不同色溫環(huán)境光下彩色電潤(rùn)濕電子紙的色彩校正

劉予敏， 林珊玲， 林志賢*， 郭太良

（1.福州大學(xué) 先進(jìn)制造學(xué)院， 福建 泉州 362252；2.中國(guó)福建光電信息科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室， 福建 福州 350116）

1 引言

彩色電潤(rùn)濕電子紙［1-2］采用電潤(rùn)濕顯示技術(shù)（Electrowetting Display，EWD），使用環(huán)境光作為顯示光源，通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部三層油墨與絕緣基板之間的電壓大小，控制油墨在基板上的收縮和舒張，從而改變?nèi)龑佑湍珜?duì)環(huán)境光中不同顏色波長(zhǎng)分量的反射程度，達(dá)到顯示不同顏色的效果。彩色電潤(rùn)濕電子紙作為反射式顯示器，在建立顯示設(shè)備特征化模型［3-4］時(shí)，通常選用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光作為光源，但實(shí)際使用時(shí)的外界環(huán)境光是實(shí)時(shí)變化的，當(dāng)外界環(huán)境光發(fā)生變化時(shí)，彩色電潤(rùn)濕電子紙?jiān)谕或?qū)動(dòng)電壓下反射出的各顏色光分量也會(huì)發(fā)生變化，如果仍直接使用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光下建立的特征化模型，彩色電潤(rùn)濕電子紙的顯示特性將會(huì)改變，從而影響顯示畫(huà)面的色彩平衡。

為了減小觀察環(huán)境變化對(duì)顯示圖像的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)色貌模型［5-6］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［7-8］等方法進(jìn)行了較多的研究。弓殷強(qiáng)等［9］利用色貌模型CAM16，將原始圖像映射到顯示設(shè)備所處的環(huán)境中，使顏色和亮度的感知保持不變，該方法可以減少外界環(huán)境對(duì)圖像顏色在顯示器上再現(xiàn)的影響。但色貌模型計(jì)算較為復(fù)雜，需要較多的計(jì)算參數(shù)且不易獲得，較難與彩色電潤(rùn)濕電子紙隨環(huán)境光變化的顏色特性相結(jié)合。麻祥才等［10］為了解決LCD顯示器不同色溫對(duì)人眼感知有較大影響的問(wèn)題，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立不同色溫與標(biāo)準(zhǔn)色溫下顯示顏色的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)LCD顯示器在不同色溫下的圖像顏色一致性，但該方法需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法一般較為復(fù)雜，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有較大影響。

為了減小不同色溫環(huán)境光下彩色電潤(rùn)濕電子紙顯示顏色的色差，本文提出一種基于彩色電潤(rùn)濕電子紙光譜反射率特性的色彩校正方法。利用彩色電潤(rùn)濕電子紙獨(dú)立于照明條件的光譜反射率特性，研究不同色溫環(huán)境光下顯示顏色的光譜規(guī)律，以此實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光與不同色溫環(huán)境光下色度值的轉(zhuǎn)換，該方法只需要利用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光下建立的特征化模型，就能得到不同色溫環(huán)境光與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光下顯示相同色度值對(duì)應(yīng)的CMY驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同色溫環(huán)境光下彩色電潤(rùn)濕電子紙顯示顏色的一致性。

2 不同色溫環(huán)境光下顯示顏色的光譜規(guī)律

彩色電潤(rùn)濕電子紙以環(huán)境光為顯示光源。當(dāng)環(huán)境光色溫變化時(shí)，顯示顏色也會(huì)發(fā)生變化，如圖1所示，在環(huán)境光色溫為3 500 K和6 500 K時(shí)，顯示色域發(fā)生了變化。

圖1 不同色溫環(huán)境光下的顯示色域Fig.1 Color gamut under ambient light with different color temperature

