CN105825020A - 三维可感知色域计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维可感知色域计算方法，包括如下步骤：建立人眼色觉的数学模型：分别建立对于自发光物体的人眼色觉感知模型和对于普通物体的人眼色觉感知模型；确定颜色空间内的三维色域边界点；将计算出的颜色空间内的色域边界点转化为以及颜色空间。该方法通过建立人眼的色觉模型，能够计算出在

Description

三维可感知色域计算方法

本发明得到天津市高等学校科技发展基金计划课题20140719；天津师范大学研究生科研创新项目Y201502的资助。

技术领域

本发明涉及颜色科学与技术、彩色印刷及显示器技术领域，具体涉及一种三维可感知色域计算方法。

背景技术

显色设备由于种种条件的限制，其能显示的颜色只是自然界颜色的一部分。为了对不同的显示设备的颜色重现能力进行评价，当前对于显色设备的颜色重现能力评价是在二维色度平面内进行评价的，然而研究表明与传统的二维色域相比，在颜色的三维空间对显示设备的色域研究，能够更全面的比较和分析显示器的显色特性。

在二维色度图内，当前电视信号的色域覆盖率只约为视觉能感受色域范围的1/3。然而，随着现代科技和工业的迅速发展，近年来多种新型显示器件和显示技术不断涌现。除传统的阴极射线管外，液晶显示器等离子体显示器数字光学处理器硅基液晶显示器、发光二极管背光源液晶显示器4元色以上的多元色等多种新型显示器件已实用化或已研制成功。在显示方式方面，除直视型外，前投影、背投影、激光投影和多元色投影等也已投入实用。这些新型显示器件和显示方式基于不同原理，不同结构，采用不同材料、器件和技术，彩色重现性能已明显提高，色域扩大，一些“未来型”显示器件和显示方式还将涌现。同样，随着彩色印刷技术以及颜色原料的快速发展，现在打印印刷设备的可打印印刷色域也越来越宽。

为实现对未来不同色域信号、不同显示器件、不同显示方式的显示器设备以及不同彩色印刷打印设备的可重现色域进行准确客观的评价，就需要在颜色的三维空间对显色设备的色域进行分析与研究。

历史悠久的颜色科学研究证实，颜色有亮度（明度）、色调和色饱和度三种属性。亮度（明度）指彩色光刺激的强弱。色调即色品，不同波长可见光的色调不同，可见光波长由长到短，色调由红色逐渐变化到蓝色。色饱和度指颜色的纯度，含白色光比例越低的颜色，其色饱和度越高。

目前通用的色度测试是用特定亮度（明度）的二维测试图，测量显色设备的二维色性能，实际上只评测了特定亮度（明度）下的色调和色饱和度质量，并不能对显色设备的显色效果进行精确地评价。以电视技术为例，目前我国相关标准要求测定的“色域覆盖率”，也只是用100%幅度的红、绿和蓝三种满幅测试图，测定可重显三基色限定的色度范围与可见光色度范围的比值。

实际上，不同的显色设备在不同亮度（明度）下，色域有很大的差别。例如等平板显示器，当亮度（明度）提高后，色域大为缩窄，这意味着采用现有技术，这些显示器不能显示高亮度（明度）的高饱和色。目前在显示器领域，已有一些显示器的三维色域测试图，可以用来测定不同显示器件和显示方式的三重色属性，提供三维色域测试数据，为产品的三维色复显设计提供基础数据，这样就能测定显色设备在三维颜色空间的色域。然而，对比传统显色设备的二维色域覆盖率，就需要在颜色的三维空间内构建人眼的三维可感知色域，进而通过三维色域覆盖率这一参数来对不同的显色设备的颜色重现能力进行客观精确的评价。

发明内容

本发明为解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种三维可感知色域计算方法。

本发明为解决这一问题，所采取的技术方案是：

一种三维可感知色域计算方法，该方法包括如下步骤：

建立人眼色觉的数学模型：分别建立对于自发光物体的人眼色觉感知模型和对于普通物体的人眼色觉感知模型；

确定颜色空间内的三维色域边界点；

将计算出的颜色空间内的色域边界点转化为颜色空间。

其中，建立对于自发光物体的人眼色觉感知模型的具体方法为：

对于一个给定的自发光物体的光谱分布其颜色的三刺激计算模型如下：

其中是标准观察者函数；采用等间隔取样的办法来对上式进行简化计算，积分运算就转换为求和运算：

其中为标准观察者颜色匹配向量，为自发光物体的光谱分布向量。

建立对于普通物体的人眼色觉感知模型的具体方法为：

人眼产生的色觉反应是在人眼、物体、以及标准照明体三者共同作用下产生的，其对应的颜色的三刺激值计算过程：

其中为标准光源的相对功率分布，是标准观察者函数，为归一化系数，反映的是物体对标准光源光谱的调制作用，在光源发出光后，经过物体对不同波长光谱分量的反射或者透射作用，将原来的光谱通过上式的积分运算，即可得到对于某一光照条件下的物体的颜色；等间隔取样后得到离散的物体颜色三刺激值的计算公式：

