电子屏幕对宝石颜色的不同显示效果

玉的兴，周青超,

1. 滇西应用技术大学珠宝学院，腾冲 679100

2. 中国地质大学（武汉）珠宝学院，武汉 430074

前言

近年来，网上购物、电商直播的火热为珠宝首饰行业增添了新的销售渠道，很多消费者愿意选择在线上购买珠宝。在线上购买珠宝时需要通过电子屏幕观看宝石的颜色，因此图片拍摄、信号传输以及电子屏幕等因素都会对最终观察到的珠宝颜色产生影响，从而导致珠宝实物与电子屏幕上看到的图片存在颜色上的偏差。此外，信息时代背景下，越来越多的信息交流和学习过程都需要借助电子屏幕作为媒介，运用性能优异的电子屏幕能够更加逼真地展现出珠宝的颜色和质感，在交流和学习中达到更好的效果。以下是作者遇到的一个最直观的例子：教师在给学生展示颜色为“鸽血红”的红宝石图片时，由于电子屏幕的质量较差，导致最终显示出来的红宝石颜色很暗淡，这无疑会给学生传达错误的信息，即实际物品与图片信息不符。由此可见，在当前的时代背景下，大量珠宝相关的图像信息需要借助电子屏幕来传达，而且颜色的呈现对于珠宝而言非常重要，这就需要了解电子屏幕对宝石颜色显示效果的具体影响，基于此便可以更好地选择和利用电子屏幕这个媒介来展现出珠宝的魅力。

本文以一张包含6颗不同颜色（红、橙、黄、绿、蓝、紫）的彩色宝石的图片作为初始图像，将其导入并显示在手机屏幕中，固定相机拍摄条件，系统地拍摄了不同参数的屏幕中彩色宝石图片的显示效果。在此基础上，运用CIE L*a*b*颜色模型分析了屏幕亮度、色调、型号以及有无防蓝光膜等对图片中不同颜色宝石的颜色显示效果的影响。本文的研究结果有助于人们直观地感受电子屏幕中彩色宝石颜色显示效果的差异性，为消费者、商家及研究人员在珠宝显示终端的选择和设计方面提供数据支持。

1 彩色宝石颜色的影响因素

彩色宝石的颜色是影响其价值的最主要因素[1,2]，因此有必要全面地分析能够对彩色宝石颜色产生影响的各种因素。

本文将观察宝石颜色的情形分为以下两种：第一种情形是人们直接通过肉眼观察宝石，此时对宝石颜色产生影响的因素主要来自三个方面，即宝石自身、光源以及观察者。宝石自身的颜色是由于内部致色元素或晶体结构缺陷的种类和浓度决定的[3-6]，对于一颗颜色稳定的宝石，被切磨成特定的琢型后，颜色本身将不再发生变化。此外，光源会在很大程度上影响宝石的颜色，国际照明委员会（CIE）将太阳光的显色指数定为100，是最好的自然照明光源，因此在太阳光下观察得到的颜色应该最接近宝石的实际颜色[7]。而且还要考虑到太阳光的变化，比如不同的时间点，阴天、多云等不同气象条件下太阳光的显色性也会存在微小的差异。如果采用显色指数较低的光源进行照明，观察得到的宝石颜色会存在一定的偏差，例如一颗红宝石在正午的太阳光下观察为鸽血红，但是在晚上荧光灯照明下观察时为暗红色[8]。前人对宝石的颜色和照射宝石的光源进行了很多相关的研究[9-12]，在此不再赘述。观察者是影响宝石颜色判断的第三个因素，人与人之间的眼球结构存在微小的差异，不同人眼中负责颜色的视锥细胞对颜色的敏感程度也各不相同[13]，因此对同一颗宝石的颜色感知会存在差异，但通常该差异是比较微小的。

