郭春麗，黃 敏，習(xí)永惠，潘 潔

北京印刷學(xué)院印刷與包裝工程學(xué)院，北京 102600

引 言

人眼色覺系統(tǒng)的錐細(xì)胞光譜響應(yīng)是由眼睛的晶狀體色素、黃斑色素以及視細(xì)胞感光色素等要素共同決定，它們對(duì)不同波長光刺激有著不同的光譜響應(yīng)能力[1-2]，共同作用形成了一組錐細(xì)胞響應(yīng)函數(shù)(即顏色匹配函數(shù)，color matching functions，CMFs)。 目前對(duì)觀察者顏色匹配函數(shù)的相關(guān)研究主要集中在觀察者年齡和觀察視場(chǎng)的改變。 研究表明，晶狀體色素光譜響應(yīng)主要是由于年齡增長引起的，而黃斑色素以及視細(xì)胞感光色素光譜響應(yīng)主要與視場(chǎng)的變化有關(guān)； 同時(shí)，中央凹黃斑區(qū)外的桿體細(xì)胞對(duì)顏色感知也有一定的貢獻(xiàn)[3]。 現(xiàn)有CIE推薦的各顏色匹配函數(shù)(CIE1931，CIE1964和CIE2006 CMFs)，計(jì)算視場(chǎng)角不超過10°，涵蓋了不到0.5%的人眼視野范圍，而在自然環(huán)境下，人眼可觀測(cè)到的全視野范圍水平方向可達(dá)180°，垂直方向可達(dá)130°[4]。 在觀測(cè)大面積顏色樣本觀測(cè)時(shí)，有必要研究大于10°觀察視場(chǎng)情況下的顏色匹配函數(shù)表現(xiàn)。

Hu等[4]測(cè)試了10名觀察者在10°和102°×50°視場(chǎng)下的顏色匹配函數(shù)表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)兩種視場(chǎng)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在顯著差異，認(rèn)為有必要提出針對(duì)大視場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算的顏色匹配函數(shù)。 為研究樣本尺寸對(duì)勻色色塊顏色外貌的影響，Kutas等[5-6]在等離子顯示設(shè)備上顯示大尺寸(85°×55°)色樣，組織觀察者在CRT顯示設(shè)備上匹配小尺寸(2°或10°)色樣，結(jié)果表明大尺寸色樣更明亮，樣本的彩度和色調(diào)變化不大。 Xiao等[7]在室內(nèi)墻面上分別涂上十二種不同的顏色(視場(chǎng)角大于50°)，組織了10名年齡在20～40歲的觀察者分別通過在CRT顯示器上調(diào)節(jié)和在標(biāo)準(zhǔn)觀察箱中挑選NCS色卡開展色貌評(píng)估實(shí)驗(yàn)。 結(jié)果表明，隨著觀察視場(chǎng)的增大，樣本會(huì)呈現(xiàn)出更明亮和鮮艷的顏色外貌，從而提出了表征顏色外貌隨視場(chǎng)角變化的計(jì)算方法。 2017年，Wei[8]等基于Xiao對(duì)色貌模型的研究結(jié)果，結(jié)合CIE CAM02色貌模型提出了一種可以預(yù)測(cè)各種觀察條件(包括顏色刺激的大小、照明水平等)下顏色外貌的計(jì)算模型。

上述研究主要是圍繞顏色外貌隨觀察視場(chǎng)的變化開展，但并未對(duì)計(jì)算顏色外貌的顏色匹配函數(shù)性能進(jìn)行系統(tǒng)的比較分析。 同時(shí)，前期研究也表明[9-10]，同色異譜樣本的光譜組成對(duì)顏色匹配的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。 為研究基于不同原色呈色方式、不同觀察視場(chǎng)的顏色感知差異，需要開展大量顏色匹配實(shí)驗(yàn)，以收集觀察者在不同觀察視場(chǎng)下的顏色匹配數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行不同原色光譜、觀察視場(chǎng)變化對(duì)觀察者顏色感知的影響分析。

