CN107389197A - 一种基于分光反射率和cie表色系的颜色深度表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于分光反射率和CIE表色系的颜色深度表征方法，为着色物的颜色深度提供一种基于颜色科学理论的客观、连续、定量的表征方法。本发明依据着色物的分光反射率测量数据，利用CIE表色系的标准色度观察者，借助新公式计算着色物的颜色深度，可用于染色织物等着色物的颜色深度、染料强度/力份、色牢度、染色性能（如提升力、迁移指数等）的表征和评价。本发明技术及其应用涉及分光光度技术、色度技术、色料生产与着色技术、纺织印染加工技术等领域。
Description
技术领域
本发明属于颜色科学领域，涉及一种基于分光反射率和CIE表色系的颜色深度表征方法。
背景技术
颜色深度的定义，根据AATCC(Association of Textile,Apparel&MaterialsProfessionals) 标准，颜色深度是指着色物离开白色的距离，常与色料的浓度或上色效率有关。根据ISO (International Organization of Standardization)标准，颜色深度是在其它条件(基材、色料、 加工方法和观察条件)都保持不变的情况下，随色料用量增加而增加的上染质量。中国《染 料名称术语》标准中没有颜色深度的定义，但给出了“标准深度”的概念，即，“一种公认的 深度标准系列，并定义中等深度为1/1标准深度；同一标准深度的颜色，在心理感觉上是相 等的，使色牢度等可在同一基础上进行比较；目前已发展为2/1、1/1、1/3、1/6、1/12及1/25 共六档标准深度。”。
可见，颜色深度综合反映色料性能、色料用量、着色效果和色知觉感受。因此，颜色深 度对于色料和着色加工具有重要意义，其功用包含但不限于以下五个方面：一，决定染料强 度和染料成本；二，它是染料色牢度评价的基础；三，它是染色提升力、迁移指数等染色效 果表征和评价的基础；四，可直接用于表征织物的染色深度；第五，用于色料配方预测。总 之，颜色深度对于色料及其应用技术的提高具有深远意义。
目前颜色深度的表征和评价有主观和客观两大类方法。主观方法是参照标准颜色深度卡， 在特定的照明和观察条件下，通过目测对比标准深度卡给出着色物的颜色深度等级。客观方 法又可以分成两类，一类是通过特定公式计算某色度参数，继而依据一定的法则判断颜色深 度等级，如ISO标准的仪器评价1/1标准深度方法(基于Christ公式)，德国DIN标准的1/1、 1/3、1/9、1/25以及1/200五个标准深度等级评价方法(基于Gall公式)，Wardman,Smith and Islam共同发表的2/1、1/1、1/3、1/6、1/12及1/25六个标准深度等级的WSI方法；另一类是 具体的颜色深度公式，可计算出具体的颜色深度值，如Godlove公式、Rabe-Koch公式、Integ 公式、寺主一成公式、Sato公式、Kubelka-Munk公式、Taylor法则等。这些颜色深度的客观 表征和评价方法，主要是基于对主观评价用的标准深度卡(色样)和主观评价为标准深度的 色卡，通过色度测量，利用统计回归方法获得的数学公式。这种途径获得的颜色深度计算公 式的局限性是显而易见的，颜色深度的表征也因受到上述公式使用效果的限制，呈现虽有标 准但不统一的现状。因此，颜色深度的客观表征存在很大的理论提升空间。
发明内容
本发明为解决颜色深度的客观表征方面的技术问题，提供了一种基于分光反射率和CIE 表色系的颜色深度表征方法，本发明基于理论、可客观连续表征颜色深度；本发明的设计理 念为：
S1.从颜色深度的基本概念和颜色科学的基础理论出发，从理论上进行设计。这与基于标 准深度色卡和/或主观评定为标准深度的色卡的现有颜色深度表征和评价方法不同，后者以统 计回归方法得到的公式受标样容量、标样精度、标样代表性的影响，其适用性受到标样范围 的限制；