其中为标准观察者匹配向量，为归一化系数，为标准光源的光谱分布向量，为物体对标准光源光谱的调制向量。

确定颜色空间内的三维色域边界点的具体步骤如下：

对人眼色觉的数学模型进行分析，在已知了标准观察者的颜色匹配函数以及标准照明体的光谱分布后，唯一的变量是物体对标准光源的反射或者透射光谱分布对人眼可感知光谱范围通过矩形脉冲抽样算法来对该变量进行遍历以求取在颜色空间内人眼可感知三维色域的最大边界点。

将计算出的颜色空间内的色域边界点转化为颜色空间，其转换关系如下：

转换到颜色空间，其坐标表示为

其中，为颜色的三刺激值；为标准照明体的三刺激值，规范化令

转换到颜色空间，其坐标表示为

式中，为颜色样品的色品坐标，该坐标系就是当前显示器显色效果评价指标所用的坐标系；为光源的色品坐标；为颜色的三刺激值，为标准照明体的三刺激值，规范化令；

如果，

如果，

从而得到在设备无关的颜色空间内的三维可感知色域。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明的三维可感知色域计算方法，通过建立人眼的色觉模型，能够计算出在设备无关的颜色空间内不同坐标系下的人眼可感知色域。本算法能为对未来不同色域信号、不同显示器件、不同显示方式的显示器设备以及不同彩色印刷打印设备的可重现三维色域进行准确客观的评价提供理论基础。本发明选择色度系统，这是因为颜色系统是设备无关的颜色空间，也是颜色科学理论的基础，在该颜色空间内能够对不同的显色设备进行统一的评价，有利于标准的统一。

附图说明

图1是本发明的自发光物体的人眼感知颜色模型示意图；

图2是本发明的普通物体的人眼感知颜色模型示意图；

图3是本发明的计算条件图；其中(a)标准观察者函数；(b)光源的光谱功率分布；

图4是本发明颜色空间内的边界点计算结果图；

图5是本发明颜色空间内的边界点计算结果图；

图6是本发明计算结果验证的二维色度图；

图7是本发明计算结果验证的的人眼可感知色域图。

具体实施方式

以下参照附图和具体实例对本发明的三维可感知色域计算方法进行详细的说明。下面描述的具体实施例仅是本发明的最佳实施方式，而不能理解为对本发明的限制。

本发明完成了人眼可感知三维色域的理论构建，在进行人眼可感知色域的构建时，通过对色域、显色系统、色度系统以及颜色空间等不同的颜色空间进行分析比较后，本算法选择色度系统，这是因为颜色系统是设备无关的颜色空间，也是颜色科学理论的基础，在该颜色空间内能够对不同的显色设备进行统一的评价，有利于标准的统一。

本发明的三维可感知色域计算方法，包括如下步骤：

第一步，建立人眼色觉的数学模型

人眼对于颜色的感知抽象地概括分为两种情况：第一种，对于自发光物体，如显示器等，由于物体是自发光物体，在这种情况下即使没有外界光源也会对人眼产生刺激，进而产生色觉；第二种情况是人眼、光源、物体三者的相互作用来产生色觉，这也是我们生活中最常见到的情况。物体通过对光源光谱的反射或者透射进而刺激人眼产生对应的视觉。对于这两种情况，其颜色的三刺激值的计算方法是不同的，所以必须要分开考虑。

模型一，自发光物体的人眼感知颜色模型，如图1所示，

对于一个给定的自发光物体的光谱分布其颜色的三刺激计算模型如下：

其中是标准观察者函数(根据实际情况选用视角)，积分的波长范围是的可见光光谱范围。标准观察者函数是通过的颜色度量实验测得的人眼对于光谱的刺激反应，其能够较为精确的反映人眼对光谱的色觉特性，也是本算法计算的理论基础。

