人眼对不同颜色色差辨别能力的研究

1、人眼对不同颜色色差辨别能力的研究赵小明1，滕鹏超1，宗靖国2（1.西安电子科技大学物理与光电工程学院 陕西 西安 710071；2.西安诺瓦电子科技有限公司， 陕西 西安 710075）摘要： 人眼对不同颜色的感知与辨别能力存在差异,容易导致观察到的画面中不同颜色亮色度均匀性效果不理想。本文针对人眼对不同颜色亮色度差异的敏感性顺序设计实验进行定量分析，并与通过CIE2000色差公式计算得到的理论结果进行对比，总结出人眼对不同颜色亮色度差异的敏感性顺序。从而可以将其应用到LED显示屏的生产过程中以及校正处理中，提高显示图像的质量。关键词： LED显示屏 颜色视觉辨别特性 色差Study of h

2、uman eye visual discrimination to color-differenceZhao Xiaoming1，Teng Pengchao2(1. Shool of Physics and optoelectronic engineering, Xidian University, Xian 710071, China;2.Xian NovaStar Tech Co., LTD，Xian 710075 China)Abstract:There are differences between different colors in perception and discrimi

3、nation,it is easy to cause the color-difference uniformity unsatisfactory of the observed images between different colors.In this paper,we conduct an experiment in order to carry out the quantitative analysis of human eye sensitivity to color-difference, compare with the theoretical results calculat

4、ed from CIE2000 color-difference formula, then sum up the human eye sensitivity to color-difference.Thus,we can apply it to the production of LED display and correction processingfor the sake of improving the quality of images.Keywords: LED display color discrimination characteristics color-differen

5、ce1.引言 LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，广泛应用于体育、广告、教育等行业，随着科技和工业的发展，人们对于LED显示屏显示画面的质量也提出了更高的要求。其中,亮色度均匀性是衡量显示屏颜色质量的重要指标,但是LED显示屏制作工艺水平有限、器件老化程度不一致等客观原因容易导致其显示图像色度和亮度的不均匀。另外人眼作为画面的接受终端是一个非常精细复杂的非线性系统，对不同颜色的感知能力存在差异，会在客观原因的基础上加剧感知画面亮色度的不均匀性。由此可见,人眼对图像的评价特性显得尤为重要。为了得到人眼对不同颜色色差的响应差异，本文从实验与理论两个方面分析人眼对不同颜色色差的敏感性顺序，为LE

6、D灯点的生产、选型、显示屏非均匀性校正等处理环节提供有效的理论与实验支持，进行客观预处理，减轻人眼对图像中不同颜色亮色度差异视觉特性的不一致性，进一步提高LED显示屏显示画面的均匀性。2理论分析 人眼是图像的接受终端，人眼视觉系统特性是图像显示、处理、理解等技术的理论基础，所以在评价图像色差时应考虑人类视觉系统特性【1】。在理想的情况下,颜色应当用符合人眼颜色视觉特性的均匀颜色空间来表示,相同的视觉间隔代表了相同的颜色差异。这种定量地表示两个刺激色样之间颜色差异程度的量值称为色差,而用以描述色差的评价模型即为色差公式【1】。理想的色差公式应当建立在均匀颜色空间上,以确保其预测色差与目视测量结果

7、之间具有良好的一致性，本文分析所选用的色差公式是与人眼颜色视觉判别特性较相符的CIE1976-LAB色差公式和CIE2000(，)色差公式【4】。 CIE1976 Lab均匀颜色空间是CIE1931标准色度学系统的非线性变换,它将XYZ直角坐标颜色空间转换为柱面极坐标,将三刺激值XYZ转换成与眼睛视觉相一致的明度L和色度a、b。CIE1976 Lab均匀颜色空间表示颜色的方式,较好地模拟了人眼对颜色的感觉【4】。该方法的优点是计算结果与人眼视觉的相关性较好,对大色差具有较好的预测性能且计算公式较简单，因此在现今工业生产中仍被广泛应用。 CIE1976-LAB色差公式如下： (1)其中，为明度差

8、，为红绿色品差，为黄蓝色品差； 由于CIE1976 Lab均匀颜色空间和色差公式仍然存在缺陷【5】，为了进一步提高计算色差与视觉色差间的一致性，国际照明委员会经过对现有色差模型和视觉评价数据的分析和测试,在2001年提出了一个新的色差评价公式CIE2000(，)色差公式,通常简称为CIEDE2000。该公式相对于先前的公式要复杂许多，但是具有更高的预测精度。CIE-DE2000色差公式如下： (2) (3) (4) (5)其中, 为明度差，为彩度差，为色调差，、和分别为其加权函数， 、和分别为其实验条件校正项，为色调差与彩度差的交叉项修正系数；本文以CIE-LAB色彩空间为标准两批次LED光功

