基于液晶显示器的中国人眼视觉明度曲线研究

刘 琴，万晓霞

(武汉大学印刷与包装系，湖北 武汉 430079)

引言

国际上对颜色体系的研究已有较长的历史，自从牛顿颜色圆发明之后，各国学者对颜色体系展开研究并且制定出各种颜色体系，如美国Munsell颜色体系、Ostwald颜色体系、OSA-UCS匀色标、瑞典自然颜色体系NCS和德国DIN颜色体系等[1]。国外的这些颜色体系已经广泛应用于不同国家颜色质量控制的各个方面，并成为各国颜色定量管理的基础[2]。但这些颜色体系都是在对欧美人进行人眼视觉特性评定实验后建立起的各自的颜色体系，由于不同人种人眼视觉评价的差异，使得这些颜色体系在应用时更加适合欧美人的颜色心理感知，具有一定地域性的使用局限[3]。因而，将欧美人的颜色视觉研究结果作为亚洲人，特别是中国人的颜色应用标准显然是不合适的。因此，分析关于中国人眼的视觉感知特性具有重要意义[4]，可为中国颜色认定标准的设定提供数据支持。

自从Munsell将明度变化从色相和饱和度变化中分离出来，用色相、明度和饱和度的三维坐标来表示颜色体系开始，从白到黑的明度轴成为任何一种颜色体系都具备的特征。而且随着颜色科学的载体的外延在不断扩大，开展基于显示器的中国人眼白——黑系列明度知觉等级的研究将是一项为中国颜色体系的进一步研究、开发奠定基础的工作。

心理物理学的有关研究表明：人眼对明度具有选择性的反映特点，在感觉值(V)与物理值(Y)之间存在着一种非线性关系。孙秀茹等人针对树脂涂料工艺对中国人眼的白——黑明度感觉进行了研究[5-6]。结果表明无论是在低明度还是高明度，亮度因素值(Y)都与孟赛尔体系有一定差别。由于，国际上对颜色体系的标准实物样的制作有着严格的规定和筛选要求，因而对于研究有着一定的局限性。而且，随着色彩技术领域的扩大，显示器作为颜色的承载介质在屏幕软打样、色彩复现和色彩预测等方面都起着创新和增加产品附加值的作用。

目前，市场上常用的显示器为：阴极射线管显示器CRT (Cathode Ray Tube)和液晶显示器 LCD(Liquid Crystal Display)。CRT是一种成熟的技术,具有显示效果好、观看角度大等优点，是以往呈色系统的不二之选，国际标准 ISO /CD 12646“印刷技术——彩色打样用显示器——性能指标和观测条件”中用于软打样的显示器的性能指标也是针对 CRT显示器给出的。近年来，随着 LCD 技术的不断发展，不论是在颜色的准确性和稳定性、色域空间的大小、显示均匀性方面，还是在观看角度方面都有了很大提高，比如：EIZO的 Color Edge， Apple的 Cinema Display NEC的Multi Sync。虽然孟塞尔颜色体系建立时使用的是涂料色卡，孙秀茹等人在建立中国颜色体系时使用的是中性涂料色样，但是相关研究表明，显示器显示颜色与物体色实验结果之间具有较好的一致性，可代替物体色进行视觉实验研究[7]。因此，本文将对基于Eizo Color Edge CG301W LCD显示器的中国人眼的黑——白系列明度视觉感知进行研究,为中国颜色体系色空间的均匀分级提供基础数据。

1 LCD显示器性能测试

作为代替物体色的颜色刺激的呈色设备，LCD显示器的显色性能会对实验的精度产生很大的影响，因此，本文对LCD显示器的时间稳定性、均匀性进行了测试[8-9]，以保证目视实验的显色效果。

本实验采用Eizo Color Edge CG301W显示器(表1)，设置亮度30%、 Gamma2.2、色温6500K。先用GretagMacbeth Eye-One对显示器进行校准后，利用PR705测量各个色块的Lab值[10]。

表1 显示器参数Table 1 Display parameters

1.1 时间稳定性

每间隔一小时测量白(255,255,255)、黑(0,0,0)、全红(255,0,0)、全绿(0,255,0)、全蓝(0,0,255)的Lab值，连续进行六个小时，并计算色差的均方根，即可得到如图1所示的测量各颜色色块对应的时间稳定性折线，分析得到EIZO显示器在开机后的70分钟均方色差在2.7～3.2，之后逐渐减小，2个小时后各色的均方色差也保持在2.6以内。总体上看Eizo显示器的时间稳定性还是很好的，开机20分钟后其色差[11]波动范围基本上都小于3。

