CN106821299A - 一种测试色觉正常观察者锥细胞响应的方法 - Google Patents

一种测试色觉正常观察者锥细胞响应的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种测试色觉正常观察者锥细胞响应的方法，通过设计颜色相同或相近且光谱反射曲线不同的同色异谱色样对，组织不同年龄的色觉正常观察者基于心理物理实验的比较法对同色异谱色样对进行色差大小比较判断；将观察者重复判断的目视实验数据通过概率转换为Z分数后转换为目视色差值，与现有CIE颜色匹配函数(CIE1931，CIE1964和CIE2006)的计算结果比较，用协方差参数测试色觉正常观察者锥细胞响应，将观察者划分到CIE推荐的相应类别颜色匹配函数。避免了由于观察者之间的个体差异，导致的不同观察者对颜色刺激产生的较大颜色感知差异，及其给颜色的复制、传递和评价带来的问题。

Description

一种测试色觉正常观察者锥细胞响应的方法
技术领域
本发明涉及一种测试色觉正常观察者锥细胞响应的方法，通过设计近同色异谱色样对，组织色觉正常观察者对近同色异谱色样对基于心理物理实验的比较法进行色差评估。用观察者的目视色差数据，与现有CIE颜色匹配函数(CIE1931，CIE1964和CIE2006)的计算结果比较，测试色觉正常观察者锥细胞响应，以将观察者划分到不同颜色匹配函数。
背景技术
现有计算颜色样本色度值的颜色匹配函数仅有CIE国际照明委员会推荐的CIE1931和CIE1964，代表了不同观察视场(2°和10°)的观察者平均锥细胞响应。在评价近同色异谱颜色样本对色差时，基于不同原色叠加产生的颜色刺激，由于观察者锥细胞响应的个体差异，不同观察者经常会产生不同的颜色感觉。因此，仅用现有的CIE1931和CIE1964两套配色函数代表不同观察视场下观察者的平均颜色视觉特性，不足以表征不同观察者的锥细胞响应。
基于此，CIE国际照明委员会于2006年推出CIE2006颜色计算模型，该模型可产生20-80岁不同年龄观察者的61套颜色匹配函数。近年来，CIE号召世界各国研究者开展不同类型的颜色匹配实验，检验上述颜色匹配函数的可靠性和有效性。现有测试方法(中国专利CN 103983359 B)基于颜色匹配实验开展，需要被试者具有一定的颜色科学基础知识，才能较为准确、有效地完成不同颜色样本对的颜色匹配，因此操作的普及性、准确性受到了一定的影响。
发明内容
随着观察者年龄的增长，其颜色分辨能力出现了不同程度的变化，主要表现在屈光系统中晶状体(透镜)光谱透光率的变化。随着观察视场的变化，观察者感光系统中视网膜中央凹黄斑区感光色素的光谱密度也会发生一定变化。同时，由于不同观察者之间存在个体差异，其锥细胞对不同波长的光谱能量响应会有所偏差，如何选用合适的颜色匹配函数合理表征观察者的锥细胞响应，是目前CIE国际照明委员会需要解决的问题。
本发明的目的在于提出一种测试色觉正常观察者锥细胞响应的方法，实际在进行颜色样本色度值表征和色差计算时，由于观察者之间的个体差异，导致不同观察者对颜色刺激会产生较大的颜色感知差异，给颜色的复制、传递和评价带来了很大的麻烦。
本发明通过设计近同色异谱颜色色样对，组织观察者用心理物理实验方法中的比较法开展目视评估实验，避免现有测试方法中的操作专业性要求以及匹配过程的复杂性。该方法适用于测试色觉正常观察者锥细胞响应的方法，确定观察者在进行颜色色差评估时所属的CIE颜色匹配函数类别，同时可以测试和判断不同颜色匹配函数的性能。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种测试色觉正常观察者锥细胞响应的方法，包括如下步骤：
(1)制作同色异谱色样对，包括：目标色和n个待比较色，其中n≥2，要求目标色和待比较色颜色相同或相近，具有不同的光谱反射曲线；
(2)选择CIE1931，CIE1964颜色匹配函数分别计算目标色和n个待比较色之间的CIEDE2000色差，要求用CIE1931，CIE1964颜色匹配函数分别计算出的目标色和n个待比较色的色差变化趋势不同；
