模拟雾环境下RGBY色度识别偏差的研究

王子颉，张哲千，徐方卉，周小丽，刘木清

(1.复旦大学光源与照明工程系，上海 200433；2.先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433)

引言

大雾天气一直是交通运输系统面临的巨大问题之一。不论是港口、公路还是航空系统都会受大雾天气的困扰。不仅自然界会形成雾，人类的社会生产活动也会产生雾。工业生产中的废气排放、交通运输时的大量尾气，在空气不流通、风力小或气压较低的情况下，就会引起雾或霾现象。这不仅降低了社会生产效率，也带来了各种安全隐患。因此，对大雾天气的研究、防范以及处理措施成为了十分迫切且棘手的问题。

一般而言，无论是道路照明、景观照明还是其他视觉环境，在研究目标物可见度的时候，都是假定在理想条件下进行的，即眼睛与目标之间的气态介质(空气)是干燥、洁净的，且光能的衰减可被忽略不计[1]。然而，在雾霾环境中，空气混浊且能见度低，各类室外照明设备实际产生的照度值可能远低于理论计算值。不仅如此，雾还能影响人眼或者探测器对于物体轮廓的识别，以及对于物体颜色的识别，这给道路交通安全带来重大隐患。我们通过实验室模拟雾环境，研究在不同照明光源背景下、不同雾浓度情况下色度识别的偏差。

1 实验装置的建立

1.1 实验装置结构

本文在实验室模拟自然界的雾天气并且进行色度识别的相关实验，实验装置如图1所示，主要包括暗箱、隔板、超声波加湿器、色卡、彩色亮度计、照度计等。

图1 实验装置Fig.1 Experimental apparatus

雾模拟装置是由木板、木架、黑色塑料板等拼接而成的一个实验暗箱。箱体规格为1.5 m×0.7 m×1.2 m。为了保证暗环境，木板裸露处涂有黑漆。箱体内右端设有支架以固定色卡和照度计，并且色卡和照度计都备有防水防潮措施。箱体左端设置一个观察窗，用于放置彩色亮度计以及观察；同时左端内部设灯具接口，用于不同灯具的安装与调试。箱体侧面开孔与超声波加湿器的喷头对接。超声波加湿器是模拟雾环境的实现方法，加湿器使用超声波(1.7 MHz)使雾化片发生高频谐振，将水抛离水面，产生直径5 μm的细小水滴。而自然界中存在的雾，粒子直径在4～10 μm之间，两者相吻合。该方法模拟的水雾还具有均匀性，稳定性和可控性的优点。

本实验的观察对象的是标准色卡，见图2。方框1内的色块代表肤色，方框2内的色块代表天蓝色和叶绿色，方框3内的色块代表一些常见的自然的颜色和辅助的颜色，方框4内色块代表RGB，方框5内的色块代表为中性灰色的各色色阶色彩。本文采用方框4内的代表RGB的色块中的蓝、绿、红、黄进行测试，因为无论是显示技术中的三原色还是颜色原理中的三原色都是基于这些颜色所组成的。实验中将色卡与探测器或者镜头平行放置，保证色卡受到均匀光照。在雾环境下，给色卡做好防湿防潮的保护膜。

图2 ColorChecker Classic 标准色卡Fig.2 ColorChecker Classic Mini Passport

1.2 背景照明光源

本文采用白炽灯和色温分别为3 000 K、4 600 K、6 300 K、6 500 K的白光LED作为背景照明光源，所选光源的光谱能量分布如图3所示。

图3 各个光源的相对光谱能量分布Fig.3 The relative spectral energy distribution of light sources

1.3 色度测量

色度测量可以采用目视法和仪器法测量。目视法是最古老、最直接的方法，但测量结果受到被试者主观因素影响较大，具有很大缺陷。本文分析中需要测算色坐标，并以色差为最终量化的结果，因此本文中采用仪器法测量色度，避免目视法带来的主观偏差。本文采用彩色亮度计测量色度值，其原理图如图4所示。被测目标反射出的光信号由望远物镜捕捉到，经过滤色器等光电器件，最终转化成电信号输出。

图4 彩色亮度计原理框图Fig.4 The schematic of chromatic luminance meter

实验采用45°环形几何条件(45°a)照明与0°接收的方法，即样品光源与样品色卡法线成45°，从所有方向同时照明样品；探测器置于样品法线上接收测试信号。采用照度计测量背景照明光源的照度来衡量雾浓度，通过光的透射率(T)来定义雾的浓度百分比是目前常用的确定雾浓度的方式[2-3]。光的透射率由公式(1)定义：

(1)

式中E′为有雾气条件下的照度值；E0为无雾气条件下的照度值，也称为初始照度值。

雾浓度百分比P(%)的表达式为

P=1-T

(2)

