基于LCD显示器光谱特性的图像颜色一致性研究

麻祥才， 王晓红*， 朱 明， 张建青

(1. 上海理工大学 出版印刷与艺术设计学院， 上海 200093; 2. 河南工程学院 材料与化学工程学院， 河南 郑州 450007)

基于LCD显示器光谱特性的图像颜色一致性研究

麻祥才1， 王晓红1*， 朱 明2， 张建青1

(1. 上海理工大学 出版印刷与艺术设计学院， 上海 200093; 2. 河南工程学院 材料与化学工程学院， 河南 郑州 450007)

为了解决环境光和显示器色温对LCD显示器图像颜色再现有较大影响的问题，提出一种基于LCD显示器光谱特性的图像颜色一致性方法。通过测量在不同环境光和色温下99个行业认可颜色的光谱，总结出不同环境光和色温对LCD显示器图像颜色再现的光谱规律。利用不同环境光下的光谱叠加性及不同色温下的光谱对应规律，实现了不同环境光和色温下的LCD显示器图像颜色一致性，一致性后的图像平均主观评价Z得分为0.50。研究结果表明，该方法能够很好地解决不同环境光和色温下的LCD显示器图像颜色的一致性问题。

LCD显示器； 环境光； 色温； 光谱特性； 颜色一致性

1 引 言

近年来，LCD显示器应用越来越广泛。研究表明，不同环境光和显示器色温对LCD显示器颜色再现有较大影响[1-7]。在实际生活中，有些显示器无法精确调节到工业上定义的5 000 K标准色温。另外，由于条件限制，LCD显示器的颜色在其他光源下也无法得到理想的显示效果。为了解决不同环境光和色温对显示图像的影响，国内外许多学者进行了大量的研究。目前的研究大多从色度角度进行[8-10]，Tastl等将CIECAM02色貌模型应用到ICC色彩管理系统中，并提出一种独立空间三刺激值到CIECAM02值的转换方法[8]。该方法可以减少外界环境和背景对图像颜色在LCD显示器以及跨媒体载体上再现的影响，但色貌模型计算较复杂，输入参数多而且不易获取和确定。Oleari等认为在数字图像采集过程中，采用D65光源产生的摄像机信号具有最佳色彩渲染效果，提出了一种基于美国光学学会均匀色标系统图像颜色一致性的方法[9]。通过借助适应光源的矩阵，使任何光源获得的图像三刺激值转化为相应D65光源下的三刺激值。该方法能够实现任何光源下拍摄的图像可以转化为同一场景D65光源下的颜色显示效果，但仍存在模型精度不够高等缺点。麻祥才等为了解决LCD显示器不同色温对人眼颜色感知有较大影响的问题，提出了一种基于图像颜色相同感知的LCD显示器不同色温下的图像颜色一致性方法[10]。该方法可以实现LCD显示器在不同色温下的图像颜色一致性，但基于色度角度而未从光谱角度考虑。

光谱是颜色的本质，能最大程度保留颜色信息，被广泛应用到颜色科学领域[11-13]。本文提出一种基于LCD显示器光谱特性的图像颜色一致性方法，用光谱均方根误差和色差评价不同环境光和色温对LCD显示器图像颜色再现的影响，总结了LCD显示器与环境光光谱和不同色温光谱的关系；利用规律对不同环境光和色温下的LCD显示器图像色彩进行一致性还原。

2 不同环境光和色温对LCD显示器颜色再现的影响

2.1 色块选取

本文选择显示器三通道驱动值包含0，85，170，255等常用来做显示器特性化的99个色块作为测试色块。

2.2 实验仪器及测量环境

本文采用Eizo ColorEdge CG246W显示器，LCD显示器亮度为100 cd/m2。光谱数据测量仪器使用柯尼卡美能达CS-2000，周围环境为中性灰。

