CN101680805B - 颜色匹配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及将基准颜色配方与规定的色调标准相匹配的方法，所述方法包括以下步骤：1)测量色调标准的反射光谱RST；2)从数据库中找出色调标准的配方，所述数据库包含颜色配方和对应的测量的反射光谱RPT；3)计算找出的配方的理论反射光谱RRPT；4)计算测量的反射光谱RPT与步骤3中获得的计算的反射光谱RRPT之间的光谱差值ΔR；5)用步骤4中获得的光谱差值ΔR来调整色调标准的反射光谱RST，从而生成所述色调标准的修改的反射光谱RSTM；6)根据修改的反射光谱RSTM计算配方；7)按照步骤6算出的配方混合涂料，然后将所述涂料施加到基底上。
Description
发明领域
本发明涉及将基准颜色配方与规定的色调标准相匹配的方法。该方法应用于有色表面涂层和特殊效果表面涂层领域。该方法尤其适合用于匹配汽车修理表面涂层中的色调。
相关领域描述
如果必须匹配颜色标准并且要进行着色，始终所需的着色步骤的数目是衡量该方法经济效率的决定性量度。尤其是在车辆表面涂层修补中，着色步骤的多少是衡量整个修补涂覆方法效率的量度。
可利用合适的颜料混合模型、以仪器来辅助颜色匹配方法，其中模型描述了给定着色过程的反射与透射特性之间的关系(也可通过分光光度计以实验方法确定此关系)以及单种着色剂的光学特性。就着色剂种类而言，必须利用校正阶梯光栅提前确定光学特性。
在第一步骤中，使用合适的分光光度计测量反射特性，例如涂覆的车身部件(标准)的反射特性。在随后的配方检索过程中，将实验光谱用于数据库中，以找出最适合下一配方修正步骤(如果需要该步骤的话)的已存配方和对应的测量的反射光谱。由于所测量的汽车部件相对于所检索的配方通常表现出残余色差，因此必须执行另外的步骤来将色差减少至所需公差范围内。此修正方法也需要仪器辅助。
颜色工具中目前所用的配方修正方法在色彩空间内运算，并且使用配方的色彩向量相对于所用所有着色剂浓度的泰勒展开。仅保留一阶以前的项，从而得到关于所有着色剂所需浓度变化的线性方程组。利用这些一阶展开系数和样本与标准之间的已知具体残余色差值，可导出所有着色剂的一组浓度变化。
用于辅助色调处理的标准方法在例如下列文献中有所描述：R.McDonald所著“Colour Physics for Industry”(Society of Dyers andColourists，Bradford(1987))和R.S.Berns所著“Principles ofColour Technology”(第三版，John Wiley&Sons，New York(2000))。
标准色调处理法的显著缺点是其按照定义的收敛行为无法优于线性，并且随着标准与样本之间的残余色差的增大，效率会显著降低。因此，色调处理法的效果明显局限于其固有逼近性。
因此，需要显著修改配方修正法对于纯色调和随角异色色调的收敛特性，并且在努力减少匹配给定标准所需命中次数的同时，还要提高计算步骤的稳健性和灵活性。
因此，本发明的目的在于避免常规方法对于配方修正的限制以及提高色调处理法的效率。此外，本发明的目的还在于提供将基准颜色配方与规定的色调标准相匹配以减少着色步骤数量，尤其是汽车表面涂层修补的着色步骤数量的方法。
发明概述
本发明涉及将基准颜色配方与规定的色调标准相匹配的方法，该方法包括以下步骤：
1.测量色调标准的反射光谱RST；
2.在包含颜色配方和对应测量的反射光谱RPT的数据库中找出色调标准的配方；
3.计算所述找出的配方的理论反射光谱RRPT；
