最小可觉色差(JNCD)对显示器的校准与规范制定至关重要,它最初源自麦克亚当椭圆(MacAdam Ellipses)。目前应用最广泛的规范是:1 JNCD 等于 0.004(或 0.0033)个 u'v' 单位,或 CIELAB 中的 2.3 个单位。

然而,过去的研究忽略了两个关键问题:

第一,使用不同 CMF(颜色匹配函数)计算得到的颜色或色度差异,其量级并不相同。正如我们先前的研究所示,在比较不同 CMF 的性能时,未经适当缩放计算的色度差异无法直接比较。

第二,基于 2° 视场刺激得出的 JNCD 值,被广泛假定同样适用于其他视场大小的刺激,而这一点从未得到系统性的研究验证。

我们的研究旨在回答三个问题:

1. JNCD 的定义是什么?

CIE TN 001 指出:“……其概念在任何标准或现有科学文献中都未被明确定义或普遍认可”,以及“……MacAdam 暗示 JNCD 约为三倍标准差……”。在分析心理物理实验数据时,常用四种方法:一倍标准差、三倍标准差、95% 置信区间和 50% 概率。因此,我们希望对 JNCD 给出清晰的定义。

2. 使用不同 CMF 时的 JNCD 规范

无论使用哪种 CMF,实践中都采用 0.004 u'v' 这一规范;该规范也被广泛用于比较不同 CMF 的性能。然而,更换 CMF 会改变色度图的尺度。因此,我们希望研究:当刺激使用每种 CMF 经过精心校准后,CMF 是否会影响 JNCD 的规范。

3. 非 2° 视场刺激的 JNCD 规范

MacAdam 实验中使用的刺激为 2° 视场,但 JNCD 规范却被广泛用于各种不同视场的刺激。在实践中,我们需要为更大的刺激(如 10°)制定 JNCD 规范。因此,我们希望研究 2° 与 10° 刺激是否应采用不同的 JNCD 规范。

不同 CMF 的尺度问题

为说明四种 CMF 确实具有不同的尺度,我们计算了两个相关色温相差 100K 的黑体辐射体之间的色度差 Δu'v',分别使用四种标准 CMF 计算,并以 CIE 1931 2° CMF 的计算结果为基准进行缩放。

四种标准 CMF 计算所得色度差异的不同尺度示意图
四种标准 CMF 计算所得色度差异的不同尺度示意图

可以观察到,四种 CMF 的尺度确实不同,且尺度还取决于具体的色度值。这意味着当我们使用不同 CMF 校准刺激时,JNCD 的规范可能需要重新审视。

实验

九名观察者(五男四女)完成了实验,年龄在 25 至 29 岁之间。经石原色觉测试,所有观察者色觉均正常。

观察者需要判断一对刺激之间是否存在色差,所有刺激均由一台 EIZO 显示器产生(这有助于排除光谱的影响)。我们选取了五种颜色(白、红、黄、绿、蓝)和两种视场(2° 和 10°)。每对刺激中,一个为参考刺激(色度固定),另一个为测试刺激。

观察者在两种不同视场下看到的刺激对
观察者看到的刺激对,两种视场(2° 和 10°)

测试刺激的色度使用四种标准 CIE CMF(CIE 1931 2°、CIE 1964 10°、CIE 2006 2°、CIE 2006 10°)精心校准,使其在 u'v' 色度图上围绕参考刺激的色度均匀分布,网格为 14 × 14,间距 0.0015 个 u'v' 单位。

使用不同 CMF 计算的刺激色度
使用不同 CMF 计算的刺激色度,网格呈现整体偏移

每名观察者共完成 2010 次判断(201 对刺激 × 5 个颜色中心 × 2 种视场),耗时约 1 小时。其中 5 对(共 196 对中)重复呈现两次,用于评估观察者自身的一致性。

结果与讨论

观察者自身与观察者之间的差异

观察者自身的差异基于重复判断进行评估:在 450 次重复判断中,有 380 次结果一致(84.4%)。观察者之间的差异显示,各观察者判断结果的一致比例在 82.49% 至 96.52% 之间,平均为 92.80%。

JNCD 椭圆的推导

我们沿用 MacAdam 与 Wyszecki 的方法,以被判定为“无色差”的测试刺激色度作为输入,拟合标准差椭圆和 95% 置信椭圆。

在高斯分布下:

  • 一倍标准差椭圆 = 39.35% 置信水平
  • 三倍标准差椭圆 = 98.89% 置信水平
  • 95% 置信椭圆 = 2.45 倍标准差
  • 50% 概率椭圆 = 1.18 倍标准差
一倍和三倍标准差椭圆以及 95% 置信椭圆
同一组输入数据的一倍与三倍标准差椭圆及 95% 置信椭圆示意图

在观察者完成判断后,我们分析数据并分别用四种方法推导 JNCD 椭圆,四种方法确实得出了大小不同的椭圆。

CMF、视场与颜色中心的影响

四种 CMF、五个颜色中心和两种视场下的一倍标准差椭圆
在 CIE 1976 u′v′ 色度图中,使用四种 CMF 为五个颜色中心和两种视场推导的一倍标准差椭圆(参考刺激色度已平移至原点)
四种 CMF、五个颜色中心和两种视场下的 50% 概率椭圆
在 CIE 1976 u′v′ 色度图中,使用四种 CMF 为五个颜色中心和两种视场推导的 50% 概率椭圆(参考刺激色度已平移至原点)

可以看出,对于每个颜色中心和视场,使用不同 CMF 推导出的椭圆在形状和大小上都非常接近。这是因为我们使用每种 CMF 对刺激进行了精心校准,而非简单地将同一组刺激用不同 CMF 分别计算。

值得注意的是,2° 视场的椭圆始终大于 10° 视场的椭圆,比例约为 1.4,这表明观察者在观看 10° 刺激时对色度差异更加敏感。

五个颜色中心的椭圆之间也存在一定差异。