基于LCD顯示器光譜特性的圖像顏色一致性研究

麻祥才， 王曉紅*， 朱 明， 張建青

(1. 上海理工大學(xué) 出版印刷與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200093; 2. 河南工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

基于LCD顯示器光譜特性的圖像顏色一致性研究

麻祥才1， 王曉紅1*， 朱 明2， 張建青1

(1. 上海理工大學(xué) 出版印刷與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200093; 2. 河南工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

為了解決環(huán)境光和顯示器色溫對(duì)LCD顯示器圖像顏色再現(xiàn)有較大影響的問(wèn)題，提出一種基于LCD顯示器光譜特性的圖像顏色一致性方法。通過(guò)測(cè)量在不同環(huán)境光和色溫下99個(gè)行業(yè)認(rèn)可顏色的光譜，總結(jié)出不同環(huán)境光和色溫對(duì)LCD顯示器圖像顏色再現(xiàn)的光譜規(guī)律。利用不同環(huán)境光下的光譜疊加性及不同色溫下的光譜對(duì)應(yīng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了不同環(huán)境光和色溫下的LCD顯示器圖像顏色一致性，一致性后的圖像平均主觀評(píng)價(jià)Z得分為0.50。研究結(jié)果表明，該方法能夠很好地解決不同環(huán)境光和色溫下的LCD顯示器圖像顏色的一致性問(wèn)題。

LCD顯示器； 環(huán)境光； 色溫； 光譜特性； 顏色一致性

1 引 言

近年來(lái)，LCD顯示器應(yīng)用越來(lái)越廣泛。研究表明，不同環(huán)境光和顯示器色溫對(duì)LCD顯示器顏色再現(xiàn)有較大影響[1-7]。在實(shí)際生活中，有些顯示器無(wú)法精確調(diào)節(jié)到工業(yè)上定義的5 000 K標(biāo)準(zhǔn)色溫。另外，由于條件限制，LCD顯示器的顏色在其他光源下也無(wú)法得到理想的顯示效果。為了解決不同環(huán)境光和色溫對(duì)顯示圖像的影響，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。目前的研究大多從色度角度進(jìn)行[8-10]，Tastl等將CIECAM02色貌模型應(yīng)用到ICC色彩管理系統(tǒng)中，并提出一種獨(dú)立空間三刺激值到CIECAM02值的轉(zhuǎn)換方法[8]。該方法可以減少外界環(huán)境和背景對(duì)圖像顏色在LCD顯示器以及跨媒體載體上再現(xiàn)的影響，但色貌模型計(jì)算較復(fù)雜，輸入?yún)?shù)多而且不易獲取和確定。Oleari等認(rèn)為在數(shù)字圖像采集過(guò)程中，采用D65光源產(chǎn)生的攝像機(jī)信號(hào)具有最佳色彩渲染效果，提出了一種基于美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)均勻色標(biāo)系統(tǒng)圖像顏色一致性的方法[9]。通過(guò)借助適應(yīng)光源的矩陣，使任何光源獲得的圖像三刺激值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)D65光源下的三刺激值。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)任何光源下拍攝的圖像可以轉(zhuǎn)化為同一場(chǎng)景D65光源下的顏色顯示效果，但仍存在模型精度不夠高等缺點(diǎn)。麻祥才等為了解決LCD顯示器不同色溫對(duì)人眼顏色感知有較大影響的問(wèn)題，提出了一種基于圖像顏色相同感知的LCD顯示器不同色溫下的圖像顏色一致性方法[10]。該方法可以實(shí)現(xiàn)LCD顯示器在不同色溫下的圖像顏色一致性，但基于色度角度而未從光譜角度考慮。

光譜是顏色的本質(zhì)，能最大程度保留顏色信息，被廣泛應(yīng)用到顏色科學(xué)領(lǐng)域[11-13]。本文提出一種基于LCD顯示器光譜特性的圖像顏色一致性方法，用光譜均方根誤差和色差評(píng)價(jià)不同環(huán)境光和色溫對(duì)LCD顯示器圖像顏色再現(xiàn)的影響，總結(jié)了LCD顯示器與環(huán)境光光譜和不同色溫光譜的關(guān)系；利用規(guī)律對(duì)不同環(huán)境光和色溫下的LCD顯示器圖像色彩進(jìn)行一致性還原。

2 不同環(huán)境光和色溫對(duì)LCD顯示器顏色再現(xiàn)的影響

2.1 色塊選取

本文選擇顯示器三通道驅(qū)動(dòng)值包含0，85，170，255等常用來(lái)做顯示器特性化的99個(gè)色塊作為測(cè)試色塊。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及測(cè)量環(huán)境

本文采用Eizo ColorEdge CG246W顯示器，LCD顯示器亮度為100 cd/m2。光譜數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x器使用柯尼卡美能達(dá)CS-2000，周?chē)h(huán)境為中性灰。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

