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    基于年齡分組的個(gè)體色度觀察者色適應(yīng)變換實(shí)驗(yàn)研究

    2023-11-18 03:56:40陳倩雯陳蘊(yùn)智
    包裝工程 2023年21期
    關(guān)鍵詞:觀察者色差色度

    陳倩雯,陳蘊(yùn)智

    基于年齡分組的個(gè)體色度觀察者色適應(yīng)變換實(shí)驗(yàn)研究

    陳倩雯,陳蘊(yùn)智*

    (天津科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300457)

    本文旨在探討不同年齡段的個(gè)體色度觀察者在特定視場條件下色適應(yīng)變換結(jié)果的分布規(guī)律。劃分連續(xù)的不同年齡構(gòu)成的分組觀察者,基于Monte Carlo算法和個(gè)體色度觀察者模型擬合生成相應(yīng)年齡分組下的模擬個(gè)體觀察者,繼而在設(shè)定的視場條件對各年齡分組觀察者進(jìn)行色適應(yīng)變換。得到年齡跨度20~70歲的5個(gè)年齡分組下,共計(jì)5 000位擬合個(gè)體色度觀察者,在設(shè)定視場條件下的60萬組對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果。設(shè)定條件下,年齡分組個(gè)體觀察者的色適應(yīng)結(jié)果分布存在分化,其對不同色調(diào)參考色的敏感度也存在差異。此外,標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者與個(gè)體色度觀察者的色適應(yīng)結(jié)果在特定條件下存在不同程度的偏差。

    色適應(yīng);色適應(yīng)變換;年齡;個(gè)體色度觀察者;離均色差;離基色差

    影響個(gè)體觀察者色覺差異的因素十分龐雜,既關(guān)乎先天遺傳基因的生理差異,也關(guān)乎后天營養(yǎng)、飲食習(xí)慣及疾病等因素[1-4]。其研究覆蓋生理、病理及心理物理等交叉領(lǐng)域,是一個(gè)龐大而艱深的課題。然而醫(yī)療、科學(xué)、工業(yè)等各領(lǐng)域的發(fā)展都有賴于學(xué)科邊界的不斷拓展和對未知的無盡探索,明確個(gè)體視覺特性的相關(guān)影響因素,并量化各因素的影響機(jī)制和相互關(guān)系對顏色科學(xué)及相關(guān)融合學(xué)科發(fā)展有著長足意義。

    年齡因素是目前被普遍認(rèn)可的影響個(gè)體色覺特性尤為顯著的一個(gè)重要參數(shù),相對于其他因素其研究也最為廣泛深入[5-8]。此外,跨越單一視場,個(gè)體觀察者在色適應(yīng)場景下的對應(yīng)色預(yù)測差異,涉及2個(gè)視場的轉(zhuǎn)換,附加了色適應(yīng)變換機(jī)制和對應(yīng)色視場條件的牽制,與之相關(guān)的研究還相對空白[9-12]。

    綜合這兩方面,本文側(cè)重探討不同年齡段個(gè)體色度觀察者的色適應(yīng)變換結(jié)果的差異性規(guī)律。通過劃分連續(xù)的不同年齡構(gòu)成的5個(gè)分組觀察者,基于Monte Carlo算法和個(gè)體色度觀察者模型[12-14]擬合生成對應(yīng)年齡分組下的模擬個(gè)體觀察者。代入特定的視場條件進(jìn)行個(gè)體觀察者的色適應(yīng)變換[15],并對各年齡分組的個(gè)體色度觀察者對應(yīng)的色預(yù)測結(jié)果的分布規(guī)律進(jìn)行歸納探討。

    1 實(shí)驗(yàn)

    1.1 條件設(shè)置

    1.1.1 實(shí)驗(yàn)觀察者

    設(shè)置觀察者的年齡范圍在20~70歲,在該年齡范圍內(nèi)按照每10歲的年齡跨度進(jìn)行年齡組劃分,共劃分5個(gè)不同年齡組,每組人數(shù)相等,各1 000人?;贛onte Carlo算法使用個(gè)體色度觀察者模型(Individual Colorimetric Observer Model),在2°視角下擬合生成共計(jì)5 000組模擬個(gè)體色度觀察者的視錐響應(yīng)光譜反射率函數(shù),其歸一化后的視錐響應(yīng)函數(shù)如圖1所示。