由于人眼的视觉在光谱范围上是连续的而且标准观察者函数并没有确定的函数表达式(这也从侧面说明人眼色觉的非线性特性)，使得上述的积分计算非常复杂。为此，本文采用等间隔取样的办法来对上式进行简化计算，这样复杂的积分运算就转换为求和运算：

其中就可以称为标准观察者匹配向量，称为自发光物体的光谱分布向量。

模型二，对于普通的物体来说，人眼的色觉感知模型，如图2所示，从图2可以看出，人眼产生的色觉反应是在人眼、物体、以及标准照明体三者共同作用下产生的。其对应的颜色的三刺激值计算过程：

其中为标准光源的相对功率分布，仍然是标准观察者函数，称为归一化系数。反映的是物体对标准光源光谱的调制作用，在光源发出光后，经过物体对不同波长光谱分量的反射或者透射作用，将原来的光谱变为也可以将其理解为一个次级光源。对于通过透射呈现颜色的物体来说，例如玻璃等，称为物体的光谱透射系数，一般可以用分光光度计测量得出；对于通过反射呈现颜色的物体来说称为物体的光谱反射系数，一般可以用反射式分光光度计测定。通过上式的积分运算，即可得到对于某一光照条件下的物体的颜色。

同样的，对上面的式子等间隔取样后便得到了离散的物体颜色三刺激值的计算公式：

其中为标准观察者颜色匹配向量，为归一化系数，为标准光源的光谱分布向量，为物体对标准光源光谱的调制向量。

第二步，确定颜色空间内的三维色域边界点

通过对上文人眼色觉的数学模型分析可知，在已知了标准观察者的颜色匹配函数以及标准照明体的光谱分布后，唯一的变量是物体对标准光源的反射或者透射光谱分布所以就需要对该变量进行遍历。由于所要求的是人眼视觉可感知三维色域的最大边界，所以只需要确定三维色域边界上的颜色点即可。为此本算法提出对人眼可感知光谱范围通过矩形脉冲抽样算法来对该变量进行遍历以达到求取三维色域边界点的目的。为了便于介绍，这里仅给出5个矩形光谱脉冲抽样的例子：

首先是仅一个脉冲的时候

接下来是两个脉冲的时候

然后是三个脉冲，四个脉冲，直到

最后的采样脉冲为：。

通过上述的算法，便可以求得在颜色空间内人眼可感知色域的最大边界点。

在实际计算时，可以根据需要自行选择合适的采样间隔。对可见光光谱范围内的光谱的采样间隔越大，得到的色域边界点就越少，计算结果就越不精确，不利于人眼三维可感知色域边界的构建，反之，采样间隔越小，得到的色域边界点就越多，计算的结果也就越精确，但是相应的计算时间也会变长。最终计算得到的颜色空间内的色域边界点数目与采样间隔的关系是：

第三步，将计算出的颜色空间内的色域边界点转化为颜色空间。

通过上述算法便可以得到在设备无关的颜色空间内的三维色域边界点，然而由于颜色空间的均匀性差，不利于实际的应用分析。当前大多数学者都是在或者颜色空间内对显色设备的三维色域进行研究，为此需要将计算出的颜色空间内的色域边界点转化为颜色空间，其转换关系如下：

转换到颜色空间，其坐标表示为：

其中，为颜色的三刺激值；为标准照明体的三刺激值，规范化使

转换到颜色空间，其坐标表示为

式中，为颜色样品的色品坐标，该坐标系就是当前显示器显色效果评价指标所用的坐标系；为光源的色品坐标；为颜色的三刺激值，为标准照明体的三刺激值，规范化使

通过以上算法便可以得到在设备无关的颜色空间内的三维可感知色域。

结果说明

由于色度系统有两种标准观察者函数两种视场，本算法选取1931标准观察者视角为下颜色匹配函数作为人眼视觉的标准(也可根据实际需要选择视场下的颜色匹配函数)，选择标准光源为这也是推荐的最接近日光的照明体，光谱范围为如图3(a)(b)所示。

与此同时，本算法选取的可见光光谱范围的采样间隔为5nm，这样就需要95个采样点，最终可以在颜色空间内得到8931个色域边界点，选用的色觉模型为普通物体的成色模型，物体的透射率或者反射率为即物体为非荧光材料。为了求得人眼在三维颜色空间内的最大可感知色域，在计算过程中物体的反射率或者透射率设为最大值1。最终计算得出在颜色空间内的边界点如图4和图5所示。

