一种建立观察者锥细胞光谱响应函数的方法

摘要

本发明涉及一种建立观察者锥细胞光谱响应函数的方法，通过选择不同原色光谱的显示设备，基于CIE推荐的五个色中心，组织色觉正常的观察者展开跨媒体颜色匹配实验，计算目标色和匹配色的CIELAB色差值。利用蒙特卡洛方法生成不同的8个生理物理参数，与观察者年龄及观察视场角结合，产生n组不同个体观察者锥细胞响应函数，将其代入颜色匹配实验中目标色和匹配色的光谱数据，计算得到n组CIELAB色差值。比较两组CIELAB色差值，将较小色差值对应的颜色匹配函数作为该观察者的颜色匹配函数，从而建立色觉正常的个体观察者的锥细胞光谱响应函数。本发明放大了观察者的辨色差异性，有助于定量化描述观察者的同色异谱现象。

说明书

技术领域

本发明涉及一种建立观察者锥细胞光谱响应函数的方法，通过组织色觉正常的观察者基于不同原色光谱的显示设备展开跨媒体颜色匹配实验，同时利用蒙特卡洛方法随机生成不同组合的8个生理物理参数，与观察者的年龄和观察视场角结合，产生不同的个体观察者颜色匹配函数。将其与CIE1964颜色匹配函数对观察者的匹配结果进行比较，从而建立针对每个观察者的锥细胞光谱响应函数。

背景技术

人与人之间存在色觉分辨的个体差异性，CIE推荐的2°视场下的CIE1931和10°视场下的CIE1964颜色匹配函数，代表的是平均人眼颜色视觉特性，已不足以表征个体观察者的锥细胞光谱响应。1989年，CIE提出了标准观察者偏差模型用来评价观察者的同色异谱，但是研究表明，这种方法的预测结果远低于真实观察者的差异性。基于此，CIE国际照明委员会CIETC1-36分会，于2006年推出CIE2006颜色匹配函数计算模型，该模型考虑到年龄和视场角的因素，可生成20-80岁不同年龄观察者和不同视角的颜色匹配函数。但是由于每个人视网膜上锥体细胞的分布并不完全相同，导致了人眼锥细胞光谱响应存在差异性，所以即使同一年龄阶段的观察者也存在着一定的差异性。

发明内容

近年来窄带宽色域显示设备的出现，进一步放大了观察者个体之间的差异性，观察者的同色异谱在跨媒体颜色传递和再现中成为一个不可避免的问题。因此可能会出现在不同显示设备上呈现的颜色刺激，对于某些观察者来说较为匹配，但是对于其他观察者并不匹配。

本发明的目的在于提出一种建立观察者锥细胞光谱响应函数的方法，合理表征个体观察者的锥细胞光谱响应，解决由于观察者个体之间的差异带来的难以定量化表示颜色感觉差异的问题。

本发明通过组织色觉正常的观察者基于不同原色光谱的显示设备展开颜色匹配实验，同时利用蒙特卡洛方法随机生成不同组合的8个生理物理参数，与观察者的年龄和观察视场角结合，产生不同的个体观察者颜色匹配函数。将其与CIE1964颜色匹配函数对观察者的匹配结果进行测试和检验，从而建立针对每个观察者的锥细胞光谱响应函数。该方法适用于研究观察者个体之间的差异性，并通过实验和模拟计算建立个体观察者锥细胞光谱响应函数，用于表征个体观察者的颜色匹配函数。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种建立观察者锥细胞光谱响应函数的方法，包括如下步骤：

