比较法测试不同颜色匹配函数的性能

为了测试不同颜色匹配函数的预测性能,基于灰色、棕色、紫色和蓝色4个目标色,共制作了16对近同色异谱色样对(围绕每个目标色分别制作了4个待比较色),组织14名年龄不同的色觉正常观察者基于心理物理实验方法中的比较法,开展了色差大小比较实验。结果表明,实验组织的老年观察者的锥细胞响应较年轻观察者有所下降,CIE1931的预测性能优于CIE1964。不同颜色区域,各颜色匹配函数的表现各异,在进行某些颜色(如灰色,紫色和蓝色)区域的色度值表征和色差评估时,即便观察视场角大于4°,CIE1931的计算性能仍然优于CIE1964。现有CIE2006匹配函数考虑到晶状体光谱透光率和中央凹的锥细胞光谱响应,下一步可继续强化中央凹锥细胞光谱响应,优化其计算性能。     

用伪同色光谱图像检测色觉正常观察者的锥细胞光谱响应

为了能够快速、准确的检测色觉正常观察者的辨色差异，从而对其红、绿、蓝三通道的锥细胞光谱响应进行研究，设计并制作了由背景层（或和明度层）以及数字层组成的伪同色光谱图像，其中背景层和数字层具有不同的光谱反射曲线，经过照明光源以及人眼锥细胞光谱响应的共同作用，使色觉正常的观察者产生不同的颜色感知差异。实验首先基于不同光谱原色的输出设备，在不同的照明光源下，制作出能够放大观察者差异的近同色异谱色样对。要求用不同颜色匹配函数计算近同色异谱色样对的CIEDE2000色差值，有的色差在人眼辨色阈值之内，有的色差人眼可明显识别。通过优化计算，将放大观察者色觉差异的近同色异谱色样对应用于伪同色光谱图像的数字层和背景层，并利用Epson Stylus Pro7908喷墨打印机和OKI C9600激光打印机分别输出伪同色光谱图像的背景层和数字层。同时组织了72名色觉正常的观察者（包含55名18～25岁的年轻观察者和17名62～74岁的老年观察者）分别在D65和LED-5000K两种光源下，对伪同色光谱图像进行识读检验。识读结果表明，伪同色光谱图像可以较为准确的判定年轻和老年观察者的视网膜锥细胞光谱响应是否老化。同种照明光源下，年轻观察者可以识读出数字的伪同色光谱图像（②/④）老年观察者不能识读，老年观察者可以识读的伪同色光谱图像（①/③）大多年轻观察者不能识读，且55名年轻观察者中有4名观察者的目视结果与老年人相同。另外，年轻观察者的锥细胞光谱响应与CIE1964和CIE2006（age=25 y）颜色匹配函数较为一致，而老年观察者的锥细胞光谱响应与CIE1931和CIE2006（age=75 y）颜色匹配函数更为一致。对比颜色匹配函数的分布，发现老年观察者的锥细胞光谱响应向长波段偏移，同时由于屈光系统光学密度增加导致其锥细胞光谱响应有所降低。     

不同年龄观察者颜色匹配函数的测试及优化

为了检验各颜色匹配函数(CMFs)计算不同年龄观察者锥细胞响应的表现,利用比较法实验得到56名观察者对5个色中心的20对近同色异谱色样对目视评价色差数据,与不同颜色匹配函数比较,分别计算标准化残差平方和因子与相关系数。结果表明,各颜色匹配函数测试不同年龄段观察者的结果差异较大。对年轻观察者,S2,S6表现较好,CIE1931的计算结果较差;而对老年观察者,CIE1931表现较好,CIE1964的计算结果较差。选用CIE1964颜色匹配函数优化D65光源照明下不同年龄段观察者锥细胞响应,优化后的CIE1964计算性能有所提高;同样,检验LED光源照明下的实验结果,测试性能也有所提高。     

