基于液晶顯示器的中國人眼視覺明度曲線研究

劉 琴，萬曉霞

(武漢大學印刷與包裝系，湖北 武漢 430079)

引言

國際上對顏色體系的研究已有較長的歷史，自從牛頓顏色圓發(fā)明之后，各國學者對顏色體系展開研究并且制定出各種顏色體系，如美國Munsell顏色體系、Ostwald顏色體系、OSA-UCS勻色標、瑞典自然顏色體系NCS和德國DIN顏色體系等[1]。國外的這些顏色體系已經廣泛應用于不同國家顏色質量控制的各個方面，并成為各國顏色定量管理的基礎[2]。但這些顏色體系都是在對歐美人進行人眼視覺特性評定實驗后建立起的各自的顏色體系，由于不同人種人眼視覺評價的差異，使得這些顏色體系在應用時更加適合歐美人的顏色心理感知，具有一定地域性的使用局限[3]。因而，將歐美人的顏色視覺研究結果作為亞洲人，特別是中國人的顏色應用標準顯然是不合適的。因此，分析關于中國人眼的視覺感知特性具有重要意義[4]，可為中國顏色認定標準的設定提供數(shù)據(jù)支持。

自從Munsell將明度變化從色相和飽和度變化中分離出來，用色相、明度和飽和度的三維坐標來表示顏色體系開始，從白到黑的明度軸成為任何一種顏色體系都具備的特征。而且隨著顏色科學的載體的外延在不斷擴大，開展基于顯示器的中國人眼白——黑系列明度知覺等級的研究將是一項為中國顏色體系的進一步研究、開發(fā)奠定基礎的工作。

心理物理學的有關研究表明：人眼對明度具有選擇性的反映特點，在感覺值(V)與物理值(Y)之間存在著一種非線性關系。孫秀茹等人針對樹脂涂料工藝對中國人眼的白——黑明度感覺進行了研究[5-6]。結果表明無論是在低明度還是高明度，亮度因素值(Y)都與孟賽爾體系有一定差別。由于，國際上對顏色體系的標準實物樣的制作有著嚴格的規(guī)定和篩選要求，因而對于研究有著一定的局限性。而且，隨著色彩技術領域的擴大，顯示器作為顏色的承載介質在屏幕軟打樣、色彩復現(xiàn)和色彩預測等方面都起著創(chuàng)新和增加產品附加值的作用。

目前，市場上常用的顯示器為：陰極射線管顯示器CRT (Cathode Ray Tube)和液晶顯示器 LCD(Liquid Crystal Display)。CRT是一種成熟的技術,具有顯示效果好、觀看角度大等優(yōu)點，是以往呈色系統(tǒng)的不二之選，國際標準 ISO /CD 12646“印刷技術——彩色打樣用顯示器——性能指標和觀測條件”中用于軟打樣的顯示器的性能指標也是針對 CRT顯示器給出的。近年來，隨著 LCD 技術的不斷發(fā)展，不論是在顏色的準確性和穩(wěn)定性、色域空間的大小、顯示均勻性方面，還是在觀看角度方面都有了很大提高，比如：EIZO的 Color Edge， Apple的 Cinema Display NEC的Multi Sync。雖然孟塞爾顏色體系建立時使用的是涂料色卡，孫秀茹等人在建立中國顏色體系時使用的是中性涂料色樣，但是相關研究表明，顯示器顯示顏色與物體色實驗結果之間具有較好的一致性，可代替物體色進行視覺實驗研究[7]。因此，本文將對基于Eizo Color Edge CG301W LCD顯示器的中國人眼的黑——白系列明度視覺感知進行研究,為中國顏色體系色空間的均勻分級提供基礎數(shù)據(jù)。

1 LCD顯示器性能測試

作為代替物體色的顏色刺激的呈色設備，LCD顯示器的顯色性能會對實驗的精度產生很大的影響，因此，本文對LCD顯示器的時間穩(wěn)定性、均勻性進行了測試[8-9]，以保證目視實驗的顯色效果。