(1)选择两台不同的显示设备，待其达到稳定状态后，将白场下的参数设置成相同或相近的状态，使用光谱辐射度计分别测量显示设备的白场和三原色光谱功率分布；

(2)将其中一台作为目标设备，另一台作为匹配设备，并将五个色中心依次随机呈现在目标设备中央作为目标色；

(3)搭建颜色匹配实验装置，组织色觉正常的观察者在匹配设备上对目标设备所呈现的目标色进行颜色匹配实验；

(4)待每个观察者完成颜色匹配实验后，用光谱辐射度计即时测量目标色和观察者匹配色的光谱信息；

(5)分别计算各自显示设备白场下目标色和匹配色的L^*a^*b^*值，并计算每名观察者匹配的CIELAB色差值；

(6)利用蒙特卡洛方法随机生成不同个体观察者的8个生理物理参数，代入实验中观察者的年龄和观察视场角，产生n组个体观察者的锥细胞响应；

(7)将步骤(6)中产生的n组不同锥细胞响应代入步骤(4)中采集到的目标色和匹配色光谱信息，计算得到n组目标色和匹配色的CIELAB色差值；

(8)比较步骤(7)中的n组色差值和步骤(5)中每个观察者匹配的色差值，将较小色差值对应的颜色匹配函数作为代表该观察者的锥细胞光谱响应。

步骤(1)中，所述的不同显示设备，是指显示设备的红、绿、蓝三原色具有不同的光谱功率分布，即光谱功率分布具有较大差异，其中包括光谱功率分布曲线具有不同的光谱形状、带宽和/或峰值波长位置，即至少有一个特征不同。可在不同品牌、不同发光原理(LCD液晶、LED背光、OLED等)的专业级显示设备和办公显示设备中选择。

白场下参数具体指色温、亮度。将白场下的参数设置成相同或相近的状态，通常要求色温的变化范围在±100K之间，亮度的变化范围在±10cd/cm²之间。

将显示设备的实测参数调为一致后，利用光谱辐射度计在显示设备的屏幕中央位置分别测量显示设备的红(R＝255，G＝0，B＝0)、绿(R＝0，G＝255，B＝0)、蓝(R＝0，G＝0，B＝255)三原色的光谱功率分布和白场的(R＝255，G＝255，B＝255)光谱功率分布，测量时测量仪器的测量头需与测量色样保持垂直。

测量白场和红绿蓝三个通道的原色光谱时，在显示设备的中间位置分别呈现白以及红、绿、蓝三个单通道颜色的色块，使用光谱辐射度计在显示设备正前方垂直测量并采集光谱数据。

步骤(2)中，所述的五个色中心在CIELAB色空间均匀分布，且饱和度不是很高，不会出现超色域的现象。优选的，采用CIE推荐的五个色中心，分别为灰、红、黄、绿、蓝，均匀地分布在CIELAB色空间，且饱和度不高，不会出现超色域现象。色中心可以圆形或方形显示，大小以直径不小于5cm(或边长不小于5cm)为宜。用光谱辐射度计在距离色块60cm左右处，测量头垂直于显示设备上的色块进行测量，采集其光谱功率分布，并代入白场的光谱功率分布，CIE1964颜色匹配函数计算比较。在目标设备上呈现目标色的色度值与CIE推荐五个色中心的色度值相同或尽可能一致，CIELAB色差值≤5.0，且色中心随机地呈现在目标设备中央。

步骤(3)中，搭建颜色匹配实验装置是指将目标设备和匹配设备并排放置，并在目标设备和匹配设备中间位置设置相同大小的色块，显示器的其余部分均为黑色。待匹配设备显示的色块与目标设备显示的色块高度应相同。为避免其他杂光的干扰，观察环境为暗室。观察者在进行颜色匹配实验时，需正坐于显示设备前方，距离显示设备60cm，观察方向与颜色中心保持垂直。分别基于目标设备上随机呈现的五个色中心，在匹配设备上通过调节RGB三通道进行颜色匹配，最终使两台设备上呈现的同一颜色达到色觉匹配。

步骤(4)中，待每名观察者的颜色匹配实验完成后，用光谱辐射度计在距离色块60cm左右处，测量头垂直于显示设备上的色块进行测量，采集观察者匹配颜色的光谱功率分布。

步骤(5)中，将步骤(4)采集到的观察者匹配颜色的光谱功率分布代入CIE1964颜色匹配函数计算匹配色的XYZ色度值，并在步骤(1)中测量得到的匹配设备的白场下进行转换，得到观察者匹配颜色的L^*a^*b^*值以及匹配色和目标色的CIELAB色差值。即测量的目标色和观察者匹配色的光谱信息，需在各自白场下代入CIE1964颜色匹配函数计算色块的L^*a^*b^*色度值，从而进一步计算CIELAB色差值。

