模擬霧環境下RGBY色度識別偏差的研究

王子頡，張哲千，徐方卉，周小麗，劉木清

(1.復旦大學光源與照明工程系，上海 200433；2.先進照明技術教育部工程研究中心，上海 200433)

引言

大霧天氣一直是交通運輸系統面臨的巨大問題之一。不論是港口、公路還是航空系統都會受大霧天氣的困擾。不僅自然界會形成霧，人類的社會生產活動也會產生霧。工業生產中的廢氣排放、交通運輸時的大量尾氣，在空氣不流通、風力小或氣壓較低的情況下，就會引起霧或霾現象。這不僅降低了社會生產效率，也帶來了各種安全隱患。因此，對大霧天氣的研究、防范以及處理措施成為了十分迫切且棘手的問題。

一般而言，無論是道路照明、景觀照明還是其他視覺環境，在研究目標物可見度的時候，都是假定在理想條件下進行的，即眼睛與目標之間的氣態介質(空氣)是干燥、潔凈的，且光能的衰減可被忽略不計[1]。然而，在霧霾環境中，空氣混濁且能見度低，各類室外照明設備實際產生的照度值可能遠低于理論計算值。不僅如此，霧還能影響人眼或者探測器對于物體輪廓的識別，以及對于物體顏色的識別，這給道路交通安全帶來重大隱患。我們通過實驗室模擬霧環境，研究在不同照明光源背景下、不同霧濃度情況下色度識別的偏差。

1 實驗裝置的建立

1.1 實驗裝置結構

本文在實驗室模擬自然界的霧天氣并且進行色度識別的相關實驗，實驗裝置如圖1所示，主要包括暗箱、隔板、超聲波加濕器、色卡、彩色亮度計、照度計等。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental apparatus

霧模擬裝置是由木板、木架、黑色塑料板等拼接而成的一個實驗暗箱。箱體規格為1.5 m×0.7 m×1.2 m。為了保證暗環境，木板裸露處涂有黑漆。箱體內右端設有支架以固定色卡和照度計，并且色卡和照度計都備有防水防潮措施。箱體左端設置一個觀察窗，用于放置彩色亮度計以及觀察；同時左端內部設燈具接口，用于不同燈具的安裝與調試。箱體側面開孔與超聲波加濕器的噴頭對接。超聲波加濕器是模擬霧環境的實現方法，加濕器使用超聲波(1.7 MHz)使霧化片發生高頻諧振，將水拋離水面，產生直徑5 μm的細小水滴。而自然界中存在的霧，粒子直徑在4～10 μm之間，兩者相吻合。該方法模擬的水霧還具有均勻性，穩定性和可控性的優點。

本實驗的觀察對象的是標準色卡，見圖2。方框1內的色塊代表膚色，方框2內的色塊代表天藍色和葉綠色，方框3內的色塊代表一些常見的自然的顏色和輔助的顏色，方框4內色塊代表RGB，方框5內的色塊代表為中性灰色的各色色階色彩。本文采用方框4內的代表RGB的色塊中的藍、綠、紅、黃進行測試，因為無論是顯示技術中的三原色還是顏色原理中的三原色都是基于這些顏色所組成的。實驗中將色卡與探測器或者鏡頭平行放置，保證色卡受到均勻光照。在霧環境下，給色卡做好防濕防潮的保護膜。

圖2 ColorChecker Classic 標準色卡Fig.2 ColorChecker Classic Mini Passport

1.2 背景照明光源

本文采用白熾燈和色溫分別為3 000 K、4 600 K、6 300 K、6 500 K的白光LED作為背景照明光源，所選光源的光譜能量分布如圖3所示。

圖3 各個光源的相對光譜能量分布Fig.3 The relative spectral energy distribution of light sources

1.3 色度測量

色度測量可以采用目視法和儀器法測量。目視法是最古老、最直接的方法，但測量結果受到被試者主觀因素影響較大，具有很大缺陷。本文分析中需要測算色坐標，并以色差為最終量化的結果，因此本文中采用儀器法測量色度，避免目視法帶來的主觀偏差。本文采用彩色亮度計測量色度值，其原理圖如圖4所示。被測目標反射出的光信號由望遠物鏡捕捉到，經過濾色器等光電器件，最終轉化成電信號輸出。

圖4 彩色亮度計原理框圖Fig.4 The schematic of chromatic luminance meter

實驗采用45°環形幾何條件(45°a)照明與0°接收的方法，即樣品光源與樣品色卡法線成45°，從所有方向同時照明樣品；探測器置于樣品法線上接收測試信號。采用照度計測量背景照明光源的照度來衡量霧濃度，通過光的透射率(T)來定義霧的濃度百分比是目前常用的確定霧濃度的方式[2-3]。光的透射率由公式(1)定義：

(1)

式中E′為有霧氣條件下的照度值；E0為無霧氣條件下的照度值，也稱為初始照度值。

霧濃度百分比P(%)的表達式為

P=1-T

(2)