    1.1.2 待匹配參考色

    選擇ColorChecker色標(biāo)作為色適應(yīng)變換來源端視場(Source Field)待匹配的參考色。 ColorChecker是一個(gè)4×6的色標(biāo),共計(jì)24個(gè)顏色中心,包括18個(gè)彩色和6個(gè)非彩色。其中彩色覆蓋了經(jīng)典的色調(diào)范圍,包括了常見人種的膚色,深膚色和淺膚色,以及典型的記憶色,例如天空的顏色、樹葉的顏色以及花朵的顏色等。

    1.1.3 適應(yīng)場光源

    適應(yīng)場光源選擇了色適應(yīng)最常用的光源對D65-A,設(shè)置來源端視場(Source Field)的光源為D65標(biāo)準(zhǔn)照明體,目標(biāo)端視場(Target Field)的光源為A光源。

    1.2 實(shí)驗(yàn)流程

    實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示,5組不同年齡分組的Monte Carlo個(gè)體色度觀察者,逐隊(duì)逐人次分別對ColorChecker標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo)內(nèi)的24個(gè)參考色依次進(jìn)行對應(yīng)色實(shí)驗(yàn)。對應(yīng)色實(shí)驗(yàn)視場條件保持穩(wěn)定,始終在D65-A的匹配光源和2°視場觀察條件下進(jìn)行,并記錄所有觀察者在所有視場條件下的對應(yīng)色預(yù)測的全部結(jié)果。

    圖1 Monte Carlo年齡分組個(gè)體色度觀察者在2°視角下歸一化后的視錐響應(yīng)函數(shù)

    圖2 年齡分組觀察者在2°視角下的對應(yīng)色實(shí)驗(yàn)

    2 結(jié)果分析與討論

    2.1 個(gè)體色度觀察者對應(yīng)色預(yù)測相對偏差的評價(jià)指標(biāo)

    由于個(gè)體色度觀察者的色覺差異,不同個(gè)體色度觀察者在相同的適應(yīng)場條件下,對于同一個(gè)參考色的對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果色度值必然是離散的。而表征對應(yīng)色的色度值所在的空間是一個(gè)三維色空間,且并不是一個(gè)完全均勻的色空間,因此要表征三維色度空間中2個(gè)離散的色度坐標(biāo)點(diǎn)的偏差大小,只能用色差公式進(jìn)行計(jì)算?,F(xiàn)行的色差公式種類有很多,本文默認(rèn)采用CIE DE2000色差公式。

    為了從不同維度量化個(gè)體差異的相對偏差的顯著程度,設(shè)計(jì)了2個(gè)色差評價(jià)指標(biāo),分別為離基色差(The Mean Color Difference from the Standard,MCDS)和離均色差(The Mean Color Difference from the Mean,MCDM)。這2個(gè)評價(jià)指標(biāo)的算法原理和相互關(guān)系如圖3所示。

    圖3 MCDM和MCDS計(jì)算原理

    2.1.1 離基色差

    為了標(biāo)定個(gè)體色度觀察者對應(yīng)色預(yù)測的相對偏差,需要找到一個(gè)參量作為基準(zhǔn),因此相對于個(gè)體色度觀察者取CIE標(biāo)準(zhǔn)觀察者作為參考觀察者。在同樣的色適應(yīng)視場條件下,計(jì)算個(gè)體色度觀察者和參考觀察者對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果的色差大小,作為個(gè)體色度觀察者對應(yīng)色預(yù)測的相對偏差的評價(jià)指標(biāo),用離基色差MCDS表示,其計(jì)算式如式(1)所示。

    MCDS指標(biāo)計(jì)算的是個(gè)體色度觀察者和標(biāo)準(zhǔn)觀察者在相同條件下的對應(yīng)色預(yù)測的色差大小,從而可以用MCDS來表征相同條件下個(gè)體色度觀察者模型和標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者模型的精度誤差大小。MCDS的取值越大,表示標(biāo)準(zhǔn)觀察者與個(gè)體色度觀察者在相同條件下的對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果誤差越大,說明標(biāo)準(zhǔn)觀察者色度模型不能準(zhǔn)確表征個(gè)體色度觀察者的對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果。MCDS的取值越小,表示標(biāo)準(zhǔn)觀察者與個(gè)體色度觀察者在相同條件下的對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果更接近,說明標(biāo)準(zhǔn)觀察者色度模型能夠近似表征個(gè)體色度觀察者的對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果。