(3)将目标色和n个待比较色组成n对近同色异谱色样对；
(4)组织不同年龄、性别的色觉正常观察者基于心理物理实验中的比较法，在符合CIE推荐的标准观察条件下，对上述n对同色异谱色样对两两比较，进行色差大小判断；
(5)将观察者的色差大小判断结果进行概率统计，并转换为Z分数(标准分数)，进而将Z分数消负，转换为目标色和n个待比较色之间的目视色差V值；
(6)将步骤(1)中测量的目标色和n个待比较色颜色刺激光谱数据代入CIE推荐的不同颜色匹配函数CIE1931，CIE1964和CIE2006，计算不同颜色匹配函数下目标色和比较色的XYZ色度值，进而计算目标色和n个待比较色的CIEDE2000色差值；
(7)用协方差参数比较步骤(5)的V值和步骤(6)中不同CIE颜色匹配函数计算的CIEDE2000色差值，测试色觉正常观察者的锥细胞响应，将观察者划分到相应类别的颜色匹配函数。通过这种方法还可以同时测试和判断不同颜色匹配函数的性能。
步骤(1)中，所述的目标色和比较色为近同色异谱色样对，其颜色相同或相近，但光谱反射率曲线不同，分别由不同的原色光谱构成，目标色和待比较色的CIEDE2000色差值≤5；待比较色的个数n应大于等于2，制作样品时，要求目标色样和待比较色样的尺寸相同。
步骤(2)中，为方便测试、评价观察者的锥细胞响应，要求用CIE1931，CIE1964颜色匹配函数分别代入计算出的n对近同色异谱色样对的色差分布规律具有较大的差异性。如采用CIE1931，CIE1964颜色匹配函数分别计算出的目标色和n个待比较色的色差变化趋势相反。
步骤(4)中，进行色差大小判断时，组成的近同色异谱色样对，为实验过程中将n个待比较色中的任意两个色样与标样(目标色样)同时呈现，标样居中，待比较色样随机放置在标样的左方和右方，与标样并列、无缝隙放置；对标样和左方色样组成的色对、标样和右方色样组成的色对进行色差比较，给出左方色样或右方色样与标样色差大小的判断，即给出左方色样与标样比较的色差与右方色样与标样比较的色差哪个更大的判断。
步骤(4)中，采用心理物理实验中的比较法进行色差大小比较判断；所述的标准观察条件为光暗室，选用Gretag Macbeth The Judge II多光源标准观察箱Day模式下的光源进行观察，箱体为灰色背景，观察条件为0/45。为避免目视评价实验过程的不稳定性和观察者实验过程中的生理、心理因素影响，同时为避免后续数据的离散性，观察者需进行重复性实验，建立大样本数据集。
步骤(5)中，将比较法得到的实验结果转换为概率分布，即将观察者的色差大小判断次数进行概率统计后，转换为标准正态分布的Z分数，然后通过消负转换为目视色差值V值。
步骤(6)中，采用CIE2006颜色匹配函数计算色度值时，需代入观察者的年龄和观察视场角，得到不同类别的颜色匹配函数，进而得到颜色色样的色度值和CIEDE2000色差值，以测试不同条件组合下的CIE2006颜色匹配函数的性能。
步骤(7)中，用协方差参数比较步骤(5)观察者的目视色差V值和步骤(6)中不同CIE颜色匹配函数计算的CIEDE2000色差值间的一致性，如计算的协方差COV值为正时，表明观察者的目视评价结果与该颜色匹配函数计算n对同色异谱色样对色差值变化趋势一致，即观察者的锥细胞响应与该颜色匹配函数较为一致；反之则与该颜色匹配函数的预测结果不一致。
本发明测试色觉正常观察者锥细胞响应及不同颜色匹配函数性能的方法，通过制作同色异谱色样对，将n个待比较色样与标样分别组成n对同色异谱色样对，随机呈现n个色样对中的2个色样，放置在标样左方和右方，与标样组成2对同色异谱色样对。组织观察者基于心理物理实验中的比较法进行色差大小比较，给出左方或是右方色样与标样色差的大小比较的判断。本实验需组织观察者进行重复性实验，统计观察者色差大小判断的概率，并转换为目视色差值。用不同的CIE颜色匹配函数代入计算上述同色异谱色样对的色度值和CIEDE2000色差值，将目视色差与计算色差比较，通过不同色样对与标样比较的色差大小变化规律，测试色觉正常观察者锥细胞响应，判断不同CIE颜色匹配函数的表现。