相对可见度V(%)的表达式为

(3)

式中P0为雾气最大时的雾浓度百分比；P′为实时的雾浓度百分比。

上述公式表明：光照度数值计算出的透射率能够反应实验暗箱内的雾浓度百分比值；而雾浓度的百分比值又可以表征相对可见度。利用照度计的照度变化计算相对可见度，配合彩色亮度计观测标准色卡得到的色坐标，进行后续实验数据处理与分析。

2 模拟雾环境中RGBY色度偏差的研究

在实验装置中，首先测试并且记录无雾情况下光源照度和彩色亮度计的示数(色坐标)，然后打开超声波加湿器加雾，使其充满暗箱。当照度计数值最低的时候，关闭加湿器，等待自然散雾。与此同时，一边记录照度计数值的变化情况，另一边设置彩色照度计自动读数，同步记录色坐标的变化情况。经过数据处理就可以得到在不同雾浓度下的色坐标的变化，最终用色差来衡量色度受雾浓度的影响程度。色差值是用来表示被测样品的颜色与颜色空间上另外一参照点之间的差异。本实验用CIELAB(L*a*b*)色彩空间进行色差计算[4]。

色差计算公式为

(4)

ΔL*=L*(样品)-L*(标准)(明度差异)

(5)

Δa*=a*(样品)-a*(标准)(红/绿差异)

(6)

Δb*=b*(样品)-b*(标准)(黄/蓝差异)

(7)

其中，样品值是指在雾环境下彩色亮度计所测得的数值，标准值是指当雾浓度为零时，彩色亮度计所测量的值。

2.1 不同雾浓度对不同颜色的影响

在相同背景光源照明下不同雾浓度对不同观察颜色的色差结果如图5～图9所示。

图5 3 000 K LED背景光源下色差随可见度的变化Fig.5 The relationship between relative visibility and color difference under 3 000 K LED

图6 4 600 K LED背景光源下色差随可见度的变化Fig.6 The relationship between relative visibility and color difference under 4 600 K LED

图7 6 300 K LED背景光源下色差随可见度的变化Fig.7 The relationship between relative visibility and color difference under 6 300 K LED

图8 6 500 K LED背景光源下色差随可见度的变化Fig.8 The relationship between relative visibility and color difference under 6 500 K LED

图9 白炽灯背景光源下色差随可见度的变化Fig.9 The relationship between relative visibility and color difference under incandescent lamp

从图5～图9中可以看出一些共性：在雾浓度较高、相对可见度较低(小于50%)的情况下，所有背景照明光源的色差都比较大；各个颜色样品之间，红色样品色差普遍相对较大，而蓝色样品色差普遍较小(除4 600 K LED外)。在可见度50%～70%的范围内，出现了很多色差数值突然变小的情况。在可见度超过70%时，与可见度低于50%的情况相比较，色差数值普遍维持在一个较低的水平。

相对可见度较低时(小于50%)，不同的背景照明光源的表现各不相同，考察各个颜色样品之间的以及最大色差范围，如下：

1)3 000 K LED条件下，色差大小关系有ΔE红>ΔE绿>ΔE蓝>ΔE黄，最大色差范围为2.2～11.3；

2)4 600 K LED条件下，色差大小关系有ΔE蓝>ΔE红>ΔE黄>ΔE绿，最大色差范围为15.6～73.8；

3)6 300 K LED条件下，色差大小关系有ΔE红>ΔE黄>ΔE蓝～ΔE绿，最大色差范围为7.4～99.8；

4)6 500 K LED条件下，色差大小关系有ΔE红>ΔE黄>ΔE绿>ΔE蓝，最大色差范围为7.5～106.2；

5)白炽灯条件下，色差大小关系有ΔE红>ΔE绿>ΔE蓝>ΔE黄，最大色差范围为1.4～30.9。

从上述现象中可以得出，随着光源色温逐渐变小，最大色差范围的上限数值也在逐渐减小。其原因主要归结为光源的光谱功率分布，光谱中各个波长的比例改变导致了色温的变化，也导致了颜色样品之间色差的大小关系变化。光谱中红黄光谱功率比例的增加以及蓝绿光谱功率比例的减少，使得色温降低；之前的研究表明黄光的透雾能力最强，这可能是色差减小的一种解释。

另外，各个颜色波长的特性也各不相同。在色温逐渐变小的过程中，红色样品色差一直维持在较高水平；蓝色和绿色样品的色差大多数情况下数值偏小，但存在例外；黄色样品与其他样品的色差大小关系有明显的改变，从较大的一方逐渐变为较小的一方。

2.2 不同雾浓度下不同背景光源对颜色偏差的影响

同一颜色在不同雾浓度下受不同光源的影响的实验结果如图10～图13所示。

图10 不同背景光源下蓝色色差随可见度的变化Fig.10 The relationship between relative visibility and color difference of blue sample

