基于LCD顯示器光譜特性的圖像顏色一致性研究

麻祥才， 王曉紅*， 朱 明， 張建青

(1. 上海理工大學 出版印刷與藝術設計學院， 上海 200093; 2. 河南工程學院 材料與化學工程學院， 河南 鄭州 450007)

基于LCD顯示器光譜特性的圖像顏色一致性研究

麻祥才1， 王曉紅1*， 朱 明2， 張建青1

(1. 上海理工大學 出版印刷與藝術設計學院， 上海 200093; 2. 河南工程學院 材料與化學工程學院， 河南 鄭州 450007)

為了解決環境光和顯示器色溫對LCD顯示器圖像顏色再現有較大影響的問題，提出一種基于LCD顯示器光譜特性的圖像顏色一致性方法。通過測量在不同環境光和色溫下99個行業認可顏色的光譜，總結出不同環境光和色溫對LCD顯示器圖像顏色再現的光譜規律。利用不同環境光下的光譜疊加性及不同色溫下的光譜對應規律，實現了不同環境光和色溫下的LCD顯示器圖像顏色一致性，一致性后的圖像平均主觀評價Z得分為0.50。研究結果表明，該方法能夠很好地解決不同環境光和色溫下的LCD顯示器圖像顏色的一致性問題。

LCD顯示器； 環境光； 色溫； 光譜特性； 顏色一致性

1 引 言

近年來，LCD顯示器應用越來越廣泛。研究表明，不同環境光和顯示器色溫對LCD顯示器顏色再現有較大影響[1-7]。在實際生活中，有些顯示器無法精確調節到工業上定義的5 000 K標準色溫。另外，由于條件限制，LCD顯示器的顏色在其他光源下也無法得到理想的顯示效果。為了解決不同環境光和色溫對顯示圖像的影響，國內外許多學者進行了大量的研究。目前的研究大多從色度角度進行[8-10]，Tastl等將CIECAM02色貌模型應用到ICC色彩管理系統中，并提出一種獨立空間三刺激值到CIECAM02值的轉換方法[8]。該方法可以減少外界環境和背景對圖像顏色在LCD顯示器以及跨媒體載體上再現的影響，但色貌模型計算較復雜，輸入參數多而且不易獲取和確定。Oleari等認為在數字圖像采集過程中，采用D65光源產生的攝像機信號具有最佳色彩渲染效果，提出了一種基于美國光學學會均勻色標系統圖像顏色一致性的方法[9]。通過借助適應光源的矩陣，使任何光源獲得的圖像三刺激值轉化為相應D65光源下的三刺激值。該方法能夠實現任何光源下拍攝的圖像可以轉化為同一場景D65光源下的顏色顯示效果，但仍存在模型精度不夠高等缺點。麻祥才等為了解決LCD顯示器不同色溫對人眼顏色感知有較大影響的問題，提出了一種基于圖像顏色相同感知的LCD顯示器不同色溫下的圖像顏色一致性方法[10]。該方法可以實現LCD顯示器在不同色溫下的圖像顏色一致性，但基于色度角度而未從光譜角度考慮。

光譜是顏色的本質，能最大程度保留顏色信息，被廣泛應用到顏色科學領域[11-13]。本文提出一種基于LCD顯示器光譜特性的圖像顏色一致性方法，用光譜均方根誤差和色差評價不同環境光和色溫對LCD顯示器圖像顏色再現的影響，總結了LCD顯示器與環境光光譜和不同色溫光譜的關系；利用規律對不同環境光和色溫下的LCD顯示器圖像色彩進行一致性還原。

2 不同環境光和色溫對LCD顯示器顏色再現的影響

2.1 色塊選取

本文選擇顯示器三通道驅動值包含0，85，170，255等常用來做顯示器特性化的99個色塊作為測試色塊。

2.2 實驗儀器及測量環境

本文采用Eizo ColorEdge CG246W顯示器，LCD顯示器亮度為100 cd/m2。光譜數據測量儀器使用柯尼卡美能達CS-2000，周圍環境為中性灰。

