关于同色异谱的问题

1、问题背景

我们实验室内有两种灯箱,一种立式的 LED 灯箱,可以线性的调节色温和照度,色温调节范围是2000-10000k。另一种是柜式的CIE标准光源灯箱,有D75、D65、D50、TL84、CWF、A等几种光源可切换。之前调试时都是用立式的 led 灯箱去做 awb 的校准,但有遇到校准完后,用相同色温的柜式灯箱去测试,会有白平衡判不准导致的偏色问题,反之亦然。后面有了解到,是由于同色异谱导致的,本文主要就是讲解一下同色异谱的问题。

2、相关概念

同色异谱,顾名思义,就是色温相同,光谱却不同。相同色温下可以有多种光源,但一种光源只对应一种光谱,就如同人的指纹一样。比如 led 灯的6500k 和D65光源,色温都是6500k,但光谱是不同的,这就是同色异谱问题。

如下图所示,是几种光源的光谱图,也就是光源在380-780nm可见光波长内的响应频率。A光源是一个蓝很低,红很高的光谱特征,D50,D65的光谱比较平稳,一般是用作校正白平衡、shading的标准光源,F1是荧光灯光谱,蓝色的成分比较高,出来的颜色会偏蓝。

3、问题分析

之前有用同样的模组在 LED 光源及 标准光源灯箱下都做过色温的标定,标定出来的普朗克曲线如下图所示,从标定的曲线结果来看还是标准光源灯箱标定出来的比较符合一些,LED 光源下的普朗克曲线完全呈线性的了,所以建议有条件的还是使用标准光源的灯箱去标定白点会比较符合预期,因为我们一些色彩的标准都是基于CIE定义的标准光源来的。

从调试的结果来看,用标准光源来标定白点后,去LED 灯下去测,基本上5000k 色温以下就容易判不准了,具体如何调试还是得看 AWB 算法是如何区分同色异谱光源问题了,如上图中标定的 CWF光源和 TL84光源,对应色温分别是4150k 和 4000k是非常接近的,算法里一般的处理原理就是在主区域里另外扣出一个区域给 CWF,当大多数白点在这个特殊区域内时,那此区域就决定该图像色温。


4、标准光源

另外解释下什么是标准光源,简单来说,标准光源就是一种为了规范颜色检测的人工照明光源。

对于检测颜色的光源来说,比较理想的光源就是自然日光。人们长期在自然日光下生活和工作,眼睛在自然日光下就可以更加准确的分辨出不同产品外观色彩。传统的对色方式,也是在自然日光下进行目视观察。不过,随着工业化进程加快以及商业照明的普及,对色员就需要在不同的条件下准确的评定产品的颜色。为了保证在夜班时、阴雨天气情况下都可以准确的观测到货品的颜色,国际照明委员会(CIE)就推荐了颜色测量时统一的照明光源。

这就是我们在对色灯箱中使用的标准光源,如下是列举的一些标准光源,主要可以分为A、B、C、D、E、F等不同的类型。

在1931年时,CIE只规定了A、B、C三种标准照明体(标准照明体就是一种理想的照明环境,而标准光源就是实现这种照明条件的人工照明灯管、灯泡)。其中标准照明体A表示色温为2856K的完全辐射体的辐射能量,其色品坐标落在CIE1931色品图的黑体轨迹上;标准照明体B表示相关色温约为4874的直射日光,其色品坐标紧靠黑体轨迹;标准照明体C表示色温约为6774K的平均昼光,其色品坐标位于黑体轨迹下方。

随着照明技术的不断发展,为了弥补标准照明体B、C在紫外区的不足,就又规定了D系列标准照明体。这里的标准照明体D指的就是日光在各时相的相对光谱功率分布。不过标准照明体D系列是一个很大的范围,为了实际使用方便,CIE就在标准照明体D中推荐了几个特定的相对光谱功率分布,也就是我们常说的D65、D50、D75等等。

标准照明体E:将在可见光波段内光谱辐射功率为恒定值的光刺激定义为标准照明体E,亦称为等能光谱或等能白光。这是一种人为规定的光谱分布,实际中不存在这种光谱分布光源。

随着商业荧光灯的普及,为了满足商业领域日益凸显的对色需求,CIE就又推荐了F系列荧光光源。其中F1-F6为普通荧光灯(F2就是CWF光源)、F7-F9为高显色性荧光灯、F10-F12为三基色荧光灯(F11为 TL84光源),这也就是标准光源F的由来。

参考:

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