色差儀總色差計算方法

⑴ 色差的色差儀

色差儀廣泛用於塑膠及印刷等行業，主要根據CIE色空間的Lab，Lch原理，測量顯示出樣品與被測樣品的色差△E以及△Lab值。 1.1 本業界標准包括了兩個不透明樣本間（如烤漆板，不透明塑膠,紡織品樣本等）的色寬容度和微小色差的計算。它基於採用日光光源的用儀器測量的顏色坐標系。考慮到所測樣本可能是同色異譜，通過視覺相似的顏色佔有不同的光譜曲線，所以業界標准D4086用於證明儀器測量結果。由這些程序測定的容差和差值根據CIE1976CIELAB對顏色空間中近似一致的顏色感覺表達，如CMC的容度單位,CIE-94的容度單位,，由DIN6167給出的DIN99色差公式,或新的CIEDE2000色差單位.基於Hunter的LH, aH ,bH相反顏色空間的色差，或Friele-MacAdam-Chickering(FMC-2)顏色空間的色差，不再推薦用於工業標准。
1.2 為了產品的規范,買方和賣方應就樣品和參考樣之間容許的色差以及計算色寬容度的程序達成一致。每種材料和每次使用的測試條件都需要明確的色寬容度，因為其他外觀因素(例如樣本的相近,光澤,質地)可能影響測量色差數據之間的相關性和商業接受性。
1.3 本標准沒有聲稱包含所有安全因素，即便要，也須結合它的使用。本標准使用者有責任建立合適的安全和健康條件並注意適當的調整使用需求。 2.1 ASTM標准(略)
2.2其他標准(略) 3.1在E284中的術語和定義可用於此標准.
3.2本標准特有術語的定義
3.2.1比色分光計n---分光計，它包含一個色散元件(例如棱鏡、光柵、干涉過濾器、可調的或不連續的系列單色光源)，通常可輸出色度數據(如三刺激值，推導的顏色坐標或表面品質系數)。另外，比色分光計也可以根據色度數據的來源報告潛在的光譜數據。
3.2.1.1 討論----曾經，紫外解析分光光度計用於色度測量。現在，用於顏色測量的儀器有多組普通組件，而紫外解析分光光度計最適合用在色度量的解析中，這需要非常精確的光譜位置和非常窄的帶寬以及適度的基線穩定性。比色分光計被設計用於視覺色度計的數據模擬或作為計算機輔助顏色匹配系統的光譜和色度信息來源.。數字比色法允許更多關於光譜等級和光譜帶寬的容差，但需要更高的放射等級穩定性。
3.2.2 色寬容度方程，n---由可接受性評估得到的一個數學表達式，它基於顏色空間坐標系扭曲了該顏色空間的度量,關於一個參考顏色，為了使單個光澤通過。
3.2.2.1 討論---色寬容度方程將一對樣品中的一個設定為標准樣計算pass/fail值。這樣，在兩個樣本間可察覺的差異不變時，交互改變測試樣與參考樣將導致一個在可預見的接受水平上的色差變化，而色差方程用顏色空間裏的尺度量化那個顏色空間裏的距離，交互改變參考樣與測試樣既不改變可查覺的也不改變預知的色差。 5.1 原始的基於X,Y,Z三刺激值和色品坐標系x,y的CIE顏色標量並不是真正一致的.每個基於CIE值的後續顏色標量都有用於提供某種程度上的一致性的額外因素,這樣在不同顏色區域裏的色差將更有可比性.另一方面,由不同顏色標量體系計算的相同樣品的色差不可能一致.為避免混亂,樣品的色差或相關的容差只有在它們從同一個顏色標量體系中得到時才可比較. 在所有顏色樣本中,沒有簡單的因素可被用於從一個差值或容差單位體繫到另一個體系間精確地轉換色差和色寬容度.
