三维可感知色域计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种三维可感知色域计算方法，包括如下步骤：建立人眼色觉的数学模型：分别建立对于自发光物体的人眼色觉感知模型和对于普通物体的人眼色觉感知模型；确定颜色空间内的三维色域边界点；将计算出的颜色空间内的色域边界点转化为以及颜色空间。该方法通过建立人眼的色觉模型，能够计算出在设备无关的颜色空间内不同坐标系下的人眼可感知色域。本算法能为对未来不同色域信号、不同显示器件、不同显示方式的显示器设备以及不同彩色印刷打印设备的可重现三维色域进行准确客观的评价提供理论基础。
【专利说明】Ξ维可感知色域计算方法
[0001] 本发明得到天津市高等学校科技发展基金计划课题20140719;天津师范大学研究 生科研创新项目Υ201502的资助。
技术领域
[0002] 本发明设及颜色科学与技术、彩色印刷及显示器技术领域，具体设及一种Ξ维可 感知色域计算方法。
【背景技术】
[0003] 显色设备由于种种条件的限制，其能显示的颜色只是自然界颜色的一部分。为了 对不同的显示设备的颜色重现能力进行评价，当前对于显色设备的颜色重现能力评价是在 二维色度平面内进行评价的，然而研究表明与传统的二维色域相比，在颜色的Ξ维空间对 显示设备的色域研究，能够更全面的比较和分析显示器的显色特性。
[0004] 在技巫受線货二维色度图内，当前电视信号的色域覆盖率只约为视觉能感受色 域范围的1/3。然而，随着现代科技和工业的迅速发展，近年来多种新型显示器件和显示技 术不断涌现。除传统的阴极射线管葛;外，液晶显示器;、等离子体显示器(PDF)、 数字光学处理器(POP)、:娃基液晶显示发光二极管背光源液晶显示器 装I速13-LP3菜\ 4元色W上的多元色pG技等多种新型显示器件已实用化或已研制成功。 在显示方式方面，除直视型外，前投影、背投影、激光投影和多元色投影等也已投入实用。运 些新型显示器件和显示方式基于不同原理，不同结构，采用不同材料、器件和技术，彩色重 现性能已明显提高，色域扩大，一些"未来型"显示器件和显示方式还将涌现。同样，随着彩 色印刷技术W及颜色原料的快速发展，现在打印印刷设备的可打印印刷色域也越来越宽。
[0005] 为实现对未来不同色域信号、不同显示器件、不同显示方式的显示器设备W及不 同彩色印刷打印设备的可重现色域进行准确客观的评价，就需要在颜色的Ξ维空间对显色 设备的色域进行分析与研究。
[0006] 历史悠久的颜色科学研究证实，颜色有亮度（明度）、色调和色饱和度Ξ种属性。亮 度（明度)指彩色光刺激的强弱。色调即色品，不同波长可见光的色调不同，可见光波长由长 到短，色调由红色逐渐变化到蓝色。色饱和度指颜色的纯度，含白色光比例越低的颜色，其 色饱和度越高。
[0007] 目前通用的色度测试是用特定亮度（明度）的二维测试图，测量显色设备的二维色 性能，实际上只评测了特定亮度（明度）下的色调和色饱和度质量，并不能对显色设备的显 色效果进行精确地评价。W电视技术为例，目前我国相关标准要求测定的"色域覆盖率"，也 只是用100%幅度的红、绿和蓝Ξ种满幅测试图，测定可重显Ξ基色限定的色度范围与可见 光色度范围的比值。
[000引实际上，不同的显色设备在不同亮度（明度）下，色域有很大的差别。例如 LC曰、PDP等平板显示器，当亮度（明度）提高后，色域大为缩窄，运意味着采用现有技 术，运些显示器不能显示高亮度（明度）的高饱和色。目前在显示器领域，已有一些显示器的 Ξ维色域测试图，可W用来测定不同显示器件和显示方式的Ξ重色属性，提供Ξ维色域测 试数据，为产品的Ξ维色复显设计提供基础数据，运样就能测定显色设备在Ξ维颜色空间 的色域。然而，对比传统显色设备的二维色域覆盖率，就需要在颜色的Ξ维空间内构建人眼 的Ξ维可感知色域，进而通过Ξ维色域覆盖率运一参数来对不同的显色设备的颜色重现能 力进行客观精确的评价。