分別測(cè)量顏色在暗室、D50光源、A光源、TL84光源和色溫為5 000，6 500，9 500 K下380～730 nm的光譜分布。光譜均方根誤差(RMSE)可以反映出不同條件下光譜分布的波動(dòng)大小，色差是顏色科學(xué)領(lǐng)域公認(rèn)的直接可靠評(píng)價(jià)顏色變化指標(biāo)[14]。計(jì)算不同環(huán)境光和色溫下顏色光譜的均方根誤差和光譜積分后的色差大小，結(jié)果如表1所示。

表1 不同環(huán)境光和色溫下的光譜均方根誤差和積分后色差

從表1中可以看出，LCD顯示器上顏色在不同環(huán)境光下與暗室相比最大色差超過(guò)10個(gè)色差單位。顏色在不同色溫下的色差較大、光譜波動(dòng)較大，表明LCD顯示器顏色再現(xiàn)受不同環(huán)境光和色溫影響較大。

3 不同環(huán)境光和色溫下LCD顯示器的光譜規(guī)律

3.1 不同環(huán)境光的光譜疊加性

環(huán)境光對(duì)LCD顯示器顏色再現(xiàn)有較大影響，總結(jié)環(huán)境光對(duì)顏色再現(xiàn)影響的規(guī)律，利用其規(guī)律可以實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境光下的顏色一致性還原。將所選顏色在不同環(huán)境光測(cè)量得到的光譜與屏幕反射環(huán)境光的光譜進(jìn)行差運(yùn)算，計(jì)算差運(yùn)算光譜和原始測(cè)量得到光譜的均方根誤差和色差，結(jié)果如表2所示。

表2 光譜均方根誤差和積分后色差

從表2中可以看出，不同環(huán)境光下的光譜分布穩(wěn)定、色差較小。圖1為隨機(jī)選取某一復(fù)色的光譜分布。其中，(a0)、(b0)、(c0)為顏色在不同光源下的光譜分布，(a1)、(b1)、(c1)為光源的光譜分布，(d)為測(cè)量得到和經(jīng)過(guò)規(guī)律差運(yùn)算得到的光譜分布。

實(shí)驗(yàn)證明，不同環(huán)境光下進(jìn)入人眼感受顏色的光譜量等于LCD顯示器自身發(fā)光光譜與反射不同環(huán)境光光譜量之和：

(1)

其中，S(λ)為不同環(huán)境光下進(jìn)入人眼的光譜量，D(λ)為L(zhǎng)CD顯示器暗室條件下自身發(fā)光光譜量；V(λ)為顯示器屏幕反射不同環(huán)境光進(jìn)入到人眼的光譜量；λ為光譜波長(zhǎng)，一般選取380～730 nm。

圖1 不同環(huán)境光下光譜疊加性

從本質(zhì)上說(shuō)，LCD顯示器和不同光源都可以看作發(fā)光體。根據(jù)色光加色法的理論[15]，一個(gè)復(fù)色光呈現(xiàn)的顏色是所有單色光共同作用的效果，由此也可以說(shuō)明LCD顯示器和不同光源光譜之間具有疊加性。

3.2 不同色溫下的光譜對(duì)應(yīng)關(guān)系

研究表明LCD顯示器各通道會(huì)受黑場(chǎng)的影響，測(cè)量得到的都是黑場(chǎng)作用之后的光譜，但LCD顯示器雙色或者三色的光譜等于對(duì)應(yīng)三原色光譜之和[16]：

(2)Dr,g,b(λ)=Dr(λ)+Dg(λ)+Db(λ)-2D0,0,0(λ)

圖2 不同色溫下測(cè)量和計(jì)算的光譜分布

Fig.2Spectraldistributionofmeasurementandcalculationunderdifferentcolortemperature

其中，Dr，g(λ)、Dr，b(λ)、Db，g(λ)、Dr，g，b(λ)為顯示器雙色或者三色的光譜，D0，0，0(λ)為黑場(chǎng)的光譜。利用三維查表法建立三單色在不同色溫下光譜的查找關(guān)系，根據(jù)公式(2)可計(jì)算出任一雙色或者三色的光譜。所選顏色在不同色溫測(cè)量得到光譜和經(jīng)過(guò)查表計(jì)算得到光譜的均方根誤差和色差結(jié)果如表3所示。

表3 光譜均方根誤差和積分后色差

從表3中可以看出，不同色溫下的光譜分布穩(wěn)定、色差較小。圖2為隨機(jī)選取顏色的光譜分布。其中，(a)、(b)、(c)、分別為顏色在不同色溫測(cè)量得到和經(jīng)過(guò)查找計(jì)算疊加得到的光譜分布。

