色度学-颜色理论.pdf

韵鼎资料 色度学色度学-颜色理论颜色理论 培训课程培训课程 2 课时课时 Http:/Email:韵鼎资料 颜色理论基础知识颜色理论基础知识 一、颜色概述一、颜色概述 色度学是研究人的颜色视觉规律、颜色测量的理论与技术的科学，是以物理光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科领域为基础的综合性科学。在现代工业和科学技术发展中，存在着大量有关色度学的问题，颜色与人民生活的衣食住行密切相关。颜色的测量和控制在一些工农业生产中极为重要，在许多部门颜色是评定产品质量的重要指标，如染料、涂料、纺织印染、塑料建材、医学试剂、食品饮料、灯光信号、造纸印刷、电影电视、军事伪装等等，这一切都是由于颜色科学的建立，才使色度工作者能以统一的标准，对颜色作定量的描述和控制。在纺织印染、染料和涂料等行业天天与颜色打交道，过去全凭目测评定，评定结果无法记述，储存。并受观察者的身体状况、情绪、年龄等影响很大。随着电子技术和计算机技术的迅速发展，测色仪器的测色准确性、重演性和自动化程度大大提高。现在又有在线检测对提高产品质量，减少不合格品率更为有用。为此测色技术在各行各业日益得到广泛应用。色彩的感觉是一个错综复杂的过程，单从物理观点来考虑，色彩的产生有三个主要因素：光源，被照射的物体和观察者。二、光和颜色二、光和颜色 1.光源光源 光由光源体发出，太阳光是我们最主要的光源。光辐射是一种电磁辐射波，包括无线电波、紫外光、红外光、可见光、X 射线和射线等。我们人类所能见到的光只是电磁波中极小的一部分，其波长范围是 380-700nm（纳米）称为可见光谱。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：700nm 为红色，580nm 为黄色，510nm 为绿色，470nm 为蓝色。单一波长的光表现为一种颜色，称为单色光。物体在不同光源照射下会呈现不同的颜色，为此国际照明委员会（CIE）规定了如下的标准照明体，为实现标准照明体的实物就是标准光源。其规定以各个照明体在各波长的能量分布的数据和曲线来表-第 2 页 韵鼎资料 示。我国的国家标准 GB 也等同采用这些标准。A 光源是色温为 2856K 的钨灯。-第 3 页 C 光源是相关色温为 6770K，类似薄云天空的白光。通过钨灯经液体滤光器实现。D65、D50、D60 和 D75 照明体分别是相关色温 6500K，5000K、6000K 和7500K 的平均自然白光。其光源都是各厂家用各种手段模拟的，CIE 还未推荐人工的 D 标准光源。冷白荧光灯（CWF）：色温为 4200K。TL84：为三磷荧光灯。2.物体物体 物体的颜色，除自发光的物体的颜色称为光源色外，其它非自发光的物体的颜色称为表面色，它必须靠光源照明后才能显现出来，如果没有照明光，也就没有颜色感觉。当光照射到物体上后，一部分光被物体表面反射（或透射），一部分光进入物体被吸收（或散射被物体表面反射（或透射）的这部分光的特性，决定了我们看到的物体的颜色。1)光的反射 当光照射在有光泽物体平滑表面上时，如镜子或金属表面，入射光绝大部分被反射，反射光和透射韵鼎资料 -第 4 页 光在一个平面上，而且反射角等于入射角，这种反射叫做镜面反射。当光照射在不透明又不平滑物体表面上时，光就按不同方向反射，叫做漫反射。在很多物体上这两种反射同时存在。若物体漫反射时，各反射方向亮度相等的点能连成一个正圆，这种物体称为完全漫反射体。理想的完全漫反射体是不存在的。国际照明委员会规定采用 6 种方法作为测定反射率的条件。0/45 、45/0、0/d、d/0、d/8、8/d 这六种就是仪器的照明受光几何条件。