不同原色光譜和觀察視場對顏色感知的影響

郭春麗，黃 敏，習永惠，潘 潔

北京印刷學院印刷與包裝工程學院，北京 102600

引 言

人眼色覺系統的錐細胞光譜響應是由眼睛的晶狀體色素、黃斑色素以及視細胞感光色素等要素共同決定，它們對不同波長光刺激有著不同的光譜響應能力[1-2]，共同作用形成了一組錐細胞響應函數(即顏色匹配函數，color matching functions，CMFs)。 目前對觀察者顏色匹配函數的相關研究主要集中在觀察者年齡和觀察視場的改變。 研究表明，晶狀體色素光譜響應主要是由于年齡增長引起的，而黃斑色素以及視細胞感光色素光譜響應主要與視場的變化有關； 同時，中央凹黃斑區外的桿體細胞對顏色感知也有一定的貢獻[3]。 現有CIE推薦的各顏色匹配函數(CIE1931，CIE1964和CIE2006 CMFs)，計算視場角不超過10°，涵蓋了不到0.5%的人眼視野范圍，而在自然環境下，人眼可觀測到的全視野范圍水平方向可達180°，垂直方向可達130°[4]。 在觀測大面積顏色樣本觀測時，有必要研究大于10°觀察視場情況下的顏色匹配函數表現。

Hu等[4]測試了10名觀察者在10°和102°×50°視場下的顏色匹配函數表現，發現兩種視場下的實驗結果存在顯著差異，認為有必要提出針對大視場進行計算的顏色匹配函數。 為研究樣本尺寸對勻色色塊顏色外貌的影響，Kutas等[5-6]在等離子顯示設備上顯示大尺寸(85°×55°)色樣，組織觀察者在CRT顯示設備上匹配小尺寸(2°或10°)色樣，結果表明大尺寸色樣更明亮，樣本的彩度和色調變化不大。 Xiao等[7]在室內墻面上分別涂上十二種不同的顏色(視場角大于50°)，組織了10名年齡在20～40歲的觀察者分別通過在CRT顯示器上調節和在標準觀察箱中挑選NCS色卡開展色貌評估實驗。 結果表明，隨著觀察視場的增大，樣本會呈現出更明亮和鮮艷的顏色外貌，從而提出了表征顏色外貌隨視場角變化的計算方法。 2017年，Wei[8]等基于Xiao對色貌模型的研究結果，結合CIE CAM02色貌模型提出了一種可以預測各種觀察條件(包括顏色刺激的大小、照明水平等)下顏色外貌的計算模型。

上述研究主要是圍繞顏色外貌隨觀察視場的變化開展，但并未對計算顏色外貌的顏色匹配函數性能進行系統的比較分析。 同時，前期研究也表明[9-10]，同色異譜樣本的光譜組成對顏色匹配的實驗結果有一定的影響。 為研究基于不同原色呈色方式、不同觀察視場的顏色感知差異，需要開展大量顏色匹配實驗，以收集觀察者在不同觀察視場下的顏色匹配數據，從而進行不同原色光譜、觀察視場變化對觀察者顏色感知的影響分析。

表1 顯示設備的色度參數Table 1 Colorimetric values of different displays

1 實驗部分

1.1 不同原色顯示設備

實驗共選擇了4臺專業級顯示設備，分別為LCD原色光譜的顯示器EIZO-CG19(CCFL冷陰極熒光燈背光，TFT面板)、QUATO-220ex顯示器(LED背光)、LED原色光譜的NEC-PA242W(AH-IPS面板)及NEC-PA241W(CCFL冷陰極熒光燈背光，IPS面板)顯示器。 將4臺顯示設備進行組合，共組成了3組顏色匹配實驗裝置(包括目標設備和匹配設備)，如表1所示。 圖1為用光譜輻射度計PhotoResearch655(PR655)采集到3組實驗目標和匹配設備的原色光譜歸一化能量分布曲線。

圖1 三組顏色匹配實驗目標和匹配設備的原色光譜曲線分布

由圖1可見，測量得到的每一組目標和匹配設備的原色光譜形狀、峰值波長位置和光譜帶寬均有一定的差異，表2為每組顯示設備在紅、綠、藍原色光譜的峰值波長位置及匹配設備相對于目標設備的峰值波長位移，其中正值代表匹配設備的峰值波長位置較目標設備向長波段偏移，反之則為向短波段偏移。

