虛擬現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)的色彩研究

萬麗芳 杜微

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)將成為5G時(shí)代最耀眼的革命技術(shù)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們對其色彩性能的需求也逐漸擴(kuò)大。本文介紹虛擬現(xiàn)實(shí)顯示的數(shù)字顏色管理技術(shù)的方法，主要包括數(shù)字色彩標(biāo)準(zhǔn)化和畫質(zhì)調(diào)節(jié)兩部分。虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的色彩標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)定，以實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間色彩的統(tǒng)一，同時(shí)，由于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)容易受到環(huán)境光線影響的特殊性，加入環(huán)境光的顏色恒常調(diào)節(jié)功能，使得虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備在環(huán)境光改變的時(shí)候也可以保持顏色感知的恒常穩(wěn)定性。在完成虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的數(shù)字色彩標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行畫質(zhì)調(diào)節(jié)，以改善畫面顯示效果，提升色彩表現(xiàn)能力，提升虛擬現(xiàn)實(shí)顯示性能，進(jìn)一步推動虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的普及。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);數(shù)字顏色管理;色彩標(biāo)準(zhǔn)化;畫質(zhì)

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)為核心的信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，數(shù)字化顏色管理技術(shù)逐漸專業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化，對顯示技術(shù)的市場推廣起著舉足輕重的作用。虛擬現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)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(shí)感的體驗(yàn)，而光影和色彩決定了顯示畫面的視覺表現(xiàn)和情感傳達(dá)，因此數(shù)字顏色管理成為虛擬現(xiàn)實(shí)顯示改善畫面光影效果和色彩表現(xiàn)的重要技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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(xiàn)實(shí)大會，昭示著新的顯示時(shí)代即將到來。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，很多新興的虛擬體驗(yàn)?zāi)Ｊ饺缬旰蟠汗S般出現(xiàn)，如虛擬時(shí)尚，包括虛擬穿戴，比如《世界時(shí)裝之苑》的雜志模特在虛擬情景下穿上了一身絢麗的數(shù)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(fèi)者可以在網(wǎng)上虛擬試驗(yàn)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(nèi)容對于虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡的色彩顯示技術(shù)提出了更高的要求，體驗(yàn)者會關(guān)心其色彩能否還原真實(shí)的世界。因此，改善虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的色彩和畫質(zhì)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(zhì)畫質(zhì)，虛擬現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)才能成為眾多體驗(yàn)者的首選。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡的數(shù)字顏色管理技術(shù)方案概述

虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡的數(shù)字顏色管理方法，總體上可以分成兩部分。第一部分是數(shù)字色彩標(biāo)準(zhǔn)化，目的是使顯示設(shè)備真實(shí)再現(xiàn)顏色世界，使其符合國際色彩顯示標(biāo)準(zhǔn)。第二部分是畫質(zhì)調(diào)節(jié)，改善畫面的質(zhì)量，比較常見的是色彩增強(qiáng)，即按照用戶的特殊需求，對顯示色彩進(jìn)行增強(qiáng)畫面對比或飽和度的調(diào)節(jié)，另外還包括調(diào)整圖像細(xì)節(jié)、明暗的層次等。

關(guān)于色彩產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，目前應(yīng)用最廣泛的是通用色彩標(biāo)準(zhǔn)，這是微軟公司和愛普生公司、三菱公司合作開發(fā)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，代表標(biāo)準(zhǔn)的紅、綠、藍(lán)，即液晶顯示器、投影機(jī)、打印機(jī)以及其他設(shè)備中色彩再現(xiàn)所使用的三基色。由于顯示設(shè)備的顯色差異性，不同的顯示設(shè)備可能無法正確地再現(xiàn)色彩，通用色彩標(biāo)準(zhǔn)就是為了建立一個(gè)可以滿足計(jì)算機(jī)和輸出設(shè)備需求的色彩管理標(biāo)準(zhǔn)，使得輸出設(shè)備可以正確地表現(xiàn)出圖像中的顏色信息。通過通用色彩標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，用戶可以在各種顯示設(shè)備上得到統(tǒng)一的色彩。由于顯示技術(shù)的飛速發(fā)展和不斷的更新?lián)Q代，最初的通用色彩標(biāo)準(zhǔn)已不能再滿足廣色域的顯示設(shè)備的要求，因此出現(xiàn)了更大的色域顯示標(biāo)準(zhǔn)，比如最新制定的標(biāo)準(zhǔn)是基于國際電信聯(lián)盟無線電通信部門制定的超高清電視的色彩標(biāo)準(zhǔn)，超高清電視分辨率為4K和8K的數(shù)字視頻格式，其色域范圍大大超出了早期的通用色彩標(biāo)準(zhǔn)。雖然如此，虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡技術(shù)由于還在使用傳統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡的色彩影響要素

