孟塞尔颜色系统

孟塞尔颜色系统（共3篇）

孟塞尔颜色系统 篇1

摘要：基于岩石颜色描述特点,阐述颜色测量的基本原理、相关色度学内容及石油地质岩石颜色标准。以TCS230颜色传感器为基础,选用C照明体提供标准照明光源,及CY7C68013A为主控芯片的单片机设计控制器系统;采用漫反射积分球为几何观测条件,进行光电积分式测量和光电信号转换获取颜色信息;对RGB色彩空间与孟塞尔颜色系统进行转换后,将色样投影到RGB色彩空间上得到近似均匀划分的mRGB色彩空间;最终得到按照石油地质岩石颜色标准输出的颜色定量测量系统。实现了岩石颜色从定性到半定量分析,精确的颜色描述可以反映主要矿物类型和沉积环境,对野外地质工作具有重要的指导意义。

关键词：岩石颜色,C,照明体,TCS230,孟塞尔,mRGB

颜色是岩石重要的宏观特征之一,在地质工作中常需要观察描述岩石的颜色,从某种意义上颜色代表着岩石形成时的物质来源,沉积岩颜色不仅反映沉积环境以及气候变化条件,而且是作为分层、对比和推断古地理条件的重要标志之一[1,2,3]。当前地质工作中关于岩石颜色描述尚处于定性阶段,且颜色描述时无统一标准体系,关于颜色淡、浅区分及复杂色命名存在不规范。人对颜色的感知是光源、物体和观察者之间交互的结果,既与物体本身的分光特性有关,又取决于照明条件、观测条件、观察者的视觉特性等[4]。个体辨色能力及上述条件的差异是导致颜色描述分歧的主要原因,在地质学科发展日臻成熟的今天,对岩石颜色从定性描述向定量化表达显得非常有必要。在国内外学者相关研究成果基础上,参考各类颜色测量仪[5]测量原理、结构设计,结合岩石颜色的描述、人眼视觉特性,以及石油地质领域岩石颜色相关标准SY/T 5751,设计一套岩石颜色测量系统,旨在规范行业标准,指导野外地质工作开展。

1 颜色测量基本原理

颜色的实质,是人眼对来自可见光谱射能量刺激所引起的色知觉,所以颜色测量应基于眼睛视觉功能。1931年CIE(commission international de l’eclairage)规定了标准观察者的光谱三刺激值,从而奠定了颜色测量的基础[6,7]。颜色的测量分为光源色与物体色两大类[8],现讨论的是物体色的测量。ρ(λ)表示待测物对波长λ的光谱反射,S(λ)表示波长λ的光源光谱功率分布,三刺激值法是将待测物光谱反射曲线的高度与对应光谱域内每个波长(nm)的乘积,即ρ(λ)S(λ)曲线,表示从样品反射回来光源光谱的每个波长能量数量,称为颜色刺激函数,用φ(λ)表示。颜色刺激函数分别与标准观察者彩色视觉的光谱三刺激函数值X(λ)、Y(λ)、Z(λ)相乘,并在可见光谱内进行积分得到待测物体颜色的三刺激值[9]。测定颜色刺激函数φ(λ)后,根据色度学的三个基本方程求出待测颜色的CIE三刺激值X、Y、Z,并根据光电转换获取颜色信息。

式中:X、Y、Z分别是待测物CIE三刺激值,相当于模拟人眼三种(RGB)感光视锥体接收光的刺激;k为归化因数,λ为波长单位nm,φ(λ)为颜色刺激函数;珔X(λ)、珔Y(λ)、珔Z(λ)为标准观察者彩色视觉的光谱三刺激函数值。颜色测量方法中,优先考虑光电积分法[9,10],因为光电积分法测量速度快、成本低,具有一定精度,在工业领域广泛应用。测量精度必须使探测器光谱灵敏度满足卢瑟条件(Luther condition)[11],通常由一套专门带有红绿蓝的三个滤光片光电色度计,使整个系统模拟人眼三种感光视椎体X,Y,Z工作,通过转换不同的滤光片组合,把光的刺激强度转化为光电流输出,从而确定物体反射的颜色信息,用以下公式进行表示[9,12]:

式中:KX、KY、KZ为与波长无关的比例常数;S(λ)为仪器内部光源的光谱分布;SC(λ)为选定的标准照明体光谱分布;τx(λ),τy(λ),τz(λ)为特定滤光片的光谱透过率;γ(λ)为仪器探测器的相对光谱响应度;X10(λ),Y10(λ),Z10(λ)为选定的标准观察者的光谱三刺激值。

2 颜色测量系统

颜色测量系统由照明系统,颜色识别系统,数据处理系统组成,图1为颜色测量系统示意图。光电积分式仪器一般由照明单元、探测器单元、控制单元、输出单元组成[13]。根据美国地质协会(GSA)和美国地质调查局(USGS)规定,岩石颜色测量光源一般选用国际照明委员会(CIE)指定标准C照明体[14];综合考虑,探测器单元选用TCS230颜色传感器,控制单元选用CY7C68013A单片机,显示单元本文不作介绍。

