不同观察者锥细胞响应的同色异谱性能差异测试分析

为了研究不同年龄色觉正常观察者在不同观察条件下的锥细胞光谱响应差异,在CIELAB颜色空间选择了均匀分布的9个不同色调的颜色,组织27～35名观察者开展了两种不同光源照度和两种不同观察视场的四种观察条件下,基于显示色-打印色的颜色匹配实验。通过配色实验采集到不同观察者匹配颜色的光谱数据,与9个目标色的光谱数据计算、比较,以匹配的9个颜色最小平均CIEDE2000色差值出现的概率大小作为评价标准,检验CIE1931,CIE1964,CIE2006,Sarkar(S1～S8)共11种颜色匹配函数的表现,研究不同观察者锥细胞响应的同色异谱性。结果表明在四种不同实验条件下,表现最好的配色函数依次是CIE2006,S6,表现最差的是S1和S2。不同观察者的锥细胞响应同色异谱性差异较大,年龄因素对观察者的锥细胞响应的影响也较为明显。(λ)通道的光谱响应差异是造成不同观察者存在同色异谱现象的主要原因,大多数观察者的差异性主要集中在(λ)通道的峰值波长响应,峰值波长的位移对颜色匹配的结果影响不大。实验结果可为进一步划分不同观察者的颜色匹配函数,研究不同观察者的同色异谱性提供数据支持和理论依据。     

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。     

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。     

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。     

用比较法研究光泽度对印刷样品的中小色差影响

为了研究哑光和半光两种光泽纸张的印刷样品对中小色差评价的影响,分别围绕CIE 5个基本颜色中心区域,对两种纸张制作30个颜色样品,采用心理物理实验方法中的比较法,分别测得20名色觉正常的观察者对不同纸张和不同颜色的辨色特性。对四个典型色差公式CIELAB,CIE94,CMC,CIEDE2000和CAM02系列CAM02-LCD,CAM02-SCD,CAM02-UCS三个色差公式用标准化残差平方和(STRESS)性能因子和F检验的方法进行评价和优化。原始色差公式,CIEDE2000色差公式的表现最好,CIELAB色差公式表现最差,CIE94色差公式有较大的改进空间。采用对kL进行优化后的计算结果表明,随着光泽度的增加,明度的影响权重在色差计算中有增加的趋势。     

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。     

渐进式多尺度特征级联融合颜色恒常性算法

为测试CIE推荐各颜色匹配函数（CMFs）CIE1931、CIE1964和CIE2006的计算性能,首先使用前期研究中两组基于配对比较法实验采集到的年轻和老年观察者异谱反射色色差比较数据,检验了CIE现有各CMFs的表现。研究发现CIE2006（22,4°）和CIE1931 2°的计算色差ΔE₀₀分别与56名年轻和40名老年观察者的目视色差ΔV间的STRESS值最小,一致性最好。在RAL K5色卡中选择了明度值L^*₁₀在34.4～71.6范围内的5个不同非彩色作为目标色,使用Epson喷墨打印机围绕每个目标色分别制作了16个异谱样本。组织了26名年轻观察者基于灰梯尺法进行80对样本的色差比较,结果表明目视色差ΔV与CIE2006（22,2°）CMFs的计算色差ΔE₀₀间STRESS值最小。本次实验的观察视场为8.17°×16.26°,现有CIE2006 CMFs在大视场下对异谱反射色间色差的计算性能还需要进一步改进。     

基于视觉容差与色调角相关性的色差公式评价

为了研究CIELAB颜色空间中明度、彩度和色调等视觉容差与色调角之间的相关性对基于CIELAB的典型色差公式(CIELAB、CMC、BFD、CIE94、LCD以及CIEDE2000)预测性能的影响,实验选取了具有不同明度和彩度冰平的5个色调环(L*=30,50,70和Cab*=10,20,30),并采用3个不同视觉尺度(△V=3.02,5.92和8.87CIELAB单位)进行视觉评估实验.8名色觉正常观察者根据心理物理学的恒常刺激法原理,在阴极射线管(CRT)显示器上获取了相应颜色中心的明度、彩度和色调视觉容差.对实验结果的详细分析表明,由于明度容差与色调角无明显相关性,6个色差公式的预测性能均较好,其中CIEDE2000略优于其它色差公式.对于彩度容差,LCD(Leeds color-difference formula)预测性能表现最优,而CIEDE2000和BFD的表现最差,其余色差公式则相差不多.CIEDE2000和LCD的色调权重函数的预测性能明显优于其它色差公式,而CMC预测性能则为最差.     