5.2 為了標準的一致,CIE在1976年推薦使用兩套顏色公制.CIELAB公制以及與其關聯的色差方程在塗料,塑膠,紡織物等相關工業中得到了廣泛認可.同時,它沒有完全取代Hunter的LH aH bH和FMC-2標准.這兩個等級標準的表現相對於有經驗的視覺來說,太不足了.相比最近的基於CIELAB調整優化的色寬容度方程,它們不再被推薦了. 因此,包括附件中的兩個老的標准,在本標准中只有歷史意義.預期將來在修改本業界標准時,附件也會被同時刪除.CIELAB公制,就其本身,在本業界標准中也不被推薦去描述小的,中等的色差(差值少於5.0ΔE*ab單位).四個最新定義的方程,這里有文件證明的,高度推薦用於0到5.0ΔE*ab單位范圍內的色差.
5.3色寬容度方程的使用者發現,在每個體系中,總合三個色差元素向量組成一個單獨的標量值,可以有效的判定樣本顏色是否在一個標准指定的色寬容度內.然而,為了控制產品的顏色,可能不僅要知道偏離標準的量,而且要知道偏離的方向.可以通過例出三個由儀器決定的色差元素來得到關於少量色差偏離方向的信息.
5.4在基於儀器測量值選擇色寬容度時,因該小心地與關於顏色、光亮度差異的可接受性的視覺評估和用慣例D1729 得到的飽和度相關.三個這里給出的寬容度方程已被廣泛的驗證,驗證的對象包括紡織品和塑膠,顯示出與視覺評估一致並在視覺判斷的實驗不確定性之內.這就是說,方程本身錯誤分類色差的蘋率不再超過最有經驗的顏色匹配師.
5.5當色差方程和色寬容度方程按例用於多種不同的光源時,為了產品在日光下使用,他們已被推導或最優化,或二者都有.在其他光源下的計算結果,可能不具有與視覺判斷好的相關性.不在日光下應用寬容度方程將需要在體節性水平上的視覺構造如標准D4086. 6.1 CIE1931和1964的顏色空間----不透明樣本的日光顏色由顏色空間中的點表示,該空間由三個互相垂直的軸表示,三個軸分別為代表光亮度的Y坐標和色品坐標x和y,其中:
X,Y和Z是1931年或1964年CIE標准觀察者的三刺激值,它們遵守照明標准D65或其他日光相.這些標度沒有提供可感知的統一顏色空間.結果是色差很少從x,y和Y的差異中直接計算出來.
6.2 1976年CIE統一顏色空間L* a* b*和色差方程.這是一個接近統一的顏色空間,它基於三刺激值的非線性擴展.它提供差異以產生三個相反的軸,這三個軸分別近似於黑色--白色,紅色--綠色和黃色--藍色的視覺感覺.它在直角坐標繫上繪圖產生, L*,a*,b*值的計算如下:
式中,三刺激值Xn,Yn,Zn定義了名義上的白目標色刺激的顏色.通常,白目標色刺激由一個CIE標准光源的光譜輻射功率給出,例如,C,D65光源或其它日光相,由良好的反射擴散體反射入觀察者的眼內.在這些條件下,Xn,Yn,Zn是標准光源在Yn等於100時的三刺激值.
6.2.1 根據L*,a*,b*得到的兩種顏色的總色差ΔE*ab如下計算:
注意,所定義的顏色空間叫CIE1976 L*a*b*顏色空間並且色差方程是CIE1976 L*a*b*色差公式.推薦使用縮寫CIELAB(所有單詞的首字母).
6.2.2 1976年CIE公制(L*a*b*)在一個或多個X/Xn,Y/Yn,Z/Zn的比值小於0.008856時沒有適當的收斂於零.在計算L*時, 如果正常公式用於Y/Yn的值大於0.008856,那麼當Y/Yn的值小於0.008856時原公式也許仍然可用.下述修正公式用於Y/Yn等於或小於0.008856時:
6.2.3 在計算a*和b*時,如果X/Xn,Y/Yn,Z/Zn都小於0,008856,可用以下修正方程代替正式方程:
6.2.4ΔE*ab的量沒有指出差異的特性因為它沒有指出關於顏色,色度和光亮度差異的相對量和方向.