環(huán)境光色溫的變化影響了彩色電潤(rùn)濕電子紙的顯示顏色，研究不同色溫環(huán)境光下顯示顏色的變化規(guī)律，利用其規(guī)律可以實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境光下的顏色還原。由于環(huán)境光復(fù)雜多變，獲取不同環(huán)境光下的顯示顏色樣本需要大量的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，因此利用光譜反射率，研究不同環(huán)境光下顯示顏色的光譜規(guī)律。光譜反射率［11-12］被認(rèn)為是物體的“指紋”，它是物體的屬性，獨(dú)立于照明條件和觀察者，提供了物體最基本的顏色信息［13］。使用驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)和表面色度值的映射關(guān)系描述顯示器的光電特性時(shí)，自發(fā)光顯示器的表面色度值與驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)有一對(duì)一的映射關(guān)系。然而彩色電潤(rùn)濕電子紙作為反射式顯示器，其顯示顏色的色度值與環(huán)境光有關(guān)，使用相同的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)，色度值會(huì)隨著環(huán)境光變化。因此，在研究彩色電潤(rùn)濕電子紙的光電特性時(shí)，可以利用彩色電潤(rùn)濕電子紙的光譜反射率特性，研究其在不同環(huán)境光下顯示顏色的光譜規(guī)律，進(jìn)而通過(guò)設(shè)定的某一標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光下的表面色度值，預(yù)測(cè)不同環(huán)境光下的顯示顏色。

2.1 彩色電潤(rùn)濕電子紙的光譜反射率特性

2.1.1實(shí)驗(yàn)原理

光譜反射率的測(cè)量一般采用比對(duì)測(cè)量法：已知標(biāo)準(zhǔn)白板的光譜反射率Rw(λ)和光譜響應(yīng)值Iw(λ)，目標(biāo)物的光譜響應(yīng)值Ic(λ)，則目標(biāo)物的光譜反射率Rc(λ)=R(λ)。w

2.1.2實(shí)驗(yàn)裝置

圖2為測(cè)量彩色電潤(rùn)濕電子紙光譜反射率的裝置。使用分光光度計(jì)的型號(hào)為遠(yuǎn)方SR2000，分光光度計(jì)和彩色電潤(rùn)濕電子紙之間的距離為50 cm，入射光與顯示器表面的夾角θd=45°，分光光度計(jì)與顯示器表面垂直，光源色溫為5 000 K。

圖2 彩色電潤(rùn)濕電子紙光譜反射率測(cè)量裝置Fig.2 Spectral reflectance measurement device for color electrowetting display

2.1.3實(shí)驗(yàn)步驟

（1）在暗室環(huán)境搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，啟動(dòng)系統(tǒng)并預(yù)熱。

（2）將標(biāo)準(zhǔn)反射白板固定在背板上，啟動(dòng)光源，設(shè)置分光光度計(jì)的對(duì)焦?fàn)顟B(tài)。以1 nm的步長(zhǎng)采集380～780 nm共401個(gè)波段的輻射亮度為一組數(shù)據(jù)，重復(fù)采集20次，取均值記為Iw(λ)。

（3）將標(biāo)準(zhǔn)白板替換為彩色電潤(rùn)濕電子紙，并對(duì)其三通道施加驅(qū)動(dòng)電壓，以1 nm的步長(zhǎng)采集380～780 nm共401個(gè)波段的輻射亮度為一組數(shù)據(jù)。

（4）由于彩色電潤(rùn)濕電子紙三通道油墨的開(kāi)啟電壓不同，對(duì)C通道施加15～22 V的驅(qū)動(dòng)電壓，M和Y通道施加12～22 V的驅(qū)動(dòng)電壓，并以1 V為間隔，重復(fù)步驟（3），采集一系列不同電壓組合下的共1 296個(gè)測(cè)試色塊的光譜輻射亮度數(shù)據(jù)，記為IEWD(λ)。

（5）使用公式REWD(λ)=R(λ)，獲得

w不同電壓組合下電潤(rùn)濕電子紙的光譜反射率Rc(λ)。彩色電潤(rùn)濕電子紙部分電壓組合下的光譜反射率如圖3所示。

圖3 彩色電潤(rùn)濕電子紙不同電壓下的光譜反射率Fig.3 Spectral reflectance of color electrowetting display at different voltages

彩色電潤(rùn)濕電子紙CMY 3種油墨具有不同的光譜反射率特性，C油墨主要反射波長(zhǎng)范圍為600～700 nm的紅色光，M油墨主要反射波長(zhǎng)范圍為500～600 nm的綠色光，Y油墨主要反射波長(zhǎng)范圍為380～500 nm的藍(lán)色光。其中C油墨的反射率最大，其次是M油墨和Y油墨，3種油墨在主要反射波段上的反射率都隨驅(qū)動(dòng)電壓的增大而增大。因此，在環(huán)境光色溫發(fā)生變化時(shí)，可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓控制油墨的光譜反射率來(lái)減小環(huán)境光譜變化帶來(lái)的顯示顏色變化。