    2.1.2 離均色差

    將樣本個(gè)體色度觀察者組內(nèi)所有觀察者對應(yīng)色預(yù)測的結(jié)果取均值,以平均對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果作為參考坐標(biāo),利用色差公式分別計(jì)算各個(gè)觀察者的對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果與平均對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果之間的色差大小,表征各個(gè)觀察者的視覺特異性相對樣本平均水平的顯著程度。

    選擇樣本觀察者的均值作為基準(zhǔn)參量,標(biāo)定個(gè)體色度觀察者對應(yīng)色預(yù)測的相對偏差。計(jì)算逐位個(gè)體色度觀察者的對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果與樣本個(gè)體色度觀察者預(yù)測結(jié)果的色度均值之間的色差,作為衡量觀察者之間個(gè)體差異顯著程度的指標(biāo),用離均色差MCDM表征,其計(jì)算式如式(2)所示。

    MCDM的結(jié)果表征個(gè)體色度觀察者與樣本均值之間的色差大小。MCDM取值越大,說明該樣本個(gè)體色度觀察者的對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果與樣本均值之間的相對偏差越大,即個(gè)體色度觀察者之間的對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果差異更顯著。反之,MCDM的取值越小,則說明個(gè)體色度觀察者的對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果更加趨同,個(gè)體色度觀察者之間的對應(yīng)色預(yù)測差異比較模糊。

    2.1.3 MCDS和MCDM的關(guān)系

    假設(shè)MCDS與MCDM的結(jié)果取值相等,則說明在特定色適應(yīng)變換條件下,CIE標(biāo)準(zhǔn)觀察者的對應(yīng)色結(jié)果與實(shí)際樣本個(gè)體色度觀察者對應(yīng)色預(yù)測的均值結(jié)果相當(dāng)。在這種理想條件下,說明CIE標(biāo)準(zhǔn)觀察者達(dá)到了最初CIE擬定標(biāo)準(zhǔn)觀察者的初衷,即用標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者的結(jié)果來表征理想條件下樣本觀察者的平均結(jié)果。

    如果MCDS與MCDM的結(jié)果出現(xiàn)偏差,說明在特定色適應(yīng)變換條件下,CIE標(biāo)準(zhǔn)觀察者的對應(yīng)色結(jié)果偏離于實(shí)際樣本個(gè)體色度觀察者的均值,也說明此時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)觀察者色適應(yīng)模型進(jìn)行計(jì)算時(shí),其結(jié)果會相對偏離個(gè)體色度觀察者的實(shí)際色適應(yīng)結(jié)果。

    2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果歸納與分析

    將計(jì)算得到的2°視角的5組Monte Carlo年齡分組觀察者的離基色差MCDS和離均色差MCDM結(jié)果,分別整理在表1和表2中。其中分組觀察者對24個(gè)參考色的對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果的離基色差MCDS的平均取值范圍為1.378~2.255,均值為1.792,最大取值對應(yīng)的是分組年齡范圍最小的[20,30)歲的觀察者,最小取值對應(yīng)的是分組年齡范圍在[50,60)歲的觀察者。

    分組觀察者對24個(gè)參考色的對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果的離基色差MCDM的平均取值范圍為1.215~1.482,均值為1.384。最大取值對應(yīng)的是分組年齡為[30,40)歲的觀察者,最小取值對應(yīng)的是分組年齡范圍在[50,60)歲的觀察者。

    表1 Monte Carlo年齡分組觀察者在2°視角下的MCDS結(jié)果

    Tab.1 MCDS results of Monte Carlo observers grouped by different ages under field size of 2°

    表2 Monte Carlo年齡分組觀察者2°視角下的MCDM結(jié)果

    Tab.2 MCDM results of Monte Carlo observers grouped by different ages under field size of 2°

    2.2.1 不同年齡分組觀察者平均色度的MCDS和MCDM總體分布結(jié)果

    首先忽略進(jìn)行色適應(yīng)變換的24個(gè)參考色具體的色度差異,對2°視角下的5組年齡分組下所有參考色的MCDS和MCDM結(jié)果整體求平均,可以計(jì)算得到分組年齡觀察者平均色度條件下的總體MCDM和MCDS分布,如圖4所示。