6.2.5 色差的方向由元素∆L*,∆a*和∆ b*的量和代數符號表示:
其中,L*s,a* s,和b* s代表參考或標准. L*B,a* B,b* B代表測量樣品或測量批.元素∆L*,∆a*和∆ b*的符號大致有如下意思:
+∆L*=明亮的
-∆L*=較暗的
+∆a*=較紅的(少綠的)
-∆a*=較綠的(少紅的)
+∆ b*=較黃的(少藍的)
-∆ b*=較藍的(少黃的)
6.2.6 為了判斷兩種顏色色差的方向,可以計算它們的CIE1976公制顏色角hab和CIE1976公制色度C*ab,公式如下:
除了非常深的顏色外,測試樣品和參考樣品間的顏色角hab差異可與視覺可察覺的顏色差異聯系起來.同樣的,色度差值ΔC*ab ([C*ab]batch-[C*ab]standard) 可與視覺可察覺的色度差異聯系起來.
6.2.7 為了判斷兩種顏色間的不同光亮度,色度和顏色對總色差的貢獻,可用CIE1976公制色差來計算ΔH*ab,公式如下:
其中,ΔE*ab在6.2.1中計算. ΔC*ab在6.2.6中計算;於是方程:
包含的項目顯示了光亮度差異ΔL*,色度差異ΔC*ab和顏色差異ΔH*ab 對總色差ΔE*ab的相對貢獻.這種計算公制色差的方法沒有包含關於色差符號(正或負)的信息,對於接近中性軸的一對顏色的判斷可能不穩定.一個可改正這兩種問題的選擇性方法已被提出:
6.3 CMC色寬容度方程:--The Colour Measuremant Committee of Society of Dyers and Colourists英聯邦染色師與配色師顏色測量委員會在英國J&P塗裝線公司承擔了改進JPC79公差方程結果的任務.它是CIELAB方程和當地最優的處於標准位置的產生了FMC-I的方程的結合.它更注重光亮度,色度和顏色改變引起的直接知覺,取代了老的注重光亮度,紅綠和黃藍色的方程. 它的目的是用作單個色澤的判斷方程.現在不需用感覺元素去分解原方程—CIELAB模型中的元素已經那樣做了.圖1顯示了CIELAB的色度板(a*, b*),有大量的CMC橢球畫在板上.這個圖形清楚地顯示了橢球區域隨CIELAB公制色度L*ab的增加和改變CIELAB公差顏色角而帶來的改變. CMC元 素和單個寬容度如下計算:
參數(l,c)是系統偏差或參數效應如質地和樣本差別的補償.最普通的值是(2:1),用於紡織品和通過成型模仿紡織材料的塑料.這就意味著光亮度的差異佔到色度和色調差異重要性的一半.值(1:1)
通常代表一個僅僅能感覺到的差異,用於需要非常嚴格的容差或具有光澤的表面.對於不光滑的,無規粗糙的,有適度質地的,可用(1:1)到(2:1)之間的中間值.而值(1.3:1)最經常被報道.參數cf是一個商業參數,用於調整容差區域的總量,而接受或拒絕的決定也可以以色寬容度的單位量為基礎.顏色依賴函數定義如下:
所有的角由角度給出,但通常需要轉換成弧度,以便在數字電腦上處理.
