不同色温环境光下彩色电润湿电子纸的色彩校正

刘予敏， 林珊玲， 林志贤*， 郭太良

（1.福州大学 先进制造学院， 福建 泉州 362252；2.中国福建光电信息科学与技术实验室， 福建 福州 350116）

1 引言

彩色电润湿电子纸［1-2］采用电润湿显示技术（Electrowetting Display，EWD），使用环境光作为显示光源，通过调节内部三层油墨与绝缘基板之间的电压大小，控制油墨在基板上的收缩和舒张，从而改变三层油墨对环境光中不同颜色波长分量的反射程度，达到显示不同颜色的效果。彩色电润湿电子纸作为反射式显示器，在建立显示设备特征化模型［3-4］时，通常选用一个标准环境光作为光源，但实际使用时的外界环境光是实时变化的，当外界环境光发生变化时，彩色电润湿电子纸在同一驱动电压下反射出的各颜色光分量也会发生变化，如果仍直接使用标准环境光下建立的特征化模型，彩色电润湿电子纸的显示特性将会改变，从而影响显示画面的色彩平衡。

为了减小观察环境变化对显示图像的影响，国内外学者针对色貌模型［5-6］、神经网络［7-8］等方法进行了较多的研究。弓殷强等［9］利用色貌模型CAM16，将原始图像映射到显示设备所处的环境中，使颜色和亮度的感知保持不变，该方法可以减少外界环境对图像颜色在显示器上再现的影响。但色貌模型计算较为复杂，需要较多的计算参数且不易获得，较难与彩色电润湿电子纸随环境光变化的颜色特性相结合。麻祥才等［10］为了解决LCD显示器不同色温对人眼感知有较大影响的问题，利用神经网络建立不同色温与标准色温下显示颜色的关系，实现LCD显示器在不同色温下的图像颜色一致性，但该方法需要大量的训练数据，且神经网络算法一般较为复杂，对驱动系统的实时性有较大影响。

为了减小不同色温环境光下彩色电润湿电子纸显示颜色的色差，本文提出一种基于彩色电润湿电子纸光谱反射率特性的色彩校正方法。利用彩色电润湿电子纸独立于照明条件的光谱反射率特性，研究不同色温环境光下显示颜色的光谱规律，以此实现标准环境光与不同色温环境光下色度值的转换，该方法只需要利用标准环境光下建立的特征化模型，就能得到不同色温环境光与标准环境光下显示相同色度值对应的CMY驱动数据，实现不同色温环境光下彩色电润湿电子纸显示颜色的一致性。

2 不同色温环境光下显示颜色的光谱规律

彩色电润湿电子纸以环境光为显示光源。当环境光色温变化时，显示颜色也会发生变化，如图1所示，在环境光色温为3 500 K和6 500 K时，显示色域发生了变化。

图1 不同色温环境光下的显示色域Fig.1 Color gamut under ambient light with different color temperature

环境光色温的变化影响了彩色电润湿电子纸的显示颜色，研究不同色温环境光下显示颜色的变化规律，利用其规律可以实现不同环境光下的颜色还原。由于环境光复杂多变，获取不同环境光下的显示颜色样本需要大量的重复实验，因此利用光谱反射率，研究不同环境光下显示颜色的光谱规律。光谱反射率［11-12］被认为是物体的“指纹”，它是物体的属性，独立于照明条件和观察者，提供了物体最基本的颜色信息［13］。使用驱动数据和表面色度值的映射关系描述显示器的光电特性时，自发光显示器的表面色度值与驱动数据有一对一的映射关系。然而彩色电润湿电子纸作为反射式显示器，其显示颜色的色度值与环境光有关，使用相同的驱动数据时，色度值会随着环境光变化。因此，在研究彩色电润湿电子纸的光电特性时，可以利用彩色电润湿电子纸的光谱反射率特性，研究其在不同环境光下显示颜色的光谱规律，进而通过设定的某一标准环境光下的表面色度值，预测不同环境光下的显示颜色。