第二种情形是人们通过电子屏幕观察或鉴赏宝石，此时对宝石颜色产生影响的因素主要来自六个方面，即宝石自身、光源、相机、信号转换与传输、电子屏幕以及观察者，其中宝石自身、光源以及观察者的影响机制和第一种情况相同。不同之处在于第二种情况中还涉及到了宝石图像的采集，虽然在图像拍摄前或拍摄后可以通过标准色卡对图像进行颜色校正，但是拍摄得到的宝石图像还是不可能100%还原肉眼在自然光下的观察效果[14]。其次，为了将拍摄的宝石图像显示在不同的显示终端中，需要进行图像信息转换与传输[15]，这个过程中也会带来一定的颜色信息丢失，该过程可以通过各种无损转换与传输手段尽可能地保证图像信息的高保真。最后，人们在电子屏幕中观察宝石的图像时，电子屏幕的参数也会对图像的显示效果产生较大的影响[16]，例如一张高清的宝石图像在当下搭载了高端显示屏幕的旗舰手机中的显示效果肯定要优于五年前的手机，这是因为旗舰手机的屏幕在色域、色差等屏幕参数方面都进行了技术升级。

2 实验方法

2.1 彩色宝石图片的收集

为了系统地研究不同颜色的宝石图片在显示器中的显示效果，本文从文献中分别选取了红色、橙色、黄色、绿色、蓝色和紫色6种不同的彩色宝石图片[17-22]，然后重新拼接在一起（图1），作为在不同手机屏幕中显示的初始图片。

图1 初始的彩色宝石图片[16-21]Fig.1 Initial images of colored gemstones

2.2 图片在手机屏幕中显示时的图像采集

为了更好地研究彩色宝石图片在手机屏幕中的显示效果，同时将不同的显示效果直观地呈现给读者，本文用相机记录了彩色宝石图片在手机屏幕中的显示效果。为了避免环境光的干扰，所有的图片拍摄在暗室内进行；用于拍照的相机型号为尼康D5300，所有图片的拍摄均固定相机参数，因为拍摄过程中必然会引入颜色偏差，固定参数是为了尽可能地保证拍摄过程引入的颜色偏差相一致，具体如下：ISO为100，光圈为F8，快门为1/6，白平衡为晴天，曝光补偿为0。手机屏幕在刚启动时会存在亮度逐渐升高的现象，因此，在拍摄前都以峰值亮度预热30分钟，以确保亮度的稳定性。需要说明的是，使用相机拍摄记录屏幕上的图像很难达到与人眼直接观察屏幕一样的效果，为了更清晰地观察屏幕对彩色宝石颜色的不同显示效果，读者可以将本文中的初始图片导入手机后，通过调节手机屏幕的参数进行直接对比观察。

2.3 初始图片以及相机记录的图像中CIE L＊a＊b＊值的读取

本文使用CIE 1976 L*a*b*色彩空间来定量评价彩色宝石图片在手机屏幕中的显示效果，主要分析显示屏幕的不同参数对彩色宝石图片颜色呈现效果的影响。L*a*b*色彩空间单独地改变亮度和色度值，可以更真实地反映人类视觉系统，L*值对应于色彩三要素的明度值，色度a*值从红(+a*)到绿(-a*)渐变，b*值从黄(+b*)到蓝(-b*)渐变，L*=0表示黑色，L*=100表示白色。如图2所示，在Photoshop软件中导入初始的彩色宝石图片，由于宝石的颜色不均匀，为了定量评价宝石颜色的变化，在读取L*a*b*值时对图片进行放大，选取宝石颜色相对均匀的位置读取CIE L*a*b*值，读取的区域为3×3的像素区域的平均值。为了保证读取的CIE L*a*b*值的可靠性，所有的图片处理过程都在Photoshop软件中进行，始终保持图片为PSD的原始文件格式，避免在图片存储或压缩的过程中造成颜色信息的变化。

图2 不同颜色宝石的CIE L*a*b*值读取位置Fig.2 The positions to read the CIE L*a*b* value for different colored gemstones

