CN102652254B - 用于生成校准颜色数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于生成测量对象的校准颜色数据的方法，所述方法使用分布于网络中的颜色测量仪器，所述方法包括以下步骤：A)生成用于分布于所述网络中颜色测量仪器的至少一个标准仪器量变曲线，以校正光度和波长标度差，以及B)生成用于分布于所述网络中的颜色测量仪器的至少一个几何仪器量变曲线，以校正几何标度差。所述方法能够被用于使用颜色测量仪器网络的应用中，尤其是用于集成了颜色测量仪器的机器人系统中。

Description

用于生成校准颜色数据的方法

发明领域

本发明涉及用于生成测量对象的校准颜色数据的方法，所述方法使用分布于网络中的颜色测量仪器。该方法应用于使用颜色测量仪器网络的所有领域，例如其中将颜色测量仪器集成在机器人系统中的领域。

发明背景

对于一系列的应用，例如车身修理厂中表面涂层缺陷的仪器辅助维修或颜色实验基地中的配方计算，必须在参考系统/仪器上生成数据，随后颜色测量仪器的分布式网络中的所有系统/仪器都会访问该数据。网络中使用的测量技术可为同类的(同类型的系统)或不同类的(不同类型的系统)。后者可能应用于必须跨多代仪器进行数据库维护的情况。在此类情况下，绝对颜色坐标的可转换性是通过相关应用有效支持相应方法的先决条件。然而，各种随机的、系统的和粗略误差来源限制了应用可达到的性能。

对于随机误差的分析，已开发了有效的统计工具，并可将其用于成功地分析实验数据。

粗略误差由粗心产生，例如对仪器显示的误读。它们不是误差理论的考虑目标，但它们通常可被确定为样品中所谓的异常值，其与所有其它测量结果显著不同。

在实验中，系统误差能够以一定的规律性出现并且能够为恒定的或者以可预测的方式变化。系统误差的原因可为仪器方面的或人为的，并且可能不易检测。一般来讲，此类系统误差的统计分析可能没有意义。一些可重复出现的系统误差能够追溯到一个或多个有缺陷的校准或观察者的偏差。这些误差必须通过对实验条件和技术的彻底分析来估计。在一些情况下，如果已知误差的类型和范围，则能够进行实验数据的校正，以补偿系统误差。对于一些与仪器标度相关的误差，例如通过仪器校准界定的光度标度、或仪器制造商界定的波长和角度标度，已建立了物理机制的校正模型。

误差模型必须普遍适用于所有现代仪器配置和测量几何。需要一种基本模型来有效校正与以下所有仪器标度相关的分光光度测量中的系统误差：光度标度、波长标度和角度标度。能够得出声音物理模型，从而产生仪器之间的光谱差，其能够用于预测系统误差。

然而，已引入物理意义上的误差模型(例如，Robertson提出的)，以仅仅校正光度和波长标度(A.R.Robertson，“Diagnostic performanceevaluation of spectrophotometers”，见于“Advances in Standards andMetrology in Spectrophotometry”，C.Burgess和K.D.Mielenz编辑，第277页，Elsevier Science Publishers B.V.，Amsterdam(1987))。已经广义化并且扩展了这些模型，以改善它们的性能和效率。用于测角分光光度计的角度标度的误差校正模型，目前尚未公布。

在实际应用中，可能发生几何测量条件的差异，其中在测量过程中颜色测量仪器被操作员略微倾斜，或者这些仪器被安装在必须进行无接触测量的应用所采用的测量机器人中。在这两种情况下，倾斜的测量平面将对接近镜面的角度的读数产生最大的影响。通常，这是与光泽度角接近达15°的角度。当测量明亮的金属色调时，测量平面仅0.1°的角度失准就可能足以引起不合格的情形。

发明概述

本发明的目标是提供一种方法，其用于校正倾斜的测量几何下获得的测量结果，并且还包括孔中差。另外，该目标还要改善集成在网络或机器人系统中的颜色测量仪器的颜色读数之间的数据一致性，即以改善分布式颜色测量仪器网络中颜色测量的准确性，以及确保用网络中不同的角度依赖性(gonioapparent)颜色测量仪器获得的测量结果的可比性。

本发明描述了一种方法，其用于生成分布式颜色测量仪器(尤其是分光光度计)的网络的仪器量变曲线(profile)，以及应用那些仪器量变曲线，从而将光度和波长标度校正与几何标度校正(即几何测量条件中差的校正)相结合。

