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測(cè)色色差計(jì)在CIELAB色空間下的一種計(jì)量校準(zhǔn)方法

2022-02-01 07:41:16杜嵐陳斌華王達(dá)姚志康周妮黃彥瑋深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院廣西壯族自治區(qū)計(jì)量檢測(cè)研究院
上海計(jì)量測(cè)試 2022年4期
關(guān)鍵詞:色板示值色差

杜嵐 陳斌華 王達(dá) 姚志康 周妮 黃彥瑋 / . 深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院;. 廣西壯族自治區(qū)計(jì)量檢測(cè)研究院

0 引言

測(cè)色色差計(jì)是一種測(cè)量物體顏色及色差的設(shè)備[1],從結(jié)構(gòu)上看,目前市場(chǎng)上的測(cè)色色差計(jì)分為兩種,一種是分光式,其基本原理是通過(guò)測(cè)量物體表面反射的光譜數(shù)據(jù),進(jìn)而計(jì)算出物體顏色。另外一種則是濾光片式,廠家通過(guò)幾種濾色片組合的形式對(duì)儀器與標(biāo)準(zhǔn)照明體及人眼觀測(cè)的響應(yīng)曲線進(jìn)行匹配,從而得到被測(cè)物體的表面色。

目前,國(guó)際上通用的以數(shù)字表示顏色的方法有以下幾種:CIE三刺激值及色品坐標(biāo)(Y,x,y)表示方法,CIELUV均勻顏色空間下的L*,u*,v*,CIELAB 均勻顏色空間下的L*,a*,b*[2]。在印染、紡織、配色等領(lǐng)域中,使用CIELAB色空間中的L*,a*,b*及該色空間下的色差ΔE來(lái)表述物體顏色及色差,已被廣泛應(yīng)用[3]。但部分廠家生產(chǎn)的測(cè)色色差計(jì)僅提供CIELAB色空間下的測(cè)量結(jié)果,并未提供CIE三刺激值及其色品坐標(biāo)(Y,x,y)測(cè)量結(jié)果[4]。

現(xiàn)行的JJG 595-2002《測(cè)色色差計(jì)》檢定規(guī)程中,僅針對(duì)三刺激值及其色品坐標(biāo)下(Y,x,y)的測(cè)量方法及允差進(jìn)行了規(guī)定,對(duì)于僅提供L*,a*,b*及該色空間下的色差ΔE的儀器,并未滿足其計(jì)量需求,也不利于企業(yè)對(duì)儀器的合格性評(píng)判。因此,對(duì)測(cè)色色差計(jì)在CIELAB色空間下的計(jì)量校準(zhǔn)方法的研究顯得尤為重要。

1 CIELAB色空間下的物體表面色準(zhǔn)確性的計(jì)量校準(zhǔn)

根據(jù)JJG 595-2002,檢定項(xiàng)目包含對(duì)白、紅、綠、藍(lán)、黃五塊色板的Y,x,y準(zhǔn)確性的測(cè)量,并給出了Y,x,y的允差 ΔY,Δx,Δy。

根據(jù)國(guó)際照明委員會(huì)關(guān)于CIELAB色空間的描述及定義可得到L*,a*,b*與三刺激值X,Y,Z之間嚴(yán)格的代數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系,見(jiàn)式(1)

式中:X,Y,Z——物體色的三刺激值;

Xn,Yn,Zn——標(biāo)準(zhǔn)照明體的三刺激值;

L*,a*,b*——物體色的明度指數(shù)和色度指數(shù)

因此,對(duì)于需要在CIELAB均勻顏色空間下進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)的儀器,或者儀器僅有CIELAB均勻顏色空間下的測(cè)量結(jié)果的,可以對(duì)五塊色板的L*,a*,b*進(jìn)行校準(zhǔn),并且比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)色板溯源證書中的L*,a*,b*,給出示值誤差ΔL*,Δa*,Δb*,便于儀器使用者根據(jù)結(jié)果判定自身設(shè)備的合格性。

對(duì)于需要進(jìn)行合格性判定的儀器,由于Y,x,y與L*,a*,b*的代數(shù)關(guān)系非線性,因此,合格性判定需要將測(cè)得的L*,a*,b*換算成Y,x,y,并計(jì)算ΔY,Δx,Δy后,再根據(jù)JJG 595-2002中的允差要求(一級(jí):?Y≤1.5,?x,?y≤0.020;二級(jí):?Y≤3,?x,?y≤0.025)進(jìn)行判定。

2 CIELAB色空間下的色差準(zhǔn)確性的計(jì)量校準(zhǔn)

對(duì)于關(guān)注色差準(zhǔn)確性的儀器使用者,相對(duì)于物體色的測(cè)量準(zhǔn)確性,也關(guān)注兩種顏色之間色差的測(cè)量準(zhǔn)確性,即?Eab*測(cè)量的準(zhǔn)確性。

