【自有技術大講堂】成像式亮度色度計測量原理介紹

隨著彩色顯示器應用范圍日漸拓寬及其產品質量評估體系逐步完善，對顯示器的色度和亮度進行精確測量體現出前所未有的重要性。在工業領域亮度色度的測量衍生出不同類型的測量儀器，現針對于顯示行業亮度色度測量需求需要存在以下幾種測量儀器，傳統的測量儀器，如照度計、彩色亮度計；XYZ 濾光片的工業相機；普通彩色 Bayer 相機。 

 

色度計分類對比

 

彩色亮度計：測量 方法能直接測量得到 CIEXYZ 顏色空間的色度值，并且測量精度較高，色度 坐標誤差在 ±0.001，亮度精度 2%。但測量角度較小一般在1°左右，限制測量范圍，一般只能用作單點測量，多目標測量時操作繁瑣，效率低下，在色度亮度測量中常會用作標定對標儀器。

 

XYZ 濾光片的工業相機：使用XYZ濾光片，測量的精度也受限于此，XYZ濾光片需要和CIEXYZ響應曲線匹配，制作比較困難，所以這種相機價格比較昂貴。XYZ 濾光片的工業相機測量色度精度 ±0.003，亮度精度 3%.基本可滿足使用測量要求，且系統鏡頭和配置進行范圍測量，為了滿足測量精度需要進行色彩空間矯正。

 

 

普通彩色 Bayer 相機：這種相機是市面上的普通相機，相機的濾光片是 RGB 的。與 XYZ 濾光片相機相比，這種相機更加便宜。相機 RGB 濾光片的曲線與 CIEXYZ 三刺激光譜曲線 相差較大，精確測量 XYZ 難度較大。

 

三刺激值測量方法

 

顏色測量的方法分為目視測色和儀器測色兩大類。其中，儀器測色又包括分光光度法和光電積分法也稱三刺激值法）兩種。

 

1、目視法：目視測色方法是一種古老而基本的顏色測量方法。這種方法通過人眼的觀察，對顏色樣品與標準顏色的差別進行直接的視覺比較，要求操作人員具有豐富的顏色觀察經驗和敏銳的判斷力。

 

 

2、分光光度法：分光光度測色方法主要是測量物體反射的光譜功率分布，或物體本身的光譜光度特性；然后再由這些光譜測量數據通過計算求得物體在各種標準光源和標準照明體下的三刺激值。這是一種精確的顏色測量方法，而且可以制成自動化的測色設備。分光光度計是用多棱鏡或光柵將多色光分離成單色光，通過光敏組件取得樣品反射率或透過率，然后按公式計算出樣品的三刺激值。采用分光光度法的測色儀器測量準確度高，但是系統復雜操作麻煩，成本高適合于要求較高的測色與配色場合。

 

 

3、光電積分法:光電積分法是通過把光電探測器的光譜響應，匹配成所要求的 C I E 標準色度觀察者光譜三刺激值曲線，或某一特定的光譜響應函數，從而對探測器所接收到的來自被測顏色的光譜能量進行積分測量。這類儀器的測量速度很快，并具有適當的測色精度（取決于探測器光譜靈敏度滿足盧瑟條件的程度），可滿足大多數場合下的色貌測量要求，在工業中有很大的市場前景。 光電色度計可以看成是一個反射率計，它帶有一套專門的三濾色片，這不同于密度計的紅綠藍濾色片，這套濾色片根據CIE 光譜三刺激值在色度計的每通道中給光譜的各波長加權，它涉及的主要是反射率問題，而不是對數問題。設計三組校正濾色器，使整個系統能夠模擬人眼的 X，Y，Z 感光機構，通過轉換三組不同的濾色器，把人眼所接受的刺激用光電池所產生的光電流表示，則可以確定物體的顏色。

 

三刺激測量法和分光型測量法比較圖和分光型測量法比較圖

 

基于 XYZ 濾光片的相機色度測量

 

