光学-色彩空间分析基础

1、TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved光学光学-色彩空间分析色彩空间分析基础基础2013-07-31AQE: Roc.LiTPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved引言引言: 色彩缤纷的世界色彩缤纷的世界TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved引言引言: 色彩缤纷的世界色彩缤纷的世界TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved一、影响色彩的因素一、影响色

2、彩的因素左视角20度左视角45度TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved一、影响色彩的因素一、影响色彩的因素物体的色彩是其反射各种波长的光混合而形成的光谱:主要影响物体反射光谱的因素: 光源光谱、观察者色灵敏度、视角。TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved一、一、影响色彩的影响色彩的因素因素1.1 光源TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved一一、影响色彩的影响色彩的因素因素例如太阳光的波长与光强曲线图:1.

3、 黄色表示太阳光在最上层大气的光黄色表示太阳光在最上层大气的光谱照强度在各个波段的大小强弱谱照强度在各个波段的大小强弱.2. 黑色曲线为5250+273C=5523K黑体辐射的光谱辐照度在各个波段的吸收强度.3. 红色表示海平面吸收的光谱照强度在各个波段的大小强弱.1.1 光源TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved一、一、影响色彩的影响色彩的因素因素国际照明委员会(CIE: Commission Internationale de LEclairage(法)定义了如下几种标准光源: 1. 标准光源A. 代表完全辐射体在2856K发

4、出的光. 相当于充气螺旋钨丝灯, 其光色偏黄.2. 标准光源B. 代表相关色温约为4874K的直射阳光. 由A光源加B型D-G液体滤光器组成. 光色相当于中午日光.3. 标准光源C. 代表相关色温大约为6774K的平均日光. 由A光源加C型D-G液体滤光器组成, 光色相当于有云的天空光.4. 标准光源D65. 代表相关色温大约为6504K的日光. 带滤光器的高压氙弧灯、带滤光器的白炽灯和荧光灯.1.1 光源TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved一一、影响色彩的影响色彩的因素因素关于光源的两个概念进行介绍:1. 色温色温: 表示光源

5、光色的尺度, 单位为K(开尔文). 是指与具有相同亮度刺激的颜色最相似的黑体辐射体的温度. 色温度以绝对温度 K 来表示, 是将一标准黑体(例如铂)加热, 温度升高至某一程度时颜色开始由红、橙、黄、绿、蓝、靛(蓝紫)、紫, 逐渐改变, 利用这种光色变化的特性, 其光源的光色与黑体的光色相同时, 我们将黑体当时的温度称之为该光源的色温度. 色温度在 3000K 左右时, 光色偏黄. 色温度在 5000K 以上时, 光色偏蓝. 不同色温度的光, 具有不同的照明和视觉效果.2. 黑体辐射黑体辐射:是指由理想放射物(黑体)放射出来的辐射, 在特定温度及特定波长放射最大量之辐射.3. 黑体黑体:是指入射

6、的电磁波全部被吸收, 既没有反射, 也没有透射, 但会向外辐射.详细可见附件1.1 光源TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved一一、影响色彩的影响色彩的因素因素标准光源谱线图 标准光源D65 标准光源C 标准光源A1.1 光源TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved一一、影响色彩的影响色彩的因素因素其它 光源-荧光光源 谱线图 F2 : 冷白 F7 : 日光 F11 : 三窄带冷白 F6 : 冷白 F8 : 日光白 F10 :三窄带日光白1.1 光源TPK Propri

7、etary & Copyright All Rights Reserved一一、影响色彩的影响色彩的因素因素1931年CIE规定了2标准观察者, 适用于14的视野.使目视色度标准化(标准观察者的配色函数). 1.每个锥体细胞的光灵敏度不同. 2.不同波长的光敏感度也不同.理想观察者: 对最佳的原色450nm(蓝)、550nm(绿)和650nm(红), 每种原色只能刺激一类感受器, 原色与感受器光谱灵敏度最大值相一致, 产生最大效率. 即产生配色函数.1.2 观察者与视角TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved一一、影响色彩的

8、影响色彩的因素因素1964年CIE规定了10标准观察者, 适用于4以上的视野. 1.眼睛的色灵敏度随着视角 (物体大小)而变化. 配色函数为等能光谱的三刺激值, 为波长的函数.这些函数与人眼的灵敏度相一致, 两组配色函数分别用于2标准观察者和10补充标准观察者. 1.2 观察者与视角TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved二、色度空间系统二、色度空间系统我们总是用一些感官性的词语对色彩进行描述, 如赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫; 火红、朱红、绯红、鲜红等. 这些模糊的描述会导致判定上的差异, 在颜色对比上也无法表示出颜色之间差距性.