本发明涉及一种用于生成测量对象的校准颜色数据的方法，所述方法使用分布于网络中的颜色测量仪器，所述方法包括以下步骤：

A)生成用于分布于网络中的颜色测量仪器的至少一个标准仪器量变曲线，以校正光度和波长标度差，其中步骤A)包括：

A1)以至少两种测量几何构型并且在分布于网络中的每台颜色测量仪器处，测量一组固体反射率标准物，以获得所述固体反射率标准物的固体标准反射光谱，以及

A2)基于固体标准反射光谱，生成用于分布于网络中的每台颜色测量仪器的至少一个标准仪器量变曲线，以校正光度和波长标度差；以及

B)生成用于分布于网络中的颜色测量仪器的至少一个几何仪器量变曲线，以校正几何标度差，其中步骤B)包括：

B1)以至少两种测量几何构型并且在分布于网络中的每台颜色测量仪器处，测量一组角度依赖性反射率标准物，以获得角度依赖性标准反射光谱，以及

B2)将步骤A)中生成的至少一个标准仪器量变曲线应用到步骤B1)中获得的角度依赖性标准反射光谱，以获得量变曲线化的角度依赖性标准反射光谱，以及

B3)生成用于分布于网络中的每台颜色测量仪器的至少一个几何仪器量变曲线以基于所述量变曲线化的角度依赖性标准反射光谱来校正几何标度差。

该方法还可包括以下步骤：

C)生成测量对象的校准颜色数据，所述步骤C)包括：

C1)使用分布于网络中的一台或多台颜色测量仪器来获得测量对象的测量对象角度依赖性测量数据；

C2)将步骤A)中生成的至少一个标准仪器量变曲线应用到测量对象角度依赖性测量数据，以生成光度和波长标度校正的测量对象测量数据，以及

C3)将步骤B)中生成的至少一个几何仪器量变曲线应用到步骤C2)中获得的光度和波长标度校正的测量对象测量数据，以生成测量对象的所述校准颜色数据。

附图简述

图1为基准颜色测量仪器(本文称为“校准用仪器”)(图1A、1C和1E)的测量几何和第二颜色测量仪器(图1B、1D和1F)的倾斜测量几何的示意图。

图2示出一组用于生成标准仪器量变曲线，以校正光度和波长标度误差的共17个固体色调的反射光谱。

图3示出配备有测量几何45°/15°、45°/45°和45°/110°的两台便携式MA90BR测角分光光度计之间的标准仪器量变曲线。误差参数e₁和e₂与光度标度相关(图3A和3B)，而误差参数e₃和e₄则与波长标度相关(3C和3D)。

图4示出了针对CIE94色差空间中17个固体色调的数据集，为配备测量几何45°/15°、45°/45°及45°/110°的两台便携式MA90BR测角分光光度计生成的标准仪器量变曲线的性能。实心圆表示未经校准的(此处及下文中也称为“未量变曲线化的”)数据，空心圆表示校准(此处及下文中也称为“量变曲线化的”)数据(图4A至4C)。

图5示出了针对测量几何45°/15°、45°/45°及45°/110°的未经校准的(未量变曲线化的)(图5A、5C和5E)和校准的(量变曲线化的)(图5B、5D和5F)数据集在两台便携式MA90BR测角分光光度计之间的光谱差。

图6示出了用于测试标准仪器量变曲线的性能和用于生成仪器几何量变曲线，以校正角度标度误差的三个不同视角(15°、45°、110°)处的一组共10个角度依赖性色调的反射光谱(图6A至6K)。

图7示出了针对CIE94色差空间中10个角度依赖性色调的数据集，为配备测量几何45°/15°、45°/45°及45°/110°的两台便携式MA90BR测角分光光度计生成的几何仪器量变曲线的性能。实心圆表示未经校准的数据，空心圆表示校准数据(图7A至7C)。

图8示出了分别针对测量几何45°/15°、45°/45°及45°/110°，10个角度依赖性颜色的未经校准的(图8A、8C和8E)和校准(图8B、8D和8F)数据集的两台便携式MA90BR测角分光光度计之间的光谱差。

图9示出了分布式颜色测量仪器网络的示意图的实例，所有颜色测量仪器均参照校准用仪器或与设备无关的数字标准物。

发明详述

通过阅读下列发明详述，本领域的普通技术人员将更容易了解本发明的这些和其它特征和优点。应当理解，为清楚起见，在参照不同实施方案的上文和下文中描述的本发明的那些特征也可在单个实施方案中以组合的方式给出。反之，为简化起见，在参照单个实施方案中描述的本发明的多个特点也可分别给出，或以任何子组合给出。此外，单数形式所指的内容也可包括复数(例如，“一个”和“一种”可指一个(一种)、或者一个(一种)或多个(多种))，除非上下文特别地另外指明。

如本文所用：

术语“反射光谱”在此处及下文中应指：以给定锥体定界的方向反射的辐射光通量与通过相同照射的理想漫反射体以相同方向反射的辐射光通量的比率。对应的测量量值称为反射率因数。如果锥形立体角趋近于零，则反射率因数趋近于发光因数。如果锥形立体角趋近于π，则反射率因数趋近于反射率。

术语“颜色测量仪器”在此处及下文中应指：检测测量对象反射的光以及在其组件中分散期望波长范围内(优选地可见光谱范围内)的光谱的装置。已经在技术标准中建立了各种测量几何，例如，用于测量固体色调的45°/0°和d/8°几何，以及各种多角度测量几何，例如，用于表征角度依赖性色调的反射特性的45°/15°、45°/25°、45°/45°、45°/75°、45°/110°组合。然而，其它新型测量技术，例如多光谱成像装置，也可应用于该测量任务。通过分析n个不同通道，此类装置允许为数字图像的每个像素重建光谱函数，所述n个不同通道与所采集的不同图像相关并且与在期望光谱范围内分布的不同波长处居中的n个不同干涉滤光片相关。

术语“固体反射率标准物”或“固体色调标准物”在此处及下文中应指：具有各向同性反射准直或扩散入射光束的光学性质的色调。例如，如果此色调被恒定角度的准直光束照射，则反射光的水平及其颜色将与视角无关。此类色调能够通过固体颜料或染料配制，它们可嵌入和分散在不同的介质中，例如油漆、陶瓷、玻璃或塑料等中。

