CN108844632B - 一种不同显示设备间观察者同色异谱差异的评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种不同显示设备间观察者同色异谱差异的评价方法，通过在目标设备上分别显示CIE推荐的5个颜色中心，测量颜色中心的光谱能量曲线，基于目标设备和待评价显示设备的原色光谱能量分布函数、不同的颜色匹配函数，在不同的待评价设备上，分别计算产生与目标显示设备上匹配的5个颜色。计算目标设备和待评价设备上5个颜色的平均和最大CIELAB色差值，检验不同显示设备间的观察者同色异谱差异大小。该方法可通过模拟计算的方式，评价具有不同光谱原色的显示设备可引起的观察者同色异谱差异，为工业界显示设备的选取，特别是需要考虑到跨媒介的颜色匹配、复制和传递，提供了一种参考建议。

Description

一种不同显示设备间观察者同色异谱差异的评价方法
技术领域
本发明涉及一种不同显示设备间观察者同色异谱差异的评价方法，选取具有不同光谱原色的显示设备，并以其中一台设备作为目标设备，在目标设备上呈现CIE推荐的5个颜色中心(灰、红、黄、绿、蓝)。基于不同的颜色匹配函数，在不同的待评价设备上分别计算产生与目标设备上颜色接近的5个匹配色。计算目标设备和待评价设备上5个颜色的平均和最大CIELAB色差值，用来检验不同显示设备间的观察者同色异谱差异大小。
背景技术
随着现代网络技术的发展和多样化呈色设备的出现，经常会使用不同的光谱原色去混合、匹配、复制已有的颜色样本。人们摒弃了以往单纯通过纸质媒介传递文件和图像的方式，更多的是将彩色数字图像文件，由专业人员校正、调色后，通过网络进行传输。不同的观察者经常需要在不同的地点、不同的显示设备上进行彩色数字图像的预览、评估。
随着窄带宽、宽色域显示设备和高节能光源等的开发和使用，如LED、OLED显示设备和激光投影设备的广泛应用，随之带来的就是，不同的颜色样本对基于不同输入设备、显示设备和输出设备呈现时，某种情况下会出现某一观察者认为匹配，而另一观察者却认为不匹配的现象，在实际应用中这种不匹配现象会越来越突出。如何选取合适的显示设备，弱化不同观察者间的辨色差异，或在某些特殊场合强化观察者的辨色差异(如研究不同观察者的锥细胞响应)，是需要解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种不同显示设备间观察者同色异谱差异的评价方法，不同显示设备的原色光谱具有不同的带宽和峰值波长。由于观察者之间的个体差异，导致不同观察者对同一颜色刺激对产生较大的颜色感知差异，某一观察者认为匹配的颜色，另一观察者会认为有较大的颜色差别，这就给颜色的复制、传递和评价带来了很大的麻烦。
本发明通过在目标设备上分别显示CIE推荐的5个颜色中心，基于不同的颜色匹配函数、目标设备上5个颜色的光谱能量分布函数和待评价设备的原色光谱能量分布函数，在不同的待评价设备上，分别计算产生与目标显示设备上5个色中心匹配的颜色。进一步地，计算目标设备和待评价设备上呈现的5个颜色的平均和最大CIELAB色差值，检验不同显示设备间的观察者同色异谱差异大小。该方法可通过模拟计算的方式，检测具有不同光谱原色的显示设备可引起的观察者同色异谱差异，为工业界显示设备的选取，特别是需要考虑到跨媒介的颜色匹配、复制和传递，提供了一种参考建议。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种不同显示设备间观察者同色异谱差异的评价方法，包括如下步骤：
(1)选取三台以上不同的显示设备，将显示设备白场下的参数设置至相同或接近的状态；
(2)在每台显示设备屏幕的中间位置，分别设置最饱和的红色(R＝255，G＝0，B＝0)，绿色(R＝0，G＝255，B＝0)，蓝色(R＝0，G＝0，B＝255)和白场(R＝G＝B＝255)四个匀色色块，并用光谱辐射度计测量每台显示设备白场和三原色的光谱功率分布；
(3)将显示设备中的一台设定为目标设备，其他的为待评价设备；调节目标设备的RGB通道比例，在目标设备屏幕的中间位置依次呈现CIE推荐的5个颜色中心(灰、红、黄、绿、蓝色)；
