CN110324476A - 一种手机屏呈色性能的表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种手机屏幕呈色性能的表征方法，属于数字媒体成像技术领域。选取数个红、绿、蓝三原色和白场颜色等作为手机屏呈色的代表色，建立手机屏呈色的RGB到CIEXYZ色度的数学关系；由代表色色度和该数学关系求取手机呈色的三原色CIExy色度值、CIExy色域图和CIE三维色貌色域图。提取至少五种典型记忆色和中灰色的若干组RGB色值，测试其呈色色度及色貌值，绘制其随RGB颜色序号变化的色貌值曲线，求取质量参数。以三原色CIExy色度、CIExy二维色域图、CIE三维色貌色域图，以及记忆色和中灰色的色貌值曲线和质量参数共同表征手机屏的呈色性能。本发明方法将手机屏的呈色性能给予了多角度、多层面的表征。
Description
技术领域
本发明涉及一种手机屏呈色性能的表征方法，属于数字媒体成像技术领域。
背景技术
如今，手机已成为人们工作生活必不可少的工具。人们在手机屏上浏览信息、获取咨讯，办公、学习、聊天、购物，无所不用。其中，彩色图像和视频不仅是重要的信息载体，且已成为图画欣赏、颜色识别的常用工具。因此，手机屏幕的呈色性能成为一个重要的质量因素。
手机品牌众多，技术多样。不难发现，同一幅数字图像显示在不同品牌或不同型号的手机屏上，常会出现可见的颜色差异。有的颜色明亮、鲜艳，有的则相对模糊、暗淡。
从呈色原理上看，手机屏和所有显示屏一样，属于加色成色体系，使用红、绿、蓝三原色光的不同比例混合成五颜六色。但不同的手机生产厂家，使用的红、绿、蓝三原色常会不同，使得所能混合出的颜色数量和呈现的图像颜色感知属性有所不同，从而形成了各品牌手机间呈色性能和质量的差异。
从呈现的图像内容看，手机多呈现以人物肖像、自然风光和景物为主的图像。这其中，人眼所熟悉的一些典型记忆色(如肤色、天蓝色、草绿色、油菜花黄色、水果色等)，以及人眼所敏感的中性灰色可否正确再现是图像呈现的关键所在。
对于诸如手机屏等大众类显示产品，颜色的正确呈现一般设计为符合sRGB颜色标准，包括所用三原色的光色特征、所能呈现的颜色范围(称为色域)，以及对典型记忆色和中灰色等特征色的呈现特征等。但目前，因技术进步和视觉愉悦需求的原因，色域大于sRGB颜色标准的手机屏也已常见，所带来的好处是可呈现出较sRGB标准更加鲜艳的颜色。但随之而来的诸如同等应用条件(如屏幕亮度等)下颜色鲜艳度提高的数量及是否合适等，成为应用中需明晰的问题，因而，首先需要呈色性能的表征。另外，在生产过程中，手机屏是否达到了设计的色彩呈现，以及批次产品之间的呈色差异等，同样需要呈色性能的表征。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种能够表征手机屏的三原色特性、可呈现的色域，以及特征色呈现特征的手机屏呈色性能表征方法。
本发明的手机屏呈色性能的表征方法，通过获取手机在不同的RGB控制值下所能呈现颜色的CIEXYZ色度值，以及两者间的对应关系，得到手机屏可呈现的原色色度、白场色度、呈色色域、特征色色貌特征等信息，共同表征手机的呈色性能。
一种手机屏呈色性能的表征方法，包括以下步骤：
(1)构建含有RGB＝[d,0,0]、RGB＝[0,d,0]、RGB＝[0,0,d]、RGB＝[dmax,0,0]、RGB＝[0,dmax,0]、RGB＝[0,0,dmax]、RGB＝[0,0,0]和RGB＝[dmax,dmax,dmax]，或再增加其他多种RGB组合的总数不少于30个的RGB数组，其中，d和dmax均为整数，dmax为最大整数值，d为0至dmax之间的整数值，将各RGB数组分别制成一个数字色块图像，传递到手机上；
(2)手机屏上分别呈现步骤(1)形成的每个色块图像，用辐射光度测量仪(分光光度计或色度计)测量每个色块图像的CIEXYZ色度值；
(3)由步骤(1)所有的RGB数组值与步骤(2)测量的CIEXYZ色度值，建立由RGB到CIEXYZ的数学关系；
(4)由RGB＝[dmax,0,0]、RGB＝[0,dmax,0]、RGB＝[0,0,dmax]色块的CIEXYZ色度值计算对应的最亮、最饱和红、绿、蓝色的色品值CIExy，得到手机屏呈色的二维CIExy色域图，并与sRGB等标准颜色空间的CIExy色域进行比较；由白场RGB＝[dmax,dmax,dmax]呈色的CIEXYZ色度值，得到手机屏白场的亮度Yw和色温T或相关色温ccT；
(5)根据步骤(3)得到的数学关系，求取RGB数组决定的呈色范围的边界色值CIEXYZ，并由此求解CIE色貌值，进一步绘制出CIE三维色貌空间中的呈色色域，与同白场亮度的sRGB等标准颜色空间的色貌色域比较；
(6)选取至少五种典型记忆色，与中灰色共同构成特征色；针对每一特征色的多个RGB色值，求取相应的CIE色貌值，绘制色貌值随RGB颜色序号变化的色貌值曲线，求取相关的质量参数，并可与同白场亮度的sRGB等标准颜色空间的色貌值变化曲线和质量参数比较；
用步骤(4)得到的CIExy色品值和二维色域、步骤(5)得到的色貌色域和步骤(6)得到的所有特征色色貌值曲线和质量参数共同表征手机屏幕的呈色性能。