图1 EIZO CG301显示器的时间稳定性折线Fig.1 Time stability curve of LCD

1.2 显示器均匀性测试

将显示器调至工作状态，将屏幕分成大小均一的3行5列阵列，共15格，然后移动逐PR705使得其光阑对准待测试色块(见图2)的中心的色度值并计算亮度均匀性。测试颜色：红(255,0,0)，绿(0,255,0)，蓝(0,0,255)，白(255,255,255)，黑(0,0,0)，灰(128,128,128)。

用PR705测量各个色块的中心，获得R,G,B,W颜色中心的亮度值，并用matlab画出屏幕整体上的亮度高低分布图。

图2 均匀性测试所测色块示意图Fig.2 The test color of uniformity

如图3所示，X、Y轴表示EIZO显示器的高度和宽度，Z轴表示PR705测得的个色块的屏幕亮度值(cd/m2)EIZO显示器在各个颜色时亮度均匀性基本一致，各个测量点虽然有明暗差别，但是最大最小值之差基本上保持在10cd/m2以内，根据实际测量值可以看出，由于屏幕侧边亮度普遍偏大，因而造成亮度均匀度误差较大，因此在进行视觉评价实验的过程中，被观测的色块的将置于屏幕的中央，其亮度平均误差小于0.8 cd/m2，因而在呈现刺激色样时整个屏幕亮度不会对观测实验造成影响[9]。

图3 EIZO显示器的亮度均匀性图Fig.3 Uniformity of luminance of EIZO display

2 颜色视觉心理物理方法

心理物理学是研究测试样品的物理测量值与相应的心理感受量之间关系的科学技术。心理物理实验方法常被用来量化主观知觉量，其实验设计的原理是具有客观性和量化性的，就像用尺子来测量长度的概念一样，但是心理物理实验比普通的物理实验具有更大的不确定度，只有进行实验分析和设计时，对实验的不确定影响有足够的估计，实验的结果才是有意义的。因此本文在心理物理学实验进行前期，做了大量观察者重复性实验及准确度实验，排除不稳定的观察者及通过正交分析实验稳定整个目视观察条件后，通过心理物理学分度实验方法对中国人眼的明度分度曲线进行了研究，且对观察者的观测数据用PF/3公式进行了统计学分析。

2.1 心理物理学单一维度的分度实验方法

心理物理学分度实验的目的是为了获取视觉感受量尺度与其对应的刺激色样物理量之间的对应关系。单一维度的分度实验方法要求被进行尺度分割的属性和刺激色样的物理变化量都必须是一维的，观察者对一维的视觉感受量进行判断并给出相应结论。相应的判断方法有：排序法、对比法、分割尺度法、比例估算法、尺度估算法、对偶比较法等[7]。

目视实验利用分割尺度法获取观察者的数据，即让观察者其在最白和最黑的中性灰度系列色样之间选出一个处于最黑和最白两者中间具有同等差别的色样。通常人们所选出来的色样不是反射率为50%左右的色块，而是比反射率50%要低得多的一个(感觉值)。实验目的即是为了验证感觉值(V)与物理值(Y)之间的非线性关系，且得到关于基于显示屏的中国人眼视觉明度曲线与孟色尔体系明度曲线之间的对比关系[13]。

2.2 孟赛尔明度等级曲线

孟赛尔的明度等级是用大量的标准观察者目视视觉实验得到的，属于绝对明度范畴。实验方法是首先选用一块标准的黑卡，然后让观察者依据这块黑色选出一块在视觉上恰好能区分出明度与标准黑卡不同的灰色来，便可将这块灰确定为一个明度等级，然后再依此类推确定下一个明度等级，经过多次试验得到一系列的明度等级(即明度值V)，直到白色样为止。通过这种方法，将从黑到白明度分成11个级别，并且用光谱光度的方法测出各明度等级样卡的亮度因数Y。通过数值分析，发现明度值V与Y值之间并不是直线关系，而是如图4所示的曲线关系[14]。

图4 孟赛尔明度等级曲线Fig.4 Munsell brightness level curve

2.3 目视观测色样设计

用Photoshop制作明度值L为1～99的99种灰度样品。色样参数为：样品大小为3.5cm×3.5cm；屏幕尺寸为29.8英寸；最佳分辨率：2560×1600，双眼距样品的垂直距离为2m，使视觉评价保持在10°视场。