2.3 實驗數據分析

分別測量顏色在暗室、D50光源、A光源、TL84光源和色溫為5 000，6 500，9 500 K下380～730 nm的光譜分布。光譜均方根誤差(RMSE)可以反映出不同條件下光譜分布的波動大小，色差是顏色科學領域公認的直接可靠評價顏色變化指標[14]。計算不同環境光和色溫下顏色光譜的均方根誤差和光譜積分后的色差大小，結果如表1所示。

表1 不同環境光和色溫下的光譜均方根誤差和積分后色差

從表1中可以看出，LCD顯示器上顏色在不同環境光下與暗室相比最大色差超過10個色差單位。顏色在不同色溫下的色差較大、光譜波動較大，表明LCD顯示器顏色再現受不同環境光和色溫影響較大。

3 不同環境光和色溫下LCD顯示器的光譜規律

3.1 不同環境光的光譜疊加性

環境光對LCD顯示器顏色再現有較大影響，總結環境光對顏色再現影響的規律，利用其規律可以實現不同環境光下的顏色一致性還原。將所選顏色在不同環境光測量得到的光譜與屏幕反射環境光的光譜進行差運算，計算差運算光譜和原始測量得到光譜的均方根誤差和色差，結果如表2所示。

表2 光譜均方根誤差和積分后色差

從表2中可以看出，不同環境光下的光譜分布穩定、色差較小。圖1為隨機選取某一復色的光譜分布。其中，(a0)、(b0)、(c0)為顏色在不同光源下的光譜分布，(a1)、(b1)、(c1)為光源的光譜分布，(d)為測量得到和經過規律差運算得到的光譜分布。

實驗證明，不同環境光下進入人眼感受顏色的光譜量等于LCD顯示器自身發光光譜與反射不同環境光光譜量之和：

(1)

其中，S(λ)為不同環境光下進入人眼的光譜量，D(λ)為LCD顯示器暗室條件下自身發光光譜量；V(λ)為顯示器屏幕反射不同環境光進入到人眼的光譜量；λ為光譜波長，一般選取380～730 nm。

圖1 不同環境光下光譜疊加性

從本質上說，LCD顯示器和不同光源都可以看作發光體。根據色光加色法的理論[15]，一個復色光呈現的顏色是所有單色光共同作用的效果，由此也可以說明LCD顯示器和不同光源光譜之間具有疊加性。

3.2 不同色溫下的光譜對應關系

研究表明LCD顯示器各通道會受黑場的影響，測量得到的都是黑場作用之后的光譜，但LCD顯示器雙色或者三色的光譜等于對應三原色光譜之和[16]：

(2)Dr,g,b(λ)=Dr(λ)+Dg(λ)+Db(λ)-2D0,0,0(λ)

圖2 不同色溫下測量和計算的光譜分布

Fig.2Spectraldistributionofmeasurementandcalculationunderdifferentcolortemperature

其中，Dr，g(λ)、Dr，b(λ)、Db，g(λ)、Dr，g，b(λ)為顯示器雙色或者三色的光譜，D0，0，0(λ)為黑場的光譜。利用三維查表法建立三單色在不同色溫下光譜的查找關系，根據公式(2)可計算出任一雙色或者三色的光譜。所選顏色在不同色溫測量得到光譜和經過查表計算得到光譜的均方根誤差和色差結果如表3所示。

表3 光譜均方根誤差和積分后色差

從表3中可以看出，不同色溫下的光譜分布穩定、色差較小。圖2為隨機選取顏色的光譜分布。其中，(a)、(b)、(c)、分別為顏色在不同色溫測量得到和經過查找計算疊加得到的光譜分布。

4 不同環境光和色溫下的圖像顏色一致性方法

在實際生活中，由于LCD顯示器使用壽命、外界環境的影響使得LCD顯示器顏色無法達到標準狀態下的視覺感知效果。對于LCD顯示器來說，不同條件下進入人眼的光譜分布刺激與標準條件下進入人眼的光譜分布刺激相同就會有相同的視覺感知。人眼在觀察LCD顯示器顏色時，進入人眼的光譜量等于顯示器在暗室條件下的光譜量與顯示器反射外界環境光量的總和，同時不同色溫下的光譜可以通過計算得出。因此，利用該特性可以實現不同環境和色溫下的LCD顯示器圖像顏色一致性，具體流程如圖3所示。