2.1 照明光源

照明光源提供一定的光谱功率分布,通过测量物体反射的光谱功率强度分布获得物体颜色信息。参考美国地质协会(GSA)和美国地质调查局(USGS)标准及国内石油地质行业标准SY/T 5751与H.Van Aken[15]关于孟塞尔色标测量值采用的光源C的一致性,照明光源选择CIE推荐照明体C提供的标准光源[16]。标准照明体C具有相关色温为6 774 K平均日光的光谱功率分布,有接近阴天天空光的颜色[17],标准光源C由A光源和另一种杰布森·戴维斯液体滤光器构成[18],液体滤光器由C1、C2两层各为1 cm厚的液层组成,C1和C2装在透明玻璃槽中,其配方如表1所示。

2.2 TCS230颜色传感器

RGB颜色传感器的工作原理是将R、G、B三基色的滤光片覆盖于三个光电二极管的表面,然后对红、绿、蓝这三种光经同一透镜发射后被待测物体吸收或反射光的三刺激值进行检测识别,从而获得精度较高的颜色信息[19,20]。如图2所示,TCS230是一款由美国TAOS公司推出常用、性能稳定的RGB颜色传感器,具有可编程、分辨率高、由彩色光到频率转换、单电源供电等特点;实现与微处理器直接连接,数字化输出特点。单彩色信道具有10位以上的转换精度,不需要A/D转换电路,使电路变得更简单[21,22]。其工作原理是:选定某一颜色滤波器时,只允许某种特定的原色通过,其他原色不能通过。比如,当转换到红色滤波器时,入射光中仅允许红色可以通过,蓝色和绿色均被阻止,从而获得红色光谱信息和刺激值;同理,选择蓝或者绿色滤波器时可测定蓝色或绿色光谱信息和刺激值。通过光电转换,记录相应的值,进行三刺激值匹配光谱函数就能获取传感器接收到的颜色信息。此外,为保证测量结果的准确性,使用TCS230颜色传感器前在避免外界光线条件下,应进行白平衡调整[23,24]。

2.3 单片机

现代颜色测量仪器的发展趋势是小型化便携式仪器[26],选用单片机作为微控制系统优选考虑性价比。结合实际应用选择赛普拉斯(Cypress)公司的CY7C68013A作为主控芯片的微控制器系统,该公司为它配备了较为完备的开发工具包CY3684,包括带128引脚的CY7C68013A芯片的硬件开发板和相应的控制面板。GPIF代码自动生成软件以及参考设计包CY46ll B等,对本论文的研究提供了很大方便[27]。该芯片具有和8051兼容的CPU和指令系统[28],工作电压为3.3 V且功耗低,可由总线直接供电。通过单片集成USB2.0收发器、智能串行接口引擎SIE、增强型8051微处理器以及可编程的外设接口,无需外加芯片就可完成高速USB传输,节省了电路板的空间资源。

2.4 测量条件

1971年CIE正式推荐了四种用于反射样品测量的标准照明与几何观察条件[9],参考徐海松[29],吴继宗等[30]测色系统几何观测条件设计,以及照明光源C是具有平均日光的光谱功率分布,优先采用(1)垂直/漫射(符号为0/d)或(2)漫射/垂直(符号为d/0)的测量条件。根据光电积分测色原理,将光源-滤光片-光电池组合模拟成总光谱来匹配CIE标准色度观察者三刺激曲线,从而对样品颜色进行测量[31]。

如图3,符号为(0/d)表示样品反射的辐射通量用积分球收集,符号为(d/0)表示通过积分球漫射照明样品。但两种方式的照明光束的光轴和样品法线之间的夹角均不超过10°,照明光束的任一光线与其光轴之间的夹角不能超过5°,任意选择积分球的直径,但其开孔总面积应小于积分球总表面积的10%。

3 RGB色彩空间与孟塞尔颜色系统

RGB模式[33]利用有序三元数(r,g,b)的集合表示,主要应用于电子设备。即:RGB模式={(r,g,b)|0≤r≤255,0≤g≤255,0≤b≤255}。因为不同显示器的基色与另一设备的显示器的基色是不同的,所以CIE对不同标准RGB色彩空间进行了标准化规定,即规定了显示设备的颜色属性的基元,称之为标准sRGB色彩空间。由于人不可能像计算机一样描述颜色时通过三组数据抽象化表达,而是注重感官语言描述,所以对来自物体的反射色与照明体的光源色,这两种不同颜色属性的表达必须借助孟赛尔颜色系统实现。