影響虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡色彩的主要有三個(gè)顯示參數(shù)：第一，虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡顯示白畫面的色溫;第二，顯示紅綠藍(lán)三基色畫面的色度和亮度;第三，紅綠藍(lán)三通道亮度灰階曲線的伽馬曲線。下面具體解釋標(biāo)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(lǐng)域應(yīng)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(shí)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(guān)。圖2為色溫的日光軌跡圖，國際顯示標(biāo)準(zhǔn)色溫在6500K，即中午12點(diǎn)時(shí)的日光光照。從曲線上可以看出色溫低時(shí)顏色是偏紅偏暖的，色溫高時(shí)顏色是偏藍(lán)偏冷的。顯示設(shè)備的色溫是由其顯示白色畫面時(shí)的色度決定的，即我們通常所講的白點(diǎn)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(xiàn)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(xiàn)的色溫整體是偏高、偏藍(lán)、偏冷的，給人的感覺則是寒冷荒涼的，可以看出色溫對傳達(dá)情感起著至關(guān)重要的作用。顯示設(shè)備的色溫不準(zhǔn)確，就會造成顏色的錯(cuò)誤表達(dá)。目前的虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡仍然符合色彩通用標(biāo)準(zhǔn)，所以我們需要將白畫面（紅、綠、藍(lán)三個(gè)通道灰階均為255）色溫調(diào)節(jié)至值為6500K。

2.2 伽馬曲線對色彩顯示的影響

虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡的顯示通常由紅綠藍(lán)三個(gè)通道組成，每個(gè)通道都對應(yīng)有亮度灰階曲線（8位為從0到255灰階），灰階與對應(yīng)的亮度并不是簡單的線性關(guān)系，而是冪函數(shù)關(guān)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(lán)色虛線代表標(biāo)準(zhǔn)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(diào)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(diào)部分被拓展，高光部分被壓縮;中間人像圖的伽馬值為標(biāo)準(zhǔn)值2.2?？梢钥闯霎?dāng)伽馬偏離標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，會使畫面損失一些細(xì)節(jié)，在對比度和亮度表現(xiàn)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(shí)，暗調(diào)部分和高光部分被壓縮;右圖人像為伽馬值偏高時(shí)，畫面暗調(diào)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(chǎn)生不一樣的效果。不同的標(biāo)準(zhǔn)對伽馬的定義不同，按照sRGB標(biāo)準(zhǔn)可將伽馬值調(diào)制為2.2，其他的顯示標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)著不同的伽馬取值。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡數(shù)字色彩標(biāo)定方法

色彩標(biāo)準(zhǔn)化[1-2]主要需要控制三個(gè)要素。第一，標(biāo)準(zhǔn)的白點(diǎn)色溫。由顯示白色畫面的色度坐標(biāo)決定，對應(yīng)的國際照明委員會標(biāo)準(zhǔn)色度坐標(biāo)值為（0.3127，0.3290）。第二，顯示紅綠藍(lán)三基色畫面的色度亮度。通用色彩標(biāo)準(zhǔn)的紅色色度坐標(biāo)為（0.64，0.33），綠色為（0.3，0.6），藍(lán)色為（0.15，0.06）。第三，紅綠藍(lán)三通道亮度灰階曲線的伽馬曲線（通用色彩標(biāo)準(zhǔn)的伽馬值為2.2）。把這三項(xiàng)控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，顯示出的效果就可以符合相應(yīng)的通用色彩標(biāo)準(zhǔn)。不同的顯示標(biāo)準(zhǔn)對這三要素在數(shù)值上有不同的定義。對色溫，三基色和伽馬的調(diào)節(jié)可以集成在數(shù)字顏色芯片中完成，主要過程是將實(shí)際測試的白點(diǎn)色溫、三基色色度和伽馬值轉(zhuǎn)變成為標(biāo)準(zhǔn)值[3-4]。需要測色設(shè)備先對畫面的白點(diǎn)、紅綠藍(lán)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(lán)三通道的亮度灰階伽馬曲線數(shù)據(jù)，即采樣測試紅綠藍(lán)數(shù)據(jù)立方體，并將測試結(jié)果輸入調(diào)色系統(tǒng)軟件，通過查找表法、插值法輸出能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)效果的紅綠藍(lán)三基色色度值、白點(diǎn)色溫值和紅綠藍(lán)亮度灰階曲線。然后，重建紅綠藍(lán)三通道的伽馬曲線，再將重建的數(shù)據(jù)寫入數(shù)字顏色管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)控制文件中，最終輸出顯示信號控制畫面顯示。在實(shí)驗(yàn)中對虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡的標(biāo)定設(shè)備采用美國瑞淀公司的虛擬現(xiàn)實(shí)測色設(shè)備配備專業(yè)鏡頭，經(jīng)過上述方法，色彩標(biāo)定結(jié)果可以將顯示顏色與國際顯示標(biāo)準(zhǔn)相比較，色度坐標(biāo)的色差均控制在5%之內(nèi)。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡色彩顯示的特殊性

虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡的色彩效果會受到很多因素的影響，包括虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡內(nèi)部光學(xué)器件的和外部環(huán)境的影響。內(nèi)部的光學(xué)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(xué)元件顏色亮度的顯示性能，在選取這些光學(xué)元件時(shí)，需要考慮細(xì)化其光學(xué)色彩的參數(shù)，只有經(jīng)過科學(xué)的優(yōu)化和匹配，才可以得到相對較大的顯示色域范圍。

虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡的色彩顯示與常規(guī)的顯示設(shè)備還有明顯的特殊性，由于虛擬現(xiàn)實(shí)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(huán)境對顯示效果會有影響。改變環(huán)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(shí)顏色的恒常性，就需要根據(jù)環(huán)境光重新調(diào)節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡的色溫，保持色溫（白點(diǎn)）的平衡，因此可以加入實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境光的色度和亮度的功能，將檢測結(jié)果反饋到顏色管理模塊上，重新將虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡的色溫和顏色調(diào)節(jié)到標(biāo)準(zhǔn)白光的D65狀態(tài)。在非暗室條件下長時(shí)間觀看虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡的電影或視頻，需減少來自背景環(huán)境光的影響，可以通過提升畫面對比度，也可以通過調(diào)節(jié)亮度灰階伽馬值實(shí)現(xiàn)。

5 虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡畫質(zhì)調(diào)節(jié)技術(shù)

畫質(zhì)提升技術(shù)是在色彩標(biāo)定技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行的調(diào)整[5]。畫質(zhì)調(diào)節(jié)比較常見的有色彩增強(qiáng)技術(shù)，可以通過將色彩增強(qiáng)的算法集成在數(shù)字顏色管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。例如，很多手機(jī)品牌為了迎合消費(fèi)者的需要，在拍照軟件上經(jīng)常設(shè)置有色彩增強(qiáng)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(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)的色彩增強(qiáng)也可以應(yīng)用于特殊的領(lǐng)域，比如醫(yī)學(xué)、工業(yè)、軍事，可以起到突出目標(biāo)顯示識別的作用。比如在醫(yī)學(xué)臨床手術(shù)中應(yīng)用時(shí)，可以通過色彩增強(qiáng)的方式，突出血管或神經(jīng)的位置，幫助醫(yī)生更好地實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。畫質(zhì)調(diào)節(jié)會涉及有很多關(guān)于顯示畫面細(xì)節(jié)的考慮因素，比如顯示畫面中的暗部細(xì)節(jié)、亮部細(xì)節(jié)、陰影的層次感、輪廓和紋理、對比度、銳度、噪聲，這些畫質(zhì)參數(shù)都需要配合數(shù)字顏色管理系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到對顯示圖像的完美呈現(xiàn)。另外，虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡還存在著不均勻性、光學(xué)畸變、色偏等由于光學(xué)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的問題，消除這些光學(xué)上帶來的影響，也都可以從畫質(zhì)調(diào)節(jié)和圖像算法上調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。比如畫面均勻性差時(shí)，可以在畫面顯示之前在原圖像上加權(quán)一組矯正均勻性的數(shù)組，不僅可以調(diào)節(jié)亮度均勻性，還可以調(diào)節(jié)色度均勻性，這樣可以完美解決虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡光波導(dǎo)的亮度不均勻和色散的問題。

6 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是充分發(fā)揮創(chuàng)造力的科學(xué)技術(shù)，將為人類提供強(qiáng)有力的智能擴(kuò)展保障，對人類社會也將產(chǎn)生巨大且深遠(yuǎn)的影響。隨著5G時(shí)代的來臨，虛擬現(xiàn)實(shí)的虛擬技術(shù)會在游戲、影視、教育、房地產(chǎn)、旅游、汽車、電商、廣告、醫(yī)療等行業(yè)全面發(fā)展，將會深得人們的喜愛，色彩表現(xiàn)能力作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)普及的一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)也會逐漸提升。虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的色彩標(biāo)準(zhǔn)化基于過去常規(guī)采用的數(shù)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)定之外，還要考慮其新的顯示特性，如考慮增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示畫面會與背景環(huán)境光融合的顯示特點(diǎn)，需加入環(huán)境光的顏色恒常調(diào)節(jié)功能，使人在改變環(huán)境光時(shí)也可以保持顏色感知的穩(wěn)定，還可加入畫質(zhì)調(diào)節(jié)，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(nèi)暴發(fā)，人類的社交和工作模式受到了前所未有的挑戰(zhàn)，而虛擬現(xiàn)實(shí)作為新生代技術(shù)，能全方位改變?nèi)祟惖纳罘绞?，人們可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)隨心所欲地創(chuàng)造出各種虛擬的空間和情景，打破現(xiàn)實(shí)世界空間和時(shí)間的束縛，滿足未來人類更多全新的需求。

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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(xué)。

杜微（1981—），男，陜西西安人，博士，講師，研究方向：產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論與方法。