步骤(1)中，最亮、最饱和的Rmax＝dmax、Gmax＝dmax、Bmax＝dmax中，dmax由计数机计数的编码位数决定，在通常的8位编码情况下为255，且d在0到255间取整数值，则RGB数组的R、G、B值需分别为包含0、255及0至255之间的数个整数值；所述的色块数字图像格式为手机屏幕可接受的任意格式。
步骤(3)中，建立由RGB到CIEXYZ的数学对应关系需分析手机屏幕的呈色特性，选择合适的数学方法，以达到计算得到的CIEXYZ值与测量的CIEXYZ值间CIE DE2000色差的均值不大于2。
步骤(5)中，决定呈色范围的边界色值CIEXYZ的RGB数组中至少有1个取最小或最大值，8位编码的情况分别为0和255；计算得到的相应的CIE色貌值，为以手机白场的CIEXYZ测量值为光源参数的色貌值(由CIEXYZ计算为CIE色貌值时需要指定光源的CIEXYZ值)。
所述的CIE色貌值为代表视觉亮度、视觉彩度和视觉色调的色度量。如CIE CAM色貌值QMh，其中Q为视亮度，M为视彩度，h为色调角，分别代表视觉感知颜色的绝对亮度、绝对鲜艳度和色调。
所述的CIE三维色貌空间中的呈色色域为色貌值三维坐标空间中的闭合边界曲面。如CIECAM色貌值QMh构成的QaMbM三维直角坐标空间中的闭合边界曲面；其中aMbM与Mh分别为与Q坐标相垂直的平面的直角坐标和极坐标。
所述同白场亮度的sRGB等标准色空间色貌色域求解过程中，使用的照明体CIEXYZ色度为该标准色空间规定的照明体的CIEXYZ值，如sRGB情况为D65照明体，使用的白场亮度Yw等同于所测手机使用的白场亮度。
步骤(6)中，选取至少五种典型的记忆色，对每一记忆色，从sRGB等标准图像中提取其多种明度和饱和度的有代表性RGB色值数组；同时，构建数个数值不同但R＝G＝B的中灰色RGB数组；其后，将典型记忆色和中灰色构成的特征色每一色组的RGB值按步骤(3)得到的数学关系计算出对应的CIECAM色貌值，并进行色貌值随RGB颜色序号变化曲线的绘制及质量参数的求解；
同时，每一特征色的RGB色组按sRGB等标准的颜色关系计算对应的CIE色貌值及相应的色貌值曲线和质量参数；
用所有特征色的色貌值曲线和质量参数，以及/或与sRGB等标准色貌色度曲线和质量参数的对比，共同表征手机屏幕的特征色呈色性能。
所述的典型记忆色包括肤色、天蓝色、典型植物色(如草绿色和油菜花黄色)和典型的水果色等。典型记忆色的RGB色值从多幅标准影像中提取；每个特征色选出的RGB色值数量不少于15个，能够体现该特征色明度、色调和饱和度的变化特征。
从多幅标准影像中，提取至少五种典型记忆色的多种明度和饱和度的若干组RGB色值，并制作数个数值不同但R＝G＝B的中灰色RGB数组，构成不少于六个特征色的RGB色组。
所述色貌值曲线为三条，其一为视亮度值随RGB色组序号的变化曲线，色组序号按标准RGB对应的明度由小到大排序；另外两条分别为视彩度和色调角随RGB色组序号的变化曲线，色组序号同于视亮度曲线。
所述的质量参数包括视亮度曲线的平均亮度值和视亮度曲线的拟合直线斜率(称为视亮度对比度)、视彩度曲线的平均彩度值，以及色调角曲线的平均值，称为中心色调。
按标准RGB计算对应的CIE色貌值，为以该标准RGB规定的标准照明体为光源的标准颜色关系计算CIEXYZ色度值，以及步骤(3)数学关系中使用相同的白场亮度参数所对应的CIE色貌值。
本发明的手机屏呈色性能的表征方法，基于数个有代表性RGB色组呈现的色度值和所建立的两者间数学关系，形成和表征出手机屏的三原色CIExy色品特征值和CIExy二维色域、CIE三维色貌色域，以及不少于六种特征色的色貌值曲线和质量指标，并可与诸如sRGB等标准颜色空间的呈色结果相比较。
三原色CIExy色品特征值和CIExy二维色域图表征了手机屏呈色的色品物理属性，是手机屏呈色质量的根本决定因素；CIE三维色貌色域和多种特征色的色貌值曲线和质量指标，表征了使用条件下手机屏的视觉呈色能力和呈色性能，是手机屏呈色效果的具体表现。如此，本发明方法将手机屏的呈色性能给予了多角度、多层面的表征。
附图说明
图1-1为手机A的单通道发光及γ指数拟合曲线。
图1-2为手机B的单通道发光及γ指数拟合曲线。
图1-3为手机C的单通道发光及γ指数拟合曲线。
图2-1为手机A、手机B和手机C与两个专业显示器不同亮度红原色的色品点。
图2-2为手机A、手机B和手机C与两个专业显示器不同亮度绿原色的色品点。
图2-3为手机A、手机B和手机C与两个专业显示器不同亮度蓝原色的色品点。
图3-1为手机B与sRGB颜色标准的二维CIExy色域图。
图3-2为手机A和手机C与sRGB颜色标准的二维CIExy色域图。
图4-1为手机A和手机B的三维CIECAM02 QaMbM色貌色域比较图。
图4-2为手机A和手机C的三维CIECAM02 QaMbM色貌色域比较图。
图4-3为手机A与sRGB颜色标准的三维CIECAM02 QaMbM色貌色域比较图。
图4-4为手机B与sRGB颜色标准的三维CIECAM02 QaMbM色貌色域比较图。
图5-1为提取肤色选用的25幅sRGB人物肖像影像。
图5-2为提取天蓝色选用的12幅sRGB天空风景类影像。
图5-3为提取草绿色选用的10幅sRGB草地风景类影像。
图5-4为提取鹅黄色选用的9幅sRGB油菜花风景类影像。
