（机械电子工程专业论文）测色仪器系统的智能化、数字化技术研究.pdf

摘要 摘要 在印染、纺织等行业对产品的颜色要求比较严格，颜色测量成为评价产品 质量的重要依据和手段，因此针对颜色测量的各种仪器应运而生。测色色差计 是根据色度学原理和卢瑟条件设计的光电积分式智能测色仪器；为了提高工业 生产过程中广泛应用的光电积分测色仪的测试精度，分析、研究仪器误差成为 仪器设计的重要内容之一。基于此，研究了测色仪的误差问题和精度分析问题， 并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 面颜色进行测量并给予色差报告的检测系统。同时对本系统的扩展应用即颜色 仿真和在线测色进行了探讨。 论文提供了基于模糊神经网络( f n n ) 的非线性滤波器的方法，构建了一个 基于模糊神经网络( f n n ) 的非线性滤波器黑箱模型，解决了光电探g 的光谱 三刺激值曲线与c i e 标准色度观察者光谱三刺激值曲线的拟合问题、使其与观 察者在标准照明体下的光谱反应达到最佳，来提高测量的精度。测量嫂值结果 证明该方法是误差校正的准确有效的方法。 设计了仪器的硬件系统，仪器采用硅光电池作为光电探测传感器，以 c 8 0 5 1 f 0 2 0s o c 为核心的微控制电路系统，可以独立的完成对色样的颜色测量、 色度数据存储以及色差报告等功能。编制了测色系统软件，包括单片机软件系 统和上位机软件系统两部分。单片机系统软件用c 语言编写，实现仪器的各种 功能和全汉化操作。上位机系统软件用v c + + 6 0 编写，仪器界面更加友好。 研制的新型产品，通过了北京计量科学研究所的产品实验检测。采用的新 技术经过了中国科学技术信息研究所( 国家一级科技查新单位) 的技术查新。 并通过了北京市级鉴定，取得了测量方法发明专利、测头实用新型专利和机箱 外观专利。 关键词： 测色仪系统；智能化；数字化：误差修正 、 摘要 a b s t r a c t m a n yt r a d e si n c l u d i n gp r i n t i n ga n dd y i n ga n dt e x t i l ei n d u s t r ya r er e l a t e dt oc o l o r a n di t sm e a s u r e m e n t t h em e a s u r e m e n to fc o l o rh a sb e c o m et h ei m p o r t a n tm e a n so f e s t i m a t i n gt h eq u a l i t y o fp r o d u c t s oa l lk i n d so fc o l o rm e s u r e m e n ti n s t r u m e n t s e m e r g e a st h et i m e sr e q u i r e t h ec o l o r i m e t e r sa n dc o l o rd i f f e r e n c em e t e r si sa n o p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a l c o l o rm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t ，d e s i g n e do nt h eb a s i so f e o l o r i m e t r i cp r i n c i p l ea n dl u t h e rc o n d i t i o ni n t e l l i g e n tc o l o r i m e t e r si n s t r u m e n t i n o r d e rt o i m p r o v e t h ep r e c i s i o no f o p t o - e l e c t r o n i ci n t e g r a l c o l o rm e a s u r e m e n t i n s t r u m e n tw i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r yp r o d u c t i o n ，a n a l y s ea n ds t u d ya b o u t i n s t r u m e n te r r o rb e c o m eo n eo ft h ei n s t r u m e n td e s i g ni m p o r t a n tc o n t e n t o na c c o u n t o fi t ，w es t u d yt h ep r o b l e mo fe r r o ra n dp r e c i s i o na n a l y s i s ，a n do nt h