步骤(6)中，所述的8个生理物理参数分别是：d_lens，d_macula，d_L，d_M，d_S，s_L，s_M，s_S。它们分别代表：晶状体色素密度与平均值的偏差，黄斑色素峰值光密度与平均值的偏差，L、M、S锥细胞视色素的峰值光密度和平均值的偏差，以及L、M、S锥细胞视色素峰值波长和平均值的偏离。

利用蒙特卡洛方法生成n组8个生理物理参数的不同组合，每个生理参数即为在初始值基础上变化的一个数。取值的依据即为在初始值的基础上随机设定变化值或位移值。n指不同的生理物理参数变化组合，n≥2，n的数值越大越好，优选n≥100，符合数学概率统计的要求。观察视场角为10°，固定不变，将每名观察者的年龄和不同的8个生理物理参数结合，代入锥细胞响应公式进行计算，生成n组个体观察者的锥细胞光谱响应。

步骤(7)中，将生成的n组个体观察者锥细胞光谱响应视为观察者的颜色匹配函数，并分别进行步骤(5)的计算，代入目标色和每个观察者匹配色的光谱信息，计算得到n组CIELAB色差值。

步骤(8)中，通过比较优化建立的颜色匹配函数和CIE1964颜色匹配函数计算的n组色差值，将较小色差值对应的颜色匹配函数作为代表该观察者的锥细胞光谱响应，从而建立色觉正常的个体观察者的锥细胞光谱响应函数。具体地，对步骤(5)中每个观察者匹配的CIELAB色差值和步骤(7)中计算的CIELAB色差值进行大小比较，将较小色差值对应的颜色匹配函数视作该观察者的锥细胞光谱响应。

本发明建立观察者锥细胞光谱响应函数的方法，通过选择两台不同原色光谱的显示设备，基于CIE推荐的五个色中心，组织色觉正常的观察者展开跨媒体颜色匹配实验。并将采集到的目标色和匹配色的色度值经过各自白场计算得到L^*a^*b^*值，从而计算二者的CIELAB色差值。同时利用蒙特卡洛方法生成不同的8个生理物理参数，与观察者年龄及视场角结合，计算产生n组不同个体观察者锥细胞响应函数。将其代入实验中目标色和匹配色的光谱数据，计算得到n组CIELAB色差值。比较模拟计算的n组色差值和实验中每个观察者匹配的色差值(即比较优化建立的颜色匹配函数和CIE1964颜色匹配函数计算的n组色差值)，将较小色差值对应的颜色匹配函数作为代表该观察者的锥细胞光谱响应，从而建立色觉正常的个体观察者的锥细胞光谱响应函数。

本发明通过选择原色光谱不同的两台显示设备，放大了观察者的辨色差异性，便于进一步研究色觉正常观察者个体之间的差异性，同时有助于定量化描述观察者的同色异谱现象。

本发明对不同个体观察者锥细胞光谱响应给出了一种特性化的表征方法，通过颜色匹配实验和模拟计算，建立个体观察者颜色匹配函数，并与实验中观察者匹配的色差结果进行比较，从而建立观察者的锥细胞光谱响应函数。

下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1为实验选择的两台显示设备的三原色光谱功率分布曲线。

图2为颜色匹配实验示意图。

图3为一名观察者基于灰色中心的匹配色和目标色的光谱功率分布曲线。

图4为针对八名观察者建立的新的颜色匹配函数。

具体实施方式

本发明选择了不同原色光谱的两台显示设备，基于CIE推荐的五个色中心，组织色觉正常的观察者展开颜色匹配实验。在两台显示设备的白场下分别计算目标色和匹配色的L^*a^*b^*值，从而计算得到每名观察者匹配的CIELAB色差值。同时利用蒙特卡洛方法进行模拟生成不同个体观察者的颜色匹配函数，并代入目标色和匹配色的光谱数据，计算得到模拟后的CIELAB色差值。对实验中每个观察者匹配的CIELAB色差值和模拟匹配实验中的CIELAB色差值进行大小比较，将较小色差值对应的颜色匹配函数视作该观察者的锥细胞光谱响应。需要说明的是，本发明并不局限于显示设备与显示设备之间的颜色匹配，可适用于不同呈色方式之间的颜色匹配。目标设备上的目标色也并不局限于CIE推荐的五个颜色中心。本发明建立观察者锥细胞光谱响应函数的方法，包括如下步骤：

