GBT 43596-2023 影像灰度标准显示函数标定方法（正式版）

影像灰度标准显示函数标定方法2023-12-28发布国家标准化管理委员会GB/T43596—2023前言 I 2规范性引用文件 3术语和定义 4原理 5标定条件 6标定步骤 6.1概述 6.2电子显示媒介 6.3打印显示媒介 7标定数据的处理 8标定(测量)的不确定度 6附录A(资料性)Barten模型 8附录B(规范性)电子显示媒介式影像输出设备灰度标准显示函数 附录C(规范性)打印显示媒介式影像输出设备(透射类)灰度标准显示函数 附录D(规范性)打印显示媒介式影像输出设备(反射类)灰度标准显示函数 参考文献 I本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国科学院提出。本文件由全国光电测量标准化技术委员会(SAC/TC487)归口。本文件起草单位：中国计量科学研究院、北京印刷学院、北京航空航天大学、北京大学第三医院、上海联影医疗科技股份有限公司、中国科学院空天信息创新研究院、广东省中量检测有限公司、北京大学、北京万东医疗科技股份有限公司、重庆大学、中国计量大学、广东省建筑设计研究院有限公司、广州计量检测技术研究院、山东第一医科大学。1影像灰度标准显示函数标定方法1范围本文件描述了用灰度显示影像的灰度标准显示函数的标定原理、标定条件、标定材料、仪器设备、标定步骤、标定数据的处理、标定(测量)的不确定度等。本文件适用于用于影像显示的电子显示媒介(例如显示器、投影显示设备、显示屏等)和打印显示媒介(例如打印机、印刷机等)显示的灰度，主要是医学影像，其他影像参照使用。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。JJG211—2021亮度计JJG452—2021黑白密度片3术语和定义JJG452—2021界定的以及下列术语和定义适用于本文件。影像灰度imagegrayscale影像的某一区域像素所对应的灰度计算值。注1:影像灰度用单色调颜色(一般是黑白色或三原色)的明度表示。影像灰度绝对量值的测量与具体显示影像的媒介相关。注2:影像包括了图像，某一区域可能是单像素，也可能是多像素。注3:计算值指该区域灰度值的处理，例如取平均值。人眼亮度视觉模型humanvisualmodelforluminance表示人眼感知的亮度与亮度源能量之间定量化关系的函数模型。注：构造该模型的函数自变量是不同能量的亮度源，因变量是人眼感知的亮度。灰度标准显示函数grayscalestandarddisplayfunction表示影像显示媒介的输入量和输出量之间的对应关系。注：灰度标准显示函数以人眼亮度视觉模型为基础建立。对于电子显示媒介，描述了输入电平与显示亮度之间的关系；对于打印显示媒介，描述了其输入电平与光学密度之间的关系。亮度luminance在给定方向每单元面积发射的发光强度。2光学密度opticdensity光透射比的倒数取10为底的对数。灰度标准显示函数标定是指在影像动态显示范围内，将显示媒介的显示特性曲线标定为与灰度标准显示函数最为吻合的显示函数，即对于一个输入电平，通过该动态范围内的标准显示函数可唯一对应一个输出电平。峰峰阈值调制产生的标定步长按公式(1)计算：Dwtput=sF-¹[S(j)]式中：Dwpu——标定步长，单位为坎德拉每平方米(cd/m²)或者1;s——被标定设备的特性参数，可为1;F-1——被标定媒介(设备)的特性函数，由媒介(设备)的制造商给出，如未给出，可为1;S(j)——标准灰度等级，j为灰度等级序号。S(j)由以下几个参数决定：a)被标定显示系统的最小显示亮度所对应的灰度标准显示函数的输入电平标识；b)被标定显示系统的亮度范围内所对应的标准灰度等级的个数；c)被标定显示系统的数字分辨率R。对任一影像显示媒介的灰度显示特性按照公式(2)、公式(3)进行标定：式中：j。——第0级灰度等级序号；R——被标定显示系统的数字分辨率；Njnp——被标定显示系统的最小间隔电平的等效刺激值；Dmpu——产生标定步长对应的输入电平。