DIGITAL PRINTING Tol.210 No.1 2021.2数字印刷 2021年第1期（总第210期）
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前沿科技
收稿日期：2021-01-08 *为通讯作者
CIE颜匹配函数对LCD和OLED显示屏
戚薇照片校准的影响
魏敏晨*，吴佳露
（香港理工大学 颜与照明实验室，香港 999077）
摘要 显示屏的校准与评价都离不开CIE 颜匹配函数。近几年来，OLED 广域显示屏开始逐步占领智能手机市场，许多用户和厂商都发现了经校准的OLED 显示屏和传统的LCD 显示屏会有非常明显的差。
本研究针对这一问题对两种手机显示屏进行了测量，并进行了心理物理实验及计算分析，结果发现目前广泛使用的CIE1931颜匹配函数对于OLED 的显示屏校准存在较大问题。关键词 颜匹配函数；显示屏校准；OLED ；LCD
中图分类号 TP391.41 文献标识码 A 文章编号 2095-9540(2021)01-77-04DOI 10.19370/jki10-1304/ts.2021.01.011
Effect of CIE Color Matching Functions on LCD and OLED Displays
WEI Min-chen *, WU Jia-lu
(Colour and Illumination Laboratory, The Hong Kong Polytechnic University, Hongkong 999077, China )
Abstract The CIE Color Matching Functions (CMFs) play a critical role in display calibration and characterization. In recent years, wide-color-gamut OLED displays are becoming more and more popular in smartphone community. Many users and manufacturers have found that OLED and LCD displays have very obvious color differences even if they are calibrated to have same chromaticities using the CIE 1931 CMFs. In this study, the OLED and LCD displays were measured and a color m
atching experiment was carried out. It was found that the CIE 1931 CMFs can introduce serious problems to OLED display calibration.
Key words CIE Color Matching Functions; Display calibration; OLED; LCD
0 引言
颜的测量与校准在照明、显示、打印、油墨、印刷、纺织等行业中具有重要的作用。国际照明委员会（CIE ）定义的CIE 颜匹配函数是颜测量与校准的基本工具，通过利用光谱功率分布与三条CIE 颜匹配函数相乘并积分，就可以得到三
刺激值和颜坐标。通常，具有相同三刺激值的颜
刺激被认为具有相同的颜。CIE 在1931年基于Wright [1]和Guild [2]的颜匹配结果定义了一组适用于2°视场角的颜匹配函数——CIE1931颜匹配函数。1964年，CIE 又定义了可以应用于较大视场角的CIE1964颜匹配函数。为了更好地将配函数与人眼视网膜上的视锥细胞响应相结合，CIE 在2015年又分别针对2°和10°视场角提出了基于视
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锥细胞反应函数的CIE2015颜匹配函数[3]。至今，
CIE1931函数在各个与颜相关领域中都有广泛的
应用。
在众多领域中，显示屏技术在最近的几年里出
现了非常重大的变化。越来越多的智能手机和显示
器都开始采用OLED显示屏来替代LCD显示屏。相
比于传统的LCD显示屏，OLED显示屏可以提升显
示屏的域，从而可以显示更多颜，尤其是高饱和度的颜。但最近有用户发现，OLED与LCD显示屏存在较大的差，尤其是在白画面。在比较OLED和LCD显示屏时，也发现OLED屏的白画面明显偏绿，尤其是将显示屏放在阳光下观察时。本研究对OLED显示屏相对于LCD显示屏明显偏绿的现象进行了探究，并确定这一现象是否由CIE1931颜匹配函数所引起。
1 OLED与LCD显示屏的测量与分析
针对OLED和LCD显示屏在显示白画面时有较大差这一现象，本研究分别在使用LCD和OLED显示
屏的iPhone 11和iPhone 12手机上产生一系列RGB值相同的白画面（即不同亮度下的显示屏校准后的白点），并且关闭了会影响显示屏颜和亮度的相关功能，例如自动亮度调整和TrueTone 功能。使用PhotoResearch 655光谱仪对各个画面的光谱（测试波长范围为380~780nm，间隔为4nm）沿垂直方向进行测量，测量在全黑空间内完成，并且显示屏在测量前都以峰值亮度预热30分钟，图1为峰值亮度下显示屏的光谱，图2为各显示屏亮度下用CIE1931颜匹配函数所计算的白点的坐标。表1为基于测量的光谱所计算出的坐标和相关温。为了更好地表征差，本研究对各画面的坐标与D65坐标在CIE1976u’v’度图上的距离（Δu’v’）也进行了计算，如表1所示。