并且规定了不论何种场合，都取试样的反射光和在相同条件下全扩散反射面的反射光之比作为反射率，为此测色仪器都要用标准白板进行校正。对白标准国际和国标都有规定。不同波长下的反射率即为反射率曲线。如果各个波长的光照射物体，几乎全部反射，我们看到的物体即为白色，若几乎全部被吸收，则我们看到的物体是黑色，若各个波长相同的吸收，根据吸收的大小为一系列的灰色，若在各个波长吸收不一，即有选择性的吸收，我们就看到物体不同的颜色。2)光的透射和吸收 当光照射在透明物体上时，光经过这一物体时一部分透射，一部分被吸收。如入射光强度为 I 1，透射光强度为 I 2，透射率 T=I 2/I 1。吸光度也称作吸收率 D D=log T D=A sBC A s 为一常数，对特定物质和特定波长是一定的。D 与介质的浓度 C 成正比（当液槽厚度 B 一定时）比耳定律。D 与液槽厚度 B 成正比（当浓度 C 一定时）朗伯定律。同样，因为物体的选择性吸收，我们也可看到物体不同的透射色。3、观察者、观察者 观察者即为人的眼睛或检测器。对于人检知颜色的问题属于颜色视觉生理和颜色视觉心理范畴。经长期的实验研究现代颜色理论的两大类，“三色学说”和“对立颜色学说”被“颜色视觉的阶段学说”统一在一起。现代神经生理学发现，在视网膜中确实存在三种不同的颜色感受器，感红、感绿、感蓝的锥体细胞。第一阶段视网膜中三种独立的锥体感色物质，有选择地吸收光谱不同波长的辐射，同时每一物质又可单独产生白和黑的反应。第二阶段在神经兴奋由锥体感受器向神经中枢的传导过程中，这三种反应又重新组合，最后形成三对对立性的神经反应，即红或绿、黄或蓝、白或黑反应。人眼对不同波长的可见光的感受性是不同的，经过大量实验，CIE 规定了 CIE 明视觉和暗视觉标准光谱光效率。4、颜色的分类和特性、颜色的分类和特性 韵鼎资料 颜色可分为无彩色和彩色两大类。无彩色指白色、黑色和各种深浅不同的灰色。它们只有明度上的差异，对光谱各波长的反射没有选择性。彩色是指黑白系列以外的各种颜色。彩色有三个特性：明度、色调、彩度（饱和度）。用一个三维空间的纺锤形立体可以表示颜色的三种基本特性。垂直轴表示白黑系列明度的变化。在圆周上的变化代表色调的变化。颜色立体的中心是中灰色，从中心向圆周过渡表示彩度（饱和度）的增加。离中心越远彩度越高。5、颜色混合、颜色混合 颜色混合可以是颜色光的混合，也可以是染料的混合。两种混合方法所得的结果是不同的。色光混合称为加法混合，而染料混合称为减法混合。把两个颜色调节到视觉上相同或相等的方法叫做颜色匹配，通过大量的颜色匹配实验发现用三种颜色可以匹配出各种各样颜色，但它们之中的任何一个不能由另外二种颜色混合而成。我们称这三种颜色为三原色。实验证明用红、绿、蓝三种色光匹配其它颜色光最方便。人们确认红、绿、蓝为加法混合的三原色，它们的加和为白色。而黄、品红、青为减法混合的三原色，它们的加和为黑色。（C）R（r）+G（g）+B（b）为颜色方程 C 代表被匹配的颜色，“”代表匹配，即视觉上相等，（r）、（g）、（b）分别代表红、绿、蓝三原色。把为了匹配某一特定颜色所需的三原色数量叫做三刺激值，为匹配相等能量（简称等能）光谱色的三原色数量叫做光谱三刺激值。三、三、CIE 标准色度学系统标准色度学系统 物体的颜色既取决于外界物理刺激，又取决于人眼的视觉特性，颜色的测量和标定应符合人眼的观察结果。目前国际上各个领域广泛应用的，是以两组基本视觉实验数据为基础建立的一套颜色的表示、测量和计算方法。即 CIE 标准色度学系统。1.标准色度观察者标准色度观察者 Wright(19281929 年),Guild（1931 年）各自选择三原色，由不同观察者在 2 视场观察条件下，用三原色匹配等能光谱的各种颜色，得到两组实验结果。