1、关于纺织色差评语推荐关于纺织色差评语推荐纺织印染中条件等色的成因及评色方法4 摘 要: 在纺织印染等工业应用中, 颜色的条件成色问题十分普遍。该篇详细介绍了条件成色颜色的概念及其评价方法; 指出了照明光源物体颜色的影响, 取决于光源的显色性, 给出了CIE推荐的光源显色性指数计算方法。 关键词: 染整; 颜色; 同色异谱;光源; 显色; 原理; 应用 Abstract: Color metamerism widely exists in color related industry such as textile dyeing and printing, so the concept and
2、evaluation method of color metamerism a re detailed in this article. In fact, the effect of illuminating source on object color is due to the color rendering property of the light source, of which the CIE recommended the corresponding procedure for calculating the color rendering index. Key words: d
3、yeing and finishing; color; metamerism; light source; developing; principle; apply. 1. 条件等色的理论分析 在某种确定的照明与观察条件下, 非荧光性材料所显示的颜色主要取决于材料本身的光度特性, 所以当两种非荧光性材料的光度特性完全一致时, 它们在同样的照明和观察条件下具有相同的颜色, 这是毫无疑问的。但是, 如果这两种非荧光性材料的光度特性不完全一致, 那么它们必须在某一特定的照明和观察条件下, 才有可能具有相同的颜色外貌。因此, 当两种颜色样品的光谱反射比或光谱透射比不同(异谱), 而在特定的照明和观察条
4、件下, 其颜色外貌又能相互匹配(同色)的两种颜色刺激就称为同色 异谱颜色或同色异谱色。如图所示： 如果比较的是两个相对光谱功率分布分别为P1( K) 和P2 (K) 的照明体, 则 U1 (K) = P1 (K) U2(K) = P2(K) (2a) 式中, U1 (K) 和U2 (K) 表示两个不同的颜色刺激值。 如果讨论在相对光谱功率分布均为P (K) 的相同照明光源条件下的两种反射物体颜色, 并假设其光谱辐亮度系数分别为B1 (K) 和B2 (K), 或其光谱反射比分别为Q1 ( K) 和Q2 (K) , 那么 U1 (K) = B1 (K) P (K) 通常, 同色异谱颜色的三刺激值分
5、别相等, 即: X1=X2 Y1=Y2Z1=Z 2 U2 (K) = B2 (K) P (K) 或 U1 (K) = Q1 (K)P (K) U2 (K) = Q2 (K)P (K) (2b) 如果是在两个不同照明光源P1 (K) 和P2 (K) 条件下的两种反射物体颜色, 则 U1 (K) = B1 (K) P1 (K) U2 (K) = B2 (K) P2 (K) 或 U1 (K) = Q1 (K) P1 (K) U2 (K) = Q2 (K) P2 (K) (2c) 一般讨论的同色异谱颜色, 常常是指在同样的照明和观察条件下(包括照明体的相对光谱功率分布、观察者的色匹配函数以及观察视场等
6、), 两个具有不同光度特性 B1 ( K) X B2 (K), Q1 ( K) X Q2 (K) 的颜色具有同样的颜色外貌。这时, 如果改变照明体或者观察者, 那么颜色的匹配就会被破坏, 或称为失配。如，在不同照明体下的失配。 在CIE1931色度系统中对标准照明体D65为同色异谱的四种颜色, 在CIE1964系统下的三刺激值有变化，当采用标准照明体A 来评价它们时, 其三刺激值也不同。结果如下图所示 因此, CIE对因条件变化所产生的同色异谱颜色的失配, 推荐了改变照明体光谱分布和改变观察者色匹配函数的评价方法。 2.1 照明体同色异谱程度的评价 由照明体的光谱分布变化而引起的同色异谱 颜色