eb a s i so ft h e r e l e v a n tt h e o r yo fc o l o r i m i m e t r y , at e s ts y s t e mi sd e s i g n e df o ro b j e c tc o l o ra p p e a r a n c e m e a s u r e m e n ta n di t sc o l o r - d i f f e r e n c er e p o r tu s i n gp h o t o e l e c t r i ci n t e g r a t i n g m e t h o d m e a n w h i l ea so n eo fi t se x t e n d e du s e s i m u l a t i o na n da no n l i n ec o l o r m o n i t o r i n gc o n f i g u r a t i o ni sa l s od i s c u s s e d t h ep a p e ro f f e r sam e t h o da b o u tn o n l i n e a r i t yf i l t e ro nt h eb a s i so ff u z z yn e u a r a l n e t w o r ka n dc o n s t r u c t san o n l i n e a r i t yf i l t e rb l a c kb o xm o d e l i n gb a s e do nf u z z y n e u a r a ln e t w o r kt os o l v et h ec u r v ef i t t i n gp r o b l e mo fp h o t o e l e c t r i cd e t e c t o rs p o e t r a l t h r e ep r i m a r yc o l o rs t i m u l in o n l i n e a r i t yc u r v ea n dc i ec r i t e r i o nc h r o m ao b s e r v e r s p e c t r a l t h r e ep r i m a r yc o l o rs t i m u l ic u r v e ；a n dm a k ei ta t t a i nt h eb e s tw i t ht h e s p e c t r u mr e a c t i o ni nt h ec r i t e r i o nc h r o m at oi n c r e a s em e t r i c a lp r e c i s i o n t h em e t r i c a i d a t ap r o v e st h a tt h ee r r o re m e n d a t i o nm e t h e di sn i c e t ya n de f f e c t i v e t h eh a r d w a r es y s t e mo ft h ec o l o r i m e t e ri n s t r u m e n ti sd e s i g n e d ，t h ei n s t r u m e n t t a k e sp h o t o d i o d e sa si t sd e t e c t o r s ，t h em i c r o c o n t r o l l e rs y s t e mw h i c hk e r n e li st h e c 8 0 5 1 f 0 2 0s y s t e mo nc h i p ( s o c ) , w h i c hi sr e s p o n s i b l ef o rt h ea l lf u n c t i o n ss u c ha s s i g n a ls a m p l i n g ，d a t as t o r a g e ，a n dr e s u l td i s p l a yo nl c d o ro u t p u tv i am i c r o p r i n t e r t h es o f t w a r es y s t e mo ft h ec o l o r i m e t e ri n s t r u m e n ti s d e v e l o p e d ，i n c l u d i n gt h e s i n g l e - c h i ps o f t w a r es y s t e ma n d t h eu p p e rc o m p u t e rs y s t e m t h es i n g l e - c h i ps o f t w a r e s y s t e md e v