(4)选取108个颜色匹配函数，其中47个为Stiles和Burch的颜色匹配函数，61个为CIE2006观察者生理模型中代入不同观察者年龄后产生的颜色匹配函数；
(5)为与目标设备上呈现的5个颜色达到颜色匹配，将步骤(2)中测量得到的不同待评价设备的三原色光谱功率分布，步骤(4)中的108个颜色匹配函数，代入XYZ三刺激值公式，分别计算得到不同待评价设备上108组匹配色的rgb比例(其中每组含有5个颜色的rgb比例)(rgb比例的取值范围为0-1)；
(6)将步骤(5)中计算得到的rgb比例代入步骤(2)中不同待评价设备的红绿蓝三原色光谱，分别计算得到不同待评价设备上108组(每组分别为5个匹配色)匹配色的光谱功率分布；
(7)将步骤(6)中待评价设备上产生的108组匹配色的光谱功率分布和步骤(3)中目标设备上呈现的5个目标色光谱功率分布，代入步骤(4)中108个颜色匹配函数，分别计算出108组(每组含有5个颜色)目标设备显示色和待评价设备上模拟产生颜色的色度值；
(8)分别计算步骤(7)中目标设备显示色和待评价设备上模拟产生的108组匹配色的色差值，并计算540个(＝108×5)色差值的平均值和最大值，从而评价待评价设备与目标设备间的观察者同色异谱差异。
步骤(1)中，所述的不同显示设备的红、绿、蓝三原色光谱功率分布不同，其中包括不同的光谱形状、带宽和/或峰值波长位置，即这三个特征中至少有一个不同。可在不同品牌、不同发光原理(LCD液晶、LED背光、OLED等)的专业级显示设备和办公显示设备中选择。白场下的参数具体指色温和亮度。为方便进行目标设备和待评价设备的观察者同色异谱差异检测，需将显示设备的亮度、色温调至接近的状态，通常要求色温的变化范围在±100K之间，亮度的变化范围在±10cd/cm2之间。一般需在固定位置处，用光谱辐射度计等测量仪器在垂直于屏幕正前方采集光谱数据。
步骤(2)中，需在对显示设备预热60分钟后，在所有显示设备的屏幕中间位置，分别设置最饱和的红色(R＝255，G＝0，B＝0)，绿色(R＝0，G＝255，B＝0)，蓝色(R＝0，G＝0，B＝255)和白场(R＝G＝B＝255)四个匀色色块。色块可为圆形也可为方形，大小以直径不小于5cm(或边长不小于5cm)为宜。一般在固定位置处，用光谱辐射度计等测量仪器在垂直于屏幕正前方分别测量采集显示设备屏幕中央位置的红、绿、蓝三原色的光谱功率分布和白场的光谱功率分布。用光谱辐射度计在距离色块60cm左右处，测量头垂直于显示设备上的色块，测量得到显示设备原色光谱功率分布。
步骤(3)中，用光谱辐射度计在距离色中心60cm左右处，与色中心保持垂直，测量光谱功率分布，代入CIE1964颜色匹配函数计算得到L*a*b*值，使其与CIE推荐的颜色中心接近，CIELAB色差值≤5.0。在目标设备中央位置依次呈现CIE推荐的5个颜色(灰、红、黄、绿、蓝色)，选择这5个颜色的原因是由于它们较为均匀分布在CIELAB颜色空间，同时没有饱和度很高的颜色，均能在各显示设备上准确呈现及进行颜色匹配。
步骤(4)中，108个颜色匹配函数中的47个为Stiles和Burch的颜色匹配函数，其为建立CIE1964颜色匹配函数的主要数据组；61个为CIE2006观察者生理模型中10°视场观察条件下，代入不同观察者年龄(20-80岁)后产生。108个颜色匹配函数中的每个颜色匹配函数可代表每个不同色觉正常观察者的红绿蓝三个通道的锥细胞响应。
步骤(5)中，为使待评价显示设备上的5个颜色与目标设备上的5个颜色达到视觉匹配，分别代入步骤(4)中的108个颜色匹配函数，计算在待评价显示设备上匹配目标色时，待评价显示设备的三原色RGB辐射强度比例rgb(取值范围为0-1)。rgb比例均为0时，表示待评价显示设备上显示黑色；rgb比例均为1时，表示显示白色。通过模拟计算得到不同待评价设备上108组匹配色的rgb比例(其中每组含有5个颜色的rgb比例)。
步骤(6)中，将待评价设备的三原色光谱功率分布与步骤(5)中rgb比例乘积后求和，计算得到待评价设备上匹配颜色的光谱功率分布。