用聚类分析的方法分类观察者颜色匹配函数

色觉正常的观察者,尤其是不同年龄段的观察者,颜色分辨能力具有较大的差异。为了分类色觉正常观察者的锥细胞光谱响应,补充现有CIE1931,CIE1964和CIE2006颜色匹配函数,基于Stiles&Burch数据集的47个观察者函数(10°视场)和CIE2006代入20~80岁(10°视场)观察者不同年龄产生的61个函数(共108个颜色匹配函数),用聚类分析方法中的k-medoids算法,计算距离选用欧氏距离的平方,将108个颜色匹配函数在(λ),(λ),(λ)三个通道分别聚为5类,共产生了5×5×5=125个类别。将108个颜色匹配函数作为108个“个体观察者”,在iPad显示设备上呈现CIE推荐的17个颜色,用108个颜色匹配函数和125个类别颜色匹配函数比较,计算17个颜色的CIEDE2000色差平均值,以最小色差值作为评价标准,从125个类别中挑选出10个分类观察者颜色匹配函数表征观察者锥细胞光谱响应。108名“观察者”中有77.8%的观察者属于这10个分类。在iPad显示设备上显示CIE推荐的5个颜色(灰、红、黄、绿、蓝色),组织30名(20~25岁)年轻观察者和17名(61~74岁)老年观察者,在Quato专业显示器上依次匹配5个目标色,共采集到158组,即790个(=158组×5个色中心)颜色匹配实验数据。为将这158组数据(视为158名“观察者”)进行分类,分别将10个分类颜色匹配函数代入计算,以计算得到5个颜色CIEDE2000色差平均值最小的颜色匹配函数,作为158名观察者相对应的分类,在10个分类观察者函数中优选出8个颜色匹配函数BIGC-1,BIGC-2,…,BIGC-8。进一步地,用优化建立的分类颜色匹配函数检验课题组前期基于近同色异谱色样对开展的目视色差比较实验,结果发现BIGC-3适用于年轻观察者,BIGC-5适用于老年观察者,同时计算得到的STRESS值也较其他颜色匹配函数的结果有所降低。     

基于不同显示设备的观察者同色异谱差异研究

为了研究显示设备的原色光谱对色觉正常观察者的颜色分辨差异影响,选择了5台红绿蓝三原色光谱能量分布不同的显示设备,基于国际照明委员会推荐的5个颜色中心,组织了30名年龄分布在20～27岁的色觉正常观察者基于5台显示设备开展颜色匹配实验。同时用108个颜色匹配函数对颜色匹配过程进行了模拟计算,将计算结果与颜色匹配实验结果进行比较,并用同色异谱指标量化不同显示设备对观察者差异性的影响,发现模拟计算结果与颜色匹配实验结果具有较好的一致性。基于实验选取的4台待匹配设备与目标设备进行颜色匹配实验,采集到285个CIELAB色差数据,同色异谱指标的最大值为9.59,最小值为3.89。显示设备的原色光谱对观察者同色异谱的影响较大,红色受设备的影响低于黄色和蓝色。     

色觉正常观察者辨色差异影响研究

为了比较色觉正常观察者的辨色差异受观察条件的影响程度,选择了不同照明光源和不同原色的显示设备,基于显示色和打印色,设计了4种不同观察条件的颜色匹配实验。利用StilesBurch的47个颜色匹配函数(CMFs)模拟个体观察者,对颜色匹配过程进行了模拟计算;同时,组织27~36名色觉正常观察者进行了颜色匹配实验。用观察者的离均色差,同色异谱大小和同色异谱变化三个指标来量化不同观察者的辨色差异性。结果表明,不同观察条件下,模拟计算结果中观察者的辨色差异受显示设备原色光谱和照明光源光谱影响较大,在匹配中性灰颜色时尤其明显。而颜色匹配实验结果中,外界因素的影响并不明显,这表明观察者的辨色差异不仅取决于观察者个体颜色匹配函数差异(观察者的同色异谱性),还取决于观察者的视觉机理响应、颜色分辨能力等。     

基于不同观察视角的CIE 2006颜色匹配函数计算性能研究

为检验CIE 2006颜色匹配函数（CMFs）的视角参数计算性能，选用了不同原色光谱组合的LED发光面板开展颜色匹配实验。以L1(636 nm-524 nm-448 nm)为目标原色组合，L2(676 nm-524 nm-448 nm)和L4(636 nm-524 nm-472 nm)为匹配原色组合，组织了45名色觉正常观察者在4个不同观察视角下（2.9°、5.7°、8.6°和11.0°）开展了CIE推荐的2个颜色（红、蓝）和白色的颜色匹配实验。采集目标色和匹配色的光谱能量，分别代入CIE 2006 (1°～10°) CMFs中进行计算，并以计算的Δ（u’, v’）值表示颜色匹配精度。结果表明：当观察视角小于4°时，CIE 2006 2°CMFs具有较好的计算性能；当观察视角大于4°时，CIE 2006 3°CMFs具有较好的计算性能。在对大视角显示设备呈现的颜色刺激进行测量和计算校正时，现有CIE 2006 CMFs的视角参数计算性能有待进一步改进和优化。     

基于矩阵R理论的光谱降维方法研究

针对传统光谱降维方法的缺点,提出一种基于矩阵珟R理论的线性光谱降维方法。该方法在Cohen定义的矩阵R理论基础上提出修正矩阵珟R,可将物体光谱反射率分解为基本光谱和同色异谱黑光谱,再分别对两者进行线性降维。基本光谱的三个基向量由颜色匹配函数与光源的乘积再进行正交化得到,其三个基向量的累积贡献率可达100%。同色异谱黑光谱的基向量由主成分分析推导,取前三个特征向量作为同色异谱黑光谱的基向量。实验结果表明,使用该方法构建的六维线性模型能在光谱和色度两个方面较好地表征原始高维光谱反射率,满足光谱颜色复制的要求。     

