（光学工程专业论文）物体表面色的光电积分型测量及其色差评价研究.pdf

浙江大学硕 i 学位论文 y 6 8 9 1 0 1 摘要 本课题在相关色度学理论的基础上， 设计了一种采用光电积分型测量方法对 物体表面颜色外貌进行测量并对其予以色差评价的检测系统。 本论文主要对该系 统设计方案在对颜色样品的离线测量方面进行了说明和验证， 同时针对本系统的 扩展应用即在线颜色监测进行了探讨。仪器采用硅光电池作为光电探测传感器， 以a t 8 9 c 5 2单片机为控制核心，可独立地完成对色样的颜色测量、色度数据存 储、 数据分析以 及色差报告等功能。 为了突破单片机系统的资源限制， 可通过串 口 通信， 利用p c的颜色质量管理软件对仪器进行远程控制和颜色测量， 并实现 了 测试色样的色度学评价和分类管理， 同时可以查看各种颜色参数以 及直观详尽 的色差分析报告。 全文共分七章。第一章为绪论， 介绍了颜色测量及色差评价在国内外的纺织 印染、 制浆造纸等相关工业领域内应用的历史和现状， 说明了在工业生产中进行 准确的颜色测量和科学的色差评价的重要性， 并在此基础上提出了课题的 研究方 向。 第二章简要介绍了本课题设计中 所涉及到的 相关理论和知识背景， 是本文的 理论基础部分。 第三章给出了本系统的总体设计方案， 介绍了仪器的总体结构设 计、 仪器定标以及颜色测量方案， 以便在此基础上将系统设计分为硬件系统和软 件系统并分别展开论述。 第四章为硬件设计， 从功能构成及其电 气原理方面对系 统的各个子功能进行阐述， 并对各个子系统的功能实现提出了切实可行的解决方 案。 第五章是单片机系统软件设计部分， 对照硬件设计方案并结合软件流程， 对 仪器各个主要功能模块的操作过程及其核心算法的实现进行了详细的剖析。 第六 章主要介绍p c颜色管理软件及其系统的扩展， 给出了一种使用个人计算机( p c ) 来远程控制仪器以实现对样品颜色的测量， 并在此基础上进行测试数据的分组管 理、 直观显示以及详细色差报告的软件实现方法; 同时， 进一步讨论了该仪器在 用作在线颜色监测时， 其配套的p c控制软件的设计思想和主要功能的实施方案。 第七章基于测色色差计检定规程的国家标准， 采用中国计量科学研究院提供的一 套标准色板对本仪器的稳定性、 重复性和示值误差 ( 准确性) 等指标进行了计量 测试和评价， 对测量结果的详细分析和讨论表明， 本课题设计的测色系统具有优 异的技术性能， 完全满足相关工业应用的实际需要; 最后， 在对本课题相关研究 和技术进行总结的基础上，对本系统可能的改进方向进行了展望。 关键词: 物体表面色、 光电积分型、 色差评价、 颜色质量管理、 色度学、 单片机、 通信协议。 浙江大学硕士学位论文 abs tract o n t h e b a s i s o f t h e r e l e v a n t t h e o ry o f c o l o r i m e t ry , a t e s t s y s t e m i s d e s i g n e d f o r o b j e c t c o l o r a p p e a r a n c e m e a s u r e m e n t a n d i t s c o lo r - d i ff e r e n c e e v a l u a t i o n u s i n g p h o t o e l e c t r i c i n t e g r a t i n g m e t h o d . i n t h i s d i s s e rt a t i o n , t h e s c h e m e o f t h i s s y s t e m i s m a i n l y f o r t h e a p p l i c a t i o n o f o ff - l in e c o l o r m e a s u r e m e n t ; m e a n w h i l e , a s o n e o f i t s e x t e n d e d u s e , a n o n l i n e c o l o r m o n i t o r in g c o n f i g u r a t i o n i s a l s o d i s c u s s e d . t h e d e s i g n e d i n s t r u m e n t t a k e s p h o t o d i o d e s as i t s d e t e c t o r s , a n d t h e s i n g l e - c h i p m c u n a m e d a t 8 9 c 5 2 as t h e c o r e p r o c e s s o r a n d c o n t r o l u n i t , w h i c h i s r e s p o n s i b l e f o r