(1)选取两台显示设备，开机60min待其达到稳定状态后，将白场下(R＝255，G＝255，B＝255)的实测色温、实测亮度分别设置为5000K，120cd/m²，并用Photo>

测量白场和红绿蓝三个通道的原色光谱时，在显示设备的中间位置分别呈现白(R＝255，G＝255，B＝255)以及红(R＝255，G＝0，B＝0)、绿(R＝0，G＝255，B＝0)、蓝(R＝0，G＝0，B＝255)三个单通道颜色的色块，使用PR655光谱辐射度计在显示设备正前方约60cm处垂直测量并采集光谱数据。

(2)将iPad作为颜色匹配实验中的目标设备，将QUATO作为观察者的匹配设备。并选择CIE推荐的五个色中心：灰、红、黄、绿、蓝作为颜色匹配实验的目标色，因为这五个色中心在CIELAB色空间均匀分布，且饱和度不是很高，不会出现超色域的现象。目标设备上显示颜色中心的实测值(D65/10°)和推荐值如表1所示：

表1目标设备显示颜色和CIE推荐颜色色度值

(3)将两台显示设备并排放置，且在其中间位置分别设置9cm×9cm的色块，要求两个色块处于同一水平线上，其余地方均用黑色卡纸遮起来，以免色块受到背景光的影响，如图2所示。将五个色中心随机地呈现在目标设备iPad的中央，组织色觉正常的观察者在匹配设备QUATO上通过调节RGB三通道，将QUATO上的色块调成与目标色视觉上看起来相同或十分相近。

(4)待观察者每匹配完一个颜色，用PR655光谱辐射度计即时测量目标色和观察者匹配色的色度值及光谱信息，并代入CIE1964颜色匹配函数计算每台显示器白场下色块的LAB值，从而计算每名观察者基于两台显示设备匹配的CIELAB色差值ΔE_M。图3所示是其中一名观察者基于灰色中心的匹配色和目标色的光谱功率分布曲线。

(5)在组织观察者进行颜色匹配实验之后，利用蒙特卡洛方法生成100组不同组合的8个生理物理参数，表2所示为100组8个生理物理参数的不同组合。

代入实验中观察者的年龄和观察视场角(10°)，计算得到每个年龄下的100组个体观察者的锥细胞光谱响应函数，计算公式如式(1)所示：

lms＝f(a,v,d_lens,d_macula,d_L,d_M,d_S,s_L,s_M,s_S)>

其中，lms：观察者的红绿蓝三通道的锥细胞光谱响应，d_lens：晶状体色素密度与平均值的偏差，d_macula：黄斑色素峰值光密度与平均值的偏差，d_L：L锥细胞视色素的峰值光密度和平均值的偏差，d_M：M锥细胞视色素的峰值光密度和平均值的偏差，d_S：S锥细胞视色素的峰值光密度和平均值的偏差，s_L：L锥细胞视色素峰值波长和平均值的偏离，s_M：M锥细胞视色素峰值波长和平均值的偏离，s_S：S锥细胞视色素峰值波长和平均值的偏离。a：观察者的年龄，v：视场(10°)。

公式(1)的计算与CIE2006颜色匹配函数的计算方法相同，将观察者的年龄和视场(10°)代入，主要是将CIE2006计算中代表观察者平均锥细胞响应的参数考虑到观察者个体的变化，进行修正，其中：

