色差仪总色差计算方法

⑴ 色差的色差仪

色差仪广泛用于塑胶及印刷等行业，主要根据CIE色空间的Lab，Lch原理，测量显示出样品与被测样品的色差△E以及△Lab值。 1.1 本业界标准包括了两个不透明样本间（如烤漆板，不透明塑胶,纺织品样本等）的色宽容度和微小色差的计算。它基于采用日光光源的用仪器测量的颜色坐标系。考虑到所测样本可能是同色异谱，通过视觉相似的颜色占有不同的光谱曲线，所以业界标准D4086用于证明仪器测量结果。由这些程序测定的容差和差值根据CIE1976CIELAB对颜色空间中近似一致的颜色感觉表达，如CMC的容度单位,CIE-94的容度单位,，由DIN6167给出的DIN99色差公式,或新的CIEDE2000色差单位.基于Hunter的LH, aH ,bH相反颜色空间的色差，或Friele-MacAdam-Chickering(FMC-2)颜色空间的色差，不再推荐用于工业标准。
1.2 为了产品的规范,买方和卖方应就样品和参考样之间容许的色差以及计算色宽容度的程序达成一致。每种材料和每次使用的测试条件都需要明确的色宽容度，因为其他外观因素(例如样本的相近,光泽,质地)可能影响测量色差数据之间的相关性和商业接受性。
1.3 本标准没有声称包含所有安全因素，即便要，也须结合它的使用。本标准使用者有责任建立合适的安全和健康条件并注意适当的调整使用需求。 2.1 ASTM标准(略)
2.2其他标准(略) 3.1在E284中的术语和定义可用于此标准.
3.2本标准特有术语的定义
3.2.1比色分光计n---分光计，它包含一个色散元件(例如棱镜、光栅、干涉过滤器、可调的或不连续的系列单色光源)，通常可输出色度数据(如三刺激值，推导的颜色坐标或表面品质系数)。另外，比色分光计也可以根据色度数据的来源报告潜在的光谱数据。
3.2.1.1 讨论----曾经，紫外解析分光光度计用于色度测量。现在，用于颜色测量的仪器有多组普通组件，而紫外解析分光光度计最适合用在色度量的解析中，这需要非常精确的光谱位置和非常窄的带宽以及适度的基线稳定性。比色分光计被设计用于视觉色度计的数据仿真或作为计算机辅助颜色匹配系统的光谱和色度信息来源.。数字比色法允许更多关于光谱等级和光谱带宽的容差，但需要更高的放射等级稳定性。
3.2.2 色宽容度方程，n---由可接受性评估得到的一个数学表达式，它基于颜色空间坐标系扭曲了该颜色空间的度量,关于一个参考颜色，为了使单个光泽通过。
3.2.2.1 讨论---色宽容度方程将一对样品中的一个设定为标准样计算pass/fail值。这样，在两个样本间可察觉的差异不变时，交互改变测试样与参考样将导致一个在可预见的接受水平上的色差变化，而色差方程用颜色空间裏的尺度量化那个颜色空间裏的距离，交互改变参考样与测试样既不改变可查觉的也不改变预知的色差。 5.1 原始的基于X,Y,Z三刺激值和色品坐标系x,y的CIE颜色标量并不是真正一致的.每个基于CIE值的后续颜色标量都有用于提供某种程度上的一致性的额外因素,这样在不同颜色区域裏的色差将更有可比性.另一方面,由不同颜色标量体系计算的相同样品的色差不可能一致.为避免混乱,样品的色差或相关的容差只有在它们从同一个颜色标量体系中得到时才可比较. 在所有颜色样本中,没有简单的因素可被用于从一个差值或容差单位体系到另一个体系间精确地转换色差和色宽容度.
5.2 为了标准的一致,CIE在1976年推荐使用两套颜色公制.CIELAB公制以及与其关联的色差方程在涂料,塑胶,纺织物等相关工业中得到了广泛认可.同时,它没有完全取代Hunter的LH aH bH和FMC-2标准.这两个等级标准的表现相对于有经验的视觉来说,太不足了.相比最近的基于CIELAB调整优化的色宽容度方程,它们不再被推荐了. 因此,包括附件中的两个老的标准,在本标准中只有历史意义.预期将来在修改本业界标准时,附件也会被同时删除.CIELAB公制,就其本身,在本业界标准中也不被推荐去描述小的,中等的色差(差值少于5.0ΔE*ab单位).四个最新定义的方程,这里有文件证明的,高度推荐用于0到5.0ΔE*ab单位范围内的色差.
