CN1187020C - 颜色视觉辨别特性自动定量测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颜色视觉辨别特性自动定量测试系统。主计算机PC机分别与彩色CRT显示器、专用应答键盘、打印机以及光电定标系统连接，彩色CRT显示器的荧屏中心部位呈示测试颜色刺激，其由四个1°×1°视角小正方形组成田字形色块形成，主计算机PC机经RS-232串行接口与光电定标系统连接，下颚支撑架安放在彩色CRT显示器前面。应用计算机控制的彩色CRT模拟色仿真显示技术，采用变形交错阶梯法进行心理物理视觉测试，通过观察者应答操作，测试人眼视觉在各个色区各个颜色方向上的辨色阀值及其时空间特性，为研究人眼视觉颜色辨别机理提供了测试技术手段和设备，其测定结果可为色差评价方面的研究建立视觉数据库，也可应用于人眼色觉异常的检测。

Description

颜色视觉辨别特性自动定量测试系统

技术领域

本发明涉及用于测试色视觉的系统。

背景技术

人类的色觉能分辨上千万种颜色，正是这种辨色能力推动了人类对自身色觉机理的研究和应用。在工业实践中，颜色辨别已成为生产质量控制的重要环节，传统有色材料工业和现代信息产业中涉及到的大量图像处理及其再现等相关技术领域中都存在颜色辨别的应用问题，其中的关键是颜色视觉辨别特性的定量测试。

准确可靠地测量人眼视觉的辨色特性始终是颜色科学和视觉研究领域中的重大课题。传统的方法是利用已知颜色参数分布的染色实物试样或通过对有色光源相关发光波长和强度的控制来测定人眼视觉对不同色区的颜色在不同方向上色差的分辨能力，基本上属于“模拟量化”的方法。这些方法的应用是基于实物色样或有色光源的可获得性，所以存在颜色分布色区不均匀、被测颜色参数不可连续自由调节、照明测试环境复杂且单元因素难以分离、测试操作繁复不便、被试色样制作周期长、成本高以及色样表面特性随时间的不稳定性(如退色)等等缺点。因此，随着电子计算机的出现，颜色视觉辨别特性的测试方法和手段也发生了时代性的变革，计算机技术已成为当今颜色视觉研究中必不可少的组成部分。现代辨色特性测试方法和技术也随着计算机硬件水平特别是显示技术的快速发展和相关颜色视觉理论与图象技术的不断进步，正在经历从初级到逐步完善和成熟的过程。国际上比较通行的现代方法都是“数字化”的方法，主要有调整法、灰级评估法等，前者是利用键盘通过对计算机监视器上显示的测试色块进行手动调节，直至其色表与同时显示的参考(标准)色块的外貌一致，从而由测试与参考色样的计算机显色参数，根据国际照明委员会(CIE)标准颜色空间和计算机显色空间之间的转换关系，最终获得相应颜色刺激的辨色阈值；后者则是通过选择具有某种分布的颜色参数，在计算机监视器上显示对应于某色区某方向的两个测试色块，同时提供设定为所选CIE颜色空间标准色差的灰级色块序列，由此判定测试色块之间的灰级色差，所以该方法主要用于色差的比较，再根据色差的分析来计算出各方向的辨色阈值。可见，调整法的应用要求操作者具有较深入的颜色科学知识，需要判断颜色参数的调节与颜色外貌的变化方向之间的相互关系，所以测试过程和时间对操作者的文化程度和知识水平等个人因素具有很大的依赖性，并且测试结果只是单次判定为两色块(测试与参考色样)一致时的色差，具有偶然性和不确定性；灰级评估法需要对被测色块进行色差的定量判断，除了对操作者的文化程度和知识水平等个人因素具有很大的依赖性之外，还受到操作者当时的情绪、态度以及健康状况等诸多心理和生理条件的影响，具有较大的不确定性，并且辨色阈值是通过色差在设定条件下的间接计算得到的，欠客观性。目前，国内在这方面的研究开展较少，尚处于起步和发展阶段，相对比较落后。

发明内容

本发明的目的是提供一种颜色视觉辨别特性自动定量测试系统，应用计算机控制的彩色CRT模拟色仿真显示技术，采用变形交错阶梯法进行心理物理视觉测试，通过观察者应答操作，快速、准确、定量测试人眼视觉在各个色区各个颜色方向上的辨色阀值及其时间与空间特性。