S2.理论设计公式应具有普适性，应能够连续客观地表征颜色深度，应能够尽可能多地满 足颜色深度表征和评价的多种需求；
S3.理论设计公式要符合常理、易于理解、方便计算，例如，以纯白/标准白为参照物，纯 白/标准白色的颜色深度为0，纯黑色的颜色深度为100，颜色深度值越大表示颜色越深。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于分光反射率和CIE表色系的颜色深度表征方法，步骤如下：
1)从颜色深度的概念出发，基于颜色科学基础理论，设计颜色深度刺激计算公式，颜色 深度刺激计算公式的结果为色样的三刺激值之和或三刺激值之和函数；
2)以纯白的颜色深度为0，纯黑的颜色深度为100，以纯白或基于实际应用需求设定的 标准白代表白色，根据步骤1)中的色深刺激计算公式，以及标准照明体和观察视场，利用 标准色度观察者光谱三刺激值，确定白色的色深刺激计算公式和具体数值；
3)利用步骤1)中的颜色深度刺激计算公式，设计颜色深度的计算公式；
4)测算、表征色样的颜色深度：首先利用分光光度计或分光测色仪测量色样的分光反射 率ρ(λ)，基于之计算色样的XYZ三刺激值，或者直接从分光测色仪上读取XYZ三刺激值；然 后将色样的XYZ三刺激值代入步骤3)中的颜色深度计算公式，获得色样的颜色深度值。
所述步骤1)中，借助CIE表色系，颜色深度刺激计算公式即色深刺激计算公式，如公 式(1)：
式(1)中：
ρ(λ)——着色物体的分光反射率；
S(λ)——标准照明体的相对光谱能量分布；
——CIE XYZ标准色度观察者光谱三刺激值；
k——常数调整因子，在三刺激值计算公式中调整照明体的相对亮度Y＝100；
X、Y、Z——色样的三刺激值。
所述步骤1)中，借助CIE表色系，颜色深度刺激计算公式即色深刺激计算公式，也可 采用公式(2)：
其中：或者k为其他常数。
S(λ)——标准照明体的相对光谱能量分布；
——CIE XYZ标准色度观察者光谱三刺激值；
k——常数调整因子，在三刺激值计算公式中调整照明体的相对亮度Y＝100；
X、Y、Z——色样的CIE三刺激值。
所述步骤2)中，白色以纯白或根据具体需求设定的标准白表征，其中纯白的色深刺激 为等能白光的三刺激值X0、Y0、Z0之和，即：纯白的色深刺激＝X0+Y0+Z0。
所述步骤3)中，颜色深度计算公式，以纯白为0，纯黑为100，颜色深度值越大表示颜 色越深，以YCD代表颜色深度，具体为：
或者
所述步骤3)中，颜色深度计算公式在D65和10°视场情况下，
本发明的基于分光反射率和CIE表色系的颜色深度表征方法根据颜色深度的定义，它是 人的视觉系统对着色物之颜色离开白色的距离的一种色知觉；因此，颜色深度的表征涉及物 体的颜色、白色、光源和视觉系统，本发明分别采用以下方法对他们进行表征：
S4.颜色的表征，采用颜色最基本的特征，即颜色的“指纹图”，对于织物类不透明材料， 采用其(半球)反射率光谱，即采用带有积分球的分光光度计或测色仪测得的分光反射率光 谱；
S5.白色的表征，通常采用对可见光100％反射的纯白，特殊情况可根据具体需求设定标 准白；
S6.视觉系统的表征，采用CIE标准色度观察者，包括但不限于CIE1931、CIE1964，建 议积极采用CIE的最新数据，本发明研究过程中采用的是CIE 1964补充标准色度观察者；
S7.光源的表征，采用标准照明体。
基于以上设计理念和思路，设计颜色深度的理论计算公式如下。
S8.设计颜色深度刺激(色深刺激)的计算方法
人眼识别物体色的三要素是物体、光源和人眼视觉系统，颜色深度也涉及此三要素。因 此，设计颜色色深刺激计算方法如公式(1)所示：
其中，
式中：ρ(λ)——着色物体的分光反射率；
