CIE1976_L_a_b_色空间在PVC_U型材颜色测量中的应用

分析与测试

CIE1976(L*a*b*)色空间

在PV C-U型材颜色测量中的应用

张翊

(大连实德集团研究院,辽宁大连116113)

[关键词]色空间;PVC-U;颜色测量

[摘要]通过对GB11186-1989!涂膜颜色的测量方法?标准中关于CIE1964补充标准色度系统、CIE1976 (L*a*b*)色空间的色坐标及色差公式和光与颜色的相关理论的分析,解析了GB/T8814-2004!门、窗用未增塑聚氯乙烯(PVC-U)型材?中有关型材颜色测量要求,并给出了灰卡级数与总色差的换算关系。

[中图分类号]TQ325.3[文献标识码]A[文章编号]1009-7937(2007)05-0032-05

The application of CIE1976(L*a*b*)colour space

in the measurement of colour of PVC-U profile materials

ZH A N G Yi

(The R esearch Institute of Dal ian Shide Group,Dali an116113,China)

Key words:colour space;PVC-U;measurement of colour

Abstract:Based on the analysi s of CIE1976suppl ementary standard colour system specified in GB11186-1989m ethods f or the measur ement of the colour of f ilm coating,the col our coordi nate and colour diff erent formula of CIE1976(L*a*b*)colour space,and the relati ve theories a bout light and colour,the requirements associated with the colour measurement of profil e materials speci fied i n GB/T8841-2004unp lasticiz ed P VC p r of ile materials used f or doors&w indow s were resolved,and the conversion of gray card series w ith the total chromatic aberration was given.

!门、窗用未增塑聚氯乙烯(PVC-U)型材?(GB/ T8814-2004)以CIE1976(L*a*b*)色空间的色坐标规定了PVC-U型材的颜色范围,以CIE1976(L* a*b*)色差公式规定了PVC-U型材老化前后颜色变化的评价指标。CIE1976(L*a*b*)色空间和色差公式是以GB11186-1989!涂膜颜色的测量方法?标准进行规定的,目前已得到广泛应用。

1光与颜色和C IE标准照明体

光是人们感知色彩的必要条件。光的波长决定了光的颜色,光的能量决定了光的强度。

当光源发射出的光照射在物体上时,物体选择吸收特定波长的光,而将其余波长的光反射或透射出来,人眼感知到这些反射出来的光,产生感觉,就得到物体显示某种颜色的图像。

可见光的波长范围为380~780nm,不同波长的光在人们视觉中引起的色彩感觉不同,单一波长的光辐射表现为单一颜色。光源的辐射能量按波长分布的规律随着光源的不同而变化,光源的颜色特性取决于在发出的光线中不同波长上的相对能量比例。

人们经常在不同光源下辨认颜色。有些灯光的颜色与日光很相似(如荧光灯、汞灯等),但其光谱能量分布与日光却有很大的差别,这些光谱中缺少某些波长的单色光成分。人们在这些光源下观察到的颜色与日光下看到的颜色是不同的,这就出现了光

No.5 M ay,2007

聚氯乙烯

Poly viny l Chloride

第5期

2007年5月

*[收稿日期]2007-03-26

[作者简介]张翊(1977-),男,助理工程师,2000年毕业于大连理工大学化工学院高分子化工专业,现于大连实德集团化学建材研究院从事P VC-U型材制造工艺和质量标准工作。

源的显色性问题。不同的光源,由于发光物质不同,其光谱能量分布也不相同。一定的光谱能量分布表现为一定的光色,对光源的光色变化,以色温进行表征。这样,可用光源的显色性和色温来评价光源的特性。在颜色测量计算中,为了使其测量结果标准化,就要采用CIE(国际照明学会)标准光源。

CI E规定了4种标准照明体的色温标准,括号中的数值为采用CIE1964补充标准色度系统测量得到的颜色的三刺激值。三刺激值就是根据颜色匹配实验,达到与待测颜色一致时所需要的三原色的数量。

标准照明体A:代表完全辐射体在2856K发出的光(X10=109.87,Y10=100.00,Z10=35.59);

标准照明体B:代表相关色温约为4874K的直射阳光,光色相当于中午的日光(X10=99.09, Y10=100.00,Z10=85.32);

标准照明体C:代表相关色温约为6774K的平均日光,光色近似阴天天空的日光(X10=98.07, Y10=100.00,Z10=118.18);