步骤(8)中，需要计算目标设备上的每组颜色(5个颜色)和待评价设备上模拟产生的108组匹配色的色差值，并计算108组色差值的平均值和最大值，从而检测待评价设备与目标设备间的观察者同色异谱差异。
计算色差值时，需将目标设备和待评价设备的颜色色度值进行色适应转换，转换到同样的参考白场。参考白场可为目标设备的白场，也可选用D65(10°)标准照明体作为参考白场。考虑到计算色差较大(CIELAB色差＞5.0)，选用CIEALB色差公式进行色差计算。通过得到的108组色差值的最大值和平均值来评价待评价设备与目标设备间的观察者同色异谱差异，色差值越大，则观察者间的同色异谱差异越大，反之越小。
本发明不同显示设备间观察者同色异谱差异的评价方法，通过选择具有不同原色光谱的显示设备，在显示设备上呈现CIE推荐的5个颜色(灰、红、黄、绿、蓝)。为实现在待评价设备上与目标设备上的5个颜色匹配，基于目标设备上5个颜色的光谱能量、待评价设备的红绿蓝三原色光谱和108个颜色匹配函数，模拟计算出不同待评价设备上产生的匹配色光谱。通过计算目标设备和待评价设备颜色的色差，计算待评价设备与目标设备间的观察者同色异谱差异。
本发明通过选取基于CIE颜色匹配函数建立和产生的颜色匹配函数数据，模拟表示不同色觉正常观察者锥细胞光谱响应，同时要求选取具有不同原色光谱曲线的目标显示设备和评价显示设备进行检测。评价结果可为如何选取合适的显示设备，弱化不同观察者间的辨色差异，或在某些特殊场合强化观察者的辨色差异(如研究不同观察者的锥细胞响应)提供理论依据和指导建议。
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1-3是实验测试的目标设备(IPAD)和待评价设备(QUATO和EIZO19)的红绿蓝色三原色光谱功率分布，其中，图1-1是R(λ)通道的光谱能量分布，图1-2是G(λ)通道的光谱能量分布，图1-3是B(λ)通道的光谱能量分布。
图2是108个颜色匹配函数的光谱响应曲线图。
图3-1和图3-2是代入108个颜色匹配函数模拟计算得到的目标色和匹配色色度值散点分布图。圆形黑点代表IPAD目标设备的数据；灰色十字线散点为QUATO待评价设备的数据；黑色十字线散点为EIZO19待评价设备的数据。其中图3-1是目标色和匹配色在CIELAB颜色空间a*b*平面上的分布，图3-2是目标色和匹配色在CIELAB颜色空间L*C*图上的分布。
具体实施方式
本发明选取108个颜色匹配函数，模拟表示不同色觉正常观察者锥细胞光谱响应。同时选取具有较大差异的红、绿、蓝三原色光谱功率分布曲线的多台显示设备(包括目标设备和待评价设备)，在目标设备上依次呈现CIE推荐的5个颜色中心(灰，红，黄，绿，蓝)。为达到颜色匹配，计算待评价设备上产生匹配色的光谱功率分布，从而计算目标设备和待评价设备上108组颜色的CIELAB色差值(每组颜色包括CIE推荐5个颜色)。通过108组色差值的最大值和平均值得到待评价设备与目标设备间的观察者同色异谱差异，色差值越大，说明观察者间的同色异谱差异越大，反之越小。需要说明的是，本发明的设备不限于显示设备，可包括具有不同原色光谱的输入设备、显示设备和输出设备，其可适用于多种呈色方式的设备间观察者同色异谱大小比较。
本发明不同显示设备间观察者同色异谱差异的评价方法，包括如下步骤：
(1)选取三台具有不同发光原理的显示设备，将显示设备的亮度、色温、白场等参数调节至相同(接近)的状态，如：将显示设备的亮度设定为120cd/cm2，色温设定为5000K；
(2)为比较不同显示设备的红绿蓝三原色光谱功率分布差异，选取IPAD、QUATO和EIZO19三台显示设备进行比较。在显示器的屏幕中间位置，分别设置最饱和的红色(R＝255，G＝0，B＝0)，绿色(R＝0，G＝255，B＝0)和蓝色(R＝0，G＝0，B＝255)和白场(R＝G＝B＝255)四个匀色色块，色块大小为9cm×9cm，用光谱辐射度计测量其光谱功率分布，测量结果如图1-1至图1-3所示，其中实线为IPAD显示设备，虚线为EIZO19显示设备，点线为QUATO显示设备。图1-1是R(λ)通道的光谱能量分布，图1-2是G(λ)通道的光谱能量分布，图1-3是B(λ)通道的光谱能量分布。可见图中，在R(λ)通道，QUATO和EIZO19显示设备与IPAD具有相同的峰值波长位置，但是带宽窄于IPAD；在G(λ)通道，EIZO19显示设备与IPAD具有相同的峰值波长位置，但是带宽窄于IPAD；QUATO显示设备的峰值波长位置较IPAD目标设备向短波长位移；在B(λ)通道，QUATO和EIZO19显示设备的峰值波长位置较IPAD目标设备向短波长位移，同时EIZO19显示设备的带宽宽于IPAD显示设备。
