1 引言

激光自20世纪60年代被发明以来,在人类生产、生活的各个领域有着广泛的应用^[1-2]。利用激光作为光源的投影电视色域宽,单色(包含蓝色激光)、双色(包含蓝色和红色激光)及三色(包含蓝色、红色、绿色激光)激光投影电视的色域范围越来越大,尤其是双色和三色激光投影电视能够达到较大的色域范围。研究^[3-6]表明,宽色域的显示器看上去更亮,即感知到的亮度更高。Tsujimura等^[5]指出有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器的色域比液晶显示器(LCD)的色域大很多,亮度为200 cd/m²的AMOLED显示器看上去比300 cd/m²的LCD亮一些。Niesten等^[6]评估了激光微型投影仪的感知亮度,指出由激光产生的非常窄的波长形成的饱和色彩看上去比由发光二极管(LED)宽波长形成的饱和色彩亮50%。

对于大多数的显示器件,当色域提高时,若保持测量到的光亮度(luminance)不变,功耗通常会增加,因此需要折中考虑色饱和度和光亮度。但是当测量到的光亮度相同时,人眼感觉到的明暗程度却不一定相同;并且显示器件的类别对人眼感受的影响很大,不同类型的显示器件呈现相同图像的效果不同,人们的感受也不同。激光投影电视的光源既包括激光也可能包括荧光,屏幕视场大,色彩饱和度高。本文研究了感知亮度与光亮度、色度之间的关系;针对激光投影电视,设计了两次异色感知亮度匹配实验,实验图片包括纯色图片和自然图片;研究了不同色域的激光投影电视光亮度与功耗之间的关系,并对实验结果进行了分析。

2 感知亮度与光亮度、色度

人们观看两个不同光源时,虽然光源的光亮度一样,但感知到的亮度可能不一样。图1(a)为感知亮度与光亮度关系示例图,图中呈现了蓝色(中心部分)和不同强度的黄色(周围楔形部分),黄色区域B和蓝色区域A具有相同的光亮度,但看起来不一样亮;而黄色区域C和蓝色区域A光亮度虽然不同,但看起来一样亮。

图 1. 感知亮度与光亮度、色纯度、色调关系示例。(a)光亮度^[7];(b)色纯度;(c)色调

Fig. 1. Examples of relations among perceived brightness and luminance, purity, hue. (a) Luminance^[7]; (b) purity; (c) hue

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光亮度是指单位面积光源的发光强度^[8],能够通过仪器测量得到准确值,与光谱光效率函数有关。国际照明委员会(CIE)于1924年公布的光谱光效率函数值是由闪变法和逐步比较法的实验结果的平均再加以人工修正而确定的,代表了观察者中央凹(2°~3°视场)的平均光谱感受^[8-11]。但是闪变法是求得始终没有闪烁的点,逐步比较法是比较两束波长非常邻近的单色光,因此无法直接使用光亮度来评价波长相差较大的色光的明暗程度。

光源或物体的明暗程度受其光亮度、颜色、所处环境光、视场等多种因素影响^[12-15]。Helmhortz-Kohlrausch(H-K)现象^[8,16]指一种在明亮的观察范围内,当亮度保持一定,色刺激的纯度增加时,所感觉到的色彩会出现明暗变化的现象。一般而言,感知亮度随色纯度(或饱和度)的增加而增加,如图1(b)所示,和色调的变化也有关,如图1(c)所示。Nayatani等^[17-19]针对H-K现象,提出了两种测量H-K现象的方法,即可变非彩色(VAC)和可变彩色(VCC)方法。两种方法中都是将非彩色刺激和彩色刺激并排显示,不同之处是在VAC方法中调整非彩色使感知亮度一致,而在VCC方法中调整彩色使感知亮度一致。基于已有的感知亮度与光亮度、色度的关系,结合激光显示具有视场大、色域宽的特点,设计了异色感知亮度匹配实验。

3 异色感知亮度匹配实验

3.1 实验设置

两次异色感知亮度匹配实验包括单-单激光投影电视实验(实验一)和单-双激光投影电视实验(实验二)。实验一的目的是研究激光投影电视中色调、色饱和度对感知亮度的影响程度,实验二的目的是比较激光投影电视中不同色域对感知亮度的影响。