表1 顯示設(shè)備的色度參數(shù)Table 1 Colorimetric values of different displays

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 不同原色顯示設(shè)備

實(shí)驗(yàn)共選擇了4臺(tái)專業(yè)級(jí)顯示設(shè)備，分別為LCD原色光譜的顯示器EIZO-CG19(CCFL冷陰極熒光燈背光，TFT面板)、QUATO-220ex顯示器(LED背光)、LED原色光譜的NEC-PA242W(AH-IPS面板)及NEC-PA241W(CCFL冷陰極熒光燈背光，IPS面板)顯示器。 將4臺(tái)顯示設(shè)備進(jìn)行組合，共組成了3組顏色匹配實(shí)驗(yàn)裝置(包括目標(biāo)設(shè)備和匹配設(shè)備)，如表1所示。 圖1為用光譜輻射度計(jì)PhotoResearch655(PR655)采集到3組實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和匹配設(shè)備的原色光譜歸一化能量分布曲線。

圖1 三組顏色匹配實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和匹配設(shè)備的原色光譜曲線分布

由圖1可見，測(cè)量得到的每一組目標(biāo)和匹配設(shè)備的原色光譜形狀、峰值波長位置和光譜帶寬均有一定的差異，表2為每組顯示設(shè)備在紅、綠、藍(lán)原色光譜的峰值波長位置及匹配設(shè)備相對(duì)于目標(biāo)設(shè)備的峰值波長位移，其中正值代表匹配設(shè)備的峰值波長位置較目標(biāo)設(shè)備向長波段偏移，反之則為向短波段偏移。

表2 不同顯示設(shè)備紅綠藍(lán)通道的峰值波長位置(nm)Table 2 The peak wavelength positions of RGBchannels for different displays (nm)

1.2 顏色刺激

選用CIE推薦的5個(gè)顏色中心[11](灰、紅、黃、綠、藍(lán))為本實(shí)驗(yàn)的顏色刺激，制作了不同大小的正方形開窗黑色擋板，其明度Y10=4.72。 觀察者到顏色刺激的觀察距離為50 cm，通過改變樣本尺寸以實(shí)現(xiàn)觀察視場(chǎng)的改變。 顏色刺激在不同顯示設(shè)備上呈現(xiàn)，其各邊緣和中心顏色的CIELAB色差值不超過1.2，以保證在不同視場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)過程中，顏色均具有較好的均勻性。 不同觀察視場(chǎng)(2°，4°，10°，22°)對(duì)應(yīng)的樣本邊長分別為1.74，3.50，8.54和19.44 cm。

1.3 觀察者

組織了63名(19男，44女)18～25歲的觀察者平均年齡20歲，其中18人(2男，16女)、23人(10男，13女)、22人(7男，15女)基于Group1，Group2和Group3進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。 所有觀察者均為北京印刷學(xué)院印刷工程專業(yè)的學(xué)生，色覺正常且具有顏色科學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)。 基于三組實(shí)驗(yàn)四個(gè)視場(chǎng)角的5個(gè)顏色中心，共采集到1 260組(=63人×4個(gè)視場(chǎng)×5個(gè)色中心)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.4 顏色匹配實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在暗室進(jìn)行，顯示設(shè)備是唯一的發(fā)光源，每次實(shí)驗(yàn)前，所有顯示設(shè)備均需預(yù)熱90 min。 為保證觀察者到每臺(tái)顯示設(shè)備的距離相同(約50 cm)，觀察者正坐于兩臺(tái)顯示設(shè)備呈現(xiàn)顏色的中心位置。 5個(gè)顏色刺激隨機(jī)在目標(biāo)設(shè)備上顯示，用黑色擋板將匹配設(shè)備屏幕的其他部分遮蓋，只預(yù)留出色塊與調(diào)節(jié)通道的位置。 實(shí)驗(yàn)開始前，觀察者需進(jìn)行1 min左右的色適應(yīng)。 正式實(shí)驗(yàn)時(shí)，觀察者需調(diào)節(jié)匹配設(shè)備上的R，G和B三通道使匹配色與目標(biāo)色達(dá)到視覺上的匹配。 對(duì)于每位觀察者，4個(gè)觀察視場(chǎng)中的一組(即固定樣本尺寸的5個(gè)顏色中心)顏色隨機(jī)呈現(xiàn)。 觀察者每次需完成一個(gè)視場(chǎng)下的一組顏色匹配，然后由實(shí)驗(yàn)組織者用PR655實(shí)時(shí)采集目標(biāo)設(shè)備和匹配設(shè)備上顏色刺激的光譜能量。

