專利名稱：顏色視覺辨別特性自動定量測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及用于測試色視覺的裝置。
背景技術(shù)：
人類的色覺能分辨上千萬種顏色，正是這種辨色能力推動了人類對自身色覺機理的研究和應用。在工業(yè)實踐中，顏色辨別已成為生產(chǎn)質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)有色材料工業(yè)和現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)中涉及到的大量圖像處理及其再現(xiàn)等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中都存在顏色辨別的應用問題，其中的關(guān)鍵是顏色視覺辨別特性的定量測試。
準確可靠地測量人眼視覺的辨色特性始終是顏色科學和視覺研究領(lǐng)域中的重大課題。傳統(tǒng)的方法是利用已知顏色參數(shù)分布的染色實物試樣或通過對有色光源相關(guān)發(fā)光波長和強度的控制來測定人眼視覺對不同色區(qū)的顏色在不同方向上色差的分辨能力，基本上屬于“模擬量化”的方法。這些方法的應用是基于實物色樣或有色光源的可獲得性，所以存在顏色分布色區(qū)不均勻、被測顏色參數(shù)不可連續(xù)自由調(diào)節(jié)、照明測試環(huán)境復雜且單元因素難以分離、測試操作繁復不便、被試色樣制作周期長、成本高以及色樣表面特性隨時間的不穩(wěn)定性(如退色)等等缺點。因此，隨著電子計算機的出現(xiàn)，顏色視覺辨別特性的測試方法和手段也發(fā)生了時代性的變革，計算機技術(shù)已成為當今顏色視覺研究中必不可少的組成部分?，F(xiàn)代辨色特性測試方法和技術(shù)也隨著計算機硬件水平特別是顯示技術(shù)的快速發(fā)展和相關(guān)顏色視覺理論與圖象技術(shù)的不斷進步，正在經(jīng)歷從初級到逐步完善和成熟的過程。國際上比較通行的現(xiàn)代方法都是“數(shù)字化”的方法，主要有調(diào)整法、灰級評估法等，前者是利用鍵盤通過對計算機監(jiān)視器上顯示的測試色塊進行手動調(diào)節(jié)，直至其色表與同時顯示的參考(標準)色塊的外貌一致，從而由測試與參考色樣的計算機顯色參數(shù)，根據(jù)國際照明委員會(CIE)標準顏色空間和計算機顯色空間之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，最終獲得相應顏色刺激的辨色閾值；后者則是通過選擇具有某種分布的顏色參數(shù)，在計算機監(jiān)視器上顯示對應于某色區(qū)某方向的兩個測試色塊，同時提供設(shè)定為所選CIE顏色空間標準色差的灰級色塊序列，由此判定測試色塊之間的灰級色差，所以該方法主要用于色差的比較，再根據(jù)色差的分析來計算出各方向的辨色閾值?？梢姡{(diào)整法的應用要求操作者具有較深入的顏色科學知識，需要判斷顏色參數(shù)的調(diào)節(jié)與顏色外貌的變化方向之間的相互關(guān)系，所以測試過程和時間對操作者的文化程度和知識水平等個人因素具有很大的依賴性，并且測試結(jié)果只是單次判定為兩色塊(測試與參考色樣)一致時的色差，具有偶然性和不確定性；灰級評估法需要對被測色塊進行色差的定量判斷，除了對操作者的文化程度和知識水平等個人因素具有很大的依賴性之外，還受到操作者當時的情緒、態(tài)度以及健康狀況等諸多心理和生理條件的影響，具有較大的不確定性，并且辨色閾值是通過色差在設(shè)定條件下的間接計算得到的，欠客觀性。目前，國內(nèi)在這方面的研究開展較少，尚處于起步和發(fā)展階段，相對比較落后。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種顏色視覺辨別特性自動定量測試裝置，應用計算機控制的彩色CRT模擬色仿真顯示技術(shù)，采用變形交錯階梯法進行心理物理視覺測試，通過觀察者應答操作，快速、準確、定量測試人眼視覺在各個色區(qū)各個顏色方向上的辨色閥值及其時間與空間特性。
