虛擬現實顯示技術的色彩研究

萬麗芳 杜微

摘要：虛擬現實顯示技術將成為5G時代最耀眼的革命技術，隨著虛擬現實顯示技術的廣泛應用，人們對其色彩性能的需求也逐漸擴大。本文介紹虛擬現實顯示的數字顏色管理技術的方法，主要包括數字色彩標準化和畫質調節兩部分。虛擬現實顯示設備的色彩標準化需要對色溫、三基色色度亮度和伽馬曲線按照通用色彩標準進行標定，以實現不同設備之間色彩的統一，同時，由于虛擬現實顯示技術容易受到環境光線影響的特殊性，加入環境光的顏色恒常調節功能，使得虛擬現實顯示設備在環境光改變的時候也可以保持顏色感知的恒常穩定性。在完成虛擬現實顯示設備的數字色彩標準化的基礎上，可以進行畫質調節，以改善畫面顯示效果，提升色彩表現能力，提升虛擬現實顯示性能，進一步推動虛擬現實技術的普及。

關鍵詞：虛擬現實;數字顏色管理;色彩標準化;畫質

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2021）13-00-03

視覺信息是人類感知客觀世界最重要的部分，而人類識別物體的特征絕大部分取決于色彩信息。在以人工智能、5G通信、大數據、物聯網為核心的信息技術飛速發展的今天，數字化顏色管理技術逐漸專業化和標準化，對顯示技術的市場推廣起著舉足輕重的作用。虛擬現實顯示技術通過多角度觀看等沉浸式可交互的模式，提供了更具有真實感的體驗，而光影和色彩決定了顯示畫面的視覺表現和情感傳達，因此數字顏色管理成為虛擬現實顯示改善畫面光影效果和色彩表現的重要技術。虛擬現實技術將會逐漸融入普通人的生活，美國臉書公司舉辦每年一度的虛擬現實大會，昭示著新的顯示時代即將到來。隨著虛擬現實技術的發展，很多新興的虛擬體驗模式如雨后春筍般出現，如虛擬時尚，包括虛擬穿戴，比如《世界時裝之苑》的雜志模特在虛擬情景下穿上了一身絢麗的數字虛擬長袍（如圖1所示）;再比如油管公司推出虛擬試妝，消費者可以在網上虛擬試驗不同唇膏的顏色。此外，還有虛擬各種旅游場景，如虛擬博物館、虛擬畫廊，這些虛擬顯示內容對于虛擬現實眼鏡的色彩顯示技術提出了更高的要求，體驗者會關心其色彩能否還原真實的世界。因此，改善虛擬現實技術的色彩和畫質效果就成了一種必要，只有擁有了逼真的色彩顯示效果和高品質畫質，虛擬現實顯示技術才能成為眾多體驗者的首選。

1 虛擬現實眼鏡的數字顏色管理技術方案概述

虛擬現實眼鏡的數字顏色管理方法，總體上可以分成兩部分。第一部分是數字色彩標準化，目的是使顯示設備真實再現顏色世界，使其符合國際色彩顯示標準。第二部分是畫質調節，改善畫面的質量，比較常見的是色彩增強，即按照用戶的特殊需求，對顯示色彩進行增強畫面對比或飽和度的調節，另外還包括調整圖像細節、明暗的層次等。

關于色彩產業標準化技術，目前應用最廣泛的是通用色彩標準，這是微軟公司和愛普生公司、三菱公司合作開發的行業標準，代表標準的紅、綠、藍，即液晶顯示器、投影機、打印機以及其他設備中色彩再現所使用的三基色。由于顯示設備的顯色差異性，不同的顯示設備可能無法正確地再現色彩，通用色彩標準就是為了建立一個可以滿足計算機和輸出設備需求的色彩管理標準，使得輸出設備可以正確地表現出圖像中的顏色信息。通過通用色彩標準技術，用戶可以在各種顯示設備上得到統一的色彩。由于顯示技術的飛速發展和不斷的更新換代，最初的通用色彩標準已不能再滿足廣色域的顯示設備的要求，因此出現了更大的色域顯示標準，比如最新制定的標準是基于國際電信聯盟無線電通信部門制定的超高清電視的色彩標準，超高清電視分辨率為4K和8K的數字視頻格式，其色域范圍大大超出了早期的通用色彩標準。雖然如此，虛擬現實眼鏡技術由于還在使用傳統的低色域的照明光源，因此其色域仍然比較接近于低色域的通用色彩標準。

2 虛擬現實眼鏡的色彩影響要素

影響虛擬現實眼鏡色彩的主要有三個顯示參數：第一，虛擬現實眼鏡顯示白畫面的色溫;第二，顯示紅綠藍三基色畫面的色度和亮度;第三，紅綠藍三通道亮度灰階曲線的伽馬曲線。下面具體解釋標定參量色溫和伽馬對顯示效果的影響。

