不同色溫標準光源下正常色覺者顏色辨別能力的研究

馬瑞青，高 強，李雪田

(太原理工大學 信息與計算機學院，太原 030024)

顏色辨別能力的測試十分重要，大多數(shù)行業(yè)都會定期進行。顏色辨別能力的測試工具很多，如俞自萍色盲檢查圖、石原色覺檢查表、標準色覺檢查表、Farnsworth D-15測驗、FM-100測驗和劍橋色覺測驗等[1]。色盲檢查圖、色覺檢查表和Farnsworth D-15測驗的主要作用是區(qū)分正常色覺者和異常色覺者，而不能檢測正常色覺者的顏色辨別能力高低。劍橋色覺測驗可以檢測正常色覺者的顏色辨別能力，但操作比較復雜，主要用于科學研究中，不適合日常測驗。FM-100測驗操作簡便，用時較短，測驗結(jié)果準確性高。影響FM-100測驗結(jié)果的因素有很多，可分為觀察者自身的因素和外界觀察條件。觀察者自身的因素主要包括先天性遺傳基因?qū)е碌纳X異常[1]、年齡[2-3]和身體疾病如甲狀腺功能減退[4]等導致的后天顏色辨別能力的下降；而外界觀察條件中一個明顯的影響因素就是光源。

FM-100測驗經(jīng)常在標準照明體C下進行，標準照明體C是由國際照明委員會CIE規(guī)定的，代表相關色溫約為6 774 K的平均日光。周開晶[5]研究了D65、CWF(色溫為4 150 K)、U30(色溫為3 000 K)和A(色溫為2 856 K)光源下正常色覺觀察者的FM-100測驗表現(xiàn)，結(jié)果表明在光源的色溫小于6 500 K時，色溫與顏色辨別力呈現(xiàn)正相關關系。劉穎等[6]通過FM-100測驗比較了智能LED生成的色溫為3 000 K和5 500 K的光源下正常色覺觀察者的顏色辨別能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)5 500 K光源下的顏色辨別能力遠好于3 000 K光源。王琪等[7]在色溫分別為2 500 K、3 500 K、4 500 K、5 500 K和6 500 K的LED光源下對正常色覺觀察者進行了FM-100測驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)光源的色溫為5 500 K時觀察者的顏色辨別能力最好，從5 500 K變化到2 500 K時顏色辨別能力逐漸下降。

本文比較了20名正常色覺觀察者在D65(色溫為6 500 K)、TL84(色溫為4 200 K)和F(色溫為2 700 K)光源下的FM-100測驗結(jié)果，并從紅-綠軸和藍-黃軸的角度分析了觀察者紅-綠和藍-黃顏色辨別能力受光源的影響情況。

1 研究方法

1.1 實驗裝置

實驗在暗室中尺寸為710 mm×540 mm×625 mm(長×寬×高)的標準多光源箱中進行，如圖1(a)所示。光源位于箱子頂部，箱子內(nèi)部的灰度環(huán)境對應孟塞爾 N7/色卡的灰色。

實驗中所用的FM-100色相棋由分裝在4個棋盤盒里的85個色棋組成，如圖1(b)所示。每個棋盤盒兩端的色棋是固定不可移動的。棋盒1包含的色棋號為85和1-21，共22個色棋，色棋顏色由紅色漸變?yōu)辄S色；棋盒2包含的色棋號為22-42，共21個色棋，色棋顏色由黃色漸變?yōu)榫G色；棋盒3包含的色棋號為43-63，共21個色棋，色棋顏色由綠色漸變?yōu)樽仙黄搴?包含的色棋號為64-84，共21個色棋，色棋顏色由紫色漸變?yōu)榧t色。觀察者可通過比較相鄰色棋間的細微顏色差異進行排序。

1.2 觀察者

參加實驗的觀察者為20人，包括7名女性和13名男性，年齡在21到23歲之間，均為太原理工大學本科生。年齡對FM-100測驗的結(jié)果會產(chǎn)生顯著性的影響[2-3]，本次實驗中所有觀察者均處于顏色辨別能力最好的年齡段[2]。觀察者均沒有從事過印刷或其他對顏色辨別能力有較高要求的職業(yè)。所有觀察者在實驗前簽署了實驗同意書，且經(jīng)色盲檢查圖(俞自萍版)和Farnsworth D-15色覺測驗證實為正常色覺者。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental apparatus

