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1、 虚拟现实显示技术的色彩研究 万丽芳 杜微摘要：虚拟现实显示技术将成为5G时代最耀眼的革命技术，随着虚拟现实显示技术的广泛应用，人们对其色彩性能的需求也逐渐扩大。本文介绍虚拟现实显示的数字颜色管理技术的方法，主要包括数字色彩标准化和画质调节两部分。虚拟现实显示设备的色彩标准化需要对色温、三基色色度亮度和伽马曲线按照通用色彩标准进行标定，以实现不同设备之间色彩的统一，同时，由于虚拟现实显示技术容易受到环境光线影响的特殊性，加入环境光的颜色恒常调节功能，使得虚拟现实显示设备在环境光改变的时候也可以保持颜色感知的恒常稳定性。在完成虚拟现实显示设备的数字色彩标准化的基础上，可以进行画质调节，以改善画面
2、显示效果，提升色彩表现能力，提升虚拟现实显示性能，进一步推动虚拟现实技术的普及。关键词：虚拟现实;数字颜色管理;色彩标准化;画质：TP391.9 ：A ：1004-9436（2021）13-00-03视觉信息是人类感知客观世界最重要的部分，而人类识别物体的特征绝大部分取决于色彩信息。在以人工智能、5G通信、大数据、物联网为核心的信息技术飞速发展的今天，数字化颜色管理技术逐渐专业化和标准化，对显示技术的市场推广起着举足轻重的作用。虚拟现实显示技术通过多角度观看等沉浸式可交互的模式，提供了更具有真实感的体验，而光影和色彩决定了显示画面的视觉表现和情感传达，因此数字颜色管理成为虚拟现实显示改善画面光
3、影效果和色彩表现的重要技术。虚拟现实技术将会逐渐融入普通人的生活，美国脸书公司举办每年一度的虚拟现实大会，昭示着新的显示时代即将到来。随着虚拟现实技术的发展，很多新兴的虚拟体验模式如雨后春笋般出现，如虚拟时尚，包括虚拟穿戴，比如世界时装之苑的杂志模特在虚拟情景下穿上了一身绚丽的数字虚拟长袍（如图1所示）;再比如油管公司推出虚拟试妆，消费者可以在网上虚拟试验不同唇膏的颜色。此外，还有虚拟各种旅游场景，如虚拟博物馆、虚拟画廊，这些虚拟显示内容对于虚拟现实眼镜的色彩显示技术提出了更高的要求，体验者会关心其色彩能否还原真实的世界。因此，改善虚拟现实技术的色彩和画质效果就成了一种必要，只有拥有了逼真的色
4、彩显示效果和高品质画质，虚拟现实显示技术才能成为众多体验者的首选。1 虚拟现实眼镜的数字颜色管理技术方案概述虚拟现实眼镜的数字颜色管理方法，总体上可以分成两部分。第一部分是数字色彩标准化，目的是使显示设备真实再现颜色世界，使其符合国际色彩显示标准。第二部分是画质调节，改善画面的质量，比较常见的是色彩增强，即按照用户的特殊需求，对显示色彩进行增强画面对比或饱和度的调节，另外还包括调整图像细节、明暗的层次等。关于色彩产业标准化技术，目前应用最广泛的是通用色彩标准，这是微软公司和爱普生公司、三菱公司合作开发的行业标准，代表标准的红、绿、蓝，即液晶显示器、投影机、打印机以及其他设备中色彩再现所使用的三
5、基色。由于显示设备的显色差异性，不同的显示设备可能无法正确地再现色彩，通用色彩标准就是为了建立一个可以满足计算机和输出设备需求的色彩管理标准，使得输出设备可以正确地表现出图像中的颜色信息。通过通用色彩标准技术，用户可以在各种显示设备上得到统一的色彩。由于显示技术的飞速发展和不断的更新换代，最初的通用色彩标准已不能再满足广色域的显示设备的要求，因此出现了更大的色域显示标准，比如最新制定的标准是基于国际电信联盟无线电通信部门制定的超高清电视的色彩标准，超高清电视分辨率为4K和8K的数字视频格式，其色域范围大大超出了早期的通用色彩标准。虽然如此，虚拟现实眼镜技术由于还在使用传统的低色域的照明光源，因