【发明内容】
[0009] 本发明为解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种Ξ维可感知色域计算方 法。
[0010] 本发明为解决运一问题，所采取的技术方案是： 一种Ξ维可感知色域计算方法，该方法包括如下步骤： 建立人眼色觉的数学模型:分别建立对于自发光物体的人眼色觉感知模型和对于普通 物体的人眼色觉感知模型； 确定彩篮茲苦兹:颜色空间内的Ξ维色域边界点； 将计算出的彩歴鼓繁玄颜色空间内的色域边界点转化为域姑盛疫穀滤按疲汇彩衣颜 色空间。
[0011] 其中，建立对于自发光物体的人眼色觉感知模型的具体方法为： 对于一个给定的自发光物体的光谱分布,其颜色的立刺激XYZ计算模型如 下：
其中；gl:!，if%, 是沒装标准观察者函数;采用等间隔取样的办法来对上式 进行简化计算，积分运算就转换为求和运算：
其中琴^最，署为标准观察者颜色匹配向量，每历自发光物体的光谱分布向量。
[0012] 建立对于普通物体的人眼色觉感知模型的具体方法为： 人眼产生的色觉反应是在人眼、物体、W及标准照明体Ξ者共同作用下产生的，其对应 的颜色的Ξ刺激值计算过程：
其中約:游为标准光源的相对功率分布，?|^,，sp是拉g标准观察者函数， :您为归一化系数，反映的是物体对标准光源光谱的调制作用，在光源发出光后，经 过物体对不同波长光谱分量的反射或者透射作用，将原来的光谱尹(i.)赛为P(义 通过上式的积分运算，即可得到对于某一光照条件下的物体的颜色;等间隔取样后得到离 散的物体颜色Ξ刺激值XYZ的计算公式：
其中5,宗，:奏为标准观察者匹配向量，胶为归一化系数，馬为标准光源的光谱分 布向量，梦{珠 I为物体对标准光源光谱的调制向量。
[001引确定控渡X赛玄颜色空间内的；维色域边界点的具体步骤如下： 对人眼色觉的数学模型进行分析，在已知了标准观察者的颜色匹配函数W及标准照明 体的光谱分布后，唯一的变量是物体对标准光源的反射或者透射光谱分布，对人眼 可感知光谱范围通过矩形脉冲抽样算法来对该变量进行遍历W求取在仁圧ΧΥΖ颜色空间 内人眼可感知Ξ维色域的最大边界点。
[0014] 将计算出的挖巧?兹颜色空间内的色域边界点转化为磯Ρ粟缓裝獻載较禱:購萍颜 色空间，其转换关系如下： 转换到炫遊私藻政颜色空间，其坐标表示为'|^1^^%
其中，及、'取、z为颜色的^刺激值;斬、;:載~馬为觸标准照明体的^刺激值，规 范化令m韩:纖 转换到:控座撤y颜色空间，其坐标表示为if贫
式中，》j:、；，'为颜色样品的色品坐标，该坐标系就是当前显示器显色效果评价指标所 用的坐标系；輪為:'为光源的色品坐标;聚、苦,2为颜色的^刺激值，梁。;>据、::2;。 巧纖;标准照明体的立刺激值，规范化令Y。=10 0;
从而得到在CE设备无关的颜色空间内的Ξ维可感知色域。
[0015]本发明具有的优点和积极效果是： 本发明的Ξ维可感知色域计算方法，通过建立人眼的色觉模型，能够计算出在C连设 备无关的颜色空间内不同坐标系下的人眼可感知色域。本算法能为对未来不同色域信号、 不同显示器件、不同显示方式的显示器设备W及不同彩色印刷打印设备的可重现Ξ维色域 进行准确客观的评价提供理论基础。本发明选择C圧色度系统，运是因为I：法颜色系统是设 备无关的颜色空间，也是颜色科学理论的基础，在该颜色空间内能够对不同的显色设备进 行统一的评价，有利于标准的统一。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明的自发光物体的人眼感知颜色模型示意图； 图2是本发明的普通物体的人眼感知颜色模型示意图； 图3是本发明的计算条件图；其中（a) OE标准观察者函数；（b) DS5光源的光谱功 率分布； 图4是本发明CIELAS颜色空间内的边界点计算结果图； 图5是本发明aEixrv颜色空间内的边界点计算结果图； 图6是本发明计算结果验证的二维探色度图； 图7是本发明计算结果验证的CffisyY的人眼可感知色域图。
