不同色溫環境光下彩色電潤濕電子紙的色彩校正

劉予敏， 林珊玲， 林志賢*， 郭太良

（1.福州大學 先進制造學院， 福建 泉州 362252；2.中國福建光電信息科學與技術實驗室， 福建 福州 350116）

1 引言

彩色電潤濕電子紙［1-2］采用電潤濕顯示技術（Electrowetting Display，EWD），使用環境光作為顯示光源，通過調節內部三層油墨與絕緣基板之間的電壓大小，控制油墨在基板上的收縮和舒張，從而改變三層油墨對環境光中不同顏色波長分量的反射程度，達到顯示不同顏色的效果。彩色電潤濕電子紙作為反射式顯示器，在建立顯示設備特征化模型［3-4］時，通常選用一個標準環境光作為光源，但實際使用時的外界環境光是實時變化的，當外界環境光發生變化時，彩色電潤濕電子紙在同一驅動電壓下反射出的各顏色光分量也會發生變化，如果仍直接使用標準環境光下建立的特征化模型，彩色電潤濕電子紙的顯示特性將會改變，從而影響顯示畫面的色彩平衡。

為了減小觀察環境變化對顯示圖像的影響，國內外學者針對色貌模型［5-6］、神經網絡［7-8］等方法進行了較多的研究。弓殷強等［9］利用色貌模型CAM16，將原始圖像映射到顯示設備所處的環境中，使顏色和亮度的感知保持不變，該方法可以減少外界環境對圖像顏色在顯示器上再現的影響。但色貌模型計算較為復雜，需要較多的計算參數且不易獲得，較難與彩色電潤濕電子紙隨環境光變化的顏色特性相結合。麻祥才等［10］為了解決LCD顯示器不同色溫對人眼感知有較大影響的問題，利用神經網絡建立不同色溫與標準色溫下顯示顏色的關系，實現LCD顯示器在不同色溫下的圖像顏色一致性，但該方法需要大量的訓練數據，且神經網絡算法一般較為復雜，對驅動系統的實時性有較大影響。

為了減小不同色溫環境光下彩色電潤濕電子紙顯示顏色的色差，本文提出一種基于彩色電潤濕電子紙光譜反射率特性的色彩校正方法。利用彩色電潤濕電子紙獨立于照明條件的光譜反射率特性，研究不同色溫環境光下顯示顏色的光譜規律，以此實現標準環境光與不同色溫環境光下色度值的轉換，該方法只需要利用標準環境光下建立的特征化模型，就能得到不同色溫環境光與標準環境光下顯示相同色度值對應的CMY驅動數據，實現不同色溫環境光下彩色電潤濕電子紙顯示顏色的一致性。

2 不同色溫環境光下顯示顏色的光譜規律

彩色電潤濕電子紙以環境光為顯示光源。當環境光色溫變化時，顯示顏色也會發生變化，如圖1所示，在環境光色溫為3 500 K和6 500 K時，顯示色域發生了變化。

圖1 不同色溫環境光下的顯示色域Fig.1 Color gamut under ambient light with different color temperature

環境光色溫的變化影響了彩色電潤濕電子紙的顯示顏色，研究不同色溫環境光下顯示顏色的變化規律，利用其規律可以實現不同環境光下的顏色還原。由于環境光復雜多變，獲取不同環境光下的顯示顏色樣本需要大量的重復實驗，因此利用光譜反射率，研究不同環境光下顯示顏色的光譜規律。光譜反射率［11-12］被認為是物體的“指紋”，它是物體的屬性，獨立于照明條件和觀察者，提供了物體最基本的顏色信息［13］。使用驅動數據和表面色度值的映射關系描述顯示器的光電特性時，自發光顯示器的表面色度值與驅動數據有一對一的映射關系。然而彩色電潤濕電子紙作為反射式顯示器，其顯示顏色的色度值與環境光有關，使用相同的驅動數據時，色度值會隨著環境光變化。因此，在研究彩色電潤濕電子紙的光電特性時，可以利用彩色電潤濕電子紙的光譜反射率特性，研究其在不同環境光下顯示顏色的光譜規律，進而通過設定的某一標準環境光下的表面色度值，預測不同環境光下的顯示顏色。