图5-5为提取特征红色选用的标准sRGB影像。
图6-1为116个色块的肤色示意图。
图6-2为45个色块的天蓝色示意图。
图6-3为50个色块的草绿色示意图。
图6-4为15个色块的鹅黄色示意图。
图6-5为22个色块的特征红色示意图。
图6-6为21个色块的中性灰色示意图。
图7为手机屏A在两个白场亮度下呈色的二维CIExy色域比较图。
图8-1为手机屏A在两个白场亮度呈色的CIECAM02 QaMbM色貌色域比较图。
图8-2为手机屏A在两个白场亮度呈色的CIECAM02 QaMbM色貌aMbM色域面比较图。
图9-1为手机屏A在两个白场亮度呈色的肤色CIECAM02 QMh色貌值变化曲线图。
图9-2为手机屏A在两个白场亮度呈色的天蓝色CIECAM02 QMh色貌值变化曲线图。
图9-3为手机屏A在两个白场亮度呈色的草绿色CIECAM02 QMh色貌值变化曲线图。
图9-4为手机屏A在两个白场亮度呈色的鹅黄色CIECAM02 QMh色貌值变化曲线图。
图9-5为手机屏A在两个白场亮度呈色的特征红色CIECAM02 QMh色貌值变化曲线图。
图9-6为手机屏A在两个白场亮度呈色的中灰色CIECAM02 QMh色貌值变化曲线图。
图10-1为手机屏A在170cd/m2白场亮度呈色与sRGB标准颜色的CIECAM02 QaMbM色貌色域比较图。
图10-2为手机屏A在170cd/m2白场亮度呈色与sRGB标准颜色的CIECAM02 QaMbM色貌aMbM色域面比较图。
图11-1为手机屏A在170cd/m2白场亮度呈色时与sRGB标准颜色的肤色CIECAM02QMh色貌值变化曲线图。
图11-2为手机屏A在170cd/m2白场亮度呈色时与sRGB标准颜色的天蓝色CIECAM02QMh色貌值变化曲线图。
图11-3为手机屏A在170cd/m2白场亮度呈色时与sRGB标准颜色的草绿色CIECAM02QMh色貌值变化曲线图。
图11-4为手机屏A在170cd/m2白场亮度呈色时与sRGB标准颜色的鹅黄色CIECAM02QMh色貌值变化曲线图。
图11-5为手机屏A在170cd/m2白场亮度呈色时与sRGB标准颜色的特征红色CIECAM02 QMh色貌值变化曲线图。
图11-6为手机屏A在170cd/m2白场亮度呈色时与sRGB标准颜色的中灰色CIECAM02QMh色貌值变化曲线图。
图12为手机屏A和手机屏B在170cd/m2白场亮度呈色时的二维CIExy色域比较图。
图13-1为手机屏A和手机屏B在170cd/m2白场亮度呈色时的CIECAM02 QaMbM色貌色域比较图。
图13-2为手机屏A和手机屏B在170cd/m2白场亮度呈色时的CIECAM02 QaMbM色貌aMbM色域面比较图。
图14-1为手机屏A和手机屏B在170cd/m2白场亮度呈色时的肤色CIECAM02 QMh色貌值变化曲线图。
图14-2为手机屏A和手机屏B在170cd/m2白场亮度呈色时的天蓝色CIECAM02 QMh色貌值变化曲线图。
图14-3为手机屏A和手机屏B在170cd/m2白场亮度呈色时的草绿色CIECAM02 QMh色貌值变化曲线图。
图14-4为手机屏A和手机屏B在170cd/m2白场亮度呈色时的鹅黄色CIECAM02 QMh色貌值变化曲线图。
图14-5为手机屏A和手机屏B在170cd/m2白场亮度呈色时的特征红色CIECAM02QMh色貌值变化曲线图。
图14-6为手机屏A和手机屏B在170cd/m2白场亮度呈色时的中会色CIECAM02 QMh色貌值变化曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例给出手机屏呈色性能的测试和表征过程，以进一步说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
本发明选取数个红、绿、蓝三原色和白场颜色等作为手机屏呈色的代表色，由该代表色建立手机屏呈色的RGB到CIEXYZ色度的数学关系；由代表色色度和该数学关系求取手机呈色的三原色CIExy色度值、CIExy色域图、CIE三维色貌色域图。从多幅标准sRGB影像中，提取至少五种典型记忆色的多种明度和饱和度的若干组RGB色值，并制作数个数值不同但R＝G＝B的中灰色RGB数组，构成不少于六个特征色的RGB色组。每个特征色色组按明度值由小到大排序，并分别制作成数字图像。测试每个特征色色组图像在手机屏上的呈色色度及色貌值，分别形成色貌值对应的视亮度、视彩度和色调角数值随色组颜色序号的三条变化曲线，以及相应的质量参数。以三原色CIExy色度、CIExy二维色域图、CIE三维色貌色域图，以及特征色的色貌值曲线和质量参数共同表征手机屏的呈色性能，并可与同白场亮度对应的sRGB标准颜色空间的色域图、特征色色貌值曲线和质量参数相比较。
选用的手机为当前市场上三个主流品牌的某一型号产品，分别记为手机A、手机B和手机C，实施的呈色性能测试和表征过程如下：
步骤1、构建RGB数组
