不同原色光谱和观察视场对颜色感知的影响

郭春丽，黄 敏，习永惠，潘 洁

北京印刷学院印刷与包装工程学院，北京 102600

引 言

人眼色觉系统的锥细胞光谱响应是由眼睛的晶状体色素、黄斑色素以及视细胞感光色素等要素共同决定，它们对不同波长光刺激有着不同的光谱响应能力[1-2]，共同作用形成了一组锥细胞响应函数(即颜色匹配函数，color matching functions，CMFs)。 目前对观察者颜色匹配函数的相关研究主要集中在观察者年龄和观察视场的改变。 研究表明，晶状体色素光谱响应主要是由于年龄增长引起的，而黄斑色素以及视细胞感光色素光谱响应主要与视场的变化有关； 同时，中央凹黄斑区外的杆体细胞对颜色感知也有一定的贡献[3]。 现有CIE推荐的各颜色匹配函数(CIE1931，CIE1964和CIE2006 CMFs)，计算视场角不超过10°，涵盖了不到0.5%的人眼视野范围，而在自然环境下，人眼可观测到的全视野范围水平方向可达180°，垂直方向可达130°[4]。 在观测大面积颜色样本观测时，有必要研究大于10°观察视场情况下的颜色匹配函数表现。

Hu等[4]测试了10名观察者在10°和102°×50°视场下的颜色匹配函数表现，发现两种视场下的实验结果存在显著差异，认为有必要提出针对大视场进行计算的颜色匹配函数。 为研究样本尺寸对匀色色块颜色外貌的影响，Kutas等[5-6]在等离子显示设备上显示大尺寸(85°×55°)色样，组织观察者在CRT显示设备上匹配小尺寸(2°或10°)色样，结果表明大尺寸色样更明亮，样本的彩度和色调变化不大。 Xiao等[7]在室内墙面上分别涂上十二种不同的颜色(视场角大于50°)，组织了10名年龄在20～40岁的观察者分别通过在CRT显示器上调节和在标准观察箱中挑选NCS色卡开展色貌评估实验。 结果表明，随着观察视场的增大，样本会呈现出更明亮和鲜艳的颜色外貌，从而提出了表征颜色外貌随视场角变化的计算方法。 2017年，Wei[8]等基于Xiao对色貌模型的研究结果，结合CIE CAM02色貌模型提出了一种可以预测各种观察条件(包括颜色刺激的大小、照明水平等)下颜色外貌的计算模型。

上述研究主要是围绕颜色外貌随观察视场的变化开展，但并未对计算颜色外貌的颜色匹配函数性能进行系统的比较分析。 同时，前期研究也表明[9-10]，同色异谱样本的光谱组成对颜色匹配的实验结果有一定的影响。 为研究基于不同原色呈色方式、不同观察视场的颜色感知差异，需要开展大量颜色匹配实验，以收集观察者在不同观察视场下的颜色匹配数据，从而进行不同原色光谱、观察视场变化对观察者颜色感知的影响分析。

表1 显示设备的色度参数Table 1 Colorimetric values of different displays

1 实验部分

1.1 不同原色显示设备

实验共选择了4台专业级显示设备，分别为LCD原色光谱的显示器EIZO-CG19(CCFL冷阴极荧光灯背光，TFT面板)、QUATO-220ex显示器(LED背光)、LED原色光谱的NEC-PA242W(AH-IPS面板)及NEC-PA241W(CCFL冷阴极荧光灯背光，IPS面板)显示器。 将4台显示设备进行组合，共组成了3组颜色匹配实验装置(包括目标设备和匹配设备)，如表1所示。 图1为用光谱辐射度计PhotoResearch655(PR655)采集到3组实验目标和匹配设备的原色光谱归一化能量分布曲线。

图1 三组颜色匹配实验目标和匹配设备的原色光谱曲线分布

由图1可见，测量得到的每一组目标和匹配设备的原色光谱形状、峰值波长位置和光谱带宽均有一定的差异，表2为每组显示设备在红、绿、蓝原色光谱的峰值波长位置及匹配设备相对于目标设备的峰值波长位移，其中正值代表匹配设备的峰值波长位置较目标设备向长波段偏移，反之则为向短波段偏移。