e l o p e di ncl a n g u a g er e a l i z e sa l lt h ef u n c t i o n so ft h ei n s t r u m e n ta n d u 摘要 c h i n e s eo p e r m i o ne n v i r o n m e n t t h eu p p e rc o m p u t e rs o f t w a r es y s t e md e v e l o p e di n v c + + 6 0m a k e st h ei n t e r f a c eo f t h ei n s t r u m e n tf r i e n d l y t h r e ed e v e l o p e dn e wi n s t r u m e n th a v ep a s s e dt h ep r o d u c tt e s t i n gb yb e i j i n g i n s t i t u t eo fm e t r o l o g y t h en e wt e c h n o l o g ya d o p t e di nt h ed e s i g nh a v ea l s op a s s e d s e a r c h i n gn e wi at h ei n s t i t u t eo fs c i e n t i f i c t e c h n o l o g yi n f o r m a t i o no fc h i n a ， w h i c hi st h et o ps t a t es e a r c h i n gn e wi n s t i t u t e a n dh a sb e e na p p r a i s e da tt h ec i v i cl e v e l o fb e i j i n g t h em e a s u r e m e n tm e t h o di n v e n t i o n , t h ea p p l i e dn e wt y p eo ft h ed e t e c t o r a n dt h eo u t l i n eo f t h em a c h i n eb o xp a t e n t sh a v eb e e na c h i e v e d k e yw o r d s ：c o l o r i m e t e r si n s t r u m e n ts y s t e m ，i n t e l l i g e n t ，d i g i t a l ，e r r o re m e n d m i o n i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：却锥冀再p 7 oo 莎年；月w 日 ，经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：却继期p 2 - o o 年弓月如e t 第1 章绪论 1 1 颜色测量的方法 第1 章绪论 颜色测量可以使用三种不同的方法，即日视法、分光光度法和光电积分法。 目视法是一种古老的、但同时也是色度测量的最基本的方法，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 5 照明体。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 l 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，故目前已很少人 采用。目前主要有两种测色仪器：光电积分测色仪器，分光光度测色仪器0 1 。 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 精确的测量方法，但是成本高，过程相对复杂，而且速度较慢。一种利用光栅 来分光的分光光度计的结构框图如图1 1 所示： 样品光 幽1 1 分光光度测色仪器 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 第1 章绪论 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。 利用特定光谱灵敏度的光电积分元件直接测量光源色或物体色( 两者统称为色 源) 的三刺激值或色度坐标的仪器。其结构框图如图1 2 所示。 图1 2 光电积分测色仪器 动态分光光度测色仪能够给出色度谱的分布状态，并给出色度坐标的绝对 量值，其优点是精度高，色坐标x 、y 的测量精度可以达到0 0 0 1 一0 0 0 3 左 右，成本较高。分光光度法的测色仪器测量准确度高，但是系统复杂操作麻烦， 成本高，适合于要求较高的测色与配色场合；光电测色仪尽管测色精度不高， 但是具有测量速度快，体积小，使用方便的特点，在工业中有很大的市场前景。 