4.计算所述测量的反射光谱RPT与在步骤3中算出的反射光谱RRPT之间的光谱差值ΔR；
5.用在步骤4中获得的光谱差值ΔR来调整色调标准的反射光谱RST，从而生成所述色调标准的修改的反射光谱RSTM；
6.根据修改的反射光谱RSTM计算配方；
7.按照在步骤6中算出的配方来混合涂料并且将涂料施加到基底上。
如果在步骤7中施加的涂料与色调标准(例如修理后的车身涂覆表面与汽车的原有涂覆表面)之间的残余色差仍然不可接受，则再次重复整个过程。测量所施加涂料的反射光谱RPT，然后重复步骤3至7。唯一的区别是，此时用所施加的涂料的测量的反射光谱RPT代替从数据库中找到的测量的反射光谱RPT。因此，在步骤3中计算上述着色步骤中步骤6获得的配方的理论反射光谱RRPT。
重复这些步骤，直到符合给定的匹配判据。
一般来讲，本发明可使用对应的颜色坐标，例如，三原色的三元组值或更均匀的CIELab色彩空间的L*、a*和b*值，而不是使用反射光谱，即也可使用色彩空间匹配判据而不是光谱匹配判据。
因此，本发明还涉及将基准颜色配方与规定的色调标准相匹配的方法，该方法包括以下步骤：
1.以实验方法确定色调标准的颜色坐标CST；
2.在包含颜色配方和对应的实验确定的颜色坐标CST的数据库中找出色调标准的配方；
3.计算所述找到的配方的理论颜色坐标CPT；
4.计算对应于所找到配方的以实验方式确定的颜色坐标CPT与在步骤3中算出的颜色坐标CRPT之间的差值ΔC；
5.用在步骤4中获得的颜色坐标差值ΔC来调整色调标准的颜色坐标CST，从而生成色调标准颜色的修改坐标CSTM；
6.根据修改的颜色坐标CSTM计算配方；
7.按照在步骤6中算出的配方来混合涂料并且将涂料施加到基底上。
利用色度学领域技术人员所熟知的方法可以从测量的反射光谱导出颜色坐标，例如三原色的三元组值或CIELab色彩空间的L*，a*和b*值，也可利用合适的测量装置直接测量得出。
毫无疑问，本发明的方法适用于在颜色匹配方法的第一步着色步骤中未得到满意结果的情况，即按照从数据库中找到的配方配制和喷洒的涂料与色调标准不匹配，或者色调标准的反射光谱与数据库中所找到配方的反射光谱之差不可接受。
附图简述
图1为本发明方法的示意性流程图。
图2至4示出了包含下列五种着色剂的绿色纯色调标准的匹配过程：白色、炭黑色、黄色、蓝色和绿色。
图5示出了单个修正步骤的目标光谱的变化。
图6示出了标准与各个所执行修正步骤之间的光谱差值ΔR。
图7至11示出了包含异色效应控制剂(fca)和下列五种着色剂的蓝紫色随角异色色调的匹配过程：银白色、云母蓝、红色、蓝紫色和炭黑色。所有配方组分的浓度变化均为着色步骤的函数。
图7示出了随波长和观察角变化的标准的反射表面。
图8示出了标准与喷洒配方之间的色差随着色步骤变化的情况。
图9示出了所有配方组分的浓度随着色步骤变化的情况。
图10示出了常规修正系数法中，标准与喷洒配方之间的色差随着色步骤变化的情况。
图11示出了常规修正系数法中，所有配方组分的浓度随着色步骤变化的情况。
发明详述
标准配方修正法将非线性最小化问题转化为线性最小化问题，从而可用线性代数的标准方法直接求解。因此，此线性化方法的收敛行为当然只能是线性的。线性逼近的有效性仅限于基准颜色配方开始位置周围非常狭窄的区域内。如果基准与标准之间的色差较大，则算法的效率会显著降低。
本发明用非线性方法代替线性逼近，非线性方法本质上比任何线性方法更稳健，因此表现出更好的收敛性。本发明的合理性在于以下事实：配方的预测反射光谱与测量的反射光谱之差是衡量整个方法所有固有误差源(模型误差、能力误差、测量误差、光学材料参数误差、过程误差等)的量度。这种已知差异被用来修正标准的反射光谱并得到临时虚拟标准，随后可用配方计算的标准方法再次匹配临时虚拟标准(可以最优化反射率和色彩空间)。该方法与面漆类型无关，即适用于纯色调和随角异色色调。