t h e a l l f u n c t i o n s s u c h a s s i g n a l s a m p l i n g , d a t a s t o r a g e a n d a n a l y s i s , a n d r e s u l t d i s p l a y o n l c d o r o u t p u t v i a m i c r o - p r i n t e r . i n a d d i t i o n , c o l o r q u a li t y m a n a g e m e n t s o ft w a r e o f p e r s o n a l c o m p u t e r i s d e s i g n e d f o r t h e e q u i p m e n t r e m o t e c o n t r o l a n d c o l o r m e a s u r e m e n t b y r s - 2 3 2 o f s e r i a l p o rt c o m m u n i c a t i o n . t h e p c s o ft w a r e c a n p r o v i d e t h e c o lo r i m e t r i c e s t i m a t i o n a n d s a m p l e m a n a g e m e n t o f c o l o r p r o d u c t s , a n d c a n b e u s e d t o e x a m i n e a l l k i n d s o f c o l o r p a r a m e t e r s a n d d e t a i l e d c o l o r - d i ff e r e n c e e v a l u a t i o n r e p o d ， t h i s d i s s e rt a t i o n c o n s i s t s o f s e v e n c h a p te r s . i n t h e f i r s t c h a p t e r , t h e c u r r e n t c i r c u m s t a n c e o f c o l o r r e l a t e d i n d u s t ry i n t h e w o r l d a n d t h e i r h i s t o ry a r e d e s c r i b e d a n d t h e a c c u r a t e c o l o r m e a s u r e m e n t i s e m p h a s i z e d o n f o r i t s im p o rt a n c e i n i n d u s t r i a l a p p l ic a t i o n s , s o t h a t th e o b j e c t iv e a n d t as k o f t h i s s t u d y a r e p r e s e n t e d . t h e 2 n d c h a p t e r i n t r o d u c e s t h e r e l a t e d t h e o r i e s a n d b a c k g r o u n d o f c o l o r m e a s u r e m e n t a n d e v a l u a t i o n . t h e 3 r d c h a p t e r p r e s e n t s t h e o v e r a l l s c h e m e t h a t c o n c e rn s a b o u t t h e d e s i g n o f t h e s y s t e m s c o n f i g u r a t i o n , c o l o r i m e t r i c c a l i b r a t i o n a n d m e as u r e m e n t m e t h o d . i n t h e 4 h c h a p t e r , t h e h a r d w a r e o f t h i s s y s t e m i s d e s c r i b e d w i t h t h e d i ff e r e n t m o d u l e s i n d e t a i l s , a n d t h e a p p l i c a b le m e t h o d s t o im p l e m e n t t h e s e f u n c t io n s a r e a l s o i s s u e d . c h a p t e r 5 i s a