高 寒， 雷志春*， 林長海

(1. 天津大學(xué) 微電子學(xué)院，天津 300072；2. 四川蘇格通訊技術(shù)有限公司， 四川 宜賓，644000)

1 引 言

在信息社會中，顯示器是傳達(dá)信息的重要手段。LCD顯示器、OLED顯示器在生活中隨處可見。在上述設(shè)備中，顯示面板消耗了大部分功耗[1]，因此降低顯示器的功耗尤為迫切。

紅色(R)、綠色(G)和藍(lán)色(B)3種原色是顯示技術(shù)中主流的三原色，但是RGB三原色理論無法解釋色盲現(xiàn)象。而顏色對立學(xué)說[2](Opponent-process theory)比三原色理論更符合人眼的視覺系統(tǒng)。根據(jù)顏色對立學(xué)說，綠色和紅色混色形成白色(W)而不是黃色(Y)。現(xiàn)在的RGB系統(tǒng)中，為了兼顧黃色光的重現(xiàn)，對綠原色和紅原色主波長的選取進(jìn)行折中[3]，而導(dǎo)致三原色可覆蓋的色域范圍縮小。并且黃色是人眼非常敏感的顏色，這意味著相比于紅色或藍(lán)色光，黃色光在較低的功耗下可以達(dá)到相同的亮度。所以為了達(dá)到高亮度或者低功耗的目的，研究者們大多使用RGBY多原色的LCD或者OLED系統(tǒng)。與流行的RGB三原色顯示器相比，使用多原色技術(shù)可以顯著降低顯示器的功耗[4-9]。

為了提高LCD顯示器中光線的利用率，大部分研究集中于多原色液晶結(jié)構(gòu)，而不同的研究采用不同的多原色液晶方案[4-7]。例如，RGBY四原色[4]、RGBW四原色[5]、RGBY和青色(C)組成的RGBCY五原色[6]?，F(xiàn)在常見的商業(yè)化四原色液晶顯示器產(chǎn)品為使用了Quattron技術(shù)的夏普LCD-80XU 35A液晶顯示器，其為RGB+Y的四原色液晶顯示方案[7]。但是根據(jù)報(bào)道可以得知，其功耗達(dá)到了470 W，節(jié)能效果較差。

對于OLED顯示器，目前也有RGBY四原色像素結(jié)構(gòu)。臺灣友達(dá)光電公司已展示帶有黃色子像素的RGBY高清OLED面板[8]。Xiong等人[9]研究了多原色像素結(jié)構(gòu)OLED面板，在擴(kuò)大色域的同時(shí)，可以顯著降低功耗。但是根據(jù)混色定理可以得知，特定復(fù)合色可以由三原色唯一表達(dá)。而在原色增加時(shí)，表達(dá)特定復(fù)合色存在多種可能，系統(tǒng)的復(fù)雜程度將急劇提高。

大多數(shù)多原色顯示技術(shù)的研究側(cè)重于擴(kuò)展色域或降低功耗，對于多原色重新混合所引起的顏色感知問題研究較少，尤其是在色域三角形邊界上的飽和顏色。針對此問題，本文通過人眼光譜光視效率來引入人眼敏感的原色橙色(O)并降低人眼不敏感原色的使用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本方法可以顯著降低功耗。在表達(dá)顏色之前，通過判斷顏色在色度圖中所屬的位置，進(jìn)而決定顏色的表達(dá)方式。如果目標(biāo)的顏色處于OGB區(qū)域，使用OGB三原色表達(dá)，而不使用RGB表達(dá)；在表達(dá)ROB區(qū)域的顏色時(shí)，依然使用RGB表達(dá)。實(shí)驗(yàn)證明，該方案可以有效降低功耗并且具有極小色差。

2 顏色重新表達(dá)原理

2.1 選擇第4種原色

人眼對不同波長的光有不同的敏感度，這可以通過如圖1所示的明視覺人眼光譜光視效率歸一化函數(shù)來描述[10]。光譜光視效率函數(shù)是在不同顏色產(chǎn)生相同亮度感知的條件下測量的。這意味著在相同亮度的前提下，人眼對該顏色越敏感，產(chǎn)生特定波長光的功率越低，節(jié)能效果就越明顯。從圖1可以看出，人類視覺系統(tǒng)對波長為555 nm的黃綠色光線最敏感，對紅色和藍(lán)色最不敏感。這意味著，要達(dá)到同樣的亮度感知，紅光的輻射通量必須遠(yuǎn)大于黃綠色光的輻射通量。因此，用具有較高的明視覺光譜光視效率的顏色代替紅色或藍(lán)色可以減少能耗。