7、偏移的程度, 即为照明体同色异谱程度, 可以用C IE 推荐的照明体同色异谱指数来评价。 2.1.1 参照照明体和测试照明体 原则上, 参照照明体推荐选用CIE 标准照明体D65。如果选用其它参照照明体, 应该注明其种类; 测试照明体优先选用CIE 标准照明体A或F系列典型荧光灯。 2.1.2 同色异谱色对的三刺激值评价 首先计算构成同色异谱色对的试样1和试样2在参照照明体( r ) 下的三刺激值(X r 1, Yr1, Zr1 ) 和(Xr2, Yr2, Zr2 ), 以及在测试照明体(t) 下的三刺激值(Xt1, Yt1, Zt1 ) 和(Xt2, Yt2, Zt2 )。在计算中, 原则上
8、选取波长间隔为5nm, 并根据观察视场的大小可分别采用CIE1931或CIE1964标准色度观察者光谱三刺激值函数。 2.1.3 三刺激值的校正 在一般情况下, 要精确地做到同色异谱匹配是很困难的, 两个颜色样品往往在参照照明体下也不是完全匹配的, 可能存在着微小的差异, 所以需要对测试照明体下试样的三刺激值进行修正。三刺激值的校正方法通常有相加校正和相乘校正两种。 相加校正的计算公式为: Xct2 = Xt2 + X r = Xt2 + (Xr1 - X r2) Yct2 = Yt2 +Yr = Yt2 + (Yr1 - Yr2) Zct2 = Zt2 + Zr = Zt2 + (Zr1 Z
9、r2) (3a) 而相乘校正的修正公式为: Xct2 = X t2 （X r 1 /X r 2） Yct2 = Yt2 （Yr1 /Yr2） Zct2 = Zt2 （Zr1 /Zr2） (3b) 上两式中, Xct2、Yct2、Zct2为校正后试样2的三刺激值。在具体应用中, 采用相加校正或相乘校正一般可以自主选择, 但在某些实际情况下, 相乘校正比相加校正能得到更令人满意的结果。如果该色对在参照照明体下为同色, 即X r1 = X r2、Yr1 = Yr 2、Z r1 = Z r2, 则有Xct2 = Xt2、Yct2 = Yt2、Zct2 = Zt2 , 所以这时就不需要校正了。 2.1.
10、4 色差的计算 在获得了同色异谱色对在测试照明体下的三刺激值(X t1, Yt1, Zt1 ) 和(Xct2, Yct2, Zct2 ) 之 后, 就可以直接计算出其在测试照明体下的色差。计算色差时, 原则上采用CIE1976 L* a* b* 颜色空间中的C IELAB 色差公式。CIE规定该色差即为对应的同色异谱指数。 2. 2 观察者同色异谱程度的评价 CIE标准色度观察者的光谱三刺激值函数也 称色匹配函数, 它们是正常颜色视觉者的色匹配函数的平均值, 而实际观察者的色匹配函数是因人而异的。因此, 作为参照观察者认为是同色异谱的颜色, 对于实际的观察者来说, 可能会出现颜色偏移。通常将这
11、种颜色偏移的程度称为观察者同色异谱程度, 并以其平均值, 即观察者同色异谱指数来进行定量评价。同时, 把给出观察者同色异谱指数的假想的观察者称为标准偏差观察者( standard deviate observer), 其表示了正常色觉者产生的同色异谱颜色偏移的平均值。 2.2.1 色匹配函数 标准偏差观察者的色匹配函数. X d (K)、. yd (K)、.z d ( K) 定义为: . X d (K) =.x s (K) + .x (K) . Yd (K) = .y s (K) + .y (K) .Z d (K) = .z s (K) +.z (K) (5) 式中, .x s ( K)、.y