从图中可以看出，人眼的视觉特性在颜色空间内都不是均匀的，这也说明人眼色觉的非线性特性。在颜色的二维色域空间内色度图与色度图相比，颜色的均匀性较差，同样在三维空间内，颜色空间的均匀性比颜色空间的要好。

表1列出了不同颜色系统在颜色空间内各参数的最大值和最小值。

表1不同颜色系统在颜色空间内的参数

从表1可以看出，本文计算出的结果在颜色空间内的比色域系统的坐标值最大，也从侧面验证了本算法的有效性。

与此同时，为了验证本算法数据的有效性，本算法还计算出了数据在二维色度图以及颜色空间内的计算结果如图6和图7所示。从图6和图7可以明显的看出本算法的有效性。

二)目的

广义的“色域”指色彩信息采集、生成、处理、传输和重现的颜色范围，其理论基础是颜色科学。颜色科学和技术在众多领域都有广泛应用，不同领域需求不同。颜色有亮度（明度）、色调和色饱和度三种属性，需用三个独立的基本量表征，采集、生成、处理、传输和重建绚丽多彩的自然景象和计算机等人工合成的色彩，本质上需要在亮度（明度）、色调和色饱和度三个方面保真或满足视觉对三维色重现要求。对色彩三重属性及其再现技术的研究需在三维色空间进行。

一段光谱与一个特定的色域对应，不同显色器件或显示方式与该器件或设备的色域相对应，人类视觉可见光谱与可见光色域对应。为了能够统一对未来不同色域信号、不同显示器件、不同显示方式的显示器设备以及不同彩色印刷打印设备的可重现三维色域评价标准，本算法基于人眼对光谱刺激的色觉反应模型，在设备无关的颜色空间内理论构建了三维的可感知色域。使用本算法能够对不同显色设备在三维颜色空间内的颜色重现能力进行精确的定量的评价。

Claims (5)

1.一种三维可感知色域计算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

建立人眼色觉的数学模型：分别建立对于自发光物体的人眼色觉感知模型和对于普通物体的人眼色觉感知模型；

确定颜色空间内的三维色域边界点；

将计算出的颜色空间内的色域边界点转化为以及颜色空间。

2.根据权利要求1所述的一种三维可感知色域计算方法，其特征在于，建立对于自发光物体的人眼色觉感知模型的具体方法为：

对于一个给定的自发光物体的光谱分布其颜色的三刺激计算模型如下：

其中是标准观察者函数；采用等间隔取样的办法来对上式进行简化计算，积分运算就转换为求和运算：

其中为标准观察者匹配向量，为自发光物体的光谱分布向量。

3.根据权利要求1所述的一种三维可感知色域计算方法，其特征在于，建立对于普通物体的人眼色觉感知模型的具体方法为：

人眼产生的色觉反应是在人眼、物体、以及标准照明体三者共同作用下产生的，其对应的颜色的三刺激值计算过程：

其中为标准光源的光谱功率分布，是标准观察者函数，为归一化系数，反映的是物体对标准光源光谱的调制作用，在光源发出光后，经过物体对不同波长光谱分量的反射或者透射作用，将原来的光谱通过上式的积分运算，即可得到对于某一光照条件下的物体的颜色；等间隔取样后得到离散的物体颜色三刺激值的计算公式：

其中为标准观察者匹配向量，为归一化系数，为标准光源的光谱分布向量，为物体对标准光源光谱的调制向量。

4.根据权利要求1所述的一种三维可感知色域计算方法，其特征在于，确定颜色空间内的三维色域边界点的具体步骤如下：

对人眼色觉的数学模型进行分析，在已知了标准观察者的颜色匹配函数以及标准照明体的光谱分布后，唯一的变量是物体对标准光源的反射或者透射光谱分布对人眼可感知光谱范围通过矩形脉冲抽样算法来对该变量进行遍历以求取在颜色空间内人眼可感知三维色域的最大边界点。

5.根据权利要求1所述的三维可感知色域计算方法，其特征在于：将计算出的颜色空间内的色域边界点转化为以及颜色空间，其转换关系如下：

转换到颜色空间，其坐标表示为：

其中为：

其中，为颜色的三刺激值；标准照明体的三刺激值，令

转换到颜色空间，其坐标表示为

式中，为颜色样品的色品坐标；为光源的色品坐标；为颜色的三刺激值，为标准照明体的三刺激值，令

从而得到在设备无关的颜色空间内的三维可感知色域。