2 結(jié)果與討論

2.1 觀察者精度分析

前期研究表明[9-10, 12]，不同光譜原色的顯示色之間[9]、不同光譜原色的反射色之間[10]、反射色和自發(fā)光色間[12]的光譜組成對(duì)目視實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有一定的影響。 為避免實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集誤差和觀察者匹配誤差等的影響，同時(shí)考慮到數(shù)據(jù)初選的易操作性，由實(shí)驗(yàn)組織者對(duì)采集的觀察者配色光譜數(shù)據(jù)，用CIE1931 CMFs (2°及4°視場(chǎng))或CIE1964 CMFs (10°及22°視場(chǎng))代入計(jì)算，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的初選。 具體為： 計(jì)算目標(biāo)色和匹配色的CIELAB色差，如果色差值大于10.0，則需要觀察者重新匹配； 如果第二次匹配顏色的CIELAB色差仍然大于10.0，則取觀察者兩次匹配的最小色差數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。 完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的初選后，需計(jì)算每位觀察者匹配某一顏色與所有觀察者匹配某一顏色平均值間的CIE DE2000色差[13]，隨后計(jì)算五個(gè)顏色的CIE DE2000色差平均值，如表3所示。

表3 三組實(shí)驗(yàn)不同視場(chǎng)下觀察者匹配顏色的準(zhǔn)確性Table 3 The observer accuracies of three experimentalgroups with different field sizes

由表3可見，三組實(shí)驗(yàn)觀察者的配色精度為2.23，2.50和2.91。 Asano等模擬計(jì)算[14]觀察者的匹配精度為0.54～2.60，說明三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確有效的。

2.2 顏色匹配色度值

圖2 用不同觀察視場(chǎng)和觀察者年齡計(jì)算的CIE2006 CMFsFig.2 The CIE2006 CMFs for differentviewing fields and ages

將實(shí)驗(yàn)采集到的觀察者匹配顏色光譜數(shù)據(jù)，分別用CIE1931，CIE1964和CIE2006 CMFs(代入相應(yīng)視場(chǎng)角和觀察者的真實(shí)年齡)計(jì)算在不同匹配設(shè)備上得到的不同觀察視場(chǎng)下顏色的L*a*b*色度值(考慮到CIE2006 CMFs的視場(chǎng)計(jì)算范圍為1°～10°，因此22°視場(chǎng)的計(jì)算以10°代入)，將散點(diǎn)圖繪制在圖3(其中黑色邊框的點(diǎn)為計(jì)算不同匹配顏色的散點(diǎn)平均值)。

由圖3可見，三種顏色匹配函數(shù)計(jì)算灰色區(qū)域散點(diǎn)分布較為接近。 其他顏色區(qū)域，CIE1964和CIE2006 CMFs計(jì)算得到的觀察者匹配顏色散點(diǎn)分布較為接近，與CIE1931 CMFs的計(jì)算結(jié)果相差較大。 各顏色匹配函數(shù)計(jì)算的明度差異不大，使用CIE1931 CMFs計(jì)算的黃色和藍(lán)色較CIE1964、CIE2006 CMFs沿逆時(shí)針方向偏移，說明色調(diào)有所偏移； 紅、綠、藍(lán)色向遠(yuǎn)離中心非彩色點(diǎn)的方向偏移，說明彩度增加。 用三種顏色匹配函數(shù)計(jì)算每個(gè)視場(chǎng)下觀察者匹配的5個(gè)顏色與目標(biāo)色之間的CIE DE2000色差平均值，統(tǒng)計(jì)色差最小值出現(xiàn)的次數(shù)，如表4所示。

由表4可見，CIE1931 CMFs的表現(xiàn)劣于其他顏色匹配函數(shù)，特別是在22°大視場(chǎng)； CIE1964 CMFs在10°視場(chǎng)優(yōu)于其他顏色匹配函數(shù)； CIE2006 CMFs在2°和4°小視場(chǎng)、22°大視場(chǎng)的表現(xiàn)最優(yōu)。 進(jìn)一步地，分別用CIE1931，CIE1964，CIE2006 CMFs計(jì)算1260組匹配色與目標(biāo)色間的CIE DE2000色差平均值，分別為3.60，3.50和3.45。 不同顏色匹配函數(shù)的計(jì)算結(jié)果差別不是很大，這與本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包含了不同觀察視場(chǎng)的數(shù)據(jù)有關(guān)。 總體上，CIE2006 CMFs的表現(xiàn)性能優(yōu)于CIE1931和CIE1964 CMFs，故在以下的數(shù)據(jù)處理中以CIE2006 CMFs的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖3 用三種顏色匹配函數(shù)計(jì)算的匹配色色度值分布Fig.3 The distributions of the matched colors ofdifferent field sizes with three CMFs