本实施例中设计为常规的8位编码方式。此时，RGB中单一值的取值为d＝[0,18,36,55,73,91,109,128,146，164,182,200,219,237,255]共15个数值，并组合有[R＝d,G＝0,B＝0]的15个红色、[R＝0,G＝d,B＝0]的15个绿色、[R＝0,G＝0,B＝d]的15个蓝色、[R＝0,G＝d,B＝d]的15个青色、[R＝d,G＝0,B＝d]的15个品红色、[R＝d,G＝d,B＝0]的15个黄色和[R＝d,G＝d,B＝d]的15个中灰色共105个颜色数组，每个数组值制作成一个不少于400×400个像素的均匀色数字图像，存为手机可接受的*jpg格式；将该105个均匀色图像通过微信、QQ等方式发送到手机上，或再存储到手机相册中。
步骤2、手机呈色色度测试
在手机微信或QQ或相册中，分别打开步骤1所建的105个匀色图像，并用i1Pro分光光度计贴在屏幕上测量每个颜色的CIEXYZ色度值，代表暗室环境中的手机呈色。
步骤3、手机屏呈色控制关系确定
手机屏呈色控制关系，即呈现颜色的CIEXYZ色度值与其控制值RGB之间的数学关系。
根据色光混合理论，若红、绿、蓝三个发光通道的发光没有相互影响，则称为具有通道独立性，进而，RGB组合发光色的CIEXYZ值是红光RGB＝[R,0,0]、绿光RGB＝[0,G,0]、蓝光RGB＝[0,0,B]之CIEXYZ值各自直接相加的关系，即X的直接相加、Y的直接相加和Z的直接相加。本实施例中，用各自15个的青(RGB＝[0,d,d])、品红(RGB＝[d,0,d])、黄(RGB＝[d,d,0])和中灰色(RGB＝[d,d,d])的CIEXYZ测试值与其对应三原色组合的红、绿、蓝色光测试值CIEXYZ的叠加结果做比较，以CIE_DE2000色差DE00表征。若色差小，则表明两者间的一致性好，混合色的CIEXYZ值符合色光相加规律，即该手机具有较好的色光通道独立性。
表1给出了本实施例选用的三个手机，以及作为比较而选用的两个台式专业显示器，以DE00色差表征的通道独立性程度测试结果。其中，第2至第5列为分别以青色光、品红色光、黄色光和中灰色光表征的情况。
表1手机屏和专业显示器的通道相互作用程度(平均DE00/最大DE00)
对比表1中的色差数据看出，就实验的四种混色情况看，该三个手机的通道独立性都好于所比较两个专业显示器。
每个发光通道的CIEXYZ归一化亮度Y/Ymax与归一化控制值d/dmax之间的变化关系也是屏幕呈色的重要性能，它决定颜色亮度的变化过程。理论上常设计为Y/Ymax与d/dmax成γ(伽马)指数关系，如公式(1)所示。
式中的γ值即为表征单通道发光特性的主要参数。
实际的显屏发光通道是否满足(1)式关系，需进行数学验证。本实施例中，由设计并呈现的15个红色光CIEXYZ测量值中的Y值进行归一化处理，建立与其控制值R的归一化数值之间的γ指数拟合。类似地，可得到绿光、蓝光通道的γ指数拟合关系。以手机A为例，求得三个发光通道的γ指数关系如公式(2)至公式(4)所示。三个手机的发光及γ指数拟合曲线如图1-1至图1-3所示。
进一步，以用该γ指数关系由归一化控制值计算的归一化Y值与实测的归一化Y值的方差；该方差越小，表明两者间越符合该γ指数关系。表2给出了所用三个手机和两个专业显示器的测量结果，其中的方差放大了100倍。
表2手机屏和专业显示器的三原色通道γ值及符合度(γ值/100×方差)
| 红光通道 | 绿光通道 | 蓝光通道 | 平均值 | |
| 手机A | 2.10/0.48 | 2.17/0.35 | 2.16/0.56 | 2.14/0.47 |
| 手机B | 2.34/0.44 | 2.33/0.43 | 2.32/0.64 | 2.35/0.50 |
| 手机C | 2.47/1.04 | 2.58/1.19 | 2.63/1.28 | 2.56/1.17 |
| 专业显示器1 | 2.18/0.26 | 2.19/0.30 | 2.19/0.47 | 2.19/0.34 |
| 专业显示器2 | 2.13/0.28 | 2.23/0.33 | 2.05/1.00 | 2.14/0.53 |
对比表2数据看到，三个手机和两个专业显示器的γ值各有不同，平均值在2.15～2.63之间。表征γ关系符合度的方差中手机C的情况最大，但也只有0.01的量级，表明γ指数关系具有较好的拟合精度；其中，手机A和手机B的情况，拟合精度已与专业显示器相当。
另外，亮度不同的红、绿、蓝三原色色光的CIExy色品是否恒定不变，也是三原色色光的一个性能。所选三个手机和两个专业显示器不同亮度三原色光色品坐标CIExy位置变化分别如图2-1至图2-3所示。可以看到，所选三个手机的色品点变化范围并不比两个专业显示器大，甚至小于专业显示器，表明其色品恒定性优于专业显示器。
如前所述，当显示屏发光过程满足了通道独立性和色品恒定性后，混合色光的CIEXYZ三刺激值为红、绿、蓝各自色光CIEXYZ三刺激值的直接叠加，则混合色光的CIEXYZ三刺激值由公式(5)决定。
对于手机A的情况，公式(5)具体化为公式(6)。
公式(5)中的XYZ即混合色光的颜色三刺激值，Xrmax、Yrmax、Zrmax为最饱和红色光的三刺激值，Xgmax、Ygmax、Zgmax为最饱和绿色光的三刺激值，Xbmax、Ybmax、Zbmax为最饱和蓝色光的三刺激值，分别对应RGB＝[dmax,0,0]＝[255,0,0]、RGB＝[0,dmax,0]＝[0,255,0]和RGB＝[0,0,dmax]＝[0,0,255]控制值形成的呈色色度，在步骤(2)中已测量。如此，对任意控制值RGB，可由公式(1)和公式(5)所示的计算过程得到对应的呈色CIEXYZ值。