b o u t t h e s o ft w a r e s t u d y i n t h e s i n g l e - c h ip m i c r o - c o m p u t e r . t h e r e a r e m a n y p r o c e d u r e s as s o c i a t e d w it h fl o w d i a g r a m s o r c o d e s , w h i c h m a k e t h e s y s t e m r u n i n a n e a s y a n d e ff e c t iv e w a y . t h e 6 h c h a p t e r in tr o d u c e s th e d e s i g n d e t a il s o f t h e c o lo r m a n a g e m e n t s o ft w a r e o n p c , w h i c h r e a l i z e t h e c o l o r m e a s u r e m e n t b y r e m o t e c o n t r o l v i a r s - 2 3 2 w it h t h e i n s t r u m e n t . f u r th e r m o r e , t h e p r o j e c t s c h e m e f o r o n l i n e c o l o r m o n it o r i n g a p p l ic a t i o n o f th i s e q u ip m e n t i s a l s o p r e s e n t e d . t h e f i n a l 7 h c h a p t e r g iv e s t h e s t a b i l i ty , re p e a t a b i l i ty , a n d a c c u r a c y o f t h i s s y s t e m b a s e d o n t h e a c t u a l m e a s u r e m e n t s o f t h e f i v e c o lo r s t a n d a r d s , i .e . w h i t e , r e d , g r e e n , b l u e , a n d y e l l o w , a c c o r d i n g t o t h e r e l a t e d n a t i o n a l t e s t r u l e s o f c h in a , w h i c h s h o w t h a t t h i s i n s t r u m e n t t 浙江大学硕士学位论文 p o s s e s s e s g o o d p e r f o r m a n c e a n d c a n m e e t s t h e d e m a n d s o f i n d u s t r i a l p r a c t i c e s ; a t t h e e n d o f t h i s d i s s e rt a t i o n , t h e re s e a r c h w o r k a n d r e l a t e d t e c h n o l o g y i s s u m m a r i z e d ， a n d s o m e p o s s i b le i m p r o v e m e n t s a r e p r o s p e c t e d s o t h a t m o r e e x c e l l e n t p e r f o r m a n c e o f t h i s s y s t e m i s l o o k e d f o r w a r d k e y w o r d s : o b j e c t c o l o r a p p e a r a n c e , p h o t o e l e c t r ic i n t e g r a t i n g m o d e , c o l o r - d i ff e r e n c e e v a lu a t i o n , c o l o r q u a l i t y m a n a g e m e n t , c o l o r i m e t r y , s in g l e - c h i p m i c r o - c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l . 浙江人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 颜色科学的现状及其工业应用 在纺织、印染、造纸、塑料等工业生产中，保证颜色产品质量的首要问题之 一就是尽可能地使其颜色外貌与标准色样一致，减少色差，从而对产品的色差检 测技术提出较高的要求。