实验设备包括2台参数相同的数字光处理(DLP)单色激光投影电视、1台DLP双色激光投影电视、CS-200亮度计、电源插座及座椅等。单色激光投影电视的光源为蓝色激光+荧光粉,双色激光投影电视的光源为蓝色、红色激光+荧光粉,配备的屏幕是尺寸为254 cm(16:9)的菲涅耳无源仿生屏,分辨率为3840×2160。CIE于1931年创立了CIE 1931 xyz色彩空间。图2为单色、双色激光投影电视的色域在CIE 1931色品图中的位置,双色激光投影电视中绿色和红色的色饱和度高于单色激光投影电视,蓝色则非常接近。

图 2. 单色、双色激光投影电视色域比较

Fig. 2. Comparison of color gamut between laser projection televisions using single diode and dual diodes

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搭建的实验平台如图3所示,实验在暗室(房间照度小于0.5 lx)进行。实验一采用2台单色激光投影电视,左侧TV1呈现测试图片,右侧TV2在同一个屏幕上呈现参考图片。实验二采用1台单色激光投影电视和1台双色激光投影电视,左侧TV1呈现参考图片,右侧TV3呈现测试图片。屏幕上测试图片与参考图片的宽均为0.7 m,高均为0.4 m,图片的上下边距离屏幕的上下边均为0.4 m。受试者与屏幕距离为2.4 m。

图 3. 实验设置。(a)实验一;(b)实验二

Fig. 3. Experimental setup. (a) The first experiment; (b) the second experiment

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3.2 实验图片

3.2.1 实验一使用的图片

由于激光投影电视的亮度的可调范围及精度有限,为了确保在可调节的范围内,测试图片和参考图片的感知亮度能够达到一致,通过前期的预实验,实验一选择了表1所示的9组图片进行异色感知亮度匹配,其中A的饱和度高于B。每一组图片包括1张参考图片和1张测试图片,参考图片为非彩色图片,为了提高非彩色图片的可调精度,直接在电视上呈现灰阶图片而不是全白图片,并使用遥控器来调节其亮度;测试图片为红(255,0,0)、绿(0,255,0)、蓝(0,0,255)、黄(255,255,0)、青(0,255,255)、品红(255,0,255),其中绿、黄、青图片均设置了2种不同的饱和度,饱和度可由遥控器调整电视的饱和度档位得到。饱和度与纯度(P)相似^[3,20],可以表示为

P=(S-N)/(DW-N),(1)

式中:N是白色参考点的位置;S是待测彩色点的位置;S-N是白色点到待测彩色点的距离;D_W是连接彩色点与白色点的直线与CIE 1931舌形图边界相交的点,即该彩色点的主波长;D_W-N是主波长点到白色点之间的距离。

表 1. 实验一的图片参数

Table 1. Image parameters in the first experiment

No. Reference image Test image Grey level CIE color coordinate Luminance / (cd·m-2) Color Saturation gear P /% CIE color coordinate x y x y 1 151 0.2911 0.2851 35.4 R 50 98.84 0.6476 0.3482 2 199 0.2911 0.2851 64.7 G(A) 50 87.97 0.3122 0.6317 3 199 0.2911 0.2851 64.7 G(B) 15 35.83 0.2920 0.4333 4 111 0.2911 0.2851 18.3 B 50 99.77 0.1491 0.0256 5 231 0.2911 0.2851 89.5 Y(A) 50 92.35 0.4313 0.5376 6 231 0.2911 0.2851 89.5 Y(B) 23 76.14 0.4108 0.4864 7 175 0.2911 0.2851 49.0 C(A) 50 42.49 0.2037 0.2288 8 175 0.2911 0.2851 49.0 C(B) 15 26.29 0.2358 0.2537 9 207 0.2911 0.2851 70.1 M 50 76.81 0.2457 0.0879

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3.2.2 实验二使用的图片

因为电视播放自然图片的概率远大于纯色图片,因此实验二选择了6组彩色纯色图片(表2)和5组自然图片(图4)。

表 2. 实验二中纯色度图片的参数

Table 2. Parameters of pure chromatic images in the second experiment

No. Color Reference image Test image CIE color coordinate Luminance / (cd·m-2) CIE color coordinates x y x y 1 R 0.6476 0.3482 13.5 0.7093 0.2806 2 G 0.3122 0.6317 51.9 0.2784 0.6646 3 B 0.1491 0.0256 4.0 0.1505 0.0246 4 Y 0.4313 0.5376 95.4 0.3899 0.5760 5 C 0.2037 0.2288 55.8 0.1872 0.2080 6 M 0.2457 0.0879 17.8 0.2061 0.0501

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图 4. 实验二的自然图片。(a)草莓;(b)叶子;(c)天空;(d)女性;(e)彩色曲线