公式(1)和公式(5)的模型对一个显屏呈色的描述精度，可用多个RGB控制呈色的测量色度值和模型计算色度值的比较来分析。本实施例中，以前述105个颜色的测量色度与计算色度的CIE_DE2000色差DE00值表示模型精度；色差越小，表明实际呈色越符合上述模型。表3给出了所用三个手机和两个专业显示器的DE00测试结果。
表3手机屏和专业显示器的模型精度
| 手机A | 手机B | 手机C | 专业显示器1 | 专业显示器2 | |
| DE<sub>00</sub>均值 | 0.82 | 1.21 | 1.57 | 1.26 | 1.97 |
| DE<sub>00</sub>最大值 | 2.26 | 4.23 | 5.14 | 4.70 | 6.64 |
比较表3的DE00色差数据看到，DE00色差均值均小于2，且手机A和手机B的DE00色差均值小于两个专业显示器，手机C的情况介于两个专业显示器之间。综合γ指数关系、通道独立性及色品恒定性三方面性能看，虽然表2所示手机C的γ指数关系符合度低于专业显示器，但表1和图2所示的通道独立性和色品恒定性明显优于后者，三方面的共同作用使其对总的模型符合度与专业显示器相当。
在标准的ICC色彩管理技术中，对专业显示器建立RGB控制值与其呈色CIEXYZ值的关系时即可采用上述模型。因此，表3所示的测试结果表明，对该三个手机，不妨用公式(1)和公式(5)所示的模型构建其呈色控制值RGB与对应呈色色度值CIEXYZ间的数学关系。
需说明的是，上述模型只需要红、绿、蓝色光的最亮色CIEXYZ值和各自光通道的γ值，则可只测量上述各自15个或更少些的红、绿、蓝三组颜色即可。该实施例使用了所测45个颜色建立了RGB值到其呈色CIEXYZ值的数学关系。
对于要求更高数学关系应用精度的情况，可采用较多的RGB数组控制呈色，采用适宜的数学方法建立两者间的数学关系。
步骤4、手机屏的基本色光特性
一个屏幕所能呈现的最亮、最饱和红、绿、蓝光决定了该屏幕可通过不同强度的混合可呈现颜色的范围，是屏幕呈色的基本特征。因此，用步骤1到步骤2中所测试的RGB＝[dmax,0,0]红光、RGB＝[0,dmax,0]绿光、RGB＝[0,0,dmax]蓝光和RGB＝[dmax,dmax,dmax]白场(最亮的白屏)的CIEXYZ色度特征来表征屏幕呈色的这一基本特征。具体为三原色CIEXYZ决定的色品坐标xy，以及白场CIEXYZ决定的色温T/相关色温ccT和亮度Yw。所测三个手机的结果如表4所示。
表4手机屏的基本色光特性
三原色的色品坐标CIExy表征的是红、绿、蓝的彩色特征，是手机屏呈现五颜六色的根本保证。不同色品坐标xy的三原色，能够构成的颜色多少是不同的。因此，可用xy二维坐标平面上从彩色程度(称为色纯度)的角度表征这种可混合颜色多少的特性。如图3-1和图3-2所示，为在xy色品图上该三个手机三原色色品坐标点所围的三角形。理论上，该三角形所围的面积即是该三原色所能混合呈现的所有颜色色品点，称为CIExy色域。从图3-1看出，手机B的色域较大，明显大于sRGB标准的色域；图3-2则表示，手机A、手机C的色域与sRGB较为接近。此外还看到，手机B的红原色色品点已基本处于光谱轨迹上，表明该红原色具有优越的色纯度。
对于最亮三原色混合形成的白场而言，其颜色和亮度是关注的两方面特征。白场的颜色特征即常说的暖调白、冷调白等，决定于白场色度的色品坐标xy，但转换为用色温T或相关色温ccT表征。T或ccT高，白场颜色偏蓝；T或ccT低则白场颜色偏黄。白场的这一特性也同时表征在了图3-1和图3-2中，其中的曲线为普朗克曲线，为黑体不同温度时辐射光色的色品坐标。手机屏白场色品坐标在普朗克轨迹上时，白场颜色用色温T表示，否则用相关色温ccT。白场的亮度也是屏幕显示的一个重要性能指标。亮度高，会提高呈现颜色的视觉亮度，也会增加颜色的视觉鲜艳度。因此，当调整白场的亮度时(实质上是同时调整三原色的最大亮度)，手机屏的视觉颜色会随之变化。
图3-1和图3-2直观地表征了表4中的CIExy色品坐标信息。该图加上白场的颜色和亮度信息，构成了手机屏呈色的基本光色特性，是手机屏图像呈色质量的基础。
步骤5、手机屏呈色的三维色貌空间色域
根据步骤3得到的数学关系，求取RGB数组决定的色域边界色值CIEXYZ和CIE色貌值。
该实施例中，使用决定呈色色域边界的RGB值为R、G、B在[0，32，64，96，128，159，191，223，255]取值中至少有一个为0或255，由步骤3得到的各手机的呈色控制关系，分别得到三个手机的色域边界CIEXYZ色度值。进一步，该实施例选择CIECAM02色貌模型(见普通高等教育“十一五”国家级规划教学《印刷色彩学》，刘浩学主编，中国轻工业出版社，94页～100页)，将CIEXYZ计算为CIECAM02 QMh和等价的CIECAM02 QaMbM色值；其中，aMbM和Mh间为直角坐标和极坐标间的关系。
CIECAM02色貌值的计算过程中需要手机呈色的光照环境参数F、c和Nc。该实施例选择黑暗光照参数，F、c和Nc分别取模型规定的0.8、0.525和0.8，符合步骤2中手机屏CIEXYZ测试等同于暗室环境应用的情况。