对于电子显示媒介，采用Barten模型(见附录A)为人眼亮度视觉模型建立的灰度标准显示函数计量装置复现的灰度标准显示函数应满足附录B,公式(2)中的Dmu用D。表示。对于打印显示媒介，采用光学密度D进行标定。a)对于打印后采用透射式观察影像的打印式媒介(以下简称透射胶片),灰度(用亮度表示)和打印出的光学密度D的关系按公式(3)计算：式中：L——透射胶片的影像灰度(亮度),单位为坎德拉每平方米(cd/m²);L。——放置最黑透射胶片时观察到的亮度，单位为坎德拉每平方米(cd/m²);L。——没有透射胶片时观片灯的亮度，单位为坎德拉每平方米(cd/m²);D——透射光学密度，单位为1。如果胶片打印的密度范围从Dmin到Dmx,其最终的灰度范围按公式(4)和公式(5)计算：式中：Lmin——透射胶片打印的最小密度对应的最小亮度(灰度),单位为坎德拉每平方米(cd/m²);3GB/T43596—2023Dmax——透射胶片打印的最大密度，单位为1。Lmax=L。+L。10-Dmi…(5)式中：Lmx——透射胶片打印的最大密度对应的最大亮度(灰度),单位为坎德拉每平方米(cd/m²);Dmin——透射胶片打印的最小密度，单位为1。j的范围相应的为jmin=j(Lmin)到jmx=j(Lmax)。某一驱动电平所对应的光学密度D(p)按公式(6)计算：式中：L[Dm(p)]——放置某一透射胶片时观片灯的亮度，单位为坎德拉每平方米(cd/m²),该胶片的光学密度值为Dm(p),对应的驱动电平用p标记。透射胶片所对应的灰度标准显示函数应满足附录C(查找表形式),其对应的观片灯参数L₀=2000cd/m²,L₄=10cd/m²。b)对于打印后采用反射式判读影像的打印式媒介(以下简称反射片),灰度和打印出的光学密度D按公式(7)计算： (7)如果反射片打印的密度范围为Dmin～Dmx,那么其最终亮度范围按公式(8)和公式(9)计算： (8)式中：Lmin—-反射片打印的最小密度对应的最小亮度(灰度),单位为坎德拉每平方米(cd/m²);Dmas——反射片打印的最大密度，单位为1。式中：Lmx——反射片打印的最大密度对应的最大亮度(灰度),单位为坎德拉每平方米(cd/m²);Dmin——反射片打印的最小密度，单位为1。j的范围相应的为jmin=j(Lmìn)到jmax=j(Lmax)。某一驱动电平所对应的光学密度D(p)按公式(10)计算：………………反射片所对应的灰度标准显示函数应满足附录D(查找表形式),其对应的观察面参数L。=5标定条件当显示媒介为电子显示媒介时，应使用亮度计测量其显示特性曲线，根据所测数字式显示媒介的显示亮度范围选用有相应亮度测量范围的亮度计，其准确度要求应符合JJG211—2021第5章，应采用一级以上。标定环境亮度应低于0.05cd/m²。能进入视场的反射物体环境表面反射比应小于10%,测试暗室中不应有其他辐射源。当显示媒介为打印显示媒介时，应使用光学密度计测量其显示特性曲线，标定条件为使用测量范围为(0～5)的漫透射视觉密度计，密度计的等级为标准密度计，其准确度要求：D≤2.0时示值误差不超过±0.02;D>2.0时示值误差不超过±1%。同时应使用光学密度片作为测量其显示特性曲线的中间4媒质。光学密度片的光学密度范围应至少包括(0.05～4.50),其准确度要求见JJG452—2021的4.2及第5章，宜使用标准密度片。6标定步骤标定过程的示意见图1。显示媒介标定系统晁示媒介灰度标定曲线的显示特性曲线标定曲线L)L)CalCL灰度标准显示函数GSDFDm——显示媒介输入的数字驱动电平；L.——影像显示媒介的输出亮度。图1标定过程示意图标定过程是将影像显示媒介灰度的显示特性曲线ChaC与灰度标准显示函数GSDF(曲线)进行对比。影像显示媒介的显示特性曲线ChaC为从显示媒介输入的数字驱动电平D。与影像显示媒介的输出亮度L。之间的关系，其输入量和输出量之间用公式(11)表示。Lm=F(Dm)…(11)式中：L。——影像显示媒介的输出亮度；D。——显示媒介输入的数字驱动电平。对于电子显示媒介，其输入量为数字驱动电平(输出显示亮度的输入驱动),输出量为相应的显示亮度。该曲线描述了其输入电平与显示亮度之间的关系。对于打印显示媒介，该曲线描述了其输入电平与光学密度之间的关系。