1.3 光源和色相棋

FM-100測驗分別在日光D65、商店TL84和居家F光源下進行。D65光源由兩個Philips MASTER TL-D 90 Graphica 36W/965日光燈管產(chǎn)生。F光源由兩個NH 40W的燈泡產(chǎn)生。TL84光源由兩個Philips TLD 18W/840日光燈管產(chǎn)生。3種光源的輻射光譜由光譜輻射度計(PR-655，Photo Research)從孟塞爾半光澤白色色卡上測量得到。表1所示為測量得到的3種光源的色溫和CIE1976u′v′色度值，亮度值為該光源照射下白色色卡上的亮度值。圖2所示為3種光源的相對光譜分布。

FM-100色相棋中的85個色相棋的光譜反射率通過光譜輻射度計(PR-655)在它的Reflectance模式下測量得到。圖3所示為85個色相棋在3種光源下的CIE1976u′v′色度坐標。計算色度坐標時采用CIE1931標準顏色匹配函數(shù)，波長的取樣間隔為4 nm，波長范圍為從380 nm到780 nm.從圖3中可看出，從D65光源變化到F光源，色相棋的色度值發(fā)生了較大變化，從D65光源變化到TL84光源所引起的色相棋的色度值變化比F光源小。

表1 光源的色溫和色度值Table 1 Correlated color temperatures and CIE1976 u′v′coordinates of all illuminants

圖2 光源的相對光譜分布Fig.2 Relative spectral power distributions of all illuminants

圖3 三種光源下85個色相棋的CIE1976 u′v′色度坐標Fig.3 CIE1976 u′v′coordinates of 85 caps in FM-100 Hue test under three illuminants

1.4 實驗過程

正式開始實驗前，觀察者首先對光源進行2～3 min的適應。實驗人員將每盒棋盤中可移動色棋的順序打亂遞給觀察者。觀察者的任務是將位于左右兩端固定的兩個色棋中間的所有色棋按照顏色漸變的順序排序。實驗前告訴觀察者每個棋盤的排序盡量在2 min內(nèi)完成，但還要注意排序的準確性。每位觀察者在同一天內(nèi)只可進行一個光源下的FM-100測驗，三個光源的測驗總共分3 d完成。

1.5 數(shù)據(jù)分析

本文計算了FM-100測驗結(jié)果對應的總錯誤分(Total Error Score，TES)、各棋盤的部分錯誤分(Partial Error Score，PES)，以及紅-綠和藍-黃軸上的部分錯誤分。總錯誤分是四個棋盤所有錯誤分的總和，用來表示顏色辨別能力高低，錯誤分越高，顏色辨別能力越低。總錯誤分被沿著紅-綠和藍-黃軸劃分[8]為部分錯誤分。紅-綠軸上的部分錯誤分為色相棋13-33和55-75上的錯誤分總和。藍-黃軸上的部分錯誤分為色相棋1-12，34-54和76-85上的錯誤分總和。紅-綠和藍-黃軸上的部分錯誤分可表示觀察者的紅-綠和藍-黃顏色辨別能力的高低。由于在給定年齡段的觀察者中總錯誤分服從偏態(tài)分布，而它的平方根基本服從正態(tài)分布[3，9]，所以本文使用總錯誤分和部分錯誤分的平方根進行數(shù)據(jù)分析。

2 實驗結(jié)果

2.1 不同光源下各色相棋上的錯誤分比較

圖4是某一觀察者在三種光源下的FM-100測驗結(jié)果在其極坐標圖中的表示。從圖中可以看出，F(xiàn)光源下的排序錯誤明顯增加。其他觀察者的測驗結(jié)果在光源之間的區(qū)別與此類似。圖5所示為各色相棋上20名觀察者錯誤分和的平方根。D65光源下色相棋40-60對應的錯誤分最高；TL84光源下色相棋25-37對應的錯誤分最高；F光源下色相棋16-25、57和67-76對應的錯誤分最低，其它色相棋上的錯誤分均較高。