    如圖4可見,分組年齡觀察者的MCDM的分布情況相對穩(wěn)定,其中[50,70)歲年長者的離均色差結(jié)果比相對更年輕的[20,50)歲的分組年齡觀察者的離均色差結(jié)果稍許偏低。說明實(shí)驗(yàn)條件下,50歲以前的色適應(yīng)個(gè)體差異更為顯著,[50,70)歲的老年個(gè)體的色適應(yīng)差異反而相對削弱。

    圖4 分組年齡觀察者2°視角下的平均色度的MCDM和MCDS分布

    同樣情況下各組年齡觀察者的MCDS總體數(shù)據(jù)波動情況比MCDM要更加顯著,其分布形狀呈現(xiàn)一個(gè)兩頭高中間低的U形。說明在2°視角下,對于30~60歲偏中間年齡階段的標(biāo)準(zhǔn)觀察者,色適應(yīng)模型的對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果與實(shí)際個(gè)體色度觀察者的對應(yīng)色結(jié)果更加貼合,而對于60歲以上的老年觀察者和30歲以下的青年觀察者,標(biāo)準(zhǔn)觀察者色適應(yīng)模型的對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果與實(shí)際個(gè)體色度觀察者的對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果存在更顯著的偏差。

    2.2.2 不同色度平均年齡觀察者的MCDS和MCDM總體分布結(jié)果

    為了初步了解個(gè)體色度觀察者對不同色相的24個(gè)參考色的色適應(yīng)結(jié)果的整體分布情況,先忽略具體的年齡分組,對每個(gè)參考色下5組年齡分組的觀察者的MCDM和MCDS結(jié)果取均值,得到平均年齡的個(gè)體色度觀察者對ColorChecker 24個(gè)參考色的MCDM和MCDS分布,如圖5所示。

    圖5 Monte Carlo平均年齡觀察者的MCDS和MCDM結(jié)果

    色序19~24是亮度呈梯度下降的6個(gè)非彩色參考色。由圖5可見,非彩色段的數(shù)據(jù)點(diǎn)連線幾乎呈直線。說明對于非彩色參考色,個(gè)體觀察者的色適應(yīng)結(jié)果差異的顯著程度與亮度呈正相關(guān),亮度越大,對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果的個(gè)體分布越離散。通過數(shù)值比較可見,亮度較高的非彩色要比彩色參考色的色適應(yīng)個(gè)體差異更顯著。

    MCDS和MCDM在圖5中呈現(xiàn)近似的數(shù)據(jù)分布規(guī)律,但藍(lán)色的MCDS數(shù)據(jù)分布曲線整體顯著高于另外一條數(shù)據(jù)分布線,說明在具體數(shù)據(jù)取值上MCDS的結(jié)果比MCDM的結(jié)果整體偏高。尤其對于彩色參考色中的2號淺膚色和6號藍(lán)綠色參考色,以及非彩色參考色中亮度較高的淺色中性色,MCDM與MCDS之間的偏差更為顯著。說明2°視角下,標(biāo)準(zhǔn)觀察者色適應(yīng)模型的色度誤差比實(shí)際分組年齡觀察者對應(yīng)色預(yù)測的平均結(jié)果更偏大,尤其是彩色中的個(gè)別顏色和中性參考色中亮度更高的淺色中性色。

    就具體取值而言,2°視角下年齡分組觀察者平均觀察者的MCDS的范圍為0.700~4.333,均值為1.792。最大取值對應(yīng)的參考色為色序19的白色參考色(White,=243、=243、=242),最小取值對應(yīng)的參考色為色序14的綠色參考色(Green,=70、=148、=73),見圖6a、c的2個(gè)色塊。MCDM值分布范圍為0.532~3.344,均值為1.384。最大取值和最小取值同樣對應(yīng)色序19和14的2個(gè)參考色。另外彩色參考色中MCDM與MCDS的最大取值的對應(yīng)色的參考色均為色序2的淺膚色參考色(Light Skin,=194、=150、=130),見圖6b中間色塊。一定程度上,說明在2°視角下年齡分組觀察者對高亮度非彩色和彩色中的淺膚色更加敏感,因此樣本觀察者中不同觀察者對應(yīng)色匹配結(jié)果更加離散,而對綠色的包容性更強(qiáng),即樣本觀察者中不同觀察者對應(yīng)色匹配結(jié)果更加集中。

    圖6 MCDM和MCDS取極值對應(yīng)的參考色

    2.2.3 分組觀察者具體各參考色的MCDM和 MCDS分布

    對于ColorChecker 24個(gè)參考色中的每個(gè)參考色,將分組觀察者在2°視角下對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果分別計(jì)算MCDM值和MCDS值。5組不同年齡組的結(jié)果見圖7和圖8。

