色域环：更出色的显示色彩分析
2025 年 3 月 20 日
15 分钟阅读
了解色域环如何提供更清晰、更直观的方式来可视化显示色彩性能。
作者：Chris Chinnock，Insight Media
色域环图是可视化显示器色彩性能的一种新方法。它已被 CIE、IEC 和 ICDM 等领先的计量组织标准化，因此现在是向专业人士甚至消费者介绍这一新功能的时候了。简而言之，"色域环 "方法提供了一种更简单、更直观的方式来了解显示器的色彩再现能力，无论是手机、显示器、电视机还是任何其他包含显示器的产品。它克服了 1931 年和 1976 年 CIE 图表等常用（但不完整）色彩可视化方法的局限性。
显示屏色彩通常如何可视化？
要评估显示器的色彩性能，需要了解它能再现的色彩范围，以及其色彩范围与显示器标准规格的匹配程度。针对不同的应用，有许多显示色彩规格。BT.709 规范被广泛用于描述电视、显示器和笔记本电脑的色彩能力，并被用于标准动态范围 (SDR) 电视信号。DCI-P3 和 BT.2020 标准涵盖了更大的色域，并被用于高动态范围（HDR）信号，是更现代的电视、显示器和移动设备规范的基础，而 Adobe RGB 色彩标准则用于打印和图形应用。
这些标准规定了完全符合标准的显示器应涵盖的色彩范围。红、绿、蓝三原色和白点用色度来描述。每种标准的三原色都不同。
要确定某种显示器能再现的色彩范围，传统的鉴定方法是显示纯红、绿、蓝光片并测量其光谱。由于这些红、绿、蓝三色几乎从未完全饱和过，而且覆盖了一定的波长范围，因此 CIE 坐标系应运而生。最初的 1931 年 CIE 图表将三种颜色绘制为(x, y) 数据点。图 1 展示了 BT.2020 和 BT.709 两种电视标准的色度范围。图中左侧、顶部和右侧边缘的马蹄形追踪了单色（单一）波长颜色的位置，范围从深紫色（最短波长）到深红色（最长波长），典型的人眼可以感知到这些颜色。马蹄形外围的数字是以纳米为单位的可见波长。格拉斯曼颜色混合添加定律指出，混合颜色位于 RGB 三角形内。如图所示，这些标准并没有涵盖大多数人所能看到的全部颜色。
CIE 1931xy图
图 1：在 CIE 1931 图上绘制的 BT.709 和 BT.2020 标准
1976 年，CIE 组织将（x, y）坐标系更新为使用（u', v'）坐标的坐标系。这样做是为了使色彩可视化空间更加 "线性"。1976 年 CIE 图表（图 2）的设计意图是，在色彩空间中，任何两个色彩点之间的距离相等，那么无论这两个色彩点在图表中的位置如何，人类感知到的色彩变化量都是相同的。
CIE 1976 u'v' 图
图 2：在 CIE 1976 图上绘制的 BT.709 和 BT.2020 标准
特定显示器的色彩表现通常以（x，y）或（u'，v'）表示的三角形绘制，并将其面积与参考标准三角形的面积进行比较。这样做的好处是简单易懂。如果显示屏的 RGB 三角形很大，那么与较小的三角形相比，它一定能显示更多的颜色。虽然这是事实，但并不能说明全部问题。因为任何显示器的色彩表现都是三维的。事实上，1976 年，CIE 发布了 CIELAB 色彩空间，明确将色彩定义为一种三维属性。这意味着显示器所能呈现的色彩也是画面亮度的函数。当显示器亮度较低时，色彩范围可能会受到限制，但随着亮度的增加，色彩范围会逐渐扩大。然而，对于某些现代显示器，在亮度较高的情况下，例如使用白色子像素时，可再现的色彩范围也会缩小。此外，正如将要讨论的那样，这种二维显示显示器色彩能力的方法可能存在严重缺陷。
CRT 显示器的亮度范围有限，但现在的显示器可以达到几千尼特，目标是达到 SMPTE 2084 HDR 标准中规定的 BT.2020 色彩范围。这意味着在更宽的亮度范围内，色彩表现可能会有很大差异。因此，分析显示器在单一亮度水平下的色彩能力并不能显示其在宽亮度范围内的色彩表现。再考虑到色度图并不能区分（例如）白色与灰色、橙色与棕色、鲜绿色与森林绿，在每种情况下，颜色都会出现在色度图的相同位置。因此，标准组织开始将 1931 年或 1976 年图表上的三角形区域称为色域，而不是三维色域。
这里的主要启示是，颜色不仅需要用色度（色相和饱和度）来定义，还需要用色度和亮度来定义。
什么是色量？
为了克服上述的一些缺点，色彩科学家们提出了用色彩体积法来描述显示器三维色彩表现的概念。其原理是在数十种不同亮度水平下测量显示器的色彩范围。虽然这样做听起来很容易，但直到最近，这仍是一个耗时且数学密集的测量过程。
色彩体积也使用不同的坐标空间。(x, y)或(u', v')被坐标a*和b* 所取代，第三个坐标称为L *。图 3 显示了在此 Lab 空间中显示的色彩体积。
图 3：实验室中的色彩体积表示法