9、色度空间:是表示颜色的工具和方法, 借用此工具来量化表示颜色, 对色差进行计算. TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved二二、色度空间系统、色度空间系统CIE将影响色彩的因素进行逐一定义, 并进行了标准化. 同时也对色度空间进行了定义. 目前的色度空间系统有很多种. 主要有如下几种. 孟塞尔系统. HV/C系统. (H:色调 V:亮度 C:饱和度) Yxy色空间色空间: CIE定义的一色空间, 以三刺激色XYZ为基础. Y : 亮度; xy : 色度坐标. L*a*b*色空间色空间: 也称CIELab色空间. L* : 亮度; a

10、* b* : 色度坐标. L*C*h色空间: 以L*a*b*的色坐标为基础. 使用柱面坐标. L*:亮度 C*:色饱和度 h:色调角 亨特Lab色空间. 由R.S.亨特发明,比CIEYxy系统在视觉上 更均匀的色空间, 与L*a*b*色空间相似. L*u*v*色空间. 也称CIELUV色空间.TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved二、色度空间系统二、色度空间系统2.1 XYZ 三刺激色1931年, 来特、吉尔德两人用三原色R(700nm), G(546nm), B(435nm), 又选用了317位正常色觉者, 测得三刺激值, 该值

11、是颜色测量和计算的原始数据, 并转化为色度坐标.三刺激色的分布曲线TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved二、色度空间系统二、色度空间系统2.1 XYZ 三刺激色1. 从图形中可以看出, XYZ 三刺激色的值则是三原色在不同波长分布曲线下所覆盖的面积.2. 从公式中看出XYZ值的计算因子有: S() 代表光源. x(),y(),z()代表标准观察者和视角. R() 代表物体反射光波的特性. K 是调整因数.注: 所以在量测物体颜色或对比物体的色差时, 需先将光源和视角确定为一致, 否则会造成结果的误差.TPK Proprietary

12、 & Copyright All Rights Reserved二、色度空间系统二、色度空间系统2.2 Yxy 色度空间系统三刺激值XYZ对定义颜色十分有用, 但却不易目视其结果. CIE于1931年定义Yxy色空间. 色图如下, 中央为消失区, 越向边缘色度越浓重.Y : 亮度xy : 色坐标2度视角标准观察者下的Yxy色空间的色图2度和10度视角标准观察者下的Yxy色空间的色图差异不足点不足点 : 颜色颜色空间是不空间是不均匀的均匀的, 色图色图中相等距离中相等距离带来的视觉差异是不带来的视觉差异是不相同相同, 影影响响到颜色匹配和色彩复制的到颜色匹配和色彩复制的准确性准确性.TP

13、K Proprietary & Copyright All Rights Reserved二、色度空间系统二、色度空间系统2.3 L*a*b* 色度空间系统L*a*b* 色空间是当前最通用的测量物体颜色的均匀色空间之一.L* : 亮度; a* b* : 色度坐标(a*:红绿偏向 b*:黄蓝偏向).L*a*b*色空间在亮度50%的切面图TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved二、色度空间系统二、色度空间系统2.3 L*a*b* 色度空间系统L*a*b* 色空间是类似于数学的直角坐标系, 是一个立体坐标.L*a*b*色坐标与直角

14、坐标系对应关系: a*=x轴 ; b*=y轴 ; L*=z轴 .对应色差E即直角坐标系中两点的距离. TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved二、色度空间系统二、色度空间系统2.4 孟塞尔(HV/C)色度空间系统周边有一部分人在描述色彩时, 使用饱和度, 色调等词语. 这也是可以将色彩进行量化. 在1905年, 美国画家A.H.孟塞尔发明一种表示颜色的方法, 按照颜色的色调(H)、亮度(V)、色饱和度(V)分类的色卡, 进行目视比对. 即孟塞尔色度空间 系统, 也称HV/C系统.孟塞尔色卡TPK Proprietary &

15、Copyright All Rights Reserved二、色度空间系统二、色度空间系统2.5 L*C*h 色度空间系统同样CIE按照颜色的亮度(L*)、色饱和度(C*) 、色调(h) 进行定义了L*C*h色度空间, 此色空间使用与L*a*b*色空间一样的色度图, 但是它使用柱面坐标而不是直角坐标.直角坐标与柱面坐标在数学上是可以转换的, 所以C*和h的计算公式如下:TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved二、色度空间系统二、色度空间系统2.5 L*C*h 色度空间系统尽管用文字描述色差不如数字来得精确, 但更容易让人们接受与理解