圖1 CIE明視覺人眼光譜光視效率函數(shù)[10]

根據(jù)上述原則，有兩種節(jié)能方案可以選擇：一是添加新的原色取代紅色；二是使用新的原色取代藍(lán)色。雖然藍(lán)色的光譜光視效率比紅色低，但是藍(lán)色LED的電光轉(zhuǎn)換效率(Wall-plug efficiency，WPE)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于紅色LED，如圖2所示[11]。本文引入國際電工委員會(International Electrotechnical Commission，IEC)指定的輻射發(fā)光效率[12]，來綜合考量紅色或藍(lán)色哪種顏色應(yīng)該被替代。

圖2 LED電光轉(zhuǎn)換效率[11]

定義輻射發(fā)光效率的公式為[12]：

，

(1)

其中：Km為最大光譜光視效能常數(shù)，Km=683 lm/W，V(λ)代表人眼明視覺光譜光視效率函數(shù)，ηWPE(λ)是對應(yīng)波長LED的電光轉(zhuǎn)換效率。輻射發(fā)光效率越高，說明在使用該種顏色表達(dá)相同亮度時(shí)，所需要的能耗越小。

通過計(jì)算可知465 nm藍(lán)色LED的輻射發(fā)光效率為55 lm/W；630 nm紅色LED的輻射發(fā)光效率為39 lm/W；530 nm綠色LED的輻射發(fā)光效率為106 lm/W。根據(jù)如上數(shù)據(jù)，可以看出如果使用某種輻射發(fā)光效率更高的顏色來代替輻射發(fā)光效率最低的紅色，可以有效降低能耗。如果試圖在RGB三原色中減少藍(lán)色原色的使用，那么不能像紅色原色那樣節(jié)省能源，如圖2所示，藍(lán)色 LED 的WPE值約為70%，比紅色LED的WPE(只有25%)大得多。

所以本文選擇一個輻射發(fā)光效率更高的原色來代替紅色。由圖3可以看出，當(dāng)?shù)谒姆N原色位于綠色和紅色色度坐標(biāo)之間時(shí)，在表達(dá)顏色時(shí)才可以代替紅色。例如圖3中添加的原色為Y，在表達(dá)YGB三角型的原色可以使用Y代替紅色，從而降低紅色的使用。而在RYB區(qū)域中，依然使用RGB表達(dá)顏色，因?yàn)樵玒的光譜光視效率低于綠色(G)的光譜光視效率。

圖3 CIE 1931 色度圖

首先確定了原色Y位于RG原色之間。接下來，定義函數(shù)K來確定原色Y的具體波長。

K=M×ηe(λ)+N×ηe(λR)

，

(2)

其中：M為三角形YGB的面積占RGB區(qū)域的比例，N為RYB三角形面積占RGB面積的比例，ηe(λ)是原色Y的輻射發(fā)光效率，其隨波長的改變而變化。ηe(λR)是630 nm波長紅光的輻射發(fā)光效率。由該公式(2)可知，M值越大，在OGB三角形范圍覆蓋就越大，可使用第四種原色表達(dá)的顏色就越多，產(chǎn)生的節(jié)能效果就越好。

M和N由上述定義表達(dá)為：

M=SYGB/SRGB

，

(3)

N=SRYB/SRGB

，

(4)

根據(jù)公式(3)和(4)可知：M和N的值與YGB和RYB的面積有關(guān)。如圖4所示，原色Y的色度坐標(biāo)在RG直線上移動時(shí)，不影響三角形的高度h，所以M=LYG/LRG，N=LRY/LRG，LRG、LRY、LYG分別是RG、RY、YG的長度。

圖4 RY和GY線的關(guān)系

系數(shù)K與波長的關(guān)系如圖5所示，由該圖可知當(dāng)?shù)谒脑牟ㄩL選擇為590 nm時(shí)，K值最大。因此，第四種原色Y 應(yīng)選擇波長λ= 590 nm的橙黃色。綜上所述，本文選擇使用較為常見的590 nm波長的橙色LED，即為橙色(O)，其在色度圖中的位置如圖6所示。在下文中第四種原色均使用橙色(O)表示。

圖5 K值和波長的關(guān)系

圖6 顏色O在CIE 1931 xy色度圖中的位置

2.2 顏色重新表達(dá)