12、 s (K)、.z s ( K) 为标准观察者的色匹配函数, 可根据观察视场的大小, 选用 CIE1931或CIE1964标准色度观察者光谱三刺激值函数。 2.2.2 照明体 在评价观察者同色异谱程度时, 推荐选用CIE 标准照明体D65作为照明体, 并对其光谱分布P (K) 进行归化: P n (K) = 100 ，2，780 K= 380P (K) .y (K) K.P (K) (6) 式中, P n (K) 为归化后照明体的光谱分布, . y (K) 是标准观察者三刺激值 Y或Y10 的色匹配函数, K则是累加计算的波长间隔(通常取5nm ) 2. 2. 3 同色异谱色对的三刺激值 在选
13、定的照明体下, 采用标准观察者的色匹配函数.x s (K)、.y s (K)、.z s ( K), 计算出同色异谱色对中的试样1和试样2对, 作为参照观察者的标准观察者( r) 所具有的三刺激值(Xr1, Yr1, Zr1 ) 和(X r2, Yr2, Zr2 ), 再采用标准偏差观察者的色匹配函数.x d (K)、. yd (K)、.z d ( K), 分别求出试 样1 和2对标准偏差观察者( d ) 的三刺激值(X d 1, Yd 1, Z d 1) 和 (X d 2, Yd2, Z d 2 ) 。 2.2.4 三刺激值的校正 如果同色异谱色对对标准观察者为不完全同色, 则需对标准偏差观察
14、者的三刺激值进行校正。校正的方法也同样有相加校正和相乘校正两种, 其中相加校正的计算式为: Xd2 = X d 2 + X r = X d 2 + (Xr1 - Xr2) Yd2 = Yd 2 + Yr = Yd 2 + (Yr1 - Yr2) Zd2 = Zd2 + Zr = Z d2 + (Zr1 Zr2)(7a) 而相乘校正则按下式进行修正: Xcd2 = Xd2 （X r 1/ X r2） Ycd2 = Yd2 （Yr1 /Yr2） Zcd2 = Zd2 （Z r1 /Z r2）( 7b) 式中, Xcd2、Ycd2、Zcd2 是校正后试样2对标准偏差观察者的三刺激值。如果同色异谱色对
15、对于标准观察者为同色, 则不需要进行本校正步骤, 因为Xcd2 = X d2、Ycd2 = Yd2、Zcd2 = Zd2 。 2.2.5 色差的计算 由三刺激值(Xd1, Yd1, Zd1 ) 和(X cd2, Ycd2, Zcd2 ), 可以求出同色异谱色对关于标准偏差观察者的色差E , 并推荐采用CIELAB色差公式进行计算。最后, 可以得到观察者同色异谱指数Mobs为: Mobs = E (8) 2. 3 CIE光源显色性评价 对光源颜色特性的评价主要有两方面内容。一方面是人眼直接观察光源时所看到的颜色, 其评价方法与物体色类似, 可以通过计算其三刺激值和相关色温来描述光源本身的颜色;
16、另一方面就是物体在光源照明下所呈现的颜色效果。研究照明光源对物体颜色的影响及其评价方法, 即光源的显色性问题。 人们通常习惯把物体在日光下所呈现的颜色认为是其真实颜色。同时, 由于白炽灯的发光特性与黑体比较接近, 所以在它的照明下, 人眼也能感受到物体的真实颜色。但是, 很多人工光源的特性, 并不完全与日光或白炽灯的特性相同, 而且它们还各自具有不同的色温, 所以在应用人工光源照明时, 需要一种检验方法, 以评价采用人工光源与日光或白炽灯照明同一种物体时的差别及其程度。 2.3.1 光源显色性 通常把照明光源对物体色外貌所产生的影响, 称为显色( color rendering), 而将光源固
17、有的显色特性, 称为显色性( color rendering property) 。光源的光谱分布决定了光源的显色性, 具有连续光谱分布的光源均有较好的显色性, 如日光和白炽灯等。另外, 由特定色光组成的混合光源也能具有很好的显色性; 如波长为450nm (蓝) 、540nm (绿)和610nm (橙) 的光谱辐射, 对提高光源显色性具有特殊的效果。所以, 采用这三种色光以适当的比例混合, 所产生的白光与连续光谱的日光或白炽灯具有同样优良的显色性。此外, 光源的色温和显色性之间没有必然的联系, 具有不同光谱分布的光源可能有相同的色温, 但其显色性可能差别很大。光源显色性影响着人眼所观察的物体颜
