來創建新的顏色。此圖表示正常人眼可見的全部顏色子集。但為了描述一個設備上可顯示的顏色范圍，行業使用色域的概念。

色域是顯示屏可以產生的顏色范圍值。正常人類視覺的色域覆蓋整個CIE圖，但通過顯示技術實現這一目標只有理論上的可能。因此，色彩標準被表示為圖中的三角形，定義為可通過在其角部組色來實現的顏色子集。近年來，隨著色域逐漸變大，顯示色彩空間的標準也不斷演進。

色域標準的演進

了解色域的覆蓋對評估顯示技術及其產生逼真顏色的能力是至關重要的。大多數顯示設備使用RGB顏色模型來定義每個像素的顏色。上面的色度圖表明使用三原色可以覆蓋大部分色彩空間。

RGB和sRGB

RGB標準于1990年獲得批準，也稱為ITU-R推薦BT 709或Rec 709標準 [2]。RGB僅覆蓋CIE 1976紫外線圖色坐標的33.2%。sRGB標準于1996年創建，并使用與Rec 709相同的原色和白點。這是消費電子產品中更加常用的色域。該色域仍非常窄，僅覆蓋CIE 1976紫外線色坐標的38.7%。

DCI-P3

2007年發布的DCI-P3 [3]色彩空間使用與REC 709和sRGB色彩空間相同的藍色原色，但采用不同的綠色和紅色原色。DCI-P3的紅色原色是單色615納米，綠色原色是稍微發黃的綠色，但飽和度更高。DCI-P3比sRGB色域大26％，覆蓋CIE 1976色坐標的41.7%。

BT 2020

ITU-R推薦BT 2020標準，簡稱為Rec 2020，建立了更加廣的顯示色域，需要單色RGB原色（467納米、532納米和630納米）。此色域非常廣 – 比sRGB大72%，比DCI-P3大37%。這樣產生的色彩空間覆蓋CIE 1976色坐標的57.2%。

Rec 2020采用的比色法持續增長，但合規性需要更明確的定義，因為這種顏色空間的100％不是物理上可實現的。目前只有少數顯示屏接近于實現Rec 2020色彩空間。

在LCD面板中，只有量子點(QD)技術提供可調的原色，從而可以優化BT 2020色域。利用量子點的獨特屬性，我們可以生成超窄的原色，其半峰全寬(FWHM) [4]為30-54納米（取決于量子點的類型），從而能實現更加寬的色域覆蓋。

我們之前探討了顏色是如何感知和衡量的，下面來探索顯示屏是如何產生顏色的。

色彩和LCD解決方案

廣色域可產生更加逼真的圖像質量和更加有活力的色彩。我們來了解LCD如何工作以及行業在色彩還原方面的發展方向。

LCD色彩生成原理

傳統的LCD顯示屏有一個由許多發光二極管(LED)組成的背光系統。這些LED是藍色的，但被綠色和紅色熒光體覆蓋，以產生白光。通過改變熒光體的濃度，還可以改變和控制LED的色溫。

從LED發出的光通過偏光濾光片后射到液晶(LC)上，液晶擋住光線或讓光線通過紅、綠、藍彩色濾光片(CF)。這稱為子像素。因為紅色、綠色和藍色可混合產生任何顏色，由三個子像素形成的每個顏色像素可創造出不同的色彩，然后形成圖像。通過控制和改變電壓可調節各子像素的強度，從而使其更亮或更暗，進而確定在顯示屏上產生什么顏色。通過子像素的不同組合可產生數百萬種顏色。

這種使用白光LED的機制簡單、廉價 - 因此它在顯示行業中得到了廣泛采用，包括商用顯示屏、電視、顯示器、筆記本電腦、平板電腦和智能手機。

如果您想了解LCD是如何制作的，請瀏覽我們有關LCD制造工藝的博客，看看這些顏色的生成原理是如何通過硬件實現的。 

色彩表現的未來

為了實現更廣的色彩空間，顯示屏制造商提出了許多提高LCD性能的解決方案。量子點顯示屏是更加接近BT 2020覆蓋要求的更加有希望和更加現實的技術之一。

具有QD功能的LCD的基本工作原理與傳統結構類似。主要區別在于QD顯示屏使用藍色LED，而不是白光。藍色LED除了向子像素發光外，也會發出量子點，量子點經調諧后發出紅光和綠光。由于QD色彩非常純粹，它們可以發出RGB色且費光更少，從而讓畫面更豐富多彩。

QD顯示設計的類型多種多樣，我們將在此顏色系列的第二部分介紹。

[1] CIE（國際照明委員會）于1931年定義了更加初的CIE標準。在1976年修訂版中，標準采用了更為線性的色彩空間，更加大限度地減少感知的色彩變化，使色彩對比更加準確。

[2] ITU-R推薦標準包括一套由國際電信聯盟(ITU)無線電通信部門（前身為CCIR）制定的國際技術標準。

[3] DCI代表Digital Cinema Initiatives, LLC，這是各大電影公司合資的企業。

[4] 半峰全寬(FWHM)是測定色譜寬度的方法，計算方式為色譜曲線上功能達到其更加大值一半時的兩點之間的差。

重要術語解釋：

• 顏色是我們的眼睛通過我們的大腦感知并處理光信息后得到的視覺感知。

• 人眼對波長的敏感度：人眼能夠感知到的可見光波長范圍在約380納米至780納米之間。

• 色彩空間是對人眼感知的可見光的統一表示。

• 色域是顯示屏可以產生的顏色范圍值。

• 光譜軌跡 –表示光譜色（以納米為單位的光波長測量）的更加大飽和度。

• 紫線是連接光譜軌跡兩端的直線，它代表完全飽和的顏色，由紫色（360納米）和紅色（780納米）組合而成。