S(λ)——标准照明体的相对光谱能量分布；
——CIE XYZ标准色度观察者光谱三刺激值；
k——常数调整因子，在三刺激值计算公式中调整照明体的相对亮度Y＝100；
X、Y、Z——着色物的三刺激值。
根据公式(1)，纯白/标准白的色深刺激的计算公式即：
白色的色深刺激＝X0+Y0+Z0 (3)
式中：X0、Y0、Z0——纯白/标准白的三刺激值。
S9.设计颜色深度计算公式
用YCD(Yang formula for Color Depth)代表本发明设计的颜色深度公式，如公式(5) 所示：
也即：
对于纯白，其颜色深度YCD＝0；对于理想黑，其颜色深度YCD＝100；YCD的取值范围为0～100，YCD数值越大，表示颜色深度越深；YCD值越接近，表示样品的深度越接近。
纯白的三刺激值选择，以D65照明体、10°视场为例，根据ASTM E308-08StandardPractice for Computing the Color of Objects by Using the CIE System标准中的表6，选用等能白光光谱 三刺激值，即：X0＝94.8158，Y0＝100，Z0＝107.3073，代入公式(5)得公式(7)，也即D65照 明体、10°视场条件下评价颜色深度，按照公式(7)计算即可。其它照明和观察条件下的纯 白三刺激值的计算可参照此方法；
或者按照CIE15:2004第三版标准，以D65照明体、10°视场为例，纯白的三刺激值分别 为：X0＝94.81，Y0＝100，Z0＝107.32，代入公式(5)得公式(8)：
亦可综合CIE和ASTM标准，直接利用下面保留一位小数的公式(9)：
测算三刺激值时，建议选择D65照明体和10°视场的参数，标准色度观测者光谱三刺激值 建议采用最新研究成果；当然，亦可根据实际需求选择相适应的照明体和视角下的标准色度 观察者光谱三刺激值。
在没有特殊精度要求(比如保持两位小数等)的情况下，直接利用公式(9)进行计算， 结果保留一位小数即可。在下面的实施方案中，有举例给出公式(7)、(8)和(9)的计算结 果。
本发明可以用Matlab等编程语言实行数据批量处理，简单、便捷、快速。
本发明的有益效果在于：
1、本发明从理论出发设计的客观表征着色物颜色深度的方法，适用性更强，不受测试人 的心理、生理、年龄、喜好等方面的影响，亦不像统计回归方法获得的公式那样受标准颜色 深度样品容量和样本质量等因素的影响。
2、YCD颜色深度的计算沿用了习惯的、通用的颜色三刺激值的表示方法，易于理解和 接受，除了XYZ三刺激值，不再需要其他参数，计算也非常简单快捷。
3、YCD颜色深度值的范围大，0～100，区分度明显；数值越大表示颜色越深，白色为0， 黑色为100，非常便于对样品的颜色深度产生定性认识和评价。。
4、本发明可以连续、无级地表征颜色深度，而不仅仅是像现行国际通行的标准ISO105-A01、ISO 105-A06、DIN 53235等等那样表征颜色深度的几个等级，从而提高颜色深度表征的精度和适用性。
5、本发明不仅适用于目前通用的D65照明体和10°视场，而且适用于其他照明体和2°视 场。
6、通过采用YCD对一些标准深度卡和等深色样的深度进行评价，发现其标准差不匀率 小于其他客观评价公式；本发明为颜色深度相关应用领域的人员提供了一个更为理想的颜色 深度计算公式，从颜色科学的基础理论和颜色深度的基本定义出发，从理论上推导了颜色深 度的连续、定量表征方法。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明 保护的范围。
实施例1
一种基于分光反射率和CIE表色系的颜色深度表征方法，步骤如下：
1).测试色样的分光反射率ρ(λ)：利用带积分球的分光光度计或分光测色仪测量色样(如 染色织物)的分光反射率ρ(λ)；