2.1 彩色電潤濕電子紙的光譜反射率特性

2.1.1實驗原理

光譜反射率的測量一般采用比對測量法：已知標準白板的光譜反射率Rw(λ)和光譜響應值Iw(λ)，目標物的光譜響應值Ic(λ)，則目標物的光譜反射率Rc(λ)=R(λ)。w

2.1.2實驗裝置

圖2為測量彩色電潤濕電子紙光譜反射率的裝置。使用分光光度計的型號為遠方SR2000，分光光度計和彩色電潤濕電子紙之間的距離為50 cm，入射光與顯示器表面的夾角θd=45°，分光光度計與顯示器表面垂直，光源色溫為5 000 K。

圖2 彩色電潤濕電子紙光譜反射率測量裝置Fig.2 Spectral reflectance measurement device for color electrowetting display

2.1.3實驗步驟

（1）在暗室環境搭建實驗平臺，啟動系統并預熱。

（2）將標準反射白板固定在背板上，啟動光源，設置分光光度計的對焦狀態。以1 nm的步長采集380～780 nm共401個波段的輻射亮度為一組數據，重復采集20次，取均值記為Iw(λ)。

（3）將標準白板替換為彩色電潤濕電子紙，并對其三通道施加驅動電壓，以1 nm的步長采集380～780 nm共401個波段的輻射亮度為一組數據。

（4）由于彩色電潤濕電子紙三通道油墨的開啟電壓不同，對C通道施加15～22 V的驅動電壓，M和Y通道施加12～22 V的驅動電壓，并以1 V為間隔，重復步驟（3），采集一系列不同電壓組合下的共1 296個測試色塊的光譜輻射亮度數據，記為IEWD(λ)。

（5）使用公式REWD(λ)=R(λ)，獲得

w不同電壓組合下電潤濕電子紙的光譜反射率Rc(λ)。彩色電潤濕電子紙部分電壓組合下的光譜反射率如圖3所示。

圖3 彩色電潤濕電子紙不同電壓下的光譜反射率Fig.3 Spectral reflectance of color electrowetting display at different voltages

彩色電潤濕電子紙CMY 3種油墨具有不同的光譜反射率特性，C油墨主要反射波長范圍為600～700 nm的紅色光，M油墨主要反射波長范圍為500～600 nm的綠色光，Y油墨主要反射波長范圍為380～500 nm的藍色光。其中C油墨的反射率最大，其次是M油墨和Y油墨，3種油墨在主要反射波段上的反射率都隨驅動電壓的增大而增大。因此，在環境光色溫發生變化時，可以通過驅動電壓控制油墨的光譜反射率來減小環境光譜變化帶來的顯示顏色變化。

2.2 不同環境光下顯示顏色的光譜對應關系

在自然場景中，色彩信號是入射光的光譜功率分布與目標表面反射率的乘積。在某一環境光下，利用彩色電潤濕電子紙的光譜反射率，可以得到該環境光下顯示顏色的光譜分布：

其中：S(λ)為顯示顏色光譜分布，E(λ)為環境光光譜分布，R(λ)為顯示顏色的光譜反射率。

選取色溫為3 500 K、5 000 K和6 500 K的3個環境光，隨機選取100個測試色塊，測量各測試色塊在3個環境光下顯示顏色的光譜分布，并用各測試色塊對應的光譜反射率與兩個環境光譜進行乘法運算，使用光譜均方根誤差RMSE比較實測光譜與計算光譜的差異［14］，均方根誤差的計算公式如式（2）所示：

其中：N為光譜分布的維度，Δβ(λi)為在波長λi處實測光譜與計算光譜的誤差。

實驗環境光下顯示顏色的實測光譜分布和計算光譜分布的光譜均方根誤差如表1所示。

表1 使用光譜反射率計算的光譜分布與實測光譜分布的光譜均方根誤差Tab.1 Spectral RMSE of the spectral distribution colculated using spectral reflectance and measured spectral distribution