在采用RGBO方案進(jìn)行節(jié)能實(shí)驗(yàn)之前，本文將首先討論整個過程，如圖7所示。首先輸入目標(biāo)顏色數(shù)據(jù)。再將顏色數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到XYZ色彩空間中，計(jì)算出目標(biāo)顏色的色度坐標(biāo)。根據(jù)色度坐標(biāo)進(jìn)行顏色所屬區(qū)域的判斷，判斷目標(biāo)顏色是否落入OGB區(qū)域。如果落入OGB區(qū)域，則使用OGB混色方程(5)，即可計(jì)算出需要三原色LED的開啟強(qiáng)度。如果落入ROB區(qū)域，則依然使用RGB進(jìn)行表達(dá)。

圖7 顏色表達(dá)流程圖

OGB混色方程如式(5)所示。

(5)

其中，(X,Y,Z)是目標(biāo)顏色的三次刺激值，(XO,YO,ZO)是橙色(O)LED最大亮度時(shí)的三刺激值，OLED為LED的開啟強(qiáng)度，范圍為0～1，即OLED= 0時(shí)LED關(guān)閉，OLED=即1時(shí)LED發(fā)光強(qiáng)度最大。對于綠色(G)和藍(lán)色(B)，LED是相同的。

由于傳統(tǒng)的多原色需要復(fù)雜的算法，例如建立查找表和矩陣切換[13]，使得三原色到多原色的轉(zhuǎn)換復(fù)雜或者效率低下。使用色域分區(qū)判斷選擇不同的三原色，可以在降低系統(tǒng)復(fù)雜程度的同時(shí)，達(dá)到準(zhǔn)確顯示顏色的目的，并且引入第四種原色來取代人眼不敏感的顏色可以很好地降低顯示系統(tǒng)的功耗。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置組成

在本節(jié)中，將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證使用OGB代替RGB混色在表達(dá)ΔOGB區(qū)域內(nèi)顏色時(shí)的節(jié)能效果。

整體實(shí)驗(yàn)裝置主要由3部分組成：四原色LED背光板、控制部分和測量裝置。LED背光板由48個RGBO LED單元組成，如圖8所示。光擴(kuò)散板放置在RGBO LED背光板前，使混光均勻化?？刂撇考暮诵慕M件是現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，用于控制每個LED的開啟強(qiáng)度，例如在0～255之間任意調(diào)整LED的強(qiáng)度。FPGA控制還實(shí)現(xiàn)了顏色混合功能，即通過不同的原色混合復(fù)合顏色。本實(shí)驗(yàn)使用的測量裝置是Konica Minolta的色彩亮度計(jì)CS-150。CS-150 配備了具有與人眼光譜光視效率匹配的傳感器。根據(jù)說明的要求，色度計(jì)垂直放置在LED背光板前方 60 cm。對于每個測試樣點(diǎn)，進(jìn)行3次重復(fù)測量。3個測量結(jié)果的平均值作為最終測量結(jié)果。整個系統(tǒng)使用5 V穩(wěn)壓電源進(jìn)行供電，使用Fluke15B+萬用表進(jìn)行電流測量，萬用表的測量精度為0.001 A。LED背光板的功耗等于穩(wěn)壓電源的電壓值與測得的電流值相乘，所以功率測量的精度為0.005 W。

圖8 LED背光板

3.2 色差計(jì)算方法

為了保證顯示顏色的一致性，需要評估OGB三原色表達(dá)顏色的色度坐標(biāo)和RGB表達(dá)顏色的色度坐標(biāo)的偏差程度，也就是需要評估不同方案表達(dá)顏色的色差。本文引入如下公式計(jì)算色差E。

，

(6)

Y=Y

，

(7)

，

(8)

L*=116f(Y/Yn)-16

，

(9)

a*=500[f(X/Xn)-f(Y/Yn)]

，

(10)

b*=200[f(Y/Yn)-f(Z/Zn)]

，

(11)

，

(12)

，

(13)

在上述公式中，x和y表示顏色的色度坐標(biāo)(x,y)，X、Y、Z代表顏色的三刺激值，Xn、Yn、Zn表示白色D65的歸一化CIE XYZ三刺激值。L*、a*、b*表示某一顏色點(diǎn)在CIE LAB顏色空間中的坐標(biāo)，L*、a*、b*表示測量的顏色數(shù)據(jù)的和對比顏色數(shù)據(jù)之間的差值。