本发明采用的技术方案如下：

它包括：主计算机PC机、彩色CRT显示器、下颚支撑架、专用应答键盘、光电定标系统、打印机；主计算机PC机分别与所述彩色CRT显示器、专用应答键盘、打印机以及光电定标系统连接，所述彩色CRT显示器的荧屏中心部位呈示测试颜色刺激，其由四个1°×1°视角小正方形组成的田字形色块形成，所述主计算机PC机经RS-232串行接口与所述光电定标系统连接，下颚支撑架安放在彩色CRT显示器前面。

所说的光电定标系统包括含有X、Y、Z三个颜色通道的光色传感器，其输出的光电信号分成三路，分别接入各自电流—电压转换电路和电压放大电路，上述三路电流—电压转换电路和电压放大电路形成信号放大电路，该信号放大电路的三路输出经A/D变换器转换成数字信号，接入由复位电路、单片机、可电擦除只读存储器组成的微处理单片机系统，其输出分别接专用应答键盘、和经RS-232串行接口接主计算机PC机。

由主计算机PC控制彩色CRT显示器在其荧屏上呈示测试颜色刺激，观察者的头部由下颚支撑架托住以使人眼与测试刺激之间的观察距离固定为50cm，从而保证测试颜色刺激图样对人眼的视觉张角符合设计值。观察者在完成暗适应和背景色适应之后，进行辨色阈值测定，其视觉任务是判断四个小正方形色块中颜色不同于背景色的色块位置，然后按下专用应答键盘上的指定按键作为他/她的应答，由此计算机自动记录该判定结果并起动下一次辨色判断测试；测试结果可由所配置的打印机输出。显然，准确无误地在彩色CRT显示器上显示具有要求亮度和色度参数的颜色刺激是本系统实现颜色辨别特性定量测试的基础和前提，这个功能是由显示器光色参数自动光电定标系统来完成的。该光电定标系统还可以随时校正CRT显示器由于荧光粉老化或其它原因导致的显色不调，从而保证本测试系统具有持久稳定的精度和重复性。

本发明具有的有益的效果是：

它建立于最新的颜色视觉理论基础之上，应用计算机控制的彩色CRT模拟色仿真显示技术，符合国际视觉研究规范和颜色科学的相关工作标准，采用合理有效的变形交错阶梯法进行心理物理视觉测试，设计了具有特定空间和时间条件的颜色刺激及其工作流程，通过观察者简单易行的应答操作，可以快速准确地定量测试人眼视觉在各个色区各个颜色方向上的辨色阈值及其时间与空间特性，且不依赖于观察者的年龄和知识水平等个人差异。因此，测试结果精确、公正、客观、可靠。同时，系统专配的显示器光色参数自动定标系统可以随时校正CRT显示器由于荧光粉老化或其它原因导致的显色不调，从而保证颜色视觉辨色特性自动定量测试系统具有持久稳定的精度和重复性。

本系统为人眼视觉颜色辨别机理的深层研究和探讨提供了测试技术手段和设备，其测定结果可为色差评价方面的研究建立视觉数据库，也可应用于人眼色觉异常的检测(包括色盲和色弱的定量测试等)。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是由四个1°×1°小正方形组成田字形色块的颜色刺激；

图3是本发明的结构框图；

图4是本发明光电定标系统的电路框图。

具体实施方式

如图1、图3所示，本发明包括：主计算机PC机1、彩色CRT显示器2、下颚支撑架5、专用应答键盘6、光电定标系统7、打印机8；主计算机PC机1分别与彩色CRT显示器2、专用应答键盘6、打印机8以及光电定标系统7连接，所述彩色CRT显示器的荧屏中心部位呈示测试颜色刺激3，其由四个1°×1°视角小正方形组成田字形色块形成，所述主计算机PC机1经RS-232串行接口与所述光电定标系统7连接，下颚支撑架5安放在彩色CRT显示器前面。

如图4所示，所说的光电定标系统7包括含有国际照明委员会CIE1913三刺激值X、Y、Z三个颜色通道的光色传感器7.1，其输出的光电信号分别成三路，接入各自电流—电压转换电路A1和电压放大电路A2，上述三路电流—电压转换电路和电压放大电路形成信号放大电路7.2，该信号放大电路的三路输出经A/D变换器7.3转换成数字信号，接入由复位电路、单片机、可电擦除只读存储器组成的微处理单片机系统7.4，其输出分别接专用应答键盘6、和经RS-232串行接口接主计算机PC机。