CIECAM02 QMh色貌的Q、M、h分别为视亮度、视彩度和色调角，与人眼对颜色感知的视觉感知属性亮度、鲜艳度和色调相对应，能更好地反应颜色的视觉感知质量。QMh值相当于三维柱坐标，在与QMh等价的QaMbM三维直角坐标空间中，可构建呈色的色域边界闭合曲面，称为手机呈色的三维色貌色域。如图4-1所示为手机A和手机B的QaMbM三维色貌色域图。
由于色貌Q值代表视觉感知的绝对亮度，该实施例将其白场对应的Q值线性调整为实测的白场亮度Yw。如此，如图4-1所示，QaMbM三维色貌色域曲面中Q值最高点的Q值反映的就是屏幕白场的实际亮度。图4-1和图4-2中不同的QA、QB、QC值反映的是三个手机不同的白场亮度。这一点与常用的CIELab色度值完全不同，L值代表的明亮度将屏幕白场均认定为最大的100数值，因而不能反映白场的实际亮度。
从图4-1可看出，整体上手机B的色域大于手机A。具体表现为：由坐标值Q体现的视亮度范围，手机B的大于手机A，即前者较后者有更亮的颜色表现；此外，由在aMbM平面维度上的范围看，手机B的大于手机A，即前者较后者有视觉上更加鲜艳的颜色表现。因此可以说，手机B较手机A可表现更多更亮、更鲜艳的颜色，即有更强的颜色表现能力。类似地，图4-2表明，手机A和手机C具有相近的颜色呈现能力。
sRGB颜色标准规定了它的白场亮度为80cd/m2，但目前显示设备具有的白场亮度能力及实际使用的亮度都大于此值。并且，显示设备在应用sRGB颜色标准时并不限定白场的亮度为80cd/m2，而是体现在三原色色品值xy和通道γ指数关系的符合性上。因此，可将sRGB颜色标准的白场亮度改变为手机屏使用的白场亮度，用此时sRGB颜色标准体现的颜色特征作为衡量该手机屏颜色表现性能的一个对比标尺。图4-3和图4-4所示，分别为手机A和手机B与各自同白场亮度对应的sRGB标准颜色的QaMbM三维色域对比图，表明的是手机屏此时的呈色色域与同白场亮度的sRGB标准颜色的差异。从图4-3看出，手机A和同白场亮度的sRGB标准具有类似的颜色能力；而图4-4所示的手机B则与同它白场亮度的sRGB标准相比，具有更强的颜色表现能力，可表现更加饱和、鲜艳的颜色。
QaMbM三维色域图所表征的这种颜色表现能力，不仅源于所用三原色的物理本质(色光的光谱性能决定的色品)，也源于实际使用的色光强度。与同白场亮度的sRGB标准颜色比较，可表征手机屏的呈色能力与一个标准尺度的差异；将相同或不同白场亮度的手机屏进行比较，可表征不同手机在各自使用条件下绝对的呈色能力差异，可满足不同应用的需求。
步骤6、特征色呈色性能表征
1)特征色的提取
由于人眼对肤色、天蓝色、典型植物色(如草绿色、油菜花等鹅黄色)、水果色等已形成一定的记忆，具有很强的识别力；此外，中性灰色在图像中起着骨架的作用，人眼对图像中灰色的偏色也最为敏感。目前的手机屏白场颜色差异较大，色温在6500K～10000K间都有。一方面中灰色的颜色主要由白场颜色决定；另一方面，基于相同白场呈现的不同深浅灰色，也存在着视觉上的色彩差异。可以说，这些典型的记忆色和中灰色的呈现效果成为手机屏图像呈色质量的关键。因此，该实施例的特征色设计为含有肤色、天蓝色、草绿色、鹅黄色、特征红色及中灰色。
上述五种记忆色从惠普、索尼等公司用于视觉色彩评价的标准sRGB影像中提取。方法是：针对每一种记忆色，在其色调范围内，提取多个明度和饱和度对应的RGB值作为该记忆色的代表。中灰色的RGB值构成需符合理论上的规定，即R＝G＝B。
提取五种记忆色的标准影像如图5-1～图5-5所示。分别在该记忆色具有不同明度和饱和度的部位，提取出其RGB值，并将其按照sRGB标准转换为CIELab色度值；进一步，对所提取色的色度值进行CIELab色差分析，将两颜色间色差小于2的去掉1个，最终得到数个颜色相间适度的代表色。如此，肤色、天蓝色、草绿色、鹅黄色和特征红色分别提取了116组、45组、50组、15组和22组RGB色值，并将其按sRGB标准对应的明度L由小到大(由暗到亮)排序，各记忆色对应的颜色如图6-1至图6-5色块示意。需说明的是，特征红色为从图5-5图像中的红花、红苹果、红樱桃和酒红色中提取。
中灰色色组选取为RGB＝[d,d,d]，其中d＝[2 13 26 38 51 64 77 89 102 115128 140 153 166 191 204 217 230 242 255]，共21组，对应色如图6-6所示。
2)特征色的性能表征
对1)中提取的RGB色值，由步骤3得到的数学关系计算出相应的CIEXYZ色度值和CIECAM02 QMh色貌值。对每一特征色的Q、M、h数组，以特征色序号(已按明度由小到大排序)为横坐标，分别以Q、M、h为纵坐标绘制出三条变化曲线，表征该特征色的视亮度、视彩度和色调及其变化特征。并定义视觉质量参数如下：
(a)视亮度均值，表征该组特征色整体视觉上的亮度，简称视亮度，记为Qv；
(b)视亮度Q值曲线的拟合直线斜率，表征该组特征色视觉上的亮度梯度程度，称为视亮度对比度，记为QD；
(c)视彩度M值的均值，表征该组特征色整体视觉上的鲜艳程度，简称视彩度，记为Mv；
(d)色调角均值，具有该组特征色色调中心的含义，不妨称为中心色调，记为hm。