孟塞尔颜色系统[34]是一个国际上许多标准公认的特殊颜色系统,广泛应用于视觉和艺术绘画领域。20世纪初,H Arbert.教授[35]建立一个有序系统准确识别人眼可见的每一个颜色,实现颜色表达由定性向定量化发展,孟赛尔颜色系统正是基于类似于人眼视觉系统颜色“等距感知原则”的有序性而建立,美国地质学会岩石颜色表[36]正是采用了孟塞尔命名方法。它将颜色分成三个颜色属性:色相(hue)、明度值(value)、彩度值(chroma),色相由0~10之间的数字加在十个色相前缀表示,R、YR、Y、GY、G、BG、B、PB、P、RP,总共有100种色相。明度值表述一个颜色的明暗程度,由0~10之间的数字表示,0为纯黑,10为纯白。彩度从0开始,与拥有相同色相和明度值的灰色相比,随着颜色饱和度增加而增加。孟塞尔标记方法为HV/C,中性色由N和明度值数字(0~9)表示,N0表示黑色,N9表示浅灰色。每一个色相和明度值向外延都有一个可能不同的最大彩度值,称之为麦克亚当极限(Mac Adam limit)。

尽管两个颜色体系描述光源性质和应用领域不同,但是对于人的眼睛来说,并不总是能够分辨清楚到底是光源色还是物体色产生的刺激,正是这种人眼辨别能力的模糊性为原本描述物体色的孟塞尔颜色系统与描述光源色的RGB颜色系统之间的转换成为一种可能。国际标准照明委员会CIE将RGB数值信号通过CIE1931颜色系统和CIE1976L*a*b*颜色系统转换为孟赛尔颜色系统[37]。需要注意的是,实际C照明体下孟塞尔色标转换过程中,为使RGB设备显示的颜色与孟塞尔颜色相一致,应该满足下列条件:(1)显示设备必须是经过校正后的标准刻度;(2)环境照明条件为C照明体漫射产生接近阴天日光强度水平。

4 输出结果及应用

H.Van Aken[15]对增加后在C照明体下获得2 349个孟塞尔色样的HV/C值与RGB值进行转换,获得具体的孟塞尔色样与对应的RGB值。陈可为,等[38]根据岩石颜色描述特点,参考H.Van Aken测试结果,以及野外地质工作中岩石颜色描述积累经验,一共选取112种孟塞尔颜色作为常用岩石标准颜色,制定了RGB颜色系统与SY/T 5751石油地质岩石颜色标准。由于岩石颜色在自然光线条件下,大多呈现的色彩为低彩度、偏暗色,加上测试湿岩石标本会降低其明度值,使其岩石变得更深、更暗,因此这112种颜色尽可能的纳入、使用更多的暗色调,使其能够覆盖湿标本和干标本[14]。将孟塞尔色样对应的RGB值投射到RGB色彩空间上,称之为mRGB(munsell RGB)色彩空间。这些色样值是在修正后的1943年孟塞尔新表系统获得,在视觉上更接近等距原则。

如图4,蓝色点表示mRGB色彩空间中2 349个孟塞尔色样,呈现不规则的扁椭球柱状分布。轴为正方形体对角线,中性色分布在体对角线上。红色的点表示实际岩样颜色测量结果。RGB色彩空间一共可以表示2563=16 777 216种颜色,而投射后的mRGB色彩空间只有2 349个点有具体孟塞尔HV/C值及名称。mRGB色彩空间以每一个孟塞尔色样的RGB值代表划分后小色块空间的颜色。如下式,通过色差原则计算,当测出的RGB值落入这个小色块空间内时,输出对应这个小色块空间点的孟塞尔色样RGB值、颜色名称、颜色代码。

式中:ΔC为色差,Ri、Gi、Bi为这2 349个孟塞尔色样值,R0,G0,B0为岩样测试结果的RGB值。

如表2所示,选取10个沉积岩不同岩性样品在室温条件下进行颜色测量的结果。岩样测试规格为d*h=2.0 cm*2.5 cm,测量前进行白平衡调整,误差校正,测量结果精度相对较高。测出岩样的RGB值及相应的孟赛尔代码和颜色名称,其中,有7个岩样颜色测量结果属于SY/T 5751范围内,验证了岩石颜色标准选取的合理性与适用性。

实际上,岩石颜色测试结果大部分值属于SY/T5751石油地质岩石颜色规定的标准之内。因为这些颜色样品的选取是经过大量实际地质工作中对岩石颜色描述的经验积累,涵盖岩石颜色描述时所能用到的绝大部分颜色。即使个别测试不在范围内,也可以根据输出的RGB值以及相对应的孟塞尔色样判断。因此,有以下两种输出结果:

(1)当测得岩石颜色值属于SY/T5751标准内的112种颜色范围时,输出相应的颜色名称,及色样、RGB值。

(2)当测得岩石颜色值不属于SY/T5751标准内的112种颜色范围时,只输出相应孟塞尔代码、色样、RGB值。

孟塞尔颜色系统在岩石颜色方面有重要的应用,Chris Jenkins通过对照孟赛尔颜色代码和岩石颜色表,利用软件处理大量GIS遥感图数据,分析了美国东海岸沉积相带颜色,在反映现代海洋沉积相及沉积环境变化[39],Rossel通过分析利用孟塞尔颜色系统分析土壤薄片的颜色,建立颜色与有机碳含量之间关系,取得了较好的应用效果[40]。