术语“角度依赖性反射率标准物”或“颜色角度依赖性色调标准物”在此处及下文中应指：具有各向异性反射准直入射光束的光学性质的色调。例如，如果此色调被恒定角度的准直光束照射，则反射光的水平及其颜色将在很大程度上取决于视角。此类色调能够通过特殊效应颜料来配制，例如片状铝颜料和/或干涉颜料。

术语“标准仪器量变曲线”在此处及下文中应指：与相对于基本或基准仪器进行的光度和波长标度差校正相关的颜色测量仪器的仪器量变曲线。

术语“几何仪器量变曲线”在此处及下文中应指：与相对于基本或基准仪器进行的角度标度差校正相关的颜色测量仪器的几何量变曲线。

根据本发明，基于在一对给定的颜色测量仪器之间获得的光谱读数，将一组固体反射率标准物和一组角度依赖性反射率标准物用于生成标准仪器量变曲线和几何仪器量变曲线。

本发明的方法校正针对倾斜测量几何获得的测量结果并且也包括孔中的差。提供了一种方法，其包括结合了光度和波长标度校正以及角度标度校正(即，由不同的几何条件导致的差)的广义误差模型。一般来讲，该方法以两步过程实施。在第一步中，校正光度和波长标度误差，接着通过几何误差模型的第二阶段来处理量变曲线化的测量数据。

本发明的方法能够有利地用于分布式颜色测量仪器网络的所有典型情况，例如，在油漆生产或显色环境中，其中有必要进行角度依赖性色调的颜色测量。将针对此典型情况更详细地阐述本发明方法的步骤。该方法包括步骤A和B，继而又包括子步骤A1、A2、B1、B2和B3。

步骤A

根据本发明的方法，在步骤A中，根据已知方法生成用于分布在网络中的颜色测量仪器(网络的颜色测量仪器)的至少一个标准仪器量变曲线，以便校正光度和波长标度差。通常而言，网络包括许多颜色测量仪器，所有颜色测量仪器都参照参考颜色测量仪器(此处及下文中也称为“校准用仪器”)。如果网络或系统只由校准用仪器和一台第二颜色测量仪器组成，则生成一个标准仪器量变曲线，以反映和校正校准用仪器和第二仪器之间的测量差。如果网络或系统包括校准用仪器和多于一台(例如，从2至5的范围内)第二颜色测量仪器，则能够生成2至5个单独的标准仪器量变曲线，以反映和校正校准用仪器和每台第二仪器之间的测量差。如果适用，网络可只包括两台第二测量仪器而无校准用仪器。

由于本发明的方法涉及角度依赖性反射率标准物的测量，因此一般来讲颜色测量仪器能够为测角分光光度计。然而，正如上文已经提到，也能够使用其它新型测量技术，例如多光谱成像装置。

就测角分光光度计而言，必须考虑所有三个仪器标度：光度标度、波长标度和角度标度，它们的实际状态将影响测量结果的准确性。前者通过检定的白色和黑色标准物由测量系统的校准来限定，而后两个仪器标度则由仪器制造商调整因而用户不能直接控制。已得出了前两个仪器标度的物理意义上的模型，并设计用于仪器量变曲线化。这些模型及其应用对本领域的技术人员而言是已知的，并且用于生成标准仪器量变曲线。

本发明方法的步骤A包括子步骤A1和A2。

步骤A1

在步骤A1中，测量一组固体反射率标准物。通常，能够用测角分光光度计进行测量。必须仔细地选择固体反射率标准物。进行选择的条件可包括下文将更详细地描述的那些。

固体反射率标准物可为具有各向同性反射特性的涂覆的面板或任何其它合适的涂覆的或着色的表面，例如瓷砖、塑料片等。

可在分布于网络中的每台颜色测量仪器(包括基准颜色测量仪器)上，并以至少两种测量几何构型(即，以所有的视角)测量选定的固体反射率标准物，以获得选定的固体反射率标准物的固体标准反射光谱。可针对每个固体反射率标准物，在不同的波长处，例如每种测量几何构型的以10nm为波长间距的400nm至700nm波长范围内，登记标准反射光谱以及校准用仪器与分布于网络中的各第二颜色测量仪器之间的光谱差。标准反射光谱和有关光谱差的数据可存储在数据库中。

步骤A2

在步骤A2中，能够生成用于分布于网络中的每台颜色测量仪器的标准仪器量变曲线，以校正光度和波长标度差。

这能够根据本领域技术人员熟知的方法进行。通常，由颜色测量仪器的制造商提供相应的指南和方法。

一般来讲，能够生成用于一对测量仪器(即用于基准测量仪器(校准用仪器)和第二测量仪器)的标准仪器量变曲线。如果必要，也能够生成用于两台第二测量仪器的标准仪器量变曲线。

下文提供了用于生成并利用针对校正光度和波长标度误差而建立的标准仪器量变曲线的方法的代表性实施方案。

在线性物理误差模型的框架内，介于真实测量值(基准测量值)R_t(ε，λ)和实际测量值(测量值)R(ε，λ)之间的差ΔR(ε，λ)＝R_t(ε，λ)-R(ε，λ)根据

ΔR(ε，λ)＝R_t(ε，λ)-R(ε，λ)＝e(ε，λ)·F(ε，λ)