6.4 CIE94色寬容度方程,這個色寬容度方程的發展是由CMC色寬容度方程的成功促進的,它主要從汽車鋼板烤漆的目視觀察得來.正如CMC方程,它基於CIELAB顏色公制並用CIELAB顏色空間里的標准位置推導出一系列解析函數修正標准周圍區域的CIELAB顏色空間.它的額外函數比CMC中的方程要簡單得多.CIE94的色寬容度計算如下:
不像其它早先的色差方程,CIE94是由一系列良好定義的條件得來的,在這些條件下方程將提供最佳結果,而偏離這些條件將導致與目視評估的色差顯著不同.這些測試條件由表1給出:
表1 CIE94色寬容度方程的基本條件
特性 要求
照明D65光源
樣品照明度1000lx
觀測 正常顏色視覺
背景 統一中性灰色
監視模式 目標
樣品尺寸>4°對象視角
樣品分離 最小可能
色差大小0到5個CIELAB單位
樣品結構 視覺均一
參數kL ,kC ,kH是可被用於補償質地和其它樣本表達效果的參變因素,同時kv基於工業偏差調整色寬容度量的大小.參數SL,SC,SH用於表現CIELAB顏色空間的局部變形,基於那個空間中的標准樣本位置.它用下述方程計算:
6.5 DIN99色差方程—由Rohner和Rich發表於1996年的論文促進了德國標准協會更進一步發展和標准化一個改良的翻譯作為新的色差公式,一個用CIELAB的對數坐標系而不是用CMC和CIE94的線性和雙曲線函數的球狀顏色空間模型.該方程由DIN6167標准推導和證明.它提供了一個經軸旋轉和對數擴張的新軸去與CIE94色寬容度公式的空間相符.它不須如CIELAB顏色空間利用鑒定的樣本作為變形距離的來源.還有,當軸L*,C*和h*ab與光亮度,色度顏色的感覺相聯系時,即不是X,Y,Z的三刺激值也不是CIELAB軸a*,b*是感覺可變的,它似乎適合於隨wcbbw- fechner的感覺規律去標度顏色空間的差異和距離.這產生了一個相對易用和對CMC或CIE94有相同表現的公式.它也消除了討厭的基於CIELAB 變形的參考色.這樣計算的色差只基於在DIN99空間的歐氏距離. 計算DIN99公式的程序如下:
其中,下標S指產品標准,下標B指現在的產品批或測試樣.
默認參數是: KE=KCH=1, KE(1:KCH).
對紡織品應遵如下平衡關系,為獲得相對於CMC(l=2,c=1)差異的等價計算差異,可用參數:2(1:0.5),就是說KE =2, KCH =0.5.
6.6 CIEDE2000色差方程------這個色差方程的發展是由研究CMC和CIE94哪個色差方程表現更好而引發的.在研究過程中,研究者得到的結論是沒有公式是真正最優的.所以CIE建立了一個
新的技術委員會,TC 1-47, 顏色&光澤度依賴修正工業色差方程,去推薦一個新方程改進這兩個色寬容度方程的缺點.色寬容度方程的一個主要缺點是用CIELAB顏色空間里的參考顏色去計算CIELAB顏色空間的局部變形.當驗證的兩個樣本顛倒過來(將原始測量樣為參考樣而原來的參考樣為測量樣),計算的結果是不同的.這與所觀察的是矛盾的.明顯的,兩個樣品只是通過互換角色不應該有量的差別.通過應用兩個樣本間的算術平均色去計算CIELAB顏色空間的局部變形,兩個樣品的角色可以隨意互換而不影響計算色差的量,完全符合目視評估.CIE TC1-47的報告顯示, 經過大批樣品,CIEDE2000比CMC和CIE94都做得好.CIEDE2000的色差由下式計算:
樣本或工業依賴參數是KL,KC,KH並且顏色空間依賴參數是SL,SL,SH和RT.三個S項在,假定為直角的,CIELAB坐標系中.並且RT項用於計算CIELAB圖中藍色和紫藍區域的旋轉色差量.四個顏色空間量計算如下:
在本式中並不明顯,所有展示的角都以角度出,包括Δθ都必須轉換成弧度,為了在數字計算機上進行三角解析.