從表1可以看出，不同環境光下計算光譜與實測光譜分布的光譜均方根誤差較小。實驗證明，不同環境光下電潤濕電子紙顯示顏色的光譜功率等于自身反射的環境光譜功率。

假設已知彩色電潤濕電子紙在某一設定的標準環境光下顯示顏色的光譜分布為S(λ)，則該顏色在不同環境光下顯示顏色的光譜分布與S(λ)的關系為：

其中：E(λ)和Ei(λ)為標準光源和不同光源的光譜分布，R(λ)為彩色電潤濕電子紙的表面反射率，S(λ)和Si(λ)為標準光源和不同光源下顯示顏色的光譜分布。

使用光譜傳感器可以實時采集當前觀察條件下環境光的光譜分布，根據公式（3），可以根據標準光源下顯示顏色的光譜分布計算出當前環境光下顯示顏色的光譜分布。100個測試色塊在不同環境光下測量得到的光譜分布與經過計算得到的光譜的均方根誤差如表2所示。

表2 使用標準光源下顯示顏色光譜計算的光譜分布與實測光譜分布的光譜均方根誤差Tab.2 Spectral RMSE of the spectral distribution calculated using the color spectral in standard light source and measured spectral distribution

從表2可以看出，在具有不同色溫的環境光下，預測值與實測值的光譜分布穩定、色差較小。圖4為隨機選取顏色在5 000 K環境光下的預測值和實測值。

圖4 測量和計算的光譜分布Fig.4 Measured and calculated spectral distributions

3 不同色溫環境光下顯示顏色校正方法

3.1 不同色溫環境光下顯示顏色的色度對應關系

上述實驗利用彩色電潤濕電子紙的光譜反射率特性，獲得了不同環境光下顯示顏色的光譜對應關系。光譜反射率為高維數據，且顯示設備的輸入一般為三維色度數據，因此將光譜數據轉換為色度數據，并根據光譜對應關系獲得色度對應關系，方便從顯示系統上對不同環境光下的顯示顏色進行校正。

對于給定的光譜分布，其在源觀察環境下的CIEXYZ色度值t為

定義M=k·F，色度變換過程可表示為：

則標準環境光下的色度值tR=MR·S(λ)，測試光源下的色度值ti=Mi·Si(λ)。根據公式（6）：

其中：MRS(λ)=tR，則測試光源下的色度值為：

選取100種電壓組合作為樣本點，根據各樣本點在色溫為5 000 K環境光下的色度值，預測各樣本點在色溫為3 500 K和6 500 K環境光下的色度值，各樣本點的色差如圖5所示，預測值與實測值的平均色差分別為1.92和1.09，小于人眼的最小可察覺色差［15］。

圖5 預測色差Fig.5 Predicted color difference

3.2 不同色溫環境光下的色彩校正流程

上述實驗總結了彩色電潤濕電子紙在不同色溫環境光下顯示顏色的變化規律，可以根據此規律進行色彩校正。顯示設備的反向特征化模型記錄了設備無關顏色空間到設備相關顏色空間的映射關系。由于彩色電潤濕電子紙的顯示光源為環境光，其特征化模型即為在設置的標準環境光下，彩色電潤濕電子紙顯示顏色的CIEXYZ色坐標到CMY的映射關系，即一個環境光對應一個特征化模型。然而觀察環境是隨時變化的，因此要根據標準環境光下建立的特征化模型進行色彩校正。

記輸入圖片的CIEXYZ色度值，即在測試光源下的目標色度值為ti，該色度值在標準光源下的色度值記為tR，則根據公式（6）所述不同色溫環境光下顯示顏色的對應關系，色彩校正過程可表示為：

具體校正過程如圖6所示：

圖6 不同環境光下的顏色一致性流程圖Fig.6 Flow chart of color consistency under different ambient lighting

（1）將輸入圖像進行色彩空間轉換，從RGB顏色空間轉換到CIEXYZ顏色空間。

（2）通過環境光傳感器采集當前環境光譜。

（3）進行色彩校正，得到在測試光源下原始色度值XYZ校正后的色度值X1Y1Z1。

（4）利用標準環境光下彩色電潤濕電子紙的反向特征化模型，得到X1Y1Z1對應的CMY驅動數據。

4 實驗驗證

設置光源A（色溫為5 000 K）作為標準光源。為了驗證本文方法的有效性，選取一個色溫低于光源A的光源B（色溫為3 500 K）作為實驗光源1，另選取一個色溫高于光源A的光源C（色溫為6 500 K）作為實驗光源2加以對照，驗證本文方法在環境光色溫與標準環境光相比發生高低變化時的校正效果。3個光源的相對光譜分布如圖7所示。