表2 不同顯示設備紅綠藍通道的峰值波長位置(nm)Table 2 The peak wavelength positions of RGBchannels for different displays (nm)

1.2 顏色刺激

選用CIE推薦的5個顏色中心[11](灰、紅、黃、綠、藍)為本實驗的顏色刺激，制作了不同大小的正方形開窗黑色擋板，其明度Y10=4.72。 觀察者到顏色刺激的觀察距離為50 cm，通過改變樣本尺寸以實現觀察視場的改變。 顏色刺激在不同顯示設備上呈現，其各邊緣和中心顏色的CIELAB色差值不超過1.2，以保證在不同視場的實驗過程中，顏色均具有較好的均勻性。 不同觀察視場(2°，4°，10°，22°)對應的樣本邊長分別為1.74，3.50，8.54和19.44 cm。

1.3 觀察者

組織了63名(19男，44女)18～25歲的觀察者平均年齡20歲，其中18人(2男，16女)、23人(10男，13女)、22人(7男，15女)基于Group1，Group2和Group3進行了實驗。 所有觀察者均為北京印刷學院印刷工程專業的學生，色覺正常且具有顏色科學的基礎理論知識。 基于三組實驗四個視場角的5個顏色中心，共采集到1 260組(=63人×4個視場×5個色中心)實驗數據。

1.4 顏色匹配實驗

實驗在暗室進行，顯示設備是唯一的發光源，每次實驗前，所有顯示設備均需預熱90 min。 為保證觀察者到每臺顯示設備的距離相同(約50 cm)，觀察者正坐于兩臺顯示設備呈現顏色的中心位置。 5個顏色刺激隨機在目標設備上顯示，用黑色擋板將匹配設備屏幕的其他部分遮蓋，只預留出色塊與調節通道的位置。 實驗開始前，觀察者需進行1 min左右的色適應。 正式實驗時，觀察者需調節匹配設備上的R，G和B三通道使匹配色與目標色達到視覺上的匹配。 對于每位觀察者，4個觀察視場中的一組(即固定樣本尺寸的5個顏色中心)顏色隨機呈現。 觀察者每次需完成一個視場下的一組顏色匹配，然后由實驗組織者用PR655實時采集目標設備和匹配設備上顏色刺激的光譜能量。

2 結果與討論

2.1 觀察者精度分析

前期研究表明[9-10, 12]，不同光譜原色的顯示色之間[9]、不同光譜原色的反射色之間[10]、反射色和自發光色間[12]的光譜組成對目視實驗的結果有一定的影響。 為避免實驗數據采集誤差和觀察者匹配誤差等的影響，同時考慮到數據初選的易操作性，由實驗組織者對采集的觀察者配色光譜數據，用CIE1931 CMFs (2°及4°視場)或CIE1964 CMFs (10°及22°視場)代入計算，進行實驗數據的初選。 具體為： 計算目標色和匹配色的CIELAB色差，如果色差值大于10.0，則需要觀察者重新匹配； 如果第二次匹配顏色的CIELAB色差仍然大于10.0，則取觀察者兩次匹配的最小色差數據進行后續處理。 完成實驗數據的初選后，需計算每位觀察者匹配某一顏色與所有觀察者匹配某一顏色平均值間的CIE DE2000色差[13]，隨后計算五個顏色的CIE DE2000色差平均值，如表3所示。

表3 三組實驗不同視場下觀察者匹配顏色的準確性Table 3 The observer accuracies of three experimentalgroups with different field sizes

由表3可見，三組實驗觀察者的配色精度為2.23，2.50和2.91。 Asano等模擬計算[14]觀察者的匹配精度為0.54～2.60，說明三組實驗數據是準確有效的。

2.2 顏色匹配色度值

圖2 用不同觀察視場和觀察者年齡計算的CIE2006 CMFsFig.2 The CIE2006 CMFs for differentviewing fields and ages