CIE1931 年将三原色转换成 700nm（r）、546.1nm（g）和 435.8nm（b）三原色，采取平均结果，定出匹配等能光谱色的 r,g,b 光谱三刺激值，但在这系统中有时 r,g,b 会出现负值，计算不方便又不易理解，因此 1931 年 CIE 讨论推荐 CIE-XYZ 系统。用数学方法推导，以假想的三原色 X、Y、Z 来表示。称为“CIE1931 标准色度观察者光谱三刺激值”，也叫 CIE1931 标准色度观察者颜色匹配函数，简称 CIE1931 标准观察者或 2 观察者。-第 5 页 韵鼎资料 为了适合 10 大视场的色度测量，CIE 在 1964 年又另规定一组“CIE1964 补充标准色度观察者光谱三刺激值”简称 CIE1964 标准观察者或 10观察者。2.三刺激值的计算三刺激值的计算 700 400=k S R x X 700 400=k S R y Y 700 400=k S R z Z 式中：X、Y、Z 颜色的三刺激值，代表 2 视场的，若 10 视场为 X10、Y10、Z10。S ：标准照明体的光谱能量分布。R ：物体色的反射率（若为透射色时，用透射率 T 计算）。x、y 、z 为 1931 标准色度观察者光谱三刺激值即 2 观察者的，计算 X10、Y10、Z10时10 x、10y、10z为 1964 标准色度观察者光谱三刺激值即 10观察者。k ：归一化系数，是将照明体（光源）的 Y 值调整为 100 时得出的。k=100/S y 3.色品（度）坐标和色品（度）图色品（度）坐标和色品（度）图 x=X/（X+Y+Z）y=Y/（X+Y+Z）z=1-x-y 根据 1931 或 1964 标准观察者绘制在 x、y 坐标图上称为色品（度）图。弧形曲线是光谱轨迹，连接 400 和 700nm 的直线是光谱上没有的由紫到红的颜色，在这个马蹄形内包括一切物理上能实现的颜色这是个三维空间，Y 垂直于 x、y 平面。-第 6 页 韵鼎资料 物体色可以用 X、Y、Z 也可以用 Y、x、y 数字表示。4.主波长和纯度主波长和纯度 用某一光谱颜色按一定比例与一确定的参照光源想混合而匹配出样品色，该光谱色的波长就是样品的主波长，相当于日常生活中观察到的颜色的色调。可以用作图方法求得，在 CIE 色品图上分别标出样品和光源的色度点，连接两点直线向光谱轨迹延伸相交，相交点的光谱轨迹波长就是样品的主波长。非光谱色的样品和光源的色度点相连的直线反方向延长与光谱轨迹相交，此相交点的光谱轨迹波长就是样品的补色波长。如图中样品 M 点的主波长是 519.4nm，样品 N 点的补色波长为 495.7nm。在主波长线上，光源点到样品点的距离与光源点到光谱色度点的距离的比称为该样品色的纯度 Pe。OMPeOL=OMPeOL=-第 7 页 韵鼎资料 5.均匀色空间均匀色空间 1931 年色度图最大的缺点是在视觉上是不均匀的。图上相等的空间在视觉效果上不是等差的，为此致力于研究一种新的色度图。曾有 CIE1960UCS 图，CIE1964（U*V*W*）均匀颜色空间，在 1975年 CIE 第 18 届大会上（伦敦）推荐了 CIE1976（L*a*b*）和（L*u*v*）两个均匀色空间。在物体色测量中常用 CIE1976（L*a*b*）均匀色空间。我国也订立了标准。L*=116(Y/Y0)1/3-16 a*=500(X/X0)1/3-(Y/Y0)1/3 b*=200(Y/Y0)1/3-(Z/Z0)1/3 用L*C*h0极坐标也同样表示 C*=(a*2+b*2)1/2h0=arctg(b*/a*)另外还有Hunter L、a、b色空间等。