本實驗采用Eizo Color Edge CG301W顯示器(表1)，設置亮度30%、 Gamma2.2、色溫6500K。先用GretagMacbeth Eye-One對顯示器進行校準后，利用PR705測量各個色塊的Lab值[10]。

表1 顯示器參數(shù)Table 1 Display parameters

1.1 時間穩(wěn)定性

每間隔一小時測量白(255,255,255)、黑(0,0,0)、全紅(255,0,0)、全綠(0,255,0)、全藍(0,0,255)的Lab值，連續(xù)進行六個小時，并計算色差的均方根，即可得到如圖1所示的測量各顏色色塊對應的時間穩(wěn)定性折線，分析得到EIZO顯示器在開機后的70分鐘均方色差在2.7～3.2，之后逐漸減小，2個小時后各色的均方色差也保持在2.6以內。總體上看Eizo顯示器的時間穩(wěn)定性還是很好的，開機20分鐘后其色差[11]波動范圍基本上都小于3。

圖1 EIZO CG301顯示器的時間穩(wěn)定性折線Fig.1 Time stability curve of LCD

1.2 顯示器均勻性測試

將顯示器調至工作狀態(tài)，將屏幕分成大小均一的3行5列陣列，共15格，然后移動逐PR705使得其光闌對準待測試色塊(見圖2)的中心的色度值并計算亮度均勻性。測試顏色：紅(255,0,0)，綠(0,255,0)，藍(0,0,255)，白(255,255,255)，黑(0,0,0)，灰(128,128,128)。

用PR705測量各個色塊的中心，獲得R,G,B,W顏色中心的亮度值，并用matlab畫出屏幕整體上的亮度高低分布圖。

圖2 均勻性測試所測色塊示意圖Fig.2 The test color of uniformity

如圖3所示，X、Y軸表示EIZO顯示器的高度和寬度，Z軸表示PR705測得的個色塊的屏幕亮度值(cd/m2)EIZO顯示器在各個顏色時亮度均勻性基本一致，各個測量點雖然有明暗差別，但是最大最小值之差基本上保持在10cd/m2以內，根據(jù)實際測量值可以看出，由于屏幕側邊亮度普遍偏大，因而造成亮度均勻度誤差較大，因此在進行視覺評價實驗的過程中，被觀測的色塊的將置于屏幕的中央，其亮度平均誤差小于0.8 cd/m2，因而在呈現(xiàn)刺激色樣時整個屏幕亮度不會對觀測實驗造成影響[9]。

圖3 EIZO顯示器的亮度均勻性圖Fig.3 Uniformity of luminance of EIZO display

2 顏色視覺心理物理方法

心理物理學是研究測試樣品的物理測量值與相應的心理感受量之間關系的科學技術。心理物理實驗方法常被用來量化主觀知覺量，其實驗設計的原理是具有客觀性和量化性的，就像用尺子來測量長度的概念一樣，但是心理物理實驗比普通的物理實驗具有更大的不確定度，只有進行實驗分析和設計時，對實驗的不確定影響有足夠的估計，實驗的結果才是有意義的。因此本文在心理物理學實驗進行前期，做了大量觀察者重復性實驗及準確度實驗，排除不穩(wěn)定的觀察者及通過正交分析實驗穩(wěn)定整個目視觀察條件后，通過心理物理學分度實驗方法對中國人眼的明度分度曲線進行了研究，且對觀察者的觀測數(shù)據(jù)用PF/3公式進行了統(tǒng)計學分析。

2.1 心理物理學單一維度的分度實驗方法

心理物理學分度實驗的目的是為了獲取視覺感受量尺度與其對應的刺激色樣物理量之間的對應關系。單一維度的分度實驗方法要求被進行尺度分割的屬性和刺激色樣的物理變化量都必須是一維的，觀察者對一維的視覺感受量進行判斷并給出相應結論。相應的判斷方法有：排序法、對比法、分割尺度法、比例估算法、尺度估算法、對偶比較法等[7]。