5.3色宽容度方程的使用者发现,在每个体系中,总合三个色差元素向量组成一个单独的标量值,可以有效的判定样本颜色是否在一个标准指定的色宽容度内.然而,为了控制产品的颜色,可能不仅要知道偏离标准的量,而且要知道偏离的方向.可以通过例出三个由仪器决定的色差元素来得到关于少量色差偏离方向的信息.
5.4在基于仪器测量值选择色宽容度时,因该小心地与关于颜色、光亮度差异的可接受性的视觉评估和用惯例D1729 得到的饱和度相关.三个这里给出的宽容度方程已被广泛的验证,验证的对象包括纺织品和塑胶,显示出与视觉评估一致并在视觉判断的实验不确定性之内.这就是说,方程本身错误分类色差的苹率不再超过最有经验的颜色匹配师.
5.5当色差方程和色宽容度方程按例用于多种不同的光源时,为了产品在日光下使用,他们已被推导或最优化,或二者都有.在其他光源下的计算结果,可能不具有与视觉判断好的相关性.不在日光下应用宽容度方程将需要在体节性水平上的视觉构造如标准D4086. 6.1 CIE1931和1964的颜色空间----不透明样本的日光颜色由颜色空间中的点表示,该空间由三个互相垂直的轴表示,三个轴分别为代表光亮度的Y坐标和色品坐标x和y,其中:
X,Y和Z是1931年或1964年CIE标准观察者的三刺激值,它们遵守照明标准D65或其他日光相.这些标度没有提供可感知的统一颜色空间.结果是色差很少从x,y和Y的差异中直接计算出来.
6.2 1976年CIE统一颜色空间L* a* b*和色差方程.这是一个接近统一的颜色空间,它基于三刺激值的非线性扩展.它提供差异以产生三个相反的轴,这三个轴分别近似于黑色--白色,红色--绿色和黄色--蓝色的视觉感觉.它在直角坐标系上绘图产生, L*,a*,b*值的计算如下:
式中,三刺激值Xn,Yn,Zn定义了名义上的白目标色刺激的颜色.通常,白目标色刺激由一个CIE标准光源的光谱辐射功率给出,例如,C,D65光源或其它日光相,由良好的反射扩散体反射入观察者的眼内.在这些条件下,Xn,Yn,Zn是标准光源在Yn等于100时的三刺激值.
6.2.1 根据L*,a*,b*得到的两种颜色的总色差ΔE*ab如下计算:
注意,所定义的颜色空间叫CIE1976 L*a*b*颜色空间并且色差方程是CIE1976 L*a*b*色差公式.推荐使用缩写CIELAB(所有单词的首字母).
6.2.2 1976年CIE公制(L*a*b*)在一个或多个X/Xn,Y/Yn,Z/Zn的比值小于0.008856时没有适当的收敛于零.在计算L*时, 如果正常公式用于Y/Yn的值大于0.008856,那么当Y/Yn的值小于0.008856时原公式也许仍然可用.下述修正公式用于Y/Yn等于或小于0.008856时:
6.2.3 在计算a*和b*时,如果X/Xn,Y/Yn,Z/Zn都小于0,008856,可用以下修正方程代替正式方程:
6.2.4ΔE*ab的量没有指出差异的特性因为它没有指出关于颜色,色度和光亮度差异的相对量和方向.
6.2.5 色差的方向由元素∆L*,∆a*和∆ b*的量和代数符号表示:
其中,L*s,a* s,和b* s代表参考或标准. L*B,a* B,b* B代表测量样品或测量批.元素∆L*,∆a*和∆ b*的符号大致有如下意思:
+∆L*=明亮的
-∆L*=较暗的
+∆a*=较红的(少绿的)
-∆a*=较绿的(少红的)
+∆ b*=较黄的(少蓝的)
-∆ b*=较蓝的(少黄的)
6.2.6 为了判断两种颜色色差的方向,可以计算它们的CIE1976公制颜色角hab和CIE1976公制色度C*ab,公式如下:
除了非常深的颜色外,测试样品和参考样品间的颜色角hab差异可与视觉可察觉的颜色差异联系起来.同样的,色度差值ΔC*ab ([C*ab]batch-[C*ab]standard) 可与视觉可察觉的色度差异联系起来.