本发明的方法基于对已知着色色调的测量的反射光谱的光谱数据(或者对应的颜色坐标)与对应的理论预测值之间的比较。可用的样本越多，那么可收集到的有关颜料校正所用材料与颜色匹配中实际所用原材料之间的色差信息也就越多。当使用本发明的方法时，利用所有着色步骤中迄今为止收集到的全部信息，就可以得到具有收敛行为的纯色调和特殊效果色调的配方修正方法。一般来讲，使用新方法时，配方会在三到五个修正步骤后趋于稳定。相比常规方法，该方法可以定义终止判据，从而使配方的确立过程几乎可以自动和加速进行。此外，该方法可以在实际配方组分之外定义其他着色组分。
下文将更详细地说明本发明。
术语“反射光谱”在纯色调情况下应指反射光谱，在特殊效果(即随角异色色调)情况下应指反射表面。
着色剂系统应理解为表示任何包含用于配制配方的所有颜料的吸收颜料和/或特殊效果颜料的系统。本文对颜料组分的数量和选择不加以限制，可以根据相关要求以任意方式进行调整。
在本发明的步骤1中，测量要匹配的色调标准的反射光谱RST。对于纯色调，测量是采用分光光度计在单一测量几何条件(如45°/0°或d/8°)下进行的；对于特殊效果色调，测量则是采用合适的测角分光光度计在多种几何条件下进行的。色调标准是例如要修理涂层的基底表面或其一部分，具体地讲，色调标准是车身的涂层表面或其一部分。
在本发明的步骤2中，从包含颜色配方和对应测量的反射光谱RPT的数据库中找到配方。通常，这些数据库在车辆涂层修补行业中(例如在车身修理行业中)供最终使用者使用。数据库包含基于规定着色剂系统(即规定的着色剂分类)的大量预先配制的颜色配方。数据库中还保存了每种颜色配方的测量的反射光谱和/或颜色坐标。在第一步中根据所保存的反射数据找到合适的颜色配方。还可使用颜色坐标而不是反射光谱来作为选择标准。
在本发明的步骤3中，计算步骤2中所找到配方的理论反射光谱RRPT。根据配方的有色颜料的材料光学参数重新计算理论反射光谱RRPT，这些参数已通过实验提前确定，并且例如保存在数据库中。按照本领域技术人员熟知的方法执行此步骤。
在下一步骤(步骤4)中，计算所找到配方的测量的反射光谱RPT(保存在数据库中)与步骤3中所算出的计算理论反射光谱RRPT之间的光谱差值ΔR。
通过比较测量的反射光谱RPT与针对相同配方重新计算的理论反射光谱RRPT通常会发现差异。产生差异的原因可追溯到着色剂标准化能力的局限性、取决于配方的着色组分之间的相互作用、光学材料参数的有限精度、所用理论模型的局限性、应用条件的变化以及测量误差等。测量的反射光谱与重新计算的反射光谱之差是衡量上述缺陷的量度。
因此，在步骤5中，用在步骤4中获得的光谱之差ΔR对色调标准的反射光谱RST进行调整，从而得到色调标准的修改的反射光谱RSTM。
在步骤6中，根据修改的反射光谱RSTM来计算修改的配方。换句话说，色调标准的修改的反射光谱RSTM是利用普通配方计算进行匹配的。通过改变初始配方的组分并最终添加给定着色剂系统中已有的额外规定着色组分，可以实现这一点。
配方计算是按照本领域技术人员熟知的方法进行的。配方计算通常基于给定的着色剂系统。
进行配方计算的前提是知道可用着色剂系统中所有有色组分的光学材料参数。对于任何着色剂而言，必须利用校正阶梯光栅通过实验方法提前确定这些参数。要制备的各自的校正阶梯光栅当然与所用辐射传递模型密切相关。在各向同性的情况下，必须确定两个材料参数，它们分别为散射系数和吸收系数。为此，必须测量具有不同色彩行为的至少两种不同共混物。明确说明散射情况下的各向异性的模型还包含用于相函数参数化的随波长变化的材料常数。如果是神经网络模型，所有颜料的光学特性被隐藏在网络结构的权重上，并在这些权重上获取颜料的光学特性。