本发明通过测试色觉正常观察者锥细胞响应，判断不同CIE颜色匹配函数的表现。在进行颜色样本色度值表征和色差计算时，避免了由于观察者之间的个体差异，导致的不同观察者对颜色刺激产生的较大颜色感知差异，及其给颜色的复制、传递和评价带来的问题。
本发明将心理物理实验中的比较法应用到同色异谱对色差比较的目视评估实验当中，改善了现有颜色匹配实验的测试方法，消除了要求被试者具有专业知识的局限性，简化了测试的操作过程，并大大缩短被试者进行测试的时间。
下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1-1至图1-4是实验制作的不同颜色标样和待比较色样的光谱反射曲线，其中图1-1：灰色，图1-2：棕色，图1-3：紫色，图1-4：蓝色。
图2-1至图2-4是CIE1931，CIE1964颜色匹配函数计算的近同色异谱色样对CIEDE2000色差分布柱状图，其中图2-1：灰色，图2-2：棕色，图2-3：紫色，图2-4：蓝色。
图3是目视实验过程中色样与标样的比较示意图。
图4是观察者的目视实验过程示意图。
图5-1至图5-4是14名被测试观察者对不同颜色的近同色异谱色样对的目视色差结果柱状图分布，其中图5-1：灰色，图5-2：棕色，图5-3：紫色，图5-4：蓝色。
图6是4名被试观察者目视色差和计算色差的协方差计算结果分布图。
具体实施方式
本发明制作不同的颜色样本，即与标样颜色相同或相近、但具有光谱反射率差异的待比较色样，可与标样组成近同色异谱色样对。随机选取任意两个色样与标样组成色样对进行色差大小比较，统计同一观察者多次对色样对色差大小判断的概率，并转换为目视色差值。需要说明的是，本发明的同色异谱色样对不限于样本的材质，其可适用于多种呈色方式的颜色样本对间的颜色色差大小比较。本发明测试色觉正常观察者锥细胞响应的方法，包括如下步骤：
(1)制作同色异谱色样对，包括：目标色和n个待比较色(n≥2)，要求目标和比较色颜色相同或相近，具有不同的光谱反射曲线，为同色异谱颜色样品对，标样和待比较色样的大小为5cm×5cm。如图1-1至图1-4所示为实验制作的同色异谱色样的光谱反射曲线，其中目标色分别为灰色、棕色、紫色和蓝色，围绕每个目标色，分别制作了4个待比较色样；每幅图中，标样的光谱反射曲线为实线，待比较色样1-4的光谱反射曲线分别为圆点线、方点线、长划线和长划线-点表示的曲线。
(2)选择CIE1931，CIE1964颜色匹配函数分别计算上述每个目标色和4个待比较色样之间的CIEDE2000色差，要求用CIE1931，CIE1964颜色匹配函数计算出的标样与4个待比较色的色差分布规律具有较大的差异性，即变化趋势不同。如图2-1所示的待测色样1，2，3，4与灰色标样间的CIEDE2000色差值，用CIE1931计算的结果呈逐渐减小的趋势，用CIE1964计算的结果呈逐渐增大的趋势；图2-2至图2-4所示的待测比较色样1，2，3，4与其标样(棕色、紫色或蓝色)用CIE1931和CIE1964计算的CIEDE2000色差值，其变化趋势也同样是相反的。
(3)将每个目标色和4个待比较色组成4对同色异谱色样对，对于4个目标色，共有16对待比较色样；
(4)组织不同年龄、性别的色觉正常观察者基于心理物理实验中的比较法对上述灰色、棕色、紫色和蓝色各4种同色异谱色样对一一比较，将每种颜色中4个待比较色中的任意两个色样与其标样同时呈现，随机放置在标样的左方和右方，与标样并列、无缝隙放置于标准观察箱中，如图3所示。
(5)观察条件为光暗室，选用Gretag Macbeth The Judge II多光源标准观察箱Day模式下的光源进行观察(其照度为947lx，色温为6818K)，箱体为灰色背景，观察条件为0/45。要求被试观察者正坐于色样对前，距离色样的观察距离为25cm-30cm，对标样和左方色样组成的色对、标样和右方色样组成的色对进行色差比较，给出左方色样或是右方色样与标样比较色差偏大的判断。如图4所示为目视实验过程中观察者进行色样与标样的色差比较。