6.2.7 为了判断两种颜色间的不同光亮度,色度和颜色对总色差的贡献,可用CIE1976公制色差来计算ΔH*ab,公式如下:
其中,ΔE*ab在6.2.1中计算. ΔC*ab在6.2.6中计算;于是方程:
包含的项目显示了光亮度差异ΔL*,色度差异ΔC*ab和颜色差异ΔH*ab 对总色差ΔE*ab的相对贡献.这种计算公制色差的方法没有包含关于色差符号(正或负)的信息,对于接近中性轴的一对颜色的判断可能不稳定.一个可改正这两种问题的选择性方法已被提出:
6.3 CMC色宽容度方程:--The Colour Measuremant Committee of Society of Dyers and Colourists英联邦染色师与配色师颜色测量委员会在英国J&P涂装线公司承担了改进JPC79公差方程结果的任务.它是CIELAB方程和当地最优的处于标准位置的产生了FMC-I的方程的结合.它更注重光亮度,色度和颜色改变引起的直接知觉,取代了老的注重光亮度,红绿和黄蓝色的方程. 它的目的是用作单个色泽的判断方程.现在不需用感觉元素去分解原方程—CIELAB模型中的元素已经那样做了.图1显示了CIELAB的色度板(a*, b*),有大量的CMC椭球画在板上.这个图形清楚地显示了椭球区域随CIELAB公制色度L*ab的增加和改变CIELAB公差颜色角而带来的改变. CMC元 素和单个宽容度如下计算:
参数(l,c)是系统偏差或参数效应如质地和样本差别的补偿.最普通的值是(2:1),用于纺织品和通过成型模仿纺织材料的塑料.这就意味着光亮度的差异占到色度和色调差异重要性的一半.值(1:1)
通常代表一个仅仅能感觉到的差异,用于需要非常严格的容差或具有光泽的表面.对于不光滑的,无规粗糙的,有适度质地的,可用(1:1)到(2:1)之间的中间值.而值(1.3:1)最经常被报道.参数cf是一个商业参数,用于调整容差区域的总量,而接受或拒绝的决定也可以以色宽容度的单位量为基础.颜色依赖函数定义如下:
所有的角由角度给出,但通常需要转换成弧度,以便在数字电脑上处理.
6.4 CIE94色宽容度方程,这个色宽容度方程的发展是由CMC色宽容度方程的成功促进的,它主要从汽车钢板烤漆的目视观察得来.正如CMC方程,它基于CIELAB颜色公制并用CIELAB颜色空间里的标准位置推导出一系列解析函数修正标准周围区域的CIELAB颜色空间.它的额外函数比CMC中的方程要简单得多.CIE94的色宽容度计算如下:
不像其它早先的色差方程,CIE94是由一系列良好定义的条件得来的,在这些条件下方程将提供最佳结果,而偏离这些条件将导致与目视评估的色差显着不同.这些测试条件由表1给出:
表1 CIE94色宽容度方程的基本条件
特性 要求
照明D65光源
样品照明度1000lx
观测 正常颜色视觉
背景 统一中性灰色
监视模式 目标
样品尺寸>4°对象视角
样品分离 最小可能
色差大小0到5个CIELAB单位
样品结构 视觉均一
参数kL ,kC ,kH是可被用于补偿质地和其它样本表达效果的参变因素,同时kv基于工业偏差调整色宽容度量的大小.参数SL,SC,SH用于表现CIELAB颜色空间的局部变形,基于那个空间中的标准样本位置.它用下述方程计算:
6.5 DIN99色差方程—由Rohner和Rich发表于1996年的论文促进了德国标准协会更进一步发展和标准化一个改良的翻译作为新的色差公式,一个用CIELAB的对数坐标系而不是用CMC和CIE94的线性和双曲线函数的球状颜色空间模型.该方程由DIN6167标准推导和证明.它提供了一个经轴旋转和对数扩张的新轴去与CIE94色宽容度公式的空间相符.它不须如CIELAB颜色空间利用鉴定的样本作为变形距离的来源.还有,当轴L*,C*和h*ab与光亮度,色度颜色的感觉相联系时,即不是X,Y,Z的三刺激值也不是CIELAB轴a*,b*是感觉可变的,它似乎适合于随wcbbw- fechner的感觉规律去标度颜色空间的差异和距离.这产生了一个相对易用和对CMC或CIE94有相同表现的公式.它也消除了讨厌的基于CIELAB 变形的参考色.这样计算的色差只基于在DIN99空间的欧氏距离. 计算DIN99公式的程序如下:
其中,下标S指产品标准,下标B指现在的产品批或测试样.
默认参数是: KE=KCH=1, KE(1:KCH).
对纺织品应遵如下平衡关系,为获得相对于CMC(l=2,c=1)差异的等价计算差异,可用参数:2(1:0.5),就是说KE =2, KCH =0.5.