3 屏幕参数对图片颜色显示效果的影响

3.1 同一手机中屏幕亮度对颜色显示的影响

亮度是手机屏幕中可调节的参数之一，单位为尼特，是描述光对人眼引起的刺激强度，反映光的明亮程度，与光波的幅度有关。理论上亮度越高，屏幕显示画面会越通透清晰。本文首先以OPPO A72手机为例，将初始的彩色宝石图片导入手机中，并显示在手机屏幕中。通过调节手机屏幕的亮度，观察并用相机记录不同屏幕亮度下彩色宝石图片的显示效果。初始彩色宝石图片中的背景为白色，L*a*b*值为（100, 0, 0）。图3展示了6种不同的屏幕亮度下彩色宝石图片的显示效果，从左到右随着屏幕亮度的降低，图片背景的蓝色调逐渐加深。在Photoshop中读取图片背景的L*a*b*值，其中L*值从最左边的99降低到了最右边的90；a*值的变化较小，左边3张图片为0，右边3张图片为1；b*值的变化稍大，从最左边的0降低到了最右边的-8。b*值的减小意味着颜色偏向蓝色调，这与肉眼直观的感觉相一致。

图3 不同亮度的屏幕中宝石图片的显示效果Fig.3 The display effect of gemstone pictures on screens with different brightness

除了图片背景的颜色差异之外，本文重点分析了彩色宝石在不同亮度的屏幕中显示时的L*a*b*值差异，在Photoshop中放大图片并读取了相应位置的颜色信息，读取的L*a*b*值汇总于表1。从表中的数据可以看出，随着屏幕亮度的降低，图片中彩色宝石的明度值L*也随之降低：红色宝石的L*值从62降至了55，橙色宝石的L*值从70降至56，黄色宝石的L*值从87降至76，绿色宝石的L*值从90降至74，蓝色宝石的L*值从75降至57，紫色宝石的L*值从82降至66。对于a*值而言，红色和橙色宝石没有呈现出线性的变化规律；黄色、绿色、蓝色和紫色的宝石随着屏幕亮度增加，a*值也线性增大，即宝石的颜色偏向红色调。对于b*值而言，红色、橙色、黄色和绿色宝石随着屏幕亮度增加，b*值也线性增大，偏向黄色调；但蓝色和紫色宝石随着屏幕亮度增加，b*值线性减小，偏向蓝色调。图4为不同亮度的屏幕中显示的宝石图片颜色信息在CIE L*a*b*色环中的投点，更直观地展现了不同颜色的宝石图片随着屏幕亮度增加所产生的颜色变化规律。

图4 不同亮度的屏幕中显示的宝石图片颜色信息在CIE L*a*b*色环中的投点（箭头方向表示屏幕亮度逐渐降低）Fig.4 Colorimetric parameters in the CIE L*a*b* color circle of gemstone pictures displayed on screens with different brightness (The arrow direction indicates the decrease of screen brightness)

表1 彩色宝石图片在不同屏幕亮度下的CIE L*a*b*值Table 1 CIE L*a*b* values of colored gemstone pictures on the screens with different brightness

为了更好地分析手机屏幕亮度对宝石颜色呈现效果的影响，需要先了解手机屏幕显示不同颜色的原理（RGB三基色）。手机屏幕中有矩阵式排列的发光像素单元，每三个发光像素（RGB）构成一个独立的发光单元。在需要显示正红色的区域，屏幕中的RGB发光单元只有R发光；在需要显示正黄色的区域，屏幕中的RGB发光单元R和G发光，红光与绿光复合得到黄光；在需要显示正白色的区域，屏幕中的RGB发光单元同时发光，红光、绿光和蓝光复合得到白光；其它颜色基于相近的原理得到[23]。因此，手机屏幕的亮度发生变化时，可能由于发光像素中RGB的变化不均匀而导致了最终显示的颜色偏差。红色、橙色、黄色和绿色宝石在屏幕中显示时，需要发光像素中的R和G参与，R与G复合得到的是黄光，因此随着屏幕亮度增加，屏幕中的黄光强度增加，显示的颜色偏向黄色调（b*值增大）。蓝色和紫色宝石在屏幕中显示时，更多地需要发光像素中B的参与，随着屏幕亮度的增加，屏幕中的蓝光强度增加，导致显示的颜色偏向蓝色调（b*值减小）。