2.1 色溫對色彩顯示的影響

色溫是表示光源光色的尺度，單位為K（開爾文），在顯示、攝影、電影、出版等領域應用廣泛且作用很大。光源的色溫是通過對比其熱黑體輻射體確定的。熱黑體輻射體與光源的色彩相匹配時的開爾文溫度就是該光源的色溫，它和普朗克黑體輻射定律有關。圖2為色溫的日光軌跡圖，國際顯示標準色溫在6500K，即中午12點時的日光光照。從曲線上可以看出色溫低時顏色是偏紅偏暖的，色溫高時顏色是偏藍偏冷的。顯示設備的色溫是由其顯示白色畫面時的色度決定的，即我們通常所講的白點值。圖3的劇照分別選自幾部不同的電影，上層的劇照選自電影《濃情巧克力》和《天使愛美麗》，表現的色溫整體是偏低、偏紅、偏暖的，給人的感覺也是溫馨舒適的，下層的劇照選自電影《荒野獵人》和《僵尸新娘》，表現的色溫整體是偏高、偏藍、偏冷的，給人的感覺則是寒冷荒涼的，可以看出色溫對傳達情感起著至關重要的作用。顯示設備的色溫不準確，就會造成顏色的錯誤表達。目前的虛擬現實眼鏡仍然符合色彩通用標準，所以我們需要將白畫面（紅、綠、藍三個通道灰階均為255）色溫調節至值為6500K。

2.2 伽馬曲線對色彩顯示的影響

虛擬現實眼鏡的顯示通常由紅綠藍三個通道組成，每個通道都對應有亮度灰階曲線（8位為從0到255灰階），灰階與對應的亮度并不是簡單的線性關系，而是冪函數關系，即我們所說的伽馬曲線。

圖4是伽馬值對人物畫面的影響效果，藍色虛線代表標準的伽馬曲線，左圖人像伽馬值偏低（黑色曲線），人物畫面的亮度偏高，高光部分被拓展，暗調部分被壓縮;右圖人像伽馬值偏高，人物畫面的亮度偏低，暗調部分被拓展，高光部分被壓縮;中間人像圖的伽馬值為標準值2.2。可以看出當伽馬偏離標準時，會使畫面損失一些細節，在對比度和亮度表現上也會缺乏層次感。圖5是伽馬曲線形狀對人物畫面的影響效果，左圖人像為伽馬曲線變化為S形時，暗調部分和高光部分被壓縮;右圖人像為伽馬值偏高時，畫面暗調部分被拓展，高光部分被壓縮。

由圖4和圖5可以看出亮度灰階曲線的伽馬值對畫面顯示有較大的影響，改變伽馬曲線會改變畫面明暗的層次感，產生不一樣的效果。不同的標準對伽馬的定義不同，按照sRGB標準可將伽馬值調制為2.2，其他的顯示標準對應著不同的伽馬取值。

3 虛擬現實眼鏡數字色彩標定方法

色彩標準化[1-2]主要需要控制三個要素。第一，標準的白點色溫。由顯示白色畫面的色度坐標決定，對應的國際照明委員會標準色度坐標值為（0.3127，0.3290）。第二，顯示紅綠藍三基色畫面的色度亮度。通用色彩標準的紅色色度坐標為（0.64，0.33），綠色為（0.3，0.6），藍色為（0.15，0.06）。第三，紅綠藍三通道亮度灰階曲線的伽馬曲線（通用色彩標準的伽馬值為2.2）。把這三項控制在標準范圍內，顯示出的效果就可以符合相應的通用色彩標準。不同的顯示標準對這三要素在數值上有不同的定義。對色溫，三基色和伽馬的調節可以集成在數字顏色芯片中完成，主要過程是將實際測試的白點色溫、三基色色度和伽馬值轉變成為標準值[3-4]。需要測色設備先對畫面的白點、紅綠藍三基色和三通道的伽馬曲線做自動化測量，采樣測試紅綠藍三通道的亮度灰階伽馬曲線數據，即采樣測試紅綠藍數據立方體，并將測試結果輸入調色系統軟件，通過查找表法、插值法輸出能實現標準效果的紅綠藍三基色色度值、白點色溫值和紅綠藍亮度灰階曲線。然后，重建紅綠藍三通道的伽馬曲線，再將重建的數據寫入數字顏色管理系統的標準控制文件中，最終輸出顯示信號控制畫面顯示。在實驗中對虛擬現實眼鏡的標定設備采用美國瑞淀公司的虛擬現實測色設備配備專業鏡頭，經過上述方法，色彩標定結果可以將顯示顏色與國際顯示標準相比較，色度坐標的色差均控制在5%之內。