6、此其色域仍然比较接近于低色域的通用色彩标准。2 虚拟现实眼镜的色彩影响要素影响虚拟现实眼镜色彩的主要有三个显示参数：第一，虚拟现实眼镜显示白画面的色温;第二，显示红绿蓝三基色画面的色度和亮度;第三，红绿蓝三通道亮度灰阶曲线的伽马曲线。下面具体解释标定参量色温和伽马对显示效果的影响。2.1 色温对色彩显示的影响色温是表示光源光色的尺度，单位为K（开尔文），在显示、摄影、电影、出版等领域应用广泛且作用很大。光源的色温是通过对比其热黑体辐射体确定的。热黑体辐射体与光源的色彩相匹配时的开尔文温度就是该光源的色温，它和普朗克黑体辐射定律有关。图2为色温的日光轨迹图，国际显示标准色温在6500K，即中午1
7、2点时的日光光照。从曲线上可以看出色温低时颜色是偏红偏暖的，色温高时颜色是偏蓝偏冷的。显示设备的色温是由其显示白色画面时的色度决定的，即我们通常所讲的白点值。图3的剧照分别选自几部不同的电影，上层的剧照选自电影浓情巧克力和天使爱美丽，表现的色温整体是偏低、偏红、偏暖的，给人的感觉也是温馨舒适的，下层的剧照选自电影荒野猎人和僵尸新娘，表现的色温整体是偏高、偏蓝、偏冷的，给人的感觉则是寒冷荒凉的，可以看出色温对传达情感起着至关重要的作用。显示设备的色温不准确，就会造成颜色的错误表达。目前的虚拟现实眼镜仍然符合色彩通用标准，所以我们需要将白画面（红、绿、蓝三个通道灰阶均为255）色温调节至值为650
8、0K。2.2 伽马曲线对色彩显示的影响虚拟现实眼镜的显示通常由红绿蓝三个通道组成，每个通道都对应有亮度灰阶曲线（8位为从0到255灰阶），灰阶与对应的亮度并不是简单的线性关系，而是幂函数关系，即我们所说的伽马曲线。图4是伽马值对人物画面的影响效果，蓝色虚线代表标准的伽马曲线，左图人像伽马值偏低（黑色曲線），人物画面的亮度偏高，高光部分被拓展，暗调部分被压缩;右图人像伽马值偏高，人物画面的亮度偏低，暗调部分被拓展，高光部分被压缩;中间人像图的伽马值为标准值2.2。可以看出当伽马偏离标准时，会使画面损失一些细节，在对比度和亮度表现上也会缺乏层次感。图5是伽马曲线形状对人物画面的影响效果，左图人像为
9、伽马曲线变化为S形时，暗调部分和高光部分被压缩;右图人像为伽马值偏高时，画面暗调部分被拓展，高光部分被压缩。由图4和图5可以看出亮度灰阶曲线的伽马值对画面显示有较大的影响，改变伽马曲线会改变画面明暗的层次感，产生不一样的效果。不同的标准对伽马的定义不同，按照sRGB标准可将伽马值调制为2.2，其他的显示标准对应着不同的伽马取值。3 虚拟现实眼镜数字色彩标定方法色彩标准化1-2主要需要控制三个要素。第一，标准的白点色温。由显示白色画面的色度坐标决定，对应的国际照明委员会标准色度坐标值为（0.3127，0.3290）。第二，显示红绿蓝三基色画面的色度亮度。通用色彩标准的红色色度坐标为（0.64，0
10、.33），绿色为（0.3，0.6），蓝色为（0.15，0.06）。第三，红绿蓝三通道亮度灰阶曲线的伽马曲线（通用色彩标准的伽马值为2.2）。把这三项控制在标准范围内，显示出的效果就可以符合相应的通用色彩标准。不同的显示标准对这三要素在数值上有不同的定义。对色温，三基色和伽马的调节可以集成在数字颜色芯片中完成，主要过程是将实际测试的白点色温、三基色色度和伽马值转变成为标准值3-4。需要测色设备先对画面的白点、红绿蓝三基色和三通道的伽马曲线做自动化测量，采样测试红绿蓝三通道的亮度灰阶伽马曲线数据，即采样测试红绿蓝数据立方体，并将测试结果输入调色系统软件，通过查找表法、插值法输出能实现标准效果的红绿
11、蓝三基色色度值、白点色温值和红绿蓝亮度灰阶曲线。然后，重建红绿蓝三通道的伽马曲线，再将重建的数据写入数字颜色管理系统的标准控制文件中，最终输出显示信号控制画面显示。在实验中对虚拟现实眼镜的标定设备采用美国瑞淀公司的虚拟现实测色设备配备专业镜头，经过上述方法，色彩标定结果可以将显示颜色与国际显示标准相比较，色度坐标的色差均控制在5%之内。4 虚拟现实眼镜色彩显示的特殊性虚拟现实眼镜的色彩效果会受到很多因素的影响，包括虚拟现实眼镜内部光学器件的和外部环境的影响。内部的光学器件，如反射式硅基液晶、光源、彩膜、偏光片、透镜玻璃和镀膜，它们对不同色光的吸收和透过率都有所不同，因此需要控制光学元件颜色亮度