年龄与视觉光谱响应的相关性及其对颜色辨别的影响

采用心理物理实验方法中的同时双眼观察技术,组织3名不同年龄段(21,32,58岁)的观察者在EIZO液晶显示器上,每人重复7次匹配九种打印色样,建立不同年龄观察者匹配跨媒体颜色的数据组,研究不同年龄观察者的跨媒体颜色匹配视细胞响应。发现随着年龄的增长,观察者匹配九种颜色的鲜艳度明显下降,并且在匹配蓝色和紫色时,老年观察者蓝色通道的光谱响应明显降低。研究结果在某种程度上验证了CIEPO06观察者生理模型的结果,同时也为颜色再现行业生产、评价与年龄相关产品提供一定的理论依据和实验支持。     

基于BP神经网络的数码相机特性化

由于数码相机的颜色空间是依赖于设备的,对于一个具体的数码相机,其光谱响应与设备独立的CIE标准观察者颜色匹配函数是一个非线性关系,因此不能真实复制场景的颜色。特性化彩色图像设备是提高图像的颜色复制质量的一个重要方法。介绍一种基于BP神经网络数码相机特性化方法。采用Munsell颜色系统作为目标色,大样本训练空间。测试了不同的网络结构和样本空间分布。训练样本平均色差为1.75CMC(1∶1)色差单位,测试样本为2.16。该方法在数码相机颜色测量、光谱重建等领域有广泛的应用前景。     

用阴极射线管显示器研究辨色阈值Ⅰ:实验数据及人眼颜色视觉特性分析

为了研究人眼在辨色阈值水平上的颜色视觉特性,在阴极射线管(CRT)显示器上显示颜色刺激,采用交叉阶梯法进行心理物理实验,在CIE1976a*-b*平面上分别测得3名色觉正常的观察者在5个CIE基本颜色中心区域的辨色阈值。采用性能因子PF/3讨论观察者的测试精度,并以色度椭圆表示辨色阈值实验结果。通过对实验数据的详细处理和分析表明,在等明度的a*-b*平面上各色区及各颜色方向上人眼的辨色特性是各向异性的,即CIE1976a*-b*平面为非视觉均匀;人眼在5个CIE基本颜色中心区域上红-绿方向的视觉色差尺度均小于黄-蓝方向。本文的实验结果可为均匀颜色空间及其色差公式的改进和发展提供原始数据和参考依据。     

颜色视觉匹配中显示器颜色色差阈值的评价

为了对阴极射线管(Cathode ray tube,CRT)显示器颜色恰可辨别的小色差阈值进行评价,在中性灰背景下,用编制的颜色匹配程序,在CRT显示器上随机产生颜色,分别调节程序中R、G、B通道的值,使匹配色与随机色达到视觉上的一致,进行颜色视觉匹配实验,测量CRT显示器上随机色和匹配色的L*a*b*值.用不同的色差公式对实验数据分别从明度、色调、饱和度进行比较分析,色差公式评价小色差的性能是CIEDE2000优于CMC(2∶1)和CIEL*a*b*.在a*b*图上绘制实验颜色恰可辨别图.不同色差公式计算的CRT显示器恰可辨别小色差阈值不同.     