为误差参数e(ε，λ)和函数F(ε，λ)的乘积，其为相应误差模型的特性。数量ε和λ表示逆定向反射差角度和波长。针对光度标度和波长标度的主要误差组成，能够导出列于表1中的四个模型函数e₁至e₄。两个误差参数e₁和e₂与光度标度相关并取决于波长λ和差角度ε两者，而根据定义，波长标度的误差参数e₃和e₄必须独立于构型。

从L₂范数的意义上而言，误差参数集e₁-e₄必须来源于将以下复合误差模型函数

$\mathrm{\ΔR}(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\λ})=R_t(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\λ})-R(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\λ})=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\λ})\·F_i(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\λ})$

与针对离散的合适固体反射率标准物组获得的测量结果进行匹配，后者已通过待量变曲线化的两台仪器进行测量。

针对量变曲线生成的固体反射率标准物的选择由误差函数的数学结构支配。为了使得对误差参数e_i进行具有统计意义的估计为可行的，所用固体颜色标准物的光谱必须具有结构，从而在每个波长处针对所有误差函数产生足够的活动。对于复合误差模型，只有当标准物的光谱在相对于波长的反射率的二阶导数R″(ε，λ)中充分可变(这能够通过分布在整个光谱范围上的拐点来确保)时，才能对此进行保证。自动获得一阶导数R′(ε，λ)的高活动度。为了确定与光度标度相关的误差参数，一组不同反射率水平的消色差光谱即足够。A.Ingleson和M.H.Brill在“Methods of selecting a smallreflectance standard set sa a transfer standard for correctingspectrophotometers”，Color Res.Appl.31，13(2006)中设计了定义一组有意义的反射率标准物的可选方法。

例如，一组不同明度水平的约14个彩色和3个消色固体反射率标准物足以定义有意义的仪器量变曲线(参见图2)。

用于仪器量变曲线化的固体反射率标准物必须长期稳定并且在理想的情况下与温度无关。具体的讲，由于在其反射光谱中带有陡斜率的明亮的固体反射率标准物易随温度发生明显的颜色变化，因此在测量过程中环境温度条件必须稳定在±2℃之内。只有当所有固体反射率标准物的温度系数已知时，才能执行温度校正。此外，每个固体反射率标准物的表面应当无纹理(例如，高光泽的)并易于清洗。

步骤B

在本发明方法的步骤B中，生成网络颜色测量仪器的几何仪器量变曲线，以便校正几何测量条件中的差。

本发明方法的步骤包括子步骤B1、B2和B3。

步骤B1

在步骤B1)中，以至少两种测量几何构型并且在分布于网络中的每台颜色测量仪器处，测量一组角度依赖性反射率标准物，以获得角度依赖性标准反射光谱。由于几何量变曲线化模型的参数与波长和角度无关，因此需要限定量变曲线的角度依赖性反射率标准物(例如涂覆的面板)的数量能够被保持得非常低。在一个实例中，能够将范围为3-5个涂覆的面板用作角度依赖性反射率标准物。在另一个实例中，能够将金属色调随着视角从中到高亮度变化的一组共3-5个涂覆的面板用作角度依赖性反射率标准物并且能够足以导出统计上显著的模型参数。

量变曲线准确性极度依赖于导数dR(ε，λ)/dε的准确性，特别是在15°角下，其必须用数字估计。在测量角度的数值较低的情况下，必须将足够准确的模型函数拟合到实验数据，以估计角度导数。这已应用到配有5个或更少视角的颜色测量仪器中，其中角度导数的准确估计是个数字难题。

角度依赖性反射率标准物能够为具有各向同性反射特性的涂覆的面板或任何其它合适的涂覆的或着色的表面，例如瓷砖、塑料片等，其中除固体颜料外，涂覆的或着色的表面的颜料配方还含有足够量的特殊效应颜料，或者任何其它各向异性反射准直入射光的色调。

所选角度依赖性反射率标准物组的角度依赖性反射标准光谱能够在分布于网络中的每台颜色测量仪器上(例如，在待结合到网络中的每台颜色测量仪器上)并且以至少两种测量几何构型(例如，以照明和观察方向的至少两种组合)测量。在一个实例中，能够通过使用测角分光光度计进行该测量。

可针对每个固体反射率标准物，在不同的波长处，例如每种测量几何的以10nm为波长间距的400nm至700nm波长范围内，登记角度依赖性反射标准光谱以及校准用仪器与网络中的各台颜色测量仪器之间的光谱差。角度依赖性反射标准光谱和有关光谱差的数据可存储在数据库中。

步骤B2

在步骤B2中，将针对分布于网络中的每台颜色测量仪器的并且在步骤A)中生成的标准仪器量变曲线应用到步骤B1)中获得的角度依赖性反射标准光谱，即，角度依赖性反射标准光谱通过将标准仪器量变曲线应用到角度依赖性反射标准光谱(通过使用相应的误差参数)而进行校正。

步骤B3

在步骤B3中，基于角度依赖性标准反射光谱生成每台分布于网络中的颜色测量仪器的几何仪器量变曲线，所述角度依赖性标准反射光谱在步骤B2)中应用了用于光度和波长标度误差校正的所述标准仪器量变曲线。