本课题研究的测色色差计是光电测色仪器。 1 2 测色仪发展现状及趋势“3 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 差检测技术提出更高的要求。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。 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 h e t h 公司生产的m s 一4 0 4 5 在线分光光度计趋于实用阶段。 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。 第1 章绪论 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 个重大进步，由此可对物体颜色的差异作出客观的评价，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。 而国内生产光电测色仪器的厂家不多，形成规模的很少。而且仪器测量精度低， 测量稳定性不高，而且操作步骤繁琐，仪器显示界面没有实现汉化，使用起来 很不方便。而颜色科学、光电子技术、单片机技术的发展，为光电测色仪的升 级和改造提供了强大工具。光电测色仪器发展趋势： 1 智能化国内外目前普遍研究和采用带有微处理器的、兼有检测和信息 处理功能的传感器。在半导体片基上，用微电子加工技术把传感器功能、逻辑 功能、存储功能集成在一起，使得传感器具有自动校正、自动补偿、数据处理、 存储、记忆等功能。 2 快速度、高精度积分球的入射面采用钡处理和新材料，双光束反馈系 统作参比监控，并可对特殊情况做出补偿等等，利用这些技术来提高测量的精 度，从测量到计算直至显示，一般仅需几毫秒时间。 3 多种制式的转换可以是i s o 标准，也可以是d i n 标准。x y z 、y x y 、 c i e ( 1 9 7 6 ) l 木时蚺、l 虬 咻、l 女u 木v 、h u n t e r l a b 、m u n s e l l ( 盂塞尔) 之间选择 数据转换。这些都是由于微处理器的计算功能，使得转换极其方便。 4 利用个人电脑( p c ) 扩展测色仪器的功能通过特定的接口：如r s 一2 3 2 ， 测色仪可与个人电脑实现对接，互相输入输出数据。 5 在线测色不仅可以有效替代人工的离线检测，而且可校正照明光源的 光强变化和微小的色差变化，提高测量的稳定性。测量时将待测色和标准色进 行比较，提高测色精度。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题选题于北京市教委科技发展计划重点项目“光机电一体化测量分析仪 器系列产品的数字化智能化技术”。研究工作由北京机械工业学院的机电系统测 控北京市重点实验室承担，实行产、学、研结合，重点实验室主要承担有关技 术的研究，企业主要承担成果的产品化和产业化。合作企业为北京光学仪器厂。 课题以新型测色色差计为对象，面向光机电一体化测量科学仪器系列产品，研 第1 章绪论 究智能仪器及系统的共性关键应用技术。为系列科学仪器产品的数字化、智能 化、集成化、自动化和网络化的改造、提升和开发提供新技术并研制新型样机， 为多项新科学仪器产品的快速开发提供柔性化、集成化的研发实验平台系统。 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 为了提高测色色差计的精度，分析探测器的光谱三刺激值非线性误差问 题，对光电积分式测色仪器误差的校正进行了研究，提出了基于模糊神经网络 的非线性滤波器的方法，建立了一个基于模糊神经网络的非线性滤波器黑箱模 型，解决了探测器的光谱三刺激值非线性误差问题。： ： 3 研究开发一种能够用于测色并且能够配色的测色色差计，使之具有多元 功能 全文共分六章。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、印染等相关工业领域内应用的历史和现状，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。第四章为硬件系统和软件系统设计。设计了仪器的硬 件系统，该系统包括光电系统、精密机械系统和电路系统i 滤色器匹配是光电 系统设计的重点和难点：单片机系统软件用c 语言编写，实现仪器的各种功能 、 和全汉化操作。上位机系统软件用v c + + 6 0 编写，仪器界面更加友好。第五章 主要介绍了实验结果与误差分析，对整个系统的误差进行了比较详尽的分析， 成功地利用模糊神经网络曲线拟合的功能，对整个系统的误差进行了一定的修 正。第六章为总结与展望，在对本课题相关研究和技术的基础上，对本系统可 能的改进方向进行了展望。附录a 给出了系统硬件电路图，附录b 为仪器检测 合格证书，附录c 是仪器查新证书，附录d 是仪器鉴定验收证书。 