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什么是同色异谱失效

2016/6/14 13:40:17点击:
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同色异谱失效可能是你以前没有听过的一个词语,但在专业视频行业则是我们必须面对的一个极其复杂问题。这个现象会引出如下问题:即两个物体具有不同的光谱分布但测量结果相同,为什么我们的眼睛还能够感知它们是不同颜色呢?


尊正美国公司的Bram Desmet接下来为我们详解这一可感知差异背后的原因。


这个问题可以这样解释:我们采用两台被同样高品质测量设备校正过的专业优质显示器,且都采用相同的100%白场测试补丁,这样它们就能完美匹配,而不是让我们很快发现肉眼看时一台偏冷,一台偏暖的差异。非常重要的一点是以上只适用于两种不同的显示技术时,比如等离子和LCD,或者CRT和OLED,甚至不同背光类型的两台LCD,这样即便我们的测试设备告诉我们数值是相同的,但为什么看起来却不同呢?


是一台显示器是对的,而另一台是错的吗?不是,问题远远复杂得多,因为客观的说尽管这些显示器眼睛看起来不同,但测试结果却是相同的。那究竟是什么原因呢?是我们的测试设备不够准确吗?如果你采用低端的测量仪,你肯定是获得错误的读数,甚至显示器之间的数值也是不相匹配的,但问题在于以上状况的发生是基于显示器均采用价值超过30000美金的高端测量设备进行校正。


所以,问题并非在于测量设备。事实上,一些高端的测量设备,如大家都知道的光谱仪,即便这些显示器的校正数值能够完美匹配,还是能够区分它们之间的差异?


这是什么意思呢?为什么光谱仪既能做到完美的校正匹配,又还是能够区分不同显示技术之间的差异呢?解答这一问题我们需要先了解两件事情,即色彩科学如何与行业显示标准相结合,以及光谱仪是如何工作的。


 


这张1931 CIE图表,抛开好坏不说,是专业视频行业用于确定显示标准的最普及的色彩科学图表。大部分用来确定专业显示色彩空间标准的色彩空间模式或者参考XYZ值,或者参考x,y,Y值。参照这张1931CIE图表,我们将讨论一下x,y,Y值,其中小x和y主要用于确定色度,大Y则涉及亮度值。这里开始变得越来越有趣了,因为你可以基于各种不同的光源或者显示技术,从而采用多种不同方法确定这些x,y,Y值。要理解这一点我们最好先简明研究一下人眼是如何工作的。


眼睛由视杆和视锥组成。视杆主要控制低照度灵敏度,而视锥主要决定色彩印象和细节。大部分人类都可被归类于三色视者,或者说拥有三种视锥感知器。这三种视锥感知器中的每一种都有截然不同的色素,以允许任何波长的各种光源被吸收。所以我们看到的可见光谱主要从390nm到750nm,且可以基本描绘出每一种视锥如何吸收各种不同波长的光。尽管说起来有些过于简单,我们将介绍短波、中波、长波的典型可吸收视锥:

(短波)蓝色敏感光,吸收峰值约为445nm;

(中波)绿色敏感光,吸收峰值约为535nm;

(长波)红色敏感光,吸收峰值约为570nm;

 

通过以上简短的生物知识学习,我们可以得出如下重要的两点:

1、 人类色彩感知系统简单来说就是基于三色系统,即通过三种视锥感知器的综合反馈衍生出多种色彩。

2、每一种视锥能够吸收各种不同波长的光源。


由于每一个视锥感知器都能够灵敏感知广泛的各种波长,因此,通过无限的光源变换,我们事实上能够再现任何色彩感知。当我们观察一个光源的时候,我们可以把它分解成就像指纹一样的光谱功率分布图,以各种波长清晰显示功率多少,光输出多少。这也是同色异谱的理论原理,即只要两种不同光谱功率分布被视锥吸收的光总量是相等的,那么我们可以预测这些不同的光源能够相匹配。所以,如果不同光谱分布仍能产生相匹配的两种颜色或者光源,那么这就是我们所知道的条件等色。


由CIE 1931定义的标准光谱反应曲线试图明确人类平均光谱敏感度以计算条件等色,因此也让我们实现了基于不同类型光谱分布仍然能够显示相匹配的色彩。当这些可计算的同色异谱匹配不能实际产生可见的色彩匹配时,对于观看者而言便是同色异谱失效。