一般来讲，几何仪器量变曲线能够被应用于一对测量仪器。在一个实例中，能够应用于基准测量仪器(校准用仪器)和第二颜色测量仪器。

本领域技术人员已知的常规仪器量变曲线化方法只解决光度标度和波长标度，而几何条件被假定不会导致另外的误差。就固体颜色而言，通常会实现此假设，但就角度依赖性色调而言，尤其是在15°角测量的反射光谱对测量平面的细微倾斜非常敏感。在15°角时，明亮的金属颜色可表现出6％/度≤dR/dε≤15％/度的角度变化斜率。因此，对于以上范围的斜率，即使测量平面0.1°的轻微倾斜都可能导致反射率水平出现1.2％至3.0％的差。如下文将要说明，倾斜角必须增加一倍，以估计其对反射率的影响。

就测角分光光度计而言，必须考虑与相应几何测量条件相关的其它系统误差来源。通过指定照明和视角及其对应的孔来限定这些几何形状。孔必须以观察区域总是小于照明区域并且这两个区域都具有相同中心位置的方式来限定。必须仔细选择区域尺寸的几何差，以使得边缘损失可忽略不计，而捕获的反射强度高得足以实现期望的信噪比。

如果只有固体反射率标准物被用作反射率标准物来限定仪器量变曲线，则测量几何小的变化对上述系统误差来源的影响微不足道。因此，与光度和波长标度相关的这些误差能够独立于真正的几何/光学测量条件来表征。只有在确定了相关的误差参数后，几何测量条件中的光度和波长标度差才可通过合适的误差模型对一组代表性角度依赖性反射率标准物经光度和波长标度校正的测量值进行分析而表征。此误差模型必须解决照明角(θ_i)和视角(θ_e)的变化以及其孔中的差。逆定向反射角ε在实际应用中是表征所用测量几何的优选参数，其通过以下公式与θ_i和θ_e相关

ε＝π-θ_i-θ_e。

图1显示了测量几何的代表性示意图。对于基准测量仪器(校准用仪器)(图1A、1C和1E)，θ_i表示照明角，θ_e表示视角，而e表示相应的观察逆定向反射角。对于倾斜的测量几何(图1B)和测量块围绕第二测量仪器的y轴(图1D)的旋转，倾斜角Δθ以及新的照明角(θ_i ^*＝θ_i+Δθ)和视角(θ_e ^*＝θ_e+Δθ)表示改变的角度。图1F显示了另一个变型，其中测量平面相对于基准平面在z方向发生轻微位移。

在市售的典型测角分光光度计中，照明和观察光学元件被整合成紧凑的光学块。在此类情况下，照明角和视角的变化始终彼此紧密相关，因为两者都依赖于每台仪器内光学块的取向。然而，如果必须更换光源，则照明角和相应的孔可略微变化。

假定测量头由在θ_i和θ_e之间具有固定几何关系的紧凑光学块组成，则能够如图1(图1B、1D和1F)所示考虑三种不同的变型(本文也称为“系统误差的来源”)：(i)将测量块围绕垂直于照明和观察方向穿越的测量平面的x轴旋转(图1B)，ii)将光学块围绕平行于测量平面取向的y轴旋转(图1D)以及(iii)测量或基准平面以z方向发生位移(图1F)。一般来讲，所有三个系统误差来源能在实际应用中叠加并且必须详尽分析。

测量平面在z方向的位移能够具有两个结果，即，改变照明区域和观察区域的尺寸以及使两个区域相对于彼此发生位移。只有在以角度θ_i＝θ_e＝90°照明和观察样品的特殊情况下，两个区域才在相同的位置保持居中。如果光源和测量平面之间的距离增大，则照明区域的尺寸也会增大，反之亦然。用z_o表示光源和测量平面之间的垂直距离并假设区域具有圆形，位移量为Δz的区域A与基准区域A^*的比率能够通过A^*/A＝(1+Δz/z_o)²给出。对于Δz/z_o＜1，该比率能够通过A^*/A＝1+2Δz/z_o近似表示。如果照明和观察区域将在同一位置同心并且只改变横向延伸，则使测量平面发生位移时，只有在以下情况中才会对测量结果产生影响，其中样品不均匀性的二维标度与横向伸出的变化具有相同的数量级。然而，在实际应用中，测量平面发生位移时照明和观察区域可不保持同心。如果Δz＞0，则图1F中的照明区域能向右偏移Δy＝Δz cot(θ_i)＝Δz(θ_i＝45°)的量，而近镜面观察区域(ε＝15°；θ_e＝120°)能够以相对方向发生位移，位移量为Δy＝Δzcot(120°)≈-0.5774Δz。平角(ε＝45°；θ_e＝90°)处的观察区域保持不受影响，而高角(ε＝110°，θ_e＝35°)观察区域的中心进一步向外位移Δy＝Δz cot(35°)≈1.4282Δz。如果Δy为负，则近镜面和高角的位移方向颠倒。

最关键的角度组合为这样一种：其中照明和观察区域以相对方向移动。对于45°/15°测量几何，照明和观察区域的相对偏移为Δy≈1.5774Δz。Δy＝Δz的45°/45°测量几何所受影响较小。在45°/110°测量几何的情况下，观察到Δy≈0.4282Δz的最小相对偏移。如果照明和观察区域的比率选择不当，则它们的相对偏移会对测量准确性产生负面影响。如果观察区域的尺寸与照明区域相比不够小，则可发生与样本相关的边缘损失。

简单的几何考量显示，围绕沿着仪器取向的y轴倾斜仪器预计只会对测量结果产生微弱的影响。例如，倾斜仪器5°会将照明角度从θ_i＝45°改变至约θ_i’＝44.9°。因此，此处能够略去该系统误差来源的定量分析，支持将仪器围绕垂直于测量平面的轴线旋转的第一种情况。