D_ocul(λ)＝D_ocul,ave(λ)(1+d_lens/100)>

式(2)中，当观测者年龄a＝20～60时：

D_ocul,ave(λ)＝D_ocul,1(λ)(1+0.02(a-32))+D_ocul,2(λ)；>

当观测者年龄a＞60时：

D_ocul,ave(λ)＝D_ocul,1(λ)(1.56+0.0667(a-60))+D_ocul,2(λ)>

其中D_ocul,1为与年龄相关的屈光系统密度，D_ocul,2分别为与年龄无关的屈光系统密度。CIE2006给出了具体的数据。

视网膜黄斑色素的密度：D_macula(λ)＝D_max,maculaD_{relative,macula}(λ)>

D_max,macula＝0.485e^-v/6.132(1+d_macula)>

式(6)中，D_{max,macula>为视网膜黄斑视素的最大光学密度，Drelative,macula>(λ)视网膜黄斑视素的相对光学密度，该数值CIE2006已给出。}

锥细胞的光谱吸收由式(7)给出，其中α_j(λ)(j＝L,M,S)为不同锥细胞的光谱吸收，可由公式(7)，(8)，(9)计算出：

α_j(λ)＝1-10^{-Dmax,photopig,jAshift,j(λ)}>

A_shift,j(λ)＝A_j(λ-s_j)>

D_{max,photopig,L}＝(0.38+0.54e^-v/1.333)(1+d_L/100)

D_{max,photopig,M}＝(0.38+0.54e^-v/1.333)(1+d_M/100)>

D_{max,photopig,S}＝(0.30+0.45e^-v/1.333)(1+d_S/100)

其中D_{max,photopig,,j}为锥细胞的峰值光学密度，A_shift,j是锥细胞的低光密度光谱吸收度的偏移。A_j(λ)是平均低光密度光谱吸收度，该数值CIE2006已给出。

最后，观察者的锥细胞响应可由式(10)计算得到：

l(λ)＝α_l(λ)10^{-Dmacula(λ)-Docul(λ)}

m(λ)＝α_m(λ)10^{-Dmacula(λ)-Docul(λ)}>

s(λ)＝α_s(λ)10^{-Dmacula(λ)-Docul(λ)}

(6)将步骤(5)中生成的n组个体观察者锥细胞光谱响应分别视为观察者的颜色匹配函数，进行步骤(4)的计算，代入目标色和每个观察者匹配色的光谱信息，计算得到n组CIELAB色差值ΔE_Sn，为比较不同蒙特卡洛方法模拟n组不同的生理物理参数变化组合的优化效果，分别模拟了n＝100，,400，,1000组生理物理参数，优化计算色差分别用ΔE_S100，ΔE_S400，ΔE_S1000表示。

(7)比较步骤(4)中每个观察者匹配的色差值ΔE_M和步骤(6)中模拟的ΔE_Sn，色差值越小明说对于颜色匹配函数与观察者的锥细胞响应函数越接近。如表3所示，在10名观察者中有8名观察者的基于优化建立的颜色匹配函数计算的色差小于CIE1964颜色匹配函数计算的色差，说明优化建立的颜色匹配函数表现性能优于CIE1964颜色匹配函数，故针对这8名观察者，分别观察者个体的颜色匹配函数，以表征每个观察者个体的锥细胞光谱响应函数，如图4所示。

表3每名观察者匹配色差值和模拟的最小色差值

表3中每名观察者较小色差值对应的八个生理物理参数和年龄如表4所示。可见，每名观察者的生理物理参数都在初始值的基础上有所偏差，且个体间的锥细胞光谱响应存在着一定差异。通过表征个体观察者的颜色匹配函数，从而定量化描述观察者之间的辨色差异性。

表4 10°视场角下不同年龄观察者的8个生理物理参数

(第一行为初始值)

本发明基于不同原色光谱的显示设备，组织色觉正常的观察者展开跨媒体颜色匹配实验。同时利用蒙特卡洛方法生成不同的8个生理物理参数的组合，与观察者年龄及视场角结合，产生n组不同个体观察者锥细胞响应函数。通过比较基于优化建立的颜色匹配函数和CIE1964颜色匹配函数计算的n组色差值，将较小色差值对应的颜色匹配函数作为代表该观察者的锥细胞光谱响应，从而建立色觉正常的个体观察者的锥细胞光谱响应函数。