將實驗采集到的觀察者匹配顏色光譜數據，分別用CIE1931，CIE1964和CIE2006 CMFs(代入相應視場角和觀察者的真實年齡)計算在不同匹配設備上得到的不同觀察視場下顏色的L*a*b*色度值(考慮到CIE2006 CMFs的視場計算范圍為1°～10°，因此22°視場的計算以10°代入)，將散點圖繪制在圖3(其中黑色邊框的點為計算不同匹配顏色的散點平均值)。

由圖3可見，三種顏色匹配函數計算灰色區域散點分布較為接近。 其他顏色區域，CIE1964和CIE2006 CMFs計算得到的觀察者匹配顏色散點分布較為接近，與CIE1931 CMFs的計算結果相差較大。 各顏色匹配函數計算的明度差異不大，使用CIE1931 CMFs計算的黃色和藍色較CIE1964、CIE2006 CMFs沿逆時針方向偏移，說明色調有所偏移； 紅、綠、藍色向遠離中心非彩色點的方向偏移，說明彩度增加。 用三種顏色匹配函數計算每個視場下觀察者匹配的5個顏色與目標色之間的CIE DE2000色差平均值，統計色差最小值出現的次數，如表4所示。

由表4可見，CIE1931 CMFs的表現劣于其他顏色匹配函數，特別是在22°大視場； CIE1964 CMFs在10°視場優于其他顏色匹配函數； CIE2006 CMFs在2°和4°小視場、22°大視場的表現最優。 進一步地，分別用CIE1931，CIE1964，CIE2006 CMFs計算1260組匹配色與目標色間的CIE DE2000色差平均值，分別為3.60，3.50和3.45。 不同顏色匹配函數的計算結果差別不是很大，這與本次實驗數據包含了不同觀察視場的數據有關。 總體上，CIE2006 CMFs的表現性能優于CIE1931和CIE1964 CMFs，故在以下的數據處理中以CIE2006 CMFs的計算結果進行統計分析。

圖3 用三種顏色匹配函數計算的匹配色色度值分布Fig.3 The distributions of the matched colors ofdifferent field sizes with three CMFs

表4 各CMFs計算不同視場顏色匹配色差最小值出現的次數Table 4 The numbers of the minimum CIEDE2000values occured for different CMFs

2.3 觀察視場的影響

圖4 不同觀察視場下觀察者匹配的顏色的色度平均值分布Fig.4 The distribution of the averaged matched colorsof different field sizes from CIE2006 CMFs

2.4 顯示設備的影響

由表5可見，基于三組顯示設備得到的實驗結果具有不同的變化規律。 第一組中，小視場下的顏色較大視場的顏色更明亮、彩度更高，顏色的色調整體沿順時針方向偏移。 第二組中，與2°視場比較，隨著視場的增加，顏色的明度和彩度都有所下降，同時除4°視場外，顏色的色調角也向逆時針方向偏移。 同樣地，第三組的匹配色，隨著觀察視場的增加也有不同程度的變化。 進一步地，計算基于三組顯示設備，在不同觀察視場下，觀察者匹配顏色的色度值與目標色之間的CIE DE2000色差平均值。 如圖5所示。

圖5表明，基于不同顯示設備，在不同觀察視場下匹配顏色的色差變化規律不同。 整體來看，Group 3在不同觀察視場的顏色匹配色差值最大，Group 1的色差值最小。 Group 2和Group 3在10°視場下的顏色匹配色差最小，而Group 1在2°視場時顏色匹配的色差最小。 圖1和表2所示，三組顏色匹配實驗中，匹配設備和目標設備的RGB三原色光譜曲線的形狀、帶寬和峰值波長位置均不相同。 進一步分析原色光譜特性對顏色匹配結果的影響：

表5 色度值線性擬合結果Table 5 The linear fitting results of the colorimetric values

圖5 三組顯示設備各視場下的色差值Fig.5 The CIEDE2000 values of the three experimentalgroups for different field sizes

(1)圖1(a)和(b)的Group 1和Group 2中，目標設備和匹配設備在G、B通道的光譜曲線分布相近，僅R通道有差異，表現為Group 1中的匹配設備和目標設備光譜形狀和帶寬較為接近，且峰值波長位移為8 nm，小于Group 2中的48 nm，說明R通道的峰值波長位移和光譜帶寬對顏色匹配結果有一定的影響；