将光学块以角度Δθ围绕垂直于测量平面的轴线旋转，会改变照明和视角两者，即，

θ_i′＝θ_i+Δθ，

θ_e′＝θ_e+Δθ

因此，逆定向反射角ε改变为

ε′＝π-θ_i′-θ_e′＝ε-2Δθ，

此处，样本倾斜Δθ乘以2。

只取决于逆定向反射角ε的反射率函数的一般函数表达式R＝f(ε)表明这是一维函数。隐式ε和因此R取决于照明角θ_i以及视角θ_e(参见图1)。因此，R关于点(θ_i，o，θ_e，o)的二维泰勒展开式必须考虑到两个角的小增量Δθ_i和Δθ_e而进行：

$R({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\θ}}_e)\≈R({\mathrm{\θ}}_{i,o},{\mathrm{\θ}}_{e,o})+\frac{\∂R({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\θ}}_e)}{{\∂\mathrm{\θ}}_{i,o}}({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_{i,o})+\frac{\∂R({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\θ}}_e)}{{\∂\mathrm{\θ}}_{e,o}}({\mathrm{\θ}}_e-{\mathrm{\θ}}_{e,o})+$

$\frac{1}{2}\{\frac{{\∂R}^2({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\θ}}_e)}{{\∂\mathrm{\θ}}_{i,o}^2}{({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_{i,o})}^2+\frac{{\∂R}^2({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\θ}}_e)}{{\∂\mathrm{\θ}}_{e,o}^2}{({\mathrm{\θ}}_e-{\mathrm{\θ}}_{e,o})}^2+2\frac{{\∂R}^2({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\θ}}_e)}{{\∂\mathrm{\θ}}_{i,o}{\∂\mathrm{\θ}}_{e,o}}({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_{i,o})({\mathrm{\θ}}_e-{\mathrm{\θ}}_{e,o})\}$

$+\·\·\·$

只保留最多一阶的条件将该表达式简化为

$R({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\θ}}_e)\≈R({\mathrm{\θ}}_{i,o},{\mathrm{\θ}}_{e,o})+\frac{\∂R({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\θ}}_e)}{{\∂\mathrm{\θ}}_{i,o}}({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_{i,o})+\frac{\∂R({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\θ}}_e)}{{\∂\mathrm{\θ}}_{e,o}}({\mathrm{\θ}}_e-{\mathrm{\θ}}_{e,o})$

由于ε＝π-θ_i-θ_e，两个偏导数和都等于-1，因此R(θ_i，θ_e)关于(θ_i，o，θ_e，o)的泰勒级数展开可写为

$R\left(\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\θ}}_e)\right)\≈R\left({\mathrm{\ϵ}}_o\right)-\frac{\∂R\left(\mathrm{\ϵ}\right)}{{\∂\mathrm{\ϵ}}_o}\{({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_{i,o})+({\mathrm{\θ}}_e-{\mathrm{\θ}}_{e,o})\}$

该式能够进一步简化为

$R\left(\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\θ}}_e)\right)\≈R\left({\mathrm{\ϵ}}_o\right)-2\frac{\∂R\left(\mathrm{\ϵ}\right)}{{\∂\mathrm{\ϵ}}_o}\mathrm{\Δ\θ}=R\left({\mathrm{\ϵ}}_o\right)-\frac{\∂R\left(\mathrm{\ϵ}\right)}{{\∂\mathrm{\ϵ}}_o}\mathrm{\Δ\ϵ}$

(针对特殊情况θ_i-θ_i，o＝θ_e-θ_e，o＝Δθ)。最后的等式如下Δε＝ε-ε‘＝2Δθ。

因此，在所考虑的线性近似中，测量几何的变化能够通过相对于逆定向反射角ε的反射率函数的一阶导数表示。由于一般来讲因此对于Δθ＜0，反射率值减小；而对于Δθ＞0，它们增大相同的量，即，两种变化都必须相对于基准平面对称。

就针对光度和波长仪器标度建立的误差模型而言，角度标度误差模型读为

$R_t(\mathrm{\λ},\mathrm{\ϵ})-R(\mathrm{\λ},\mathrm{\ϵ})=e_5\·\frac{\∂R(\mathrm{\λ},\mathrm{\ϵ})}{\∂\mathrm{\ϵ}}$

其中ε₅＝-Δε＝-2Δθ。以类似的方式，用于观察孔几何条件的误差函数能够根据下式导出：

$R_t(\mathrm{\λ},\mathrm{\ϵ})-R(\mathrm{\λ},\mathrm{\ϵ})=e_6\·\frac{{\∂}^{2}R(\mathrm{\λ},\mathrm{\ϵ})}{{\∂\mathrm{\ϵ}}^2}$

其中ε₆与阐释孔差的复杂表达式相关。

该误差组成与针对视角的反射率的二阶导数成比例。在复合误差模型中，两个与几何相关的误差组成能够在线性数学结构中与两个待通过将模型拟合到实验数据而估计的参数相结合。

在下表1中，示出了针对光度标度和波长标度的四个主要误差组成的模型函数。前两个误差参数取决于波长和构型，而后两个只与波长相关。最后两个误差参数e₅和e₆与波长和构型无关。