油墨红外光谱相似度与计算机配色精度的关系研究

为了获得高精度的配色样品,提出了一种配色方法-成分分析配色法。该方法将化学分析法与计算机配色相结合,其核心是选取与目标色成分最接近的油墨进行配色,从而实现高精度的色彩匹配,为计算机配色发展提供新的思路。与目标色成分相近的油墨配色效果验证：使用某种油墨印制目标色,并用相同的油墨进行配色,以实现目标色成分与配色色样成分的一致性。使用三个不同品牌的油墨对目标色进行配色,比较配色精度及效率。使用泗联牌三种颜色油墨以任意比例通过印刷适性仪IGT-CI(荷兰)印制目标色,这些目标色包括间色和复色,各3个色样;使用配色软件X-Rite color master(美国)建立泗联、东洋、牡丹三个品牌油墨的配色基础数据库,并对不同目标色进行配色。结果表明使用与目标色相同的泗联油墨的配色精度远高于东洋、牡丹两个品牌的油墨,配色色差整体都很小,校正1～2次就能得到小于1.0的色差,最小达到0.36,几乎实现了目标色的同色同谱匹配。实验验证了成分分析配色法的核心“选取与目标色成分最接近的油墨进行配色,可以实现高精度色彩匹配”的可行性。判别目标色与配色油墨在成分上区别的化学分析工具探讨：为了判别目标色色料与配色油墨在成分上有区别,尝试使用“红外光谱相似度”作为判别的分析工具。使用红外光谱仪Thermo Nicolet 6700(美国)测出泗联、东洋、牡丹三个品牌的三种颜色油墨的红外光谱图,使用OMNIC软件中的相关性算法得到它们与目标色油墨的红外光谱相似度,并计算出平均相似度;将各品牌油墨的红外光谱相似度与其配色实验的精度进行对比分析,评价红外光谱相似度作为化学分析判别工具的有效性。结果表明泗联牌油墨与目标色的平均红外光谱相似度为100%,东洋的为86.53%,牡丹的为64.63%。当校正次数相同时,泗联油墨配色色差最小,配色精度最高;东洋次之,是泗联油墨配色色差的2倍左右;牡丹最差,是泗联油墨配色色差的3倍以上。配色结果与其红外光谱相似度的规律是一致的,目标色油墨与配色油墨之间的红外光谱相似度越高,越容易得到高精度的配色样品。实验证明了用成分分析配色法获得高精度的色彩匹配是可行的,使用红外光谱相似度作为目标色与配色油墨在成分上的分析工具对判别配色精度是有效的。今后的工作将探讨红外光谱相似度与配色精度间的相关性数值关系,以及进一步寻求更为有效的化学分析方法来判断目标色色料与配色油墨之间的成分关系。     

颜色视觉匹配中明度阈值的评价

为了对颜色视觉匹配中的明度阈值特性进行评价,采用在阴极射线管显示器上获得的颜色刺激,在5个不同明度的中性色背景下,标准刺激的明度L*从5到95以5个CIELAB单位为变化步长,共对19个不同明度的中性标准颜色进行视觉匹配实验。通过对实验结果的处理和分析,验证了关于颜色刺激视觉辨别明度阈值与背景明度之间相关性的韦伯法则和crispening效应,同时利用颜色视觉匹配数据对基于CIELAB的相关色差公式进行了评价和比较,CIEDE2000具有最好的明度差预测性能,CMC次之,CIELAB和CIE94最差。     

多基色LED的照明通信光源显色性研究

可见光无线通信(visible light communication,VLC)是将LED照明技术和光通信技术相结合的一种新兴技术。针对目前LED照明通信光源显色性差、光效低且色温不可调等问题,依据多基色LED白光通信原理进行了相关研究,以Yoshi等提出的高斯分布形式作为基色LED的光谱模型,利用国际照明委员会(CIE)推荐的一般显色指数(R_a)和美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology,NIST)推荐的一般色质指数(Q_a)评价光源的显色性。采用遗传算法,在2 700~6 500 K色温范围内优化出单个色温以及色温可调光源满足显色性最优的光谱组合,并基于R_a和Q_a大于80的原则优化出色温可调光源光视效能(luminous efficacy of radiation,LER)最优化的光谱组合。最后根据实验结果分析了光源的显色性、光视效能和色温可调性三者之间的关系。结果表明：三基色色温可调白光LED满足显色性最优的峰值波长组合为613 nm/541 nm/464 nm,此时R_a和Q_a的最小值分别为81.2和81,可以满足一般条件下的照明通信需求;四基色色温可调白光LED满足显色性最优的峰值波长组合为620 nm/562 nm/505 nm/449 nm,此时R_a和Q_a的最小值分别为96.7和92.2。在特殊照明场所或要求较高的通信速率时,应采用四基色白光LED作为照明通信光源。仿真得到了三基色和四基色白光LED的最佳光谱组合,为宽通道可见光通信光源的设计提供了参考依据。     

Spectral data compression using weighted principal component analysis with consideration of human visual system and light sources

This paper proposed two weight functions based on principal component analysis (PCA) to reserve more colorimetric information in spectral data compression process. One weight function consisted of the CIE XYZ color-matching functions representing the characteristic of the human visual system, while another was made up of the CIE XYZ color-matching functions of human visual system and relative spectral power distribution of the CIE standard illuminant D65. The improvement obtained from the proposed two methods were tested to compress and reconstruct the reflectance spectra of 1600 glossy Munsell color chips and 1950 Natural Color System color chips as well as six multispectral images. The performance was evaluated by the mean values of color difference under the CIE 1931 standard colorimetric observer and the CIE standard illuminant D65 and A. The mean values of root mean square errors between the original and reconstructed spectra were also calculated. The experimental results show that the proposed two methods significantly outperform the standard PCA and another two weighted PCA in the aspects of colorimetric reconstruction accuracy with very slight degradation in spectral reconstruction accuracy. In addition, weight functions with the CIE standard illuminant D65 can improve the colorimetric reconstruction accuracy compared to weight functions without the CIE standard illuminant D65.