16、. 通过L*C*h色度空间可以将亮度差和色饱和度差以色图上的方向来表示, 同时距离表示色差的程度.例如: 当比较香蕉的黄色(假设为) 和柠檬的黄色(假设为)的色 差时, 利用下图可以得出:1. 柠檬的黄色比香蕉稍微浅淡一些.2. 香蕉的黄色比柠檬稍微鲜艳一些.TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved二、色度空间系统二、色度空间系统2.5 L*C*h 色度空间系统 使用亮度、色饱和度、色调来表示颜色也能更好地与实际生活中的色彩话题对应上.冷暖色调冷暖色调暖色调: 让人与温暖、柔和、活泼、兴奋、热烈等感受联系在一起. 红色红色、橙色橙色

17、、黄色黄色为暖色，象征太阳、火焰.TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved二、色度空间系统二、色度空间系统2.5 L*C*h 色度空间系统冷暖色调冷暖色调冷色调: 让人与凉爽、坚实、安静、沉稳、踏实等感受联系在一起. 绿色绿色、蓝色蓝色、青绿色青绿色、青紫色青紫色为冷色， 象征森林、大海、蓝天.TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved二、色度空间系统二、色度空间系统2.5 L*C*h 色度空间系统冷暖色调冷暖色调中间色: 灰色、白色等为中间色. 在绘画中常被用于过渡色.

18、易与其他颜色搭配.颜色的亮度对色调也有影响:冷色调的亮度越高-越偏暖暖色调的亮度越高-越偏冷色空间中颜色距离越远,对比色调比较大, 易产生不和谐. 在绘画和服装搭配中,可以自由调节明度差异,色调偏差, 纯度(色饱和度)对比, 来达到所要的结果. TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved二、色度空间系统二、色度空间系统2.6 L*u*v* 色度空间系统 CIE 1976年规定了L*u*v*色空间, 其是几种均匀色空间之一.TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved三、色彩管控

19、三、色彩管控 通过色空间将色彩进行量化, 就可以对色彩进行准确管控.客户可以根据自身需求对产品进行外观色彩的准确定义, 然后通过此工具和方法, 可以对生产的产品进行监控, 看是否能达到客户对色彩及色差的需求.TPK目前常用的是L*a*b* 色空间, 定义色彩测试的条件为光源: 标准光源D65 观察者和视角: 10标准观察者首先需定义一个标准L*a*b* 值(客户提供或使用标准样品量测得到)作为比较基准, 量测测试样品的L*a*b* 值, 根据公式计算E, 根据判定标准(如E0.5)进行判断产品的色彩是否合格.同时量测过程中产品的自身其它特性会对色彩量测结果有一定影响, 主要有如下几种.TPK

20、Proprietary & Copyright All Rights Reserved三、色彩管控三、色彩管控光泽度(Gloss) : 表示物体表面接近镜面的程度.计算公式 : 来自试样表面的正面反射光量与在相同条件下来自 标准板表面的正面反射光量之百分比.即使物体由相同材质构成, 由于光泽度不同也会使颜色有所变化. 光滑度高的物体(玻璃)表面上镜面反射光与漫反射光的比例会比粗糙表面上高. 在量测光滑度高的样品时, 为了能使数据和物体看上去一样, 就需排除镜面反射光而只测漫反射光. 但根据不同需求, 也有需测试两者的情况.3.1 色彩与光泽度 (SCE和SCI模式)TPK Propri

21、etary & Copyright All Rights Reserved三、色彩管控三、色彩管控SCE(Specular Component Excluded) 排除镜面反射光的测量颜色的方法(适用于检验生产线上样品是否符合视觉色彩标准)SCI(Specular Component Included) 包含镜面反射光的测量颜色的方法 3.1 色彩与光泽度 (SCE和SCI模式)原理:积分球散射照明系统积分球散射照明系统, 此系统利用一个积分球(内表面涂有如硫酸钡等白色物质,能使光线均匀漫射), 使光线从各个方面均匀地射向样品表面. 如右图.通过光井光井的开开/关关可实现排除排除/包含

22、包含镜面反射光. 实现SCE/SCI模式.所以TPK量测玻璃产品的色度时,需确定客户是需求的模式(SCE/SCI)下量测.TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved三、色彩管控三、色彩管控3.2 荧光色荧光荧光:是指一种光致发光的冷发光现象. 当物体吸收某种波长的入射光(通常是 紫外线或X射线), 再以可见光波段释放.在测量含荧光物质的色彩时, 就可能因荧光效应, 导致实际测试的色彩并非该物质的原色.白色衬衫原色是偏黄的, 通过添加荧光物质后, 弥补了白色衬衫在蓝色波长段反射低的不足, 使衬衫显白色.当白色衬衫重复洗涤后, 荧光物质逐