本實用新型采用的技術(shù)方案如下它包括主計算機PC機、彩色CRT顯示器、下顎支撐架、專用應答鍵盤、光電定標系統(tǒng)、打印機；主計算機PC機分別與其在熒屏中心部位呈示四個1°×1°小正方形組成田字形色塊測試顏色刺激的彩色CRT顯示器、專用應答鍵盤、打印機、經(jīng)RS-232串行接口與光電定標系統(tǒng)連接，下顎支撐架安放在彩色CRT顯示器前面。
所說的光電定標系統(tǒng)包括含有X、Y、Z三個顏色通道的光色傳感器，其輸出的光電信號分別成三路，接入各自電壓—電流轉(zhuǎn)換和電壓放大的放大電路，三路輸出經(jīng)A/D變換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，接入由復位電路、單片機、只讀存儲器組成的微處理單片機系統(tǒng)，其輸出分別接專用應答鍵盤、和經(jīng)串行接口RS-232接主計算機PC機。
由主計算機PC控制彩色CRT顯示器在其熒屏上呈示測試顏色刺激，觀察者的頭部由下顎支撐架托住以使人眼與測試刺激之間的觀察距離固定為50cm，從而保證測試顏色刺激圖樣對人眼的視覺張角符合設(shè)計值。觀察者在完成暗適應和背景色適應之后，進行辨色閾值測定，其視覺任務是判斷四個小正方形色塊中顏色不同于背景色的色塊位置，然后按下專用應答鍵盤上的指定按鍵作為他/她的應答，由此計算機自動記錄該判定結(jié)果并起動下一次辨色判斷測試；測試結(jié)果可由所配置的打印機輸出。顯然，準確無誤地在彩色CRT顯示器上顯示具有要求亮度和色度參數(shù)的顏色刺激是本系統(tǒng)實現(xiàn)顏色辨別特性定量測試的基礎(chǔ)和前提，這個功能是由顯示器光色參數(shù)自動光電定標系統(tǒng)來完成的。該光電定標系統(tǒng)還可以隨時校正CRT顯示器由于熒光粉老化或其它原因?qū)е碌娘@色不調(diào)，從而保證本測試系統(tǒng)具有持久穩(wěn)定的精度和重復性。
本實用新型具有的有益的效果是它建立于最新的顏色視覺理論基礎(chǔ)之上，應用計算機控制的彩色CRT模擬色仿真顯示技術(shù)，符合國際視覺研究規(guī)范和顏色科學的相關(guān)工作標準，采用合理有效的變形交錯階梯法進行心理物理視覺測試，設(shè)計了具有特定空間和時間條件的顏色刺激及其工作流程，通過觀察者簡單易行的應答操作，可以快速準確地定量測試人眼視覺在各個色區(qū)各個顏色方向上的辨色閾值及其時間與空間特性，且不依賴于觀察者的年齡和知識水平等個人差異。因此，測試結(jié)果精確、公正、客觀、可靠。同時，系統(tǒng)專配的顯示器光色參數(shù)自動定標系統(tǒng)可以隨時校正CRT顯示器由于熒光粉老化或其它原因?qū)е碌娘@色不調(diào)，從而保證顏色視覺辨色特性自動定量測試系統(tǒng)具有持久穩(wěn)定的精度和重復性。
本裝置為人眼視覺顏色辨別機理的深層研究和探討提供了測試技術(shù)手段和設(shè)備，其測定結(jié)果可為色差評價方面的研究建立視覺數(shù)據(jù)庫，也可應用于人眼色覺異常的檢測(包括色盲和色弱的定量測試等)。


圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是由四個1°×1°小正方形組成田字形色塊的顏色刺激；圖3是本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖；圖4是本實用新型光電定標系統(tǒng)的電路框圖。
具體實施方式
如圖1、圖3所示，本實用新型包括主計算機PC機1、彩色CRT顯示器2、下顎支撐架5、專用應答鍵盤6、光電定標系統(tǒng)7、打印機8；主計算機PC機1分別與其在熒屏中心部位呈示四個1°×1°小正方形組成田字形色塊測試顏色刺激3的彩色CRT顯示器2、專用應答鍵盤6、打印機8、經(jīng)RS-232串行接口與光電定標系統(tǒng)7連接，下顎支撐架5安放在彩色CRT顯示器2前面。
如圖4所示，所說的光電定標系統(tǒng)7包括含有國際照明委員會CIE1913三刺激值X、Y、Z三個顏色通道的光色傳感器7.1，其輸出的光電信號分別成三路，接入各自電壓—電流轉(zhuǎn)換A1和電壓放大A2的放大電路，三路輸出經(jīng)A/D變換器7.3轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，接入由復位電路、單片機、可電擦除只讀存儲器組成的微處理單片機系統(tǒng)7.4，其輸出分別接專用應答鍵盤6、和經(jīng)串行接口RS-232接主計算機PC機。