第2 章颜色相关理论基础 2 1 光、颜色与视觉 2 1 1 光、颜色与视觉 第2 章测色理论基础 光是能量的种存在方式，它具有波粒二象性。从宏观上说，光是一种电 磁波。根据光的电磁理论，光是属于一定波长范围内的一种电磁辐射。其中， 能被人眼直接接受并引起视觉的光辐射只是电磁波谱中狭窄的一个波段一一波 长在3 8 0 n m - - 7 8 0 a m 之间的光辐射，通常称这一波段为可见光。 视觉是光射入人眼后产生的一种知觉，即视觉依赖于光。在可见光谱范围 内，不同波长的辐射引起人的不同颜色感觉：7 0 0 n t o 为红色，5 8 0 h m 为黄色，5 1 0 h m 为绿色4 7 0 n t o 为蓝色。光的颜色取决于进入人眼的可见光谱不同波长辐射的相 对功率分布，简称相对功率分布。当进入眼睛的光谱辐射波长发生变化或其相 对光谱功率分布发生变化时，人眼对光的颜色感受也随着发生变化“1 人们现在广泛接受的是1 9 1 2 年j y o nk r i e s 根据病理学材料提出的视觉的 二重功能学说。这种学说认为视觉有两重功能：视网膜中央的“锥体细胞视觉” 和视网膜边缘的“杆体细胞视觉”，也叫做“明视觉”和“暗视觉”。人眼视网 膜上有两种视觉细胞一杆体细胞和锥体细胞。杆体细胞的感光灵敏度高，亮度 低于0 0 0 1 c d m 2 ( 称为暗视觉) 时它起作用它只能分辨亮度，不能分辨颜色。锥 体细胞的灵敏度较差，亮度高于3 c d m2 ( 称为明视觉) 时，它才能感受到光刺 激。若亮度介于明视觉和暗视觉对应的亮度水平之间，两种细胞同时起作用， 称为介视觉。颜色的区分主要靠锥体细胞的作用。实验表明，明视觉与暗视觉 的最大感受处处在光谱的不同部位。此外，光谱感受在各个体之间存在着一定 的差异，光谱感受还受一定的年龄的影响。国际照明委员会( c i e ，法语： c o m m i s s i o n i n t e r n a t i o n n a ld el e c l a i r a g e 的缩写) 制定的明视觉曲线和v ( a ) 和暗视觉曲线v 。( 五) 是根据各个国家的数百名观察者的中央窝视觉的 平均光谱感受得出的。 科学家通过对视网膜的研究和分析，发现锥体细胞并不是由同一类的细胞 第2 章颜色相关理论基础 所组成，在视网膜中存在着三种不同类型的锥体细胞。它们对不同的光谱具有 不同的吸收，也就是说它们的光谱灵敏度不同，它们受到光刺激时有不同的反 应，这种反应的总和形成了单一的颜色感觉。图2 1 表示了这三种锥体细胞的 光谱响应。其中的锥体细胞t ( a ) 对蓝光( 4 4 5 - 4 5 0 n m ) 最敏感，锥体细胞d ( a ) 对绿光( 5 2 5 - 5 3 5 n m ) 最敏感，另一锥体细胞p ( a ) 对黄光( 5 3 5 - 5 7 0 n m ) 最敏感。 三色学说的生理依据是颜色匹配实验，而四色学说的生理依据是：颜色总是以 红一绿、蓝一黄、黑一白成对的发生。三种锥体细胞接受的外部信息经过处理加工， 形成三对对立的红一绿、蓝一黄、黑一白反应，最后经过神经中枢的综合判断，使 人最终感受到颜色的三个重要特性：明度、色调、饱和度。再加上杆体细胞的 所决定的暗视觉，构成了人对颜色的认知( 参见图2 2 ) 。可以认为视网膜上的 锥体细胞感受符合三色机理，光刺激的视觉信息向大脑皮层视区的传输通路符 合四色机理。 2 1 三种锥体细胞光谱响应 2 1 2 颜色的基本属性。一 谁体匀盹 2 2 颜色的生理视觉过程 因发光体发出的光而引起人们色觉的颜色称为光源色。光源色的颜色完全 取决于光的波长成分。当发光体发出的是单色光，那么其光源色称为光谱色， 它将完金取决于单色光的波长。当发光体发出的是复色光，那么其光源色将取 决于它的光谱能量分布。非发光体( 即一般物体) 的颜色称为物体表面色，可 以简称为物体色或表面色。它是物体在光源照射下引起的色觉。物体色既与入 6 第2 章颜色相关理论基础 射光的光谱能量分布有关，又取决于物体自身的光谱特性。 颜色可以分为非彩色和彩色两大类。非彩色是指白色、黑色和各种深浅不 同的灰色。对于光来说，非彩色的黑白变化相对于白光的亮度变化。白色、黑 色和灰色物体对光谱各波长的反射没有选择性，它们是中性色。非彩色只有明 度的区别，而没有色调和饱和度这两种特性。彩色是白黑系列以外的各种颜色。 彩色有三种基本特性：明度、色调、饱和度。明度是人眼感受到的物体的明暗 程度，它与人眼的视觉特性有关，也与物体本身的特性如反射比、投射比有关。 光源色的明度反映的是光的强弱。色调是彩色相互区分的特性，往往以“主波 长”来表示色调。色调是颜色最重要的特性。饱和度是彩色的纯洁性，可见光 谱的各种单色光是最饱和的彩色，光谱色掺入白色成分越多越不饱和，物体色 的饱和程度取决于物体表面反射光谱辐射的选择性程度。用一个三维空间的枣 形立体结构可以把颜色的三种基本特性一明度、色调与饱和度全部表示出来， 称为颜色立体。美国光学学会采用的蒙塞尔( ham u n s e l l ) 颜色立体( o s a - u c s ) 就是一种在视觉上等间距的八面立体结构。