观察者的色觉差异

2015年一场关于裙子颜色（图1所示）究竟是“白金”还是“蓝黑”色的判断引起了很大的争议，成为网络上的热点讨论问题。对于该套裙子的颜色，色觉正常观察者产生了两种截然不同的观点。在看到裙子时，有一部分人下意识地将裙子本身的颜色与环境光线叠加造成的混合色，当成了裙子的颜色，这便是“白金”色；而另一部分人，大脑经过快速的自动分析，“过滤”掉光线造成的影响，认为是“蓝黑”色。图1所示的现象是一个比较明显的、有代表性的例子，当照明光源不是标准光源，或者说光源偏色时，同样的物体色，同样的照明条件，不同的观察者就会出现截然不同的颜色感觉，即观察者的颜色视觉响应存在差异。

图1 网络上的服装示意图

与前面章节所介绍的照明光源同色异谱（如图2-1所示）不同，不同观察者在相同光源照明下，也可能会产生同色异谱的现象。光谱反射率不同的一对颜色刺激，在固定的观察条件下，某一观察者认为该颜色对是匹配的，而另一名观察者认为该颜色对不匹配（如图2-2所示）。

2-1 照明光源同色异谱

2-2 观察者同色异谱

图2 颜色样品对的同色异谱现象

图2-2的观察者同色异谱现象可由图3所示的示意图加以解释(注：图2的物体色光谱与图3不存在绝对的对应关系)，物体色1和2有不同的光谱曲线分布，在相同的观察条件下，观察者A感知1和2具有相同的颜色感觉（XYZA1=XYZA2），而观察者B却认为1和2的颜色不一致（XYZB1≠XYZB2）。导致这种现象出现的原因就是，观察者A和B的L，M，S锥细胞响应在峰值波段有一定的偏移，存在差异性，即观察者的同色异谱。

图3 观察者的同色异谱现象光谱示意

我们知道，为了量化色觉正常观察者的颜色视觉特性，CIE国际照明委员会先后推荐了适用于不同观察视场的标准色度观察者（颜色匹配函数）CIE1931和CIE1964，并被科学界和工业界广泛使用。但是，这两套颜色匹配函数仅代表了观察者的平均颜色视觉特性，无法量化表示不同观察者的同色异谱现象。而在以颜色为关键的应用领域，如印刷行业的软打样和数字电影行业的颜色分级（在不同显示设备上比较颜色），观察者同色异谱是一个日益严重的问题。由于观察者同色异谱，校准显示设备或许也不能正确显示，因为一个观察者或许不赞成另一个观察者做出的颜色调整。尤其是随着显示技术的不断发展，在追求显示设备宽色域的同时，显色设备的原色光谱带宽也就越来越窄，如LED、OLED、量子点、激光投影仪等。而这些窄带光谱原色的宽色域显示技术使得观察者同色异谱现象会更加明显。

为了更好的描述观察者的同色异谱现象，并使描述的颜色更加接近真实观察者的颜色感觉，以解决相关行业生产中由观察者同色异谱现象导致的颜色不匹配现象，不少学者对其进行了研究。其中包括CIE2006生理观察者模型和Sarkar 8套颜色匹配函数。

（1）CIE2006生理观察者模型

2006，CIE TC 1-36分会推出CIE2006生理观察者模型，模型考虑到了观察者的屈光系统光学密度函数（与年龄有关），黄斑色素的光学密度函数（与视场角有关），视色素的光学密度函数（与视场角有关）影响，给出了计算1°~10°视场角，20~80岁观察者长、中、短三个通道的锥细胞光谱响应函数响应函数。

式中，Dvis,l、Dvis,m、Dvis,s分别表示观察者三种锥细胞响应的最大光学密度，Al(λ)、Am(λ)、As(λ)分别是长、中、短波段的低光密度的光谱吸收，Dmac(λ)、Docul(λ)分别表示观察者的黄斑色素的光学密度函数和屈光系统的光学密度函数。

而l(λ)、m(λ)、s(λ)函数可由上式转换为x(λ)、y(λ)、z(λ)光谱三刺激值函数，即颜色匹配函数。将不同观察者的年龄和观察视场代入CIE2006模型，计算相应观察者的颜色匹配函数，如下图所示：

图4 CIE2006颜色匹配函数（年龄：20-80岁，视场角：1°-10°）

（2）Sarkar的8套配色函数

2011年Sarkar等人将建立CIE1964颜色匹配函数的Stiles & Burch 47个（将2个差异较大的数据删除）数据和CIE2006模型产生的61个数据通过聚类分析的方法分为8种不同类型，即8套观察者配色函数，简称为S1，S2，……，S8颜色匹配函数（见图5）。表1所示为S1-S8不同配色函数不同通道间的关系。

表1 Sarkar的8类颜色匹配函数的变化规律

x(λ)

y(λ)

z(λ)

x1=x6

y1=y7

z1

x2=x3

y2=y5=y6

z2=z5=z6

x4=x5

y3=y4=y8

z3=z7=z8

x7=x8

z4

图5 Sarkar划分的8类观察者颜色匹配函数分布

对于同一个物体色，这8个类别观察者（颜色匹配函数）所描述的颜色感觉是不同的，以红色为例，在某种显示器上，不同颜色匹配函数所描述的颜色感觉如图6所示。我们可以看到某些颜色匹配函数所描述的颜色感觉很类似，差别很小，但是属于S7和S8的观察者，即颜色匹配函数与S7和S8相接近的观察者，所看到的颜色感觉更加鲜艳。

图6 不同配色函数的表现

目前，研究者考虑通过模拟计算方法提出通过选择显色设备原色光谱，在保证色域大的情况下降低观察者同色异谱程度，以解决观察者同色异谱导致的问题，但目前尚未有较实用的方法解决观察者同色异谱所导致的问题，需进一步研究。

参考文献

[1] Roy S. Berns. Billmeyer and Saltzman’s Principles of Color Technology.Third Edition[M]. A Wiley-Interscience Publication, 2000.

[2] A.Sarkar.Identification and Assignment of Colorimetric Observer Categories and TheirApplications in Color and Vision Sciences .Ph.D.thesis, Thomson Corporate Research,Rennes, France.(2011)

[3] CIE, “Fundamental Chromaticity Diagram withPhysiological Axes – Part I”, CIE Technical Report, 170-1 (2006).

[4] Long D, Fairchild M D. Reducing observer metamerismin wide-gamut multiprimary displays[J]. Proceedings of SPIE - The InternationalSociety for Optical Engineering, 2015

作者简介

黄敏 博士

北京印刷学院校聘教授，硕士生导师北京理工大学工学博士

英国利兹大学访问学者