23、渐被洗去, 衬衫原色显现出来则偏黄. 通常用含荧光物质的洗涤剂洗衣服后, 可使衬衫重新亮白.蓝色波段反射较少,通过荧光效应弥补TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved三、色彩管控三、色彩管控3.2 荧光色荧光物质主要吸收的是紫外波段紫外波段的波长,发出可见光波长的光. 所以在量测含荧光物质的样品时:1. 若需排除荧光效应, 测试样品的原样品的原 色色, 则需将滤镜放在光源与样品之 间, 将光源中紫外波段的光滤掉紫外波段的光滤掉.2. 若需测试样品正常颜色, 就需保证 测试使用光源的光谱能量分布包含包含 紫外光范围紫外光范围.TPK

24、Proprietary & Copyright All Rights Reserved三、色彩管控三、色彩管控3.3 其它特性影响还有其它物质特性会影响色彩量测的结果, 列举如下几种情况: 金属色金属色. 可通过多角度测量取值. 粉末物质粉末物质. 可通过固定容器转入进行量测. 半透明物质半透明物质. 底部垫不透明白色平板进行量测. 含花纹或纹理含花纹或纹理. 不同位置重复测量取平均值. 温度温度(影响很小影响很小). 保持测量环境温度稳定.TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved四、光学特性及量测仪器四、光学特性及量测仪器

25、4.1 雾度计仪器: 雾度计雾度计 (Haze-gard plus # 4725)可量测的光学特性: (光源: CIE标准光源C)u 穿透率(Transmittance) : 表示透明材料的透明程度.穿过试样的透射光通量透射光通量与照射到试样上的入射光通量入射光通量之比的百分率. Transmittance=(T透/T入)*100% u 雾度(Haze) :指透明材料的透明度因光散射而下降的百分数.透过试样而偏离入射光方向的散射光通量散射光通量(T3平行光偏离入射方向大于2.5)与透过材料的总光通量透过材料的总光通量之比的百分率. Haze=T3/(T2+T3)*100%u 清晰度(Clari

26、ty) :指透明材料的透明度 除光散射外的百分数.透过试样而未偏离入射光方向的光未偏离入射光方向的光通量通量(投射光与入射方向小于2.5)与透过材料的总光通量透过材料的总光通量之比的百分率. Clarity=T2/(T2+T3)*100%TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved四、光学特性及量测仪器四、光学特性及量测仪器4.2 三角光泽度计仪器:三角光泽度计三角光泽度计 (Micro-TRI-Gloss 4430)可量测的光学特性: (光源: CIE标准光源D65)u 光泽度(Gloss) :表示物体表面接近镜面的程度.来自试样表面

27、的正面反射光量正面反射光量与在相同条件下来自标准板标准板表面的正面反射光量表面的正面反射光量之百分比.光泽度量测角度有: 20 60 85 20 : 适用高高光泽度量测. 60 : 适用中中光泽度量测. 玻璃产品, 常以此角度量测. 85 : 适用低低光泽度量测.S():光源的相对光谱能量分布V()=y():代表亮度的配色函数TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved四、光学特性及量测仪器四、光学特性及量测仪器4.3 光密度计仪器:光密度计光密度计 (X-Rite 341)可量测的光学特性: (光源:暂缺)u 光密度(OD: Opti

28、cal Density) : 是材料遮光能力的表征.入射光通量入射光通量与透射光通量透射光通量之比值的常用对数值.OD=log10(T入/T透) 或 OD=log10(1/穿透率)TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved四、光学特性及量测仪器四、光学特性及量测仪器4.4 照度计仪器:照度计照度计 (?)可量测的光学特性:u 光照强度(illumination /illuminance) : 表示光照的强弱和物体表面被照明的程度.单位面积单位面积上所接受可见光的能量可见光的能量. 假设面元dS上的光通量为d, 则此面元上的照度E为:

29、E=d/dS 照度单位: 勒克斯勒克斯(lx) 被光均匀照射的物体, 在1平方米面积上所得的光通量光通量是1流明流明时, 它的照度是1勒克斯 (1lx=1lm/m2).流明流明(lm)光源单位时间内所辐射的光能叫光源的光通量, 其单位为流明.TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved四、光学特性及量测仪器四、光学特性及量测仪器4.5 多功能光学特性检测仪仪器:多功能光学特性检测仪多功能光学特性检测仪 (MFS-630)可量测的光学特性: (光源(可变):CIE标准光源D65)u 穿透率(Transmittance)u 反射率(Reflectance)表示物体反射光线的能力.试样反射光通量与照到试样的入射光通量之比的百分率. Reflectance =(T反/T入)*100% u 色度(Color)仪器可量测后计算出不同色空间的下的色坐标. 如图: 色度量测时又可两种模式: 穿透模式和反射模式.TPK Proprietary & Copyright All Rights Reserved四、光学特性及量测仪器四、光学特性及量测仪器4.6 分光测色仪仪器:分光测色仪分光测色仪 (CM70