图11 不同背景光源下绿色色差随可见度的变化Fig.11 The relationship between relative visibility and color difference of green sample

图12 不同背景光源下黄色色差随可见度的变化Fig.12 The relationship between relative visibility and color difference of yellow sample

图13 不同背景光源下红色色差随可见度的变化Fig.13 The relationship between relative visibility and color difference of red sample

图10～图13能反映出前文中相似的现象，如相对可见度小于50%的情况下，颜色样品的色差都比较大；在可见度50%～70%的范围内，出现了很多色差数值突然变小的情况；可见度超过70%时，与可见度低于50%的情况相比较，色差数值普遍较低。

相对可见度小于50%时，不同颜色样品的色差变化各不相同，考察各个光源之间色差大小关系以及最大色差范围，如下：

1)蓝色样品，色差大小关系有ΔELED(4 600 K)>ΔELED (6 300 K)>ΔELED(6 500 K)>ΔE白炽灯>ΔELED (3 000 K)，最大色差范围为5.4～73.8；

2)绿色样品，色差大小关系有ΔE白炽灯>ΔELED(6 500 K)>ΔELED(6 300 K)>ΔELED(4 600 K)>ΔELED(3 000 K)，最大色差范围为5.5～18.4；

3)黄色样品，色差大小关系有ΔELED(6 500 K)>ΔELED(6 300 K)>ΔELED(4 600 K)>ΔELED(3 000 K)>ΔE白炽灯，最大色差范围为2.2～74.4；

4)红色样品，色差大小关系有ΔELED(6 500 K)>ΔELED(6 300 K)>ΔELED(4 600 K)>ΔE白炽灯>ΔELED(3 000 K)，最大色差范围为10.4～106.2。

其中，绿色样品的最大色差范围的上限值比其他颜色样品小得多。这一原因可能归结于人眼视觉的光谱响应。1924年国际照明委员会(CIE)会议定义人眼对光平均响应值，以此得到了光谱光视效率曲线，见图14。从该曲线中可以得知，人眼对绿光(500～560 nm)反应最敏感，对紫光和红光则反应较弱。因此绿色色差比其他三种颜色样品色差都小，黄色和蓝色样品最大色差范围上限相近，而红色样品的最大色差在四个颜色样品中最大。

图14 光谱光视效率曲线Fig.14 The spectral luminous efficiency curve

最后，将各个背景照明光源的表现进行比较，可以发现：低色温的白炽灯和LED(3 000 K)在四个颜色样品中的色差普遍比另外三种色温的光源要低。在黄色和红色样品的实验中，不同背景光源的色差大小关系具有共性即ΔELED(6 500 K)>ΔELED(6 300 K)>ΔELED(4 600 K)>ΔE白炽灯/ΔELED(3 000 K)；而在绿色和蓝色样品条件下并没有这一共性，甚至难以比较互相之间的色差大小关系，且蓝色样品LED(4 600 K)的表现和其他四种光源相差较大。所以在雾环境中，适合选用较低色温的照明光源。

3 结论

通过人工模拟雾环境，利用经过V(λ)校正的彩色亮度计模拟人眼观察标准色卡，我们探究了在不同背景照明光源条件下，红黄蓝绿四种标准颜色样品的色度识别和色差关系。由实验结果我们可以初步得出以下结论：

1)不同色温光源的色度识别表现不同，实验中白炽灯和LED(3 000 K)在雾环境中的色差比其他三种光源要低，色温低的光源产生的色差较小。

2)不同颜色样品的色差也不同，红色样品在雾环境中的色差最大范围上限值最大，黄色和蓝色样品次之，绿色样品最小；且绿色样品受雾和光源变化的影响最小，即绿色物体在雾环境下最容易被识别。

实验结论或可推广至交通领域。现在道路照明普遍使用的光源以及汽车照明所使用的透雾灯都是黄光光源，如果以本文结论作为参考，使用低色温白光照射绿色物体能提高观察者的色度识别能力，或许能降低大雾天气下的交通事故发生的概率。不仅如此，本文结果对于大雾中物体轮廓的识别也有一定的帮助，可以进一步提高交通出行的安全性。

[1] 张绍纲.室外照明[J].照明工程学报，1988，1(1)：24-28.

[2] KURNIAWAN B A, NAKASHIMA Y, TAKAMATSU M. Analysis of visual perception of light emitting diode brightness in dense fog with various droplet sizes[J]. Optical Review, 2008, 15(3): 166-172.

[3] 关雪峰.中间视觉条件下电光源在介质中的视觉可见度与穿透力实验研究[D].深圳：深圳大学，2011.

[4] 刘浩学. CIE均匀颜色空间与色差公式的应用[J].北京印刷学院学报,2003,11(3):3-8.