按照上述方法，在灰色、棕色、紫色和蓝色近同色异谱色样对中，分别选出4对色样对，组织14名观察者分别对灰色、棕色、紫色和蓝色的近同色异谱色样对进行目视色差判断，得到结果的柱状图如图5-1至图5-4所示，每个观察者的柱状图从左到右为第1个至第4个色样对的目视色差判断结果。
(5)将观察者的色差大小判断结果进行概率统计，并转换为Z分数，进而将Z分数消负，转换为目标色和n个待比较色之间的目视色差V值。
如表1所示为6号观察者(24岁)对紫色标样与待比较色样1，2，3，4组成的4对同色异谱色样对色差大小的判断统计。观察者共进行了12次重复判断，表中记录的序号是较大色差的色样标号。如观察者第1次(NO.1)的1-2比较，观察者判断色样1与标样的色差大于色样2与标样的色差，因此表中第2行第2列记录为1，观察者第9次(NO.9)的2-3比较，观察者判断色样2与标样的色差大于色样3与标样的色差，因此表中第5行第10列记录为2。
表1 紫色色样对色差大小统计
表2为将表1中的色差统计次数进行概率统计(计数为所在行大于列的色差判断次数)，其中0％以0.001计，100％以0.999计，空白处以0.5计。
表2 紫色色样对色差大小判断概率统计
表3为将表2所示的概率P％转换为Z分数，并计算每列的Z分数的平均值。为同时消除4种颜色中Z分数的负值，需要将Z分数同时加上某个正数。如表3中同时加上正数2.5(将16对颜色的目视色差值同时消负)后转换为表3中最后一行的目视色差V值。
表3 Z分数转换为目视色差V值
(6)用CIE推荐的不同颜色匹配函数CIE1931，CIE1964和CIE2006，将步骤(1)中测量得到的目标色和n个待比较色的颜色刺激光谱数据代入计算，得到不同颜色匹配函数下目标色和比较色的XYZ色度值，进而计算目标色和n个待比较色的CIEDE2000色差值，如表4所示：
表4 用CIE1931，1964颜色匹配函数计算标样与1，2，3，4实验样本的色度值及CIEDE2000色差值
(7)用协方差参数比较步骤(5)的V值和步骤(6)中不同CIE颜色匹配函数计算得到的CIEDE2000色差值，测试色觉正常观察者锥细胞响应，判断不同颜色匹配函数的性能表现。如计算协方差COV值为正，表明观察者的目视评价结果与该颜色匹配函数计算的色差值变化趋势一致，即观察者的锥细胞响应与该颜色匹配函数较为一致，反之则不属于该颜色匹配函数的预测结果。
采用CIE2006颜色匹配函数计算色度值时，需代入观察者的年龄和观察视场角，得到不同类别的颜色匹配函数，进而得到颜色色样的色度值和CIEDE2000色差值，以判断观察者的具体锥细胞响应类别。考虑到CIE1931和CIE1964分别代表2°和10°视场角下的观察者平均锥细胞响应，以及实验中观察者的不同年龄分布，以年轻观察者(24岁)和老年观察者(65岁)为例，以这两种相差较大的年龄和两种常用的观察视场(2°小视场和10°大视场)分别组成四种不同的观察条件(24s+2°、24s+10°、65s+2°、65s+10°)，并分别代入计算出四种相应的CIE2006颜色匹配函数。
图6是4名被试观察者目视色差和计算色差的协方差计算结果分布图。如图6所示，年龄为24岁的观察者NO.6，NO.7目视色差结果与CIE1964，CIE2006(24s+10°)的变化规律较为一致，年龄分布为65岁和63岁的观察者NO.13，NO.14目视色差结果与CIE1931，CIE2006(65s+2°)，CIE2006(24s+2°)的变化规律较为一致。分析原因主要是由于老年观察者在蓝色通道(400-500nm)的锥细胞光谱响应会随着屈光系统晶状体光谱透光率的变化明显降低。这与CIE1931在短波段(400-500nm)的响应低于CIE1964的分布规律较为一致，同时也可见CIE2006(65s+2°)，CIE2006(24s+2°)颜色匹配函数在通道也有这种规律性的分布。