岩石样本颜色经上述由定性到半定量分析,对颜色的描述更加准确和规范,可以指导野外地质工作有序开展。尤其在沉积岩颜色判别中较好的应用,因为颜色可以反映岩石的主要矿物类型及沉积环境。如白色一般不含色素,纯碳酸盐、盐岩、石英砂岩、高岭土、蛋白石等;灰色、黑色,由于含有机质(炭质及沥青)或者硫化物,其含量越高颜色越深,说明沉积环境还原性越强。红色、棕色、褐色,由于含铁的氧化物或氢氧化物,表明沉积环境处于炎热干旱的氧化及强氧化条件;绿色,灰绿色,则是含Fe2+和Fe3+硅酸盐矿物(海绿石、绿泥石)代表弱的氧化或还原条件,也可能是含有绿帘石和角闪石矿物;蓝色、青色则是硬石膏、天青石等特有岩石。通过对不同地区、不同类型的岩石样本颜色与主要矿物类型及沉积环境建立起对应关系,对今后野外地质工作岩石颜色观察,判断沉积环境、对有利找矿地段具有指导意义。

5 结论

(1)阐述相关颜色测量原理,利用三刺激值法采用光电积分式测量并进行光电转换,将光电探测器的光谱响应匹配成所要求的CIE标准色度观察者光谱三刺激值曲线,从而对探测器接收到的来自被测颜色的光谱能量进行积分测量,获取颜色信息。

(2)介绍岩石颜色测量系统中标准照明光源C的选取方法、颜色传感器TCS230工作原理、单片机的选择及工作原理特性、以及采用相应的垂直漫射的几何测量条件。

(3)对比RGB色彩空间与孟塞尔系统的特点与区别,并根据岩石颜色色样特点,将2 349个孟塞尔色样值投影到RGB色彩空间得到近似均匀mRGB色彩空间。最后结果两种输出方式,若对应颜色在112种标准颜色内,输出SY/T 5751石油地质岩石颜色名称及代码的行业标准输出;若不属于112中颜色内,则输出相应的孟塞尔代码、色样及其颜色信息。

(4)实现岩石颜色从定性到半定量分析后,精确的岩石颜色描述可以反映主要矿物类型和沉积环境,对野外地质工作具有非常重要的指导意义。

孟塞尔颜色系统 篇2

关键词：舌诊,孟塞尔颜色系统,标准化,MySQL,舌色标定系统

0 引言

舌诊为中医望诊的重要的部分之一,通过舌头的颜色、形状、大小等特征,可以了解人体的内部状态,其中最主要的就是对舌色的识别和判断[1]。中医对舌色的研究,基本都是建立在医生个人的观察、分析、总结的基础上,描述方式主要为文字语言[2],感觉器官和语言描述的差异,严重影响了舌色的客观性。同时,选择与设备相关的颜色空间,舌象在各设备间传递时会失真,降低了舌色的重复性和可靠性。以上状况已经严重阻碍了舌色研究的发展。为了使舌色研究能够获得一个标准化、客观化的功能表述环境,结合数据库、色度学等技术研究舌诊自动化的方法就具有重要的理论意义和实际价值。因此本文采用国际上通用的孟塞尔颜色系统对舌色诊断进行标准化研究。

1 孟塞尔颜色系统

孟塞尔表色体系主要用来对颜色分类和标定,是根据人对颜色的视觉特点制定的。设计模型是一个不规则的球体,类似于地球仪,主要通过色调、明度、饱和度这三个量来表示各种颜色。如图1所示,模型的中央轴代表孟塞尔明度值,从底部的黑色0到顶部的白色11依次增加;模型上每个点到中央轴的距离代表孟塞尔饱和度;整个模型在水平方向的投影类似一个圆,把这个投影平均分成10份,每份代表一种孟塞尔色调,分别是红(R)、黄(Y)、绿(G)、蓝(B)、紫(P)、……紫蓝(RP)等,每2种色调间还有详细的划分[3,4]。

孟塞尔表色体系用色调H、明度V、饱和度C三个值来表征颜色,因此舌色通过孟塞尔表色系统标定后,可以方便直观地分析舌色的色调、明度、饱和度特性,并且孟塞尔表色体系在国际上使用广泛,其图册具有准确性和权威性,因此舌色在孟塞尔颜色空间标定后,可以在任何设备间实现准确传递而不致发生失真。

2 孟塞尔标号的转换

确定舌色孟塞尔标号H V/C,传统的方法是人工图表法,先计算出明度值,再根据CIE的x和y 2个刺激值在CIE色度图查找明度值相邻2个平面的孟塞尔标号进行线性内插得到实际孟塞尔标号[5]。本文结合My SQL数据库的查找法来确定孟塞尔标号。Newhall[6]等人建立的CIE与孟塞尔颜色空间的转换表给用计算机来实现二者的转换奠定了一个数据基础,研究时只需要建立一个数据库,再通过计算机程序来实现二者的转换。