18、色, 在显色性良好的光源照明下, 物体颜色失真就小。所以, 与物体表面色相关的工业领域, 如纺织、印染、涂料、印刷、彩色摄影和彩色电视等, 必须考虑光源显色性对颜色复制及其评价的影响。为了比较光源显色性的优劣, C IE于1974年推荐试验色方法作为光源显色性评价的标准方法。对光源显色性进行定量的评价, 是光源制造工业评价光源质量的一个重要方面, 能为提高照明质量和改进光源的特性提供必要的技术参数。 2.3.2 CIE光源显色性指数的计算方法 CIE光源显色性评价方法是, 把待测光源下物体色外貌和参照照明体下物体色外貌的一致程度进行定量化, 并称之为显色指数( color rendering
19、index )。CIE 提出, 把普朗克辐射体作为评价5 000 K以下低色温光源显色性的参照标准, 并认为黑体的显色指数为100; 把标准照明体D作为评价色温在5 000 K以上的高色温光源显色性的参照标准。另外, 在评价光源显色性时, 采用一套共14种试验色。其中1 8号试验色代表了各种不同的常见颜色, 其饱和度适中、明度值接近相等, 用于光源一般显色指数和特殊显色指数的计算; 而9 14号试验色则是一些饱和色及皮肤色则专用于特殊显色指数的计算。通过测量并计算出这些试验色在参照照明体和待测光源照明下的色差, 便可求得待测光源的显色指数, 用以表征光源显色性的优劣程度。 2. 4 CIE推荐
20、的试验色方法 C IE 推荐的试验色方法, 以显色指数来定量评价光源显色性, 表示待测光源照明下的物体颜色与参照照明体下的物体颜色相符合的程度。C IE推荐用于检验光源显色性的14种试验色的光谱曲线。 用于光源显色指数计算14 种试验色的光谱辐亮度因数设由CIE 提出14种试验色, 在参照照明体和待测光源的照明下其对应的色差为E I ( I为试验色的序号, 即I = 1, 2, 3, , 14), 则由此可计算出各种试验色的特殊显色指数( special color rendering index) R i 为(取整数, 小数四舍五入) RI = 100 - 4. 6E(I) 光源的显色指数愈
21、高, 其显色性就愈好。如果RI= 100, 表示该号试验色样品在待测光源与参照照明体照明下的色品坐标一致。由1 8号试验色求得的8个特殊显色指数取平均值, 称为一般显色指数( genera l color rendering index )R a. 2.4.1 参照照明体的选择 按照CIE 的光源显色性评价方法, 原则上采用黑体辐射或标准照明体D作为参照照明体。因此, 在评价待测光源的显色性时, 首先用实验方法确定其色温, 以选择合适色温的参照标准。当待测光源的色温大于5 000 K 时, 选择标准照明体D 作为参照标准; 而色温小于5 000 K 时, 则选择黑体辐射作为参照照明体。同时,
22、在选择参照标准的色温时, 应使待测光源与参照照明体具有相同或相似的色品坐标, 即两者之间的色品差C 应小于5.4, 它相当于在普朗克辐射轨迹上15 Lrd ( 麦勒德)的差别 1麦勒德= 106 /T c ( K) 。色品坐标为( u k, v k ) 的待测光源与色品坐标为( u r, v r ) 的参照照明体之间的色品差C 为: C = (u k u r) 2 + (v k - v r) 2 1/2 (11) 式中, 下标k 表示待测光源; 下标r 表示参照照明体。 2. 4. 2 待测光源及试验色在待测光源照明下的色品坐标计算 在精确测定待测光源的光谱功率分布的基础上, 可以求得其三刺激
23、值( X k, Y k , Z k ) 和色品坐标( x k , y k ) , 再根据C IE1960 UCS色品坐标的计算公式, 便可计算出待测光源的C IE1960 色品坐标( u k , v k ): u = 4x - 2x + 12y + 3 d = Iv (1. 708v + 0. 404 - 1. 481u) v = 6y - 2x + 12y + 3 (15) (12a) 2. 4. 4 颜色的总色位移计算 或在色差计算中, 采用CIE1964 均匀颜色空间, u = 4X + 15Y + 3Z 所以需要将各试验色在参照照明体和待测光源v = 6X + 15Y + 3Z下的色度