6.色差公式色差公式 CIE1976 色差公式已作为我国 GB 标准用于染料和纺织品颜色的色差测定。E*=(L*2 +a*2+b*2)1/2 L*=L*试-L*标 a*=a*试 -a*标 b*=b*试 -b*标 C*=C*试 -C*标 L*为正时,试样比标样亮,为负时反之。C*为正时,试样比标样艳,为负时反之。H*=(E*2 -L*2-C2)1/2 当 h0 试 h0 标 时,H*为正值。当 h0 试 h0 标 时,H*为负值。当样品是红色时,H*为正时试样比标样黄 为负时试样比标样蓝 -第 8 页 韵鼎资料 当样品是黄色时,H*为正时试样比标样绿 为负时试样比标样红 当样品是橙色时,H*为正时试样比标样黄 为负时试样比标样红 当样品是绿色时,H*为正时试样比标样蓝 为负时试样比标样黄 当样品是蓝色时,H*为正时试样比标样红 为负时试样比标样绿 当前还有许多色差公式，致力于色空间中的距离与视觉效果等差一致的研究。有的已在仪器所带的软件中提供各种色差公式的数据。如 HunterLab,AnLab,FMC-II,CMC,CIE DE*94,CIE DE*2000 等等。四、测色仪器四、测色仪器 根据前面所述 CIE 色度的计算方法可以看出，照明体的相对光谱能量分布 S 和标准色度观察者光谱三刺激值x、y、z CIE 都有规定，都是已知的。要精确的测量物体表面色，通过定量比较标准和样品在同一波长上的单色辐射功率，从而测出样品的光谱反射率或光谱透射率因数即可。为此目的光谱光度计一般由光源、单色器和检测器三部分组成，仪器的照明和观察几何条件应符合 CIE的规定。光源：要求稳定，现大多为模拟 D65 的光源，常用的有卤钨灯、闪光氙灯。单色器：使光色散成可见光谱范围的单色光。有棱镜、光栅、干涉滤色片等。现常用为全息衍射光栅。检测器：接受光的信号转换为电的信号，有光电管、光电倍增管、硅二极管。现常用的是硅二极管矩阵，根据仪器测试的波长范围和波长间隔，由不同个数组成。根据 CIE 规定的照明观察几何条件，光谱光度计又可分为不同类型的有 45/0 的，有积分球型的，可以选择。测色仪器由光谱光度计和计算机两部分组成,由光谱光度计测得正确的反射率或透射率,通过计算机使用一系列软件,可得大量有关颜色的信息数据。因为有不同光源，观察者，不同的照明观察几何条件，所以在测得的数据上要注明光源、观察者、仪器型号等等。-第 9 页 韵鼎资料 -第 10 页 五、测色应用五、测色应用 测色仪器测试所得的是反射或透射率曲线，通过计算机计算可得一系列关于颜色的信息数据，如上所述可得颜色的三刺激值，色空间坐标值，色差值等。通过软件的发展，测色应用越来越广泛，举例如下：1.质量控制质量控制 测试试样与标样之间的色差，判定试样合格/不合格。可提供国际上常用的多种色差公式的色差值。现在也有在线控制系统，在生产的同时进行检测，提示产品前后左右的色差，对生产及时进行调整，提高产品合格率。2.牢度评级牢度评级 将进行牢度试验前后的试样进行颜色测量，求出它们的色差，换算成变色或沾色牢度的级别。3.白度的测量白度的测量 根据 Y、x、y 求出试样的白度，由软件提供多种白度公式的白度值，包括 CIE,ASTM,Hunter,Ganz等等，对不同行业使用的有所不同。4.黄度的测量黄度的测量 测试白色样品的黄度和泛黄程度。根据 ASTM 方法。5.强度的测量强度的测量 测量试样对标样的强度，可以在最大吸收波长单波长比较（透射样品）也可在全波长范围比较（反射样品）。有国家标准方法。6.染料性能测试染料性能测试 染料进行性能测试如上染率、PH 值影响、提升率等的染样，经测试用 K/S 值表示染料在织物上的染色深度，求出染料的上染温度时间关系曲线、PH 值影响曲线、不同浓度提升率曲线等。