在颜色科学发展的初期，目视法是主要的测色手段，但 是这种方法因为受到照明条件、背景亮度、材料光泽、纹理、大小形状及测色人 员视觉和心理上的差异等方面因素的影响，缺乏准确性；即使采用同一个人多次 重复判定或者不同人员的平均判定，其结果仍然会出现相当大的离散性和随机误 差。 基础色度学给出了如何用科学的方法来定量地描述一种颜色，也给出了判定 两个色样是否匹配的条件，即两个色样在某一光源的照明下，如果对应的三刺激 值x 、y 、z 分别相等，则这两个色样在该光源下为条件等色，反之则认为两个 色样之间存在色差。但是，由于在c i e x y z 系统中不可能得到一个适合所有颜 色区域的统一色差宽容度，因此颜色产品的色度参数无法通过量化的手段来监控 和传递。鉴于此，研究一种新的色差公式和颜色空间，使计算的色差值与目测结 果一致，且该颜色空间本身具有很好的均匀性，这已成为现代颜色科学领域的主 要研究目标之一。 在1 9 3 1 1 9 7 6 年划，颜色科学工作者以各自涉及的领域以及在该领域内所 积累的实际数据为基础，提出了各种各样的色差公式，如a n l a b “2 1 、f m c f i 和h u n t e r 3 - 4 1 等公式。由于不同的色差公式之间无法相互转换，使得不同公式的 计算结果不具可比性，而且很多公式的使用效果并不能让人满意，这给实际的工 业应用带来很大不便。为了结束这种混乱的局面，统一色差评定的方法，国际照 明委员会( c i e ) 对众多的色差公式进行了对比和评估，并于1 9 7 6 年正式推荐 了c i e l a b 5 - 7 1 均匀颜色空间及其对应的色差公式，统一了色差公式的应用。 在c i e l a b 颜色空间中，不同区域的色差容限相对比较接近，颜色样品在此 空间中的位置由三维的直角坐标表示。l 、a + 、b + 的值可以从三刺激值( x 、y 、 z ) 计算出来，其中l 表示颜色的明度，a + 表示该颜色在红一绿轴方向的投影位 置，b 则表示颜色在黄一蓝轴方向的投影位置。在此颜色空间中，视觉对色差的 可察觉性可以用椭球体来表示，球体的三个轴分别代表明度、饱和度( 彩度) 和 色调，其大小由该颜色在颜色空间中的位置所决定( 如该球体在黄色区域时比绿 浙江大学硕十学伉论文 色区域变得更狭长) 。由于c i e l a b 极大地改善了c i e1 9 3 1 色度系统的不均匀性， 从而使得采用色度学来对产品颜色质量进行评价具有可行性。工业界基于 c i e l a b 色差公式制订了最初的针对颜色测量和色差评价的国际标准。而我国也 根据国际标准制订了与之对应的各个行业标准。 随着科学技术的发展，人类制造工具的能力也不断提高，各种测色仪器也应 运而生，如八十年代出现的离线测色仪和八十年代后期出现的在线测色系统等。 使用色度学原理的仪器代替人眼对色差进行测量和色差判定是工业生产中的一 个重要进步，由此可对物体颜色的差异作 客观的评价，不仅实现了统一的工业 检测标准，也使产品的颜色信息能够以量化的形式进行传递和质量控制。目前， 测色色差计在对产品颜色质量要求比较严格的场合已经得到了广泛的应用。如图 1 1 所示分别为( a ) 美国x r i t e 公司和( b ) m a c b e t h 公司制造的两种商用色差 测量仪器。 ( a ) x - r i t es p 系列色差计 ( b ) m a c b e t h 色差计 图1 1 商用色著测量仪器 造纸及纺织、印染等行业不仅要求能够测量纸张和纺织品的颜色，而且还要 测定纵向、横向一定距离点之间的色差以及与标准色之间的色差。若超差则给出 误差信号来控制生产过程，使颜色的变化符合要求。可见，对色样的实时和准确 的在线检测，是其中的关键技术。 目前，国内纺织印染和造纸等行业大多使用离线测色法，检验人员利用色差 计等仪器对产品进行检测，而在生产线上则由经验丰富的工人进行目视测色，因 此，难以满足高质量产品的要求。 一些发达国家对在线测色很重视，早在六十年代i d l 公司就已研制出样机 七十年代末美国m a c b e t h 公式生产的m s 4 0 4 5 在线分光光度计趋于实用阶段， 浙江大学硕十学位论文 八十年代初日本s h i b a n r a 电气有限公司研制的在线颜色测量装置也获得了较好 的结果。下图所示为m a c b e t h 公司生产的在线色差监测仪器。 图1 2m a c b e t h 在线色差监测仪 1 2 颜色测量的方法 颜色测量可以使用三种不同的方法f 3 】，即日视法、分光光度法和光电积分法。 目视法是种古老的、但同时也是色度测量的最基本方法，它用目视比较色 样对中被测色样与标准色样之间颜色的差别。实际操作时，应该在规定的c i e 标准照明体下进行，一般可采用标准a 光源、模拟d 6 s 照明体或“北窗光”照明。 