3.3 OGB區(qū)域內(nèi)部顏色對比節(jié)能實(shí)驗(yàn)

在CIE 1931 xy色度圖中，為了驗(yàn)證OGB三原色的節(jié)能效果，本文在ΔOGB 三角型區(qū)域選擇了 12 個測試點(diǎn)，如圖9所示。在測試時(shí)，所選取的 12 個測試點(diǎn)將在相同的亮度下分別使用OGB LEDs和 RGB LEDs進(jìn)行混色，然后比較這兩種方式混色后背光板的能耗和色差。評估色差是為了保證使用OGB所形成的顏色和RGB形成的顏色在視覺上沒有區(qū)別。

圖9 樣點(diǎn)位置示意圖

一般顯示器的亮度范圍為250～350 cd/m2[15]，本文在亮度為300 cd/m2的情況下進(jìn)行測試。具體步驟如第2.2節(jié)中所示。首先把目標(biāo)顏色的亮度和色度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三刺激值，再將其代入混色方程(5)。根據(jù)OGB LEDs的三刺激值，可以計(jì)算出OGB每種原色LED需要開啟的強(qiáng)度，同理RGB每種原色LED開啟的強(qiáng)度也可以計(jì)算得出。由于本文使用FPGA輸出8位脈寬調(diào)制(PWM)信號來控制每一個LED的亮度，需要把每個LED開啟的強(qiáng)度值量化到0～255的范圍內(nèi)，從而調(diào)控LED背光板的顏色。最后分別測量RGB和OGB兩種方案表達(dá)出的顏色的亮度、色度坐標(biāo)和功耗。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果在表1中給出。表中樣點(diǎn)序號1-RGB代表使用RGB表達(dá)顏色樣點(diǎn)1，1-OGB代表使用OGB表達(dá)顏色樣點(diǎn)1，x和y代表測量的顏色的色度坐標(biāo)，亮度和功耗為實(shí)際測量得到，ΔE代表色差，節(jié)能比例為OGB相比于RGB的節(jié)能比例。

表1 RGB與OGB的功耗對比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與現(xiàn)階段流行的RGB三原色相比，OGB原色的應(yīng)用可以節(jié)省功耗。與RGB三原色相比，使用OGB三原色表達(dá)顏色最大可節(jié)省27.33%的功耗，平均節(jié)省15.59%的功耗。并且色差ΔE不超過1.9，不會產(chǎn)生明顯的顏色差異。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對于OGB區(qū)域內(nèi)部顏色，使用橙色代替紅色，在顏色還原準(zhǔn)確的前提下可以產(chǎn)生較好的節(jié)能效果。

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以分析得出，使用本文提出的顏色轉(zhuǎn)換方法和LED控制方法，可以將不同方案表達(dá)的顏色的亮度差別控制在1% 以內(nèi)。OGB三原色混色后的色度坐標(biāo)和RGB三原色混色后的色度坐標(biāo)雖然不能完全一致，但是色差不超過1.9，不會產(chǎn)生明顯的色差。RGB與OGB的功耗對比結(jié)果反映在圖10中?？梢钥闯?，在OGB三角形內(nèi)，使用OGB表達(dá)顏色對于所有的測試樣點(diǎn)都有節(jié)能效果。

圖10 樣點(diǎn)功耗對比

3.4 OGB區(qū)域邊界顏色對比節(jié)能實(shí)驗(yàn)

本文將測試使用OGB LEDs重現(xiàn)色域邊界上飽和顏色的節(jié)能效果，以及驗(yàn)證顏色重現(xiàn)的準(zhǔn)確性是否會受到不同三原色重新混合的影響。選取的測試點(diǎn)位置如圖11所示。

圖11 測試點(diǎn)位置示意圖

圖12和圖13分別為A1～A8坐標(biāo)點(diǎn)使用RGB和OGB表達(dá)時(shí)，功耗和色差的對比。使用OGB重新表達(dá)顏色對于RGB方案，功耗平均降低43.2%。由于轉(zhuǎn)換方法符合混色原理，色差可以控制在1.4以內(nèi)。

圖12 OB直線上樣點(diǎn)的功耗對比

圖13 OB線上測試點(diǎn)的色差

圖14和圖15分別為OB直線左側(cè)的B1～B8坐標(biāo)點(diǎn)使用RGB和OGB表達(dá)時(shí)，功耗和色差的對比?？梢钥闯?，由于B1～B8測試點(diǎn)位于A1～A8附近，因此兩組的曲線非常相似。重現(xiàn)這些樣點(diǎn)顏色，需要較多紅色分量。根據(jù)本文提出的理論，紅色光的使用越少節(jié)能效果越明顯。通過計(jì)算得出OGB對比RGB平均可以節(jié)省40%的功耗。此外，圖15顯示了色差E折線，所有值都小于1。