为了便于理解颜色三特征的相互关 系，可用三维空间的立体来表示色相、明度和饱和度。如图2 3 所示，垂直轴 表示黑、白系列明度的变化，上端是白色，下端是黑色，中间是过渡的各种灰 色。色相用水平面的圆圈表示。圆圈上的各点代表可见光谱中各种不同的色相 ( 红、橙、黄、绿、青、蓝和紫) ，圆形中心是灰色，其明度和圆圈上的各种 色相的明度相同。从圆心向外颜色的饱和度逐渐增加。在圆圈上的各种颜色饱 和度最大，由圆圈向上( 白) 或向下( 黑) 的方向变化时，颜色的饱和度也降 低。在颜色立体的同一水平面上颜色的色相和饱和度的改变，不影响颜色的明 度。 白 n _ 图2 3 色相、明度和饱和度之间关系 第2 章颜色相关理论基础 2 2 颜色测量的参照标准 2 2 1 颜色测量的参照标准 对物体表面色的精确测量，必须使用分光光度计测量。分光光度法的颜色 测量在色度学中具有重要的意义，它是建立色度基准或对光电积分式色度仪器 定标的基础。分光光度法通过定量的比较“标准”和样品在同一波长上的单色 辐射功率，是一种相对测量。只有分光光度式测色仪器用标准透射率样品及标 准反射率白板定标后，才能测量待测样品的绝对光谱光度量值。 光谱透射率定义为物体透射的辐射通量与入射的辐射通量之比。物体的光 谱透射率的参照标准是空气，因为空气是理想透射体，在整个可见光谱波段内 的透射率均为1 。通过将透射物体与同样厚度的空气层相比较而测得光谱透射 率。因而只需要测出物体透射的辐射通量和入射的辐射通量，就可以得出绝对 光谱透射率。这种情况下，空气层既是参照标准；又是工作标准。一般可以利 用标准溶液或标准玻璃板作为工作标准。 1 物体的光谱反射系数定义为在给定的立体角、限定的方向上，待测物体反 射的辐射通量与在相同照明相同方向上完全反射漫射体反射的辐射通量之比。 完全反射漫射体定义为反射率等于i 的理想均匀漫射体，它无损的全部反射入 射的辐射通量，且在各个方向上具有相同的亮度。c i e 公布用完全反射浸射体作 为测量不透明物体的光谱反射系数的标准。但是，没有一种材料表面具有完全 反射漫射性质，然而，却可以根据反射率等于1 的理想均匀漫射体标定合适的 工作标准，称此工作标准为“标准白”。它的光谱辐射亮度系数或光谱反射比是 已知的，反射比应该比较高，大于0 8 以上，而且不应有透光的特性，在整个 使用期间保持恒定不变的光谱反射系数。通常采用烟熏、压粉或喷涂的氧化镁、 硫酸钡白板作为工作标准。工厂有时也用陶瓷白板、乳白玻璃作为工作标准， 但不太理想。 2 2 2 标准照明体 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 括如月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 第2 章颜色相关理论基础 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。 标准照明体a 代表绝对温度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 l 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 则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 d 。，、d ，的相对光谱功率分布作为代表日光的标准照明体。标准照明 体d 。是以在地球上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 。近似 平均自然自昼光。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。它的相关色温从6 0 0 0 - 7 0 0 0 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的两个小时到日落前两个小 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体d 。和d ”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 而d ，和d ，一般作为在 特定场合下的替代光源。 2 2 3 标准光源 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 对于物体颜色的测 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a 、b 、c 和 d 。，、d 。，、d ，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 规定的照明体和光源下进行，具有统一的标准。 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。 