还可进行匀染性的测试。韵鼎资料 7.标准深度的测量标准深度的测量 在染料进行牢度试验时，试样要染到一定的深度，ISO 和 GB 标准都有染料染色标准深度色卡，用于目测评定染样。长期以来人们致力于寻找测定标准深度的仪器方法，现在 ISO、GB 都订立了标准。染样经测色仪测试后，经过标准深度公式计算可确定 1/1 深度，判定该染样是否符合 1/1 深度。8.电脑配色电脑配色 电脑配色是测色的一大重要应用，通过测色仪测试一系列浓度档次的染样，建立基础数据，然后根据要求的标样和所选坯布进行配色，计算出配方。六、配色原理简介六、配色原理简介 对染色的纺织品最终决定其颜色的是反射光谱，因此使产品的反射光谱能匹配标样的反射光谱是最完善的配色，称为无条件等色配色。这种配色只有在染样的坯布和染料与标样的完全一致时才能做到，这在实际生产中是很少的。大多数配色，从测色学上考虑就是使染料配合后染色所得染样的 XYZ 三刺激值与标样的三刺激值达到一致。这种配色结果，因为三刺激值不仅由染样的反射光谱决定，还与一定的照明体和观察者有关，所以可能在某个特定的照明体和观察者条件下试样和标样的三刺激值相等，而两者的反射光谱不尽相同，当照明体和观察者有变化时两者可能会有色差，这叫做同色异谱现象。其程度用同色异谱指数 M I 来表示。这种配色称为条件等色配色。配方计算是预测各种染料在各种浓度配组混合后的三刺激值，并将这预测值与标样三刺激值不断对比的过程。要实现预测计算先要确立（）染料浓度和反射率之间的关系；（）混色反射率与组成该混色的各单只染料反射率之间的关系。目前广泛应用的是库贝尔卡芒克（Kubelka-Munk)关于光线在不透明介质中被吸收和散射的理论，建立以下关系式：2(1)/2RK SR=式中：R 为不透明物体的反射率。K 为吸收系数，染样的吸收系数为坯布的吸收系数和染料的吸收系数之和。S 为散射系数，因为染在坯布上的染料虽然吸收光但不散射，散射主要是坯布的作用。根据比耳定律染料的吸收与其浓度成正比 K/S=（K/S）/C 为染料的光学特征系数，即单位浓度的 K/S 值 混色的染样在各个波长的 K/S 值为各染料的 K/S 值和坯布 K/S 值的和。K/S=(K/S)A+(K/S)B+(K/S)坯 =ACA+BCB+(K/S)坯 在整个可见波长范围内，400nm 到 700nm，波长间隔为 10 nm 的话就有 31 个方程。使染样的各波长 K/S 值与标样的 K/S 值相等，用最小二乘法介联立方程。A，B是各个染料的光学特征系数。可以由作基础数据的方法求得，坯布的 K/S 值也是已知的，介联立方程用计算机是很方便的，求得染料浓度的近似解与染料的单位浓度 K/S 值，坯布的 K/S 值可合成配色所得的 K/S 值，再换算成反射率曲线，求出三刺激值与标样的三刺激值比较，计算出色差，再求增量浓度 C。这样反-第 11 页 韵鼎资料 -第 12 页 复计算，求出最佳配方。这些过程在计算机中瞬息即完成，目前的配色程序可提供按质量（色差大小），按成本为序的多个处方以及配方性能的评价。而且有处方修正程序，用初次配方染色的试样进一步修正即得更接近标样颜色的处方。配方计算过程中，各个染料的光学特征系数即单位浓度的 K/S 值是很重要的，也就是我们通常说的基础数据的制备是很重要的。就是对每个染料要染制一系列浓度梯度的染样，浓度范围要把平时的应用范围包括在内。织物染色受到坯布、染料、助剂、设备、工艺条件和操作人员熟练程度等的影响，计算机只能依据一定条件进行配方预告，所以基础数据要非常可靠，要选择一定的条件与混色后的染色条件一致。