3.2 同一手机中屏幕色调对图片颜色显示的影响

除了屏幕亮度会影响宝石颜色的显示效果，屏幕的色调也是影响图片颜色显示效果的因素之一。在手机的功能设置中，可以选择屏幕显示的色调，通常分为正常色调、冷色调和暖色调。色调的冷暖用色温来衡量，色温的计量单位为开尔文（K），色温越低，屏幕视觉感观越暖；色温越高，屏幕视觉感观越冷。根据文献[24]，由于东方人和西方人在眼球颜色和文化背景方面的差异，东方人喜欢冷色调，而西方人喜欢暖色调。如图5所示，以OPPO A72机型为例，拍摄记录了彩色宝石图片在三种不同屏幕色调（冷色调、正常色调和暖色调）中的颜色显示效果，在拍摄时固定屏幕的亮度。

从图5中可以看出，在冷色调的屏幕中显示时，蓝色和紫色宝石的颜色更加艳丽；在暖色调的屏幕中显示时，红色和橙色宝石的颜色更加艳丽。为了定量分析不同屏幕色调中宝石颜色的变化，在Photoshop中放大图片并读取了相应位置的颜色信息，读取的L*a*b*值汇总于表2。

表2 彩色宝石图片在不同屏幕色调下的CIE L*a*b*值Table 2 CIE L*a*b* values of colored gemstone pictures on the screens with different shades

图5 不同色调的屏幕中宝石图片的显示效果Fig.5 The display effect of gemstone pictures on screens with different shades

从表2中的数据可以看出，相比于正常屏幕色调中的L*a*b*值，在冷色调的屏幕中，红色、橙色、黄色和绿色宝石的a*值有不同程度的降低，偏向绿色调；蓝色和紫色宝石的a*值基本不变，b*值减小，偏向蓝色调。在暖色调的屏幕中，所有颜色宝石的b*值增大，偏向黄色调；红色、橙色和黄色宝石的a*值增大，偏向红色调；绿色和蓝色宝石的a*值减小，偏向绿色调。图6为不同色调的屏幕中显示的宝石图片颜色信息在CIE L*a*b*色环中的投点，更直观地展现了不同颜色的宝石图片随着屏幕色调变化所产生的颜色变化规律。

图6 不同色调的屏幕中显示的宝石图片颜色信息在CIE L*a*b*色环中的投点（箭头方向表示屏幕由冷色调过渡到暖色调）Fig.6 Colorimetric parameters in the CIE L*a*b* color circle of gemstone pictures displayed on screens with different tones (The arrow direction indicates the transition of screen tones from cool to warm)

手机屏幕设置为冷色调时，为了降低屏幕的色温，屏幕中的蓝光比例增加，因此对显示需要有蓝光参与的彩色宝石颜色时有益处，可以让宝石的色调加深。反之，手机屏幕设置为暖色调时，为了升高屏幕的色温，屏幕中的黄光比例增加，因此对显示需要有黄光参与的彩色宝石颜色时有益处，可以让宝石的色调加深。

3.3 同一手机中防蓝光膜对颜色显示的影响

近年来，随着电子产品的不断普及，人们观察屏幕的时间大幅增加，为了保护视力，通常会在手机屏幕上贴一层防蓝光膜，从而过滤掉一部分对人眼有害的蓝光。但是从图像显示效果的角度分析，一部分蓝光被过滤掉后必然会对彩色图像的显示效果产生影响。如图7所示，本文以OPPO A72手机为例，拍摄记录了贴防蓝光膜前后彩色宝石图片颜色的显示效果。从图7中可以明显看出，贴了防蓝光膜的手机屏幕的亮度会降低，而且显示的颜色明显偏向暖色调。蓝色和紫色宝石的色调由于蓝光组分的降低，颜色变淡；红色、橙色和黄色宝石的颜色由于蓝光组分的降低，黄光组分自然相对增加，所以颜色加深。