根據(jù)JJG 595-2002,檢定項(xiàng)目中與色差?E*ab相關(guān)的量?jī)H有色差?Eab*的重復(fù)性及復(fù)現(xiàn)性,并未涉及?Eab*準(zhǔn)確性的測(cè)量。根據(jù)色差儀使用場(chǎng)景,了解到儀器使用者更關(guān)注相近顏色的色差,而不是不同顏色之間的色差。

因此,提出一種針對(duì)色差準(zhǔn)確性的測(cè)量方法:使用兩套五色標(biāo)準(zhǔn)色板,兩套標(biāo)準(zhǔn)色板溯源證書給出的CIELAB顏色空間下的標(biāo)準(zhǔn)值分別為L(zhǎng)1s*,a1s*,b1s*和L2s*,a2s*,b2s*,則可以計(jì)算出兩套色板間色差值,作為色差標(biāo)準(zhǔn)值?Eabs*,見(jiàn)式(2)。

用被測(cè)色差計(jì)分別測(cè)試兩套標(biāo)準(zhǔn)色板中相同顏色間的色差?Eabm*作為測(cè)量值。再計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值與測(cè)量值間的差異,即計(jì)算色差的差作為評(píng)定色差準(zhǔn)確性的指標(biāo),見(jiàn)式(3)

利用兩套五色標(biāo)準(zhǔn)色板,可以得到五種顏色的色差示值誤差。再根據(jù)儀器使用者實(shí)際使用場(chǎng)景,可以規(guī)定色差示值誤差的允差作為評(píng)定色差準(zhǔn)確性的依據(jù)。從而完成色差準(zhǔn)確性的計(jì)量校準(zhǔn)。

3 CIELAB色空間下的物體表面色準(zhǔn)確性計(jì)量校準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù)

選取僅提供L*,a*,b*及 ?Eab*數(shù)據(jù)的進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)設(shè)備各一臺(tái),分別為KONICA MINOLTA公司的CR-10 plus及3nh公司的NH300。在D65光源、10°標(biāo)準(zhǔn)色度觀測(cè),且包含鏡面反射的測(cè)量條件下,分別對(duì)兩臺(tái)色差計(jì),測(cè)量五色標(biāo)準(zhǔn)色板的L*,a*,b*3次,取平均值作為最后測(cè)量結(jié)果,并與五色標(biāo)準(zhǔn)色板的L*,a*,b*進(jìn)行差值計(jì)算,得到L*,a*,b*的示值誤差 ?L*、?a*和 ?b*。CR-10 plus的測(cè)量結(jié)果及換算結(jié)果見(jiàn)表1和表2。NH300的測(cè)量結(jié)果及換算結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

表1 CR-10plus在CIELAB色空間下的測(cè)量結(jié)果

表2 CR-10plus 測(cè)得值 L*,a*,b*轉(zhuǎn)換成 Y,x,y 的結(jié)果

表3 NH300在CIELAB色空間下的測(cè)量結(jié)果

表4 NH300 測(cè)得值 L*,a*,b*轉(zhuǎn)換成 Y,x,y 的結(jié)果

4 CIELAB色空間下的色差準(zhǔn)確性計(jì)量校準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù)

進(jìn)行色差準(zhǔn)確性校準(zhǔn)時(shí),在相同顏色下,使用被測(cè)色差計(jì)對(duì)兩套標(biāo)準(zhǔn)板的色差進(jìn)行測(cè)量,重復(fù)測(cè)量3次,用式(4)進(jìn)行色差示值誤差的計(jì)算

式中:?(?E*)——色差的示值誤差;

?Es*——兩套標(biāo)準(zhǔn)板相同顏色間的色差標(biāo)準(zhǔn)值

選取同一臺(tái)CR-10 plus及NH300,選定D65光源、10°標(biāo)準(zhǔn)色度觀測(cè),包含鏡面反射的測(cè)量條件下,標(biāo)準(zhǔn)器選用兩套五色標(biāo)準(zhǔn)色板,兩套標(biāo)準(zhǔn)板L*,a*,b*標(biāo)準(zhǔn)值及相同顏色下的色差標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表5。在相同顏色下,分別用兩臺(tái)設(shè)備對(duì)兩套色板進(jìn)行色差測(cè)量,重復(fù)測(cè)量3次,取平均值作為測(cè)量結(jié)果,并計(jì)算色差與色差標(biāo)準(zhǔn)值之間的差異,作為色差的示值誤差。CR-10 PLUS的色差測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表6,NH300的色差測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表7。

表5 兩套標(biāo)準(zhǔn)色板L*,a*,b*標(biāo)準(zhǔn)值及相同顏色下的色差標(biāo)準(zhǔn)值

表6 CR-10 plus的色差測(cè)量結(jié)果

表7 NH300的色差測(cè)量結(jié)果

5 色差示值誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度分析

5.1 校準(zhǔn)方法

在相同顏色下,使用被測(cè)色差計(jì)對(duì)兩套標(biāo)準(zhǔn)板中相同顏色間的色差進(jìn)行測(cè)量,重復(fù)測(cè)量3次,再用平均值與色差標(biāo)準(zhǔn)值之差作為色差示值誤差。