2).计算色样的三刺激值XYZ：根据所测分光反射率ρ(λ)，计算色样的XYZ三刺激值， 或者直接从分光测色仪上读取色样的XYZ三刺激值；
3).计算色样的颜色深度值YCD：将色样的三刺激值XYZ代入公式(5)，计算其颜色深度 值YCD。
说明：如拥有标准的分光测色仪，上述步骤1)和2)可合并，直接测色读取色样的三刺 激值即可；色样三刺激值的测算，通常选取D65照明体和10°视角，此时可直接将分光测色仪 测得的三刺激值XYZ代入公式(7)或(8)或(9)进行计算；当然，亦可根据实际情况选 择白色的相应数据。
利用X-Rite分光测色仪测试获得某两个样品在D65照明体和10°视角的三刺激值为： X1＝40.135，Y1＝30.543，Z1＝18.446；X2＝11.067，Y2＝11.713，Z2＝8.362，代入公式(7)或(8) 或(9)，分别计算两个色样的YCD颜色深度值YCD1和YCD2：
显然，公式(7)、(8)和(9)的计算结果高度一致。在没有特殊精度要求(比如保持两位小数等)的情况下，直接利用公式(9)进行计算，结果保留一位小数即可。
根据计算结果YCD1＜YCD2，可知样品1的颜色深度要比样品2的颜色深度浅。
实施例2
一种基于分光反射率和CIE表色系的颜色深度表征方法，步骤如下：
1).测试色样的分光反射率ρ(λ)：利用带积分球的分光光度计或分光测色仪测量色样(如 染色织物)的分光反射率ρ(λ)；
2).计算色样的三刺激值XYZ：根据所测分光反射率ρ(λ)，计算色样的XYZ三刺激值， 或者直接从分光测色仪上读取色样的XYZ三刺激值；
3).计算色样的颜色深度值YCD：将色样的三刺激值XYZ代入公式(5),计算其颜色深度值 YCD。
说明：如拥有标准的分光测色仪，上述步骤1)和2)可合并，直接测色读取色样的三刺 激值即可；色样三刺激值的测算，通常选取D65照明体和10°视角，此时可直接将分光测色仪 测得的三刺激值XYZ代入公式(7)或(8)或(9)进行计算；当然，亦可根据实际情况选 择白色的相应数据。
利用X-Rite分光测色仪测试获得某两个样品在D65照明体和10°视角的三刺激值为： X1＝43.972，Y1＝46.551，Z1＝35.095；X2＝18.724，Y2＝16.187，Z2＝17.199，代入公式(7)或(8) 或(9)，分别计算两个色样的YCD颜色深度值YCD1和YCD2：
显然，公式(7)、(8)和(9)的计算结果高度一致。在没有特殊精度要求(比如保持两位小数等)的情况下，直接利用公式(9)进行计算，结果保留一位小数即可。
根据计算结果YCD1＜YCD2，可知样品1的颜色深度要比样品2的颜色深度浅。
实施例3
一种基于分光反射率和CIE表色系的颜色深度表征方法，步骤如下：
1).测试色样的分光反射率ρ(λ)：利用带积分球的分光光度计或分光测色仪测量色样(如 染色织物)的分光反射率ρ(λ)；
2).计算色样的三刺激值XYZ：根据所测分光反射率ρ(λ)，计算色样的XYZ三刺激值， 或者直接从分光测色仪上读取色样的XYZ三刺激值；
3).计算色样的颜色深度值YCD：将色样的三刺激值XYZ代入公式(5),计算其颜色深度值 YCD。
说明：如拥有标准的分光测色仪，上述步骤1)和2)可合并，直接测色读取色样的三刺 激值即可；色样三刺激值的测算，通常选取D65照明体和10°视角，此时可直接将分光测色仪 测得的三刺激值XYZ代入公式(7)或(8)或(9)进行计算。当然，亦可根据实际情况选 择白色的相应数据。
利用X-Rite分光测色仪测试获得某两个样品在D65照明体和10°视角的三刺激值为： X1＝5.179，Y1＝6.681，Z1＝5.158；X2＝4.470，Y2＝4.401，Z2＝8.091，代入公式(7)或(8)或(9)， 分别计算两个色样的YCD颜色深度值YCD1和YCD2：
