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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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AOTF的成像光谱仪及其在同色异谱目标鉴别中的应用

为了同时获得同色异谱目标的光谱信息和空间分布信息,设计了基于声光可调谐滤波器(acousto-optic tunable filter, AOTF)的成像光谱仪,主要包括前置成像透镜组、AOTF滤光成像模块、AOTF驱动器、CCD图像检测器、图像采集卡和计算机。在计算机的控制下,实现波长的快速扫描,获取每个设定波段下的灰度图像,构建一个光谱图像立方体,因此可以获得图像中任意一点的光谱信息。所设计的成像光谱仪,光谱范围为550 ～1 000 nm,光谱分辨率2.6 nm(@632 nm),光谱扫描速度快,任意两个波长之间的切换时间小于80 μs,整个仪器无机械运动部件,功耗低,抗振能力强。利用该仪器对真假玫瑰花进行了鉴别试验,对涂改物证进行了信息复原实验,并成功地辨别出真假玫瑰花和复原出涂改物证,证实了该成像光谱仪具有优异的同色异谱目标鉴别本领,在同色异谱物质的鉴别上具有广阔的应用前景。     

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。     

同色异谱破坏特性及其在相似异物检测中的应用

由于相似异物与所处背景的外观特征极其相近,现有的光谱成像检测技术遇到新的挑战。针对复杂背景中相似异物检测难题,提出了利用同色异谱破坏特性的透反射光谱图像检测方法。在分析同色异谱破坏过程中异物与背景光谱特性差异基础上,建立了波长优选函数筛选最优波长的透反射光源构建成像检测系统。以棉花中的白色丝状异物作为实验对象,利用最佳波长透反射成像系统获取异物特征,采用图像决策层融合增强异物图像特征,最后利用二值化处理提取异物目标。实验结果表明,在利用390 nm反射波长与580 nm透射波长的双波长图像检测中,成像系统获取的相似异物图像特征明显,异物提取后检测结果与实际相符。此方法可有效检测棉花中多种白色丝状异物,为相似异物检测提供了一种新思路。     

符合人眼视觉特性的颜色亮度模型

从色度学基本理论出发,对颜色变量Ｙ进行了深分析,提出了由孟塞尔（Ｍｕｎｓｅｌｌ）颜色体系进行颜色视亮度主观匹配的新方法。实验和理论分析指出孟塞尔色立体的等明度面并非在视觉上是等明度的,建立了人眼主观亮度与孟 明度值Ｉ之间满足线性关系的色亮度模型。     

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。     

基于视觉感知的光谱评估尺度

光谱颜色复现和色度精度是评价光谱重建算法准确的基础。简单而直观的评价指标对颜色复现控制是必不可少。该指标需要同时表征复现颜色的光谱差和色度差。在研究光谱匹配评估的方法基础上,提出基于颜色视觉感知的三种光谱评估指标,通过加权人眼视觉匹配函数,实现颜色光谱差与色度的评估。通过孟塞尔颜色系统的光谱数据,该论文分析与验证三种视觉加权的评估指标的有效性。通过孟塞尔颜色系统数据,这些指标在CIELab均匀色空间中分布均匀而稳定,从而证明加权算法的评估指标是既表征到颜色感知又反映出颜色的光谱相似度。实证结果表明,加权的指标可以实现同时表征实际人眼的颜色感知和颜色光谱差异。基于人眼视觉感知的评估指标解决了颜色的原始光谱和重建光谱的光谱匹配精度的定量评价问题。所提出评价指标通过一个简单而直观的数值实现对复现颜色光谱与色度评估。     

基于积分球的人眼辨色阈值的研究

为了研究人眼对不同的颜色的辨色阈值,利用积分球配出色差值可以调整的颜色刺激图样,采用限定法,检测出6名色觉正常的观察者在4个颜色中心的辨色阈值,并和CRT的数据进行比较。采用性能因子PF/3分析观察者的测试精度,并在a*b*图上绘制实验颜色恰可辨别图。通过对实验数据进行处理和分析,人眼在4个颜色中心的辨色阈值是有差异,在评价辨色阈值的性能方面,CIEDE2000色差公式好于CIELAB色差公式。实验的结果可为颜色科学及色差公式的改进和发展提供参考。     