A1為OP07或相應的運算放大器；A2為CA3140或相應的運算放大器；A/D為AD574或相應模數(shù)轉(zhuǎn)換器；MCPU為89C51或相應的單片機；RS-232為MAX232或相應串行接口驅(qū)動電路。
1、顯示器光色參數(shù)自動定標為了在彩色CRT顯示器上顯示具有要求亮度和色度參數(shù)的顏色刺激以進行顏色辨別特性的定量測試，必須對彩色CRT的R、G、B三色熒光粉發(fā)光特性進行測定和分析，建立其γ曲線的數(shù)學表征模型，并利用R、G、B三色電子槍的激發(fā)特性和三色熒光粉的色品坐標構(gòu)成三色緩沖器顏色輸入值與CIE標準色度系統(tǒng)之間的特征矩陣及其映射關(guān)系，從而實現(xiàn)顏色的仿真顯示。
顯示器光色參數(shù)自動定標系統(tǒng)用于對彩色CRT顯示器R、G、B三色電子槍的激發(fā)特性和三色熒光粉色度參數(shù)的測試，并在主計算機控制下實現(xiàn)γ曲線和特征矩陣的數(shù)學建模以及光度色度定標功能。顯示器光色參數(shù)自動定標系統(tǒng)主要由符合國際照明委員會(CIE)標準光譜三刺激值曲線的光色傳感器(7.1)、光電信號放大(7.2)與A/D變換(7.3)等信號處理與采集單元、專用微處理單片機系統(tǒng)(7.4)、主計算機PC(1)接口與數(shù)據(jù)通訊(7.6)以及供電單元(7.5)等模塊組成，其結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。
2、計算機模擬色仿真顯示利用基于彩色CRT顯示器R、G、B三色熒光粉色度參數(shù)及其γ特性的定標數(shù)學模型，按照CIE關(guān)于計算機控制的CRT顯示器色度特性定標的指導工作標準(Guide to characterizing the colorimetry of computer-controlled CRT displays)，建立CRT三色緩沖器數(shù)字輸入值(LUT_R，LUT_G，LUT_B)與CIE-XYZ參數(shù)之間的變換模型及其特征矩陣，即LUT_RLUT_GLUT_B↔Lum_RLum_GLum_B↔XYZ---(1)]]>其中(Lum_R，Lum_G，Lum_B)＝(LR，LG，LB)表示R、G、B三色熒光粉發(fā)光亮度。
根據(jù)熒光粉的定標參數(shù)可以確定目標顯示顏色三刺激值(X，Y，Z)與三色熒光粉發(fā)光亮度之間的映射特征矩陣AXYZ=ALRLGLB]]>或LRLGLB=A-1XYZ]]>(2)由此可以求出所需R、G、B電子槍的激發(fā)亮度(LR，LG，LB)。再根據(jù)CRT輸入輸出定標特性所確定的γ曲線數(shù)學模型LRLGLB=fLUT_RLUT_GLUT_B]]>或LUT_RLUT_GLUT_B=f-1LRLGLB]]>(3)可以獲得為在CRT上顯示要求的顏色刺激所需要的三色緩沖器數(shù)字輸入?yún)?shù)(LUT_R，LUT_G，LUT_B)，最終達到在常規(guī)彩色CRT顯示器上保真再現(xiàn)具有要求亮度和色度參數(shù)的顏色刺激的模擬色仿真功能。
3、顏色辨別特性心理物理定量測試顏色刺激基于人眼視覺的理論，參照CIE關(guān)于顏色辨別和色差研究的指導標準，確定中性灰為色覺測定的顏色中心，并合理選擇測試顏色刺激的色區(qū)分布，如CIE推薦的5種基本顏色中心(灰Gray、紅Red、黃Yellow、綠Green、藍Blue)和4種擴展顏色中心(橙Orange、黃綠Yellow-Green、藍綠Blue-Green、紫Purple)，設(shè)計專門的刺激圖樣進行人眼色覺特性的定量檢測與分析。
空間條件測試刺激是由處于CRT顯示器中心部位的四個1°×1°小正方形組成的田字形色塊(如圖2所示)，各個小正方形色塊之間有不超過0.1°視角寬的黑色小分隔；四小正方形色塊組由約0.1°視角的黑色邊框與其所在的背景色(6°視角)隔開，從而充分抑制因色塊分界處的高頻成分所引起的明度對比靈敏度，使在顏色辨別的心理物理機制中色度對比靈敏度占主導地位，以達到色覺特性的精確定量檢測。背景色設(shè)置成所選中心色的中性灰，并被一個亮框(視角8°)包圍。該亮框的亮度設(shè)為CRT色域范圍內(nèi)所能顯示的最高亮度如100cd/m2，并具有CIED65標準照明體的色度指標。這個“白色”亮框使CRT上顯示的刺激能模擬物體表面色或相關(guān)色而不是原本的孔徑色，同時定義了刺激圖像的白色溫點。
