Optica | 如何让颜色更真实——西湖大学仇旻团队提出一种对CIE颜色空间的数字编码和解码算法

论文导读

      近日，西湖大学仇旻讲席教授科研团队提出了一种对CIE颜色空间直接进行数字编码和解码的算法。该算法实现了对颜色光度量和色度量的独立操纵，提供了三维色域空间以及色域边界解析解的求解方法，为未来基于人眼感知的新型显示器件、数字图像视频文件、数字成像器件的实现提供了理论和实践依据。该研究成果以“Nonlinear Color Space Coded by Additive Digital Pulses”为题发表在国际顶尖学术期刊 Optica 上。该成果的第一作者是西湖大学与浙江大学2019届联合培养博士生唐妮，西湖大学工学院王纪永博士和仇旻讲席教授为共同通讯作者。

研究背景

      颜色是人类视觉系统对可见光光谱的感应和认知。正是有了这种感知，我们生活的世界才变得五彩缤纷。颜色对每个人的主观感受不尽相同，但却可以被定量地度量。国际照明委员会（CIE）早在1931年就颁布了基于标准观察者的颜色标准体系。在这种标准体系内，一种人眼感知的颜色被客观地定义为CIE颜色空间中的一个点坐标，即色坐标。在此基础上，随着计算机科学的发展，逐步形成了以器件三基色为基础的数字颜色空间，如RGB, CMYK，HSV等。数字颜色空间便于数字图像的编码与解码，却不利于颜色的真实再现。例如，同一帧数字图像放在不同显示器上，往往给人呈现出不同的视觉感受。同时，在发光、显示以及成像器件的设计、标定、出厂和校正过程中，无不需要在数字颜色空间和CIE颜色空间之间来回转换，给跨媒体适配、高动态范围设计带来了诸多不便。

技术突破

      研究人员建立了数字信号与CIE 1931xyY 颜色空间的一一映射关系，提出了直接对CIE颜色空间进行数字编码和解码的算法。并根据光度、色度、数字信号等物理约束条件，给出了三维色域空间的精确解析解，如图1（a）所示，为数码显示或成像器件的高动态范围设计提供了理论基础。

      研究人员首先对冷、暖色调两种LED光源进行混光以验证这种算法的有效性，如图1（b）所示。实验结果表明，该算法可以同时对照明光源的光度量和色度量进行精确调控。该光源可为隧道、海底、太空等特殊场合提供自然光照明，以改善长期作业人员的生物节律。同样地，该光源可广泛用于养殖业与智慧农业之中，调节灯光颜色以改变动植物的生长、代谢规律，最终达到提高农牧产品产量和质量的目的。

      研究人员还利用RGB三基色LED光源验证了该算法在全彩显示上的应用，如图1（c）所示。实验结果表明，利用该算法可实现色域空间内的任一颜色，色坐标误差可控制在小数点后四位。同时，利用该算法可以方便地把色度量与光度量进行分离操作，如在改变显示器亮度的同时其颜色不受影响。

      值得注意的是，这套算法不仅适用于LED光源，还适用于可数字控制的激光器。激光器由于其亮度高、单色性好等优势被广泛用于照明、显示以及科学研究领域。研究人员利用该算法控制一个RGB激光器的输出，可获得色域范围内任意颜色的扫描图像输出，如图1（d）所示。激光显示器的色域范围可扩展到整个CIE 1931色品图的71%，色坐标的调控可精确到千分之一，为小体积、高保真、宽色域的激光显示器件，如VR/AR眼镜微型投影仪提供了新的实现途径。

      研究人员还展示了利用可编程的RGB激光器进行颜色传感的验证实验，如图1（e）所示。直径（60-140 nm）不同的纳米颗粒经过彩色激光后，由于其等离激元共振吸收作用，光源颜色会发生改变。利用颜色上的这一细微变化，可推算出纳米颗粒的精确尺寸。此研究为实现微型的纳米颗粒传感器提供了崭新思路。

      该研究获得国家自然科学基金委员会青年项目（61905200）、仪器项目（61927820）以及国家重点研发计划（2017YFA0205700）支持。

观点评述

    “这项研究最大的意义在于它既有趣又有用，想象一下，未来我们可能会使用一个基于CIE光电探测器的照相机记录下生活瞬间，然后拍摄的图像会自动存储在一个后缀为CIE格式的图片文件，最后把它拷贝到电脑中使用一种CIE显示器进行完美复现，这无论对学术界还是产业界都无疑是一场变革。”西湖大学仇旻教授说道。

    “我们正在利用先进的纳米技术来缩小光电探测器的整体尺寸，并和人眼感光细胞的灵敏性曲线进行完美匹配，进而获得近乎人眼感知的人工视觉，还色盲、色弱患者一个多彩世界。”西湖大学仇旻科研团队王纪永博士补充道。

主要作者

      唐妮，西湖大学与浙江大学2019届联合培养博士生，从事色度学基础及应用方面的研究工作。

      王纪永，于2017年获得德国图宾根大学和法国特鲁瓦科技大学双博士学位。博士毕业后加入法国国家科学院卡诺交叉学科实验室从事博士后研究工作。并于2018年11月份加入西湖大学仇旻讲席教授团队，从事微纳光子学与光学工程交叉学科方面的研究工作。至今已经出版了英文专著1本，并以第一或通讯作者在Light: Science & Applications，Optica, Nanoscale等国际知名期刊上发表多篇研究论文，以项目负责人承担国家自然科学基金青年项目1项。

      仇旻，国家杰出青年基金获得者、国际电气和电子工程师协会会士（IEEE Fellow）、美国光学学会会士（OSA Fellow）和国际光学工程学会会士（SPIE Fellow）。1995年和1999年获浙江大学理学学士和凝聚态物理博士学位，并于2001年获得瑞典皇家工学院电磁理论工学博士。2001年被聘为瑞典皇家工学院助理教授，2005年晋升副教授，2009年晋升为光子学正教授。曾获“瑞典战略研究基金会”资助的“未来科研带头人”基金、瑞典国家科学研究基金会高级研究员专门基金等。2010年任浙江大学光电科学与工程学院教授，曾任浙江大学现代光学仪器国家重点实验室主任。现已全职加入西湖大学，受聘光学工程讲席教授。

• PhotoniX是中国光学工程学会新办会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编，拥有强大的国际编委和编辑团队。属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。PhotoniX主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

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