9、率相等，波长偏差5nm，通过计算得到红R、绿G、蓝B、白W、青C、黄Y、紫P等不同颜色感知差异，通过比较不同颜色色差值的大小确定人眼对不同颜色亮色度敏感性顺序。表1 两批次波长，光功率，半高宽值LED颜色批次1批次2波长光功率半高宽波长光功率半高宽红R620nm100W15nm625nm100W15nm绿G520nm100W30nm525nm100W30nm蓝B460nm100W20nm465nm100W20nm 根据上表的峰值波长及半高宽拟合LED相对光谱功率分布曲线，计算如下： (6)其中，为峰值波长，为光谱半高宽； 根据LED相对光谱功率分布曲线计算三刺激值，如下3： (7)其中，为可见

10、光波长(380nm780nm)；为归一化系数，若Y需要用绝对光度量表示则= 683lm/W；否则一般将光源Y值调整到100，计算式如下： (8)为LED相对光谱功率分布；为LED颜色刺激函数，对于自发光物体来说，为发光物体辐射的相对光谱功率分布，计算式如下：；而、和为CIE标准观察者光谱三刺激值(查表可得)； 以LAB色彩空间为基准，将XYZ值转换为LAB值如下式【2】： (9)联合公式（6）、（7）、（8）、（9）计算得到不同颜色的L,a,b值。根据公式（1）可以直接计算CIE1976-LAB色差值；再根据公式(2) 、(3)、(4)、(5)可计算出CIE-DE2000色差值； 表 2 两批

11、次不同颜色XYZ值、LAB值计算结果LED颜色红R绿G蓝B白W青C黄Y紫P批次1X1574.666.7188.0829.3254.7641.3762.6Y1261.0463.943.3768.2507.2724.9304.3Z10.12874.251080.81155.21155.174.41080.9L1143.7177.571.8212.9183.3208.5152.1a1222.5-389.4249.442.8-164.5-22.8276.4b1254.2157.5-278.5-44.8-95.8210.9-140.0批次2X2510.094.4162.4766.8256.8604.46

12、72.4Y2221.5514.453.6789.5568.0735.9275.1Z20.08254.4984.01038.51038.454.5984.1L2135.2184.278.26215.0191.0209.6146.5A2223.6-364.2191.47.23-195.7-46.2259.3B2242.5186.5-254.1-25.9-67.3230.2-136.4表3 两批次不同颜色色差计算结果LED颜色红绿蓝白青黄紫色差114.5439.0463.2440.3642.9330.3218.42色差23.964.838.5213.010.13.582.66注：色差1为CIE197

13、6-LAB色差公式计算结果，色差2为CIE-DE2000色差公式计算结果，白W、青C、黄Y和紫P四色的三刺激值为红绿蓝累和； 理论结果分析：根据上述表格的数据可以分析得知不同颜色亮色度差异敏感顺序为紫P 黄Y 红R 绿G 蓝B 青C 黄蓝紫青绿红；4结果分析与探讨 对比实验与理论的结果可以发现两者不完全相同，造成该现象的因素可能有以下几种：（1）显示屏的面积有限，人眼视觉的亮度精度会有所降低，所以在实验中尽量使用较大的显示屏；（2）环境背景光微弱变化的影响；（3）人眼视场角较小，不容易捕获亮度差异；（4）不同观察者的主观判断存在误差与区别。由于实验容易受到各种主客观因素的影响，所以总的结论以理

14、论分析的结果为主，实验结果对理论分析进行验证；实验结果能更好地验证该理论分析的在实际生活中的正确性。综上所述可以得到以下结论：色差可以表示成不同的色度参数，各个参数共同作用影响人眼的视觉效果；在单色中，不同颜色人眼亮色度敏感性顺序为蓝绿红；复色中，白色的亮色度敏感性最强，并且复色的色差可能小于单色；根据上述结论可以得知：由于蓝色的人眼敏感性更强，在生产LED显示屏时，在同一屏体内蓝色灯点的精度要求最高，绿色次之，红色的精度要求最低；在校正处理时也要对蓝色灯点的控制更加严格，红色较为宽松，绿色介于两者之间，这样才能满足人眼对不同颜色的亮色度敏感性顺序，提高图像的显示效果。参考文献1 汪哲弘.颜色视觉辨别特性及色差评价研究D.浙江 浙江大学.2009:14-15.2 蔡圣燕.各个CIE表色系的导出与相互关系. 印刷杂志，2001（50）.3 周双全，赵达尊。三刺激值的转换研究。北京理工大学学报（英文版），2000（1）.4 刘浩学，黄敏，武兵，徐艳芳.色差公式在评价显示图像颜色中有效性的测试.北京印刷 学院学报，2008（6）：29-30.5 郑元林，杨淑蕙，周世生，曹从军.CIE 1976LAB色差公式的均匀性研究.包装工