物体色行业中的所见即所测

色彩科学微课堂2018-04-18 15:05:48

开始准备写这个话题时,忽然联想到PC行业里的“所见即所得(what you see is what you get, WYSIWYG)”。80后们可能还记得,小时候上学校机房,用的是386,486的计算机,用的是命令行控制,什么也看不到:看不到图片,也不知道你的文档打印出来会是什么样。后来微软推出了Windows,让界面窗口化,然后就有了Office办公软件,从此实现了“所见即所得”,后来大家就愉快的用电脑了。物体色行业(比如油漆、涂料、油墨、纺织、印刷、塑料)也能讲出类似的故事,它的一个需求是,人眼看到的颜色,和测量得到的颜色一致


                       

什么是所见即所测?

简单来说,就是测色仪测到的结果,跟人看到的结果一致。这里说的“结果”,指CIE 1976色彩空间中的L*a*b*值,或者指色差值(本文都指CIE LAB色差),因为这两个参数人是可以去直观地和仪器测量值进行对比的。

对于L*a*b*值,其坐标含义很直接:a*表示偏红偏绿,b*表示偏黄偏蓝,L*表示颜色有多亮。如下图


一个色样拿到手里(当然也需要个白纸作为参考白),基本是可以判断出a*b*的正负,L*的大概值比如下图:有两个色样,背景作为参考白,

一定可以预期,两个色样的a*值都大于0,因为都是偏红的,而上方色样的a*值比下方色样大,而L*值应该是下方色样高。如果人看到的L*a*b*和仪器测量值有明显冲突,比如仪器测量出来发现下方色样a*值大于上方色样,那么就有问题了。

对于色差,人能够对色差大小有一个直观的感受,比如是某一组色对的色差大,还是另外一组色对的色差大。这种感受可以用来和测色仪的结果进行对比,例如下图,

色样对a色样对b

很明显,左边色样对的色差比右边大,那么就预期:测色仪测出的色差应当也是这样。

除了L*a*b*色差外,测色仪可能还能测到其他参数,比如光谱反射比,或者密度(density)等,但这些参数人很难直观的去评价,所以就没法把人看的结果和仪器做对比了。

 

为什么需要所见即所测?否则会有什么问题?

一般QC或生产并不怎么需要人眼看,因为QC一般都是以测色仪做标准,测色仪说Pass,就Pass,跟人眼看无关。但是问题来了,一旦发现Fail了,颜色有偏差,怎么去找原因?如果测色仪说现在的颜色偏红,但人眼看是偏黄,怎么调整生产?如果测色仪色差Fail,但人眼看色差明明很小,是过还是不过?就算是有自动化配色系统的工厂,也需要人去分析问题找原因,尤其是,有的时候可能并不是你出了问题,而可能是验收指标,或者是材料本身,或者是测量方法的问题。而仅凭测色仪的数据,没有用眼睛去看,或者看到的结果和测色仪结果冲突,将对问题的解决带来很大困扰。所以在产品的修正、品管或者新产品的开发过程中,所见、所测的一致性就显得非常重要


为什么会出现所见所测不符?

       我们从源头开始分析,无论是人还是仪器,要“看到”颜色都需要三个要素:光源+物体+观察者(这里不考虑物体表面纹理,颜色不均匀,观察角度等次要因素影响)。

三要素中,物体是相同的;测色仪的光源是内置的,一般是卤钨灯、氙灯或者LED灯,而人观察的光源可能是荧光灯、LED、白炽灯,也可能是户外日光;测色仪的“观察者”是CIE标准观察者,简单理解就是正常人眼的平均值。所以很显然,光源的不同是导致人眼看到的颜色和测色仪有差异的主要原因

除了光源外当然其他还有很多原因,比如物体表面有纹理,那么此时仪器设置SCI(包含镜面光)还是SCE(排除镜面光)就很讲究,如果物体有一定的光泽,那么观察时的角度就很重要,如果颜色不均匀,选择的孔径、测量的位置就很重要,如此等等,这些原因都是可以通过正确的操作或设置去排除,这方面可以展开讲怎样正确评价物体色。

 

当前的困难点在哪里?

最大的困难在于光源,因为测色仪虽然使用的是卤钨灯、氙灯或者LED灯,但通过计算还是会把颜色值转换到标准光源如D65/A/F11光源下。换言之,测色仪是在这些标准光源下去看颜色的(关于标准光源,感兴趣的读者可以看公众号前面的文章:色彩科学中的常用光源,你清楚么?)。

如果人能够在相应的标准光源下去看这些颜色,那么可以保证人看到的颜色和测色仪测量值相同,因为两者使用了同一光源,同一物体,观察的“眼睛”又几乎一样。问题来了,标准光源事实上是无法获得的,因为那只是一串光谱功率分布的数字而已,实际生活中,并没有任何灯具能够生成标准光源。最接近标准光源的东西是对色灯箱,类似下图


如果这些灯箱光源和标准光源比较接近,能够保证看颜色差得很小,那么就可以保证所见即所测。


可惜的是,目前灯箱性能普遍一般,如上表和上图,离标准D65的性能指标有一定的差距。ISO(23603和3664)和ASTM(D1729)对灯箱都有推荐标准,比如显色指数(CIE Ra)应当在90以上,同色异谱指数在C/D等等(感兴趣的读者请翻阅前面魏敏晨博士写的讲显色性的文章)。但即使灯箱满足了这些标准,距离所见即所测的要求还是差了很远,举个例子,见下图两个D65模拟光源下样品,显色指数左侧是98,右侧是90,但其实颜色差的还是很明显,例如里面的红色。


简言之,目前的灯箱光源品质还不够,ISO和ASTM标准只是解决了有无问题,就好像只是PC的DOS系统。若要达到所见即所测,实现Windows系统,那么模拟光源下看色样的色差和标准光源的色差应当小于1,即接近人眼辨色的阈值,相应的显色指数应当在98以上,同色异谱指数最好在A

      

如何解决?

解决问题的方法就是获得和标准光源更加接近的光源。目前基本有3个方案:

1.      使用日光:在恰当的时间,比如正午,使用面北的窗户光看颜色

优点:无成本,

缺点:不稳定,不可控,不可复现。

2.      使用卤钨灯+滤光片,

优点:方案成熟,使用广泛

缺点:灯光衰减快,寿命短,发热大,预热时间长,亮度不可调,滤光片种类有限(一般只能做D50/D65)。


3.      多通道LED合成光谱技术:

优点:稳定,寿命长,无需预热,亮度无极调节、光源种类理论上无限,

缺点:技术门槛高,价格高


其中多通道LED合成光谱技术是随着LED产业发展成熟,这两年新开发出来的方案,其光谱可以做到和标准光源非常接近,显色指数超过99,


参考文献

  1. CIE 13.3-1995, Method of Measuring and Specifying Colour RenderingProperties of Light Sources

  2. ISO 23603-2005 / CIE S 012/E, Standard method of assessing the spectralquality of daylight simulators for visual appraisal and measurement of colour

  3. ISO 11664-2 / CIE S 014-2/E, Colorimetry- Part 2: CIE Standardilluminants

  4. ASTM D1729-2003, Standard Practice for Visual Appraisal of Colors andColor Differences of Diffusely-Illuminated Opaque Materials.

  5. ISO 3664-2009, Viewing conditions-Graphic technology and photography

  6. SDC Best Practice Guide-2011, Viewing Cabinets for the VisualAssessment of Surface Colour.


作者简介

何灿栋,浙江大学光学工程硕士