2.2 不同環(huán)境光下顯示顏色的光譜對(duì)應(yīng)關(guān)系

在自然場(chǎng)景中，色彩信號(hào)是入射光的光譜功率分布與目標(biāo)表面反射率的乘積。在某一環(huán)境光下，利用彩色電潤(rùn)濕電子紙的光譜反射率，可以得到該環(huán)境光下顯示顏色的光譜分布：

其中：S(λ)為顯示顏色光譜分布，E(λ)為環(huán)境光光譜分布，R(λ)為顯示顏色的光譜反射率。

選取色溫為3 500 K、5 000 K和6 500 K的3個(gè)環(huán)境光，隨機(jī)選取100個(gè)測(cè)試色塊，測(cè)量各測(cè)試色塊在3個(gè)環(huán)境光下顯示顏色的光譜分布，并用各測(cè)試色塊對(duì)應(yīng)的光譜反射率與兩個(gè)環(huán)境光譜進(jìn)行乘法運(yùn)算，使用光譜均方根誤差RMSE比較實(shí)測(cè)光譜與計(jì)算光譜的差異［14］，均方根誤差的計(jì)算公式如式（2）所示：

其中：N為光譜分布的維度，Δβ(λi)為在波長(zhǎng)λi處實(shí)測(cè)光譜與計(jì)算光譜的誤差。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境光下顯示顏色的實(shí)測(cè)光譜分布和計(jì)算光譜分布的光譜均方根誤差如表1所示。

表1 使用光譜反射率計(jì)算的光譜分布與實(shí)測(cè)光譜分布的光譜均方根誤差Tab.1 Spectral RMSE of the spectral distribution colculated using spectral reflectance and measured spectral distribution

從表1可以看出，不同環(huán)境光下計(jì)算光譜與實(shí)測(cè)光譜分布的光譜均方根誤差較小。實(shí)驗(yàn)證明，不同環(huán)境光下電潤(rùn)濕電子紙顯示顏色的光譜功率等于自身反射的環(huán)境光譜功率。

假設(shè)已知彩色電潤(rùn)濕電子紙?jiān)谀骋辉O(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光下顯示顏色的光譜分布為S(λ)，則該顏色在不同環(huán)境光下顯示顏色的光譜分布與S(λ)的關(guān)系為：

其中：E(λ)和Ei(λ)為標(biāo)準(zhǔn)光源和不同光源的光譜分布，R(λ)為彩色電潤(rùn)濕電子紙的表面反射率，S(λ)和Si(λ)為標(biāo)準(zhǔn)光源和不同光源下顯示顏色的光譜分布。

使用光譜傳感器可以實(shí)時(shí)采集當(dāng)前觀察條件下環(huán)境光的光譜分布，根據(jù)公式（3），可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)光源下顯示顏色的光譜分布計(jì)算出當(dāng)前環(huán)境光下顯示顏色的光譜分布。100個(gè)測(cè)試色塊在不同環(huán)境光下測(cè)量得到的光譜分布與經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的光譜的均方根誤差如表2所示。

表2 使用標(biāo)準(zhǔn)光源下顯示顏色光譜計(jì)算的光譜分布與實(shí)測(cè)光譜分布的光譜均方根誤差Tab.2 Spectral RMSE of the spectral distribution calculated using the color spectral in standard light source and measured spectral distribution

從表2可以看出，在具有不同色溫的環(huán)境光下，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的光譜分布穩(wěn)定、色差較小。圖4為隨機(jī)選取顏色在5 000 K環(huán)境光下的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值。

圖4 測(cè)量和計(jì)算的光譜分布Fig.4 Measured and calculated spectral distributions

3 不同色溫環(huán)境光下顯示顏色校正方法

3.1 不同色溫環(huán)境光下顯示顏色的色度對(duì)應(yīng)關(guān)系

上述實(shí)驗(yàn)利用彩色電潤(rùn)濕電子紙的光譜反射率特性，獲得了不同環(huán)境光下顯示顏色的光譜對(duì)應(yīng)關(guān)系。光譜反射率為高維數(shù)據(jù)，且顯示設(shè)備的輸入一般為三維色度數(shù)據(jù)，因此將光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為色度數(shù)據(jù)，并根據(jù)光譜對(duì)應(yīng)關(guān)系獲得色度對(duì)應(yīng)關(guān)系，方便從顯示系統(tǒng)上對(duì)不同環(huán)境光下的顯示顏色進(jìn)行校正。