(3)鉴于IPAD显示设备在R(λ)和G(λ)通道的宽带较宽，将IPAD设定为目标设备，调节IPAD的RGB通道比例，在目标设备的中央位置依次呈现CIE推荐的5个颜色中心(灰、红、黄、绿、蓝色)，目标设备上显示颜色中心的实测值(D65/10°)和推荐值如表1所示；
表1目标设备显示颜色和CIE推荐颜色色度值
Figure BDA0001716322170000061
(4)选取108个颜色匹配函数，其中47个为Stiles和Burch的颜色匹配函数，61个为CIE2006观察者生理模型中代入不同观察者年龄(10°视场，观察者年龄为20-80岁)后产生，颜色匹配函数的光谱响应曲线如图2所示。
(5)为与目标设备上呈现的5个目标色达到颜色匹配，将步骤(2)中测量得到的不同待评价设备的原色光谱功率分布，步骤(4)中的108个颜色匹配函数，代入XYZ三刺激值公式，计算得到不同待评价设备上108组匹配色的rgb比例(其中每组含有5个颜色的rgb比例)(取值范围为0-1)；如果计算的rgb值大于1，表示此次颜色匹配超过待评价设备的色域范围。
计算公式如式(1)所示：
计算过程为：R＝(Ci Smatch,max)-1CiSref (1)
其中，Ci是颜色匹配函数，为3行×101列矩阵(波长取值范围380-780nm，λ＝4nm)；Smatch,max是显示设备原色的最大光谱能量分布曲线，为101行×3列矩阵(RGB三个通道的最大光谱能量分布曲线)；Sref是显示设备上颜色刺激的光谱辐亮度分布曲线，为101行×1列矩阵；R是计算得出的需在显示设备上调节的原色比例rgb，为3行×1列矩阵(变化范围0-1)。表2所示是在待匹配设备EIZO19与目标设备IPAD上显示5个颜色匹配的rgb比例：
表2待评价设备EIZO19与目标设备IPAD匹配的rgb比例
Figure BDA0001716322170000062
Figure BDA0001716322170000071
(6)将步骤(5)中计算得到的rgb比例代入步骤(2)中不同显示设备的红绿蓝三原色光谱，计算得到待评价设备上108组(每组分别为5个匹配色)匹配色的光谱功率分布。
计算公式如式(2)所示：
Smatch(λ)＝r×Rmax(λ)+g×Gmax(λ)+b×Bmax(λ) (2)
其中，Smatch(λ)为计算得到待匹配设备上的颜色的光谱能量分布；r、g、b为待匹配设备上的红绿蓝三通道颜色比例；R(λ)、G(λ)、B(λ)分别代表待评价设备上红、绿、蓝三原色的最大光谱能量分布曲线。
(7)将步骤(6)中在待评价设备上产生的108组匹配色的光谱功率分布和步骤(3)中目标设备上呈现的5个目标色光谱功率分布，代入步骤(4)中108个颜色匹配函数，分别计算目标设备上的5个颜色和待评价设备上模拟产生的108组匹配色的色度值，其中目标设备IPAD和待评价设备QUATO和EIZO19上计算出的匹配色在a*b*平面和L*C*平面的散点图分布如图3-1和图3-2所示。其中圆形黑点代表IPAD目标设备的数据；灰色十字线散点为QUATO待评价设备的数据；黑色十字线散点为EIZO19待评价设备的数据。图3-1是目标色和匹配色在CIELAB颜色空间a*b*平面上的分布，图3-2是目标色和匹配色在CIELAB颜色空间L*C*图上的分布。
(8)计算步骤(7)中目标设备上的5个颜色和待评价设备上模拟产生的108组匹配色的色差值，并计算108组色差值的平均值和最大值。计算得到QUATO显示设备的540个(＝108×5)色差的平均值和最大值分别为9.5和16.0；EIZO19显示设备的540个(＝108×5)色差的平均值和最大值分别为3.91和9.21；从而可检测出待评价设备EIZO与目标设备IPAD间的观察者同色异谱差异低于待评价设备QUATO与目标设备IPAD间的观察者同色异谱差异。