从图1、图2、表1可以发现，显示屏亮度对于手机屏白点的坐标几乎没有影响。与常用的D65白点相比，iPhone11 LCD屏的白点的相关温较高，而iPhone12 OLED屏的白点的相关温稍低。两者白
图1 峰值亮度下OLED与LCD显示屏白点的发光光谱Fig.1 Spectral Power Distribution (SPD) of the OLED and
LCD display white point
0.035
0.480
380580
480680
430630
530730780
波长(nm)
0.015
0.460松本润 井上真央
0.025
0.470
0.03
0.475
0.01
0.455
0.02
0.465
图2 使用CIE1931颜匹配函数计算LCD和OLED显示屏上白画面在不同亮度下的坐标(u’,v’) Fig.2 Chromaticity coordinates (u’,v’) of the neutral colors shown on the LCD and OLED displays calculated
using the CIE 1931 CMFs
0.005
0.450
光
谱
功
率
(
W
/
n
m
)
v
'
iPhone 11 (LCD)
iPhone 12 (QLED)
iPhone 12
iPhone 11
D65
Blackbody locus
u'
0.1850.1900.1950.2000.2050.2100.215
点的坐标与D65坐标之间的距离都在0.003~0.004个u’v’单位内，小于一个单位的最小可觉差（JND），因而从CIE1931颜匹配函数的角度而言，这两个显示屏的白点不存在明显的差。这一结果无法解释所观察到OLED显示屏明显偏绿的情况。
由于许多研究都发现，相比于CIE1931颜匹配函数，针对10°视场角所建立的CIE1964颜匹配函数与人眼实际观察的颜匹配和差具有更好的相关性。因而，本研究采用CIE1964的颜匹配函数对
所测量的光谱的坐标进行重新计算，如图3所示。可以发现，iPhone12 OLED显示屏的白点与D65相比明显沿+v’-u’方向（即黄绿方向）偏移，而iPhone11 LCD显示屏则更偏向黑体辐射线。这意味着，如果CIE1964颜匹配函数能更好地表征人眼所观察的颜
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魏敏晨等：CIE颜匹配函数对LCD和OLED显示屏校准的影响表1 使用CIE1931颜匹配函数计算LCD 和OLED 显示屏上白画面在不同亮度下的坐标、相关温以及与D 65间的差Tab.1 Luminance, (u ’,v ’), CCT, and Δu ’v ’ to D 65 of the neutral colors shown on LCD and OLED displays at different gray levels calculated using the CIE 1931 CMFs
RGB 数值iPhone 11 (LCD)
iPhone 12 (OLED)
Y u ’v ’CCT Δu ’v ’ Y u ’v ’CCT Δu ’v ’ 255643.90.19490.464069830.004641.40.19970.469763070.003220461.10.19520.463969700.004462.90.19960.469663180.003190334.30.19560.463369840.004335.20.19960.469963040.003160225.80.19530.463869690.004228.90.19960.469863050.003130144.20.19510.464069690.004145.60.19940.469763200.00310081.10.19540.463469950.00481.40.19940.470362910.0047036.60.19520.463769850.00437.40.19870.470463250.0044010.90.19540.464569140.00311.00.19820.471562940.00520
2.3
0.1956
0.4617
7103
0.006
2.5
0.1990
喂奶门0.4719
6229
0.005
图4 实验所用观察箱及颜刺激示意图
Fig.4 Schematic illustration of the viewing booth and setup闯黄灯算违章吗
used in the experiment
60cm
60cm
6cm
60cm
0.4800.460闫妮老公是谁
0.4700.4750.455
0.465图3 使用CIE1964颜匹配函数计算LCD 和OLED 显示屏
上白画面在不同亮度下的坐标(u ’,v ’)
Fig.3 Chromaticity coordinates (u ’,v ’) of the neutral colors shown on the LCD and OLED displays calculated using
the CIE 1964 CMFs
v '
iPhone 12iPhone 11D 65
Blackbody locus
u '
0.1850.1900.1950.2000.2050.2100.215
，那么采用CIE1931所校准的OLED 和LCD 屏会有明显的差，且OLED 屏会明显呈现黄绿。
2 颜匹配实验