选择最黑的样品和最白的样品，然后在最黑和最白的样品中间分别放上灰度为30、35、40、45、50、55、60的样品，按照孟塞尔明度曲线可知，中性灰的亮度大概在18～22 cd/m2，根据EIZO显示器实测Y与L曲线关系可预判寻找目视中性灰的色样的大致范围在灰度值为45左右，因此在首次筛选过程中选取30～60这样一个范围供观察者判断时行之有效的，这样可以减少目视观测的工作量，降低视觉疲劳度，增加实验的效率。样品呈现过程中，深浅两种参考样出现在被视者的左右位置上的机会均等，以此排除人的视觉常性误差，如图5所示。

图5 目视观察初选色样的屏幕显示示意图Fig.5 Schematic diagram of the first visual observation

让观察者随机观察，选出一块与最白样品和最黑样品在明度距离上有同等差别的中灰样品，亦即找出一块他认为在视觉中处于明度刚好是两者之间的中间一块。观察者依次观察。

当所有的观察者都观察结束后，将观察者的观察结果进行平均，算出中间灰度值，并以此中间灰度值为中心，再找出灰度值为±5内的灰度样品，此时将背景换成上黑下白，将这十一个灰度样品随机放在画布中间黑白分界线上，具体如图6所示。

图6 目视观察复选色样的屏幕显示示意图Fig.6 Schematic diagram of the second visual observation

让观察者依次选出一块与最白样品和最黑样品在明度距离上有同等差别的中灰样品，亦即找出一块他认为在视觉中处于明度刚好是两者之间的中间一块。当所有的观察者都观察结束后，将观察者的观察结果进行平均，算出中间灰度值，此中间灰度值为真正的中国人观察到的与最白与最黑明度同等差别的中灰样品。再依次连续等分，确定其他等级的明度值，直到得到由白一黑等距差的9个级差为止。在等级排列过程中，白样品和黑样品出现在被试者的左、右位置上的机会均等，以此排除人的视觉常性误差。

3 实验方案

3.1 实验条件

(1)观察者：观察者是色觉正常的学生和老师23人，其中男性13人，女性10人，年龄18到25岁之间，对颜色辨别有一定的经验和训练。

(2)观测条件：将显示器至于美国ACS公司标准光源灯箱中的D65光源下，照度在(1000±100)lx，观察者距显示器屏2m，垂直于屏幕观察。

(3)实验色样：在EIZO显示器：Eizo ColorEdge CG301W(亮度30%，gamma值2.2)上呈现测试色样(35cm×35cm)。

(4)物理值测量设备：PhotoResearch705光谱辐射度计及测量软件。

PR705的相关技术参数如表2所示，在当前状态下获得380～780nm波段的亮度值，L、A、B值。

表2 PR705性能参数表Table 2 Property Parameter Table of PR705

3.2 颜色刺激测量

调节显示器：亮度30%，gamma值2.2。使用PR705测量黑白场，如表3所示。

表3 黑白场数据Table 3 The Data of Black and white field

因此确定液晶显示器的白场亮度为99 cd/m2，黑场亮度为0 cd/m2。所需测量的9个灰度级分别为：99、87、75、63、50、38、25、13、0，且当a<1，b<1时，可以认为此色块为中性色。将测量到的亮度值与L值进行线性化。灰度值的测量结果如表4所示。

表4 各个等级灰度值测量结果Table 4 The measured results of gray value

亮度、明度与R、G、B的关系如图7所示。

由此可根据L值的不同由图7中(d)、(e)、(f)所得公式，计算出与其相对应的R、G、B值。建立L与R、G、B之间的插值见公式(1)：

图7 亮度、明度与R、G、B的关系曲线Fig.7 The fitting plot of R、G、B and brightness and lightness

(1)

由此得到的L与R、G、B之间的插值表如表5所示。

由于明度是一个心理量，不能和Photoshop制作的色样完全等同，因此借助PR705光谱辐射度计测量在屏幕上显示色样的实际明度值，以此为明度的实测值来建立与视觉明度的关系。由于Eizo ColorEdge CG301W显示屏卓越的显色性能，使得Y的实测值与量级划定值的最大误差在0.28以内，因此可以忽略不计。

3.3 目视观测实验

由于照明方向和观察条件会对人眼的判断结果产生一定影响，因此有必要对实验中的照明和观察条件规范化。本次实验，参与观察的23名色觉正常观察者均为武汉大学在校生，每位观察者矫正视力正常。在开始正式实验前，先通过先验性实验使观察者熟悉实验的操作方法。将液晶屏幕调成20%的中性灰，以此作为背景。按照1.2部分的程序显示色样[15]。