2.1 舌色RGB空间到CIE-XYZ颜色空间的转换

目前大多数的数字图像采集设备和显示设备均是采用RGB颜色系统,得到的舌色基本也都是RGB格式,但查找法是建立在CIE与孟塞尔颜色空间的转换表的基础上,这就需要把舌色数据转换到CIE-XYZ颜色空间,计算出Yxy三刺激值,为转换到孟塞尔空间打下基础。本文不再叙述转换公式。

2.2 数据库的建立

经过已有的实验研究,结合舌象舌色特征,可以发现在孟塞尔颜色系统中,舌色基本都与R色调有关且饱和度均在4以上。所以本文在数据库中只需建立转换表中色调与R有关的数据即可,减少了查找量,简化查找法,实时性更好。

2.3 孟塞尔标号的确定

在确定孟塞尔标号的过程中,首先通过CIE的Y值计算出孟塞尔明度值V。由于Y与V的关系公式[6]在计算过程中较复杂,所以本文采用CIE的立方根公式[7]来计算明度值V:

式(1)中,W*为CIE均匀颜色空间的明度指数,W*/10与孟塞尔明度V的值一致。在确定明度值V后,只需要在数据库中根据x和y的值查找出该明度值相邻两边明度V-1,V+1下各自的色相H和饱和度C,做线性内插就可得到实际的色调H和饱和度C。

数据库中查找x,y对应的孟塞尔标号时,由于数据库不可能存放所有的点,所以只能找出离x,y最近的4个点,做线性内插求出孟塞尔标号。如图2所示,其中P1为x,y对应的点;A,B,C,D为离P1最近的4个点,具体对应的孟塞尔标号可以从数据库中查出;等色调线H1,H2和等饱和度线C1,C2都近似为直线;O点为白色,坐标为(0.310 1,0.316 3)。等饱和度C1的直线方程公式如下:

P1点的等色调近似线为OF,方程如下:

联立(2)、(3)式就可得到G点的坐标,同理可得到F点的坐标,以此得到等饱和度内插系数λC和等色调内插系数λH:

那么P1点的色调H和饱和度C就可以用下面的插值公式求得:

同理,通过明度V+1平面的色调和饱和度插值可以求出P2点的色调HP2和饱和度CP2值。最后在对V-1,V+1这2个平面进行线性内插得到最终P点的色调HP和饱和度CP,公式如下:

最终,即可确定舌色的孟塞尔标号为HPV/CP。

3 实验测试和结果分析

经过实验统计和已有经验总结,发现舌色的色调H在5R左右,明度值V在6左右,所以研究中结合舌色范围随机选取7个样本,如表1所示,通过图表法求出孟塞尔标号,作为标准值与本文的方法进行误差比较。

在表1中可以发现,本文软件转换的结果和人工图表法的差值较小,说明本文的转换方法可行、精度较高、实时性也较好,证明了其优越性。

根据本文研究的方法,采用Qt结合My SQL数据库设计了一个自动转换软件,如图3所示。鼠标左键在舌象中选取舌色点,在右边会自动显示出预览舌色、RGB、CIE-XYZ、CIE-Yxy、孟塞尔标号。这样可以方便观察舌色的色调,明度和饱和度变化,为舌色诊断提供数据说明。通过得到的孟塞尔标号可以把舌象在各种显示设备间传递而不失真,为舌色的标准化做出了贡献。

4 结束语

传统的舌诊中,舌色的识别会因人而异,且舌图像在不同设备间传输也会有所失真,所以本文提出利用孟塞尔颜色系统使舌色达到统一化、标准化。本文根据舌色的实验统计和前辈的经验得出舌色明度值的范围在6左右,色调范围在5R左右,并以此范围建立My SQL数据库作为查找法的数据基础,给出舌色转换到孟塞尔标号的详细方法,并设计了舌色标定系统软件,用传统的图表法作为标准验证了本文的方法具有可行性、精确性和实时性,说明用孟塞尔颜色系统标定舌色达到标准化确实可行,为舌色的标准化研究做出了贡献。

参考文献

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孟塞尔颜色系统 篇3

FM100 孟塞尔色觉测试是由美国心理学家Farnsworth于1943 年根据呈色原理,选取标准Mun-sell色系研发而成的一种色觉检查方法,该方法测试准确、有效。1949 年,第一台FM100 孟塞尔色觉测试仪问世(以下简称“FM100 色觉仪”)。此后,其应用范围不断扩展。国外一些学者已将该技术在眼科疾病中进行推广,为判别多种眼科疾患及药物疗效提供了准确而实用的检测方法。

FM100 色觉仪要求被试者按照颜色变化的顺序排列4 组色棋,通过排序结果反映其对颜色的辨别力,得分越高,辨色力越差,得分轴的方向反映受试者色觉缺陷的类型。该测试仪灵敏度极高[1],也可判断正常人对颜色分辨力及其色觉的变化[2]。近年来,随着各种色觉检测技术的不断出现,FM100 色觉仪检测时间长、记录及分析复杂等局限性逐渐凸显,已不适用于现在高效的检测工作。目前,FM100 色觉仪主要用于实验室研究。