表2 不同显示设备红绿蓝通道的峰值波长位置(nm)Table 2 The peak wavelength positions of RGBchannels for different displays (nm)

1.2 颜色刺激

选用CIE推荐的5个颜色中心[11](灰、红、黄、绿、蓝)为本实验的颜色刺激，制作了不同大小的正方形开窗黑色挡板，其明度Y10=4.72。 观察者到颜色刺激的观察距离为50 cm，通过改变样本尺寸以实现观察视场的改变。 颜色刺激在不同显示设备上呈现，其各边缘和中心颜色的CIELAB色差值不超过1.2，以保证在不同视场的实验过程中，颜色均具有较好的均匀性。 不同观察视场(2°，4°，10°，22°)对应的样本边长分别为1.74，3.50，8.54和19.44 cm。

1.3 观察者

组织了63名(19男，44女)18～25岁的观察者平均年龄20岁，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进行了实验。 所有观察者均为北京印刷学院印刷工程专业的学生，色觉正常且具有颜色科学的基础理论知识。 基于三组实验四个视场角的5个颜色中心，共采集到1 260组(=63人×4个视场×5个色中心)实验数据。

1.4 颜色匹配实验

实验在暗室进行，显示设备是唯一的发光源，每次实验前，所有显示设备均需预热90 min。 为保证观察者到每台显示设备的距离相同(约50 cm)，观察者正坐于两台显示设备呈现颜色的中心位置。 5个颜色刺激随机在目标设备上显示，用黑色挡板将匹配设备屏幕的其他部分遮盖，只预留出色块与调节通道的位置。 实验开始前，观察者需进行1 min左右的色适应。 正式实验时，观察者需调节匹配设备上的R，G和B三通道使匹配色与目标色达到视觉上的匹配。 对于每位观察者，4个观察视场中的一组(即固定样本尺寸的5个颜色中心)颜色随机呈现。 观察者每次需完成一个视场下的一组颜色匹配，然后由实验组织者用PR655实时采集目标设备和匹配设备上颜色刺激的光谱能量。

2 结果与讨论

2.1 观察者精度分析

前期研究表明[9-10, 12]，不同光谱原色的显示色之间[9]、不同光谱原色的反射色之间[10]、反射色和自发光色间[12]的光谱组成对目视实验的结果有一定的影响。 为避免实验数据采集误差和观察者匹配误差等的影响，同时考虑到数据初选的易操作性，由实验组织者对采集的观察者配色光谱数据，用CIE1931 CMFs (2°及4°视场)或CIE1964 CMFs (10°及22°视场)代入计算，进行实验数据的初选。 具体为： 计算目标色和匹配色的CIELAB色差，如果色差值大于10.0，则需要观察者重新匹配； 如果第二次匹配颜色的CIELAB色差仍然大于10.0，则取观察者两次匹配的最小色差数据进行后续处理。 完成实验数据的初选后，需计算每位观察者匹配某一颜色与所有观察者匹配某一颜色平均值间的CIE DE2000色差[13]，随后计算五个颜色的CIE DE2000色差平均值，如表3所示。

表3 三组实验不同视场下观察者匹配颜色的准确性Table 3 The observer accuracies of three experimentalgroups with different field sizes

由表3可见，三组实验观察者的配色精度为2.23，2.50和2.91。 Asano等模拟计算[14]观察者的匹配精度为0.54～2.60，说明三组实验数据是准确有效的。

2.2 颜色匹配色度值

图2 用不同观察视场和观察者年龄计算的CIE2006 CMFsFig.2 The CIE2006 CMFs for differentviewing fields and ages

