【自有技术大讲堂】成像式亮度色度计测量原理介绍

随着彩色显示器应用范围日渐拓宽及其产品质量评估体系逐步完善，对显示器的色度和亮度进行精确测量体现出前所未有的重要性。在工业领域亮度色度的测量衍生出不同类型的测量仪器，现针对于显示行业亮度色度测量需求需要存在以下几种测量仪器，传统的测量仪器，如照度计、彩色亮度计；XYZ 滤光片的工业相机；普通彩色 Bayer 相机。 

 

色度计分类对比

 

彩色亮度计：测量 方法能直接测量得到 CIEXYZ 颜色空间的色度值，并且测量精度较高，色度 坐标误差在 ±0.001，亮度精度 2%。但测量角度较小一般在1°左右，限制测量范围，一般只能用作单点测量，多目标测量时操作繁琐，效率低下，在色度亮度测量中常会用作标定对标仪器。

 

XYZ 滤光片的工业相机：使用XYZ滤光片，测量的精度也受限于此，XYZ滤光片需要和CIEXYZ响应曲线匹配，制作比较困难，所以这种相机价格比较昂贵。XYZ 滤光片的工业相机测量色度精度 ±0.003，亮度精度 3%.基本可满足使用测量要求，且系统镜头和配置进行范围测量，为了满足测量精度需要进行色彩空间矫正。

 

 

普通彩色 Bayer 相机：这种相机是市面上的普通相机，相机的滤光片是 RGB 的。与 XYZ 滤光片相机相比，这种相机更加便宜。相机 RGB 滤光片的曲线与 CIEXYZ 三刺激光谱曲线 相差较大，精确测量 XYZ 难度较大。

 

三刺激值测量方法

 

颜色测量的方法分为目视测色和仪器测色两大类。其中，仪器测色又包括分光光度法和光电积分法也称三刺激值法）两种。

 

1、目视法：目视测色方法是一种古老而基本的颜色测量方法。这种方法通过人眼的观察，对颜色样品与标准颜色的差别进行直接的视觉比较，要求操作人员具有丰富的颜色观察经验和敏锐的判断力。

 

 

2、分光光度法：分光光度测色方法主要是测量物体反射的光谱功率分布，或物体本身的光谱光度特性；然后再由这些光谱测量数据通过计算求得物体在各种标准光源和标准照明体下的三刺激值。这是一种精确的颜色测量方法，而且可以制成自动化的测色设备。分光光度计是用多棱镜或光栅将多色光分离成单色光，通过光敏组件取得样品反射率或透过率，然后按公式计算出样品的三刺激值。采用分光光度法的测色仪器测量准确度高，但是系统复杂操作麻烦，成本高适合于要求较高的测色与配色场合。

 

 

3、光电积分法:光电积分法是通过把光电探测器的光谱响应，匹配成所要求的 C I E 标准色度观察者光谱三刺激值曲线，或某一特定的光谱响应函数，从而对探测器所接收到的来自被测颜色的光谱能量进行积分测量。这类仪器的测量速度很快，并具有适当的测色精度（取决于探测器光谱灵敏度满足卢瑟条件的程度），可满足大多数场合下的色貌测量要求，在工业中有很大的市场前景。 光电色度计可以看成是一个反射率计，它带有一套专门的三滤色片，这不同于密度计的红绿蓝滤色片，这套滤色片根据CIE 光谱三刺激值在色度计的每通道中给光谱的各波长加权，它涉及的主要是反射率问题，而不是对数问题。设计三组校正滤色器，使整个系统能够模拟人眼的 X，Y，Z 感光机构，通过转换三组不同的滤色器，把人眼所接受的刺激用光电池所产生的光电流表示，则可以确定物体的颜色。

 

三刺激测量法和分光型测量法比较图和分光型测量法比较图

 

基于 XYZ 滤光片的相机色度测量

 