相對可見度V(%)的表達式為

(3)

式中P0為霧氣最大時的霧濃度百分比；P′為實時的霧濃度百分比。

上述公式表明：光照度數值計算出的透射率能夠反應實驗暗箱內的霧濃度百分比值；而霧濃度的百分比值又可以表征相對可見度。利用照度計的照度變化計算相對可見度，配合彩色亮度計觀測標準色卡得到的色坐標，進行后續實驗數據處理與分析。

2 模擬霧環境中RGBY色度偏差的研究

在實驗裝置中，首先測試并且記錄無霧情況下光源照度和彩色亮度計的示數(色坐標)，然后打開超聲波加濕器加霧，使其充滿暗箱。當照度計數值最低的時候，關閉加濕器，等待自然散霧。與此同時，一邊記錄照度計數值的變化情況，另一邊設置彩色照度計自動讀數，同步記錄色坐標的變化情況。經過數據處理就可以得到在不同霧濃度下的色坐標的變化，最終用色差來衡量色度受霧濃度的影響程度。色差值是用來表示被測樣品的顏色與顏色空間上另外一參照點之間的差異。本實驗用CIELAB(L*a*b*)色彩空間進行色差計算[4]。

色差計算公式為

(4)

ΔL*=L*(樣品)-L*(標準)(明度差異)

(5)

Δa*=a*(樣品)-a*(標準)(紅/綠差異)

(6)

Δb*=b*(樣品)-b*(標準)(黃/藍差異)

(7)

其中，樣品值是指在霧環境下彩色亮度計所測得的數值，標準值是指當霧濃度為零時，彩色亮度計所測量的值。

2.1 不同霧濃度對不同顏色的影響

在相同背景光源照明下不同霧濃度對不同觀察顏色的色差結果如圖5～圖9所示。

圖5 3 000 K LED背景光源下色差隨可見度的變化Fig.5 The relationship between relative visibility and color difference under 3 000 K LED

圖6 4 600 K LED背景光源下色差隨可見度的變化Fig.6 The relationship between relative visibility and color difference under 4 600 K LED

圖7 6 300 K LED背景光源下色差隨可見度的變化Fig.7 The relationship between relative visibility and color difference under 6 300 K LED

圖8 6 500 K LED背景光源下色差隨可見度的變化Fig.8 The relationship between relative visibility and color difference under 6 500 K LED

圖9 白熾燈背景光源下色差隨可見度的變化Fig.9 The relationship between relative visibility and color difference under incandescent lamp

從圖5～圖9中可以看出一些共性：在霧濃度較高、相對可見度較低(小于50%)的情況下，所有背景照明光源的色差都比較大；各個顏色樣品之間，紅色樣品色差普遍相對較大，而藍色樣品色差普遍較小(除4 600 K LED外)。在可見度50%～70%的范圍內，出現了很多色差數值突然變小的情況。在可見度超過70%時，與可見度低于50%的情況相比較，色差數值普遍維持在一個較低的水平。

相對可見度較低時(小于50%)，不同的背景照明光源的表現各不相同，考察各個顏色樣品之間的以及最大色差范圍，如下：

1)3 000 K LED條件下，色差大小關系有ΔE紅>ΔE綠>ΔE藍>ΔE黃，最大色差范圍為2.2～11.3；

2)4 600 K LED條件下，色差大小關系有ΔE藍>ΔE紅>ΔE黃>ΔE綠，最大色差范圍為15.6～73.8；

3)6 300 K LED條件下，色差大小關系有ΔE紅>ΔE黃>ΔE藍～ΔE綠，最大色差范圍為7.4～99.8；

4)6 500 K LED條件下，色差大小關系有ΔE紅>ΔE黃>ΔE綠>ΔE藍，最大色差范圍為7.5～106.2；

5)白熾燈條件下，色差大小關系有ΔE紅>ΔE綠>ΔE藍>ΔE黃，最大色差范圍為1.4～30.9。

從上述現象中可以得出，隨著光源色溫逐漸變小，最大色差范圍的上限數值也在逐漸減小。其原因主要歸結為光源的光譜功率分布，光譜中各個波長的比例改變導致了色溫的變化，也導致了顏色樣品之間色差的大小關系變化。光譜中紅黃光譜功率比例的增加以及藍綠光譜功率比例的減少，使得色溫降低；之前的研究表明黃光的透霧能力最強，這可能是色差減小的一種解釋。

另外，各個顏色波長的特性也各不相同。在色溫逐漸變小的過程中，紅色樣品色差一直維持在較高水平；藍色和綠色樣品的色差大多數情況下數值偏小，但存在例外；黃色樣品與其他樣品的色差大小關系有明顯的改變，從較大的一方逐漸變為較小的一方。

2.2 不同霧濃度下不同背景光源對顏色偏差的影響

同一顏色在不同霧濃度下受不同光源的影響的實驗結果如圖10～圖13所示。

圖10 不同背景光源下藍色色差隨可見度的變化Fig.10 The relationship between relative visibility and color difference of blue sample