本发明通过设计颜色相近，光谱反射曲线不同的同色异谱色样对，组织不同年龄的色觉正常观察者对近同色异谱色样对基于心理物理实验的比较法进行色差大小比较判断。将观察者重复判断的目视实验数据通过概率转换为Z分数后转换为目视色差值，与现有CIE颜色匹配函数(CIE1931，CIE1964和CIE2006)的计算结果进行比较，用协方差参数测试色觉正常观察者锥细胞响应，进而测试不同颜色匹配函数的性能。这种方法避免了由于观察者之间的个体差异，导致的不同观察者对颜色刺激产生的较大颜色感知差异，及其给颜色的复制、传递和评价带来的问题。

Claims (7)

1.一种测试色觉正常观察者锥细胞响应的方法，包括如下步骤：
(1)制作同色异谱色样对，包括目标色和n个待比较色，其中n≥2，要求目标色和待比较色颜色相同或相近，具有不同的光谱反射曲线；
(3)选择CIE1931，CIE1964颜色匹配函数分别计算目标色和n个待比较色之间的CIEDE2000色差，且用CIE1931，CIE1964颜色匹配函数分别计算出的目标色和n个待比较色的色差变化趋势不同；
(3)将目标色和n个待比较色组成n对近同色异谱色样对；
(4)组织不同年龄、性别的色觉正常观察者基于心理物理实验中的比较法，在符合CIE推荐的标准观察条件下，对n对同色异谱色样对两两比较，进行色差大小判断；
(5)将观察者的色差大小判断结果进行概率统计，并转换为Z分数，进而将Z分数消负，转换为目标色和n个待比较色之间的目视色差V值；
(6)将步骤(1)中测量的目标色和n个待比较色颜色刺激光谱数据代入不同颜色匹配函数CIE1931，CIE1964和CIE2006，计算不同颜色匹配函数下目标色和比较色的XYZ色度值，进而计算目标色和n个待比较色的CIEDE2000色差值；
(7)用协方差参数比较步骤(5)的V值和步骤(6)中不同CIE颜色匹配函数计算的CIEDE2000色差值，测试色觉正常观察者的锥细胞响应，将观察者划分到相应类别的颜色匹配函数。
2.根据权利要求1所述的测试色觉正常观察者锥细胞响应的方法，其特征在于：所述的目标色和待比较色的CIEDE2000色差值≤5。
3.根据权利要求1所述的测试色觉正常观察者锥细胞响应的方法，其特征在于：采用CIE1931，CIE1964颜色匹配函数分别计算出的目标色和n个待比较色的色差变化趋势相反。
4.根据权利要求1所述的测试色觉正常观察者锥细胞响应的方法，其特征在于：进行色差大小判断时，将n个待比较色中的任意两个色样与标样同时呈现，标样居中，待比较色样随机放置在标样的左方和右方，与标样并列、无缝隙放置；对标样和左方色样组成的色对、标样和右方色样组成的色对进行色差比较，给出左方色样或右方色样与标样色差大小的判断。
5.根据权利要求1所述的测试色觉正常观察者锥细胞响应的方法，其特征在于：采用心理物理实验中的比较法进行色差大小比较判断，所述的标准观察条件为在光暗室，选用Gretag Macbeth The Judge II多光源标准观察箱Day模式下的光源进行观察，箱体为灰色背景，观察条件为0/45。
6.根据权利要求1所述的测试色觉正常观察者锥细胞响应的方法，其特征在于：采用CIE2006颜色匹配函数计算色度值时，代入观察者的年龄和观察视场角，得到不同类别的颜色匹配函数，进而得到颜色色样的色度值和CIEDE2000色差值，以判断观察者的具体锥细胞响应类别。
7.根据权利要求1所述的测试色觉正常观察者锥细胞响应的方法，其特征在于：用协方差参数比较步骤(5)观察者的目视色差V值和步骤(6)中不同CIE颜色匹配函数计算的CIEDE2000色差值，计算的协方差COV值为正时，表明观察者的目视评价结果与该颜色匹配函数计算n对近同色异谱色样对色差值变化趋势一致，即观察者的锥细胞响应与该颜色匹配函数一致；反之则与该颜色匹配函数的预测结果不一致。
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