某一显示媒介的显示特性通过测量得到。标准灰度显示函数GSDF(曲线)是标定完成后得到的显示特性曲线，通过二者之间的对比运算，得到标定曲线CalC,其关系用公式(12)计算：5GB/T43596—2023式中：CalC——标定曲线；GSDF——灰度标准显示函数；ChaC——显示媒介的灰度显示特性曲线。6.2电子显示媒介电子显示媒介标定过程流程见图2,标定流程如下：a)测量某一电子显示媒介的灰度显示特性，亮度测试的视场条件为2°视场，电子显示媒介应采用无任何图形的均匀图片，采用电子显示媒介的控制系统(软件)进行灰阶的变化调整；b)根据所测量得到的亮度范围对应到标准显示函数区域；c)按输出设备的数据位数插值标准显示函数；d)根据插值结果和亮度等级确定输入输出对应关系。开始测量某一电子显示媒介的灰度显示特性根据所测亮度范围对应到标准显示函数区域按输山设备的数据位数插值标准显示函数根据插值结果和亮度等级确定输入输山对应关系图2电子显示媒介标定过程流程图6.3打印显示媒介打印显示媒介标定过程流程见图3,标定流程如下：a)测量某一打印显示媒介的灰度显示特性，使用漫透射视觉密度计进行测量：b)根据所测量得到的光学密度范围对应到标准显示函数区域；c)按输出设备的数据位数插值标准显示函数；d)根据插值结果和光学密度等级确定输入输出对应关系。6GB/T43596—2023开始开始测量某一打印显示媒介的灰度显示特性根据所测光学密度范围对应到标准显示函数区城按输出设备的数据位数插值标准显示函数根据插值结果和光学密度等级确定输入输出对应关系结束图3打印显示媒介标定过程流程图7标定数据的处理标定结果为被标定影像媒介的灰度显示标定曲线。对于主流影像显示媒介，一般具备标定功能，该曲线主要用离散数据对表示，即查找表的方式。对于无标定功能的影像显示媒介，宜根据标定数据使用二次多项式以上的数学式作为标定曲线。8标定(测量)的不确定度由公式(3)可得到标定结果的不确定度模型，见公式(13):u(Doupu)=√u(Lm)²+u(Lp)²………………(13)式中：u(L)——亮度计在影像灰度标准装置上的标定不确定度；u(Lp)——在整个动态范围内各标定点灰度标准显示函数的标准亮度与被标定影像媒介的对应亮度之间的亮度差所对应的不确定度。u(Lm)由对影像灰度标准装置的不确定度分析给出，u(Lp)由标定过程中所有标定值的亮度差的均方根按公式(14)给出。…(14)式中：Lm,——第i个标定点被标定影像媒介的亮度。7不确不确定灰度等级图4u(Lp)来源示例8(资料性)Barten模型综合了以下因素：a)人眼神经系统噪声：表征了进入人眼的图像的高空间频率成分对比度的上限；b)人眼的横向约束：是指杆状细胞对进入人眼的图像的低空间频率成分具有衰减作用，即对图像的频率进行空间上的低通滤波；c)进入人眼的光噪声：定义为人眼对比敏感度的光亮度，受以下三参数波动的影响——光通量h、光瞳直径d和人眼的光量子效率，根据Devries-Rose定律，在低光照水平，人眼对比敏感度和亮度的平方根成比例；d)进入人眼的其他噪声；e)人眼有限的积分能力；f)人眼的光调制传递函数；g)光的方向性；h)时间过滤。在本模型中，人眼的积分时间设定为0.1s。除了时间积分，还需考虑空间积分。设人眼识别的图像空间的有效区域空间大小为0.5°<X。<60°,其积分周期为1/u,其中X。表示空间大小。人眼的光调制传递函数从高斯点扩散函数推导，包括了人眼瞳孔的光学特性、介质的杂散光和漫射性，以及人眼视网膜上的感光细胞的离散性(类似于光学系统的球差),按公式(A.1)计算：M₀(u)=e-*²82u2………(A.1)式中：M(u)——人眼的光调制传递函数；δ——人眼瞳孔的光学特性参数，按公式(A.2)计算；u——图像的空间频率。δ=√6i+(Cgh·d³)”……(A.2)式中：δ。——最小孔径时的δ;d——瞳孔的直径。其他噪声主要包括显示系统噪声和图像噪声。对比灵敏度与测试的模式相关，接近正弦关系，最大灵敏度值出现在0°和90°,最小灵敏度值出现在45°。对比灵敏度的差别仅出现在图像的高频率成分，影响反映在不同的积分模式中。