如上，对每一特征色，由特征色组形成的三条色值曲线及Qv、QD、Mv和hm等质量参数表征该特征色的呈色特征，所有特征色的呈色特征共同表征该手机屏的特征色呈色质量。对于手机之间或同一手机不同白场亮度下的呈色质量比较，可由特征色曲线、质量参数值及其差异进行表征和分析。
以上步骤给出了表征手机屏呈色性能的实施过程，以下给出三个不同应用的结果与分析，以进一步说明该方法。
应用1：手机A在两个不同白场亮度情况的呈色性能比较。
改变手机A的亮度，分别在白场亮度为100cd/m2和500cd/m2两个条件下，实施上述各步骤，获得CIExy二维色域、CIECAM02 QaMbM三维色域及各特征色色度曲线比较图如图7至图9-6所示，获得各特征色质量参数如表5所示。
从图7看到，手机A使用在两个不同白场亮度时，其CIExy二维色域是相同的，因为色品坐标xy值由三原色色光的相对光谱功率决定，不随亮度变化，即本质上由形成三原色的物理机制决定，属于三原色的色品本征属性。而由图7-1和图7-2所示的CIECAM02 QaMbM三维色域看，高白场亮度下色域除了有更高的亮度值外，在aMbM平面内也更加宽泛，表明会使视觉彩度增加。
对具体的颜色呈现情况，从图9-1至图9-6可看到，高白场亮度对应特征色的视亮度曲线明显偏高，且变化梯度更大；视彩度曲线位置除中灰色外也都有增高；而色调角曲线几乎重合。从表5所示的量化参数看，相对于100cd/m2的低亮度情况，白场亮度提高到500cd/m2时，这些特征色的视亮度均值随之显著增大，且视亮度对比度都提高了4倍左右；除中灰色外视彩度也均为增加，增加了0.15倍左右；除中灰色外，色调角则相差不足1°，可视为没有改变。
表5手机A不同白场亮度的特征色质量参数
这一结果表明，对手机屏而言，白场亮度的提高，不仅提高了彩色图像整体的物理亮度，且从视觉上提高了图像中各种深深浅浅颜色的亮度对比度和整体彩度，使图像看起来更加通透、艳丽，如同雨后清澈天空下的花海、山峦。此外，不变的色调角表明了彩色根本特征的色调不随屏幕亮度改变的优良特征。
中灰色情况有所不同的是，白场亮度的提高，并没有使该手机屏呈现的中灰色视觉上的偏色程度(彩度)增强，这无疑是一个希望的结果。但偏色的色调稍有差异。
用2个同款同批次的手机，实施了上述测试，结果非常接近。其后，选择了图5-1中的5幅肤色、图5-2中的2幅天蓝色、图5-3中的2幅绿色、图5-4中的2幅鹅黄色和图5-5(表征红色)分别同时显示到这两个白场亮度不同的手机上，视觉对比的感觉与图9-1～图9-6所示结果相一致。
应用2：手机与sRGB标准的呈色性能比较。
将手机A白场亮度调整为170cd/m2白场亮度，重复上述测试过程，得到与同亮度sRGB呈色标准的结果如图10-1、图10-2、图11-1至图11-6和表6所示。
首先要说明，“应用1”中明确了不同白场亮度下手机屏的CIExy二维色域是相同的。因此，此处手机A在170cd/m2白场亮度下的CIExy二维色域及与sRGB色域的比较同于图7。
表6 170cd/m2白场亮度下手机A与sRGB特征色质量参数
对于CIECAM02 QaMbM三维色域的比较，由图10-1和图10-2所示可粗略看到，手机屏A与同亮度下的sRGB标准呈色差异不大。
对于特征色的呈色情况，结合图11-1至图11-6和表6不难比较出，该条件下手机A各特征色的视亮度特性均接近sRGB标准，而视彩度和色调方面，不同特征色与sRGB有着不同的差异。肤色、天蓝色和红色的视彩度与sRGB标准更为接近，草绿色和鹅黄色的视彩度与sRGB的差异则相对较大，均高于sRGB约9％；红色的色调与sRGB标准几乎相同，天蓝色色调角较sRGB差异相对最大，偏大4°多(视觉上会偏蓝)，其他则与sRGB相差不大。中灰色情况则视彩度相当，整体色调角不同；表明偏色程度相当，但偏色色调不同。此外，从曲线看到，sRGB中灰色的色调角约为211°，而手机A的则随亮度在0°～-180°间变化，表现为不稳定的色调，这是非希望的表现。
应用3：同白场亮度下不同手机屏的呈色性能比较。
不同品牌的手机，往往因三原色形成机理的不同，会有较大的呈色差异，即使在相同的白场亮度条件下，也会有不同的呈色质量。重复上述测试，得到手机A和手机B均在170cd/m2白场亮度下的测试结果，如图12、图13-1、图13-2、图14-1至图14-6和表7所示。
首先从图12看到，该两个手机的色品色域有较大差异，手机B较手机A的三个原色纯度均较高，特别是绿原色，差异更为显著。如前所述，这一差异反映的是色光本身光谱特征的不同。
表7 170cd/m2白场亮度下手机A和手机B特征色质量参数
其次，从图13-1和图13-2看到，手机B在aMbM二维方向上更为宽泛。这些较手机A扩充出来的色域区域为视觉上更加鲜艳的颜色，因此表明手机B较手机A在颜色呈现的鲜艳度方面有更强的表现能力。