FM100 孟塞尔色觉测试系统(以下简称“FM100色觉系统”)依据Farnsworth色系的85 种色调的变化进行色觉检测的原理,采用Java语言编制而成。该系统模拟FM100 色觉仪的操作环境,应用计算机程序分析测试结果。研究结果表明,FM100 色觉系统不仅操作简单,携带方便,结果分析简单,而且测试准确性高,检测时间短,有利于提高色觉的检测效率和水平。

1 机制及原理

1.1 颜色的基本特征

颜色具有3 种属性,按照心理学概念分别称为色调、明度及饱和度。色调是正常人分辨颜色的主要特征,其决定于波长,有颜色的物体通过反射特定波长的光线进入人眼而使人看到该物体的色调。明度即亮度,取决于入射光的强度,入射光愈强,其亮度愈亮。饱和度亦即纯度,指某种色调的表现程度,含白光越多越不饱和。

1.2 孟塞尔色系

孟塞尔色系由Munsell创立。通过应用一个三维球体模型来表示颜色的基本特征,模型中的每一个点均代表某种特定的颜色。国际上已广泛采用此模型来标定及描述颜色。

在孟塞尔球体空间中,中心轴和水平轴分别代表颜色的明度和饱和度,中心轴最底部为黑色,最顶部为白色。饱和度由中心向两边逐渐升高,立体水平剖面的各个方向代表各种颜色,可分为10 种色调(含5种主色调和5 种中间色调),分别为红(R)、黄(Y)、绿(G)、蓝(B)、紫(P)、黄红(YR)、绿黄(GY)、蓝绿(BG)、紫蓝(PB)、红紫(RP)。为了对颜色进行更详细的划分,每种色调又被划分为10 个等级,共形成100种色调。其后,Farnsworth根据大量实验研究剔除了15 种容易被正常人混淆的色调,形成了现在的85 种色调的颜色系统。这85 种色调在明度和饱和度上基本相等,但是色调呈现规律变化。Farnsworth以国际照明委员会标准观察图为依据,设计出了一个透视转换图,而这85 种色调在此形成一个色环,色环中各个色调的差异非常接近正常人所能区别的最小差异。经过大量的人群测验,正常人与色觉缺陷者在某些色调的排列上有明显的差异,从而为判别色觉缺陷提供了一种定性及定量的检测方法。本研究应用此原理,通过模拟FM100 色觉仪的测试环境,设计出FM100 色觉系统,进而对色觉进行定性和定量检测。

2 功能定位

通过对FM100 色觉系统的研究,为今后色觉检测提供一种简单、易行、可靠的方法,其主要功能包括:

(1)色觉相关职业录取前的体检。色觉相关职业要求员工具备正常的颜色识别能力,国内目前普遍使用色盲本进行筛查,但其可靠性已经受到质疑。FM100 色觉系统可以快速、准确地检测出辨色力,进而判断其色觉能力是否正常,从而为色觉的检测提供依据及参考。

(2)对色彩品管行业人员色觉能力进行检测,以判断是否满足职业要求。色彩品管行业人员必须具备较强的颜色辨别能力,以区分出细微的颜色变化。应用FM100 色觉系统对工作人员进行检测,定量得出其辨色力的强弱,从而可以筛选出满足工作需要的人员。

(3)在医学领域为某些眼病的早期诊断提供依据及检测某些医疗技术的有效性。应用FM100 色觉系统可以对眼科临床上疾病进行早期诊断,如依据色棋的排序变化对青光眼患者的早期发现提供依据;观察糖尿病患者及球后神经炎患者色觉的变化,以判断临床医疗技术的有效性或毒副作用等。

(4)用于分析与辨色能力的相关研究。对于某些心理学研究,如分析饮酒、疲劳等行为对颜色的识别能力的影响,探索识别某些行为更灵敏的检测方法。FM100 色觉系统可以快速地分析结果,使研究分析简单、准确。

(5)检测其他新型色觉检测方法的可靠性。FM100色觉仪作为对色觉进行定量检查的标准,而FM100色觉系统可以达到与FM100 色觉仪同样的测试结果,且操作简单,因而可以对其他新型色觉检测方法的准确性进行检验。