【具体实施方式】
[0017] W下参照附图和具体实例对本发明的Ξ维可感知色域计算方法进行详细的说明。 下面描述的具体实施例仅是本发明的最佳实施方式，而不能理解为对本发明的限制。
[0018] 本发明完成了人眼可感知Ξ维色域的理论构建，在进行人眼可感知色域的构建 时，通过对綾色域、Up巍i显色系统、口￡色度系统^及RGB颜色空间等不同的颜色 空间进行分析比较后，本算法选择錄i色度系统，运是因为符E颜色系统是设备无关的颜色 空间，也是颜色科学理论的基础，在该颜色空间内能够对不同的显色设备进行统一的评价， 有利于标准的统一。
[0019] 本发明的Ξ维可感知色域计算方法，包括如下步骤： 第一步，建立人眼色觉的数学模型 人眼对于颜色的感知抽象地概括分为两种情况:第一种，对于自发光物体，如显示器 等，由于物体是自发光物体，在运种情况下即使没有外界光源也会对人眼产生刺激，进而产 生色觉；第二种情况是人眼、光源、物体Ξ者的相互作用来产生色觉，运也是我们生活中最 常见到的情况。物体通过对光源光谱的反射或者透射进而刺激人眼产生对应的视觉。对于 运两种情况，其颜色的Ξ刺激值的计算方法是不同的，所W必须要分开考虑。
[0020] 模型一，自发光物体的人眼感知颜色模型，如图1所示， 对于一个给定的自发光物体的光谱分布装til其颜色的Ξ刺激没豕圣计算模型如下：
其中是窃g标准观察者函数（根据实际情况选用妙或：|妒视 角），积分的波长范围是i纖to為織盆盘的可见光光谱范围。标准观察者函数是通过窃I的 颜色度量实验测得的人眼对于光谱的刺激反应，其能够较为精确的反映人眼对光谱的色觉 特性，也是本算法计算的理论基础。
[0021] 由于人眼的视觉在光谱范围上是连续的而且标准观察者函数并没有确定的函数 表达式(运也从侧面说明人眼色觉的非线性特性），使得上述的积分计算非常复杂。为此，本 文采用等间隔取样的办法来对上式进行简化计算，运样复杂的积分运算就转换为求和运 算：
其中i，:兩，军就可W称为标准观察者匹配向量，璋称为自发光物体的光谱分布向 量。
[0022] 模型二，对于普通的物体来说，人眼的色觉感知模型，如图2所示，从图2可W看出， 人眼产生的色觉反应是在人眼、物体、W及标准照明体Ξ者共同作用下产生的。其对应的颜 色的Ξ刺激值计算过程：
其中1^礙为标准光源的相对功率分布，丢, 仍然是?标准观察者 函数，鞍称为归一化系数。巧（1)反映的是物体对标准光源光谱的调制作用，在光源发出 光后，经过物体对不同波长光谱分量的反射或者透射作用，将原来的光谱Ρ(Α)变为 巧:若也可W将其理解为一个次级光源。对于通过透射呈现颜色的物体来说，例如玻 璃等，跨（义）称为物体的光谱透射系数，一般可W用分光光度计测量得出;对于通过反射呈 现颜色的物体来说护（i)称为物体的光谱反射系数，一般可W用反射式分光光度计测定。 通过上式的积分运算，即可得到对于某一光照条件下的物体的颜色。
[0023] 同样的，对上面的式子等间隔取样后便得到了离散的物体颜色Ξ刺激值XYZ的 计算公式：
其中幕系;,蚕;为标准观察者颜色匹配向量，:搭.为归一化系数，F劝标准光源 的光谱分布向量，梦为物体对标准光源光谱的调制向量。
[0024] 第二步，确定OEXY.Z颜色空间内的Ξ维色域边界点 通过对上文人眼色觉的数学模型分析可知，在已知了标准观察者的颜色匹配函数W及 标准照明体的光谱分布后，唯一的变量是物体对标准光源的反射或者透射光谱分布如.A)，: 所W就需要对该变量进行遍历。由于所要求的是人眼视觉可感知Ξ维色域的最大边界，所 W只需要确定Ξ维色域边界上的颜色点即可。为此本算法提出对人眼可感知光谱范围通过 矩形脉冲抽样算法来对该变量进行遍历W达到求取Ξ维色域边界点的目的。为了便于介 绍，运里仅给出5个矩形光谱脉冲抽样的例子： 首先是仅一个脉冲的时候