目視實驗利用分割尺度法獲取觀察者的數(shù)據(jù)，即讓觀察者其在最白和最黑的中性灰度系列色樣之間選出一個處于最黑和最白兩者中間具有同等差別的色樣。通常人們所選出來的色樣不是反射率為50%左右的色塊，而是比反射率50%要低得多的一個(感覺值)。實驗目的即是為了驗證感覺值(V)與物理值(Y)之間的非線性關系，且得到關于基于顯示屏的中國人眼視覺明度曲線與孟色爾體系明度曲線之間的對比關系[13]。

2.2 孟賽爾明度等級曲線

孟賽爾的明度等級是用大量的標準觀察者目視視覺實驗得到的，屬于絕對明度范疇。實驗方法是首先選用一塊標準的黑卡，然后讓觀察者依據(jù)這塊黑色選出一塊在視覺上恰好能區(qū)分出明度與標準黑卡不同的灰色來，便可將這塊灰確定為一個明度等級，然后再依此類推確定下一個明度等級，經過多次試驗得到一系列的明度等級(即明度值V)，直到白色樣為止。通過這種方法，將從黑到白明度分成11個級別，并且用光譜光度的方法測出各明度等級樣卡的亮度因數(shù)Y。通過數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)明度值V與Y值之間并不是直線關系，而是如圖4所示的曲線關系[14]。

圖4 孟賽爾明度等級曲線Fig.4 Munsell brightness level curve

2.3 目視觀測色樣設計

用Photoshop制作明度值L為1～99的99種灰度樣品。色樣參數(shù)為：樣品大小為3.5cm×3.5cm；屏幕尺寸為29.8英寸；最佳分辨率：2560×1600，雙眼距樣品的垂直距離為2m，使視覺評價保持在10°視場。

選擇最黑的樣品和最白的樣品，然后在最黑和最白的樣品中間分別放上灰度為30、35、40、45、50、55、60的樣品，按照孟塞爾明度曲線可知，中性灰的亮度大概在18～22 cd/m2，根據(jù)EIZO顯示器實測Y與L曲線關系可預判尋找目視中性灰的色樣的大致范圍在灰度值為45左右，因此在首次篩選過程中選取30～60這樣一個范圍供觀察者判斷時行之有效的，這樣可以減少目視觀測的工作量，降低視覺疲勞度，增加實驗的效率。樣品呈現(xiàn)過程中，深淺兩種參考樣出現(xiàn)在被視者的左右位置上的機會均等，以此排除人的視覺常性誤差，如圖5所示。

圖5 目視觀察初選色樣的屏幕顯示示意圖Fig.5 Schematic diagram of the first visual observation

讓觀察者隨機觀察，選出一塊與最白樣品和最黑樣品在明度距離上有同等差別的中灰樣品，亦即找出一塊他認為在視覺中處于明度剛好是兩者之間的中間一塊。觀察者依次觀察。

當所有的觀察者都觀察結束后，將觀察者的觀察結果進行平均，算出中間灰度值，并以此中間灰度值為中心，再找出灰度值為±5內的灰度樣品，此時將背景換成上黑下白，將這十一個灰度樣品隨機放在畫布中間黑白分界線上，具體如圖6所示。

圖6 目視觀察復選色樣的屏幕顯示示意圖Fig.6 Schematic diagram of the second visual observation

讓觀察者依次選出一塊與最白樣品和最黑樣品在明度距離上有同等差別的中灰樣品，亦即找出一塊他認為在視覺中處于明度剛好是兩者之間的中間一塊。當所有的觀察者都觀察結束后，將觀察者的觀察結果進行平均，算出中間灰度值，此中間灰度值為真正的中國人觀察到的與最白與最黑明度同等差別的中灰樣品。再依次連續(xù)等分，確定其他等級的明度值，直到得到由白一黑等距差的9個級差為止。在等級排列過程中，白樣品和黑樣品出現(xiàn)在被試者的左、右位置上的機會均等，以此排除人的視覺常性誤差。