进行目视比较测量时，应具有一定的亮度水平，使人眼的锥体细胞处于工作状态， 同时也应按照c i e 的规定选择合适的视场范围。观测者感觉到的颜色表现即颜 色的外貌在很大程度上受制于观测者的主观心理因素，往往因人而异，故目前已 很少采用。 分光光度法测量颜色主要是测量物体反射的光谱功率分布，然后再由这些光 谱测量数据通过计算的方法求得物体在标准照明体下的三刺激值。这是一种精确 的颜色测量方法，但是成本较高，过程相对复杂，而且速度较慢。 光电积分法是通过把探测器的光谱响应匹配成所要求的c i e 标准色度观察 者光谱三刺激值曲线，或某一特定的光谱响应曲线，由此对被测量的光谱功率进 行积分测量。该方法的测量速度快，而且也具有相当的测量精度( 取决于探测器 光谱灵敏度满足卢瑟条件的程度) ，可满足大多数场合下的色貌测量要求。 浙江大学硕十学位论文 1 . 3本课题主要研究内容 随着工业的进步和颜色科学与工程技术的不断发展，c i e l a b均匀颜色空间 及其色差公式的缺陷逐渐被发现，已经不能适应工业生产的需要。为了改善 c i e l a b色差公式的均匀性， 国际照明委员会在c i e l a b的基础上推出了先进的 色 差 公 式， 如c m c ( i :c ) 0 , c i e 9 4 “ 一，6 j , c i e d e 2 0 0 0 e ii -2 1 等， 其中c m c ( i :c ) 已 经被确立为国际纺织行业标准制订的依据，而 c i e d e 2 0 0 0 是目 前最新的色差评 价模型。 为跟随色度学的发展和不断地适应实际工业生产的需求， 希望有一种仪 器可以对色样颜色进行准确测量并对其色差进行科学的评价， 以期评价结果能够 更贴切地反映色样间的颜色视觉差异， 从而正确地判别产品的颜色质量， 并能够 由 此达到对生产过程的科学有效控制。 本课题将在以下几个方面展开研究: 1 .从颜色测量的原理出发， 对光电 积分式测色仪器的 颜色测量方案、系统定标 以及色差评价方法进行分析和设计， 并探讨提高仪器颜色测量精度的相关技 术。 2 .研究开发一种能够用于纺织品、 纸张等工业产品的离线颜色测量并基于色度 学标准进行科学的色差评价的实用仪器。 3 将离线测色仪器进行扩展应用研究，使之适于在线色差监测的要束。 浙江大学硕士学位论文 第二章 颜色测量相关理论基础 2 . 1标准照明体和标准光源 在现实生活中，人们所见的缤纷世界都处于不同光源的照明之下，其中包括 如日 光等自 然光源和各种灯光等人工光源。随着天空云层、季节、地点的不同， 日 光的光谱分布会有显著的差别; 人工灯光的种类繁多， 其光谱分布更是有着很 大的不同。 物体的颜色与照明光源有着密切的关系， 同一物体在不同光源的照明下会呈 现不同的颜色， 这一因素给颜色测量的可重现性带来了不便， 也影响了颜色信息 的交流。 为了统一颜色的评价标准和进行色度计算， c i e对于颜色的测量和计算 推 荐 了 几 种 标 准 照 明 体 和 标 准 光 源， 其 中 包 括 标 准 照 明 体 2 2 -2 4 1 a , b , c 和d 5 5 d e s , d 7 5 等多种照明 体d ，以 及标准光源a , b 和c 。 这样， 对颜色的 评价可以 在 c i e规定的照明体或光源下进行，具有了统一的标准。 2 . 1 . 1标准照明 体 标准照明体a代表了绝对温度2 8 5 6 k ( 1 9 6 8 年国际实用温标)的完全辐射 体的辐射，它的色品坐标落在c i e 1 9 3 1 的黑体轨迹上。 标准照明体 b代表相关色温约为 4 8 7 4 k的直射阳光。 标准照明体 c则代表相关色温大约 为6 7 7 4 k的 平均昼光， 它的 光色近似于 阴天的天空光。标准照明体d代表各时 相日 光的相对光谱功率分布， 也被称之为 典型日 光或重组日 光。由于其与实际日 光具有很相近的相对光谱功率分布，并 且比标准照明体b和c更符合实际日 光 的色品。虽然对于任意相关色温的d照 明体的光谱分布都可以由公式求得。但 是c i e 优先推荐d 5 5 , d 6 5 , d 7 5 的相对光 谱功率分布作为代表日光的标准照明 0 77 o o 8 0 0 ( n m ) 图2 - i c i e标准照明体 d 5 5 , d 6 5 及d r s 的 相对光谱功率分布 体。图2 - 1 给出了d照明 体的 相对光谱功率分布曲 线。 浙江大学硕士学位论文 c i e标准照明体d 6 5 是以 在地球卜 不同 地点对日 光进行光谱辐射检测的大量 数据为基础， 总结出的一组相对光谱功率分布数据， 它的相关色温是6 5 0 0 k 。 标 准照明体d 6 5 近似平均自 然昼光， 与整个天空的散射光和阳光同时照射在 一个水 平面上的 情况有很好的一致性。它是相关色温从 6 0 0 0. 7 0 0 0 k范围内的“ 全球 日 光” 的平均值， 而“ 全球日 光” 一般认为是在任何地方的日出后两小时到日 落 前两小时的日 光及从多云到晴朗的天空光的平均相对光谱功率分布。 