[00巧]通过上述的算法，便可W求得在玄颜色空间内人眼可感知色域的最大边 界点。
[0026] 在实际计算时，可W根据需要自行选择合适的采样间隔。对可见光光谱 Μ·、3皿1-7S&皿范围内的光谱的采样间隔越大，得到的色域边界点就越少，计算结果就越不精 确，不利于人眼Ξ维可感知色域边界的构建，反之，采样间隔越小，得到的色域边界点就越 多，计算的结果也就越精确，但是相应的计算时间也会变长。最终计算得到的按限没yz颜 色空间内的色域边界点数目Μ .与采样间隔巧的关系是：
第立步，将计算出的爲踐0：望颜色空间内的色域边界点转化为C控ΙΑΒ G.坂OE.LUV 颜色空间。
[0027] 通过上述算法便可W得到在设备无关的颜色空间C1EW置内的Ξ维色域边界 点，然而由于挖胃苯玄颜色空间的均匀性差，不利于实际的应用分析。当前大多数学者都 是在CIEIAB或者沒齒激￥颜色空间内对显色设备的Ξ维色域进行研究，为此需要将计算出 的CIKXY之颜色空间内的色域边界点转化为;技蠢患沒茲1?抚搭療1遍请額色空间，其转换关 系如下： 转换到窗熟媪颜色空间，其坐标表示为技玫*1/:
.： 其中，聚;、Υ: >妾为颜色的^刺激值;哀S.、％、颗为技扳标准照明体的^刺激值， 规范化使Υ产》 转换到趣LtM颜色空间，其坐标表示为tW ,
式中，孤'V 为颜色样品的色品坐标，该坐标系就是当前显示器显色效果评价指标 所用的坐标系；巧。;.'、考。:'为光源的色品坐标;获、:京、:玄为颜色的Ξ刺激值，::3￡s:、; Y::驾 为細i标准照明体的S刺激值，规范化使鸣钟㈱
通过W上算法便可W得到在αΕ设备无关的颜色空间内的Ξ维可感知色域。
[002引结果说明 由于絕I藤色度系统有两种标准观察者函数和i婚两种视场，本算法选取银篮1931标 准观察者视角为下颜色匹配函数作为人眼视觉的标准（也可根据实际需要选择1梓视场 下的颜色匹配函数），选择标准光源为Efe，运也是魅績推荐的最接近日光的照明体，光谱范 围为3^^￡11^辩0婆，如图3 (a) (b)所示。
[0029] 与此同时，本算法选取的可见光光谱范围的采样间隔为5nm，运样就需要95个采样 点，最终可W在CIE颜色空间内得到8931个色域边界点，选用的色觉模型为普通物体的成 色模型，物体的透射率或者反射率为即擦，祸:;物体为非巧光材料。为了求得人眼在Ξ维颜 色空间内的最大可感知色域，在计算过程中物体的反射率或者透射率设为最大值1。最终计 算得出在€?投泌獻及crnx·巧額色空间内的边界点如图4和图5所示。
[0030] 从图中可W看出，人眼的视觉特性在C距颜色空间内都不是均匀的，运也说明人 眼色觉的非线性特性。在颜色的二维色域空间内抵色度图与技V色度图相比，颜色的均匀 性较差，同样在；维空间内，按盛扮!￥颜色空间的均匀性比CffiL聋君颜色空间的要好。
[0031] 表1列出了不同颜色系统在C距LAB颜色空间内各参数的最大值和最小值。
[0032] 表1不同颜色系统在凝甄颜色空间内的参数
从表1可W看出，本文计算出的结果在疑拱聋寫颜色空间内的比黏玻敎滞巍觀?絶域系 统的坐标值最大，也从侧面验证了本算法的有效性。
[0033] 与此同时，为了验证本算法数据的有效性，本算法还计算出了数据在二维sy色度 图W及控深姆￥颜色空间内的计算结果如图6和图7所示。从图6和图7可W明显的看出本算 法的有效性。
[0034] 二）目的 广义的"色域"指色彩信息采集、生成、处理、传输和重现的颜色范围，其理论基础是颜 色科学。颜色科学和技术在众多领域都有广泛应用，不同领域需求不同。颜色有亮度（明 度）、色调和色饱和度Ξ种属性，需用Ξ个独立的基本量表征，采集、生成、处理、传输和重建 细丽多彩的自然景象和计算机等人工合成的色彩，本质上需要在亮度（明度）、色调和色饱 和度Ξ个方面保真或满足视觉对Ξ维色重现要求。对色彩Ξ重属性及其再现技术的研究需 在Ξ维色空间进行。