圖3 不同條件下的圖像顏色一致性流程圖

Fig.3 Color image consistency under different conditions

(1) 利用LCD顯示器R0G0B0數值到光譜模型得出暗室下的光譜模型。

(2) 如果不考慮環境光只考慮色溫，直接從(5)開始執行；不考慮色溫只考慮環境光，執行過程中忽略(5)。

(3) 根據所總結的不同環境光下的光譜疊加性規律，暗室條件下光譜與環境光1的光譜進行加運算即為刺激人眼的光譜分布。

(4) 利用進入人眼的光譜總量與顯示器反射環境光2的光譜進行減運算，得出暗室下顏色的光譜。

(5) 根據不同色溫下建立的光譜關系，查找計算對應得到色溫2下的光譜。

(6)利用LCD顯示器光譜到RGB反向特征化模型得到R1G1B1，完成不同環境光下和色溫下圖像顏色一致性補償修正[15,17]。

5 圖像色彩一致性實驗及分析

選取LIVE圖像庫中人物、動物、風景、房子等4類圖像[18-19]，分別獲取LCD顯示器不同環境光和色溫下顯示效果圖。選擇10名顏色視覺感知正常的觀察者(5男5女)對圖片進行主觀打分實驗，計算圖片在不同環境和色溫條件下的Z得分[20-21]。其中，圖4為Womanhat圖像在修正前后的Z得分分別為-0.50和0.50，其他圖片具有類似規律，說明該方法可以實現LCD顯示器不同條件下的顏色的一致性。

圖4 Womanhat圖在不同條件下的顯示效果

6 結 論

不同環境光和色溫對LCD顯示器顏色再現影響較大。為了解決不同環境光和色溫下LCD顯示器圖像顏色再現有較大差異的問題，提出了一種基于LCD顯示器光譜特性的圖像顏色一致性方法。該方法利用不同環境光下光譜疊加性和不同色溫下光譜查找計算的關系，使圖像觀察起來更加符合所需條件下感知的一致性。

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麻祥才(1991-)，男，山東濰坊人，碩士研究生,2014年于曲阜師范大學獲得學士學位，主要從事色彩管理、數字水印等方面的研究。

E-mail: Marcle_caizi@163.com王曉紅(1971-)，女，陜西漢中人，博士，教授，1999年于中國紡織大學獲得博士學位，主要從事色彩學與色彩應用、印刷質量檢測與控制、數字印刷技術等方面的研究。

E-mail: Wang_keyan@163.com

Image Color Consistency Based on Spectral Characteristics of LCD Monitor

MA Xiang-cai1, WANG Xiao-hong1*, ZHU Ming2, ZHANG Jian-qing1

(1.CollegeofCommunicationandArtDesign,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China;2.DepartmentofMaterialsandChemicalEngineering,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou450007,China)

In order to solve the problem that the ambient light and color temperature have a great influence on the image color reproduction of LCD monitor, an image color consistency method based on the spectral characteristics of LCD monitor was proposed. The spectra were of 99 industry-recognized color measured at different ambient light and color temperature, and the spectral color reproduction law of LCD monitor image under different ambient light and color temperature was summarized. Using the spectra superposition under different ambient light and the corresponding law of different color temperature, LCD monitor image color consistency can be achieved under different ambient light and color temperature. The average subjective evaluationZscore of image is 0.50. The results indicate that this method can well solve the LCD monitor image color consistency under different ambient light and color temperature.

LCD monitor; ambient light; color temperature; spectral characteristics; color consistency

1000-7032(2017)05-0669-06

2016-10-25；

2017-03-10

國家自然科學基金青年基金(61301231)資助項目 Supported by Youth Fund of National Natural Science Foundation of China(61301231)

O433.4； TN27

A

10.3788/fgxb20173805.0669

*CorrespondingAuthor,E-mail:wang_keyan@163.com