2.2 不同光源下的總錯誤分比較

圖6所示為D65、TL84和F光源下20名觀察者上平均的總錯誤分平方根，誤差線表示均值的標準誤差。由圖可看出，TL84光源和D65光源之間的總錯誤分平方根相差不大，而F光源下的總錯誤分平方根明顯大于前兩種光源。以光源(D65、F和TL84光源)為因素的單因素方差分析表明，光源對總錯誤分平方根具有顯著性的影響(F(2，57)=7.067，P=0.002).通過Bonferroni校正的多重比較得知，F(xiàn)光源下的總錯誤分平方根顯著性地大于D65和TL84光源下的總錯誤分平方根，如表2所示。以上結(jié)果表明，與D65和TL84光源相比，F(xiàn)光源下觀察者的顏色辨別能力明顯下降。

圖4 某一觀察者在D65(a)、TL84(b)和F(c)光源下的FM-100測驗結(jié)果Fig.4 FM-100 test results under D65, TL84, and F illuminants for one observer

圖5 三種光源下20名觀察者在各色相棋上的錯誤分和的平方根Fig.5 Square root of the sum of error scores of 20 observers on each cap under three illuminants

圖6 三種光源下的總錯誤分平方根 Fig.6 Square root of TESs under three illuminants

表2 使用Bonferroni校正的多重比較(顯著水平：0.05)Table 2 Multiple comparisons using Bonferroni correction (Significance level：0.05)

2.3 不同光源下紅-綠和藍-黃軸上的部分錯誤分比較

圖7所示為三種光源下20名觀察者上平均的紅-綠和藍-黃軸上部分錯誤分的平方根。D65光源下藍-黃軸上的部分錯誤分平方根稍大于紅-綠軸，而TL84光源下正好相反。總體來說，紅-綠和藍-黃軸上的部分錯誤分平方根在D65和TL84光源之間相差不大。與以上兩種光源相比，F(xiàn)光源下紅-綠和藍-黃軸上的部分錯誤分平方根都有所增加，尤其是藍-黃軸上的值增加較多，說明F光源下觀察者的藍-黃顏色辨別能力大幅下降。以光源(D65、F和TL84光源)和軸類型(紅-綠軸和藍-黃軸)為因素的雙因素方差分析表明，光源與軸類型具有顯著性的交互效應(F(2，114)=3.410，P=0.036)，見表3.

圖7 三種光源下紅-綠和藍-黃軸上的部分錯誤分平方根Fig.7 Square root of PES along red-green axis and blue-yellow axis under three illuminants

表3 以光源和軸類型為因素的雙因素方差分析結(jié)果Table 3 Results of a two-way ANOVA analysis with the illuminant and axis as the factors

為了更清楚地說明結(jié)果，計算了三種光源下各觀察者的紅-綠和藍-黃軸部分錯誤分平方根的差，即藍-黃軸上的部分錯誤分平方根減去紅-綠軸上的部分錯誤分平方根，計算結(jié)果如圖8所示。圖中，D65和TL84光源下，數(shù)據(jù)點分布在值為0的線的兩端，說明觀察者排序時在紅-綠和藍-黃軸上出錯的次數(shù)差不多。F光源下，數(shù)據(jù)點基本分布在值為0的線的上面，說明觀察者排序時在藍-黃軸上出錯更多。

圖8 三種光源下各觀察者在紅-綠和藍-黃軸上部分錯誤分平方根的差Fig.8 Difference of the square root of PES along red-green and blue-yellow axes under three illuminants

2.4 不同光源下四個棋盒的部分錯誤分比較

圖9所示為D65、F和TL84光源下20名觀察者上平均的各棋盒部分錯誤分的平方根。由圖中可看出，棋盒1和棋盒4的部分錯誤分平方根在D65和TL84光源之間幾乎相同，棋盒2的部分錯誤分平方根在TL84光源下比在D65光源下大，而棋盒3的部分錯誤分平方根在D65光源下比在TL84光源下大。與D65和TL84光源相比，F(xiàn)光源下棋盒1、2、3和4的部分錯誤分平方根均有所增加，其中，與D65光源相比棋盒1和2的值增加較多，與TL84光源相比棋盒1和3的值增加較多。以光源(D65、F和TL84光源)和棋盒(棋盒1、2、3和4)為因素的雙因素方差分析表明，光源與棋盒具有顯著性的交互效應(F(6，228)=3.108，P=0.006)，如表4所示。