标准照明体D:代表各时间段日光的相对光谱功率分布,也称作典型日光,其与实际日光具有很近似的相对光谱功率分布。CIE建议尽量应用D65代表日光。标准照明体D65代表相关色温约为6504K的日光(X10=95.05,Y10=100.00,Z10=108.91)。

C IE推荐下列人造光源来实现标准照明体的规定:

标准光源A:色温为2856K的充气螺旋钨丝灯,其光色偏黄。

标准光源B:A光源加一组B型D-G液体滤光器组成。

标准光源C:A光源加一组C型D-G液体滤光器组成。

标准光源D65:目前以带滤光器的高压氙灯的模拟最好。

2GB11186-1989标准

我国于1989年3月1日发布了!涂膜颜色的测量方法?国家标准,并于1990年1月1日实施。该标准规定了测量涂膜颜色的术语和测量涂膜色坐标必须具备的基本条件,规定了测量涂膜颜色坐标的方法,规定了涂膜之间微小色差的定量色度评价方法。目前,该标准已广泛应用于颜色测量和色差评价。近年来,随着彩色PVC-U型材的发展,这一标准已在PVC-U型材颜色测量领域中得到广泛应用。

2.1色度学系统与均匀颜色空间

2.1.1颜色匹配与三刺激值

各种颜色的光或颜料相互混合可以得到不同于原来的颜色。根据人眼的颜色视觉,红、绿、蓝三原色光可以混合成各种颜色,调节这三种原色光的强度,可以与待测光线颜色完全一致,这称之为颜色匹配实验。

2.1.2CIE1964补充标准色度系统

在GB11186-1989中阐述了以CIE1964补充标准色度系统测量颜色的理论。

CIE1964补充标准色度系统作为色度学系统,阐述了用数量表征颜色的方法。为避免采用红、绿、蓝三原色刺激值在计算中的负值问题,在CIE1964补充标准色度系统颜色是以三刺激值中的X10、Y10、Z10表示。计算方法如下:

X10=K10

=

=l

!( )x10( )? ,(1) Y10=K10

=

=l

!( )y10( )? ,(2) Z10=K10

=

=l

!( )z10( )? 。(3)色品坐标以x10、y10表示。

x10=

X10

X10+Y10+Z10

,(4) y10=

Y10

X10+Y10+Z10

。(5)式中,X10、Y10、Z10分别为CIE1964补充标准色度系统10#视场中颜色的三刺激值(下标10表示10#视场)。

!( )为色刺激函数。

x10( )、y10( )、z10( )分别为CIE1964补充标准色度系统中的色匹配函数。

? 为波长间隔。

l和分别为可见光谱短波及长波界限的求和界限。

K为归一化函数,以完全反射漫射体的三刺激值Y10=100时求得。

K10=

100

=

=l

s( )y10( )?

。(6)

式中,s( )为相对光谱功率分布。

CIE1964补充标准色度系统中的色匹配函数是CIE在视场角度为10#的条件下得到的,根据此色匹配函数可测量4#~10#视场条件下物体颜色的三刺激值X10、Y10、Z10。视场的适度增大,有利于提高颜色匹配的精度。

在CIE1964补充标准色度系统中,通过色品坐标与三刺激值的关系,可以由色匹配函数x10( )、y10 ( )、z10( )计算得到光谱色在色品坐标系x10-y10中

第5期张翊:CIE1976(L*a*b*)色空间在PVC-U型材颜色测量中的应用分析与测试

的坐标值,从而得到色品图,图1中的曲线为光谱轨迹[1]。CIE 1964补充标准色度系统规定以相等数量的三刺激值匹配出等能白光E,等能白点在色品图中的位置以色品坐标为x 10=0.3333、y 10=0.3333

。

图1 C IE 1964补充标准色度系统色品图

2.1.3 均匀颜色空间

CIE 1964补充标准色度系统以定量的数值表征颜色,并且以两种颜色在某一光源下对应的三刺

激值X 、Y 、Z 分别相等作为两种颜色是否等色的条件。但是,在这种色度学系统中,两对颜色以人眼观察时,视觉感觉到的颜色基本相同,这两对颜色在色度学系统中计算得到的三刺激值X 、Y 、Z 却可能相差很多。均匀颜色空间的目的就是将人眼辨色和色度系统的计算结果统一,以使在这个均匀的色差空间中,每个点能代表一种颜色,空间中两点之间的距离就代表两种颜色的色差。