表3中列出了在Photoshop软件中读取的宝石相应位置的L*a*b*值。从表3中的数据可以看出，贴了防蓝光膜后，所有宝石的b*值都增大，偏向黄色调；除了蓝色宝石外，所有颜色宝石的a*值也都有不同程度的增大，偏向红色调。因此，在对颜色显示质量有要求的场景中不推荐在显示屏幕上贴防蓝光膜。图8为屏幕贴防蓝光膜前后显示的宝石图片颜色信息在CIE L*a*b*色环中的投点，更直观地展现了不同颜色的宝石图片在屏幕贴防蓝光膜后所产生的颜色变化规律。

表3 彩色宝石图片在屏幕贴防蓝光膜前后的CIE L*a*b*值Table 3 CIE L*a*b* values of colored gemstone pictures on the screens with and without anti-blue light film

图8 屏幕贴防蓝光膜前后显示的宝石图片颜色信息在CIE L*a*b*色环中的投点（箭头方向表示贴了防蓝光膜）Fig.8 Colorimetric parameters in the CIE L*a*b* color circle of gemstone pictures displayed on screens with and without anti-blue light film (The arrow direction indicates the anti-blue light film)

3.4 手机型号对颜色显示的影响

在前面的内容中本文已分析了同一款手机中屏幕亮度、色调以及是否贴防蓝光膜对彩色宝石图片颜色显示效果的影响。除了手机这些可调节的参数之外，不同型号的手机对颜色的显示效果也会存在差异，因为不同型号的手机会配备不同规格的电子显示屏幕，其中色域作为衡量电子显示屏幕的一项重要参数，一定程度上决定了一款显示屏幕的优劣。屏幕的色域值越大，显示效果通常会越好。色域又称色彩空间，它代表显示屏幕中所能表现的色彩范围。一个显示屏幕显示色彩的鲜艳程度，跟色域有关，色域越大表明显示屏幕可显示的颜色就越多，人眼看到的画面也会越丰富越真实。目前市场上主流的手机屏幕主要有LCD和OLED两大类，OLED屏幕的色域值通常要比LCD的大[23]，而OLED的显示效果好也是各大手机厂商推广自家手机的亮点之一。本文选取了LCD和OLED屏幕的手机各两款，不同型号的手机屏幕参数信息汇总于表4，其中iPhone 12和小米11采用了OLED屏幕，DCI-P3色域值都超过了100%；OPPO A72和VIVO Y31S采用了LCD屏幕，OPPO A72的DCI-P3色域值略低，为85.4%，VIVO Y31S的DCI-P3色域值也达到了100%。

表4 本文所用手机的电子屏幕参数Table 4 Electronic screen parameters of mobile phones used in this article

如图9所示，将初始的彩色宝石图片导入4款手机中，拍摄记录了彩色宝石图片在手机中的颜色显示效果。从图9中可以看出，不同型号手机的屏幕中显示的彩色宝石图片的颜色有一定的差异。由于相机在拍摄过程中也会造成一定程度的颜色失真，为了更清晰地观察彩色宝石图片在不同屏幕之间的显示效果差异，读者可以将本文中的初始图片导入不同型号的手机后进行直接对比观察。为了定量分析不同型号的手机屏幕对彩色宝石图片中颜色信息的复现程度，在Photoshop中放大图片并读取了彩色宝石相应位置的颜色信息，读取的L*a*b*值汇总于表5。相比于初始彩色宝石图片的L*a*b*值，红色宝石的a*值OPPO A72增大4，Vivo Y31S减小3，小米11增大1，iPhone 12减小7；从a*值变化的绝对值来看，小米11的颜色偏差最小，iPhone 12的偏差最大。同理，红色宝石的b*值OPPO A72增大2，Vivo Y31S减小5，小米11减小5，iPhone 12增大1；从b*值变化的绝对值来看，小米11和Vivo Y31S的颜色偏差最大，iPhone 12的偏差最小。