c i e同时推 荐有标准照明休d 7 5 和d 5 s ，分别用于表示天空散射光和照射在特定平面上的日 光， 其相关色温分别为7 5 0 0 k和 5 5 0 0 k 。为了达到颜色测量的标准化，在可能 的 情况下， 应尽量使用标准照明体d 6 5 ，而d 7 5 和d 5 s 一般作为在特定场合下的 替代光源。 2 . 1 . 2标准光源 c i e 规定的标准照明体是指特定的光谱能量分布，是规定的光源颜色标准。 标准照明体不一定必须由 一个光源直接提供， 也并不一定用某一光源来实现。 为 了实现 c i e规定的标准照明体要求，还规定了相关的标准光源，以具体实现标 准照明体所要求的光谱能量分布。c i e推荐的标准光源a , b , c的光谱功率分 布如图2 - 2 所示。 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 b 0 0 波长 ( 二) 图2 - 2 c i e 标准光源a , b和c的相对光谱功率分布 标准光源a由分布温度为2 8 5 6 k的充气钨丝灯实现。如果要求更准确地实 现标准照明体 a的紫外辐射光谱分布，推荐使用熔融石英或玻璃壳带石英窗口 的灯。 标准光源b由a光源加罩b型戴维斯一吉伯逊( d a v i s - g i b s o n ) 液体滤光器 组成，其光色相当于中午日光。 浙江大学硕十学位论文 标准光源c则山a光源加c型戴维斯一吉伯逊 ( d a v i s - g i b s o n ) 液体滤光器 实现，以产生分布温度为6 7 7 4 k的光谱辐射。 2 . 2均匀颜色空间及色差公式 2 . 2 . 1 1 9 7 6 年以前的早期色差公式 在1 9 3 6 -1 9 7 6 年间， 前后共发表过多个色差公 式， 因 无统一的 标准和约定， 颜色科学工作者纷纷以所涉及到的数据、 产品和领域为基础， 提出了各自 的色差 公 式。 这 些 色 差 公 式 可 划 分为 三 类 12 5 1 ， 第 一 类 公 式 是以m u n s e 11 12 6 -2 7 1视 觉 颜 色 系 统为基础对 c i e色品图进行线性变换，第二类是直接对c i e色品图进行线性变 换推导出的色差公式， 第三类是以m a c a d a m的实验数据 ( 2 5 组椭球数据) 为基 础的色差公式，其中较具影响力的有f m c - i i 和h u n t e r 等公式。 ( 1 ) f m c - i i ( f ri e l e - m a c a d a m - c h i c k e r i n g ) 色差公式 、!.广1.j c-b - 2产.且.，、 戊 + 、!j c-b - f - c一a 一 /1esee、 药 十 、，11/ 些 厂it、 凡 !lesl 一一 a e f m c - ii ( 2 - 1 ) 其 中 的 参 数k , , k 2 , f , 1* , a , b , a l , a c ,- , , q 一 。 的 定 义 如 下 所 示 : k , 二 0 .5 5 6 9 + 0 .0 4 9 4 3 4 y 一 0 .8 2 5 x 1 0 - 3 y 2 + 0 .7 9 1 7 2 x i o - 5 y ， 一 0 .3 0 0 8 7 x 1 0 - y k 2 = 0 . 1 7 5 4 8 + 0 .0 2 7 5 5 6 y 一 0 .5 7 2 6 2 x 1 0 - 3 y 2 + 0 .6 3 8 9 3 x i vy ， 一 0 .2 6 7 3 1 x 1 0 - y ( 0 0 .0 0 8 8 5 6 ， 对于不符合这一要求的极深颜色， 采用 上述公式会引起色空间的畸变，导致很大误差。为解决这一问题p a u l i 提出了一 个解决办法并被c i e 所采纳，即c i e l a b深色修正公式。 c i e 1 9 7 6 l * a * b ; 均 匀 颜色 空 间 是 一 个 三 维 体 系，a . 和b 组 成的 平 面 表 示 颜色 的彩度， l 表示颜色的明 度。自 从该色差公式推出以 来， 在工业界得到了 广泛 的应用， 特别是在染料或颜料制造、 涂料、 纺织印染、油墨、 塑料着色等行业的 产品颜色质量控制中有着很重要的地位。 这一色差方程可将一对样品的总色差分 解成明度差、 饱和度差和色调差， 这一点在实际应用中意义重大。 例如对于染料 制造行业来说， 同样数值的总色差如果是由色调差或饱和度差所引起， 则可能会 造成产品的不合格，但若主要是由明度差所造成，则可通过调整来降低色差。 