4 虛擬現實眼鏡色彩顯示的特殊性

虛擬現實眼鏡的色彩效果會受到很多因素的影響，包括虛擬現實眼鏡內部光學器件的和外部環境的影響。內部的光學器件，如反射式硅基液晶、光源、彩膜、偏光片、透鏡玻璃和鍍膜，它們對不同色光的吸收和透過率都有所不同，因此需要控制光學元件顏色亮度的顯示性能，在選取這些光學元件時，需要考慮細化其光學色彩的參數，只有經過科學的優化和匹配，才可以得到相對較大的顯示色域范圍。

虛擬現實眼鏡的色彩顯示與常規的顯示設備還有明顯的特殊性，由于虛擬現實眼鏡顯示圖像與觀看者所處的背景是相互融合的，觀察者所處的光源環境對顯示效果會有影響。改變環境光的顏色和亮度之后，如果想保持觀看者對畫面顏色效果觀賞時顏色的恒常性，就需要根據環境光重新調節虛擬現實眼鏡的色溫，保持色溫（白點）的平衡，因此可以加入實時監測環境光的色度和亮度的功能，將檢測結果反饋到顏色管理模塊上，重新將虛擬現實眼鏡的色溫和顏色調節到標準白光的D65狀態。在非暗室條件下長時間觀看虛擬現實眼鏡的電影或視頻，需減少來自背景環境光的影響，可以通過提升畫面對比度，也可以通過調節亮度灰階伽馬值實現。

5 虛擬現實眼鏡畫質調節技術

畫質提升技術是在色彩標定技術基礎上進行的調整[5]。畫質調節比較常見的有色彩增強技術，可以通過將色彩增強的算法集成在數字顏色管理系統中實現。例如，很多手機品牌為了迎合消費者的需要，在拍照軟件上經常設置有色彩增強的功能，所拍的照片會有高飽和度、高對比度的絢麗多彩的效果。虛擬現實顯示技術的色彩增強也可以應用于特殊的領域，比如醫學、工業、軍事，可以起到突出目標顯示識別的作用。比如在醫學臨床手術中應用時，可以通過色彩增強的方式，突出血管或神經的位置，幫助醫生更好地實現精準定位。畫質調節會涉及有很多關于顯示畫面細節的考慮因素，比如顯示畫面中的暗部細節、亮部細節、陰影的層次感、輪廓和紋理、對比度、銳度、噪聲，這些畫質參數都需要配合數字顏色管理系統進行調節，以達到對顯示圖像的完美呈現。另外，虛擬現實眼鏡還存在著不均勻性、光學畸變、色偏等由于光學設計產生的問題，消除這些光學上帶來的影響，也都可以從畫質調節和圖像算法上調節實現。比如畫面均勻性差時，可以在畫面顯示之前在原圖像上加權一組矯正均勻性的數組，不僅可以調節亮度均勻性，還可以調節色度均勻性，這樣可以完美解決虛擬現實眼鏡光波導的亮度不均勻和色散的問題。

6 結語

虛擬現實技術是充分發揮創造力的科學技術，將為人類提供強有力的智能擴展保障，對人類社會也將產生巨大且深遠的影響。隨著5G時代的來臨，虛擬現實的虛擬技術會在游戲、影視、教育、房地產、旅游、汽車、電商、廣告、醫療等行業全面發展，將會深得人們的喜愛，色彩表現能力作為虛擬現實技術普及的一個關鍵的參數也會逐漸提升。虛擬現實設備的色彩標準化基于過去常規采用的數字顏色管理方法，除了需要對色溫、三基色色度亮度和伽馬曲線按照顯示標準進行標定之外，還要考慮其新的顯示特性，如考慮增強現實顯示畫面會與背景環境光融合的顯示特點，需加入環境光的顏色恒常調節功能，使人在改變環境光時也可以保持顏色感知的穩定，還可加入畫質調節，以改善虛擬畫面顯示效果。2020年新冠肺炎疫情在全球范圍內暴發，人類的社交和工作模式受到了前所未有的挑戰，而虛擬現實作為新生代技術，能全方位改變人類的生活方式，人們可以利用虛擬現實技術隨心所欲地創造出各種虛擬的空間和情景，打破現實世界空間和時間的束縛，滿足未來人類更多全新的需求。

參考文獻：

[1] 廖寧放.數字圖文圖像顏色管理系統概述[M].北京：北京理工大學出版社，2009：32-45.

[2] 胡威捷，湯順青，朱正芳.現代顏色技術原理及應用[M].北京：北京理工大學出版社，2007：172-205.

[3] 唐正寧，車永華.基于ICC標準的打印機色彩管理研究[J].包裝工程，2007，28（10）：132-133.

[4] 孫幫勇，周世生.彩色復制中顏色信息傳遞算法的研究進展[J].中國印刷與包裝研究，2011，3（01）：1-5.

[5] 鄭毅.增強現實技術導論[M].北京：國防工業出版社，2014：87-93.

作者簡介：萬麗芳（1981—），女，山西陽泉人，博士，講師，系本文通訊作者，研究方向：顏色心理學。

杜微（1981—），男，陜西西安人，博士，講師，研究方向：產品設計理論與方法。