[0035] -段光谱与一个特定的色域对应，不同显色器件或显示方式与该器件或设备的色 域相对应，人类视觉可见光谱与可见光色域对应。为了能够统一对未来不同色域信号、不同 显示器件、不同显示方式的显示器设备W及不同彩色印刷打印设备的可重现Ξ维色域评价 标准，本算法基于人眼对光谱刺激的色觉反应模型，在设备无关的颜色空间内理论构建了 Ξ维的可感知色域。使用本算法能够对不同显色设备在Ξ维颜色空间内的颜色重现能力进 行精确的定量的评价。
【主权项】
1. 一种三维可感知色域计算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤： 建立人眼色觉的数学模型：分别建立对于自发光物体的人眼色觉感知模型和对于普通 物体的人眼色觉感知模型； 确定€屈焚穿艺颜色空间内的三维色域边界点； 将计算出的CIEXYZ颜色空间内的色域边界点转化为CilLAB以及穿颜 色空间。2. 根据权利要求1所述的一种三维可感知色域计算方法，其特征在于，建立对于自发光 物体的人眼色觉感知模型的具体方法为： 对于一个给定的自发光物体的光谱分布芦其颜色的三刺激发史2:计算模型如下：其中_.黑是:_i:_标准观察者函数;采用等间隔取样的办法来对上式进 行简化计算，积分运算就转换为求和运算：其中离'__为标准观察者匹配向量，勒::为自发光物体的光谱分布向量。3. 根据权利要求1所述的一种三维可感知色域计算方法，其特征在于，建立对于普通物 体的人眼色觉感知模型的具体方法为： 人眼产生的色觉反应是在人眼、物体、以及标准照明体三者共同作用下产生的，其对应 的颜色的三刺激值计算过程：其中典_为标准光源的光谱功率分布，確_,: ^1:是1?标准观察者函数， S为归一化系数，?K A.}反映的是物体对标准光源光谱的调制作用，在光源发出光后，经过 物体对不同波长光谱分量的反射或者透射作用，将原来的光谱通 过上式的积分运算，即可得到对于某一光照条件下的物体的颜色;等间隔取样后得到离散 的物体颜色三刺激值麗的计算公式：其中为标准观察者匹配向量，κ为归一化系数，ρ?为标准光源的光谱分布 向量，1^.1丨为物体对标准光源光谱的调制向量。4. 根据权利要求1所述的一种三维可感知色域计算方法，其特征在于，确定颜色 空间内的三维色域边界点的具体步骤如下： 对人眼色觉的数学模型进行分析，在已知了标准观察者的颜色匹配函数以及标准照明 体的光谱分布后，唯一的变量是物体对标准光源的反射或者透射光谱分布梦(?)，对人眼可 感知光谱范围通过矩形脉冲抽样算法来对该变量进行遍历以求取在迨istez颜色空间内 人眼可感知三维色域的最大边界点。5. 根据权利要求1所述的三维可感知色域计算方法，其特征在于：将计算出的 CIEXYZ颜色空间内的色域边界点转化为CIELAB以及CffiLUV颜色空间，其转换关 系如下： 转换到€趣祕_颜色空间，其坐标表示为:其中，i:.、f , t:为颜色的三刺激值;x s.、:寫.端__1标准照明体的三刺激值， 令％::幽.〇.;.. 转换到幻羅_穿颜色空间，其坐标表示为式中，:￥:、每'为颜色样品的色品坐标；％Λ、光源的色品坐标;:寒1、2,为颜 色的三刺激值，：&:、見:,、:?为ΟΕ标准照明体的三刺激值，令:__:顯1从而得到在C1E:设备无关的颜色空间内的三维可感知色域。
【文档编号】G06F17/50GK105825020SQ201610167434
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】李彦, 杜焱霖, 甄丹, 马凌云
【申请人】天津师范大学