i , = 9 0 3 .3 ( y / o ) a 一 5 0 0 f ( x / x , ) 一 f ( y / y . ) b 一 2 0 0 f ( y / o ) 一 f ( z / z 0 1 f ( x / x o ) = 7 .7 8 7 ( x / x o ) + 1 6 / 1 1 6 ( 2 - 8 ) f ( y / y o ) 一 7 .7 8 7 ( y / y o ) + 1 6 / 1 1 6 f ( z / z o ) = 7 .7 8 7 ( z / z o ) + 1 6 / 1 1 6 1 9 7 6 年以后， c i e 推荐的 色差公式特别是c i e l a b色差公式得到了广泛的应 用，由于其在当时是效果最好的色差公式，国际标准化组织 ( i s o )以 及许多国 家标准化组织都由此制订了各自 相应的标准。 2 .2 .3 1 9 7 6 年以后的新近色差公式 尽管c i e l a b 颜色空间在一定程度上消除了不同 颜色区域容限的差别， 但它 浙a l 大学硕十学位论文 仍然不是一个完善的均匀颜色空间， 因为在不同颜色区域内， 色差的均匀性仍表 现出差异。 如果真正达到目 测一致性， 颜色空间任意波长区域的宽容度椭圆应该 变为圆，而且具有统一的尺寸。但是，在 c i e l a b空间中，在接近原点的区域 其椭圆的尺寸最小， 而且椭圆会随着色样彩度的增加而变得狭长， 同时在某些蓝 色区域，椭圆并不指向原点2 9 1 。 在考虑小色差情况下， 它的结果更是表现出了 与实际 结果的 不符3 0 1 。 为了 使颜色的 视 觉评价与 色差公 式计算结果更 好 地吻合， c i e对c i e l a b空间 进行了 修正， 在不同阶段分别推荐了c m c ( i :c ) , c i e 9 4 , c i e d e 2 0 0 0等先进色差公 式， 使其计算结 果与目 测评 价的 一致性有了 不同 程度 的改善，而且对所有颜色的产品可使用近似统一的色差界限值来判定其是否合 格，从而改进工业生产中对颜色质量的控制和管理。 ( 1 ) c mc ( i : c ) 色差公式 、一 (al*ah) 2 + dc ,e l2 + d h a) 21-s, c-s, j c sh l ( 2 - 9) 式中，s l s c , s 。 为各个量的 权重因子，由下式进行确定: 、!|!llllweeseses s , 一 0 .0 4 0 9 7 5 l ory.,/ ( 1 + 0 .0 1 7 6 5 l 7, ., ( l an. 2 : 1 6 ) 又= 0 .5 1 1 ( r ab., ， “ ) s c 一 0 .0 6 3 8 0 *l .,/ ( 1 + 0 .0 1 3 10 , ) s= s c. ( t f + 1 一 f) f 一 j (c ,ob 1)4/ (0 % n j)4 + 1900 ) t 二 0 .3 6 + i0 .4 c o s ( h , ， + 3 5 ) 1 ( h a, ， (1 6 4 ,3 4 5 ) ) t 一 。 .5 “ 十 0 .2 c o s ( h , ， 十 1 6 8 ) 1 ( k , , ,=- ( 1 6 4 ,3 4 5 ) ) +0 . 6 3 8 ( 2 - 1 0) 对于可察觉性色差，推荐1 = c = 1 ;对于色匹配可接受性色差，可取1 = 2 , c=1. ( 2 ) c i e 9 4 色差公式 浙江大学硕士学位论文 、= . ii 一 a f , iz + i ac , 1 , r a 一 ) v 气 气. s , 少 又 k ,. 凡少 又 匆 ， 匀 ， 少 ( 2 一 1 1 ) 式中的权重因子为 =l = 1 + 0 .0 4 5 c , ., = 1 + 0 .0 1 5 c f , , ( 2 - 1 2 ) 51又凡 在该模型推荐的标准评价条件下，可取k l = l c = k h = 1 ; 在纺织工业应用中，建议 采用 k i =2 , k c = k ,a = 1 。 ( 3 ) ci e de 2 0 0 0 ae ,.。一 ( g ab )2 + l acab )2 +c r ah )2k,. -s, k,. - s, k -s, 、 茱ocah ah oek .s .kl .sh ) (2-i3) 式中，s l , s c , s 。 分别为明度、 彩度和色调的权重因子，而k l , k c , k h分别 为可调参数因子， 使用者可根据不同的被测物体来选择不同的参数组合以期达 到最佳的色差评价结果。 2 . 3 5 5 5 ”系统 在纺织和造纸行业中，色差容限的实际应用之一是如何把产品进行色调分 类，为此工业中 通常使用一种称为 “ 5 5 5 ”的系统分类方法。如果己知有一标准 色样及与标准色样相差的允许色差容限， 那么， 可以将以标准色为中心的色差容 限空间分为很多小立方体， 色差容限空间由 x , e a , o b ， 来确定。 一般将标准 色定义为5 5 5 ， 并把a 、o a、4 b 分别进行九等分， 形成7 2 5 个小立方体， 其 它颜色与标准色的差异用比 5大或者小的数字来表示。例如某一颜色经测量为 6 5 5 ，则表示色调与标准色相同，在颜色的明度上相差一度;又如 5 5 6 ，是表示 颜色在明度以及红绿方向上与标准色一致， 但是黄的方向多了一度。 