在实际应用中,尽管我们使用高端测量设备并使显示器得到良好的校正,仍会出现同色异谱失效,最主要的原因之一便是1931 CIE模型图对于准确计算条件等色的不足。

 

光谱仪是一种能够分解光源构成波长及测量每个波长总能量的设备,这样我们就能利用这些信息计算x,y,Y值和光源总体光谱功率分布图。这也是为什么光谱仪既能根据计算出的CIE 1931色度值让显示器跟其完美匹配,也能同时通过显示光谱分布的不同来清晰区分两台显示器的差别。


这也有助于清晰说明同色异谱失效问题是跟色彩科学模型的计算适用性有关,而不是由于测量设备的不足。


那么为什么不直接采用一个不同的或者更现代的标准观察参考图呢?这并没有听起来那么容易。人们试图用不同的视域和样本大小来改善这一标准,但真实的状况是这些新的标准观察参考图在计算条件等色方面并不能真的带来显著的改善,并且还存在新的或者不同的局限性。而CIE1931标准观察参考图既被熟知和理解,也根深蒂固在专业视频行业的色彩科学适用性里。要完全抛弃这一标准并以新的取而代之必须是确实存在更好的参考,但目前看来,似乎并没有非常好的,且实用的标准观察模型能够取代CIE 1931。


以上困难的部分原因在于人类视觉系统极为复杂,每个人对色彩的感知都存在轻微的差异。我们吃了什么,我们睡了多久,我们多大年纪,以及我们用什么来看都极大的影响着我们的色彩认知。一个基本的例子便是一些人看到显示器偏红,而另一些人则觉得偏绿。这说起来简单,但我们感知色彩的明显差异却使得建立可参考的标准化很难。


在这一点上,你可能想知道为什么专业的、校正过的显示器仍然会有这些问题困扰我们。要回答这一问题,我们需要先了解同色异谱失效的实质含义。


同色异谱失效与显示器有关,会影响我们对于显示器整体色温的感知。当我们用不同类型的光谱分布图在两台显示器上观看固态白场时这点通常最为明显。


即便测量到的x,y,Y值完全相同,一台显示器仍然会非常明显的偏暖,而另一台则会偏冷。大部分状况是在白色或者灰度色调下,能够最明显的感知到两种不同类型显示技术之间的差异。好的一点是我们的眼睛只是极好的相对测量设备,而非极好的绝对测量设备。


这意味着显示器看起来偏暖或偏冷的首要原因是因为对比另一台显示器,或者光源本身相比偏冷或偏暖。当你的眼睛单独看一台显示器时,你会很快适应它的问题,而且倾向于非常中立的接受屏幕上的色温和白点


我们的眼睛不太能接受的是单一显示器上色彩等级变化带来的差异。举个简单的例子,一台显示器上的色彩伽马值为1.8,且显示内容看起来是可接受的,但是当你在一台伽马值为2.35的显示器上再看这些内容时,你很快会觉得不太对劲。相似的,如果你所看内容的色彩在宽色域显示器上看起来非常自然时,那么当你换到窄色域显示器上看相同内容时便会觉得图像看起来非常不饱和。因此,色域和伽马是专业显示器校正的关键方面


这点也有许多其他的实际意义,其中最重要的一点便是对于任何色彩的关键源头,即控制室或者编辑环境,你不能将显示器放在与它具有不同类型光谱分布图的另一台显示器旁。如果编辑环境要求多台显示器,你也应该使用相同的模式显示,或者至少让显示器具有相似的光谱分布。


当然,在实际应用中这很困难,但是,我们没有别的选择,只有采用兼具不同显示技术和多种光谱分布的综合设备。而且在应用中也不可能找到一个清晰的参考,所以你无需浪费时间在不同显示器间进行比较判断。两台具有不同显示技术的可校正显示器的差别,在你只用其中一台观看内容时,你一般是发现不了的。虽然我们的眼睛具有良好的适应性,但是当你强迫它在不同类型的显示器间进行持续的比较性判断时,它也很难适应。


当然,在广播和后期制作行业的许多专业人士,由于拥有跟不同类型显示设备工作的多年经验,已经变得类似于参考标准了。他们的眼睛能够最大程度的适应任何显示器的光谱分布,这也是基于他们比普通人花费更多的时间在显示设备前,因此能够比大多数人更容易的区分不同光谱分布的细微差异。在这种状况下,也更有助于这些专业人士了解一台显示设备能够呈现何种效果,以及跟其他显示设备对比又如何。