再次，从图14-1至图14-6看具体的特征色表现。手机B较手机A而言，红色和鹅黄色的视亮度高，天蓝色、草绿色和中灰色的视亮度低，而肤色的视亮度几乎相同；其中，视亮度差异最大的是天蓝色，其次是草绿色和红色。尽管如此，这些特征色的视亮度对比度却几乎没有差异，如表7中所示两个手机视亮度对比度QD的比值很接近1，表明具有几乎相同的颜色对比清晰度。特征色色调方面，两个手机间存在差异。天蓝色、草绿色和红色色调差异较大，如表7中所示色调角为7°到8°的差异；肤色和鹅黄色则差异较小，如表7中所示色调角差为2.4°和近1°。视觉表现上，手机B较手机A而言，天蓝色偏青(色调角偏小所致)，草绿色偏青(色调角偏大所致)，红色偏黄(色调角偏大所致)。特别地，中灰色的情况，可明显感觉到手机B的中灰色色调偏青绿，为其中灰色约202°的色调角和2～3的视彩度值所形成；相比之下，手机A的中灰色偏色不同，不是青绿色，而是品红色，与其约-70°的色调角相符合。
上述这些特征色，测试表征与视觉感知相一致的结果，表明该表征方法可较好地反映视觉感知效果。
综合上述三方面呈色性能的测试应用看到：利用CIExy色品坐标的特性及其形成的二维色域，可表征手机屏所用三原色色光的物理本征属性，这是屏幕呈色的根本决定因素；利用CIE色貌模型的三维色域图，可表征手机屏在使用条件下所能呈现的视觉感知颜色范围；利用肤色、天蓝色、草绿色、鹅黄色、红色和中灰色等特征色的色貌色度特征，可具体地表征手机屏对视觉敏感的关键颜色的呈现特性。
上述三方面的呈色性能表征，可用于不同手机之间，以及手机与标准呈色(如sRGB)之间的比较分析，也可用于产品的开发和质量控制等应用中。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种手机屏呈色性能的表征方法，包括以下步骤：
(1)构建含有RGB＝[d,0,0]、RGB＝[0,d,0]、RGB＝[0,0,d]、RGB＝[dmax,0,0]、RGB＝[0,dmax,0]、RGB＝[0,0,dmax]、RGB＝[0,0,0]和RGB＝[dmax,dmax,dmax]，或再增加其他多种RGB组合的总数不少于30个的RGB数组，其中，d和dmax均为整数，dmax为最大整数值，d为0至dmax之间的整数值，将各RGB数组分别制成一个数字色块图像，传递到手机上；
(2)手机屏上分别呈现步骤(1)形成的每个色块图像，用辐射光色度测量仪测量每个色块图像的CIEXYZ色度值；
(3)由步骤(1)所有的RGB数组值与步骤(2)测量的CIEXYZ色度值，建立由RGB到CIEXYZ的数学关系；
(4)由RGB＝[dmax,0,0]、RGB＝[0,dmax,0]、RGB＝[0,0,dmax]色块的CIEXYZ色度值计算对应的最亮、最饱和红、绿、蓝色的色品值CIExy，得到手机屏呈色的二维CIExy色域图，并可与sRGB等标准色空间的CIExy色域进行比较；由白场RGB＝[dmax,dmax,dmax]呈色的CIEXYZ色度值，得到手机屏白场的亮度Yw和色温T或相关色温ccT；
(5)根据步骤(3)得到的数学关系，求取RGB数组决定的呈色范围的边界色值CIEXYZ，并由此求解CIE色貌值，绘制出CIE三维色貌空间中的呈色色域，与同白场亮度的sRGB等标准色空间的色貌色域比较；
(6)选取至少五种典型记忆色和中灰色作为特征色，针对每一特征色的多个RGB色值，求取相应的CIE色貌值，绘制色貌值随RGB颜色序号变化的色貌值曲线，求取相关的质量参数，并与同白场亮度的sRGB等标准色空间的色貌值变化曲线和质量参数比较；
用步骤(4)得到的CIExy色品值和二维色域、步骤(5)得到的色貌色域和步骤(6)得到的所有特征色色貌值曲线和质量参数共同表征手机屏的呈色性能。
2.根据权利要求1所述的手机屏呈色性能的表征方法，其特征在于：所述的辐射光色度测量仪为分光光度计或色度计。
3.根据权利要求1所述的手机屏呈色性能的表征方法，其特征在于：dmax由计数机计数的编码位数决定，在8位编码情况下为255；RGB数组的R、G、B值分别为包含0、255及0至255之间的数个整数值。
4.根据权利要求1所述的手机屏呈色性能的表征方法，其特征在于：建立由RGB到CIEXYZ的数学对应关系时，分析手机屏幕的呈色特性，选择合适的数学方法，以达到计算得到的CIEXYZ值与测量的CIEXYZ值间CIE DE2000色差的均值不大于2。
5.根据权利要求1所述的手机屏呈色性能的表征方法，其特征在于：决定呈色范围的边界色值CIEXYZ的RGB数组中至少有1个取最小或最大值，8位编码的情况分别为0和255；计算得到的相应的CIE色貌值，为以手机白场的CIEXYZ测量值为光源参数的色貌值。
6.根据权利要求1所述的手机屏呈色性能的表征方法，其特征在于：所述同白场亮度的sRGB等标准色空间的色貌色域的求解过程中，使用的照明体CIEXYZ色度为标准色空间对应照明体的CIEXYZ色度，使用的白场亮度Yw等同于所测手机使用的白场亮度。
7.根据权利要求1所述的手机屏呈色性能的表征方法，其特征在于：所述的典型记忆色包括肤色、天蓝色、典型植物色和典型的水果色；典型记忆色的RGB色值从多幅标准色空间的影像中提取，每个记忆色选出的RGB色值数量不少于15个，能够体现该记忆色明度、色相和饱和度的变化特征。
8.根据权利要求7所述的手机屏呈色性能的表征方法，其特征在于：从标准色空间影像中，提取至少五种典型记忆色的多种明度和饱和度的若干组RGB色值，并制作数个数值不同但R＝G＝B的中灰色RGB数组，构成不少于六个特征色的RGB色组。
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