4 不同環(huán)境光和色溫下的圖像顏色一致性方法

在實(shí)際生活中，由于LCD顯示器使用壽命、外界環(huán)境的影響使得LCD顯示器顏色無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的視覺(jué)感知效果。對(duì)于LCD顯示器來(lái)說(shuō)，不同條件下進(jìn)入人眼的光譜分布刺激與標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)入人眼的光譜分布刺激相同就會(huì)有相同的視覺(jué)感知。人眼在觀察LCD顯示器顏色時(shí)，進(jìn)入人眼的光譜量等于顯示器在暗室條件下的光譜量與顯示器反射外界環(huán)境光量的總和，同時(shí)不同色溫下的光譜可以通過(guò)計(jì)算得出。因此，利用該特性可以實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境和色溫下的LCD顯示器圖像顏色一致性，具體流程如圖3所示。

圖3 不同條件下的圖像顏色一致性流程圖

Fig.3 Color image consistency under different conditions

(1) 利用LCD顯示器R0G0B0數(shù)值到光譜模型得出暗室下的光譜模型。

(2) 如果不考慮環(huán)境光只考慮色溫，直接從(5)開(kāi)始執(zhí)行；不考慮色溫只考慮環(huán)境光，執(zhí)行過(guò)程中忽略(5)。

(3) 根據(jù)所總結(jié)的不同環(huán)境光下的光譜疊加性規(guī)律，暗室條件下光譜與環(huán)境光1的光譜進(jìn)行加運(yùn)算即為刺激人眼的光譜分布。

(4) 利用進(jìn)入人眼的光譜總量與顯示器反射環(huán)境光2的光譜進(jìn)行減運(yùn)算，得出暗室下顏色的光譜。

(5) 根據(jù)不同色溫下建立的光譜關(guān)系，查找計(jì)算對(duì)應(yīng)得到色溫2下的光譜。

(6)利用LCD顯示器光譜到RGB反向特征化模型得到R1G1B1，完成不同環(huán)境光下和色溫下圖像顏色一致性補(bǔ)償修正[15,17]。

5 圖像色彩一致性實(shí)驗(yàn)及分析

選取LIVE圖像庫(kù)中人物、動(dòng)物、風(fēng)景、房子等4類(lèi)圖像[18-19]，分別獲取LCD顯示器不同環(huán)境光和色溫下顯示效果圖。選擇10名顏色視覺(jué)感知正常的觀察者(5男5女)對(duì)圖片進(jìn)行主觀打分實(shí)驗(yàn)，計(jì)算圖片在不同環(huán)境和色溫條件下的Z得分[20-21]。其中，圖4為Womanhat圖像在修正前后的Z得分分別為-0.50和0.50，其他圖片具有類(lèi)似規(guī)律，說(shuō)明該方法可以實(shí)現(xiàn)LCD顯示器不同條件下的顏色的一致性。

圖4 Womanhat圖在不同條件下的顯示效果

6 結(jié) 論

不同環(huán)境光和色溫對(duì)LCD顯示器顏色再現(xiàn)影響較大。為了解決不同環(huán)境光和色溫下LCD顯示器圖像顏色再現(xiàn)有較大差異的問(wèn)題，提出了一種基于LCD顯示器光譜特性的圖像顏色一致性方法。該方法利用不同環(huán)境光下光譜疊加性和不同色溫下光譜查找計(jì)算的關(guān)系，使圖像觀察起來(lái)更加符合所需條件下感知的一致性。

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麻祥才(1991-)，男，山東濰坊人，碩士研究生,2014年于曲阜師范大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事色彩管理、數(shù)字水印等方面的研究。

E-mail: Marcle_caizi@163.com王曉紅(1971-)，女，陜西漢中人，博士，教授，1999年于中國(guó)紡織大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事色彩學(xué)與色彩應(yīng)用、印刷質(zhì)量檢測(cè)與控制、數(shù)字印刷技術(shù)等方面的研究。

E-mail: Wang_keyan@163.com

Image Color Consistency Based on Spectral Characteristics of LCD Monitor

MA Xiang-cai1, WANG Xiao-hong1*, ZHU Ming2, ZHANG Jian-qing1

(1.CollegeofCommunicationandArtDesign,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China;2.DepartmentofMaterialsandChemicalEngineering,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou450007,China)

In order to solve the problem that the ambient light and color temperature have a great influence on the image color reproduction of LCD monitor, an image color consistency method based on the spectral characteristics of LCD monitor was proposed. The spectra were of 99 industry-recognized color measured at different ambient light and color temperature, and the spectral color reproduction law of LCD monitor image under different ambient light and color temperature was summarized. Using the spectra superposition under different ambient light and the corresponding law of different color temperature, LCD monitor image color consistency can be achieved under different ambient light and color temperature. The average subjective evaluationZscore of image is 0.50. The results indicate that this method can well solve the LCD monitor image color consistency under different ambient light and color temperature.

LCD monitor; ambient light; color temperature; spectral characteristics; color consistency

1000-7032(2017)05-0669-06

2016-10-25；

2017-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(61301231)資助項(xiàng)目 Supported by Youth Fund of National Natural Science Foundation of China(61301231)

O433.4； TN27

A

10.3788/fgxb20173805.0669

*CorrespondingAuthor,E-mail:wang_keyan@163.com