实验室色彩空间的设计旨在实现感知上的统一，这意味着这些数值中相同的数值变化量与视觉感知上的变化量大致相同。L*的范围从 0 到 100，其中 0 表示黑色，100 则归一化为峰值白色亮度水平。从本质上讲，L*衡量的是颜色的明暗程度，与色调和色度无关。a*轴代表从绿色到红色的颜色或色调分量。a*轴的正值表示红色，负值表示绿色。b*轴代表从蓝色到黄色的颜色或色调分量。b*轴的正值表示黄色，负值表示蓝色。实验室空间中的任何颜色都由这三个值组合而成：亮度、颜色分量a*和b*。靠近该空间中心的点的饱和度或色度降低。向体积外部移动则表示能够呈现更深的色调。
虽然在实验室色彩空间中测量显示屏的色彩性能可以提供更多的数据，并更好地了解显示屏的真实色彩性能，但它也有一些缺点。大体积一般比小体积好，但要看到不同亮度（亮度）下的色彩表现差异却很难确定。例如，图 3 需要从不同的视角进行评估，才能真正评估整个绘制的实体形状的色彩覆盖范围。
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其次，要在如此复杂的形状之间进行比较，以了解色彩表现的强弱，也非常具有挑战性。此外，将显示屏的色彩量与 BT.2020 等参考标准进行比较还需要许多透视图，以评估显示屏在哪些方面可以再现特定的色彩（或色彩范围），哪些方面没有覆盖。
因此，业界需要一种更好的方法来测量和呈现真实色彩能力，以及在二维媒体上绘制固有三维属性的方法。为了满足这一需求，日本广播协会（NHK）率先推出了一种名为 "色域环 "的工具。值得注意的是，近年来，色域环已被写入主要组织的标准中，包括 SID 的 ICDM（IDMS 5.32）、IEC（如 62977-2-1、62977-2-2 和 62906-5-1）以及 CIE 本身（如 CIE 246）。
色域环基础知识
色域环的原理是简化色量的解释。首先，色域环规范要求对亮度进行归一化处理，使峰值白色亮度等于L*100，因此原始数据被映射到 0 到 100L*的相对刻度上。对于 HDR 显示器，L*100可以是 1000 尼特或更高水平（注：HDRL*100水平尚未由 CIE 或任何其他标准制定组织指定，但应在任何已发布的结果中说明，因为这可能是一种操纵数据的方法）。
图 4（a）显示了色彩标准 BT.2020 在 D50 CIELAB 色彩空间中的色彩体积表示。(图 4（a）显示了分为 10 个范围（L*= 0-10、10-20、...、90-100）的体积表示。在图 4 (b)中，每个L*范围段都进行了变换，使其两侧垂直，同时保留其体积。在 (c) 所描述的操作中，板块被压缩，形成一个一光度厚的 "切片"。图(d)和(e)说明了如何通过去除较低和较高级别的数值，为每个切片创建数据 "环"。为了绘制 (f) 所示的色域环图，需要进行数学映射。可以把这个映射过程想象成树的年轮，或者投影操作。当投影仪离屏幕越远，图像就越大。当显示更高的L*范围时，色域环就会被拉伸成一系列越来越大的环，从而使三维体积表现为二维图像。因此，(f) 展示了 BT.2020 标准的色域环表示法。
图 4：色域环框架：(a) 色域实体以每 10 个 L* 为间隔被分割成若干块；(b) 对若干块进行变换，使它们的边垂直，同时保留每个色相角的体积；(c) 将板材拉伸为一个光度厚；(d) 将带孔的最低第二块板材缠绕在最低的板材上；(e) 将第六个环缠绕在较低的五个环上；(f) D50 CIELAB 色彩空间中的 BT.2020 色域环。(注：D65 CIELAB 色彩空间用于色彩范围）。
使用色域环
虽然显示参考标准的色域环图很重要，但最终还是要测量显示器的性能，并将其与 BT.2020 等参考标准进行比较。此图称为色域环交叉图。
为此，首先要测量显示屏的色量，然后使用图 4 中描述的过程创建色域环数据。图 5 展示了显示器的色域环数据与 BT.2020 参考标准（黑色环）的对比情况。只要图像中出现灰色，就表示显示器无法按照参考标准的饱和度（色度）呈现这些颜色。在图 5 所示的情况下，显示屏无法在很宽的亮度（亮度）值范围内再现参考标准中的所有颜色。
图 5：根据测量数据和 BT.2020 目标得出的最终色域 Rings 结果
色域环为何重要
虽然色量计量法解决了用色度和亮度描述色彩的需要，但它并没有解决简单性的问题，也不容易比较不同显示器的性能。色域环有助于解决这个问题，并能消除色度色域测量的不准确性
图 6 显示了采用不同色彩生成技术制造的两款显示器的数据。请注意，当使用 CIE 1976(u', v') 标准对每台显示器进行评估时，两台显示器的色彩覆盖率基本相同，DCI-P3 参考标准的覆盖率分别为 98% 和 99%。色度图几乎相同。但当使用色域环进行评估时，两台显示器的能力差异就非常明显了。一台显示器在全亮度范围内只覆盖了 51% 的体积 DCI-P3 标准，而另一台则覆盖了 98%。这是肉眼可见的巨大差异。显示屏 1 显然无法呈现 DCI-P3 高亮度范围内的高饱和度色彩。