染料的浓度要精确无误，最好能配上自动配液系统，使精度能提高。染色染样要重演性好。当坯布、染料发生变化时，若只是强度上的变化，配色程序中可以进行修正，若是色光上差异较大时，最好考虑重打基础数据样。七、我国有关颜色测量的一些标准七、我国有关颜色测量的一些标准 基础标准 GB3977-1997 颜色的表示方法 GB3978-1994 标准照明体及照明观测条件 GB3979-1997 物体色的测量方法 GB5698-1985 颜色术语 GB7771-1987 特殊同色异谱指数的测定 改变照明体 GB7921-1997 均匀色空间和色差公式 GB9086-1988 用于色度和光度测量的陶瓷标准白板 GB9087-1988 用于色度和光度测量的粉体标准白板 GB15608-1995 中国颜色体系 白度标准 GB1503-1992 日用陶瓷白度测定方法 GB2016-1980 白色硅酸盐水泥白度试验方法 GB2913-1982 塑料白度试验方法 GB5885-1986 苎麻纤维白度试验方法 GB5950-1996 建筑材料与非金属矿产品白度测量方法 GB7974-1987 纸及纸板白度测定法 漫射/垂直法 GB8425-纺织品色牢度试验J02 部分：相对白度的仪器测定 GB8940.1-1988 纸和纸板白度测定法 45/0 定向反射法 GB8940.2-1988 纸浆白度测定法 GB9338-1988 荧光增白剂的白度测定方法（仪器法）GB12097-1989 淀粉白度测定方法 GB13025.2-1991 制盐工业通用试验方法 白度的测定 GB13176.1-1991 洗衣粉白度的测定 韵鼎资料 -第 13 页 GB13835.7-1992 兔毛纤维白度试验方法 GB17644-1998 纺织纤维白度色度试验方法 色度及色差标准 GB250-1995 评定变色用灰色样卡 GB251-1995 评定沾色用灰色样卡 GB1722-1992 清漆清油及稀释剂颜色测定法 GB1864-1989 颜料颜色的比较 GB2409-1980 塑料黄色指数试验方法 GB3181-1995 漆膜颜色标准 GB4739-1984 日用陶瓷颜料色度测定方法 GB6410-1986 纺织品色牢度试验方法 用仪器对贴衬织物沾色程度评级 GB6688-1986 染料相对强度的测定 仪器法 GB6689-1986 染料色差的测定 仪器法 GB6749-1997 漆膜颜色表示方法 GB7975-1987 纸及纸板 颜色测定法（漫射/垂直法）GB8416-1987 视觉信号表面色 GB8417-1987 灯光信号颜色 GB8424-纺织品色牢度试验J01 部分：表面颜色测定通则 GB8424-纺织品色牢度试验J03 部分：色差的计算 GB9340-1988 荧光样品色的相对测量方法 GB11186.1-1989 涂膜颜色的测量方法 第一部分 原理 GB11186.2-1989 第二部分 颜色测量 GB11186.3-1989 第三部分 色差计算 GB11942-1989 彩色建筑材料色度测量方法 GB12708-1991 航标灯光信号颜色 GB13531.2-92 化妆品通用实验方法 色泽三刺激值和色差 E*的测定 GB13784-1992 棉花颜色试验方法 测色仪法 GB16990-1997 纺织品色牢度试验颜色 1/1 标准深度的仪器测定 八、参考文献八、参考文献 色度学 荆其诚等 Color Measurement in the Textile Industry Bayer 颜色测控技术及标准应用手册 国家建材局标准化研究所 颜色测量在纺织工业中的应用 徐行等 测色和配色 纺科院印染工业科技情报站