圖11 不同背景光源下綠色色差隨可見度的變化Fig.11 The relationship between relative visibility and color difference of green sample

圖12 不同背景光源下黃色色差隨可見度的變化Fig.12 The relationship between relative visibility and color difference of yellow sample

圖13 不同背景光源下紅色色差隨可見度的變化Fig.13 The relationship between relative visibility and color difference of red sample

圖10～圖13能反映出前文中相似的現象，如相對可見度小于50%的情況下，顏色樣品的色差都比較大；在可見度50%～70%的范圍內，出現了很多色差數值突然變小的情況；可見度超過70%時，與可見度低于50%的情況相比較，色差數值普遍較低。

相對可見度小于50%時，不同顏色樣品的色差變化各不相同，考察各個光源之間色差大小關系以及最大色差范圍，如下：

1)藍色樣品，色差大小關系有ΔELED(4 600 K)>ΔELED (6 300 K)>ΔELED(6 500 K)>ΔE白熾燈>ΔELED (3 000 K)，最大色差范圍為5.4～73.8；

2)綠色樣品，色差大小關系有ΔE白熾燈>ΔELED(6 500 K)>ΔELED(6 300 K)>ΔELED(4 600 K)>ΔELED(3 000 K)，最大色差范圍為5.5～18.4；

3)黃色樣品，色差大小關系有ΔELED(6 500 K)>ΔELED(6 300 K)>ΔELED(4 600 K)>ΔELED(3 000 K)>ΔE白熾燈，最大色差范圍為2.2～74.4；

4)紅色樣品，色差大小關系有ΔELED(6 500 K)>ΔELED(6 300 K)>ΔELED(4 600 K)>ΔE白熾燈>ΔELED(3 000 K)，最大色差范圍為10.4～106.2。

其中，綠色樣品的最大色差范圍的上限值比其他顏色樣品小得多。這一原因可能歸結于人眼視覺的光譜響應。1924年國際照明委員會(CIE)會議定義人眼對光平均響應值，以此得到了光譜光視效率曲線，見圖14。從該曲線中可以得知，人眼對綠光(500～560 nm)反應最敏感，對紫光和紅光則反應較弱。因此綠色色差比其他三種顏色樣品色差都小，黃色和藍色樣品最大色差范圍上限相近，而紅色樣品的最大色差在四個顏色樣品中最大。

圖14 光譜光視效率曲線Fig.14 The spectral luminous efficiency curve

最后，將各個背景照明光源的表現進行比較，可以發現：低色溫的白熾燈和LED(3 000 K)在四個顏色樣品中的色差普遍比另外三種色溫的光源要低。在黃色和紅色樣品的實驗中，不同背景光源的色差大小關系具有共性即ΔELED(6 500 K)>ΔELED(6 300 K)>ΔELED(4 600 K)>ΔE白熾燈/ΔELED(3 000 K)；而在綠色和藍色樣品條件下并沒有這一共性，甚至難以比較互相之間的色差大小關系，且藍色樣品LED(4 600 K)的表現和其他四種光源相差較大。所以在霧環境中，適合選用較低色溫的照明光源。

3 結論

通過人工模擬霧環境，利用經過V(λ)校正的彩色亮度計模擬人眼觀察標準色卡，我們探究了在不同背景照明光源條件下，紅黃藍綠四種標準顏色樣品的色度識別和色差關系。由實驗結果我們可以初步得出以下結論：

1)不同色溫光源的色度識別表現不同，實驗中白熾燈和LED(3 000 K)在霧環境中的色差比其他三種光源要低，色溫低的光源產生的色差較小。

2)不同顏色樣品的色差也不同，紅色樣品在霧環境中的色差最大范圍上限值最大，黃色和藍色樣品次之，綠色樣品最小；且綠色樣品受霧和光源變化的影響最小，即綠色物體在霧環境下最容易被識別。

實驗結論或可推廣至交通領域。現在道路照明普遍使用的光源以及汽車照明所使用的透霧燈都是黃光光源，如果以本文結論作為參考，使用低色溫白光照射綠色物體能提高觀察者的色度識別能力，或許能降低大霧天氣下的交通事故發生的概率。不僅如此，本文結果對于大霧中物體輪廓的識別也有一定的幫助，可以進一步提高交通出行的安全性。

[1] 張紹綱.室外照明[J].照明工程學報，1988，1(1)：24-28.

[2] KURNIAWAN B A, NAKASHIMA Y, TAKAMATSU M. Analysis of visual perception of light emitting diode brightness in dense fog with various droplet sizes[J]. Optical Review, 2008, 15(3): 166-172.

[3] 關雪峰.中間視覺條件下電光源在介質中的視覺可見度與穿透力實驗研究[D].深圳：深圳大學，2011.

[4] 劉浩學. CIE均勻顏色空間與色差公式的應用[J].北京印刷學院學報,2003,11(3):3-8.