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        測色色差計(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)量檢測研究院廣西壯族自治區(qū)計(jì)量檢測研究院
        上海計(jì)量測試 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)量檢測研究院;. 廣西壯族自治區(qū)計(jì)量檢測研究院

        0 引言

        測色色差計(jì)是一種測量物體顏色及色差的設(shè)備[1],從結(jié)構(gòu)上看,目前市場上的測色色差計(jì)分為兩種,一種是分光式,其基本原理是通過測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,廠家通過幾種濾色片組合的形式對儀器與標(biāo)準(zhǔn)照明體及人眼觀測的響應(yīng)曲線進(jìn)行匹配,從而得到被測物體的表面色。

        目前,國際上通用的以數(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)的測色色差計(jì)僅提供CIELAB色空間下的測量結(jié)果,并未提供CIE三刺激值及其色品坐標(biāo)(Y,x,y)測量結(jié)果[4]。

        現(xiàn)行的JJG 595-2002《測色色差計(jì)》檢定規(guī)程中,僅針對三刺激值及其色品坐標(biāo)下(Y,x,y)的測量方法及允差進(jìn)行了規(guī)定,對于僅提供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)對儀器的合格性評判。因此,對測色色差計(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)目包含對白、紅、綠、藍(lán)、黃五塊色板的Y,x,y準(zhǔn)確性的測量,并給出了Y,x,y的允差 ΔY,Δx,Δy。

        根據(jù)國際照明委員會(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量結(jié)果的,可以對五塊色板的L*,a*,b*進(jìn)行校準(zhǔn),并且比對標(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:?Y≤1.5,?x,?y≤0.020;二級:?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)

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

        根據(jù)JJG 595-2002,檢定項(xiàng)目中與色差?E*ab相關(guān)的量僅有色差?Eab*的重復(fù)性及復(fù)現(xiàn)性,并未涉及?Eab*準(zhǔn)確性的測量。根據(jù)色差儀使用場景,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,提出一種針對色差準(zhǔn)確性的測量方法: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L1s*,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*,見式(2)。

        用被測色差計(jì)分別測試兩套標(biāo)準(zhǔn)色板中相同顏色間的色差?Eabm*作為測量值。再計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值與測量值間的差異,即計(jì)算色差的差作為評定色差準(zhǔn)確性的指標(biāo),見式(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)際使用場景,可以規(guī)定色差示值誤差的允差作為評定色差準(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,且包含鏡面反射的測量條件下,分別對兩臺(tái)色差計(jì),測量五色標(biāo)準(zhǔn)色板的L*,a*,b*3次,取平均值作為最后測量結(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的測量結(jié)果及換算結(jié)果見表1和表2。NH300的測量結(jié)果及換算結(jié)果見表3和表4。

        表1 CR-10plus在CIELAB色空間下的測量結(jié)果

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

        表3 NH300在CIELAB色空間下的測量結(jié)果

        表4 NH300 測得值 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,使用被測色差計(jì)對兩套標(biāo)準(zhǔn)板的色差進(jìn)行測量,重復(fù)測量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,包含鏡面反射的測量條件下,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)值見表5。在相同顏色下,分別用兩臺(tái)設(shè)備對兩套色板進(jìn)行色差測量,重復(fù)測量3次,取平均值作為測量結(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的色差測量結(jié)果見表6,NH300的色差測量結(jié)果見表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的色差測量結(jié)果

        表7 NH300的色差測量結(jié)果

        5 色差示值誤差測量結(jié)果的不確定度分析

        5.1 校準(zhǔn)方法

        在相同顏色下,使用被測色差計(jì)對兩套標(biāo)準(zhǔn)板中相同顏色間的色差進(jìn)行測量,重復(fù)測量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 測量模型

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

        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)不確定度的評定

        使用被測色差計(jì)對兩套標(biāo)準(zhǔn)色板的白色進(jìn)行色差的重復(fù)測量,共測量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,測量結(jié)果見表8。

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

        實(shí)際測量中以3次測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/觀測條件為D65光源、10°標(biāo)準(zhǔn)色度觀測,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,色差示值誤差的測量不確定度可表示為

        6 結(jié)果與分析

        從對兩臺(tái)僅提供CIELAB色空間下顏色及色差測量結(jié)果的儀器測量結(jié)果可以看出,在對于物體表面色的測量時(shí),CR-10 plus通過L*,a*,b*轉(zhuǎn)換成Y,x,y的測量結(jié)果符合國家規(guī)程規(guī)定的二級要求(?Y≤ 3, ?x,?y≤ 0.025),可判定為二級合格。NH300通過L*,a*,b*轉(zhuǎn)換成Y,x,y的測量結(jié)果超出國家規(guī)程規(guī)定的二級要求,判定為不合格。

        色差的測量結(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)確性測量中,色差示值誤差都控制在1以下。

        通過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)際使用中均滿足場景要求,這與實(shí)際測量的色差準(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,分析了色差示值測量結(jié)果的不確定度,及測量結(jié)果的不確定度來源,從測量重復(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,對測量準(zhǔn)確性有一定的指導(dǎo)意義。

        綜上所述,對于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,一是提供儀器測量物體表面色的準(zhǔn)確性數(shù)據(jù),即通過測量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量物體色時(shí)進(jìn)行判定。二是提供儀器測量色差的準(zhǔn)確性數(shù)據(jù),即通過測量兩種標(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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