显然，公式(7)、(8)和(9)的计算结果高度一致。在没有特殊精度要求(比如保持两位小数等)的情况下，直接利用公式(9)进行计算，结果保留一位小数即可。
根据计算结果YCD1＝YCD2，可知样品1的颜色深度要与样品2的颜色深度相等。
实施例4
一种基于分光反射率和CIE表色系的颜色深度表征方法，步骤如下：
1).测试色样的分光反射率ρ(λ)：利用带积分球的分光光度计或分光测色仪测量色样(如 染色织物)的分光反射率ρ(λ)；
2).计算色样的三刺激值XYZ：根据所测分光反射率ρ(λ)，计算色样的XYZ三刺激值， 或者直接从分光测色仪上读取色样的XYZ三刺激值；
3).计算色样的颜色深度值YCD：将色样的三刺激值XYZ代入公式(5),计算其颜色深度值 YCD。
说明：如拥有标准的分光测色仪，上述步骤1)和2)可合并，直接测色读取色样的三刺 激值即可。色样三刺激值的测算，通常选取D65照明体和10°视角，此时可直接将分光测色仪 测得的三刺激值XYZ代入公式(7)或(8)或(9)进行计算。当然，亦可根据实际情况选 择白色的相应数据。
利用X-Rite分光测色仪测试获得某两个样品在D65照明体和10°视角的三刺激值为： X1＝40.910，Y1＝45.118，Z1＝41.657；X2＝42.742，Y2＝46.865，Z2＝38.107，代入公式(7)或(8) 或(9)，分别计算两个色样的YCD颜色深度值YCD1和YCD2：
显然，公式(7)、(8)和(9)的计算结果高度一致。在没有特殊精度要求(比如保持两位小数等)的情况下，直接利用公式(9)进行计算，结果保留一位小数即可。
根据计算结果YCD1＝YCD2，可知样品1的颜色深度要与样品2的颜色深度相等。
实施例5
一种基于分光反射率和CIE表色系的颜色深度表征方法，步骤如下：
1).测试色样的分光反射率ρ(λ)：利用带积分球的分光光度计或分光测色仪测量色样(如 染色织物)的分光反射率ρ(λ)；
2).计算色样的三刺激值XYZ：根据所测分光反射率ρ(λ)，计算色样的XYZ三刺激值， 或者直接从分光测色仪上读取色样的XYZ三刺激值；
3).计算色样的颜色深度值YCD：将色样的三刺激值XYZ代入公式(5),计算其颜色深度值 YCD。
说明：如拥有标准的分光测色仪，上述步骤1)和2)可合并，直接测色读取色样的三刺 激值即可。色样三刺激值的测算，通常选取D65照明体和10°视角，此时可直接将分光测色仪 测得的三刺激值XYZ代入公式(7)或(8)或(9)进行计算。当然，亦可根据实际情况选 择白色的相应数据。
利用X-Rite分光测色仪测试获得某两个样品在D65照明体和10°视角的三刺激值为： X1＝19.062，Y1＝21.120，Z1＝11.452；X2＝61.075，Y2＝64.876，Z2＝14.001，代入公式(7)或 (8)或(9)，分别计算两个色样的YCD颜色深度值YCD1和YCD2：
显然，公式(7)、(8)和(9)的计算结果高度一致。在没有特殊精度要求(比如保持两位小数等)的情况下，直接利用公式(9)进行计算，结果保留一位小数即可。
根据计算结果YCD1＞YCD2，可知样品1的颜色深度要比样品2的颜色深度深。
实施例6
一种基于分光反射率和CIE表色系的颜色深度表征方法，步骤如下：
1).测试色样的分光反射率ρ(λ)：利用带积分球的分光光度计或分光测色仪测量色样(如 染色织物)的分光反射率ρ(λ)；
2).计算色样的三刺激值XYZ：根据所测分光反射率ρ(λ)，计算色样的XYZ三刺激值， 或者直接从分光测色仪上读取色样的XYZ三刺激值；
3).计算色样的颜色深度值YCD：将色样的三刺激值XYZ代入公式(5),计算其颜色深度值YCD。
说明：如拥有标准的分光测色仪，上述步骤1)和2)可合并，直接测色读取色样的三刺 激值即可。色样三刺激值的测算，通常选取D65照明体和10°视角，此时可直接将分光测色仪 测得的三刺激值XYZ代入公式(7)或(8)或(9)进行计算。当然，亦可根据实际情况选 择白色的相应数据。