表1

误差类型	误差参数	误差函数Fi(ε，λ)
			光度零误差	e1(ε，λ)	1
光度标度误差	e2(ε，λ)	R(ε，λ)
			波长误差	e3(λ)	R′(ε，λ)＝dR(ε，λ)/dλ
带宽误差	e4(λ)	R″(ε，λ)＝d2R(ε，λ)/dλ2
几何误差	e5	R′(ε，λ)＝dR(ε，λ)/dε
			孔误差	e6	R″(ε，λ)＝d2R(ελ)/dε2

上述用来校正成对仪器的光谱差并改善测量结果一致性的一般方法不限于显式导出并且适应于颜色测量仪器物理设计的模型。分析误差模型可用具有适当拓扑学的自学习神经网络系统替换，后者与模型无关并形成其自身的针对仪器标度模型差的内部结构。

本发明的方法还包括步骤C，继而包括子步骤C1、C2和C3。

步骤C

在步骤C中，将标准仪器量变曲线和几何仪器量变曲线两者应用到测量对象角度依赖性测量数据。步骤C包括子步骤C1、C2和C3。

步骤C1

获得测量对象的测量对象角度依赖性测量数据，其能够通过使用一台或多台分布于网络中的颜色测量仪器来测量。

步骤C2

在步骤C2中，将步骤A)中生成的标准仪器量变曲线应用到测量对象角度依赖性测量数据，以生成光度和波长标度校正的测量对象测量数据。

步骤C3

在步骤C3)中，将步骤B)中生成的几何仪器量变曲线应用到步骤C2中获得的结果，即，应用到步骤C2中获得的光度和波长标度校正的测量对象测量数据，以生成校准测量对象颜色数据。

由于几何仪器量变曲线的应用，能够进一步最小化基准测量仪器(校准用仪器)光谱与第二测量仪器光谱之间的差。

过程链中的另一重要步骤是对所得的最终仪器量变曲线(标准仪器量变曲线和几何仪器量变曲线)的性能进行评估。此性能评估可包括对未量变曲线化和量变曲线化数据集间光谱差的分析，光谱差也能够转化为特定的差，例如明度、色度和色调差，以及在均匀颜色空间中生成的总颜色差。

本发明的方法能够总体上用于建立具有高度灵活性的受控颜色测量仪器(例如测角分光光度计)网络。该方法能够改善在分布于网络中的不同颜色测量仪器处获得的测量结果的可比性。能够建立各种构型。一个实例包括图9所示的示意图，其中单台颜色测量仪器为网络的校准用仪器(10)，并且一台或多台第二颜色测量仪器(21至26)能够参照校准用仪器量变曲线化为具有单独的量变曲线(11至16)。第二颜色测量仪器能够为，例如位于不同生产地点、不同测量位置、不同汽车车身修理厂或其组合的颜色测量仪器。在另一个实例中，每台分布于网络中的颜色测量仪器均参照校准用仪器。

在另一个实例中，每台分布于网络中的颜色测量仪器都参照数字标准物。在此构型中，校准用仪器能够为任选的，即，所有分布于网络中的颜色测量仪器都能够参照相同的数字标准物。数字标准物能够为数字数据文件，该文件能够包括本文所述的预定义测量条件下的预定义光谱数据。在另一个实例中，使用相同的固体反射率标准物组和角度依赖性反射率标准物组，网络中的每台第二颜色测量仪器能够被量变曲线化至网络的另一第二颜色测量仪器，其中在相应的仪器对上在良好控制的条件下测量所述标准物。

一般来讲，本发明的方法能够用于可出现几何测量条件差的实际应用中。在一个实例中，该方法能够用于操作员在测量过程中会略微倾斜颜色测量仪器的场合。在另一个实例中，该方法能够用于以下场合，其中颜色测量仪器能够被安装在必须进行无接触测量的应用所采用的测量机器人中，例如，在OEM涂层应用中。

本发明将在以下的实施例中进一步阐述。应当理解，尽管这些实施例说明了本发明的优选实施方案，但它们仅是以例证的方式给出的。

实施例

本文所用的颜色测量仪器网络由两台配备三种准直测量几何45°/15°、45°/45°、45°/110°的便携式X-Rite MA-90BR测角分光光度计构成，其中能够以45°的第一角度照明样品并且以下面三种逆定向反射差角(15°、45°、110°)观察样品。仪器针对每种测量几何提供在400nm≤λ≤700nm波长范围内具有10nm波长间距的光谱数据。

(A)生成标准仪器量变曲线(光度和波长标度)

使用17种不同的固体反射率标准物配方生成标准仪器量变曲线。在约22℃的恒定环境温度条件下测量所有17个标准物。17个标准物的测量数据如图2所示。

收集颜色测量数据。代表性数据实施例如图3-5所示。图3显示了代表标准仪器量变曲线的所用复合误差模型的四个误差参数e₁-e₄。由于量变曲线的测定基于两台构造相同的仪器，因此测量精度范围内波长标度的误差组成(e₃，e₄)可以忽略不计。与光度标度相关的误差组成(e₁，e₂)与零相差较大并主导误差模型。参数e₁是光度零误差的量度，e₂则描述用于校准相应仪器的白色标准物的光度标度误差。在每种测量几何(构型)下，两个误差e₁和e₂的组成都具有可比的数量级。上文已经指出，对于每种构型，存在单独的数据集并对其加以收集。