9 第2 章颜色相关理论基础 为了实现c i e 规定的标准照明体的要求，还规定了相关的标准光源，以具体实 现标准照明体的光谱能量分布。c i e 推荐的标准光源a 、b 、c 的光谱功率分布如 图2 4 所示。 标准光源a 由分布温度为2 8 5 6 k 的充气钨丝灯实现。如果要求更准确的实 现标准照明体a 的紫外光谱分布，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 光源加上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。标准光源c 则由a 光源加上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。 图2 4c i e 标准光源a 、b 、c 的相对光谱功率分布 2 2 4c l e 标准照明和观测条件 不同的照明和观测条件下，不透明物体表面的反射率是不同的，所以照明 和观测条件对颜色测量有很大的影响。为了提高测量精度和统一测试方法，1 9 7 1 年c i e 正式推荐几种测色标准照明和观测条件( 图2 5 ) ，即垂直1 4 5 。( 0 1 4 5 0 ) ， 4 5 。垂直( 4 5 0 0 ) ，漫射垂直( d o ) ，垂直漫射( o d ) 。 1 垂直1 4 5 0 ( 缩写0 4 5 0 ) 。照明光束的光轴和样品表面的法线间的夹角不 超过1 0 0 ，照明光束的任一光线和其光轴之问的央角不超过8 0 ，观察光束也应 遵守同样的限制。 2 4 5 0 垂直( 缩写4 5 。o ) 。样品被一束或多束光照射，照射光束的轴线和 样品表面的法线成4 5 。5 。，观察方向和样品法线之问的火角不超过1 0 0 ，照明 光束的任光线和照明光束轴之问的央角不应超过8 。，观察光束在观察中也应 该遵守同样的限制。 第2 章颜色相关理论基础 3 垂直漫射( 缩写o d ) 。照明光束的光轴和样品垂线之间的夹角不超过 1 0 0 ，反射通量借助积分球来聚焦，照明光轴和任一照明光束的光线之间的夹角 不应超过5 0 ，积分球的直径可以任意大小，其开孔的总面积不能超过积分球内 部反射总面积的1 0 。 4 漫射垂直( 缩写d o ) 。用积分球照明样品，样品的垂直线和光测轴之 间的夹角不应超过1 0 0 ，积分球的直径可以任意大小，其开孔的总面积不能超过 积分球内部反射总面积的1 0 ，观察光束的任一光线和观察轴之间夹角不应超 过5 0 。 0 1 4 5 ( 1 ) 围爹 4 5 1 0 ( 2 ) 一 、 ， 箩 。、 一 v ，、 , t l o ( 4 ) | 璺i2 5 四种标准照明和观测条仆 在d l o 和o l d 标准照明和观测条件下，使得可能缩移多达1 0 。的情况下，允 许相当于入射( o d ) 和观测光束( d o ) 的镜面反射角，在积分球内壁按章光 -一il 第2 章颜色相关理论基础 泽吸收井，使任何镜面反射削减到最小值，安装吸收井( 排除镜面发射) 的方 案称为s p e x ；将未安装光泽吸收井的含有镜面反射方案称为s p i n c 。 2 3 颜色测量原理 2 3 1 测色原理 颜色并不是物质的固有特性，颜色既与物质本身的分光特性等有关，又与 照明条件，观测条件，观察者的视觉特性等有关。颜色是一种受物理学、视觉 生理学、心理学影响的综合量，颜色测量是建立在以上认识的基础上的。物体 在不同的光源下呈现不同的颜色，因此测色时首先要决定用什么光源。如图2 6 所示颜色测量过程。s ( ) 光源的光谱功率分布：p ( ) 或t ( ) 是待测物体的 光谱反射或透射曲线；把待测物的光谱反射曲线的高度在每个波长上相乘，得 到p ( 入) x s ( ) 曲线，它表明该光源中每个波长的能量从样品上反射回来的 数量称为颜色刺激函数，用咖( ) 表示。再将p ( ) x s ( ) 曲线高度各自乘 以代表人眼平均彩色视觉功能的光谱三刺激值x ( x ) 、f ( x ) 、z ( x ) ，得到的三 条曲线下面的面积就是待测物体颜色的三刺激值“】。 物体颜色可由它的三刺激值表示，颜色三刺激值的计算方法是由颜色刺激 函数分别乘以c i e 光谱三刺激值，并在整个可见光谱范围内分别对这些乘积进 行积分。三刺激值的标准方程是： x = k 【妒( 旯) x ( a ) d 丑 y = k l 妒( 旯) y ( a ) d 丑 ( 2 1 ) z = k 【妒( a ) z ( 兄) 烈 式中，颜色刺激函数由( 入) 对于测定光源色时，巾( ) = s ( ) ：对于反射 体时，由( ) = p ( ) s ( ) ；对于透射体c b ( ) = t ( ) s ( ) 。k 是归 一化系数，定义为使完全漫反射体测定结果的y 值等于1 0 0 ，即光源的y 值 等于调整为1 0 0 而设的系数。 k ：= ! 