3 實驗方案

3.1 實驗條件

(1)觀察者：觀察者是色覺正常的學生和老師23人，其中男性13人，女性10人，年齡18到25歲之間，對顏色辨別有一定的經驗和訓練。

(2)觀測條件：將顯示器至于美國ACS公司標準光源燈箱中的D65光源下，照度在(1000±100)lx，觀察者距顯示器屏2m，垂直于屏幕觀察。

(3)實驗色樣：在EIZO顯示器：Eizo ColorEdge CG301W(亮度30%，gamma值2.2)上呈現(xiàn)測試色樣(35cm×35cm)。

(4)物理值測量設備：PhotoResearch705光譜輻射度計及測量軟件。

PR705的相關技術參數(shù)如表2所示，在當前狀態(tài)下獲得380～780nm波段的亮度值，L、A、B值。

表2 PR705性能參數(shù)表Table 2 Property Parameter Table of PR705

3.2 顏色刺激測量

調節(jié)顯示器：亮度30%，gamma值2.2。使用PR705測量黑白場，如表3所示。

表3 黑白場數(shù)據(jù)Table 3 The Data of Black and white field

因此確定液晶顯示器的白場亮度為99 cd/m2，黑場亮度為0 cd/m2。所需測量的9個灰度級分別為：99、87、75、63、50、38、25、13、0，且當a<1，b<1時，可以認為此色塊為中性色。將測量到的亮度值與L值進行線性化。灰度值的測量結果如表4所示。

表4 各個等級灰度值測量結果Table 4 The measured results of gray value

亮度、明度與R、G、B的關系如圖7所示。

由此可根據(jù)L值的不同由圖7中(d)、(e)、(f)所得公式，計算出與其相對應的R、G、B值。建立L與R、G、B之間的插值見公式(1)：

圖7 亮度、明度與R、G、B的關系曲線Fig.7 The fitting plot of R、G、B and brightness and lightness

(1)

由此得到的L與R、G、B之間的插值表如表5所示。

由于明度是一個心理量，不能和Photoshop制作的色樣完全等同，因此借助PR705光譜輻射度計測量在屏幕上顯示色樣的實際明度值，以此為明度的實測值來建立與視覺明度的關系。由于Eizo ColorEdge CG301W顯示屏卓越的顯色性能，使得Y的實測值與量級劃定值的最大誤差在0.28以內，因此可以忽略不計。

3.3 目視觀測實驗

由于照明方向和觀察條件會對人眼的判斷結果產生一定影響，因此有必要對實驗中的照明和觀察條件規(guī)范化。本次實驗，參與觀察的23名色覺正常觀察者均為武漢大學在校生，每位觀察者矯正視力正常。在開始正式實驗前，先通過先驗性實驗使觀察者熟悉實驗的操作方法。將液晶屏幕調成20%的中性灰，以此作為背景。按照1.2部分的程序顯示色樣[15]。

表5 L與R、G、B之間的插值表Table 5 Value of R,G,B and L

4 實驗結果分析

4.1 觀察者精度分析

在心理物理實驗中，為了評價測試數(shù)據(jù)的有效性，首先需要分析觀察者的測試重復性和準確度。最初由Luo和Rigg提出性能因子PF(Performance Factor)方法來定量比較兩個數(shù)據(jù)集的一致性，之后Guan和Luo等人又在此基礎上改進為PF/3方法[16]，其表達式為：

(2)

式中

(3)

(4)

(5)

其中CV為變化量的系數(shù)，γ和VAB則給出兩個數(shù)據(jù)集之間的不一致性程度，N是被比較的色樣數(shù)據(jù)對數(shù)，Xi和Yi分別是第i對被比較的兩個對應數(shù)據(jù)。如果被比較兩組數(shù)據(jù)完全一致，則CV和VAB為0，而γ為1，因此PF/3值為0。較高的PF/3值表示被比較的數(shù)據(jù)集之間具有較差的一致性，如PF/3值為32代表被比較的兩個數(shù)據(jù)集之間的不一致性為32%。