2.1 彩色电润湿电子纸的光谱反射率特性

2.1.1实验原理

光谱反射率的测量一般采用比对测量法：已知标准白板的光谱反射率Rw(λ)和光谱响应值Iw(λ)，目标物的光谱响应值Ic(λ)，则目标物的光谱反射率Rc(λ)=R(λ)。w

2.1.2实验装置

图2为测量彩色电润湿电子纸光谱反射率的装置。使用分光光度计的型号为远方SR2000，分光光度计和彩色电润湿电子纸之间的距离为50 cm，入射光与显示器表面的夹角θd=45°，分光光度计与显示器表面垂直，光源色温为5 000 K。

图2 彩色电润湿电子纸光谱反射率测量装置Fig.2 Spectral reflectance measurement device for color electrowetting display

2.1.3实验步骤

（1）在暗室环境搭建实验平台，启动系统并预热。

（2）将标准反射白板固定在背板上，启动光源，设置分光光度计的对焦状态。以1 nm的步长采集380～780 nm共401个波段的辐射亮度为一组数据，重复采集20次，取均值记为Iw(λ)。

（3）将标准白板替换为彩色电润湿电子纸，并对其三通道施加驱动电压，以1 nm的步长采集380～780 nm共401个波段的辐射亮度为一组数据。

（4）由于彩色电润湿电子纸三通道油墨的开启电压不同，对C通道施加15～22 V的驱动电压，M和Y通道施加12～22 V的驱动电压，并以1 V为间隔，重复步骤（3），采集一系列不同电压组合下的共1 296个测试色块的光谱辐射亮度数据，记为IEWD(λ)。

（5）使用公式REWD(λ)=R(λ)，获得

w不同电压组合下电润湿电子纸的光谱反射率Rc(λ)。彩色电润湿电子纸部分电压组合下的光谱反射率如图3所示。

图3 彩色电润湿电子纸不同电压下的光谱反射率Fig.3 Spectral reflectance of color electrowetting display at different voltages

彩色电润湿电子纸CMY 3种油墨具有不同的光谱反射率特性，C油墨主要反射波长范围为600～700 nm的红色光，M油墨主要反射波长范围为500～600 nm的绿色光，Y油墨主要反射波长范围为380～500 nm的蓝色光。其中C油墨的反射率最大，其次是M油墨和Y油墨，3种油墨在主要反射波段上的反射率都随驱动电压的增大而增大。因此，在环境光色温发生变化时，可以通过驱动电压控制油墨的光谱反射率来减小环境光谱变化带来的显示颜色变化。

2.2 不同环境光下显示颜色的光谱对应关系

在自然场景中，色彩信号是入射光的光谱功率分布与目标表面反射率的乘积。在某一环境光下，利用彩色电润湿电子纸的光谱反射率，可以得到该环境光下显示颜色的光谱分布：

其中：S(λ)为显示颜色光谱分布，E(λ)为环境光光谱分布，R(λ)为显示颜色的光谱反射率。

选取色温为3 500 K、5 000 K和6 500 K的3个环境光，随机选取100个测试色块，测量各测试色块在3个环境光下显示颜色的光谱分布，并用各测试色块对应的光谱反射率与两个环境光谱进行乘法运算，使用光谱均方根误差RMSE比较实测光谱与计算光谱的差异［14］，均方根误差的计算公式如式（2）所示：

其中：N为光谱分布的维度，Δβ(λi)为在波长λi处实测光谱与计算光谱的误差。

实验环境光下显示颜色的实测光谱分布和计算光谱分布的光谱均方根误差如表1所示。

表1 使用光谱反射率计算的光谱分布与实测光谱分布的光谱均方根误差Tab.1 Spectral RMSE of the spectral distribution colculated using spectral reflectance and measured spectral distribution

