人眼对不同颜色色差辨别能力的研究

人眼对不同颜色色差辨别能力的研究

赵小明1，滕鹏超1，宗靖国2

（1.西安电子科技大学物理与光电工程学院陕西西安 710071；

2.西安诺瓦电子科技有限公司，陕西西安 710075）

摘要：人眼对不同颜色的感知与辨别能力存在差异,容易导致观察到的画面中不同颜色亮色

度均匀性效果不理想。本文针对人眼对不同颜色亮色度差异的敏感性顺序设计实验进行定量

分析，并与通过CIE2000色差公式计算得到的理论结果进行对比，总结出人眼对不同颜色亮

色度差异的敏感性顺序。从而可以将其应用到LED显示屏的生产过程中以及校正处理中，提

高显示图像的质量。

关键词： LED显示屏颜色视觉辨别特性色差

Study of human eye visual discrimination to color-difference

Zhao Xiaoming1，Teng Pengchao2

(1.Shool of Physics and optoelectronic engineering, Xidian University, Xi’an 710071,

China;

2.Xi’an NovaStar Tech Co., LTD，Xi’an 710075 China)

Abstract:There are differences between different colors in perception and discrimination,it is easy to cause the color-difference uniformity unsatisfactory of the observed images between different colors.In this paper,we conduct an experiment in order to carry out the quantitative analysis of human eye sensitivity to color-difference, compare with the theoretical results calculated from CIE2000 color-difference formula, then sum up the human eye sensitivity to color-difference. Thus,we can apply it to the production of LED display and correction processing for the sake of improving the quality of images.

Keywords: LED display color discrimination characteristics color-difference

1.引言

LED 显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，广泛应用于体育、广告、教育等行业，随着科技和工业的发展，人们对于LED 显示屏显示画面的质量也提出了更高的要求。其中,亮色度均匀性是衡量显示屏颜色质量的重要指标,但是LED 显示屏制作工艺水平有限、器件老化程度不一致等客观原因容易导致其显示图像色度和亮度的不均匀。另外人眼作为画面的接受终端是一个非常精细复杂的非线性系统，对不同颜色的感知能力存在差异，会在客观原因的基础上加剧感知画面亮色度的不均匀性。由此可见,人眼对图像的评价特性显得尤为重要。为了得到人眼对不同颜色色差的响应差异，本文从实验与理论两个方面分析人眼对不同颜色色差的敏感性顺序，为LED 灯点的生产、选型、显示屏非均匀性校正等处理环节提供有效的理论与实验支持，进行客观预处理，减轻人眼对图像中不同颜色亮色度差异视觉特性的不一致性，进一步提高LED 显示屏显示画面的均匀性。 2理论分析

人眼是图像的接受终端，人眼视觉系统特性是图像显示、处理、理解等技术的理论基础，所以在评价图像色差时应考虑人类视觉系统特性

【1】

。在理想的情况下,颜色应当用符合人眼

颜色视觉特性的均匀颜色空间来表示,相同的视觉间隔代表了相同的颜色差异。这种定量地表示两个刺激色样之间颜色差异程度的量值称为色差,而用以描述色差的评价模型即为色差公式

【1】

。理想的色差公式应当建立在均匀颜色空间上,以确保其预测色差与目视测量结果之

间具有良好的一致性，本文分析所选用的色差公式是与人眼颜色视觉判别特性较相符的CIE1976-LAB 色差公式和CIE2000('L ∆，'C ∆，'H ∆)色差公式

【4】

。

CIE1976 Lab 均匀颜色空间是CIE1931标准色度学系统的非线性变换,它将XYZ 直角坐标颜色空间转换为柱面极坐标,将三刺激值XYZ 转换成与眼睛视觉相一致的明度L 和色度a 、b 。CIE1976 Lab 均匀颜色空间表示颜色的方式,较好地模拟了人眼对颜色的感觉

【4】

。该方

法的优点是计算结果与人眼视觉的相关性较好,对大色差具有较好的预测性能且计算公式较简单，因此在现今工业生产中仍被广泛应用。 CIE1976-LAB 色差公式如下：

1E ∆= (1)

其中，L ∆为明度差，a ∆为红绿色品差，b ∆为黄蓝色品差；

由于CIE1976 Lab 均匀颜色空间和色差公式仍然存在缺陷

【5】

，为了进一步提高计算色

差与视觉色差间的一致性，国际照明委员会经过对现有色差模型和视觉评价数据的分析和测

试,在2001年提出了一个新的色差评价公式CIE2000('L ∆，'C ∆，'H ∆)色差公式,通常简称为CIEDE2000。该公式相对于先前的公式要复杂许多，但是具有更高的预测精度。CIE-DE2000色差公式如下：

)'

)('()'()'()'(

222H

H C C T H H C C L L S k H S k C R S k H S k C S k L E ∆∆+∆+∆+∆=∆ (2)

'''12L L L ∆=- (3)

'C ∆=

(4)

'H ∆=

(5)

其中, 'L ∆为明度差，'C ∆为彩度差，'H ∆为色调差，L S 、C S 和H S 分别为其加权函数，

L k 、C k 和H k 分别为其实验条件校正项，T R 为色调差与彩度差的交叉项修正系数；

本文以CIE-LAB 色彩空间为标准两批次LED 光功率相等，波长偏差5nm ，通过计算得到红R 、绿G 、蓝B 、白W 、青C 、黄Y 、紫P 等不同颜色感知差异E ∆，通过比较不同颜色色差值的大小确定人眼对不同颜色亮色度敏感性顺序。

表1 两批次波长，光功率，半高宽值

根据上表的峰值波长及半高宽拟合LED 相对光谱功率分布曲线，计算如下：

⎥⎥⎦⎤

⎢⎢⎣⎡∆--∆=

2

2)(2ln 4exp 2

ln 2)(λλλλπλp S (6)

其中，

p

λ为峰值波长，λ∆为光谱半高宽；

根据LED 相对光谱功率分布曲线计算三刺激值，如下[3]

：