在步骤7中，按照算出的修改的配方来混合涂料并进行喷洒。涂料样本的制备和施加可通过普通方式进行。涂料可喷洒到例如金属试验样板上，或可直接施加到基底上，例如施加到车身的损坏涂层表面上。随后可在所需条件下固化或干燥所施加的涂料层。
如上所述，如果色调标准与所喷洒涂料之残余色差仍不能接受，则重复整个过程。可通过目测或基于反射光谱评估色差。
相应地，测量所施加涂料的反射光谱RPT，并且重复步骤3到7，唯一不同之处在于，此时用所喷洒涂料的测量的反射光谱RPT代替在数据库中找到的测量的反射光谱。
重复上述步骤，直至符合给定的匹配判据。
通过目测或仪器或两种方式的结合可严格评估匹配质量。采用仪器评估时，根据应用领域(如重新抛光)和相关验收标准，可以使用各种量度作为色调处理的最终判据。为此，通常使用均匀色彩空间(例如CIELab-76或DIN-99)中的残余色差或具体色差公式(例如CIE94或CIEDE2000)，其中在接受和拒绝色域的分界处确定阈值。如果是随角异色，为了正确说明颜色外观与角度的相关性，必须对形式进行归纳。
通过分析所有配方组分各自的浓度随修正步骤数变化的收敛特性，可以用公式表示严格的数学终止判据。所有配方组分各自的浓度随修正步骤数变化的函数行为必须用合适的模型函数来逼近，该函数可通过高效拟合程序根据实验结果进行拟合以确定模型参数。就三参数函数而言，需要至少三个数据集来估计拟合参数：第一喷洒配方、第一喷洒修正和算出的第二修正。
可使用估计的参数值计算模型函数的渐进行为。如果模型函数能正确描述浓度随修正步骤数的变化，则可通过唯一的数学判据终止仪器辅助的细节过程。
由三个参数集导出的渐进配方的质量与模型函数的适用性以及统计误差和系统误差的影响密切相关。如果例如就单调递减(递增)函数而言，配方组分的渐进浓度高于(低于)最后一组实验数据(第二计算浓度)的值，则这两种误差源都不可避免地会导致与“理想”渐进配方的偏差，并且在特殊情况下可辨别出两种误差源。显然应忽略此渐进配方，并按正常配方修正步骤继续。可通过估计三个以上的修正步骤来进一步提高数据准确性。随后可用的用于渐进的第四个数据集显著减小了所有误差源的影响(超定方程组！)，并且通常会得到基本“理想”的修正渐进配方。由于对修改的配方的所有仪器的潜在影响都已消除，至少现在可以终止配方修正程序。
实验已清楚表明，本发明方法的收敛行为显著优于线性方法，并且可用合适的模型函数逼近到足够高的准确度。因此，该修正方法的效果明显优于常规线性方法，并且显然会减少调色过程的命中次数。该模型函数还可用于外推到无限个修正步骤。从这个意义上讲，可在修正方案中添加简单的分析工具，以减少外推法的命中次数，并且一方面可额外改善收敛性能，另一方面可形成清楚表明仪器配方修正极限(终止判据)的工具。
图1A和1B示出了本发明方法的示意性流程图。图中使用车身的涂层部分作为色调标准(10)。
一般来讲，利用所找到配方或在重复步骤中喷洒的涂料的测量光谱RPT与相同配方对应的重新计算理论光谱RRPT的光谱差值，调整色调标准的光谱(24、26)。对于色调标准的此修改新光谱，根据到目前为止所用的组分和最终另外的着色组分计算新配方(28)。重复上述步骤，直至符合规定的终止判据。这意味着重复此步骤，直至修正的颜色配方达到稳定(即所有组分的浓度变化足够小，或小于各自的给定限值)和/或残余色差落入预设公差范围(16、20)内。