Fig. 4. Natural images in the second experiment. (a) Strawberry; (b) leave; (c) sky; (d) female; (e) color curve

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2台激光投影电视的饱和度档位均调至电视自身的50档。由于电视亮度的调节范围有限,在6组纯色图片的感知亮度匹配实验中,参考图的光亮度是实验一匹配得到的测试图片光亮度的1.5倍左右。自然图片中参考图的光亮度与其主色调的参考图设置一致,其中草莓、叶子、天空、女性图片分别和红、绿、蓝、黄图片一致,彩色曲线的参考图的光亮度任意设置。

3.3 受试者

受试者共有16人,其中9名男士,7名女士,年龄分布在30~35岁。所有受试者的视力(或矫正视力)均大于1.0,无色盲或色弱。

3.4 实验流程

实验一开始前,受试者阅读实验说明,明确实验流程。实验开始后,实验人员根据表1中的顺序呈现参考图片和测试图片,并记录实验数据。受试者使用电视遥控器调整TV1的光亮度,使左右两边图片的感知亮度一致。每组测试结束后,受试者闭眼休息,实验人员调整实验图片。调整结束后,进行下一组测试。直到所有图片遍历完成,实验一结束。

实验一结束后,将实验一中右侧投影电视换成双色激光投影电视,在次日进行实验二。实验二的流程与实验一基本相同,不同点在于实验人员需根据表2和图4中的顺序呈现参考图片和测试图片,受试者使用电视遥控器调整TV3的光亮度,使左右两边图片的感知亮度一致。

实验一和实验二中,每个受试者的平均实验时间为10~15 min。

4 实验结果与分析

测试图片的感知亮度可以由等效亮度来衡量,等效亮度即测试图片和参考图片看上去一样亮时,参考图片的光亮度。但由于等效亮度已经被认定是参照频率为540 THz(接近555 nm波长)的光亮度,因此实验一、实验二中根据参考图片得到的等效亮度被称为系统等效亮度^[21],记为L_seq。调整测试图片后将16名受试者感知到的光亮度取平均值,用L表示。

实验一中参考图片的L_seq、测试图片的L如图5(a)所示,L_seq和L的比值如图5(b)所示。由图5(a)可知,在感知亮度相同的情况下,彩色图片的光亮度均低于非彩色图片的光亮度。对于相同的色调,例如绿(A)和绿(B)、黄(A)和黄(B)、青(A)和青(B),当感知亮度相同时, Lseq/L值分别为1.90和1.54、1.38和1.32、1.32和1.16,相同色调下,感知亮度相同时,饱和度越高,需要的光亮度越低。因此,在暗室条件,相同灰度背景下,当光亮度相同时,彩色图片的感知亮度高于非彩色图片;随着色饱和度提高,人们对同一色调的感知亮度提高。从图5(b)可知,当激光投影电视的饱和度档位为50时,色调对L_seq/L值影响很大。L_seq/L值从大到小排序为蓝(7.04)、品红(5.70)、红(3.94)、绿(1.90)、黄(1.38)、青(1.32)。

为了进一步分析色调、色饱和度对感知亮度的影响,结合表1中的色坐标,通过对图5(b)中图片的L_seq/L值进行插值,绘制了在单色激光投影电视色域范围内关于CIE-1931 xy色坐标的等L_seq/L线,中间白点为参考白点的位置,如图6所示。可见,当某一色调的色饱和度提高时,L_seq/L值变大,不同色调的L_seq/L值差异明显,色饱和度变化程度对不同色调的L_seq/L值的影响情况为蓝色大于红色,红色大于绿色。

图 5. 实验一结果。(a)光亮度;(b)光亮度的比值

Fig. 5. Results of the first experiment. (a) Luminance; (b) ratio of luminance

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表 1. 实验一的图片参数

Table 1. Image parameters in the first experiment

No. Reference image Test image Grey level CIE color coordinate Luminance / (cd·m-2) Color Saturation gear P /% CIE color coordinate x y x y 1 151 0.2911 0.2851 35.4 R 50 98.84 0.6476 0.3482 2 199 0.2911 0.2851 64.7 G(A) 50 87.97 0.3122 0.6317 3 199 0.2911 0.2851 64.7 G(B) 15 35.83 0.2920 0.4333 4 111 0.2911 0.2851 18.3 B 50 99.77 0.1491 0.0256 5 231 0.2911 0.2851 89.5 Y(A) 50 92.35 0.4313 0.5376 6 231 0.2911 0.2851 89.5 Y(B) 23 76.14 0.4108 0.4864 7 175 0.2911 0.2851 49.0 C(A) 50 42.49 0.2037 0.2288 8 175 0.2911 0.2851 49.0 C(B) 15 26.29 0.2358 0.2537 9 207 0.2911 0.2851 70.1 M 50 76.81 0.2457 0.0879