表4 各CMFs計(jì)算不同視場(chǎng)顏色匹配色差最小值出現(xiàn)的次數(shù)Table 4 The numbers of the minimum CIEDE2000values occured for different CMFs

2.3 觀察視場(chǎng)的影響

圖4 不同觀察視場(chǎng)下觀察者匹配的顏色的色度平均值分布Fig.4 The distribution of the averaged matched colorsof different field sizes from CIE2006 CMFs

2.4 顯示設(shè)備的影響

由表5可見，基于三組顯示設(shè)備得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有不同的變化規(guī)律。 第一組中，小視場(chǎng)下的顏色較大視場(chǎng)的顏色更明亮、彩度更高，顏色的色調(diào)整體沿順時(shí)針方向偏移。 第二組中，與2°視場(chǎng)比較，隨著視場(chǎng)的增加，顏色的明度和彩度都有所下降，同時(shí)除4°視場(chǎng)外，顏色的色調(diào)角也向逆時(shí)針方向偏移。 同樣地，第三組的匹配色，隨著觀察視場(chǎng)的增加也有不同程度的變化。 進(jìn)一步地，計(jì)算基于三組顯示設(shè)備，在不同觀察視場(chǎng)下，觀察者匹配顏色的色度值與目標(biāo)色之間的CIE DE2000色差平均值。 如圖5所示。

圖5表明，基于不同顯示設(shè)備，在不同觀察視場(chǎng)下匹配顏色的色差變化規(guī)律不同。 整體來看，Group 3在不同觀察視場(chǎng)的顏色匹配色差值最大，Group 1的色差值最小。 Group 2和Group 3在10°視場(chǎng)下的顏色匹配色差最小，而Group 1在2°視場(chǎng)時(shí)顏色匹配的色差最小。 圖1和表2所示，三組顏色匹配實(shí)驗(yàn)中，匹配設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備的RGB三原色光譜曲線的形狀、帶寬和峰值波長位置均不相同。 進(jìn)一步分析原色光譜特性對(duì)顏色匹配結(jié)果的影響：

表5 色度值線性擬合結(jié)果Table 5 The linear fitting results of the colorimetric values

圖5 三組顯示設(shè)備各視場(chǎng)下的色差值Fig.5 The CIEDE2000 values of the three experimentalgroups for different field sizes

(1)圖1(a)和(b)的Group 1和Group 2中，目標(biāo)設(shè)備和匹配設(shè)備在G、B通道的光譜曲線分布相近，僅R通道有差異，表現(xiàn)為Group 1中的匹配設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備光譜形狀和帶寬較為接近，且峰值波長位移為8 nm，小于Group 2中的48 nm，說明R通道的峰值波長位移和光譜帶寬對(duì)顏色匹配結(jié)果有一定的影響；

(2)圖1(a)和(c)的Group 1和Group3中，Group1中的R和B通道峰值波長位移均小于Group3中的比較結(jié)果(Group1在R通道的峰值波長位移為8 nm，小于Group3中的-32 nm)，僅在G通道，Group1中的峰值波長位移-28 nm高于Group3中的-4 nm，結(jié)果使得Group1的色差匹配結(jié)果小于Group3，說明G通道對(duì)顏色匹配結(jié)果的影響低于R和B通道的共同作用；

(3)圖1(b)和(c)的Group 2和Group3中，Group2中的R和G通道峰值波長位移均高于Group3中的比較結(jié)果，僅在B通道的峰值波長位移低于Group3中的-8 nm。 但Group3中的匹配色差最大，說明B通道的位移對(duì)顏色匹配結(jié)果的影響程度高于R和G通道的共同作用。

2.5 用色度橢圓表示觀察者的差異

為進(jìn)一步研究基于不同顯示設(shè)備的觀察視場(chǎng)變化引起的觀察者顏色感知差異，分別取觀察者匹配顏色a*b*值的協(xié)方差逆矩陣參數(shù)，構(gòu)建觀察者色度橢圓。 將三組設(shè)備中的4個(gè)觀察視場(chǎng)(2°，4°，10°，22°)匹配顏色的色度值用于計(jì)算、繪制觀察者色度橢圓，結(jié)果如圖6所示。