A1为OP07或相应的运算放大器；A2为CA3140或相应的运算放大器；A/D为AD574或相应模数转换器；MCPU为89C51或相应的单片机；RS-232为MAX232或相应串行接口驱动电路。

1、显示器光色参数自动定标

为了在彩色CRT显示器上显示具有要求亮度和色度参数的颜色刺激以进行颜色辨别特性的定量测试，必须对彩色CRT的R、G、B三色荧光粉发光特性进行测定和分析，建立其γ曲线的数学表征模型，并利用R、G、B三色电子枪的激发特性和三色荧光粉的色品坐标构成三色缓冲器颜色输入值与CIE标准色度系统之间的特征矩阵及其映射关系，从而实现颜色的仿真显示。

显示器光色参数自动定标系统用于对彩色CRT显示器R、G、B三色电子枪的激发特性和三色荧光粉色度参数的测试，并在主计算机控制下实现γ曲线和特征矩阵的数学建模以及光度色度定标功能。显示器光色参数自动定标系统主要由符合国际照明委员会(CIE)标准光谱三刺激值曲线的光色传感器(7.1)、光电信号放大(7.2)与A/D变换(7.3)等信号处理与采集单元、专用微处理单片机系统(7.4)、主计算机PC(1)接口与数据通讯(7.6)以及供电单元(7.5)等模块组成，其结构框架如图3所示。

2、计算机模拟色仿真显示

利用基于彩色CRT显示器R、G、B三色荧光粉色度参数及其γ特性的定标数学模型，按照CIE关于计算机控制的CRT显示器色度特性定标的指导工作标准(Guide to characterizing the colorimetry of computer-controlled CRT displays)，建立CRT三色缓冲器数字输入值(LUT_R，LUT_G，LUT_B)与CIE-XYZ参数之间的变换模型及其特征矩阵，即

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{LUT}\_R\\ \mathrm{LUT}\_G\\ \mathrm{LUT}\_B\end{array}\right]\↔\left[\begin{array}{c}\mathrm{Lum}\_R\\ \mathrm{Lun}\_G\\ \mathrm{Lum}\_B\end{array}\right]\↔\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中(Lum_R Lum_G，Lum_B)＝(L_R，L_G，L_B)表示R、G、B三色荧光粉发光亮度。

根据荧光粉的定标参数可以确定目标显示颜色三刺激值(X，Y，Z)与三色荧光粉发光亮度之间的映射特征矩阵A：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=A\left[\begin{array}{c}{L}_R\\ L_G\\ L_B\end{array}\right]$ 或 $\left[\begin{array}{c}{L}_R\\ L_G\\ L_B\end{array}\right]=A^{-1}\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]---\left(2\right)$

由此可以求出所需R、G、B电子枪的激发亮度(L_R，L_G，L_B)。再根据CRT输入输出定标特性所确定的γ曲线数学模型：

$\left[\begin{array}{c}{L}_R\\ L_G\\ L_B\end{array}\right]=f\left[\begin{array}{c}\mathrm{LUT}\_R\\ \mathrm{LUT}\_G\\ \mathrm{LUT}\_B\end{array}\right]$ 或 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{LUT}\_R\\ \mathrm{LUT}\_G\\ \mathrm{LUT}\_B\end{array}\right]=f^{-1}\left[\begin{array}{c}{L}_R\\ L_G\\ L_B\end{array}\right]---\left(3\right)$

可以获得为在CRT上显示要求的颜色刺激所需要的三色缓冲器数字输入参数(LUT_R，LUT_G，LUT_B)，最终达到在常规彩色CRT显示器上保真再现具有要求亮度和色度参数的颜色刺激的模拟色仿真功能。

3、颜色辨别特性心理物理定量测试

颜色刺激：基于人眼视觉的理论，参照CIE关于颜色辨别和色差研究的指导标准，确定中性灰为色觉测定的颜色中心，并合理选择测试颜色刺激的色区分布，如CIE推荐的5种基本颜色中心(灰Gray、红Red、黄Yellow、绿Green、蓝Blue)和4种扩展颜色中心(橙Orange、黄绿Yellow-Green、蓝绿Blue-Green、紫Purple)，设计专门的刺激图样进行人眼色觉特性的定量检测与分析。