实验样本光谱与对应预测反射光谱之间的光谱差值ΔR(ΔR＝RPT-RPTR)是衡量包括下列各项的整个过程误差的量度：辐射传递模型失效、特征化数据物理结构的变化以及处理过程中的错误，例如着色剂重量不正确或应用条件有误。后两种系统误差源一般会在修正过程中引入错误分量，从而对任何配方修正方法的收敛特性造成负面影响。
与之相比，例如已知线性向量色调处理方法没有利用修正过程中产生的所有信息。只考虑了标准与例如实际色调之间的色差，而实际色调位置与预测色调位置之间的拟合差(即反射率函数)则被完全忽略。
如果这些系统误差主导了整个过程误差，则由于目标随机移动，而无法在通过其行为限定的极限范围内进行收敛。只有更严格的过程控制才有助于重新确立行为良好的配方修正算法。
本发明的修正方法具有收敛特性良好的优点，从而可在本质上限制修正步骤的数量。就所有潜在应用领域而言，收敛速度都足够快；任何情况下，该程序都会在三到五个步骤后中止。可定义显示配方修正的仪器限制的唯一终止判据。由于修正程序的这些最佳特性，可在很大程度上自动匹配色调标准，例如匹配要修理的涂层表面。此外，在修正过程中，可非正式地定义除首先从配方数据库中所找到配方的实际配方组分之外的额外着色组分，并使用这些额外组分来优化匹配结果。新程序中也不再有修正系数法的现有局限性，即在修正过程中无法从配方中剔除组分(修正系数法的数值不稳定性)。
通过比较色调的测量的反射光谱和对应配方的计算光谱，可以直接区分颜料校正所用材料和匹配色调可用着色剂的光学行为差异。只有通过这种方式，才能让具体的光谱差值清楚并且可用于修正。利用该光谱信息修改并接着再次匹配标准的反射光谱。其他程序(即修正系数法)比较两种配方的浓度，因此转而依靠不再包含直接光谱信息的已转变数量。由于在基于标准的修改光谱常规颜色配方计算的实际修正步骤的算法中，迭代的性能系数是应用合适的权重函数的最佳曲线拟合，因此通过比较光谱数据可最大限度地降低同分异构修正的风险。
最后，本发明提供了高度灵活有效的程序，通过修正配方来匹配给定的色调标准，从而用于修理涂层损坏的涂层基底表面，在车辆涂层修补过程中尤其有用。
通过下列实施例更加详细地说明本发明。
实施例
实施例1
绿色纯色调的配方修正
图2至4示出了匹配绿色纯色调的过程。根据反射光谱从数据库中找出包含白色、炭黑色、黄色、蓝色和绿色五种着色剂的配方。该配方包含绿色颜料和由互补色黄色与蓝色制成的第二绿色组分。已知此类互补色对于成分数量的变化异常敏感。
图2示出了随分光光度计所测量波长变化的标准的反射光谱。
图3示出了标准与喷洒配方之间的色差随着色步骤变化的情况。
图4示出了所有配方组分的浓度随着色步骤变化的情况。
通过考虑每个修正步骤收集的所有信息，从色彩角度讲新程序可以显著修改配方，从残余色差的平均降低程度可看出这一点。此外，所有配方组分的数量与修正步骤数量增加的相关性明确表现出数值趋于稳定的趋势。可以预知，本发明的光谱修正方法在色彩空间内的收敛行为明显优于线性方法，并且明显优于线性向量色调处理方法。
图5和6收集了配方修正过程中反射空间中的更多细节。图5示出了目标光谱在单一修正步骤中的变化。
图6示出了标准与各个所执行修正步骤之间的光谱差值ΔR，深刻地证明了ΔR随着修正步骤的增多快速减小至统计测量误差水平的理论预期。