用于产生标准仪器量变曲线的数据集的相应色度数据在图4中示出。此处显示了依照CIE94色差度量、针对所有固体反射率标准物的未量变曲线化和量变曲线化数据集的残余色差。对于平均值，测量数据示于表2结果中。

表2

由于所测量的固体样品完全光滑，因此仪器量变曲线的性能与测量几何无关。在所测量的样品中，校准(本文称为“量变曲线化”)后的数据显示出校准用仪器和第二颜色测量仪器之间的偏差减少。在非完全光滑样品的情况下，由于接近光泽度角，15°视角的残余误差高于远离镜面的角度的误差。

在量变曲线化之前和之后，在所选测量几何下针对所测量的训练或校准颜色，两台颜色测量仪器间的光谱差示于图5中。未校准(本文称为“未量变曲线化”)的光谱残余相对于零线不对称地分布并表现出明显的变化，该变化显著超过统计测量误差，具有至多2.5％的偏差。校准过(本文称为“量变曲线化”)的数据集的光谱残余相对于零线对称分布，并以对应于技术数据表中仪器制造商规范的方差统计分布。其它两种测量几何45°/15°和45°/110°的光谱差与45°/45°测量几何获得的那些光谱差非常相似。

选择用于生成标准仪器量变曲线的固体反射率标准物组，使得光谱差不具有统计意义上的显著性。

(B)生成几何仪器量变曲线

测量了一组独立的共10个角度依赖性反射率标准物(也称为角度依赖性色调)，以获得角度依赖性标准反射光谱，并且对应的光谱数据示于图6中。

将上面生成的标准仪器量变曲线应用到所测量的反射光谱数据，以获得量变曲线化的角度依赖性标准反射光谱。所得的量变曲线化的角度依赖性标准反射光谱仍不在零附近居中，尤其是在15°近镜面角时(图8A、8C和8E)。此不对称性表明两台仪器略微不同的几何构型，其必须通过几何仪器量变曲线来减小。

通过角度依赖性标准反射光谱数据导出几何仪器量变曲线，如图6所示，从而产生图7(色差数据)和图8(光谱差)中所示的性能数据。在此实施例中，用单一(与波长无关)参数e₅＝0.548％/度来表示几何仪器量变曲线，其相当于Δθ≈-0.28°的倾斜角。

(C)生成校准颜色数据

将上面生成的标准仪器量变曲线应用到所测量的反射光谱数据(得自10个角度依赖性反射率标准物，现在被当作测量对象角度依赖性测量数据)，以生成光度和波长标度校正的测量对象测量数据。

将上面生成的几何仪器量变曲线应用到光度和波长标度校正的测量对象测量数据。

从图7中能够看出，在应用几何仪器量变曲线(图7A)后，15°近镜面角的残余颜色差明显减小，而其它两个视角(45°、110°)的残余颜色差未明显减小(图7B和7C)。校准颜色数据示于图8(图8B、8D和8F)中。

Claims (7)

1.用于生成测量对象的校准颜色数据的方法，所述方法使用分布于网络中的颜色测量仪器，所述方法包括以下步骤：

A)生成用于分布于网络中的颜色测量仪器的至少一个标准仪器量变曲线，以校正光度和波长标度差，其中步骤A)包括：

A1)以至少两种测量几何构型并且在分布于所述网络中的每台颜色测量仪器处，测量一组固体反射率标准物，以获得所述固体反射率标准物的固体标准反射光谱，以及

A2)基于所述固体标准反射光谱，生成用于分布于所述网络中的每台颜色测量仪器的至少一个标准仪器量变曲线，以校正光度和波长标度差；

B)生成用于分布于所述网络中的颜色测量仪器的至少一个几何仪器量变曲线，以校正几何标度差，其中步骤B)包括：

B1)以至少两种测量几何构型并且在分布于所述网络中的每台颜色测量仪器处，测量一组角度依赖性反射率标准物，以获得角度依赖性标准反射光谱，以及

B2)将步骤A)中生成的所述至少一个标准仪器量变曲线应用到步骤B1)中获得的所述角度依赖性标准反射光谱，以获得量变曲线化的角度依赖性标准反射光谱，以及

B3)生成用于分布于所述网络中的每台颜色测量仪器的至少一个几何仪器量变曲线，以基于量变曲线化的角度依赖性标准反射光谱来校正几何标度差；以及

C)生成所述测量对象的校准颜色数据，所述步骤C)包括：

C1)使用分布于所述网络中的一台或多台颜色测量仪器来获得所述测量对象的测量对象角度依赖性测量数据；

C2)将步骤A)中生成的所述至少一个标准仪器量变曲线应用到所述测量对象角度依赖性测量数据，以生成光度和波长标度校正的测量对象测量数据，以及

C3)将步骤B)中生成的所述至少一个几何仪器量变曲线应用到步骤C2)中获得的所述光度和波长标度校正的测量对象测量数据，以生成所述测量对象的所述校准颜色数据。

2.根据权利要求1的方法，其中所述颜色测量仪器包括测角分光光度计。

3.根据权利要求1的方法，其中分布于所述网络中的每台颜色测量仪器均参照校准用仪器。

4.根据权利要求1至3中的任一项的方法，其中分布于所述网络中的每台颜色测量仪器均参照数字标准物。

5.根据权利要求1至4中的任一项的方法在油漆生产中的用途。

6.根据权利要求1至4中的任一项的方法在显色中的用途。

7.根据权利要求1至4中的任一项的方法在车辆OEM涂层中的用途。