从表1可以看出，不同环境光下计算光谱与实测光谱分布的光谱均方根误差较小。实验证明，不同环境光下电润湿电子纸显示颜色的光谱功率等于自身反射的环境光谱功率。

假设已知彩色电润湿电子纸在某一设定的标准环境光下显示颜色的光谱分布为S(λ)，则该颜色在不同环境光下显示颜色的光谱分布与S(λ)的关系为：

其中：E(λ)和Ei(λ)为标准光源和不同光源的光谱分布，R(λ)为彩色电润湿电子纸的表面反射率，S(λ)和Si(λ)为标准光源和不同光源下显示颜色的光谱分布。

使用光谱传感器可以实时采集当前观察条件下环境光的光谱分布，根据公式（3），可以根据标准光源下显示颜色的光谱分布计算出当前环境光下显示颜色的光谱分布。100个测试色块在不同环境光下测量得到的光谱分布与经过计算得到的光谱的均方根误差如表2所示。

表2 使用标准光源下显示颜色光谱计算的光谱分布与实测光谱分布的光谱均方根误差Tab.2 Spectral RMSE of the spectral distribution calculated using the color spectral in standard light source and measured spectral distribution

从表2可以看出，在具有不同色温的环境光下，预测值与实测值的光谱分布稳定、色差较小。图4为随机选取颜色在5 000 K环境光下的预测值和实测值。

图4 测量和计算的光谱分布Fig.4 Measured and calculated spectral distributions

3 不同色温环境光下显示颜色校正方法

3.1 不同色温环境光下显示颜色的色度对应关系

上述实验利用彩色电润湿电子纸的光谱反射率特性，获得了不同环境光下显示颜色的光谱对应关系。光谱反射率为高维数据，且显示设备的输入一般为三维色度数据，因此将光谱数据转换为色度数据，并根据光谱对应关系获得色度对应关系，方便从显示系统上对不同环境光下的显示颜色进行校正。

对于给定的光谱分布，其在源观察环境下的CIEXYZ色度值t为

定义M=k·F，色度变换过程可表示为：

则标准环境光下的色度值tR=MR·S(λ)，测试光源下的色度值ti=Mi·Si(λ)。根据公式（6）：

其中：MRS(λ)=tR，则测试光源下的色度值为：

选取100种电压组合作为样本点，根据各样本点在色温为5 000 K环境光下的色度值，预测各样本点在色温为3 500 K和6 500 K环境光下的色度值，各样本点的色差如图5所示，预测值与实测值的平均色差分别为1.92和1.09，小于人眼的最小可察觉色差［15］。

图5 预测色差Fig.5 Predicted color difference

3.2 不同色温环境光下的色彩校正流程

上述实验总结了彩色电润湿电子纸在不同色温环境光下显示颜色的变化规律，可以根据此规律进行色彩校正。显示设备的反向特征化模型记录了设备无关颜色空间到设备相关颜色空间的映射关系。由于彩色电润湿电子纸的显示光源为环境光，其特征化模型即为在设置的标准环境光下，彩色电润湿电子纸显示颜色的CIEXYZ色坐标到CMY的映射关系，即一个环境光对应一个特征化模型。然而观察环境是随时变化的，因此要根据标准环境光下建立的特征化模型进行色彩校正。

记输入图片的CIEXYZ色度值，即在测试光源下的目标色度值为ti，该色度值在标准光源下的色度值记为tR，则根据公式（6）所述不同色温环境光下显示颜色的对应关系，色彩校正过程可表示为：

具体校正过程如图6所示：

图6 不同环境光下的颜色一致性流程图Fig.6 Flow chart of color consistency under different ambient lighting

（1）将输入图像进行色彩空间转换，从RGB颜色空间转换到CIEXYZ颜色空间。

（2）通过环境光传感器采集当前环境光谱。

（3）进行色彩校正，得到在测试光源下原始色度值XYZ校正后的色度值X1Y1Z1。

（4）利用标准环境光下彩色电润湿电子纸的反向特征化模型，得到X1Y1Z1对应的CMY驱动数据。

4 实验验证

设置光源A（色温为5 000 K）作为标准光源。为了验证本文方法的有效性，选取一个色温低于光源A的光源B（色温为3 500 K）作为实验光源1，另选取一个色温高于光源A的光源C（色温为6 500 K）作为实验光源2加以对照，验证本文方法在环境光色温与标准环境光相比发生高低变化时的校正效果。3个光源的相对光谱分布如图7所示。