圖14 OB線左側(cè)測試點(diǎn)的功耗對比

圖15 OB線左側(cè)測試點(diǎn)的色差

圖16和圖17分別為GB直線左側(cè)的C1～C8坐標(biāo)點(diǎn)使用RGB和OGB表達(dá)時(shí)，功耗和色差的對比。由于C1～C8坐標(biāo)點(diǎn)在表達(dá)顏色時(shí)，需要的橙色/紅色分量很小所以節(jié)能效果不顯著。此外，圖17顯示了色差E，所有值都小于2。因此在這些測試點(diǎn)中，所使用的節(jié)能方法不會影響顏色感知。

圖16 GB線右側(cè)測試點(diǎn)的功耗

圖17 GB線右側(cè)測試點(diǎn)的色差

使用RGB和OGB表達(dá)D1～D4的功耗和色差結(jié)果如圖18和圖19所示。可以平均節(jié)省13.4%的功耗?？梢钥闯鲈贠GB具有良好節(jié)能效果的同時(shí)，重現(xiàn)顏色的色差也較小。證明此節(jié)能方法可以在不影響顏色感知的情況下很好地達(dá)到節(jié)能的目的。

圖18 OG線左側(cè)測試點(diǎn)的功耗對比

圖19 OG線左側(cè)測試點(diǎn)的色差

3.5 改進(jìn)的RGBO背光顯示器

上一節(jié)中測試了OGB表達(dá)顏色的節(jié)能特性，表明使用OGB三原色相比于RGB三原色可以產(chǎn)生節(jié)能效果。在此基礎(chǔ)上，本文提出一種改進(jìn)的RBGO背光液晶顯示器方案，使RGBO四原色LED背光板充當(dāng)液晶顯示的背光源，對比傳統(tǒng)的RGB背光可以顯著降低功耗。顯示時(shí)，流程如圖7所示。

本文選取國際標(biāo)準(zhǔn)的測試圖像，以測試RGB和RGBO兩種背光方案的液晶顯示器顯示圖片時(shí)的節(jié)能效果。液晶顯示器的背光亮度會直接影響功率大小，測試時(shí)，RGB背光和RGBO背光均設(shè)置為300 cd/m2。實(shí)測得RGB背光亮度為302.1 cd/m2，色度坐標(biāo)為(0.312,0.329)，色溫為6 533 K；RGBO背光亮度為303.5 cd/m2，色度坐標(biāo)為(0.313,0.327)，色溫為6 509 K，兩種背光的色差ΔE為1.16。采用RGBO背光的液晶屏功耗為5.255 W，采用RGB背光的顯示屏功耗為6.760 W，使用RGBO背光相比較于RGB背光，節(jié)能比例可以達(dá)到22.26%。

通過比較圖20中的測試結(jié)果，可以看出兩種背光的顯示器顯示出的圖像區(qū)別較小，人眼不會產(chǎn)生明顯的顏色感知差異。在RGB和RGBO背光亮度基本相同的前提下，使用RGBO四原色背光的液晶顯示器的方案更加節(jié)能，證明本文提出的節(jié)能方法對于當(dāng)前主流的液晶顯示器具有良好的節(jié)能效果。

圖20 兩種背光的液晶顯示器顯示的圖像

4 結(jié) 論

本文根據(jù)現(xiàn)代顯示技術(shù)的顯示準(zhǔn)確和低功耗的要求，提出了使用人眼敏感的橙色代替人眼不敏感的紅色可以產(chǎn)生節(jié)能效果的理論。根據(jù)色域分區(qū)原理，介紹了一種OGB三原色重新表達(dá)顏色方法，研究了該方案在與現(xiàn)有三原色系統(tǒng)兼容的前提下，可以達(dá)到的節(jié)能效果。最后，基于上述理論，本文對OGB三原色表達(dá)一些特定色度坐標(biāo)的節(jié)能性能和顏色表達(dá)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：表達(dá)OGB區(qū)域內(nèi)顏色時(shí)，使用OGB LEDs代替RGB LEDs最高可以節(jié)省49%的能耗，平均可以節(jié)省15.59%的能耗。同一顏色在使用兩種三原色方案表達(dá)時(shí)，色差最大不超過1.9。通過改進(jìn)的RGBO LED背光液晶顯示器進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)圖像的測試。結(jié)果表明，使用RGBO方案在降低顯示裝置功耗的同時(shí)，可以較為準(zhǔn)確地再現(xiàn)原始圖像。本文方法對于目前顯示器節(jié)能的要求有很大的借鑒意義。