圖9 三種光源下四個棋盒的部分錯誤分平方根Fig.9 Square root of PES for four boxes under three illuminants

表4 以光源和棋盒為因素的雙因素方差分析結(jié)果Table 4 Results of a two-way ANOVA analysis with the illuminant and box as the factors

3 分析與討論

本文和文獻[5-7]中的觀察者均為年齡在20～30之間的學生，年齡對FM-100測驗結(jié)果的影響基本可以忽略，因此可以將幾項研究的結(jié)果結(jié)合起來進行比較。本文在D65、TL84(色溫為4 200 K)和F光源(色溫為2 700 K)下獲得的FM-100測驗總錯誤分分別為21.6、22.6和47.8(用紅色標記標出)。文獻[6]在智能LED生成的色溫為3 000 K和5 500 K的光源下獲得的FM-100測驗總錯誤分分別大約為42和18(文獻[6]圖3中橫軸為0時對應的值)。文獻[5]在D65、CWF(色溫為4 150 K)、U30(色溫為3 000 K)以及A(色溫為2 856 K)光源下獲得FM-100測驗總錯誤分分別為26、30.7、59和45.6(根據(jù)文獻[5]中的表5計算獲得)。文獻[7]在色溫分別為2 500 K、3 500 K、4 500 K、5 500 K和6 500 K的LED光源下獲得的總錯誤分依次分別大約為41、39、42、62和102(從文獻[7]圖4中觀察得到)。

結(jié)合分析本文三種光源下的總錯誤分與以上三項研究[5-7]獲得的總錯誤分后得出光源色溫與總錯誤分的關系，如圖10所示。圖中數(shù)據(jù)點的值為以上所有研究中進行過該色溫光源處FM-100測驗的研究所得出的總錯誤分。如果存在兩項以上的研究進行了某一色溫光源下的FM-100測驗，則圖中數(shù)據(jù)點的值為這幾項研究結(jié)果的平均值，但色溫為3 000 K時對應的值是個特例，圖中數(shù)據(jù)點是文獻[6]中的數(shù)據(jù)，文獻[5]在該處獲得的總錯誤分較高，將其以綠色三角形標記單獨列出。值得注意的是，文獻[7]在色溫為6 500 K的光源下獲得的總錯誤分是本文D65光源下的2倍，在色溫為5 500 K的光源下獲得的總錯誤分是文獻[6]中該光源下總錯誤分的2倍，說明文獻[7]中反映出的觀察者的顏色辨別能力與其它研究結(jié)果相比顯著下降。這可能是由于文獻[7]中采用的是LED光源，LED光源與傳統(tǒng)光源相比通常顯色性較低。在繪制圖10中的數(shù)據(jù)點時，文獻[7]中各光源下的總錯誤分被全部除以2以后才參與計算。

從圖10中可看出，當光源色溫在4 200 K到6 500 K范圍內(nèi)時，總錯誤分基本維持在20左右，在這個范圍內(nèi)進行FM-100色相棋測驗是最合適的。當色溫從3 500 K逐漸變化到2 500 K時，總錯誤分從30逐漸增加到50附近，說明從大約3 500 K色溫處開始一直到2 500 K，F(xiàn)M-100色相棋測驗的總錯誤分開始有明顯增加，觀察者的顏色辨別能力顯著下降，因此這些光源不適合作為FM-100色相棋測驗的光源。

圖10 FM-100測驗的總錯誤分與光源色溫之間的關系Fig.10 TES of FM-100 test as a function of correlated color temperature of illuminant

4 結(jié)束語

本文通過FM-100色相棋測驗研究了20名正常色覺觀察者在D65、TL84和F光源下的顏色辨別能力。實驗結(jié)果表明，觀察者在日光D65光源下顏色辨別能力最好，商店TL84光源下的顏色辨別能力也較好，而在居家F光源下的顏色辨別能力，尤其是藍-黃顏色辨別能力有所減弱。在通過FM-100色相棋檢測正常色覺者的顏色辨別能力時，不推薦使用F光源。本文的研究結(jié)果可為FM-100色相棋測驗中光源色溫的選擇提供參考依據(jù)。