竺( 2 2 ) i ，s ( a ) y ( a ) d a 第2 章颜色相关理论基础 2 3 2 卢瑟条件 因f 图 图2 6 颜色测量示意图 光电测色仪是仿照人眼感色的原理原理制成的，采用了能感觉红、绿、蓝 三种颜色的受光器，将各自所感受光电的光电流加以放大处理，得出各色的刺 激量，从而获得这一颜色信号。这里使用的受光器是在可见光的波段中，具有 平坦的感受特性的光电二极管( 硅系) 和能平坦地修正光谱敏感度特性的虑色 器和能调整到符合人眼色觉的虑色镜。这里重要的是三块滤色镜能符合人眼的 色觉程度，这种相互一致的条件称为卢瑟条件。卢瑟条件最常用的修正方法是 预先准备颜色稳定的若干色板作为标准色，用最接近式样颜色的色板进行测定 并根据光电测色仪的测定值，与用分光光度计预先求得的标准差值进行修正。 在光电测色仪上接上专用计算机，预先准备在各波段中修正卢瑟条件的程序， 可以使工作效率提高，复杂程度减少，同时将各个滤色镜进行修正。 物体在l o o 视场、光源照射下，物体颜色三刺激值x 、y 、z 由式( 1 ) 可 推导出 国皆 第2 章颜色相关理论基础 x = 七ld 6 5 ( 五) 户( 五) x i o ( a ) d z 】，= 七【d 6 5 ( z ) p ( a ) y l o ( 五) d 丑 ( 2 3 ) z = 七【p ( 五) p ( a ) z l o ( 五) c 现 设计三组接收器使它模拟人眼的x 、y 、z 三个感光机构，把人眼所接受的 刺激用三组接收器所产生的光电流表示，则可以确定物体的颜色。在用某测色 系统中，光源s ( ) 按照一定的角度照射物体，用光电元件和滤色器配合的接收 器在一定方向接收，则接收器上产生对应的光电流： i = 【s ( 丑) 户( 五) f x ( 旯) y ( 兄) c 现 i r = 【s ( a ) p ( 旯) r r ( 兄) y ( 五) c 现 ( 2 4 ) i z = 【s ( z ) p ( 兄弦z ( a ) r ( z ) d z 式中：t ，( 入) 、t ，( ) 、t ：( x ) 仪器特定滤色器的光谱透过率；y ( 凡) 做器探测器的相对光谱响应度。比较式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) ，如果满足下列 条件即卢瑟条件( l u t h e rc o n d i t i o n ) ： k 工s o ) r x q 0 ) = $ 6 5 以) 面t o 以) k ，s 似) ，o 沙= s 6 ，o 歹o q ) ( 2 5 ) k z s ( , 0 - r ：q o ) = 0 豆o 以) 式中k ，、k ，、k l 是与波长无关的常数，则测色仪的总灵敏度特性与c i e 规 定的标准观察者的x 、y 、z 一致，物体颜色三刺激值正比于光电流数值。 仪器符合卢瑟条件的完善程度，决定了仪器的测量精度。为了减少由于卢 瑟条件不够满足而导致的测色误差，应为仪器配备适当的专用工作色板，用来 分别校正仪器。对于满足卢瑟条件的仪器，仅配上工作白板即可。而对于偏离 卢瑟条件较严重的仪器，应配足能覆盖相应测色范围的专用工作色板”1 。 2 4c i e l 9 7 6 色差公式及颜色分类 2 4 1c i e l 9 7 6 色差公式 众多的色差公式给工业的实际应用带来了很大不便，因为不同的色差公式 第2 章颜色相关理论基础 之间的数据很难或者无法相互转换，不同公式计算出的结果之间无互比性。为 了改变这种混乱的局面，统一色差评定的标准，国际照明委员会( c i e ) 有关技 术委员会于1 9 7 6 年在广泛讨论和试验的基础上，对此前众多的色差公式进行了 对比和评估，正式推荐了c i e l 9 7 6 l u v 和c i e l 9 7 6 l a b 均匀颜色空间及其对 应的色差公式，初步统一了色差公式的应用。 ( 1 ) c i e l u v 色差公式 该公式是由c i e x y z 的色品图进行线形变换推导而得出的，而线形变化的 目的是为了改善色差计算数据与目测结果对比的均匀性。c l e l 9 7 6 l a b 色差 公式按下式计算： i 2 a f 。= ( r ) 2 + ( a a r + ( a a ) 2 】 r = 1 1 6 ( y o ) “3 1 6 “。i b l ( u 。一。) ( 2 6 ) v = 1 3 l ( v 一“) 式中，x 、y 、z 为色样的三刺激值，x 。、y o 、z o 为c i e 标准照明体的三刺激值 ( 常数) ，u 、v 分别为线形变换后色样的色品坐标( 如2 7 所示) ，u 。、v 。分 别为线形变换后c i e 标准照明体的色品坐标。上式要求x x 。、y 1 fo 、z z 。) 0 0 0 8 8 5 6 ，而对于不符合这一要求的极深颜色，应使用深色修正公式。 u ：- 4 x ( x + 1 5 y + 3 z ) v = 9 y x + 1 5 y + 3 z ) u o = 4 xo ( xo + i s yo + 3 zo ) ( 2 7 ) v o = 9 y o x o + 1 5 y o + 3 z o