空间条件：测试刺激是由处于CRT显示器中心部位的四个1°×1°小正方形组成的田字形色块(如图2所示)，各个小正方形色块之间有不超过0.1°视角宽的黑色小分隔；四小正方形色块组由约0.1°视角的黑色边框与其所在的背景色(6°视角)隔开，从而充分抑制因色块分界处的高频成分所引起的明度对比灵敏度，使在颜色辨别的心理物理机制中色度对比灵敏度占主导地位，以达到色觉特性的精确定量检测。背景色设置成所选中心色的中性灰，并被一个亮框(视角8°)包围。该亮框的亮度设为CRT色域范围内所能显示的最高亮度如100cd/m²，并具有CIE D65标准照明体的色度指标。这个“白色”亮框使CRT上显示的刺激能模拟物体表面色或相关色而不是原本的孔径色，同时定义了刺激图像的白色温点。

时间特性：测试刺激显示过程中采用时间间隔条件，即一个周期中包含两个显示背景色的时间段和两个黑色时间间隔，分别处于测试刺激显示的开始和结束时刻。在黑色间隔时间，包括背景色和四个小正方形色块组成的测试刺激在内的所有区域的发光被切断为黑屏，只有外围的亮框一直持续显示，以使观察者保持对白色温点而不是测试刺激的完全色适应状态。

测定方法：采用阶梯法(也称上下法)对从中性灰向各个颜色方向上的辨别阈值在完全屏蔽外界杂散光的暗室条件下进行客观可靠的实际测试。为了避免由测试刺激的显示次序而导致观察者可能的判断偏差或臆想，本系统对传统的阶梯法进行改良，形成变形交错阶梯法(interleaved staircase method)。一个阶梯中同时包含在四个颜色方向上的一组刺激，并且具有随机的呈示次序。在阶梯的初始回转折中，首先显示一个(色觉正常者)明显可辨的步长，然后系统地缩减各颜色距离的调制步长，直至其达到某个临界值，从而形成有效的振荡收敛过程，并产生十次左右的回转折点。最后，由计算机软件自动处理观察者对每个呈示颜色刺激的应答记录，并解出对应各方向的辨色阈值。

测定步骤：整个测试过程分为暗适应、背景色适应、辨色阈值测定等步骤。在每次辨色判断时，由软件随机地决定测试色在四个小正方形中的某一个色块上显示，而另外三个小正方形仍保持为与背景一致的颜色。测试色对应于根据所采用的心理物理测试方法而确定的在不同方向上与颜色中心的预测颜色距离或色差。观察者的视觉任务是判断其颜色不同于背景色的小正方形色块的位置(即四个小正方形色块中仅有的一个显示不同颜色的方块的位置)，然后按下指定的按键作为他/她的应答，由此计算机自动记录该判定结果并起动下一次辨色判断测试。

Claims (2)

1.颜色视觉辨别特性自动定量测试系统，其特征在于它包括：主计算机PC机(1)、彩色CRT显示器(2)、下颚支撑架(5)、专用应答键盘(6)、光电定标系统(7)、打印机(8)；主计算机PC机(1)分别与所述彩色CRT显示器(2)、专用应答键盘(6)、打印机(8)以及光电定标系统(7)连接，所述彩色CRT显示器的荧屏中心部位呈示测试颜色刺激(3)，其由四个1°×1°视角小正方形组成的田字形色块形成，所述主计算机PC机(1)经RS-232串行接口与所述光电定标系统(7)连接，下颚支撑架(5)安放在彩色CRT显示器(2)前面。

2.根据权利要求1所述的颜色视觉辨别特性自动定量测试系统，其特征在于：所说的光电定标系统(7)包括含有X、Y、Z三个颜色通道的光色传感器(7.1)，其输出的光电信号分成三路，分别接入各自电流—电压转换电路(A1)和电压放大电路(A2)，上述三路电流—电压转换电路和电压放大电路形成信号放大电路(7.2)，该信号放大电路的三路输出经A/D变换器(7.3)转换成数字信号，接入由复位电路、单片机、可电擦除只读存储器组成的微处理单片机系统(7.4)，其输出分别接专用应答键盘(6)、和经RS-232串行接口(7.6)接主计算机PC机(1)。

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