對(duì)于給定的光譜分布，其在源觀察環(huán)境下的CIEXYZ色度值t為

定義M=k·F，色度變換過(guò)程可表示為：

則標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光下的色度值tR=MR·S(λ)，測(cè)試光源下的色度值ti=Mi·Si(λ)。根據(jù)公式（6）：

其中：MRS(λ)=tR，則測(cè)試光源下的色度值為：

選取100種電壓組合作為樣本點(diǎn)，根據(jù)各樣本點(diǎn)在色溫為5 000 K環(huán)境光下的色度值，預(yù)測(cè)各樣本點(diǎn)在色溫為3 500 K和6 500 K環(huán)境光下的色度值，各樣本點(diǎn)的色差如圖5所示，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的平均色差分別為1.92和1.09，小于人眼的最小可察覺(jué)色差［15］。

圖5 預(yù)測(cè)色差Fig.5 Predicted color difference

3.2 不同色溫環(huán)境光下的色彩校正流程

上述實(shí)驗(yàn)總結(jié)了彩色電潤(rùn)濕電子紙?jiān)诓煌珳丨h(huán)境光下顯示顏色的變化規(guī)律，可以根據(jù)此規(guī)律進(jìn)行色彩校正。顯示設(shè)備的反向特征化模型記錄了設(shè)備無(wú)關(guān)顏色空間到設(shè)備相關(guān)顏色空間的映射關(guān)系。由于彩色電潤(rùn)濕電子紙的顯示光源為環(huán)境光，其特征化模型即為在設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光下，彩色電潤(rùn)濕電子紙顯示顏色的CIEXYZ色坐標(biāo)到CMY的映射關(guān)系，即一個(gè)環(huán)境光對(duì)應(yīng)一個(gè)特征化模型。然而觀察環(huán)境是隨時(shí)變化的，因此要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光下建立的特征化模型進(jìn)行色彩校正。

記輸入圖片的CIEXYZ色度值，即在測(cè)試光源下的目標(biāo)色度值為ti，該色度值在標(biāo)準(zhǔn)光源下的色度值記為tR，則根據(jù)公式（6）所述不同色溫環(huán)境光下顯示顏色的對(duì)應(yīng)關(guān)系，色彩校正過(guò)程可表示為：

具體校正過(guò)程如圖6所示：

圖6 不同環(huán)境光下的顏色一致性流程圖Fig.6 Flow chart of color consistency under different ambient lighting

（1）將輸入圖像進(jìn)行色彩空間轉(zhuǎn)換，從RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到CIEXYZ顏色空間。

（2）通過(guò)環(huán)境光傳感器采集當(dāng)前環(huán)境光譜。

（3）進(jìn)行色彩校正，得到在測(cè)試光源下原始色度值XYZ校正后的色度值X1Y1Z1。

（4）利用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光下彩色電潤(rùn)濕電子紙的反向特征化模型，得到X1Y1Z1對(duì)應(yīng)的CMY驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)置光源A（色溫為5 000 K）作為標(biāo)準(zhǔn)光源。為了驗(yàn)證本文方法的有效性，選取一個(gè)色溫低于光源A的光源B（色溫為3 500 K）作為實(shí)驗(yàn)光源1，另選取一個(gè)色溫高于光源A的光源C（色溫為6 500 K）作為實(shí)驗(yàn)光源2加以對(duì)照，驗(yàn)證本文方法在環(huán)境光色溫與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光相比發(fā)生高低變化時(shí)的校正效果。3個(gè)光源的相對(duì)光譜分布如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)光源的相對(duì)光譜分布Fig.7 Relative spectral distribution of experimental light sources

