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

Fig.1

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	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Fig.1 The spectral power distributions of the target and matched displays three groups in the experiments

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 显示设备的色度参数 Table 1 Colorimetric values of different displays Displays Illuminant/(cd· m-2) CCT/K Tristimulus Values (white points) Xn Yn Zn Group 1 Target Matched No.1 No.2 EIZO QUATO 110.5 110.6 6 309 6 188 92.78 94.42 100 100 100.44 105.6 Group 2 Target Matched No.1 No.3 EIZO NEC241 120.2 118.7 5 188 5 064 95.43 96.97 100 100 85.35 85.12 Group 3 Target Matched No.4 No.2 NEC242 QUATO 121.3 119.4 5 111 5 001 97.41 96.41 100 100 85.18 84.33

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

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

Table 2

表2(Table 2)

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 RGB channels for different displays (nm) Group 1 Group 2 Group 3 No.1 No.2 Δ λ No.1 No.3 Δ λ No.4 No.2 Δ λ R(λ ) 612 620 8 612 660 48 652 620 -32 G(λ ) 544 516 -28 544 516 -28 520 516 -4 B(λ ) 436 436 0 436 436 0 444 436 -8

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 RGB channels for different displays (nm)

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。

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。

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。

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

Table 3

表3(Table 3)

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 experimental groups with different field sizes Group 1 Group 2 Group 3 Min Max Mean Min Max Mean Min Max Mean 2° 0.89 4.95 2.55 0.88 5.47 2.69 0.90 7.03 2.94 4° 0.87 5.49 2.50 0.48 6.16 2.47 0.94 5.77 3.10 10° 0.55 4.60 2.16 0.66 6.11 2.41 0.49 7.12 2.40 22° 0.52 4.17 1.71 0.47 6.04 2.44 1.18 6.25 3.19 Mean 0.71 4.80 2.23 0.62 5.95 2.50 0.88 6.54 2.91

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 experimental groups 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。

考虑到眼睛的晶状体色素、 黄斑色素和视细胞感光色素等的共同影响, CIE2006 CMFs中以观察视场和观察者的年龄为变量, 由此可以得到不同的颜色匹配函数^[15]。 图2为观察者年龄和视场变化得到的 x¯(λ ) y¯(λ ) z¯(λ )各通道光谱响应。 可见, 随着观察视场的增加, x¯(λ ) y¯(λ ) z¯(λ )各通道, 特别是 z¯(λ )通道的峰值波长处光谱响应有所上升; 随着观察者年龄的增长, CIE2006 CMFs中 x¯(λ ) y¯(λ ) z¯(λ )各通道峰值光谱响应均向长波段移动。

图2

Fig.2

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	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 different viewing 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)。

图3

Fig.3

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	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 of different field sizes with three CMFs

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。

表4

Table 4

表4(Table 4)

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 CIEDE2000 values occured for different CMFs Field Size/(° ) CIE1931 CMFs CIE1964 CMFs CIE2006 CMFs In Total 2 11 13 39 63 4 15 16 32 63 10 13 30 20 63 22 6 23 34 63 In Total 45 82 125 252

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 CIEDE2000 values occured for different CMFs

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。

为研究观察视场对观察者颜色感知的影响, 将三组实验中不同视场下所有观察者匹配颜色的a^* b^* 和L^* Cab*色度值平均值绘制在图4中。 由图4的a^* -b^* 平面图可见, 随着观察视场的增加, 除绿色外, 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, 观察者在蓝色区域匹配颜色的散点较为集中; 在L^* - Cab*图上, 随着视场的增加, 除黄色外, 红色和蓝色彩度升高、 绿色中心大视场(10° , 22° )较小视场(2° , 4° )彩度升高; 匹配色的明度值随观察视场的增大变化不大。

图4

Fig.4

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	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 colors of different field sizes from CIE2006 CMFs