5.2 測(cè)量模型

根據(jù)校準(zhǔn)方法,可得到色差示值誤差測(cè)量結(jié)果的測(cè)量模型為

式中:?(?E*)——色差的示值誤差;

?Es*——兩套標(biāo)準(zhǔn)板中相同顏色間的色差標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù)不確定度傳播定律[5],色差測(cè)量值與色差標(biāo)準(zhǔn)值之間相互獨(dú)立且不相關(guān),因此,色差示值誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

5.3 輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

使用被測(cè)色差計(jì)對(duì)兩套標(biāo)準(zhǔn)色板的白色進(jìn)行色差的重復(fù)測(cè)量,共測(cè)量10次,計(jì)算其算術(shù)平均值,并利用貝塞爾公式計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)偏差,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 色差計(jì)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

實(shí)際測(cè)量中以3次測(cè)量的平均值作為最終結(jié)果,因此,實(shí)驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度為

5.3.2 標(biāo)準(zhǔn)色板色差標(biāo)準(zhǔn)值引入的不確定度分量u1(?Es*)

根據(jù)兩套色板的溯源證書,可得到U(Y) = 0.8,k= 2,則u(Y) = 0.4。對(duì)于白色反射板,光譜選擇性較小,則認(rèn)為u(X) =u(Y) =u(Z) = 0.4。再根據(jù)式(1)和式(2),且選用的照明/觀測(cè)條件為D65光源、10°標(biāo)準(zhǔn)色度觀測(cè),則Xn= 94.81,Yn= 100,Zn= 107.32[1],根據(jù)不確定度傳播定律[5],可計(jì)算得出u(?E*) = 0.55,則 :

5.3.3 標(biāo)準(zhǔn)色板均勻性引入的不確定度分量u2(?Es*)

標(biāo)準(zhǔn)色板的均勻性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度采用B類評(píng)定方法,按照估計(jì),不均勻性約為0.2[6],假設(shè)其為均勻分布,則:

5.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

不確定度分量之間互不相關(guān),因此合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

5.5 擴(kuò)展不確定度

取包含因子k= 2,

則U[?(?E*)]= 0.57 × 2 = 1.14 ≈ 1.2。

因此,色差示值誤差的測(cè)量不確定度可表示為

6 結(jié)果與分析

從對(duì)兩臺(tái)僅提供CIELAB色空間下顏色及色差測(cè)量結(jié)果的儀器測(cè)量結(jié)果可以看出,在對(duì)于物體表面色的測(cè)量時(shí),CR-10 plus通過(guò)L*,a*,b*轉(zhuǎn)換成Y,x,y的測(cè)量結(jié)果符合國(guó)家規(guī)程規(guī)定的二級(jí)要求(?Y≤ 3, ?x,?y≤ 0.025),可判定為二級(jí)合格。NH300通過(guò)L*,a*,b*轉(zhuǎn)換成Y,x,y的測(cè)量結(jié)果超出國(guó)家規(guī)程規(guī)定的二級(jí)要求,判定為不合格。

色差的測(cè)量結(jié)果顯示中,不論是CR-10 plus還是NH300,在兩種相近顏色的色差準(zhǔn)確性測(cè)量中,色差示值誤差都控制在1以下。

通過(guò)與儀器使用者的技術(shù)溝通了解到,儀器使用者在實(shí)際使用場(chǎng)景中,采用配色產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)色塊的色差值作為產(chǎn)品合格性判定,因此,此時(shí)儀器使用者更加關(guān)注色差的測(cè)量準(zhǔn)確性。據(jù)儀器使用者介紹,兩臺(tái)儀器在實(shí)際使用中均滿足場(chǎng)景要求,這與實(shí)際測(cè)量的色差準(zhǔn)確性結(jié)果一致。

根據(jù)提出的色差準(zhǔn)確性的校準(zhǔn)方法,分析了色差示值測(cè)量結(jié)果的不確定度,及測(cè)量結(jié)果的不確定度來(lái)源,從測(cè)量重復(fù)性、標(biāo)準(zhǔn)色板色差準(zhǔn)確性、標(biāo)準(zhǔn)色板均勻性等方面分析了其引入的不確定度,對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性有一定的指導(dǎo)意義。

綜上所述,對(duì)于CIELAB顏色空間下的計(jì)量校準(zhǔn),可從兩個(gè)方面判定其儀器特性,一是提供儀器測(cè)量物體表面色的準(zhǔn)確性數(shù)據(jù),即通過(guò)測(cè)量L*,a*,b*,并換算成Y,x,y,再進(jìn)行合格性判定,從而幫助儀器使用者在測(cè)量物體色時(shí)進(jìn)行判定。二是提供儀器測(cè)量色差的準(zhǔn)確性數(shù)據(jù),即通過(guò)測(cè)量?jī)煞N標(biāo)準(zhǔn)色板色差的示值誤差,從而幫助儀器使用者在關(guān)注兩種顏色色差時(shí)進(jìn)行判定。

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