3 系统的设计要点

FM100 色觉系统的设计分为3 个部分:(1)确定孟塞尔93 种颜色的HSB值,即色度(hues,H)、饱和度(saturation,S)、亮度(brightness,B),并模拟FM100 色觉仪的测试环境。根据Farnsworth色系检测色觉的原理,测量93 种色棋的HSB值,其色度值相差2 个单位,明度及饱和度(5/5)相等,在孟塞尔色系中形成一个环状图,以定量区分出正常人和色觉缺陷者。操作过程中,该部分遵照FM100 色觉仪中色棋随机摆放的原则设计,同时实现测试过程中色棋顺序的随意调整及色棋的自动移位。被试者根据个人对颜色的分辨能力完成一组色棋的排序后,依次完成后续3 组测试,全部完成后提交结果(如图1 所示)。(2)编制计分程序及记录测试总时间。色棋的计分原则:每一个色棋的基础得分为2 分,其错误得分等于相邻色棋顺序差之和加上其基础分,总得分为所有色棋的总错误分之和与总基础分之差,是被试者测试的最终成绩。依据以上色棋的计分原则编制该系统的结果及记录测试的总时间程序。(3)输出测试结果。测试结果包括量性及质性结果,量性结果为受试者的总得分,根据得分的多少判断被试的辨色力,用以描述其辨色能力的强弱程度;质性结果为93 种色棋的得分绘制的结果图,依据得分轴的方向判断色觉缺陷的类型,以达到对色觉的定性检测。

4 系统的应用

4.1 实验条件

FM100 色觉仪检测采用标准光源箱的D65 标准光源,入射角度为90°,受试者观测角度为60°。FM 100色觉系统测试采用专业的显示器,该显示器的色准(显示器色彩的准确性,越是拥有高色准的显示器存在的色差就越小,更能真实还原色彩)<3,色域(色彩空间,代表了一个色彩影像所能表现R、G、B三原色色彩空间的具体情况的模型,色域越广,能显示颜色的种类越多)达到标准色彩的99%。

4.2 实验对象

选取某军校学员30 例,年龄20~25(22.4±1.46)岁,视力或矫正视力在1.0 以上,经俞自萍色盲本(第5 版)检测均为正常,测试前2 h内受试者均处于安静状态。

4.3 实验方法

30 名学员依次进行2 项测试,每项测试时间限定在12 min内,对未按时完成者进行提醒而不要求终止,2 项测试方法间隔10 min,其先后顺序随机选择。

4.4 实验结果

4.4.1 FM100 色觉仪与FM100 色觉系统结果分析

测试结果显示,FM100 色觉系统的测试得分与FM100 色觉仪一致,二者之间无统计学差异(P >0.05),FM100 色觉系统的检测时间明显少于FM100色觉仪的检测时间,有统计学差异(P=0.001)(见表1)。FM100 色觉仪在男、女性之间的得分结果无统计学差异(P>0.05),而FM100 色觉系统显示女性的辨色能力高于男性(P<0.05)。男性及女性在FM100 色觉系统和FM100 色觉仪之间的测试时间无统计学差异(P>0.05)(见表2)。

4.4.2 FM100 色觉仪与FM100 色觉系统得分之间的相关性分析

对FM100 色觉仪与FM100 色觉系统的得分进行Pearson相关性分析,结果显示:二者得分呈显著正相关,相关性系数r=0.848,有统计学意义(P=0.001)。

注:*表示P<0.05

注:*表示P<0.05

4.4.3 FM100 色觉仪与FM100 色觉系统得分之间的回归分析

以FM100 色觉仪得分为因变量(Y),以FM100色觉系统得分为自变量(X),进行逐步线性回归分析。结果发现,变量系数r2=0.719,对方程检验,F=71.512,P<0.001,差异有统计学意义。建立线性回归方程模型为Y=0.955X+0.253,其回归图如图2 所示。

5 讨论

色觉检测对健康体检、医疗诊断、科研工作及色觉相关人员筛查具有重要的意义[3]。目前,色觉检测的方法主要有色觉检查图(假同色图)、色盲镜、色相排列法(FM100 色调检查法和Panel-15 测试法)及色灯检查法等。各种方法有其优点,但同时也存在局限性。

FM100 色调检查法作为一种检查辨色力的方法,不仅可用于判断先天性色觉障碍的程度和类型,同时对后天性色觉缺陷的检出也极为重要[4]。Bayer等[5]在应用FM100 色觉法检查癫痫类药物引起的早期色觉障碍的研究中,认为该方法是发现早期色觉障碍的有效方法。Vanhoorne等[6]采用FM100色觉检查方法检测出非二硫化碳接触组工人的色觉得分为76.1,显著低于接触组的102。流行病学研究发现,各类疾病[7]、药物、化学物的接触(如石油[8])、吸烟[9]等均可引起获得性色觉损伤,需要早期发现和预防,若能充分使用FM100 色觉检查法,将对及早发现疾病、早期预防疾病、研究有毒物的作用机理提供参考资料。

但是,FM100 色觉仪操作复杂、检测时间长、携带不方便等缺点不利于其广泛应用。此外,长期应用,外部环境的光照、水分等都会引起其色棋色调的变化,影响测试结果。

在本研究中,对FM100 色觉系统与FM100 色觉仪的测试结果进行分析,结果显示,二者测试结果一致,得分无统计学差异(P>0.05),表明二者对正常人辨色能力的测试效果等同。通过Pearson相关性分析表明,二者得分呈显著正相关(r=0.848),进一步说明2 种测试的得分结果在变化趋势上呈现一致性。采用回归分析得出线性回归方程为Y=0.955X+0.253,依据回归方程,通过FM100 色觉程序的得分结果可以预测FM100 色觉仪的结果,有利于2 种测试方法结果的相互转化,简化FM100色觉仪的计算过程。