图7 实验光源的相对光谱分布Fig.7 Relative spectral distribution of experimental light sources

将本文方法应用到彩色电润湿电子纸显示系统（分辨率764×550，5.84 in（1 in=2.54 cm））上，选取包括显示色域边界和中间部分的100个色块，分别测量测试色块在光源B（色温为3 500 K）和光源C（色温为6 500 K）下通过本文方法校正前后的色坐标。使用CIE2000色差公式［16］，计算校正前后与标准光源A（色温为5 000 K）下显示颜色的色差。如图8所示，对比100个色块校正前后的色差，在光源B和光源C下，校正后的平均色差分别减小了55%和35%。

图8 测试色块校正前后的色差Fig.8 Color difference before and after the correction of each test color patch

使用图片pig和图片boat在彩色电润湿电子纸显示屏上进行验证，如图9和图10所示。

图9 电润湿电子纸显示pig效果对比图。（a） 标准光源A下的显示效果；（b） 光源B下的显示效果；（c） 光源B下校正后的显示效果；（d） 光源C下的显示效果；（e） 光源C下校正后的显示效果。Fig.9 Comparison of the pig effect of electrowetting display.（a） Display effect of pig under standard light source A； （b） Display effect of pigunder light source B； （c） Corrected display effect of pig under light source B； （d） Display effect of pig under light source C； （e） Corrected display effect of pig under light source C.

图10 电润湿电子纸显示boat效果对比图。（a） Boat在标准光源A下的显示效果；（b） Boat在光源B下的显示效果；（c） Boat在光源B下校正后的显示效果；（d） Boat在光源C下的显示效果；（e） Boat在光源C下校正后的显示效果。Fig.10 Comparison of the boat effect of electrowetting display. （a） Display effect of the boat under the standard light source A； （b） Display effect of the boat under light source B ； （c） Corrected display effect of the boat under light source B；（d） Display effect of boat under light source C；（e） Corrected display of the boat under light source C.

如图7所示，3 500 K色温环境光比5 000 K色温环境光在波长为550～780 nm的范围内具有较大的相对辐射功率，所以在相同电压下，显示颜色的红色分量和绿色分量会更多。6 500 K色温环境光比5 000 K色温环境光在波长为520～780 nm的范围内具有较小的相对辐射功率，所以相同电压下显示颜色红色分量和绿色分量较少。如图9和图10所示，图9（b）的脸部比图9（a）更加红；图10（b）的背景比图10（a）更加偏黄；图9（d）和图10（d）的整体显示效果与图9（a）和图10（a）相比更加偏蓝。经过本文方法校正后，即图9（c）和（e），图10（c）和（e）的显示效果更加符合标准环境光下的显示效果，说明本文的校正方法是有效的。

选择10名颜色视觉感知正常的观察者对显示图像进行主观打分，以标准光源下显示图像为标准图，计算在3 500 K色温和6 500 K色温下校正前后显示图像下的Z得分［17］。其中，在3 500 K色温下校正前后显示图像的Z得分分别为-0.45和0.45，在6 500 K色温下校正前后显示图像的Z得分分别为-0.25和0.25。

5 结论

为了减小不同色温环境光下彩色电润湿电子纸显示颜色的色差，本文提出了一种基于彩色电润湿电子纸光谱反射率特性的色彩校正方法，通过不同色温环境光下彩色电润湿电子纸显示颜色的对映关系建立校正模型。实验结果表明，在两个色温区别于标准环境光的实验光源下，本文提出的色彩校正方法使100个测试色块校正后的平均色差分别减小了55%和35%，校正后显示图像的平均主观评价Z得分分别为0.45和0.25。