CIE 1976(L *

a *

b *

)色空间就是这样一个由L *

a *

b *

三个色坐标表示的色度空间,是一个三维体系,a *

、b *

轴组成的平面标识颜色的色调,L *

标识颜色的明度(如图2所示),a *也称为红绿值,b *

也称为黄蓝值。

图2 C IE 1976(L *a *b *)色空间

在应用CIE 1976(L *a *b *)色空间将三刺激值转换为L *a *b *色坐标时,需要注意其应用范围。在测定出色样的三刺激值X 10、Y 10、Z 10后,需要与CIE 标准照明体(常用D 65)、10#视场下,完全反射漫射体的三刺激值X n 、Y n 、Z n (标准照明体D 65、10#视场时,X n =94.81,Y n =100.00、Z n =107.34)进行比较,以确定色样是否属于极深颜色,具体条件如下:

当X 10/X n 、Y 10/Y n 、Z 10/Z n 均大于0.008856时,色样不属于极深颜色,则:

L *

=116(Y 10/Y n )1/3

-16,

(7)

a *=500[(X 10/X n )1/3-(Y 10/Y n )1/3],(8)

b *=200[(Y 10/Y n )1/3-(Z 10/Z n )1/3]。(9)

当X 10/X n 、Y 10/Y n 、Z 10/Z n 均小于等于0.008856

时,色样属于极深颜色,则:

L *=903.3(Y 10/Y n ),

(10)a *=500{[7.787(X 10/X n )+16/116]-[7.787(Y 10/Y n )+16/116]},

(11)

b *

=200{[7.787(Y 10/Y n )+16/116]-[7.787

(Z 10/Z n )+16/116]}。(12)2.2 色度学系统与均匀颜色空间

两颜色(试样T 和参照样R )间的总色差以CIE 1976(L *a *b *)色空间中两点间的几何距离进行表示:

?E *ab =[(L T -L R )2+(a T -a R )2

+(b T -

b R )2]1/2。

(13)ab 色调角:h ab =arctan (b */a *)。

(14)ab 彩度:C *a b =(a *2+b *2)1/2。

(15)彩度差:?C *a b =(a *2T +b *2T )1/2-(a *2R +b *2R )1/2。

(16)

色调差:?H *a b =K H [(?E *ab )2-(?L *)2

-?C *

a b )2

]1/2

。(17)

其中:当(a *R b *T -a *T b *

R )?0时,K H =1;当

(a *R b *T -a *T b *

R )<0时,K H =-1。实际上CIE 1976(L *a *b *)空间对于人眼的色彩感觉来说还是不均匀的。将红色区域和绿色区域同等距离的两个色样点作比较,红色区域的两个色样的视感觉差别和绿色区域的两个色样的视感觉差别不同,也即在不同颜色区域,色彩的宽容量数值是不相等的。因此,在使用CIE 1976(L *

a *

b *

)空间进行颜色转换和校正时,如果在红色区域和绿色区域按照同样的尺度和比例进行调整,就会因为颜色空间的不均匀性而产生色偏。

分析与测试

聚氯乙烯 2007年

3C IE1976(L*a*b*)色空间与色差公式在PVC-U型材颜色测定中的应用

2004年10月1日,!门窗用未增塑聚氯乙烯(PVC-U)型材?国家标准(GB/T8814-2004)开始实施。在此标准中,对PVC-U型材的颜色表示和色差计算采用了CIE1976(L*a*b*)色空间的色坐标及相应的色差公式。

3.1GB/T8814-2004中对PVC-U型材颜色的要求

在GB/T8814-2004中,使用CIE1976(L*a* b*)色空间的色坐标及相应的色差公式表示颜色及色差的规定主要有两处:

(1)在GB/T8814-2004的前言中,规定:%本标准适用于颜色范围在L*?82、-2.5&a*&5, -5&b*&15的未增塑聚氯乙烯型材。?

