Digital Imaging · 2022-02-18

【一点点色彩科学】同色异谱失败现象 Metamerism Failure

这个问题可以这样解释:我们可以拿两台不同的专业优质显示设备,且都经过高端测量设备校正过,并输入相同的100%的白场测试序列。本来我们的预期是两台显示设备视觉上会完全匹配,可是一眼就能发现,其中一台偏冷色,另一台偏暖色。需要强调的是,这种情况只发生在两台不同显示技术的显示设备之间,比如,等离子和液晶之间,或者CRT和OLED之间,甚至是两台背光不同的LCD之间:CCFL背光和LED背光。但是,如果测量设备显示结果相同,为什么人眼看起来却不同呢?难道一台是准确的,另一台不准?其实不是,事实上,原因要复杂得多。因为客观来说,尽管两台显示设备在人眼看来不匹配,但二者的测量结果相同。

那究竟是怎么回事呢?是测量设备不够精确?的确,如果使用低端测量设备,读数肯定不准,甚至会出现匹配不精确的问题。但我们这里讨论的问题,不是测量设备精确度低而造成的,即便使用价格高达3万美金的最高端的测量设备,仍然不匹配。所以,这不是测量设备的问题。实际上,某些高端测量设备,如光谱仪,即使它的测量值完匹配,它也可以分辨出显示设备之间的不同。什么意思呢?为什么光谱仪测出的两台显示设备的读数相同,又可以分辨出两种显示技术的不同呢?

回答这个问题,我们需要详细了解两件事:一是业内关于显示设备标准的色彩科学模型;二是光谱仪的工作原理。无论好坏,这张1931 CIE色度图都是用来定义专业视频行业的显示标准,最为普遍的色彩科学图表。用来定义专业的色彩空间标准的多数色彩空间模型,都是采用XYZ或xyY的值。1931 CIE色度图采用的是xyY值。其中,x,y用于确定色度,而Y代表亮度值。xyY的值可根据光源、显示技术的不同,进行换算。

为了更好地理解以上内容,我们最好能深入了解人类视觉系统的基本工作原理。人眼由视杆和视锥细胞组成。视杆细胞主要控制低照度灵敏度,而视锥细胞为我们展现色彩和细节。大部分人都属于三色视者,也就是说,大部分人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,可吸收各种光源发出的所有波长的光。可见光范围为390nm~750nm。我们基本可以划定每种视锥感知器吸收光的光谱范围,尽管这样归纳未免有些过于简单,我们大致将其分为:

  • (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;

从这种生理结构中,可以得出两点很重要的结论:

一、人类色彩视觉系统是三刺激系统。所有的色彩都源于三种视锥感知器的不同感知组合。

二、每种视锥细胞吸收光的波长范围都很广。由于每种视锥细胞都能灵敏地感知很大范围内的波长,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,我们可以将其分解为光谱能量分布图,它就像指纹一样,能清晰地显示各种波长的能量和光输出情况。

这时就要引入同色异谱的概念了。同色异谱是指,虽然两种光谱能量分布不同,但每种视锥所吸收的光的总量相等,我们就可以推定两种光源能够达到视觉匹配。两种颜色或光源可达到视觉匹配,但它们的光谱分布不同,我们就称之为“同色异谱”(也称为“条件等色”)。由CIE 1931定义的标准观察者光谱响应曲线,试图明确人类平均光谱敏感度,想用来计算条件等色,也想借此实现“光谱分布基本情况不同的两台显示设备之间的视觉匹配”。而“条件等色”在计算时可匹配,却无法达到视觉匹配,这时,对观察者而言,就是同色异谱失败。在实际应用中,尽管使用了高端测量设备,也校正了显示设备,仍会出现同色异谱失败的现象。其最主要的原因是——CIE 1931 色度图无法准确计算“条件等色”。光谱仪能够将光源分解为不同波长的成分光,并可测量每个波长总能量,这些信息可用于计算x,y,Y值和光源的的光谱能量分布。这也是为什么光谱仪既能根据计算出的CIE 1931色度值,判断显示设备可以完美匹配,而同时又根据不同的光谱分布情况,清晰地展现出两台显示设备之间的差别。这也更能说明:同色异谱失败的原因是:由于所采用的色彩科学模型的计算有缺陷,而非测量设备性能不足。