本发明方法可以用于检测显示设备间观察者同色异谱差异，通过选择具有不同原色光谱的显示设备，在显示设备上呈现CIE推荐的5个颜色(灰、红、黄、绿、蓝)，基于目标设备上5个颜色的光谱功率分布、待评价设备的红绿蓝三原色光谱和108个颜色匹配函数，在不同待评价设备上模拟计算出与目标设备上5个颜色匹配的颜色光谱。通过计算目标设备和待评价设备上呈现颜色的色差，计算出待评价设备与目标设备间的观察者同色异谱差异。

Claims (9)

1.一种不同显示设备间观察者同色异谱差异的评价方法，包括如下步骤：
(1)选取三台以上不同的显示设备，将显示设备的白场下的参数设置至相同或接近的状态；
(2)在显示设备屏幕的中间位置，分别设置红色，绿色，蓝色和白场四个匀色色块，并用光谱辐射度计测量其光谱功率分布；
(3)将显示设备中的一台设定为目标设备，其他的为待评价设备；调节目标设备的RGB通道比例，在目标设备屏幕的中间位置依次呈现CIE推荐的5个颜色中心；
(4)选取108个颜色匹配函数，其中47个为Stiles和Burch的颜色匹配函数，61个为CIE2006颜色匹配函数中代入不同观察者年龄后产生；
(5)为与目标设备上呈现的5个颜色中心达到颜色匹配，将步骤(2)中测量得到的不同待评价设备的三原色光谱功率分布，步骤(4)中的108个颜色匹配函数，代入XYZ三刺激值公式，分别计算得到不同待评价设备上108组匹配色的rgb比例，每组含有5个颜色，rgb比例的取值范围为0-1；
(6)将步骤(5)中计算得到的rgb比例代入步骤(2)中不同待评价设备的红绿蓝三原色光谱功率分布，分别计算得到不同待评价设备上108组匹配色的光谱功率分布；
(7)将步骤(6)中待评价设备上产生的108组匹配色的光谱功率分布和步骤(3)中目标设备上呈现的5个目标色光谱功率分布，代入步骤(4)中108个颜色匹配函数，分别计算出108组目标设备显示色和待评价设备上模拟产生匹配色的色度值；
(8)分别计算步骤(7)中目标设备显示色和待评价设备上模拟产生的108组匹配色的色差值，并计算540个色差值的平均值和最大值，从而评价待评价设备与目标设备间的观察者同色异谱差异；所述的不同显示设备为具有不同红、绿、蓝三原色光谱功率分布的显示设备，包括具有不同的光谱形状、带宽和峰值波长位置。
2.根据权利要求1所述的不同显示设备间观察者同色异谱差异的评价方法，其特征在于：所述白场下的参数为色温和亮度。
3.根据权利要求1所述的不同显示设备间观察者同色异谱差异的评价方法，其特征在于：在固定位置处，用光谱辐射度计在垂直于屏幕正前方采集显示设备的屏幕中间位置分别测量显示设备的红、绿、蓝三原色的光谱功率分布和白场的光谱功率分布。
4.根据权利要求1所述的不同显示设备间观察者同色异谱差异的评价方法，其特征在于：CIE推荐的5个颜色中心为灰、红、黄、绿和蓝色。
5.根据权利要求1所述的不同显示设备间观察者同色异谱差异的评价方法，其特征在于：61个为CIE2006颜色匹配函数中10°视场观察条件下，代入不同观察者年龄后产生，年龄为20-80岁。
6.根据权利要求1所述的不同显示设备间观察者同色异谱差异的评价方法，其特征在于：计算色差值时，将目标设备和待评价设备的颜色色度值进行色适应转换，转换到同样的参考白场。
7.根据权利要求6所述的不同显示设备间观察者同色异谱差异的评价方法，其特征在于：所述的参考白场为目标设备的白场，或D65-10°标准照明体白场。
8.根据权利要求6所述的不同显示设备间观察者同色异谱差异的评价方法，其特征在于：采用CIEALB色差公式进行色差值计算。
9.根据权利要求1所述的不同显示设备间观察者同色异谱差异的评价方法，其特征在于：通过得到的108组色差值的最大值和平均值来评价待评价设备与目标设备间的观察者同色异谱差异，色差值越大，则观察者间的同色异谱差异越大，反之越小。
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