为了更好地论证这一现象，本研究进行了颜匹配实验。首先采用一台11通道的光谱可调LED 设备去模拟D 70照明体，即该颜刺激的CIE1931坐标与标准D 70照明体相同。由于该颜刺激具有连续的光谱功率分布函数，因而不同观察者所观察到的差相比于窄谱的颜刺激而言较小。然后通过4台不同供应商的手机显示屏来进行实验，其中包含3台OLED 显示屏和1台LCD 显示屏。实验采用如图4所示的全黑观察箱，在观察箱的背板上开两个尺寸为4cm ×4cm 的方孔，11通道的LED 设备被放置在一个方孔的位置，而手机显示屏则放置在另一个方孔位置。观察者双目同时观察两个颜刺激，并通过调节手机屏产生的颜刺激来匹配由11通道LED 设备所产生的颜刺激。
对观察者所调节的颜刺激进行逐一测量后，构建了基于CIE1931颜匹配函数坐标的辨差异度椭圆，如图5所示。从图5可以发现，在颜匹配的情况下，LCD 显示屏所产生的颜刺激的坐标与
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D 70模拟器的坐标并无明显的差别，而OLED 显示屏所产生的颜刺激都明显地沿+u ’-v ’方向偏移，且与D 70模拟器的坐标具有明显的差别。这意味着，如果OLED 显示屏与LCD 显示屏都采用CIE1931颜匹配函数校准到相同坐标，则OLED 显示屏相比于LCD 显示屏会明显地呈现黄绿，这与人眼目测观察到的现象完全一致，也充分论证了采用CIE1931颜匹配函数进行OLED 显示屏校准的重大缺陷。
3 结论
本研究对OLED 显示屏相对于LCD 显示屏明显偏绿的现象是否由CIE1931颜匹配函数所引起的问题进行了探究。通过测量LCD 与OLED 显示屏在各显示屏亮度下的光谱，并计算基于CIE1931颜匹配函数的坐标发现，两种显示屏的坐标无法解释OLED 显示屏偏绿的问题。因此采用了CIE1964颜匹配函数进行了计算，结果表明OLED 显示屏的坐标明显朝着偏绿的方向偏移，意味着OLED 显示屏偏绿的现象可能是由于采用CIE1931颜匹配函数进行显示屏校准所引起的。
为了更好地证明这一问题，本研究还进行了颜匹配实验，观察者通过调节手机显示屏的颜去匹配一个具有较宽谱线的D 70模拟器的颜，结果
发现在颜匹配的情况下，LCD 显示屏与D 70模拟器的CIE1931坐标无明显差异；而OLED 显示屏的坐标则明显往红蓝方向偏移。这意味着如果采用CIE1931颜匹配函数进行显示屏校准，则OLED 显示屏会明显偏绿。随着新型显示技术的不断出现和普及，现行颜匹配函数的缺陷会带来越来越大的问题。为了提升应用不同技术的显示屏的颜一致性，需要针对不同设备和技术开展对应的颜匹配实验，而从长远来看需要更全面深入地研究配函数。
参考文献
[1]
WRIGHT W D. A Re-determination of the Trichromatic Coefficients of The Spectral Colours [J]. Transactions of the Optical Society, 1929, 30(4): 141.[2]
GUILD J. The Colorimetric Properties of the Spectrum[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical or Physical Character, 1931, 230(681-693): 149-187.[3]蚊子更爱咬什么样的人
CIE Technical Report 170-2. Fundamental Chromati- city Diagram with Physiological Axes-Parts 2: Spectral Luminous Efficiency Functions and Chromaticity Diagrams [R]. 2015.
主要作者
魏敏晨（1987年-），博士，副教授；主要研究方向为度学及度学在照明及影像系统的应用。
WEI Min-chen, born in 1987. He got the doctor degree and now is an associate
professor. His main research directions are color science and application of color science on illumination and imaging systems.
吴佳露（1995年-），博士研究生；主要从事颜匹配函数及影像系统校准研究。WU Jia-lu, born in 1
995. She is a PhD student. Her main research directions are color matching function and calibration of
imaging systems.
图5 使用CIE1931颜匹配函数计算使用LCD 和OLED 显示屏产生与D 70模拟器具有匹配颜的辨差异度椭圆Fig.5 The color discrimination ellipses of D 70 simulator and the LCD and OLED displays calculated using the CIE
1931 CMFs
0.4800.4600.4700.4750.455
0.4650.450
v '
u '0.1850.1900.1950.2000.2050.2100.215
OLED
LCD
Broadband D 70
(参考)
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