表5 L与R、G、B之间的插值表Table 5 Value of R,G,B and L

4 实验结果分析

4.1 观察者精度分析

在心理物理实验中，为了评价测试数据的有效性，首先需要分析观察者的测试重复性和准确度。最初由Luo和Rigg提出性能因子PF(Performance Factor)方法来定量比较两个数据集的一致性，之后Guan和Luo等人又在此基础上改进为PF/3方法[16]，其表达式为：

(2)

式中

(3)

(4)

(5)

其中CV为变化量的系数，γ和VAB则给出两个数据集之间的不一致性程度，N是被比较的色样数据对数，Xi和Yi分别是第i对被比较的两个对应数据。如果被比较两组数据完全一致，则CV和VAB为0，而γ为1，因此PF/3值为0。较高的PF/3值表示被比较的数据集之间具有较差的一致性，如PF/3值为32代表被比较的两个数据集之间的不一致性为32%。

为了保证实验结果的准确性，本实验对每位观察者多次观察的数据进行了重复性分析，计算得出PF/3值最小为13.9，最大为19.74，所有观察者的测试重复性均在20个PF/3单位以下。

造成视觉误差的主要原因包括较长时间的视觉观察导致的视觉疲劳与重复观测过程中观察者心理波动的影响与经典实验数据比较[11]，在可接受范围内，因此可以认为此次实验数据是有效的[12]。

4.2 实验数据分析

目视观测得到黑——白明度等级值与亮度的关系如表6所示。

由表6中数据可得出明度等级算数平均数与亮度之间的关系见表7。

为得到各明度(V)与亮度因素(Y)之间的函数关系，用五次函数进行拟合，得到式(6)：

表6 各等级灰度值对应的亮度值Table 6 The brightness values of each grade grey value

表7 不同实验V-Y对应表Table 7 The comparison of three experiment result

Y=-0.003471V5+0.08385V4-0.5831V3

+1.897V2+0.2898V+0.2294

Y1=0.0008549V5-0.02136V4+0.2425V3

-0.241V2+1.232V+0.0003497

Y2=-0.007962V5+0.1959V4-1.51V3+4.529V2-0.8427V+0.459

(6)

从式(6)及图8可得出，中国人眼黑白系列明度等级的评定结果，表明了中国人的视觉选择不是以Y为50%的样品为最黑和最白的中间值，而是以Y为17.7753%的样品为最黑和最白的中间值(V=5),都低于对比试验的中间值Y1为19.7241、Y2为18.2768。

图8 本实验与对比实验的V-Y曲线示意图Fig.8 The V-Y curve diagram of the experiment and comparison experiment

图9 本实验曲线与孟塞尔明度曲线比较示意图Fig.9 Contrast curve of the result and Munsell lightness curve

通过比较本实验明度曲线和孟塞尔明度曲线在各明度等级上的亮度差得出如图9所示的ΔY与V之间的关系。由此可得出以V=4.1564作为分界点，在低明度一端本实验数据高于孟塞尔明度的结果，在高明度一端本实验数据低于孟塞尔明度的结果，且对应的亮度差的差异更大，接近5cd/m2。

5 结果与讨论

将中国人视觉明度值和孟色尔颜色体系中的明度值在同等的条件下进行比较，如果以明度值V=4.1564作为分界点，则无论在高明度的一端还是在低明度的一端，都与孟赛尔的结果有差异。这种差异主要表现为在高明度的一端，亮度因素值(Y)低于孟赛尔白色人种的结果；在低明度的一端，亮度因素值(Y)高于孟赛尔白种人的结果。

再将本实验的数据与孙秀茹、林仲贤、荆其诚、李亚璋的《中国人眼白—黑系列明度等级的实验研究》中的数据进行比较，可得出，在液晶显示器上的观察结果与基于树脂涂料工艺下的观察结果也是有所差异的，具体的差异表现在当明度V>5.6131时，基于液晶显示器上的亮度因素(Y)总比基于树脂涂料工艺的亮度因素(Y)高。这种差别是由于种族的差别所造成，还是由于文化背景、经验及呈色介质不同等因素的影响，尚有待进一步研究。但是这种差别，在研究基于显示器的中国人眼的明度感知时是需要认真考虑的。

本实验提供的方法在建立基于液晶显示器的中国人眼视觉明度曲线上也具有一定的指导意义，实验数据也为中国颜色体系色空间的均匀分级提供了基础数据。在实验方案的设计上，将二分法进行优化，提高了获取数额的准确性。

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