综合以上因素的对比灵敏度S(u)和图像的空间频率u的关系按公式(A.3)计算：………(A.3)式中：S(u)——对比灵敏度；k——系数，取值3.3;T——周期，为空间频率u的倒数，单位为毫米每对线(mm/lp);9GB/T43596—2023h——量子效率，取值357×3600photos/tdsecdeg²;o——由神经噪声产生的不变偏差，取值3×10-8secdeg²;u——空间频率，单位为对线每pExr——由额外噪声产生的对比度偏差；I₁=πd²L/4……(A.4)L——被观察目标的亮度，单位为坎德拉每平方米(cd/m²)。uo——基本空间频率，取值8lp/mm。d=4.8-2.6tanh[0.4logio(0.625L)]……(A.6公式(A.5)表征了神经噪声的低频成分由于横向约束的减少，针对的是方形的图像空间，即X₀=Y。在亮度范围为(10-4～10³)cd/m²,空间大小为(0.5<X。<60)deg,频率范围为(0.2～50)c/deg的条件下，σ取值0.0133deg,Csh取值0.0001deg/mm³,上述模型仿真计算结果和实际实验结果一致性S(L)——对比灵敏度；q1——0.1183;Ms(L)—-人眼的光调制传递函数；q₂——3.9627×10~5;q₃——1.3562×10-7注：灰度标准显示函数提到的对比灵敏度测量用的标准对象由充满每度四周的正弦模型的水平或垂值光栅的2deg×2deg正方形组成。该正方形被放在一个和目标平均亮度L相同亮度的均匀背景里。由光栅的阈值调整决定的对比灵敏度为一般观察者看到的临界条件。亮度调整表示在亮度L条件下目标被观察到差异的最小亮度变化量。当观察距离为250mm时，标准目标的尺寸为8.7mm×8.7mm,其空间频率为0.92对线/毫米。灰度标准显示函数是通过计算各灰度等级的亮度的阈值调制得到的S;,然后将这些亮度阈值通过堆叠形成查找表。即上一级的亮度L;+i是由下一级的亮度L,叠加峰峰值阈值调制得到的，按公式式中：L;+₁——上一级的亮度，单位为坎德拉每平方米(cd/m²);L;——下一级的亮度，单位为坎德拉每平方米(cd/m²);S;——第j级与第(j+1)级的对比灵敏度，即亮度阈值。峰峰值阈值调制即为识别的最小亮度差别。当一个符合灰度标准显示函数关系的显示系统显示一幅标准图像时，该图像在视觉上应为线性的。增加一级原始驱动信号时，其输出图像的对比灵敏度也相应的增加一级。在上述限定条件下，即增加一个识别的最小亮度变化量(2deg×2deg正方形图形区域中每度四周的正弦调制，该正方形被嵌入一个和目标平均亮度L相同亮度的均匀背景里)。(规范性)电子显示媒介式影像输出设备灰度标准显示函数电子显示媒介式影像输出设备灰度标准显示函数采用亮度表示，在表B.1中查找。表B.1电子显示媒介式影像输出设备灰度标准显示函数查找表0L/(cd/m²)L/(cd/m²)DL/(cd/m²)L/(cd/m²)123456789表B.1电子显示媒介式影像输出设备灰度标准显示函数查找表(续)L/(cd/m²)L/(cd/m²)DL/(cd/m²)L/(cd/m²)4.01554.07544.13584.19694.25864.32094.38384.44734.51154.57634.64174.70784.77454.84194.90994.9785表B.1电子显示媒介式影像输出设备灰度标准显示函数查找表(续)L/(cd/m²)DL/(cd/m²)DL/(cd/m²)L/(cd/m²)48.62049.02049.42249.82840.15340.49340.83641.18141.52941.87942.23242.58742.94443.30443.66744.03244.40044.77045.14345.51945.89746.27846.66147.04847.43747.82848.223表B.1电子显示媒介式影像输出设备灰度标准显示函数查找表(续)L/(cd/m²)L/(cd/m²)DL/(cd/m²)L/(cd/m²)表B.1电子显示媒介式影像输出设备灰度标准显示函数查找表(续)L/(cd/m²)L/(cd/m²)L/(cd/m²)L/(cd/m²)400.61403.32406.0