那么,为什么不采用其它、或者更新的标准观察者模型呢?这可没那么容易。人们也曾试图采用不同的视域和样本大小,来改善目前的标准。但实际情况是,新的标准观察者模型不但在计算“条件等色”方面并没有显著改善,并且还衍生出了其它局限性。而CIE1931标准观察者模型,已被熟知、理解,在专业视频行业里所采用的色彩科学中已根深蒂固,要完全摒弃CIE1931,必须证明新标准的确各方面都具有优越性,但目前没有任何标准能超越CIE 1931。之所以难以找到更好的标准,部分原因是由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。饮食、睡眠情况和年纪,以及所使用的显示设备,这些都极大的影响着我们对色彩的感知。举个例子:同一台显示设备,有些人认为偏品红,而有些人则觉得偏绿。例子虽然简单,但由此可知,由于人们对色彩的感知存在明显差异,所以要建立统一标准,的确有难度。在这一点上,你可能会想:既然这样,为什么非要在经校正的专业显示设备上纠结呢?要回答这一问题,我们需要先了解同色异谱失败,在实际应用方面的影响。

由于同色异谱失败与显示设备有关,所以它会影响我们对于显示设备整体色温的感知。当两台光谱分布不同的显示设备都显示100%纯白时,这点通常最为明显,即便测量到的x,y,Y值完全相同,一台显示设备会看起来偏暖,而另一台则偏冷。多数情况,不同类型显示技术之间的视觉差异,在白色或者灰度色调下最为明显。庆幸的是,人眼是优秀的相对测量设备,而非优秀的绝对测量设备。也就是说,两台显示设备之所以有一台偏冷,另一台偏暖,主要是因为你把它摆放在另一台偏暖或偏冷的显示设备旁边,在作横向比较。如果只看一台显示设备,即便它有色彩方面的问题,你也会很快适应,而且还会认为它的色温和白点都是正确的

人眼不太能接受的是单台显示设备上色彩和亮度的相互关联性。举个简单的例子:如果你在一台伽马值为1.8的显示设备上调色,且显示效果似乎还可以;但在另一台伽马为2.35的显示设备上,再看同样内容时,会立刻发觉显示的效果不太对劲。同样,如果你在宽色域显示设备上调色,色彩看起来非常自然;再换到窄色域显示设备上显示相同的内容,画面看起来就显得饱和度不足。因此,色域和伽马是专业显示设备校正的关键方面。

此外,还有许多其他的实际意义。其中最重要是:在所有对色彩要求很高的环境里,比如,控制室或剪辑室,如果两台显示设备的光谱分布不同,则不能并排摆放。如果的确需要摆放多台显示设备,则应摆放相同型号,或者至少光谱分布相似的显示设备。有时,实际应用中难以做到,无奈只能采用不同显示技术和不同光谱分布的显示设备,这时就要确定一台主参考显示设备,以避免在不同显示设备间进行比较判断,节约时间。两台同样经过校正的、不同显示技术的显示设备,如果不同时观看,不容易发现二者之间的差别。但是,如果强迫它在不同类型的显示设备之间进行持续的比较、判断,它也很难快速适应二者之间的差异。当然,广播和后期制作行业的许多专业人士,由于常年接触不同类型显示设备,他们非常熟悉参考标准。虽然他们的眼睛也像普通人一眼,会很快适应各种显示设备的光谱分布,但由于他们比普通人接触显示设备的时间更久,因此,也更容易看出不同光谱分布的细微差异。

Ref from Bram Desmet(FSI) and Gaiamount