分析L*?82、-2.5&a*&5,-5&b*&15这样一个颜色范围,通过计算其三刺激值和色品,在CIE x-y色品图中可以确定这个颜色范围属于白色。计算方法如下:

将L*=82、a*=-2.5、b*=-5分别代入式(7)~式(9),计算出三刺激值X10、Y10、Z10,然后将三刺激值X10、Y10、Z10代入式(4)和式(5),可计算出色品坐标x10=0.3002、y10=0.3223;同理,当L*= 82、a*=5、b*=15时,可计算出色品坐标x10= 0.3515、y10=0.3579。根据这两组色品坐标数据,在CIE1964补充标准色度系统色品图中(参见图1)可以知道L*?82、-2.5&a*&5,-5&b*&15这个颜色范围为白色。近白色试样的颜色应用?E*a b、?L*、?a*、?b*。

(2)在GB/T8814-2004中5.9.2规定:%老化前后试样的颜色变化用?E*、?b*表示,?E*&5、?b*&3?。

在这项要求中,采用了CIE1976(L*a*b*)色差公式表示试样颜色变化的总色差。

3.2GB/T8814-2004中对PVC-U型材颜色测量方法的规定

在GB/T8814-2004中6.9.2.2规定了测量试样颜色变化使用的设备:%使用CIE标准光源D65 (包括镜子反射率),测定条件8/d(8#照明,漫射观察)或d/8(漫射照明,8#观察)的分光光度仪(两者都没有滤光器)?。

目前测色方法主要采用分光光度法。分光光度法通过测定物体反射的光谱反射比因数,然后根据CIE推荐的标准照明体的光谱功率分布和色匹配函数可计算出物体在各种标准光源和标准照明体下的三刺激值[见式(1)~式(3)],再利用计算机和测色软件计算出色度坐标。

分光光度仪主要由照明光源、衍射光栅、光电检出器和计算机及测色软件等组件组成。图3是笔者目前使用的Mabeth Color-Eye7000A分光光度仪

的关键组件的结构图。

图3Mabeth Color-Eye7000A分光光度仪原理图

照明光源采用模拟D65标准照明体的高强度脉冲氙灯,其照明光强度大,精度和重复性很好,而且样品接收光源照射的时间短,不易发生变化。

衍射光栅用以将复色光分光成单色光,将波长360~740nm的光以10nm间隔进行分光。在Ma beth Color-Eye7000A分光光度仪中使用了全息图像光栅。

光电检出器将分光后得到的单色光转变为电信号,经A/D转换为计算机和测色软件可以处理的数据。在Mabeth Color-Eye7000A分光光度仪中使用了有40个波长点的阵列光电硅二极管。

计算机和测色软件将测量得到的三刺激值经计算得到各种数值。

Mabeth Color-Eye7000A分光光度仪在使用前,需使用黑阱和白板进行校正。Mabeth Color-Eye7000A分光光度仪采用双光束进行测量,一路光束用以测量样品反射的光,另一路光束用以同步测量标准白板,根据校正的数据和与样品光路同步测定的数据每次都对样品光路进行校正,避免外界条件的干扰。

第5期张翊:CIE1976(L*a*b*)色空间在PVC-U型材颜色测量中的应用分析与测试

使用Mabeth Color-Eye7000A分光光度仪测量PVC-U型材表面颜色时,先开启计算机和测色软件,对仪器进行校正,然后将型材表面紧紧贴在积分球开孔部位,并将孔完全遮盖,然后在计算机运行的测色软件中进行操作,完成颜色的测量,测色软件同步完成相应数据的计算,并将结果显示在计算机上,从而得到型材颜色的L*a*b*色坐标。整个测量过程只需人工将试样紧贴在积分球开孔部位,其他校正和测量过程,仅需计算机操作,完全自动化控制,非常简便。

试样表面在受到光的照射后,该表面会对光有反射作用,这部分光称之为镜面反射,其余部分光则由试样进行散射。根据GB11186-1989的规定,如果测量仅由彩色材料引起的试样与参考试样间的色差(如老化引起的颜料色彩变化),测量得到的三刺激值必须包括镜面反射。因此,GB/T8814-2004中6.9.2.2规定测量条件中应包括镜面反射。3.3使用CIE1976(L*a*b*)色空间与表征色牢度的灰卡级数之间的换算[1]

在GB/T8814-2004中规定了以CIE1976 (L*a*b*)色空间的色坐标及相应的色差公式代替GB/T8814-1998中以灰卡级数表征颜色变化的方法。

GB/T8814-1998以灰卡级数表征型材颜色变化是以GB250-1995!评定变色用灰色样卡?为标准进行测量的,也称变色级数。这实际是评价有色产品的颜色经各种方式处理而不变色的能力。变色级数表示原样的颜色经处理后明度、饱和度和色相方面变化程度的大小,以CIE1976(L*a*b*)色空间的色坐标表示即为L*a*b*色坐标的变化。