想要獲得分別通過 XYZ 濾光片的測量的光通量值，可以同時用 3個傳感器接收，但考慮 3 傳感器通道相機成本過高，也可以使用旋轉式色彩濾鏡，通過不同濾光片對同一目標多次采樣。

 

成像結構示意

 

由于 XYZ 濾光片的響應曲線不可能精確地符合光譜三刺激值曲線，因此一般情況下帶 XYZ 濾光片相機只能夠比較準確地測出兩個光譜顏色的區別，不能特別精確測量色品坐標。如果需要準確測量顏色樣品的色品坐標，則需要用與待測樣品有近似光譜性質的標準來校準儀器。目前，針對這種 XYZ 濾光片相機主要采用四色標定法來標定其彩色空間，適用于可見光波段的光譜進行色彩標定。目前這種測量方法的儀器有二維色彩分析儀 CA-2000，CA-2000 不采用 RGB顏色的分離過濾器進行測量，而是使用具有 XYZ 濾波器的傳感器，提供與 CIE 1931等色函數近似的分光敏感度，實現與目視評估結果有很大關聯度的輝度/色度測量。

 

成像色度測量流程

 

 

從流程圖中可以看出，相機的色度測量需要經過四步：采集圖像、顏色恢復、燈點定位和顏色空間標定。

（1）采集圖像：控制 LED 顯示屏顯示相應畫面，并且設置相機的相關參數（焦距、曝光量等），相機采集顯示屏燈點的圖像。

（2）圖像顏色恢復：一般相機得到的是單傳感器圖像（單色圖像），色度測量需要彩色信息，所以單色圖像需要顏色恢復成彩色圖像。

（3）燈點定位：在彩色圖像中提取燈點色度信息，需要得到燈點區域和其色度信息，所以彩色圖像需要經過燈點定位得到燈點的 RGB。

（4）顏色空間標定：顯示屏色度測量需要的是 CIEXYZ 空間的 XYZ 數據，而彩色圖像的顏色數據是 RGB 顏色空間的，所以需要進行顏色空間的標定。

 

成像色度測量精度影響因素

 

相機測量精度影響主要包括幾個方面[6]：

（1）彩色分量缺失的影響；

（2）不同相機鏡頭鏡片差異的影響；

（3）彩色成像相關參數（曝光量、焦距等）設置的影響；

（4）不同照片存儲格式的影響；

（5）相機的分色濾光片的影響；

（6）采樣信號過程中存在的欠采樣導致的高頻混疊誤差影響。

 

在 LED 顯示屏色度測量中，每個流程環節的問題都可能影響測量精度。

1、在圖像采集階段，相機的欠采樣和成像參數都對精度有影響。每次測量前都進行現場標定，設置適合的參數；

2、自然界實物的色度信號是模擬信號，相機具有一定的采樣頻率，所以一定會產生欠采樣導致的高頻混疊現象；

3、在顏色恢復過程中，由于不同的插值算法都有其局限性，不同的插值算法帶來不同大小的誤差；

4、在燈點定位階段，由于定位算法影響；

5、在顏色空間標定階段，不同的顏色轉換方法，誤差結果相差較大。由于需要測量色度信息，盡量采用原始圖像數據，所以圖像數據存儲格式對其影響不大。

 

成像色度測量標定

 

色空間標定是流程最后一個重要環節，是色度測量誤差的最終體現，所以該環節顯得特別重要。由于彩色 RGB 相機采集到的圖像都是基于相機設備相關的 RGB 顏色空間，但是 LED 顯示屏色度測量的顏色信息設備無關顏色空間值（一般是 CIEXYZ 值），所以直接得到的 LED 顯示屏色度信息不能直接使用，必須通過顏色管理系統的顏色空間標定把相機得到的RGB 轉成 CIEXYZ 信息。

 

 

參考文獻

[1] 羅昌虎;向健勇;董磊.基于彩色Bayer型相機的LED顯示屏色度測量[D].長春：西安電子科技大學，2014.

[2] 劉娟. (2008). 顏色測量方法. 印刷質量與標準化(6)