24、参数变换为( W* , U* , V* ) , 即 :(12b) 采用同样的方法, 可以计算得到各种试验色在 待测光源下的色品坐标( x k, I, y k, I ) 和( u k, I, v k, I ), 其中下标I为试验色序号, 并且色品坐标 的计算精度应精确到小数点后四位。 2. 4. 3 色适应修正 物体的颜色感知除了与照明光源的光谱功率 分布及物体本身的光谱辐亮度因数等光度特性 有关之外, 还与人眼的适应状态相关。例如, 人 眼在日光下观察某颜色后, 若将该颜色样品移到白炽灯下观察, 则在开始观察时会发现颜色与日光下有些差别, 但过了一会儿, 人眼很快又能正确分辨原来在日光下观察到
25、的颜色, 而且会感觉到颜色并没有发生变化, 通常将该过 程称为色适应。一般, 色适应现象发生在照明光 源的光谱功率分布和物体的光谱光度特性分布 曲线均为平滑的情况。在进行光源的显色性评价时, 待测光源的色品坐标一般与参照照明体的色品坐标不相同, 但是由该色品坐标之差造成的物体颜色偏移却因为色适应效应而得到补偿。为了处理待测光源和参照标准照明下的色适应, 首先将待测光源的色品坐标 ( u k, v k ) 调整为参照照明体的色品坐标 ( u r , v r ), 即: U ck= u r ckv ck=v r ck (13) 然后, 将各种试验色的色品坐标( u k, I, v k, I) 也按
26、下式修正 为( u ck, I, v ck, I ): U ck, I = 10. 872 + 0. 404 c r ck c k, I - 4 d r d k d k, I V ck, I = 5. 52016. 518 + 1. 481 c r ck c k, I d r d k d k, I (14) 式中, c r、d r、ck、d k、ck, I、d k, I 分别为由参照照明体、待测光源 和待测光源下各试验色的色品坐标u r、v r, u k、v k, u k, I、v k, I , 按下式计算的因数: c = Iv (4. 0 - u - 10. 0v) W*r, I= 25(Y
27、 r, I) 1/3 - 17 U*r, I= 13W*r, I (u r, I u r) V*r, I = 13W*r, I (v r I - v r) (16) 和 W*k, I = 25(Y k, I) 1/3 - 17 U*k, I = 13W*k, I (u ck, I - u ck) V*k, I = 13W*k, I( v ck, I - v ck ) (17) 由此, 利用CIE1964 色差公式, 可以进一步计算出各试验色I( I = 1, 2, 3, , 14)分别在待测光源和参照照明体照明下的色差, 即颜色的总色位移为: E = ( U*r, I - U*k, I ) 2
28、 + ( V*r, I- V*k, I) 2 + (W*r, I - W*k, I) 2 1/2 = (U*I ) 2 + (V*I) 2 + (W*I ) 2 1/2( 18) 2. 4.5 显色指数的计算对于CIE 的1 14号各种试验色, 其特殊显色指数可按式( 9)计算。 由C IE的1 8号试验色的特殊显色指数求取平均值, 即可按式( 10)计算出一般显色指数。通常按一般显色指数可将光源的显色性分成: 优(R a = 100 75), 一般(R a= 75 50), 劣(Ra 50)三个质量等级, 作为对光源显色性的定性评价。如白炽灯、卤钨灯和镉灯等光源的显色指数较高, 一般为85左右, 常用于彩色电影、彩色印刷、纺织工业等色重现要求高的场合; 荧光灯的显色指数为70 80, 可用于一般的照明; 高压汞灯和钠灯等的显色指数较低, 通常低于50, 故不宜用于辨色等视觉工作。显色指数是定量地评价光源色还原性能质量的重要指标, 表1列出了一些常用光源的显色指数 11 , 以供参考。 表1 各类常用光源的显色指数 光源一般显示指数R a 热辐射光源 白炽灯95 100 卤钨灯95 100 关于纺织色差评语推荐