為了保證實驗結果的準確性，本實驗對每位觀察者多次觀察的數(shù)據(jù)進行了重復性分析，計算得出PF/3值最小為13.9，最大為19.74，所有觀察者的測試重復性均在20個PF/3單位以下。

造成視覺誤差的主要原因包括較長時間的視覺觀察導致的視覺疲勞與重復觀測過程中觀察者心理波動的影響與經典實驗數(shù)據(jù)比較[11]，在可接受范圍內，因此可以認為此次實驗數(shù)據(jù)是有效的[12]。

4.2 實驗數(shù)據(jù)分析

目視觀測得到黑——白明度等級值與亮度的關系如表6所示。

由表6中數(shù)據(jù)可得出明度等級算數(shù)平均數(shù)與亮度之間的關系見表7。

為得到各明度(V)與亮度因素(Y)之間的函數(shù)關系，用五次函數(shù)進行擬合，得到式(6)：

表6 各等級灰度值對應的亮度值Table 6 The brightness values of each grade grey value

表7 不同實驗V-Y對應表Table 7 The comparison of three experiment result

Y=-0.003471V5+0.08385V4-0.5831V3

+1.897V2+0.2898V+0.2294

Y1=0.0008549V5-0.02136V4+0.2425V3

-0.241V2+1.232V+0.0003497

Y2=-0.007962V5+0.1959V4-1.51V3+4.529V2-0.8427V+0.459

(6)

從式(6)及圖8可得出，中國人眼黑白系列明度等級的評定結果，表明了中國人的視覺選擇不是以Y為50%的樣品為最黑和最白的中間值，而是以Y為17.7753%的樣品為最黑和最白的中間值(V=5),都低于對比試驗的中間值Y1為19.7241、Y2為18.2768。

圖8 本實驗與對比實驗的V-Y曲線示意圖Fig.8 The V-Y curve diagram of the experiment and comparison experiment

圖9 本實驗曲線與孟塞爾明度曲線比較示意圖Fig.9 Contrast curve of the result and Munsell lightness curve

通過比較本實驗明度曲線和孟塞爾明度曲線在各明度等級上的亮度差得出如圖9所示的ΔY與V之間的關系。由此可得出以V=4.1564作為分界點，在低明度一端本實驗數(shù)據(jù)高于孟塞爾明度的結果，在高明度一端本實驗數(shù)據(jù)低于孟塞爾明度的結果，且對應的亮度差的差異更大，接近5cd/m2。

5 結果與討論

將中國人視覺明度值和孟色爾顏色體系中的明度值在同等的條件下進行比較，如果以明度值V=4.1564作為分界點，則無論在高明度的一端還是在低明度的一端，都與孟賽爾的結果有差異。這種差異主要表現(xiàn)為在高明度的一端，亮度因素值(Y)低于孟賽爾白色人種的結果；在低明度的一端，亮度因素值(Y)高于孟賽爾白種人的結果。

再將本實驗的數(shù)據(jù)與孫秀茹、林仲賢、荊其誠、李亞璋的《中國人眼白—黑系列明度等級的實驗研究》中的數(shù)據(jù)進行比較，可得出，在液晶顯示器上的觀察結果與基于樹脂涂料工藝下的觀察結果也是有所差異的，具體的差異表現(xiàn)在當明度V>5.6131時，基于液晶顯示器上的亮度因素(Y)總比基于樹脂涂料工藝的亮度因素(Y)高。這種差別是由于種族的差別所造成，還是由于文化背景、經驗及呈色介質不同等因素的影響，尚有待進一步研究。但是這種差別，在研究基于顯示器的中國人眼的明度感知時是需要認真考慮的。

本實驗提供的方法在建立基于液晶顯示器的中國人眼視覺明度曲線上也具有一定的指導意義，實驗數(shù)據(jù)也為中國顏色體系色空間的均勻分級提供了基礎數(shù)據(jù)。在實驗方案的設計上，將二分法進行優(yōu)化，提高了獲取數(shù)額的準確性。

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