2.3 实验数据分析

分别测量颜色在暗室、D50光源、A光源、TL84光源和色温为5 000，6 500，9 500 K下380～730 nm的光谱分布。光谱均方根误差(RMSE)可以反映出不同条件下光谱分布的波动大小，色差是颜色科学领域公认的直接可靠评价颜色变化指标[14]。计算不同环境光和色温下颜色光谱的均方根误差和光谱积分后的色差大小，结果如表1所示。

表1 不同环境光和色温下的光谱均方根误差和积分后色差

从表1中可以看出，LCD显示器上颜色在不同环境光下与暗室相比最大色差超过10个色差单位。颜色在不同色温下的色差较大、光谱波动较大，表明LCD显示器颜色再现受不同环境光和色温影响较大。

3 不同环境光和色温下LCD显示器的光谱规律

3.1 不同环境光的光谱叠加性

环境光对LCD显示器颜色再现有较大影响，总结环境光对颜色再现影响的规律，利用其规律可以实现不同环境光下的颜色一致性还原。将所选颜色在不同环境光测量得到的光谱与屏幕反射环境光的光谱进行差运算，计算差运算光谱和原始测量得到光谱的均方根误差和色差，结果如表2所示。

表2 光谱均方根误差和积分后色差

从表2中可以看出，不同环境光下的光谱分布稳定、色差较小。图1为随机选取某一复色的光谱分布。其中，(a0)、(b0)、(c0)为颜色在不同光源下的光谱分布，(a1)、(b1)、(c1)为光源的光谱分布，(d)为测量得到和经过规律差运算得到的光谱分布。

实验证明，不同环境光下进入人眼感受颜色的光谱量等于LCD显示器自身发光光谱与反射不同环境光光谱量之和：

(1)

其中，S(λ)为不同环境光下进入人眼的光谱量，D(λ)为LCD显示器暗室条件下自身发光光谱量；V(λ)为显示器屏幕反射不同环境光进入到人眼的光谱量；λ为光谱波长，一般选取380～730 nm。

图1 不同环境光下光谱叠加性

从本质上说，LCD显示器和不同光源都可以看作发光体。根据色光加色法的理论[15]，一个复色光呈现的颜色是所有单色光共同作用的效果，由此也可以说明LCD显示器和不同光源光谱之间具有叠加性。

3.2 不同色温下的光谱对应关系

研究表明LCD显示器各通道会受黑场的影响，测量得到的都是黑场作用之后的光谱，但LCD显示器双色或者三色的光谱等于对应三原色光谱之和[16]：

(2)Dr,g,b(λ)=Dr(λ)+Dg(λ)+Db(λ)-2D0,0,0(λ)

图2 不同色温下测量和计算的光谱分布

Fig.2Spectraldistributionofmeasurementandcalculationunderdifferentcolortemperature

其中，Dr，g(λ)、Dr，b(λ)、Db，g(λ)、Dr，g，b(λ)为显示器双色或者三色的光谱，D0，0，0(λ)为黑场的光谱。利用三维查表法建立三单色在不同色温下光谱的查找关系，根据公式(2)可计算出任一双色或者三色的光谱。所选颜色在不同色温测量得到光谱和经过查表计算得到光谱的均方根误差和色差结果如表3所示。

表3 光谱均方根误差和积分后色差

从表3中可以看出，不同色温下的光谱分布稳定、色差较小。图2为随机选取颜色的光谱分布。其中，(a)、(b)、(c)、分别为颜色在不同色温测量得到和经过查找计算叠加得到的光谱分布。

4 不同环境光和色温下的图像颜色一致性方法

在实际生活中，由于LCD显示器使用寿命、外界环境的影响使得LCD显示器颜色无法达到标准状态下的视觉感知效果。对于LCD显示器来说，不同条件下进入人眼的光谱分布刺激与标准条件下进入人眼的光谱分布刺激相同就会有相同的视觉感知。人眼在观察LCD显示器颜色时，进入人眼的光谱量等于显示器在暗室条件下的光谱量与显示器反射外界环境光量的总和，同时不同色温下的光谱可以通过计算得出。因此，利用该特性可以实现不同环境和色温下的LCD显示器图像颜色一致性，具体流程如图3所示。