5 5 5 ” 系统 在纺织、 造纸等工业中己 成为一种较好的分色方法， 可用于产品销售和库存的 科 学有效管理。 浙江大学硕十学位论文 2 . 4 2 . 4 . 1 白度、黄度及变黄度 白度 在纺织品、 纸张、涂料和塑料加工中，白 色产品的生产是工业中的一项重要 任务，因此白 度的测量在j : 业和商业等方面进行产品质量评价时具有重要意义。 但是， 因白 度的视觉判别受到很多因素的影响， 如观测的几何条件、 观察者的爱 好以及其心理因素等， 因此要合理地提出能够被普遍接受的白度公式， 长期以来 有很大的争论。 迄今表示白 度的公式已经超过了一百个， 而且不同行业也往往采用不同的白 度评价公式作为本行业的标准方法。 国际照明委员会为推荐和使用统一的白度公 式做了 大量的 工 作， 在g a n z白 度公式3 1 基础上， 推 荐了 一 个评价非 荧光白 度 样品的相对评价方法。鉴于荧光白 度样品评价的复杂和对光源的严格要求， c i e 目前不推荐该方法应用于荧光白 度的评价， 但在实际应用中可以用于荧光白度的 相对评价。 在色度学家g a n z多年的白 度研究工作基础上， c i e推荐下列双参数白 度公 式作为相对白 度的评价方法: w = y + 8 0 0 ( 6 一 小 1 7 0 0 饥一 y ) t w = 1 0 0 0 ( x 6 一 x ) 一 6 5 0 ( y 6 一 y ) 4 0 砰 5 y一2 8 0 - 3 瑞 十 3 ( 2 - 1 4 ) w 。 一 y ,6 + 8 0 0 ( x 6 .1。 一 x ,6 ) + 1 7 0 0 ( y o .lo 巩0) 10yl t .lo = 1 0 0 0 ( x 6 .1。 一 x 1o ) 一 6 5 0 ( y o .lo 4 0 珍 。 5 x 。 一 2 8 0 - 3 1 . 2 5 2 . 1 0 2 . 9 5 4 . 1 0 5 . 8 0 8 . 2 0 _1 1 . 6 0 0 . 4 0 1 . 2 5 2 . 1 0 29 5 4 . 1 0 5 . 8 0 8 10 1 l 6 0 5 4 - 5 4 3-4 3 2-3 2 1 叹 1 灰卡级数的具体计算公式为 g s = 5 - a e 1 1 .7 ( 城 3 .4 ) ( 2 - 1 9 ) 2 .5 . 2沾色牢度的评价 分别测量在色牢度试验中与受试织物相接触的贴衬织物和空白试验中的贴 衬织物，并用下述公式转换为沾色的级数: a e , 一 二 一 。 .4 ( 二 ， - a p )z( 2 -2 0 ) 若沾色级数 ( s s r )在1 -4 级，则 s s r = 6 . 1 一 1 .4 5 1n ( 4 e c s ) ( 2 - 2 1 ) 若沾色级数大于4 级，则 s s r = 5 一 0 .2 3 a e 乙 ( 2 - 2 2) 在得到s s r的基础上，可以通过查表2 - 2 得到沾色牢度的评定级数。 浙江大学硕十学位论文 表2 - 2 沽色牢度灰卡级数评定 s sr 5 . 0 0 4 . 7 5 4 . 7 4 4 . 2 5 4 . 2 43 . 7 5 3 . 7 43 . 2 5 3 . 2 4 2 . 7 5 2 . 7 4 2 . 2 5 2 . 2 4 - 1 . 7 5 1 . 7 4 - 1 . 2 5 1 25 沾色牢度级数 5 4 - 5 4 3 - 4 3 2 - 3 2 1 - 2 1 浙江大学硕十学位论文 第三章总体方案设计 3 . ，总体结构 本课题的研究目的是设计一 种可行的颜色测量方案， 在对样品颜色进行准确 测量的基础上， 通过选择合适的色差公式来对被测色样和标准色样的色 差进行判 定， 并给出色差分析报告。 在这一思想的指导下， 将测试仪器规划为以下几个部 分， 其中主要包括可调恒流电源、 标准光源、 光学系统、 光电探测系统、 采样系 统、单片机系统以及p c机管理软件等。 1 )可调恒流电 源: 提供标准光源稳定工作所需的恒定工作电 流。 2 )标准光源:为样品的颜色测量提供照明 光源。 3 )光学系统:使光源发出的光辐射对被测色样表面进行均匀稳定的 照明， 反射光经过积分球的多次漫反射后被探测器接收，实现0 / d的c i e标准 测色照明与观察几何条件。 4 )光电 探测系统: 把探测器接收到的 光信号 转换为电 信号， 并进行精密和 高速的放大处理。 5 )采样系统: 包含信号 通道的自 动切 换、 模数 转换 ( a / d ) 等， 完 成对经 探测系统处理过的各个通道信号的采集和数字化，并将测试信号读入单 片机系统。 6 )单片机系统: 本系统采用a t m e l 公司的8 0 3 1 系列a t 8 9 c 5 2 ， 单片机系 统通过接收采样系统的信号，计算被测色样的三刺激值并实现被测结果 在不同表色系统之间的转换及显示。除对色样颜色进行准确