將本文方法應(yīng)用到彩色電潤(rùn)濕電子紙顯示系統(tǒng)（分辨率764×550，5.84 in（1 in=2.54 cm））上，選取包括顯示色域邊界和中間部分的100個(gè)色塊，分別測(cè)量測(cè)試色塊在光源B（色溫為3 500 K）和光源C（色溫為6 500 K）下通過(guò)本文方法校正前后的色坐標(biāo)。使用CIE2000色差公式［16］，計(jì)算校正前后與標(biāo)準(zhǔn)光源A（色溫為5 000 K）下顯示顏色的色差。如圖8所示，對(duì)比100個(gè)色塊校正前后的色差，在光源B和光源C下，校正后的平均色差分別減小了55%和35%。

圖8 測(cè)試色塊校正前后的色差Fig.8 Color difference before and after the correction of each test color patch

使用圖片pig和圖片boat在彩色電潤(rùn)濕電子紙顯示屏上進(jìn)行驗(yàn)證，如圖9和圖10所示。

圖9 電潤(rùn)濕電子紙顯示pig效果對(duì)比圖。（a） 標(biāo)準(zhǔn)光源A下的顯示效果；（b） 光源B下的顯示效果；（c） 光源B下校正后的顯示效果；（d） 光源C下的顯示效果；（e） 光源C下校正后的顯示效果。Fig.9 Comparison of the pig effect of electrowetting display.（a） Display effect of pig under standard light source A； （b） Display effect of pigunder light source B； （c） Corrected display effect of pig under light source B； （d） Display effect of pig under light source C； （e） Corrected display effect of pig under light source C.

圖10 電潤(rùn)濕電子紙顯示boat效果對(duì)比圖。（a） Boat在標(biāo)準(zhǔn)光源A下的顯示效果；（b） Boat在光源B下的顯示效果；（c） Boat在光源B下校正后的顯示效果；（d） Boat在光源C下的顯示效果；（e） Boat在光源C下校正后的顯示效果。Fig.10 Comparison of the boat effect of electrowetting display. （a） Display effect of the boat under the standard light source A； （b） Display effect of the boat under light source B ； （c） Corrected display effect of the boat under light source B；（d） Display effect of boat under light source C；（e） Corrected display of the boat under light source C.

如圖7所示，3 500 K色溫環(huán)境光比5 000 K色溫環(huán)境光在波長(zhǎng)為550～780 nm的范圍內(nèi)具有較大的相對(duì)輻射功率，所以在相同電壓下，顯示顏色的紅色分量和綠色分量會(huì)更多。6 500 K色溫環(huán)境光比5 000 K色溫環(huán)境光在波長(zhǎng)為520～780 nm的范圍內(nèi)具有較小的相對(duì)輻射功率，所以相同電壓下顯示顏色紅色分量和綠色分量較少。如圖9和圖10所示，圖9（b）的臉部比圖9（a）更加紅；圖10（b）的背景比圖10（a）更加偏黃；圖9（d）和圖10（d）的整體顯示效果與圖9（a）和圖10（a）相比更加偏藍(lán)。經(jīng)過(guò)本文方法校正后，即圖9（c）和（e），圖10（c）和（e）的顯示效果更加符合標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光下的顯示效果，說(shuō)明本文的校正方法是有效的。

選擇10名顏色視覺(jué)感知正常的觀察者對(duì)顯示圖像進(jìn)行主觀打分，以標(biāo)準(zhǔn)光源下顯示圖像為標(biāo)準(zhǔn)圖，計(jì)算在3 500 K色溫和6 500 K色溫下校正前后顯示圖像下的Z得分［17］。其中，在3 500 K色溫下校正前后顯示圖像的Z得分分別為-0.45和0.45，在6 500 K色溫下校正前后顯示圖像的Z得分分別為-0.25和0.25。

5 結(jié)論

為了減小不同色溫環(huán)境光下彩色電潤(rùn)濕電子紙顯示顏色的色差，本文提出了一種基于彩色電潤(rùn)濕電子紙光譜反射率特性的色彩校正方法，通過(guò)不同色溫環(huán)境光下彩色電潤(rùn)濕電子紙顯示顏色的對(duì)映關(guān)系建立校正模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在兩個(gè)色溫區(qū)別于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光的實(shí)驗(yàn)光源下，本文提出的色彩校正方法使100個(gè)測(cè)試色塊校正后的平均色差分別減小了55%和35%，校正后顯示圖像的平均主觀評(píng)價(jià)Z得分分別為0.45和0.25。