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图 6. 单色激光投影电视的等L_seq/L线

Fig. 6. Equal L_seq/L loci of laser projection television with single diode

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与实验一的数据处理方式类似,实验二中参考图片的L_seq、测试图片的L如图7(a)所示,图7(b)为L_seq和L的比值。

由图7(a)可知,对于本实验中的红、绿、蓝、黄、青、品红、草莓、叶子、天空、女性及彩色曲线11种图片,如果想要双色激光投影电视达到和单色激光投影电视相同的感知亮度,只需要分别输出单色激光投影电视光亮度的49.6%(6.7÷13.5=49.6%)、86.7%、92.5%、62.2%、80.5%、60.7%、50.4%、100.2%、130.0%、69.0%及90.7%。在暗室条件,灰色背景上相同的图片达到相同的感知亮度时,双色激光投影电视需要输出的光亮度大多低于单色激光投影电视,这也表明当光亮度相同时,色域越大的电视显示相同的图片,人眼感知到的亮度越高。由图7(b)可知,对于实验二中的彩色纯色图片,在色调不同、饱和度相同的情况下,L_seq/L值从大到小排序为红(2.01)、品红(1.65)、黄(1.61)、青(1.24)、绿(1.15)、蓝(1.08)。蓝色的L_seq/L值最低,这是因为在单色和双色激光投影电视中,蓝光都是由蓝色激光产生的,并且两者的色坐标相近;红色比值最高,这是因为双色激光投影电视的红色是由红色激光产生的,而单色激光投影电视的红色是由荧光粉产生的,并且两者红色的色坐标相差较大。对于实验二中的自然图片,在饱和度档位相同的情况下,L_seq/L值从大到小排序为草莓(1.99)、女性(1.45)、彩色曲线(1.10)、叶子(1.00)、天空(0.77)。草莓、叶子、天空及女性的主色调分别是红、绿、蓝及黄,与纯色图片相比,自然图片的L_seq/L值都略低于相应主色调。这是因为自然图片中除了主色调,还包含了一些其他颜色分量。

此外,由于激光光效高,并且激光投影电视中原本由蓝色激光激发荧光粉或使用LED等方式产生的红色或绿色现在可以直接由红色或绿色激光产生,因此针对目前市场上相同尺寸的激光投影电视,对光亮度、功耗、电功率亮度转换效率E及色域进行对比,结果如表3所示。结果表明,随着激光投影电视从单色激光发展到双色、三色激光,色域得到扩展,当功耗相近时,产生的光亮度有所提高,电功率亮度转换效率分别为0.97 nit·W^-1、1.00 nit·W^-1、1.20 nit·W^-1,即双色、三色相对于单色激光投影电视,转换效率分别提高了3%、24%。

图 7. 实验二结果。(a)光亮度;(b)光亮度的比值

Fig. 7. Results of the second experiment. (a) Luminance; (b) ratio of luminance

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5 结论

研究了感知亮度与光亮度、色度之间的关系。针对激光投影电视,设计了两次异色感知亮度匹配实验,并研究了不同色域的激光投影电视光亮度与功耗之间的关系。研究结果表明:在暗室条件,激光投影电视的光亮度相同时,灰度背景上的彩色图片的感知亮度高于非彩色图片;当在同一色调,光亮度相同时,色饱和度越高,感知亮度越高,色饱和度的变化程度对不同色调的L_seq/L值的排序为蓝大于红大于绿;当显示同一图片并且光亮度相同时,色域越大的电视,感知亮度越高;以单色激光投影电视呈现的图片作为参考图片,当较宽色域的双色激光投影电视呈现相同图片时,自然图片的L_seq/L值略低于相应主色调的纯色图片,但自然图片和纯色图片的L_seq/L值基本都大于1。此外,由于激光光效高,双色、三色激光投影电视的电功率亮度转换效率比单色的分别提高了3%、24%,因此,在保持低功耗的前提下,激光电视有望达到宽色域的同时,进一步提高感知亮度。研究结果为宽色域、低功耗及高感知亮度的激光显示的优化设计提供了实验和理论依据。