印刷样品恰可察觉小色差辨色阈值的研究Ⅰ:目视评价实验数据分析

为了研究人眼对反射样品颜色在恰可察觉小色差辨色网值水平上的颜色视觉特性,对印在半光相纸上的17个CIE基本颜色中心区域,约1000对颜色色样,采用心理物理实验方法中的同定刺激法.在CIEl976a*-b*平面上分别测得16名色觉正常的观察者在不同颜色区域的辨色阈值,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,等明度a*-b*平面非视觉均匀,人眼对一、二象限的色宽容度普遍高于三、四象限的色宽容度,对高彩度的橙色具有最高的宽容度,对蓝色具有最低的宽容度,所有的颜色在红～绿方向的视觉色差尺度均低于黄-蓝方向.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.     

喷墨打印系统多光谱特征化正向模型的建立

随着光谱技术的发展,打印系统的光谱特征化模型成为研究热点。基于光谱匹配的特征化模型通过直接预测设备基色的光谱反射比数据,可以有效的减少同色异谱现象的发生,为实现高保真印刷提供条件。主要基于Yule-Nielsen修正的Neugebauer光谱模型,开展了关于12色打印系统光谱特征化模型如何提高模型精度的研究。首先通过对颜色测量仪器及测量条件、喷墨打印机打印系统进行稳定性及精确度验证,为后续样本设计和测量提供可行性依据。然后,建立该研究设备适用的正向YNSN模型。依据CIELAB颜色空间中明度值L*均匀分布的原则,设计并输出了1 331个测试样本,抽取部分样本做训练样本,对所建立的光谱的特征化正向模型进行验证。结果表明,基于光谱的特征化模型预测精度较高,具有明显的优势。经验证,通过引入Yule-Nielsen修正参数n值,可进一步改善光谱预测精度。     

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。     

加权视觉特性的PCA空间内光谱域映射模型

针对跨媒体光谱颜色复制过程中出现的设备光谱域不一致问题,在加权人眼视觉特性的主成分分析(PCA)光谱降维空间内构建了一种光谱域映射模型。利用标准色度观察者匹配函数构造权重系数,对高维光谱进行加权,采用PCA提取加权光谱的前三个主元,以构造低维加权PCA空间,在加权PCA空间内引入分区最大化色域边界描述算法描述设备光谱域,对超设备光谱域的颜色光谱进行裁切以映射到设备光谱域内。实验证明,新模型相比于常用的PCA空间内的光谱域映射模型而言,更能达到视觉感受的匹配,可以更为有效地解决设备光谱域不一致的问题。     

基于LCD显示器的色适应变换及模型评价

基于应用越来越广泛的显示器-显示器之间的跨媒体颜色复制,设计了22个色块,通过一组显示器不同白点下的视觉匹配实验,获得匹配显示器在4000K、5000K、7500K、9000K时与待匹配显示器在6500K时的对应色数据,拓宽对应色数据的研究领域,并用Von Kries,Fairchild和CMCCAT2000三种色适应模型进行数据预测,通过分析得出,当适应场色温偏高时,采用CMCCAT2000模型会有较好的预测效果,而当适应场色温偏低时,Fairchild模型的预测效果优于其他两种模型。同时,在显示器间进行高精度色貌预测时,也为色适应模型的选择提供依据。     

基于物体表面色的超大色差评价

基于物体表面色样本的视觉评价,测试了典型色差公式对超大色差的预测性能.由18名观察者按照倍率法对60组颜色样本对进行心理物理视觉评价实验,获得视觉色差的评价数据.利用实验数据对两个常用色差公式CIELAB和CIEDE2000以及基于色貌模型的最新色差公式CAM02-UCS和CAM02-LCD的超大色差预测性能进行了详细的比较和分析,结果表明基于色貌模型的两个公式性能优异.同时,使用本实验视觉数据考察了Attridge等人提出的幂指数模型,并得到了一致的结论.