图 6：两台显示器的 u'v' vs. Gamut Rings 色彩数据
使用色度图或色彩体积图形和数字来描述色彩性能是有局限性的，而且会导致营销上的诡计。参考标准的面积覆盖率可以通过总面积（可以大于参考标准的 100%）或参考标准内的面积（与实际参考标准相交，因此≤参考标准的 100%）来报告。这种方法通常没有说明。更广泛地说，特别是对于现代显示器，如上例所示，使用 CIE 1931 或 1976 报告色彩能力可能会产生很大的误导。
色彩体积数据也会出现同样的规格问题。由于它基于归一化亮度标尺，因此测量结果都是相对的，需要根据显示数据进行归一化。因此，当这些数据被 "归一化 "为亮度值时，一个可以从 0.005 尼特显示到 2000 尼特的显示器的色量实际上可能与一个只能从 0.5 尼特显示到 500 尼特的显示器非常相似。从本质上讲，标准动态范围显示器的色彩体积可能 "看起来 "与高动态范围显示器非常相似，这将产生极大的误导。所有这些问题都会造成营销漏洞，公司可以利用这些漏洞以误导的方式来描述其显示器的特性。重要的是要记住，色量只是衡量显示器性能的一个标准。还必须考虑峰值亮度、对比度和其他一系列性能因素。
色域环并不能解决所有的色彩理解问题，但它的使用是朝着正确方向迈出的有益一步。首先，色域环能更好地将复杂的三维色彩反应简化为更直观的二维表示。其次，对于普通消费者、校准师、审查员和计量人员来说，复杂的采集和数学处理现在变得更容易使用了。Portrait Display 的 Calman 软件现在支持采集 602 个数据点，用于创建 Lab 色彩空间的色彩体积，同时还能根据特定的参考规格生成色域环交叉图。
卡尔曼的各种环能力
Calman Studio 和 Ultimate（5.15.6 或更高版本）现在支持数据采集和处理，以显示 Gamut Rings 色彩性能。这些工具需要色度计或光谱仪以及模式发生器才能启动。在 HDR 模式下测试显示器时，必须配置元数据以指定 EOTF（如 HDR10 或 Dolby Vision）以及窗口测试模式（10% 等）。在程序的 "色域范围 "部分，还必须选择参考目标标准，如 BT.2020 或 DCI-P3。程序启动后，系统将测量所选 EOTF 中全部色彩和亮度范围内的 602 个数据点。计算色量、分析色域范围并显示交集图。整个过程只需几分钟即可完成。
输出结果将显示与图 6 类似的色域环交叉图、显示屏的最小和最大亮度值以及目标（体积）参考色域的覆盖百分比。获取数据后，可以更改目标参考标准（例如从 BT.2020 到 DCI-P3）或 EOTF，以查看显示屏在不同信号和模式下的表现。还可以进行更多分析。
Calman 的这些 Gamut Rings 功能正在推动显示器计量技术的发展。由于 HDR 模式的计量标准仍在制定中，该软件已成为一种独特的工具，可用于以前所未有的方式评估显示器。例如，这可能包括改变评估过程中使用的平均图像电平（可变、恒定、可选），以发现显示器性能的不同特征或伪影。
该工具正在探索评估显示器的新方法，同时还允许对软件解决方案进行修正和微调。开发工作将继续帮助回答许多悬而未决的问题。例如，哪些模式需要标准化测试？是否需要？是否需要包含漫反射白点亮度值，或者报告平均图像亮度 (APL) 和峰值亮度与色域环数据是否足够？是否需要在 ICDM、IEC 或其他组织内进行更多标准化？色域是否能更好地解释显示器在不同环境照明条件下的性能？它们是否有助于评估反射型显示器？
使用案例
校准师、审查员和计量师等专业人士应考虑使用色域环来评估显示器的色彩性能。显示器色彩性能可视化方法的改进使显示器之间进行一致的色彩比较变得更加容易。这对于工厂生产线的显示器校准、评测人员和消费者比较显示器以及计量人员以创新方式探索显示器性能尤为重要。
采用色域环可以在从内容生成到显示的整个生产链中提供更一致、更准确的色彩，从而使专业调色从中受益。例如，色域环交叉图还可用于监控视频，帮助识别并突出显示超出目标色域的像素（图 7）。
图 7：用于监控超出目标像素的色域环
摘要
色域环方法是查看任何显示器色彩性能的一种新方法。它提供了一种简化的方法来观察显示器的三维色彩表现，从而创建出更易于理解的二维图表。使用这种方法有一个很大的好处，那就是能以更一致的方式比较显示器的色彩性能，同时希望能减少有时在色彩报告中出现的一些营销诡计。
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