将实验采集到的观察者匹配颜色光谱数据，分别用CIE1931，CIE1964和CIE2006 CMFs(代入相应视场角和观察者的真实年龄)计算在不同匹配设备上得到的不同观察视场下颜色的L*a*b*色度值(考虑到CIE2006 CMFs的视场计算范围为1°～10°，因此22°视场的计算以10°代入)，将散点图绘制在图3(其中黑色边框的点为计算不同匹配颜色的散点平均值)。

由图3可见，三种颜色匹配函数计算灰色区域散点分布较为接近。 其他颜色区域，CIE1964和CIE2006 CMFs计算得到的观察者匹配颜色散点分布较为接近，与CIE1931 CMFs的计算结果相差较大。 各颜色匹配函数计算的明度差异不大，使用CIE1931 CMFs计算的黄色和蓝色较CIE1964、CIE2006 CMFs沿逆时针方向偏移，说明色调有所偏移； 红、绿、蓝色向远离中心非彩色点的方向偏移，说明彩度增加。 用三种颜色匹配函数计算每个视场下观察者匹配的5个颜色与目标色之间的CIE DE2000色差平均值，统计色差最小值出现的次数，如表4所示。

由表4可见，CIE1931 CMFs的表现劣于其他颜色匹配函数，特别是在22°大视场； CIE1964 CMFs在10°视场优于其他颜色匹配函数； CIE2006 CMFs在2°和4°小视场、22°大视场的表现最优。 进一步地，分别用CIE1931，CIE1964，CIE2006 CMFs计算1260组匹配色与目标色间的CIE DE2000色差平均值，分别为3.60，3.50和3.45。 不同颜色匹配函数的计算结果差别不是很大，这与本次实验数据包含了不同观察视场的数据有关。 总体上，CIE2006 CMFs的表现性能优于CIE1931和CIE1964 CMFs，故在以下的数据处理中以CIE2006 CMFs的计算结果进行统计分析。

图3 用三种颜色匹配函数计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计算不同视场颜色匹配色差最小值出现的次数Table 4 The numbers of the minimum CIEDE2000values occured for different CMFs

2.3 观察视场的影响

图4 不同观察视场下观察者匹配的颜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 显示设备的影响

由表5可见，基于三组显示设备得到的实验结果具有不同的变化规律。 第一组中，小视场下的颜色较大视场的颜色更明亮、彩度更高，颜色的色调整体沿顺时针方向偏移。 第二组中，与2°视场比较，随着视场的增加，颜色的明度和彩度都有所下降，同时除4°视场外，颜色的色调角也向逆时针方向偏移。 同样地，第三组的匹配色，随着观察视场的增加也有不同程度的变化。 进一步地，计算基于三组显示设备，在不同观察视场下，观察者匹配颜色的色度值与目标色之间的CIE DE2000色差平均值。 如图5所示。

图5表明，基于不同显示设备，在不同观察视场下匹配颜色的色差变化规律不同。 整体来看，Group 3在不同观察视场的颜色匹配色差值最大，Group 1的色差值最小。 Group 2和Group 3在10°视场下的颜色匹配色差最小，而Group 1在2°视场时颜色匹配的色差最小。 图1和表2所示，三组颜色匹配实验中，匹配设备和目标设备的RGB三原色光谱曲线的形状、带宽和峰值波长位置均不相同。 进一步分析原色光谱特性对颜色匹配结果的影响：

表5 色度值线性拟合结果Table 5 The linear fitting results of the colorimetric values

图5 三组显示设备各视场下的色差值Fig.5 The CIEDE2000 values of the three experimentalgroups for different field sizes

(1)图1(a)和(b)的Group 1和Group 2中，目标设备和匹配设备在G、B通道的光谱曲线分布相近，仅R通道有差异，表现为Group 1中的匹配设备和目标设备光谱形状和带宽较为接近，且峰值波长位移为8 nm，小于Group 2中的48 nm，说明R通道的峰值波长位移和光谱带宽对颜色匹配结果有一定的影响；