标有“V0”的曲线表示标准的测量的反射光谱(RST)。该标准对应的预测匹配得到理论预期曲线“R0”(RRPT)。配制、喷洒该配方然后测量面板，从而得到曲线“A0”(RPT)。理论合成光谱“R0”和实际测量光谱“A0”(RPT)之差是由包括特征化数据集的拟合差在内的整个过程的所有固有制备、施加、测量和模型误差造成的。从标准的光谱“V0”中减去光谱差值ΔR＝R0-A0，从而得出考虑了总过程误差的新的虚拟目标光谱(V1＝RSTM)。因此，预计该虚拟目标的匹配会得到明显比前一步骤更加接近该匹配问题的最终稳定解的结果。
使用本发明的方法时，经过两个着色步骤之后，配方便达到稳定。从而得到满意的匹配结果。
实施例2
特殊效果色调的配方修正
图7至11示出了相比已经作为单步骤程序实施的常规修正系数法，使用本发明程序的特殊效果色调标准的匹配过程。
图7至11示出了随角异色蓝紫色调的匹配情况。根据反射光谱从数据库中找到的配方包含异色效应控制剂(fca)和五种着色剂：银白色、云母蓝、红色、蓝紫色和炭黑色。给定所有配方组分的浓度变化，该变化为着色步骤以及从三、四和五个数据集导出的外推渐进值的函数。
图7示出了随波长和观察角变化的标准的反射表面。
图8示出了标准与喷洒配方之间的色差随着色步骤变化的情况。
图9示出了所有配方组分的浓度随着色步骤变化的情况。
图10示出了在常规修正系数法中，标准与喷洒配方之间的色差随着色步骤变化的情况。
图11示出了在常规修正系数法中，所有配方组分的浓度随着色步骤变化的情况。
特殊效果色调包含作为着色组分的两种干涉颜料和三种纯色颜料。如图7中反射指标图所示，该色调的效果特征在角度变化过程中变得明显。此外，在图8和9中，将按照CIELab-76的残余色差和随修正步骤变化的配方组分整合在一起。虽然按照已知的单步骤修正系数法，对于修正计算没有修改，但正如从平均残余色差的减小所看出的那样，新程序由于考虑了每个步骤收集到的所有信息，因此从色彩角度讲可显著修改配方。在后一种情况下，所有配方组分数量的相关性也清楚显示了随着修正步骤的增多，数值更加稳定的趋势，而修正系数法则根本没有表现出任何饱和趋势。在所讨论的实施例中，由于喷洒第一配方的残余色差相对较小，常规修正方法趋于导致配方劣化(病态案例)，新方法则以完全合理的方式解决了这一问题，因此新修正法的效率很明显。
使用本发明的方法时，经过三个着色步骤之后，配方便达到稳定。从而得到满意的匹配结果。
Claims (7)
1.用于将基准颜色配方与规定的色调标准相匹配的方法，所述方法包括：
1.测量所述色调标准的反射光谱RST，
2.从数据库中找出所述色调标准的配方，所述数据库包含颜色配方和对应的测量的反射光谱RPT，
3.计算所述找出的配方的理论反射光谱RRPT，
4.计算所述测量的反射光谱RPT与在步骤3中获得的计算的反射光谱RRPT之间的光谱差值ΔR，
5.用在步骤4中获得的光谱差值ΔR来调整所述色调标准的反射光谱RST，从而生成所述色调标准的修改的反射光谱RSTM，
6.根据所述修改的反射光谱RSTM来计算配方，
7.按照在步骤6中算出的配方来混合涂料并且将所述涂料施加到基底上。
2.权利要求1的方法，其中测量在步骤6中施加的涂料的反射光谱RPT，并且如果所述色调标准与所述施加的涂料之间的残余色差仍然不可接受，则重复步骤3至7。
3.权利要求2的方法，其中重复步骤3至7，直到满足给定的终止判据。
4.权利要求3的方法，其中所述终止判据为数学终止判据，所述数学终止判据基于对所有配方组分各自的浓度随修正步骤的数目而变化的收敛特性进行的分析。
5.权利要求1至4中任一项的方法，其中所述色调标准为涂覆的基底表面。
6.权利要求5的方法，其中所述基底为车身或车身部件。
7.权利要求1至6中任一项的方法在车辆涂层修补中的用途。
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