图3 不同条件下的图像颜色一致性流程图

Fig.3 Color image consistency under different conditions

(1) 利用LCD显示器R0G0B0数值到光谱模型得出暗室下的光谱模型。

(2) 如果不考虑环境光只考虑色温，直接从(5)开始执行；不考虑色温只考虑环境光，执行过程中忽略(5)。

(3) 根据所总结的不同环境光下的光谱叠加性规律，暗室条件下光谱与环境光1的光谱进行加运算即为刺激人眼的光谱分布。

(4) 利用进入人眼的光谱总量与显示器反射环境光2的光谱进行减运算，得出暗室下颜色的光谱。

(5) 根据不同色温下建立的光谱关系，查找计算对应得到色温2下的光谱。

(6)利用LCD显示器光谱到RGB反向特征化模型得到R1G1B1，完成不同环境光下和色温下图像颜色一致性补偿修正[15,17]。

5 图像色彩一致性实验及分析

选取LIVE图像库中人物、动物、风景、房子等4类图像[18-19]，分别获取LCD显示器不同环境光和色温下显示效果图。选择10名颜色视觉感知正常的观察者(5男5女)对图片进行主观打分实验，计算图片在不同环境和色温条件下的Z得分[20-21]。其中，图4为Womanhat图像在修正前后的Z得分分别为-0.50和0.50，其他图片具有类似规律，说明该方法可以实现LCD显示器不同条件下的颜色的一致性。

图4 Womanhat图在不同条件下的显示效果

6 结 论

不同环境光和色温对LCD显示器颜色再现影响较大。为了解决不同环境光和色温下LCD显示器图像颜色再现有较大差异的问题，提出了一种基于LCD显示器光谱特性的图像颜色一致性方法。该方法利用不同环境光下光谱叠加性和不同色温下光谱查找计算的关系，使图像观察起来更加符合所需条件下感知的一致性。

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麻祥才(1991-)，男，山东潍坊人，硕士研究生,2014年于曲阜师范大学获得学士学位，主要从事色彩管理、数字水印等方面的研究。

E-mail: Marcle_caizi@163.com王晓红(1971-)，女，陕西汉中人，博士，教授，1999年于中国纺织大学获得博士学位，主要从事色彩学与色彩应用、印刷质量检测与控制、数字印刷技术等方面的研究。

E-mail: Wang_keyan@163.com

Image Color Consistency Based on Spectral Characteristics of LCD Monitor

MA Xiang-cai1, WANG Xiao-hong1*, ZHU Ming2, ZHANG Jian-qing1

(1.CollegeofCommunicationandArtDesign,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China;2.DepartmentofMaterialsandChemicalEngineering,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou450007,China)

In order to solve the problem that the ambient light and color temperature have a great influence on the image color reproduction of LCD monitor, an image color consistency method based on the spectral characteristics of LCD monitor was proposed. The spectra were of 99 industry-recognized color measured at different ambient light and color temperature, and the spectral color reproduction law of LCD monitor image under different ambient light and color temperature was summarized. Using the spectra superposition under different ambient light and the corresponding law of different color temperature, LCD monitor image color consistency can be achieved under different ambient light and color temperature. The average subjective evaluationZscore of image is 0.50. The results indicate that this method can well solve the LCD monitor image color consistency under different ambient light and color temperature.

LCD monitor; ambient light; color temperature; spectral characteristics; color consistency

1000-7032(2017)05-0669-06

2016-10-25；

2017-03-10

国家自然科学基金青年基金(61301231)资助项目 Supported by Youth Fund of National Natural Science Foundation of China(61301231)

O433.4； TN27

A

10.3788/fgxb20173805.0669

*CorrespondingAuthor,E-mail:wang_keyan@163.com