圖7 實驗光源的相對光譜分布Fig.7 Relative spectral distribution of experimental light sources

將本文方法應用到彩色電潤濕電子紙顯示系統（分辨率764×550，5.84 in（1 in=2.54 cm））上，選取包括顯示色域邊界和中間部分的100個色塊，分別測量測試色塊在光源B（色溫為3 500 K）和光源C（色溫為6 500 K）下通過本文方法校正前后的色坐標。使用CIE2000色差公式［16］，計算校正前后與標準光源A（色溫為5 000 K）下顯示顏色的色差。如圖8所示，對比100個色塊校正前后的色差，在光源B和光源C下，校正后的平均色差分別減小了55%和35%。

圖8 測試色塊校正前后的色差Fig.8 Color difference before and after the correction of each test color patch

使用圖片pig和圖片boat在彩色電潤濕電子紙顯示屏上進行驗證，如圖9和圖10所示。

圖9 電潤濕電子紙顯示pig效果對比圖。（a） 標準光源A下的顯示效果；（b） 光源B下的顯示效果；（c） 光源B下校正后的顯示效果；（d） 光源C下的顯示效果；（e） 光源C下校正后的顯示效果。Fig.9 Comparison of the pig effect of electrowetting display.（a） Display effect of pig under standard light source A； （b） Display effect of pigunder light source B； （c） Corrected display effect of pig under light source B； （d） Display effect of pig under light source C； （e） Corrected display effect of pig under light source C.

圖10 電潤濕電子紙顯示boat效果對比圖。（a） Boat在標準光源A下的顯示效果；（b） Boat在光源B下的顯示效果；（c） Boat在光源B下校正后的顯示效果；（d） Boat在光源C下的顯示效果；（e） Boat在光源C下校正后的顯示效果。Fig.10 Comparison of the boat effect of electrowetting display. （a） Display effect of the boat under the standard light source A； （b） Display effect of the boat under light source B ； （c） Corrected display effect of the boat under light source B；（d） Display effect of boat under light source C；（e） Corrected display of the boat under light source C.

如圖7所示，3 500 K色溫環境光比5 000 K色溫環境光在波長為550～780 nm的范圍內具有較大的相對輻射功率，所以在相同電壓下，顯示顏色的紅色分量和綠色分量會更多。6 500 K色溫環境光比5 000 K色溫環境光在波長為520～780 nm的范圍內具有較小的相對輻射功率，所以相同電壓下顯示顏色紅色分量和綠色分量較少。如圖9和圖10所示，圖9（b）的臉部比圖9（a）更加紅；圖10（b）的背景比圖10（a）更加偏黃；圖9（d）和圖10（d）的整體顯示效果與圖9（a）和圖10（a）相比更加偏藍。經過本文方法校正后，即圖9（c）和（e），圖10（c）和（e）的顯示效果更加符合標準環境光下的顯示效果，說明本文的校正方法是有效的。

選擇10名顏色視覺感知正常的觀察者對顯示圖像進行主觀打分，以標準光源下顯示圖像為標準圖，計算在3 500 K色溫和6 500 K色溫下校正前后顯示圖像下的Z得分［17］。其中，在3 500 K色溫下校正前后顯示圖像的Z得分分別為-0.45和0.45，在6 500 K色溫下校正前后顯示圖像的Z得分分別為-0.25和0.25。

5 結論

為了減小不同色溫環境光下彩色電潤濕電子紙顯示顏色的色差，本文提出了一種基于彩色電潤濕電子紙光譜反射率特性的色彩校正方法，通過不同色溫環境光下彩色電潤濕電子紙顯示顏色的對映關系建立校正模型。實驗結果表明，在兩個色溫區別于標準環境光的實驗光源下，本文提出的色彩校正方法使100個測試色塊校正后的平均色差分別減小了55%和35%，校正后顯示圖像的平均主觀評價Z得分分別為0.45和0.25。