此外,FM100 色觉系统较FM100 色觉仪明显缩短了测试时间(P<0.001),提高了色觉的测试效率。在男、女的对比分析中,男、女的测试时间在FM100色觉系统无统计学差异,与FM100 色觉仪的结果一致。而FM100 色觉系统的得分显示男、女性存在差异,与Dain等[10]在白种人与黄种人的辨色力研究中报道的男、女得分结果无显著性差异不符,可能与本研究中研究对象女性样本量少有关。本研究通过比较FM100 色觉系统与FM100 色觉仪在色觉能力得分及男、女各方面的差异,结果表明FM100 色觉系统在色觉检测中与FM100 色觉仪的结果一致,其不仅克服了FM100 色觉仪使用的局限性,同时提高了色觉的检测效率。在色觉检测中,FM100 色觉系统可以代替FM100 色觉仪的使用。

根据职业健康体检统计,按照《色盲检查图》进行色觉定性检查,有1.85%色觉异常者需调离自己的工作岗位,这使得用人单位对色觉异常者的安置面临困境。此外,曾晓明等[11]在一例51 岁外籍色盲飞行员的研究中,认为在飞行员色觉体检中,不应将色觉缺陷简单分为色盲和色弱,需要一种定量的检测方法对其色觉进行划分。应用FM100 色觉仪根据色觉缺陷的程度给不同人群提供一个合适的工作岗位,既解决了人力资源的有效利用问题,同时也保证了色觉相关工作的安全性。

FM100 色觉系统的出现,不仅克服了FM100 色觉仪的缺陷,同时其快速、准确、方便等特点有利于优化色觉相关测试的流程,提高了测试的效率和水平。陈建卓等[12]研发出了一套计算机眼科检查系统,该系统通过色度调整使软件图案与传统色盲图达到一致以检测色觉缺陷,但该系统不能对色觉进行定量检测。

随着现代计算机技术的普及,FM100 色觉系统在色觉检测中将得到广泛应用。但由于本系统研究对计算机显示器要求的局限性,还需要后续的研究继续探索其测试结果与一般计算机显示器的差异,以便为该系统的进一步普及应用奠定基础。

摘要：目的:设计一套FM100孟塞尔色觉测试系统,并探讨该系统与FM100孟塞尔色觉测试仪的差异性。方法:首先,确定FM100孟塞尔色觉测试系统93种色调的色度、饱和度、亮度(HSB)值,并依据FM100孟塞尔色觉测试仪的原理,模拟其测试环境;其次,根据计分方法,编制得分程序并输出结果图;最后,通过对比性研究分析FM100孟塞尔色觉测试系统与FM100孟塞尔色觉测试仪结果的差异性。结果:FM100孟塞尔色觉测试系统成功地模拟了FM100孟塞尔色觉测试仪的测试环境,其测试结果统计准确且快速,二者的测试结果无统计学差异(得分分别为14.13±13.151和14.53±11.673,P>0.05),但FM100孟塞尔色觉测试系统明显缩短了测试的时间,测试时间分别为(13.23±2.775)和(11.34±2.234)min,P<0.05。结论:在色觉检测中,FM100孟塞尔色觉测试系统可以代替FM100孟塞尔色觉测试仪的使用,且提高了检测的效率及水平。

关键词：孟塞尔色觉测试仪,色觉检测,辨色能力

参考文献

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[2]Mantyjarvi M.Normal test scores in the Farnsworth-Munsell100 hue test[J].Doc Ophthalmol,2001,102(1):73-80.

[3]曾晓明,蒙昌亮.Panel D-15检查法在招收飞行学员中的应用[J].国际眼科杂志,2013,13(9):1 933-1 934.

[4]汪春红.FM100-HUE色觉检查在职业医学中的应用[J].职业医学,1998,25(6):50-51.

[5]Bayer A U,Thiel H J,Zrenner E,et al.Color vision tests for early detection of antiepileptic drug toxicity[J].Neurology,1997,48(5):1 394-1397.

[6]Vanhoorne M,de Rouck A,Bacquer D.Epidemiological study of the systemic ophthalmological effects of carbon disulfide[J].Arch Environ Health,1996,51(3):181-188.

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[9]Bimler D,Kirkland J.Multidimensional scaling of D15 caps:color-vision defects among tobacco smokers[J].Vis Neurosci,2004,21(3):445-448.

[10]Dain S J,Cassimaty V T,Psarakis D T.Differences in FM100-Hue test performance related to iris colour may be due to pupil size as well as presumed amounts of macular pigmentation[J].Clin Exp Optom,2004,87(4-5):322-325.

[11]曾晓明,徐秉兴,麦英全.大体检发现外籍飞行员患先天性红绿色盲一例[J].中华航空航天医学杂志,2004,15(2):125.