为了研究基于不同原色匹配设备的观察视场变化对观察者颜色感知的影响, 以2° 视场数据作为参照, 其他观察视场下匹配颜色的色度值分别与2° 视场数据比较, 线性拟合得到明度L^* 、 饱和度 Cab*和色调角 hab*的系数, 如表5所示。 由于灰色中心的匹配颜色较离散地分布在(0, 0)点周围, 色调变化范围为0° ~360° , 色调角的拟合仅使用了红、 黄、 绿、 蓝4个颜色的数据。

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 色度值线性拟合结果 Table 5 The linear fitting results of the colorimetric values Group 1 Group 2 Group 3 L* Cab* hab* L* Cab* hab* L* Cab* hab* 4° 0.994 9 0.990 7 0.995 0 1.006 8 1.010 8 0.991 7 0.985 3 1.002 1 1.003 9 10° 0.995 6 0.958 3 0.999 6 1.001 0 1.036 3 1.004 7 0.984 8 1.051 1 1.012 4 22° 0.993 5 0.952 9 0.995 9 1.002 3 1.043 0 1.003 6 0.996 2 1.019 7 1.005 4

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

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

Fig.5

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

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:

(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。

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

Fig.6

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	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)

色度椭圆的参数如表6所示, 实验拟合的观察者色度椭圆尺寸S= πAB(A为椭圆长半轴, B为椭圆短半轴), 表示参加实验观察者在三组实验中不同观察视场下的差异变化。

表6

Table 6

表6(Table 6)

表6 观察者差异椭圆的参数 Table 6 Parameters of the observers covariance ellipses Field Size/(° ) Colors Group 1 Group 2 Group 3 A B S SAve A B S SAve A B S SAve Gray 1.75 1.10 2.45 1.75 1.43 2.81 2.24 1.72 3.48 Red 2.61 1.31 3.28 3.15 1.44 3.77 3.09 1.65 4.00 2 Yellow 3.72 2.07 4.92 3.83 2.14 5.07 3.89 2.30 5.30 Green 1.95 1.21 2.73 2.69 2.39 4.49 3.67 1.34 3.94 Blue 3.77 0.85 3.17 3.31 2.69 0.96 2.84 3.80 2.30 1.75 3.55 4.05 Gray 1.43 0.86 1.96 2.22 1.50 3.24 2.99 1.08 3.18 Red 1.93 1.16 2.64 2.39 1.45 3.30 2.45 2.07 3.99 4 Yellow 2.94 2.11 4.41 3.86 2.32 5.31 3.36 2.80 5.43 Green 2.22 1.86 3.60 1.66 1.40 2.69 4.16 1.79 4.83 Blue 2.49 1.42 3.33 3.19 2.18 0.92 2.51 3.41 2.80 0.97 2.91 4.07 Gray 1.26 0.76 1.74 2.00 1.27 2.82 1.86 0.89 2.28 Red 2.66 0.64 2.32 2.44 1.43 3.31 3.98 1.18 3.84 10 Yellow 2.63 1.89 3.94 2.52 1.91 3.90 2.87 1.56 3.75 Green 1.65 0.97 2.24 2.37 1.30 3.11 2.88 1.22 3.33 Blue 2.17 1.62 3.33 2.71 2.23 1.01 2.66 3.16 1.93 1.62 3.13 3.27 Gray 1.16 0.70 1.59 1.55 1.20 2.42 3.72 1.31 3.92 Red 1.74 0.80 2.09 2.15 1.49 3.17 2.81 1.94 4.13 22 Yellow 1.57 1.18 2.42 2.63 1.48 3.50 4.35 1.47 4.48 Green 2.34 0.65 2.18 2.09 1.61 3.25 4.64 1.24 4.24 Blue 1.90 1.54 3.03 2.26 2.29 0.86 2.49 2.97 3.56 1.76 4.44 4.24 Ave 2.87 3.33 3.91

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

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。

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。