灰卡级数可以与CIE1976(L*a*b*)色空间的色坐标进行换算,以GS表示灰卡级数。

当?E R&3.4时,GS=5-?E R/1.7;

当?E R>3.4时,GS=5-lg(?E R/0.85)/lg2。

?E R的计算式为:

?E R=(L*r-L*o)2+

?H k

1+

10(C m

1000

2

2

+

?C k

1+

20(C m

1000

2

21/2

(18)

式中,下脚o表示原样品,下脚r表示原样品经处理后得到的试样。

?H k由下式计算:

?H k=?H*ab-(C*ab,r-C*a b,o)

C*a b,r+C*a b,o

2

e-x

100。

(19)

式中x未知,按以下条件计算:

当|h m-280|&180时,x=h m-280

30

2

;

当|h m-280|>180时,x=360-h m-280

30

2

。

h m按以下条件计算:

若|h ab,r-h a b,o|&180时,h m=h a b,r+h a b,o

2

;

若|h a b,r-h a b,o|>180且(h ab,r+h a b,o)<360

时,h m=h a b,r+h ab,o

2

+180;

若|h a b,r-h a b,o|>180且(h ab,r+h a b,o)?360

时,h m=h a b,r+h ab,o

2

-180。

这样,式(19)中的参数都可计算,从而计算出?H k。

?C k由式(20)计算:

?C k=?C*a b-?C*a b C m e-x

100。(20)

这样,式(18)中的参数都可计算出,从而计算出

?E R,再进一步计算出GS。

GB250-1995!评定变色用灰色样卡?规定了

灰卡级数从1~5总共为9级,将这9级的灰卡级数

换算为?E R,见表1。

表1?E R与灰卡级数的对应关系

灰卡级数?E R灰卡级数?E R

113.63~42.5

1~29.641.7

26.84~50.8

2~34.850

33.4

4结语

采用CIE1976(L*a*b*)色空间的色坐标及相

应的色差公式为测量PVC-U型材颜色及其变化

程度提供了一个新的客观科学的方法,以仪器代替

人工目测,有效地避免了人为因素的影响,减少误

判,为颜色测量提供了一个客观、公正的方法。

[参考文献]

[1]薛朝华.颜色科学与计算机测色配色实用技术[M].北

京:化学工业出版社,2004.

[编辑:杨彬]

分析与测试聚氯乙烯2007年

印刷中的颜色

印刷中的颜色 设计师在对印前色版设计之前，必须首先要了解颜色，要了解应怎样观察印刷品及菲林，然后怎样检查样张。很多设计师不了解这些，所以得不到应有的优秀产品。 一、光与色的关系 光与颜色是人们感受自然界万物的基础，彩色复制也是以光与颜色表达出来的。 光是一种电磁波，有着极其宽广的波长范围。根据电磁波的不同波长，可以分为y射线，X射线、紫外线、可见光、红外线及无线电波等。其中，只有波长在380~780mm范围内的电磁波对人类的视觉神经有刺激作用，所以成为可见光。 自然光源或人工光源，都能发射由不同波长射线混合所组成的光束。这些光束的电磁振动形式，在一定的范围内以不同波长传播着。但是，只有可见光才能产生视觉响应，其他波长的电磁波，人眼是感觉不到的。 颜色无法像长度、质量一样有看得见摸得着的度量方式。但需要有一种通用的、精确而又便于统一的科学的描述颜色的方法。 二、颜色的三属性 为了正确描述颜色的特性，色彩学引入三个物理量，即色相（huc）、饱和度（saturation又称彩度chroma）、明度（value或brightness），成为颜色三属性（color properties）。 色相是颜色的基本特征，由光谱反射率曲线来判断，其主波长即表示此物体的色相，它是判断物体颜色与颜色彼此间区分最明显的特征。颜色是有不同的色相的，黑、灰、白成为非彩色。 明度是人眼所感受到色彩的明暗程度，是判断一个物体比另一个物体能够反射光亮的多或少的属性。对于物彩色物体，明度就是人眼对于白-灰-黑的明暗程度的感觉。对于彩色物体，明度则是人眼对各种彩色明暗程度的感觉，而且相应的灰色差异表示出来。颜色的明度由该颜色接近白色或灰色的程度而定，越接