利用X-Rite分光测色仪测试获得某两个样品在D65照明体和10°视角的三刺激值为：X1＝ 9.909，Y1＝12.87，Z1＝10.412；X2＝45.341，Y2＝32.374，Z2＝8.314，代入公式(7)或(8)或(9)， 分别计算两个色样的YCD颜色深度值YCD1和YCD2：
显然，公式(7)、(8)和(9)的计算结果高度一致。在没有特殊精度要求(比如保持两位小数等)的情况下，直接利用公式(9)进行计算，结果保留一位小数即可。
根据计算结果YCD1＞YCD2，可知样品1的颜色深度要比样品2的颜色深度深。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原 则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于分光反射率和CIE表色系的颜色深度表征方法，其特征在于，步骤如下：
1)从颜色深度的概念出发，基于颜色科学基础理论，设计颜色深度刺激计算公式，颜色深度刺激计算公式的结果为色样的三刺激值之和或三刺激值之和的函数；
2)以纯白或基于实际应用需求设定的标准白代表白色，根据步骤1)中的颜色深度刺激计算公式，以及标准照明体和观察视场，利用标准色度观察者光谱三刺激值，确定白色的颜色深度刺激计算公式和具体数值；
3)以纯白的颜色深度为0，纯黑的颜色深度为100，利用步骤1)中的颜色深度刺激计算公式，设计颜色深度的计算公式；
4)测算、表征色样的颜色深度：首先利用分光光度计或分光测色仪测量色样的分光反射率ρ(λ)，基于之计算色样的XYZ三刺激值，或者直接从分光测色仪上读取XYZ三刺激值；然后将色样的XYZ三刺激值代入步骤3)中的颜色深度计算公式，获得色样的颜色深度值。
2.如权利要求1所述的基于分光反射率和CIE表色系的颜色深度表征方法，其特征在于：所述步骤1)中，借助CIE表色系，颜色深度刺激计算公式即色深刺激计算公式，如公式(1)：
式(1)中：
ρ(λ)——着色物体的分光反射率；
S(λ)——标准照明体的相对光谱能量分布；
——CIE XYZ标准色度观察者光谱三刺激值；
k——常数调整因子，在三刺激值计算公式中调整照明体的相对亮度Y＝100；
X、Y、Z——色样的三刺激值。
3.如权利要求1所述的基于分光反射率和CIE表色系的颜色深度表征方法，其特征在于：所述步骤1)中，借助CIE表色系，颜色深度刺激计算公式即色深刺激计算公式，如公式(2)
其中：
S(λ)——标准照明体的相对光谱能量分布；
——CIE XYZ标准色度观察者光谱三刺激值；
k——常数调整因子，在三刺激值计算公式中调整照明体的相对亮度Y＝100；
X、Y、Z——色样的CIE三刺激值。
4.如权利要求1所述的基于分光反射率和CIE表色系的颜色深度表征方法，其特征在于：所述步骤2)中，白色以纯白或根据具体需求设定的标准白表征，其中纯白的色深刺激为等能白光的三刺激值X0、Y0、Z0之和，即：纯白的色深刺激＝X0+Y0+Z0。
5.如权利要求1所述的基于分光反射率和CIE表色系的颜色深度表征方法，其特征在于：所述步骤3)中，颜色深度计算公式，以纯白为0，纯黑为100，颜色深度值越大表示颜色越深，以YCD代表颜色深度，具体为：
或者
6.如权利要求1或6所述的基于分光反射率和CIE表色系的颜色深度表征方法，其特征在于：所述步骤3)中，颜色深度计算公式在D65和10°视场情况下，
7.一种基于分光反射率和CIE表色系的颜色深度表征方法，作为着色物的颜色深度、染料强度/力份、色牢度、染色性能如提升力、迁移指数的表征和评价的基础。
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