6.6 CIEDE2000色差方程------这个色差方程的发展是由研究CMC和CIE94哪个色差方程表现更好而引发的.在研究过程中,研究者得到的结论是没有公式是真正最优的.所以CIE建立了一个
新的技术委员会,TC 1-47, 颜色&光泽度依赖修正工业色差方程,去推荐一个新方程改进这两个色宽容度方程的缺点.色宽容度方程的一个主要缺点是用CIELAB颜色空间里的参考颜色去计算CIELAB颜色空间的局部变形.当验证的两个样本颠倒过来(将原始测量样为参考样而原来的参考样为测量样),计算的结果是不同的.这与所观察的是矛盾的.明显的,两个样品只是通过互换角色不应该有量的差别.通过应用两个样本间的算术平均色去计算CIELAB颜色空间的局部变形,两个样品的角色可以随意互换而不影响计算色差的量,完全符合目视评估.CIE TC1-47的报告显示, 经过大批样品,CIEDE2000比CMC和CIE94都做得好.CIEDE2000的色差由下式计算:
样本或工业依赖参数是KL,KC,KH并且颜色空间依赖参数是SL,SL,SH和RT.三个S项在,假定为直角的,CIELAB坐标系中.并且RT项用于计算CIELAB图中蓝色和紫蓝区域的旋转色差量.四个颜色空间量计算如下:
在本式中并不明显,所有展示的角都以角度出,包括Δθ都必须转换成弧度,为了在数字计算机上进行三角解析.
6.6.1 用参考和测试样CIELAB颜色坐标系的算术平均值计算CIELAB颜色空间的局部变形产生了一个新问题.现在的基于CIELAB变形空间的标准位置色宽容度差异方程允许使用者预设按
受量.这对于一定的依织品资料排架应用和成图品质控制图很方便.这样的设定对于CIEDE2000是不可能的.根据修整的空间坐标系L*a’b*绘出一组颜色即不可能也不合理,因为a’是由每对颜色独立地决定.这样,该方程只适合于在成对产品,标准产品和产出测试样,之间进行比较.但不可用于统计制程控制. :
7.1 本业界标准没有包含样品制备技术.除了其他指定的或同意的,准备样品应与适当的测试方法和标准一致. 8.1 按标准E805选择合适的颜色测量几何条件.
8.2 按手册指南和标准E1164所给程序操作仪器.
8.3 如果用分光比色计,依次,在足够数量的波长间隔内获得参考样和测试样的反射值,精确计算CIE三刺激值.详见标准E308.
8.4 每样表面至少测量三个部位去获得数据统一的方向.记录每次测量的位置. 9.1计算色标值L*,a*,b*和局部宽容度系数(SL,SC,SH),如果不是自动得到.
9.2计算色差ΔE*ab, ΔECMC和它们的元素,或ΔE94 ,ΔE99,或ΔE00,如果不是自动得到,如6.2-6.6所述计算. 10.1报告以下信息:
10.1.1总色差ΔECMC,ΔE94,ΔE99,或ΔE00,每样依其参考.
10.1.2对城CIELAB色差, L*,a*,b*是参考样的,ΔL*,Δa*,Δb*如果需要还有Δhab,Δc*ab和ΔH*ab对每样.
10.1.3 对其他色宽容度或色差尺度,只有CIELAB的相关值可被作为局部变形报告出来,不需要提供连续的,视觉修正参数.
10.1.4对不均一样品,色差值属城样品的不同区域.
10.1.5描述或说明制备样品的方法.
10.1.6按操作者姓名和仪器号以及使用的色标体系鉴定仪器. 11.1 测试方法的精度和偏差不能同测试的样品和材料分开来.由城本业界标准没有强调与样品的制备和表达有关的话题,无法最终明确可达到的精度和偏差.下一步,可用商业合作测试项目的数据说明一种材料的精度.因为很多三角函数包括在颜色空间的计算中,所以所有的计算应在
IEEE浮点格式中计算机体系可提供的最大量的精度范围内,即通常所说的双精度格式.
11.2 协作测试服务,颜色和色差合作参数项目,已经调查了颜色的精度和色差测量法,并且从1971年开始每季度公布多对涂装片以展示微小色差.在一个最近的典型的调查裏,包含了118个仪器.表2给出了在相互比较中分开考虑的不同仪器组的平均色差和它们的标准偏离,以及解析和测量条件.
11.2.1可再生性----基城实验室间的标准偏离,由不同实验室里的操作员测量有刻度的白纸原料上不透明、无光粗糙的烤漆层得到的两个色差结果,其差值不应大城表2中R*栏列出的值.
11.3精度----基城实验室内的标准偏差,色差精度的测量,总结在表2里.与文章(14，15)中报道的颜色测量精度值相等,所以可以代表所有样品材料的精度. 12.1颜色,色差,颜色尺度,颜色空间,色宽容度.
表2 由不同的测试和解析条件决定的计算色差偏离
测量条件几何 光源 观察者 △E方程仪器数平均值△E标准偏差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
用仪器测定颜色一致性的方法计算色差