12、的显示性能，在选取这些光学元件时，需要考虑细化其光学色彩的参数，只有经过科学的优化和匹配，才可以得到相对较大的显示色域范围。虚拟现实眼镜的色彩显示与常规的显示设备还有明显的特殊性，由于虚拟现实眼镜显示图像与观看者所处的背景是相互融合的，观察者所处的光源环境对显示效果会有影响。改变环境光的颜色和亮度之后，如果想保持观看者对画面颜色效果观赏时颜色的恒常性，就需要根据环境光重新调节虚拟现实眼镜的色温，保持色温（白点）的平衡，因此可以加入实时监测环境光的色度和亮度的功能，将检测结果反馈到颜色管理模块上，重新将虚拟现实眼镜的色温和颜色调节到标准白光的D65状态。在非暗室条件下长时间观看虚拟现实眼镜的电影
13、或视频，需减少来自背景环境光的影响，可以通过提升画面对比度，也可以通过调节亮度灰阶伽马值实现。5 虚拟现实眼镜画质调节技术画质提升技术是在色彩标定技术基础上进行的调整5。画质调节比较常见的有色彩增强技术，可以通过将色彩增强的算法集成在数字颜色管理系统中实现。例如，很多手机品牌为了迎合消费者的需要，在拍照软件上经常设置有色彩增强的功能，所拍的照片会有高饱和度、高对比度的绚丽多彩的效果。虚拟现实显示技术的色彩增强也可以应用于特殊的领域，比如医学、工业、军事，可以起到突出目标显示识别的作用。比如在医学临床手术中应用时，可以通过色彩增强的方式，突出血管或神经的位置，帮助医生更好地实现精准定位。画质调节
14、会涉及有很多关于显示画面细节的考虑因素，比如显示画面中的暗部细节、亮部细节、阴影的层次感、轮廓和纹理、对比度、锐度、噪声，这些画质参数都需要配合数字颜色管理系统进行调节，以达到对显示图像的完美呈现。另外，虚拟现实眼镜还存在着不均匀性、光学畸变、色偏等由于光学设计产生的问题，消除这些光学上带来的影响，也都可以从画质调节和图像算法上调节实现。比如画面均匀性差时，可以在画面显示之前在原图像上加权一组矫正均匀性的数组，不仅可以调节亮度均匀性，还可以调节色度均匀性，这样可以完美解决虚拟现实眼镜光波导的亮度不均匀和色散的问题。6 结语虚拟现实技术是充分发挥创造力的科学技术，将为人类提供强有力的智能扩展保障
15、，对人类社会也将产生巨大且深远的影响。随着5G时代的来临，虚拟现实的虚拟技术会在游戏、影视、教育、房地产、旅游、汽车、电商、广告、医疗等行业全面发展，将会深得人们的喜爱，色彩表现能力作为虚拟现实技术普及的一个关键的参数也会逐渐提升。虚拟现实设备的色彩标准化基于过去常规采用的数字颜色管理方法，除了需要对色温、三基色色度亮度和伽马曲线按照显示标准进行标定之外，还要考虑其新的显示特性，如考虑增强现实显示画面会与背景环境光融合的显示特点，需加入环境光的颜色恒常调节功能，使人在改变环境光时也可以保持颜色感知的稳定，还可加入画质调节，以改善虚拟画面显示效果。2020年新冠肺炎疫情在全球范围内暴发，人类的社
16、交和工作模式受到了前所未有的挑战，而虚拟现实作为新生代技术，能全方位改变人类的生活方式，人们可以利用虚拟现实技术随心所欲地创造出各种虚拟的空间和情景，打破现实世界空间和时间的束缚，满足未来人类更多全新的需求。参考文献：1 廖宁放.数字图文图像颜色管理系统概述M.北京：北京理工大学出版社，2009：32-45.2 胡威捷，汤顺青，朱正芳.现代颜色技术原理及应用M.北京：北京理工大学出版社，2007：172-205.3 唐正宁，车永华.基于ICC标准的打印机色彩管理研究J.包装工程，2007，28（10）：132-133.4 孫帮勇，周世生.彩色复制中颜色信息传递算法的研究进展J.中国印刷与包装研究，2011，3（01）：1-5.5 郑毅.增强现实技术导论M.北京：国防工业出版社，2014：87-93. -全文完-