(2)圖1(a)和(c)的Group 1和Group3中，Group1中的R和B通道峰值波長位移均小于Group3中的比較結果(Group1在R通道的峰值波長位移為8 nm，小于Group3中的-32 nm)，僅在G通道，Group1中的峰值波長位移-28 nm高于Group3中的-4 nm，結果使得Group1的色差匹配結果小于Group3，說明G通道對顏色匹配結果的影響低于R和B通道的共同作用；

(3)圖1(b)和(c)的Group 2和Group3中，Group2中的R和G通道峰值波長位移均高于Group3中的比較結果，僅在B通道的峰值波長位移低于Group3中的-8 nm。 但Group3中的匹配色差最大，說明B通道的位移對顏色匹配結果的影響程度高于R和G通道的共同作用。

2.5 用色度橢圓表示觀察者的差異

為進一步研究基于不同顯示設備的觀察視場變化引起的觀察者顏色感知差異，分別取觀察者匹配顏色a*b*值的協方差逆矩陣參數，構建觀察者色度橢圓。 將三組設備中的4個觀察視場(2°，4°，10°，22°)匹配顏色的色度值用于計算、繪制觀察者色度橢圓，結果如圖6所示。

圖6 基于不同顯示設備和不同觀察視場的觀察者差異橢圓(放大3倍繪制)Fig.6 The observers covariance ellipses based on different displays and field sizes (magnified 3 times)

由圖5的色差計算結果和表6的擬合觀察者差異橢圓結果可以發現，Group3中計算五個顏色中心在不同觀察視場的色度橢圓平均尺寸以及CIE DE2000均值都是最大，而Group1的計算數值最小，說明基于Group3的觀察者間差異性最大，Group1的觀察者間差異性最小。 隨著觀察視場的增加，對于Group1和Group2，觀察者差異橢圓的尺寸均有所下降，表明觀察者間的顏色匹配結果在大視場更為一致。 而對于Group3這樣的規律并不存在，觀察者之間在10°視場時具有較小的變化。

表6 觀察者差異橢圓的參數Table 6 Parameters of the observers covariance ellipses

由Group 2和Group3的比較結果可知，B通道的位移對顏色匹配結果的影響程度高于R和G通道的共同作用； Group 1和Group3的比較結果可知，G通道對顏色匹配結果的影響低于R和B通道的共同作用。 結合前期基于不同顯示設備的研究結果[9]，紅通道的峰值波長位移對顏色匹配結果影響不大，G通道對實驗結果有較為明顯的影響。 可以推斷，基于實驗選取的4臺顯示設備，目標設備和匹配設備的原色光譜峰值波長位移對顏色匹配結果的影響程度大小依次為藍通道>綠通道>紅通道。 下一步工作，準備固定目標設備，選用具有不同峰值波長的原色光譜設備進行觀察者差異的影響，同時盡量使得不同匹配設備具有相近的光譜形狀、光譜帶寬和平滑的光譜曲線分布。

3 結 論

為了研究基于不同原色光譜的顯示設備呈現顏色樣本的大小(即觀察視場)變化，對觀察者顏色感知的影響，選擇CIE推薦的5個顏色中心，在4個不同觀察視場(2°, 4°, 10°和22°)下，組織觀察者開展顏色匹配實驗。 基于采集到的1260組顏色匹配實驗數據，用CIE1931，CIE1964和CIE2006顏色匹配函數進行計算，結果表明：

(1)CIE1964在10°視場的表現優于其他顏色匹配函數； CIE2006在2°、4°視場和22°大視場的表現最優。 綜合所有視場下不同顏色匹配函數的計算結果，CIE2006的表現性能優于CIE1931和CIE1964。

(2)用CIE2006計算觀察者的顏色匹配結果，發現隨著觀察視場的增加，觀察者匹配的紅、黃、藍、灰色色度值，均向a*-b*圖的右下方偏移； 同時，紅色和藍色彩度升高、黃色彩度降低，綠色中心大視場(10°和22°)較小視場(2°和4°)彩度升高； 同時隨著觀察視場的增大，匹配色的明度值變化不大。

(3)基于不同顯示設備，在不同觀察視場下匹配顏色的色差大小變化規律不同。 基于實驗選取的4臺顯示設備，目標設備和匹配設備的原色光譜峰值波長位移對顏色匹配結果的影響程度為藍通道>綠通道>紅通道。