想要获得分别通过 XYZ 滤光片的测量的光通量值，可以同时用 3个传感器接收，但考虑 3 传感器通道相机成本过高，也可以使用旋转式色彩滤镜，通过不同滤光片对同一目标多次采样。

 

成像结构示意

 

由于 XYZ 滤光片的响应曲线不可能精确地符合光谱三刺激值曲线，因此一般情况下带 XYZ 滤光片相机只能够比较准确地测出两个光谱颜色的区别，不能特别精确测量色品坐标。如果需要准确测量颜色样品的色品坐标，则需要用与待测样品有近似光谱性质的标准来校准仪器。目前，针对这种 XYZ 滤光片相机主要采用四色标定法来标定其彩色空间，适用于可见光波段的光谱进行色彩标定。目前这种测量方法的仪器有二维色彩分析仪 CA-2000，CA-2000 不采用 RGB颜色的分离过滤器进行测量，而是使用具有 XYZ 滤波器的传感器，提供与 CIE 1931等色函数近似的分光敏感度，实现与目视评估结果有很大关联度的辉度/色度测量。

 

成像色度测量流程

 

 

从流程图中可以看出，相机的色度测量需要经过四步：采集图像、颜色恢复、灯点定位和颜色空间标定。

（1）采集图像：控制 LED 显示屏显示相应画面，并且设置相机的相关参数（焦距、曝光量等），相机采集显示屏灯点的图像。

（2）图像颜色恢复：一般相机得到的是单传感器图像（单色图像），色度测量需要彩色信息，所以单色图像需要颜色恢复成彩色图像。

（3）灯点定位：在彩色图像中提取灯点色度信息，需要得到灯点区域和其色度信息，所以彩色图像需要经过灯点定位得到灯点的 RGB。

（4）颜色空间标定：显示屏色度测量需要的是 CIEXYZ 空间的 XYZ 数据，而彩色图像的颜色数据是 RGB 颜色空间的，所以需要进行颜色空间的标定。

 

成像色度测量精度影响因素

 

相机测量精度影响主要包括几个方面[6]：

（1）彩色分量缺失的影响；

（2）不同相机镜头镜片差异的影响；

（3）彩色成像相关参数（曝光量、焦距等）设置的影响；

（4）不同照片存储格式的影响；

（5）相机的分色滤光片的影响；

（6）采样信号过程中存在的欠采样导致的高频混叠误差影响。

 

在 LED 显示屏色度测量中，每个流程环节的问题都可能影响测量精度。

1、在图像采集阶段，相机的欠采样和成像参数都对精度有影响。每次测量前都进行现场标定，设置适合的参数；

2、自然界实物的色度信号是模拟信号，相机具有一定的采样频率，所以一定会产生欠采样导致的高频混叠现象；

3、在颜色恢复过程中，由于不同的插值算法都有其局限性，不同的插值算法带来不同大小的误差；

4、在灯点定位阶段，由于定位算法影响；

5、在颜色空间标定阶段，不同的颜色转换方法，误差结果相差较大。由于需要测量色度信息，尽量采用原始图像数据，所以图像数据存储格式对其影响不大。

 

成像色度测量标定

 

色空间标定是流程最后一个重要环节，是色度测量误差的最终体现，所以该环节显得特别重要。由于彩色 RGB 相机采集到的图像都是基于相机设备相关的 RGB 颜色空间，但是 LED 显示屏色度测量的颜色信息设备无关颜色空间值（一般是 CIEXYZ 值），所以直接得到的 LED 显示屏色度信息不能直接使用，必须通过颜色管理系统的颜色空间标定把相机得到的RGB 转成 CIEXYZ 信息。

 

 

参考文献

[1] 罗昌虎;向健勇;董磊.基于彩色Bayer型相机的LED显示屏色度测量[D].长春：西安电子科技大学，2014.

[2] 刘娟. (2008). 颜色测量方法. 印刷质量与标准化(6)