    圖7 不同年齡分組觀察者在2°視角下ColorChecker對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果的MCDM分布

    圖8 不同年齡分組觀察者在2°視角下ColorChecker對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果的MCDS分布

    如圖7所示,以50歲為年齡分界線,其中[20,50)歲的分組年齡觀察者的MCDM結(jié)果分布相對集中且重合度高,說明不同年齡個(gè)體差異變化不大。類似的,[50,70)歲的個(gè)體觀察者結(jié)果分布相對集中且高度重合,但數(shù)值相對偏低。尤其對于非彩色參考色,這一分化情況更加顯著。

    如圖8所示,在同樣條件下,5組不同年齡分組的MCDS分布結(jié)果相較于MCDM分布結(jié)果更加冗雜。從數(shù)值大小的分布來看,MCDS偏差由大到小的年齡分組排序依次是[20,30)歲、[60,70)歲、[30,40)歲、[40,50)歲、[50,60)歲。說明標(biāo)準(zhǔn)觀察者的色適應(yīng)模型對[20,30)歲和[60,70)歲的個(gè)體色度觀察者的對應(yīng)色預(yù)測精度最低;在[30,60)歲的年齡范圍內(nèi),歲數(shù)越小,標(biāo)準(zhǔn)觀察者的色適應(yīng)模型的預(yù)測精度越低。

    3 結(jié)語

    年齡范圍從20~70歲的5組各1 000位不同年齡分組的Monte Carlo擬合個(gè)體色度觀察者,在2°視角下對ColorChecker 24個(gè)參考色的對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果的分布規(guī)律歸納如下:

    1)以50歲為分界,[20,50)歲的較年輕個(gè)體觀察者比[50,70)歲的老年觀察者的色適應(yīng)差異更為顯著。相較于彩色參考色,非彩色參考色下這一年齡分化的趨勢更為顯著,但這2個(gè)年齡段之間的年齡差異影響并不顯著。

    2)標(biāo)準(zhǔn)觀察者色適應(yīng)模型對[30,60)歲偏中間年齡的對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果與實(shí)際個(gè)體色度觀察者更加貼合,且在該年齡段內(nèi)歲數(shù)越大貼合度越高,而對60歲以上的老年觀察者和30歲以下的年輕觀察者的對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果與實(shí)際個(gè)體的偏差更為顯著。

    3)個(gè)體觀察者對色適應(yīng)參考色中亮度較高的非彩色比彩色參考色更為敏感,對應(yīng)色預(yù)測結(jié)果更加離散。

    4)對于非彩色參考色,個(gè)體色度觀察者的色適應(yīng)差異與亮度參數(shù)呈比較規(guī)律的正相關(guān)。而對于彩色參考色,其光譜特性應(yīng)該要比亮度特性對觀察者的色適應(yīng)機(jī)制的影響更為顯著。

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    CHEN Qian-wen. Research of Chromatic Adaptation Transform Based on Observer Metamerism[D]. Tianjin: Tianjin University of Science & Technology, 2021

    Chromatic Adaptation Transformation Experiment of Individual Colorimetric Observers Grouped by Different Ages

    CHEN Qian-wen, CHEN Yun-zhi*

    (College of Light Industry Science and Engineering, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin 300457, China)

    The work aims to explore chromatic adaptation transformation rules of individual colorimetric observers grouped by different ages under specific view conditions. Observers were grouped in a continuous way according todifferent ages to generate individual observers based on the Monte Carlo algorithm and an individual colorimetric observer model. Then, chromatic adaptation transformations were then carried out on those modelling observers under certain view conditions. 5000 individual observers of five age groups ranging from 20 to 70 years old were generated. The prediction results of 600,000 sets of corresponding color under certain view conditions were obtained. It is found that chromatic adaptation results of individual observers are differentiated within different age groups. They also show color specificity in different references. Moreover, there are different degrees of deviations between the color adaptation results of standard colorimetric observer and individuals corresponding to different conditions.

    chromatic adaptation; chromatic adaptation transformation; age; individual colorimetric observer; mean color difference from the mean; mean color difference from the standard

    TS801.3

    A

    1001-3563(2023)21-0294-07

    10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.21.037

    2023-05-06

    通信作者

    責(zé)任編輯:曾鈺嬋

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