6.6.1 用參考和測試樣CIELAB顏色坐標系的算術平均值計算CIELAB顏色空間的局部變形產生了一個新問題.現在的基於CIELAB變形空間的標准位置色寬容度差異方程允許使用者預設按
受量.這對於一定的依織品資料排架應用和成圖品質控制圖很方便.這樣的設定對於CIEDE2000是不可能的.根據修整的空間坐標系L*a』b*繪出一組顏色即不可能也不合理,因為a』是由每對顏色獨立地決定.這樣,該方程只適合於在成對產品,標准產品和產出測試樣,之間進行比較.但不可用於統計製程式控制制. :
7.1 本業界標准沒有包含樣品制備技術.除了其他指定的或同意的,准備樣品應與適當的測試方法和標准一致. 8.1 按標准E805選擇合適的顏色測量幾何條件.
8.2 按手冊指南和標准E1164所給程序操作儀器.
8.3 如果用分光比色計,依次,在足夠數量的波長間隔內獲得參考樣和測試樣的反射值,精確計算CIE三刺激值.詳見標准E308.
8.4 每樣表面至少測量三個部位去獲得數據統一的方向.記錄每次測量的位置. 9.1計算色標值L*,a*,b*和局部寬容度系數(SL,SC,SH),如果不是自動得到.
9.2計算色差ΔE*ab, ΔECMC和它們的元素,或ΔE94 ,ΔE99,或ΔE00,如果不是自動得到,如6.2-6.6所述計算. 10.1報告以下信息:
10.1.1總色差ΔECMC,ΔE94,ΔE99,或ΔE00,每樣依其參考.
10.1.2對城CIELAB色差, L*,a*,b*是參考樣的,ΔL*,Δa*,Δb*如果需要還有Δhab,Δc*ab和ΔH*ab對每樣.
10.1.3 對其他色寬容度或色差尺度,只有CIELAB的相關值可被作為局部變形報告出來,不需要提供連續的,視覺修正參數.
10.1.4對不均一樣品,色差值屬城樣品的不同區域.
10.1.5描述或說明制備樣品的方法.
10.1.6按操作者姓名和儀器號以及使用的色標體系鑒定儀器. 11.1 測試方法的精度和偏差不能同測試的樣品和材料分開來.由城本業界標准沒有強調與樣品的制備和表達有關的話題,無法最終明確可達到的精度和偏差.下一步,可用商業合作測試項目的數據說明一種材料的精度.因為很多三角函數包括在顏色空間的計算中,所以所有的計算應在
IEEE浮點格式中計算機體系可提供的最大量的精度范圍內,即通常所說的雙精度格式.
11.2 協作測試服務,顏色和色差合作參數項目,已經調查了顏色的精度和色差測量法,並且從1971年開始每季度公布多對塗裝片以展示微小色差.在一個最近的典型的調查裏,包含了118個儀器.表2給出了在相互比較中分開考慮的不同儀器組的平均色差和它們的標准偏離,以及解析和測量條件.
11.2.1可再生性----基城實驗室間的標准偏離,由不同實驗室里的操作員測量有刻度的白紙原料上不透明、無光粗糙的烤漆層得到的兩個色差結果,其差值不應大城表2中R*欄列出的值.
11.3精度----基城實驗室內的標准偏差,色差精度的測量,總結在表2里.與文章(14，15)中報道的顏色測量精度值相等,所以可以代表所有樣品材料的精度. 12.1顏色,色差,顏色尺度,顏色空間,色寬容度.
表2 由不同的測試和解析條件決定的計算色差偏離
測量條件幾何 光源 觀察者 △E方程儀器數平均值△E標准偏差R*A
45°/0° D65 1964 CIELAB 54 1.05 0.07 0.21
45°/0° D65 1964 CMC(2:1) 54 0.55 0.03 0.09
SphereB D65 1964 CIELAB 282 1.00 0.06 0.18
SphereB D65 1964 CMC(2:1) 282 0.53 0.03 0.09
用儀器測定顏色一致性的方法計算色差