時間特性測試刺激顯示過程中采用時間間隔條件，即一個周期中包含兩個顯示背景色的時間段和兩個黑色時間間隔，分別處于測試刺激顯示的開始和結(jié)束時刻。在黑色間隔時間，包括背景色和四個小正方形色塊組成的測試刺激在內(nèi)的所有區(qū)域的發(fā)光被切斷為黑屏，只有外圍的亮框一直持續(xù)顯示，以使觀察者保持對白色溫點而不是測試刺激的完全色適應狀態(tài)。
測定方法采用階梯法(也稱上下法)對從中性灰向各個顏色方向上的辨別閾值在完全屏蔽外界雜散光的暗室條件下進行客觀可靠的實際測試。為了避免由測試刺激的顯示次序而導致觀察者可能的判斷偏差或臆想，本系統(tǒng)對傳統(tǒng)的階梯法進行改良，形成變形交錯階梯法(interleaved staircase method)。一個階梯中同時包含在四個顏色方向上的一組刺激，并且具有隨機的呈示次序。在階梯的初始回轉(zhuǎn)折中，首先顯示一個(色覺正常者)明顯可辨的步長，然后系統(tǒng)地縮減各顏色距離的調(diào)制步長，直至其達到某個臨界值，從而形成有效的振蕩收斂過程，并產(chǎn)生十次左右的回轉(zhuǎn)折點。最后，由計算機軟件自動處理觀察者對每個呈示顏色刺激的應答記錄，并解出對應各方向的辨色閾值。
測定步驟整個測試過程分為暗適應、背景色適應、辨色閾值測定等步驟。在每次辨色判斷時，由軟件隨機地決定測試色在四個小正方形中的某一個色塊上顯示，而另外三個小正方形仍保持為與背景一致的顏色。測試色對應于根據(jù)所采用的心理物理測試方法而確定的在不同方向上與顏色中心的預測顏色距離或色差。觀察者的視覺任務是判斷其顏色不同于背景色的小正方形色塊的位置(即四個小正方形色塊中僅有的一個顯示不同顏色的方塊的位置)，然后按下指定的按鍵作為他/她的應答，由此計算機自動記錄該判定結(jié)果并起動下一次辨色判斷測試。
權(quán)利要求1.顏色視覺辨別特性自動定量測試裝置，其特征在于它包括主計算機PC機(1)、彩色CRT顯示器(2)、下顎支撐架(5)、專用應答鍵盤(6)、光電定標系統(tǒng)(7)、打印機(8)；主計算機PC機(1)分別與其在熒屏中心部位呈示四個1°×1°小正方形組成田字形色塊測試顏色刺激(3)的彩色CRT顯示器(2)、專用應答鍵盤(6)、打印機(8)、經(jīng)RS-232串行接口與光電定標系統(tǒng)(7)連接，下顎支撐架(5)安放在彩色CRT顯示器(2)前面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顏色視覺辨別特性自動定量測試裝置，其特征在于所說的光電定標系統(tǒng)(7)包括含有X、Y、Z三個顏色通道的光色傳感器(7.1)，其輸出的光電信號分成三路，分別接入各自電壓—電流轉(zhuǎn)換(A1)和電壓放大(A2)的信號放大電路，三路輸出經(jīng)A/D變換器(7.3)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，接入由復位電路、單片機、可電擦除只讀存儲器組成的微處理單片機系統(tǒng)(7.4)，其輸出分別接專用應答鍵盤(6)、和經(jīng)串行接口RS-232(7.6)接主計算機PC機(1)。
專利摘要本實用新型公開了一種顏色視覺辨別特性自動定量測試裝置。包括主計算機PC機、彩色CRT顯示器、下顎支撐架、專用應答鍵盤、光電定標系統(tǒng)、打印機；主計算機PC機分別與其在熒屏中心部位呈示四個1°×1°小正方形組成田字形色塊測試顏色刺激的彩色CRT顯示器、專用應答鍵盤、打印機、經(jīng)RS－232串行接口與光電定標系統(tǒng)連接，下顎支撐架安放在彩色CRT顯示器前面。應用計算機控制的彩色CRT模擬色仿真顯示技術(shù)，采用變形交錯階梯法進行心理物理視覺測試，通過觀察者應答操作，測試人眼視覺在各個色區(qū)各個顏色方向上的辨色閥值及其時空間特性，為研究人眼視覺顏色辨別機理提供了測試技術(shù)手段和設(shè)備，其測定結(jié)果可為色差評價方面的研究建立視覺數(shù)據(jù)庫，也可應用于人眼色覺異常的檢測。
文檔編號A61B3/02GK2574591SQ02261179
公開日2003年9月24日 申請日期2002年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月29日
發(fā)明者徐海松 申請人:浙江大學