基于LED照明的色差评价研究

截止目前,多国相关颜色科学工作者已累计提出了40多个色差公式,但是目前所有的色差公式的相关使用,都只能限定在CIE给定的观测条件。固态照明作为近些年光源研究的重点方向,相关的研究如基于LED照明条件的色差研究仍未展开。该研究遵循CIE的色差研究指导原则,首先选取CIE推荐的17种颜色中心中的五种颜色,制成实验色块样张,分别以U30,TL84和D65光源为参考光源,以LED灯泡为实验光源。选用CIE1976LUV色差公式、CIE1976LAB色差公式、CIEDE2000色差公式分别对打印色块进行理论色差值的计算。然后采用20名观察者,通过心理物理学的视觉评价实验对打印色样进行主观色差评价,最后通过标准化残差平方和(STRESS)将客观计算值与主观评价数据进行对比分析。发现实验中选用的三种色差公式在LED照明条件下的色差预测性能均不是很理想。相比而言,在LED照明条件下,CIE1976LUV公式的预测性能相对要好,CIEDE2000公式次之,CIE1976LAB公式最差。     

Evaluation of small suprathreshold color differences under different background colors

A psychophysical experiment under constant stimuli is conducted on a CRT display to measure the visual suprathreshold color differences for five color centers recommended by CIE under the same five background colors.The performances of four CIELAB-based,three CIECAM02-based,and two OSA-UCS-based formulas are tested.Detailed analysis results indicate the existence of chromatic crispening effect.CIEDE2000 performs best for the gray center and gray background,whereas CAM02-LCD and CAM02-UCS have the best performance for non-neutral backgrounds.CAM02-LCD significantly outperforms all other formulas for all color centers under all background colors.     

Estimation of Color-Difference Formulae at Color Discrimination Threshold Using CRT-Generated Stimuli

The advanced color-difference formulae, CMC, CIE94, and the recently proposed CIEDE2000 formula, together with the basic CIELAB system, were estimated using the chromaticity discrimination threshold data at CIE Gray and Blue color centers. Gray is the most basic color and blue is, perceptually, in the most different region from other areas across the color space. The test stimuli, evenly distributed in the (a#x2217;, b#x2217;)-, (a#x2217;, L#x2217;)-, and (b#x2217;, L#x2217;)-plane of the CIELAB space, were generated on a CRT display, driven by a VSG system. Each direction from each color center was assessed 3 times by a panel of 9 normal color-vision observers with the psychophysical method of interleaved staircase. The experimental data were reliable and consistent with other studies according to the observer accuracy and fitted ellipse parameters. A comprehensive analysis shows the color discrimination tolerances could be well fitted by ellipses, and the CIEDE2000 and CIELAB formulae performed better than CIE94 while the CMC worst at the threshold level for the color centers studied.     

Testing CIELAB-based color-difference formulae using large color differences

Three advanced CIELAB-based color-difference formulae, CMC, CIE94, and CIEDE2000, together with the basic CIELAB equation, were tested using large color-difference visual data (maximum average size was 12 CIELAB ΔE units) produced in this study. The color-difference comparison experiment was carried out at CIE Gray and Blue centers by a panel of 6 normal color-vision observers using CRT-generated stimuli based on the psychophysical method of constant stimuli. The experimental data, processed via probit analysis, were well fitted to chromaticity ellipses with a high reliance according to the observer accuracy in terms ofPF/3 measure. A detailed comparison was performed to analyze the agreement between predicted color differences from all formulae and their corresponding visual scales in all measurement planes of CIELAB space. The results show that the CIEDE2000 marginally outperformed the others at all color centers while CIE94 was the worst in original formulae or with optimizedk _L value, but the CIELAB performed worst when the parametric factors ofk _L,k_c, andk _H were all optimized, with the CMC always lying between these extremes.     

基于物体表面色的人眼阈值水平微小色差评价

基于物体表面色样本的视觉评价,测试常用色差公式在人眼阈值水平的微小色差预测性能.由一组21名观察者采用感知法对100个颜色样本对进行视觉实验,获得视觉色差的评价数据,通过观察者精度分析并与BFD和Witt的视觉数据进行对比,验证了本实验数据的有效性.利用实验数据对CIELAB、CMC、BFD、CIE94、LCD和CIEDE2000等六个常用色差公式在人眼阈值水平的微小色差预测性能进行了详细的测试和比较,结果表明国际照明委员会(CIE)推荐的CIEDE2000表现最好,而CIELAB性能最差.     

彩色数字图像色差计算方法的研究

用5幅ISO SCID图像在EIZO CG19显示器上分别进行了两组图像色差等级评价实验。两组实验分别在室内自然照明环境和标准灯箱中进行,用目视评价实验数据检验并优化彩色图像色差的计算公式。用CIELAB、CIEDE2000、CIE94和CMC色差公式对第一组实验数据计算结果表明,现有色差公式计算的图像明度差和彩度差与实际色差感觉有明显的系统性差异,图像内容对计算色差与色差感觉的关系有一定影响,说明需要对原始色差公式进行改进。提出了用实验数据拟合直线斜率比值优化色差公式的方法,得到CIELAB(1.50:1)、CIEDE2000(2.29:1)、CIE94(3.04:1)和CMC(3.38:1)计算的色差比原始公式有明显的改善,其中CIEDE2000(2.29:1)计算结果受图像内容的影响最小。用第二组实验数据检验色差公式的优化效果也证明,这种优化方法准确,简单,具有普遍适用性。     

小范围内精确控制CRT显示颜色和色差的研究

目前CRT显示器颜色特性化的最高精度大约是0.5ΔEab。一些在CRT上进行颜色和图像视觉评价的实验要求在颜色中心小范围内能更精确地控制显示颜色和色差。实验中采用了线性插值特性化方法,并提出了一种小范围三通道相互影响的颜色控制方法。实验结果表明:该方法对L,a,b控制的精度分别是0.14,0.082,0.103;对三种色差CIELAB,CIE94和CIEDE2000的控制精度分别是0.18,0.18,0.22。