圖6 基于不同顯示設(shè)備和不同觀察視場(chǎng)的觀察者差異橢圓(放大3倍繪制)Fig.6 The observers covariance ellipses based on different displays and field sizes (magnified 3 times)

由圖5的色差計(jì)算結(jié)果和表6的擬合觀察者差異橢圓結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，Group3中計(jì)算五個(gè)顏色中心在不同觀察視場(chǎng)的色度橢圓平均尺寸以及CIE DE2000均值都是最大，而Group1的計(jì)算數(shù)值最小，說明基于Group3的觀察者間差異性最大，Group1的觀察者間差異性最小。 隨著觀察視場(chǎng)的增加，對(duì)于Group1和Group2，觀察者差異橢圓的尺寸均有所下降，表明觀察者間的顏色匹配結(jié)果在大視場(chǎng)更為一致。 而對(duì)于Group3這樣的規(guī)律并不存在，觀察者之間在10°視場(chǎng)時(shí)具有較小的變化。

表6 觀察者差異橢圓的參數(shù)Table 6 Parameters of the observers covariance ellipses

由Group 2和Group3的比較結(jié)果可知，B通道的位移對(duì)顏色匹配結(jié)果的影響程度高于R和G通道的共同作用； Group 1和Group3的比較結(jié)果可知，G通道對(duì)顏色匹配結(jié)果的影響低于R和B通道的共同作用。 結(jié)合前期基于不同顯示設(shè)備的研究結(jié)果[9]，紅通道的峰值波長位移對(duì)顏色匹配結(jié)果影響不大，G通道對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較為明顯的影響。 可以推斷，基于實(shí)驗(yàn)選取的4臺(tái)顯示設(shè)備，目標(biāo)設(shè)備和匹配設(shè)備的原色光譜峰值波長位移對(duì)顏色匹配結(jié)果的影響程度大小依次為藍(lán)通道>綠通道>紅通道。 下一步工作，準(zhǔn)備固定目標(biāo)設(shè)備，選用具有不同峰值波長的原色光譜設(shè)備進(jìn)行觀察者差異的影響，同時(shí)盡量使得不同匹配設(shè)備具有相近的光譜形狀、光譜帶寬和平滑的光譜曲線分布。

3 結(jié) 論

為了研究基于不同原色光譜的顯示設(shè)備呈現(xiàn)顏色樣本的大小(即觀察視場(chǎng))變化，對(duì)觀察者顏色感知的影響，選擇CIE推薦的5個(gè)顏色中心，在4個(gè)不同觀察視場(chǎng)(2°, 4°, 10°和22°)下，組織觀察者開展顏色匹配實(shí)驗(yàn)。 基于采集到的1260組顏色匹配實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用CIE1931，CIE1964和CIE2006顏色匹配函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明：

(1)CIE1964在10°視場(chǎng)的表現(xiàn)優(yōu)于其他顏色匹配函數(shù)； CIE2006在2°、4°視場(chǎng)和22°大視場(chǎng)的表現(xiàn)最優(yōu)。 綜合所有視場(chǎng)下不同顏色匹配函數(shù)的計(jì)算結(jié)果，CIE2006的表現(xiàn)性能優(yōu)于CIE1931和CIE1964。

(2)用CIE2006計(jì)算觀察者的顏色匹配結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隨著觀察視場(chǎng)的增加，觀察者匹配的紅、黃、藍(lán)、灰色色度值，均向a*-b*圖的右下方偏移； 同時(shí)，紅色和藍(lán)色彩度升高、黃色彩度降低，綠色中心大視場(chǎng)(10°和22°)較小視場(chǎng)(2°和4°)彩度升高； 同時(shí)隨著觀察視場(chǎng)的增大，匹配色的明度值變化不大。

(3)基于不同顯示設(shè)備，在不同觀察視場(chǎng)下匹配顏色的色差大小變化規(guī)律不同。 基于實(shí)驗(yàn)選取的4臺(tái)顯示設(shè)備，目標(biāo)設(shè)備和匹配設(shè)備的原色光譜峰值波長位移對(duì)顏色匹配結(jié)果的影響程度為藍(lán)通道>綠通道>紅通道。