表5 彩色宝石图片在不同的手机屏幕下的CIE L*a*b*值Table 5 CIE L*a*b* values of colored gemstone pictures on screens of different mobile phones

图9 不同型号的手机中宝石图片的显示效果Fig.9 The display effect of gemstone pictures on screens of different mobile phones

为了衡量彩色宝石图片在不同手机屏幕中的颜色偏差，本文采用下面的色差公式对读取的L*a*b*值进行了计算和分析。

在上述公式中，a*0、b*0代表初始彩色宝石图片中的a*值和b*值，a*1、b*1为不同手机屏幕中显示的图片的a*值和b*值，计算结果如表6所示。

表6 彩色宝石图片在不同手机屏幕下的颜色偏差值Table 6 Color deviation values of colored gemstone pictures on screens of different mobile phones

根据上述计算结果，红色、橙色、黄色和绿色宝石在OPPO A72手机中的色差最小，颜色复现程度较高；蓝色和紫色宝石在iPhone 12手机中的色差最小，颜色复现程度最高。根据本文的实验结果，并不是色域值越高的显示屏幕对彩色宝石图片的颜色还原度越高，色彩的还原度还与电子屏幕的色差校准等其它参数相关，在后续的研究中可以进行更加系统的评估。

4 结论

本文通过固定相机拍摄条件记录了彩色宝石图片在手机屏幕中的颜色显示效果，具体包括了不同屏幕亮度下、不同屏幕色调下、贴防蓝光膜前后以及不同型号手机屏幕中的显示效果。基于拍摄的图片资料，采用CIE L*a*b*颜色模型定量分析了彩色宝石图片中不同颜色（红、橙、黄、绿、蓝、紫）的宝石在手机屏幕中的颜色差异，研究结果表明：

（1）随着手机屏幕亮度的降低，红色、橙色、黄色和绿色宝石的b*值线性减小，偏向蓝色调;蓝色和紫色宝石的b*值线性增大，偏向黄色调。

（2）在冷色调的屏幕中，红色、橙色、黄色和绿色宝石的a*值有不同程度的降低，偏向绿色调，蓝色和紫色宝石的a*值基本不变；蓝色和紫色宝石的b*值减小，偏向蓝色调。在暖色调的屏幕中，所有颜色宝石的b*值增大，偏向黄色调；红色、橙色和黄色宝石的a*值增大，偏向红色调，绿色和蓝色宝石的a*值减小，偏向绿色调。

（3）贴了防蓝光膜后，所有颜色宝石的b*值都增大，偏向黄色调；除了蓝色宝石外，所有颜色宝石的a*值也都有不同程度的增大，偏向红色调。

（4）不同型号的手机屏幕对彩色宝石照片的显示效果存在明显的差别，在本文的研究中，红色、橙色、黄色和绿色宝石在OPPO A72手机中的色差最小，颜色复现程度较高；蓝色和紫色宝石在iPhone 12手机中的色差最小，颜色复现程度最高。

综上，用于显示彩色宝石图片的电子屏幕会直接影响到最终的显示效果，因此在需要用电子屏幕展示各种颜色绚丽的珠宝图片信息时，需要考虑选用合适的电子屏幕或合理调节电子屏幕的参数。例如，为了提升展示效果，在展示红色和橙色这些暖色调的宝石时可以将屏幕的色调调整为暖色调，在展示蓝色和紫色这些冷色调的宝石时可以将屏幕的色调调整为冷色调。当然，消费者在购物网站上选择宝石时，大多使用自己的手机终端浏览宝石的图片信息，为了获得更好的观察效果，建议将手机屏幕的亮度设定为最大亮度的60%～80%，色调设置为正常色调，屏幕上不贴防蓝光膜。