(2)图1(a)和(c)的Group 1和Group3中，Group1中的R和B通道峰值波长位移均小于Group3中的比较结果(Group1在R通道的峰值波长位移为8 nm，小于Group3中的-32 nm)，仅在G通道，Group1中的峰值波长位移-28 nm高于Group3中的-4 nm，结果使得Group1的色差匹配结果小于Group3，说明G通道对颜色匹配结果的影响低于R和B通道的共同作用；

(3)图1(b)和(c)的Group 2和Group3中，Group2中的R和G通道峰值波长位移均高于Group3中的比较结果，仅在B通道的峰值波长位移低于Group3中的-8 nm。 但Group3中的匹配色差最大，说明B通道的位移对颜色匹配结果的影响程度高于R和G通道的共同作用。

2.5 用色度椭圆表示观察者的差异

为进一步研究基于不同显示设备的观察视场变化引起的观察者颜色感知差异，分别取观察者匹配颜色a*b*值的协方差逆矩阵参数，构建观察者色度椭圆。 将三组设备中的4个观察视场(2°，4°，10°，22°)匹配颜色的色度值用于计算、绘制观察者色度椭圆，结果如图6所示。

图6 基于不同显示设备和不同观察视场的观察者差异椭圆(放大3倍绘制)Fig.6 The observers covariance ellipses based on different displays and field sizes (magnified 3 times)

由图5的色差计算结果和表6的拟合观察者差异椭圆结果可以发现，Group3中计算五个颜色中心在不同观察视场的色度椭圆平均尺寸以及CIE DE2000均值都是最大，而Group1的计算数值最小，说明基于Group3的观察者间差异性最大，Group1的观察者间差异性最小。 随着观察视场的增加，对于Group1和Group2，观察者差异椭圆的尺寸均有所下降，表明观察者间的颜色匹配结果在大视场更为一致。 而对于Group3这样的规律并不存在，观察者之间在10°视场时具有较小的变化。

表6 观察者差异椭圆的参数Table 6 Parameters of the observers covariance ellipses

由Group 2和Group3的比较结果可知，B通道的位移对颜色匹配结果的影响程度高于R和G通道的共同作用； Group 1和Group3的比较结果可知，G通道对颜色匹配结果的影响低于R和B通道的共同作用。 结合前期基于不同显示设备的研究结果[9]，红通道的峰值波长位移对颜色匹配结果影响不大，G通道对实验结果有较为明显的影响。 可以推断，基于实验选取的4台显示设备，目标设备和匹配设备的原色光谱峰值波长位移对颜色匹配结果的影响程度大小依次为蓝通道>绿通道>红通道。 下一步工作，准备固定目标设备，选用具有不同峰值波长的原色光谱设备进行观察者差异的影响，同时尽量使得不同匹配设备具有相近的光谱形状、光谱带宽和平滑的光谱曲线分布。

3 结 论

为了研究基于不同原色光谱的显示设备呈现颜色样本的大小(即观察视场)变化，对观察者颜色感知的影响，选择CIE推荐的5个颜色中心，在4个不同观察视场(2°, 4°, 10°和22°)下，组织观察者开展颜色匹配实验。 基于采集到的1260组颜色匹配实验数据，用CIE1931，CIE1964和CIE2006颜色匹配函数进行计算，结果表明：

(1)CIE1964在10°视场的表现优于其他颜色匹配函数； CIE2006在2°、4°视场和22°大视场的表现最优。 综合所有视场下不同颜色匹配函数的计算结果，CIE2006的表现性能优于CIE1931和CIE1964。

(2)用CIE2006计算观察者的颜色匹配结果，发现随着观察视场的增加，观察者匹配的红、黄、蓝、灰色色度值，均向a*-b*图的右下方偏移； 同时，红色和蓝色彩度升高、黄色彩度降低，绿色中心大视场(10°和22°)较小视场(2°和4°)彩度升高； 同时随着观察视场的增大，匹配色的明度值变化不大。

(3)基于不同显示设备，在不同观察视场下匹配颜色的色差大小变化规律不同。 基于实验选取的4台显示设备，目标设备和匹配设备的原色光谱峰值波长位移对颜色匹配结果的影响程度为蓝通道>绿通道>红通道。