电脑自动配色处理控制系统设计思路

电脑自动配色处理系统
V1.0
设计说明书
目录
1引言 (3)
1.1开发背景 (3)
1.2系统优点 (3)
1.3“四刺激值”配色思想及配色算法 (4)
2系统实现及设计原理 (5)
2.1系统硬件设计原理 (5)
2.2软件系统设计 (6)
2.3配色色彩基础数据库建立 (7)
2.4TCS230芯片设计简介 (7)
3系统介绍 (8)
3.1系统性能分析 (8)
3.2系统功能介绍 (9)
4参考资料 ..................................................................................................... 错误！未定义书签。

1引言
1.1开发背景
针织品的染色依赖配色这一关键环节。

长期以来，该工作由专门的配色人员凭经验估计所需染料的品种、数量与织物的色泽来确定染色配方。

这种配色方式存在工作量大、费时费料的缺点，不适应现代大工业生产需求。

随着科学技术迅速发展和大规模生产的需求，迫切需要能有一种仪器来辅助配色。

目前市场上流行的ACS电脑测色配色系统最受欢迎，但其技术内容尚未见报导。

我国目前仍需从国外引进成套配色仪器，因此对配色仪器系统的研究是我国测色配色技术和针纺织品企业现代化的需求，具有重要的实际意义
电脑自动配色处理系统选择涤纶纤维为研究对象，探索其配色方法和规律。

提出了“四刺激值”匹配的配色思想，本配色系统上得以实现。

“四刺激值”配色法具有使配色试样与给定色泽标样在CIE两种标准施照态( 和A)下同时达到等色的特点。

电脑自动配色处理系统以微机为主体，由照明系统、单色仪分光系统、光电转换及模／数接口电路、微机及外围设备组成。

实验数据的采集、存贮、处理也由微机承担。

实验结果可由显示器显示，也可由打印机、绘图仪记录于纸上
1.2系统优点
事实上，在自动配色的应用中存在许多影响配色精度的干扰因素：
●测色误差：包括基础色样和标准色样光谱测试时的仪器量化误差，以及染色
物的色表均匀性、织物的表面状态等引起的测色误差。

●织物的影响：如纱支数、密度以及纤维构造等对染色的干扰。

●染色工艺的影响：包括染色方法、设备、时间、温度、浴比、助剂、pH值以
及前处理、后整理等，都会影响染色速率、染料上染率及其在织物上的分布。

●染料一致性差异的影响：包括来自不同厂家或同一生产厂不同批号的染料，
其色光和力分等特性的变化，直接影响配色效果。

●染料拼色的相互作用：这是由于实际拼色应用中染料之间的相互作用在基础
单色染色时没有被包含，从而影响配色结果。

基于上述因素考虑进行设计，本系统作为一种先进的技术手段具有明显的优势跟解决方案：
●迅速提供优质廉价的染料配方，提高产品档次，降低生产成本；
●预测配方在不同光源下的颜色变化程度，避免光源改变时色差超值造成产品
质量问题；
●迅速精确的配方修正功能可提高修色效率；
●科学高效的配方存档，方便检索管理。

1.3“四刺激值”配色思想及配色算法
研究表明，在CIE标准施照态光源下三刺激值达到匹配的两物体，若二者在可见光谱区域内的反射率不完全相同，当转换到标准施照态A光源下的色空阔时，两物体沿三刺激值中x方向的差异要比沿Y、z方向的差异大。

如果能使配色试样与标样在施照态D 光源下的三刺激值及施照态A光源下的x刺激同时达到匹配，则配色试样在与标样之间在施照态A光源下的Y、z刺激值也可达到匹配，这就是“四刺激值”匹配的配色思想。

根据“四刺激值”配色思想，提出“四刺激值”匹配的配色方法。

以施照态光源下的三刺激值(X、Y、Z)与施照态A光源下的x刺激构成广义上的四维刺激矢量，记为L：如下图所示
(4)
将给定色泽标样在n个测定波长下的反射率构成n维的列矢量，用R记；将其配色处方的反射率数据构成n维的列矢量，用rm记：如图：
提出一个(4×n)维的矩阵，使其前三行为CIE1964朴充标准色度观察者光谱三刺激值，并使第四行与第一行对应的元素相同，将该矩阵记为T，有：
提出另一矩阵E，使除对角线元素外，其余元素皆为零
在上式中，E族代表施照态D光谱能量分布；A族代表施照态A的光谱能量分布。

上式的意义为：当矩阵T前三行与矩阵E作用时，矩阵E对角线上出现施照态D的光谱能量分布；当矩阵T第四行与矩阵E作用时，矩阵E对角线上出现施照态A的光谱能量分布。

根据“四刺激值”匹配的配色思想，使标样s与配色处方m在四刺激值上相等，有如下计算：
F族分别代表颜色标样和配色处方的(吸收／散射)值列矢量；D为(n×n)方阵，该矩阵特点为：n个波长下的[dR／d(K／S)]值(针对标样而言)置于该矩阵对角线上，其余元素为零。

将四种染料的浓度构成四维的浓度列阵，记为C：得下公式
考虑染料与纺织品底坯材料组成的配色混合物，有：
F族为纺织品底坯材料的(吸收／散射)值列矢量，其它为参与配色的染料的显色特性数据矩阵。

可计算出：
对于非反射光谱匹配的配色方式，配色试样与给定色泽标样在可见光谱区(gOOnm ～70Ohm)各波长下的反射率不尽相同，而且染色纺织品与理论吸收、散
射介质模型的差异等因素都将导致与实际情况出现较大的偏差。

为此提出“四刺激值”配色方式下的染料浓度修正公式。

用△l代表染色配方与给定色泽标样的刺激值之差矢量，AC代表染料浓度变化量矢量，经分析计算可得微小的AC与山之问的关系为：
2系统实现及设计原理
2.1系统硬件设计原理
系统主要由TCS230、照明光源、显示屏和测量物组成。

如下图所示：
如上图所示：照明光应该以用户的白光为基准，在用户指定的应用场合采集白光标准，以便于进行白平衡的调整，同时在设计时，尽可能的使反射的被测物体的光线能够直射进入TCS230。

TCS230芯片与单片机系统之间的连接电路如下图所示，
连接时，可将TCS230的OUT(7端口)与单片机的INT0或INT1端相连，以便结合1D或者Tl的计数器工作方式对TCS230送过来的脉冲进行计数。

同时，TCS230的S0一S3控制端口可以与单片机的P1．0 P1．3相连接，以便进行软件工作方式的设置．OE端口可以与P1．4相连。

单片机可选用AT89C51．显示屏采用字符型LCD控制驱动器件HD44780U，该字符型LCD可用于显示5x8点阵字符．故可广泛用作工业测量仪表仪器。

它内嵌与LCD显示点一一对应的显存SRAM、ASCII码等字符库CGROM 和自制字符存储器CGRAM，其片内振荡电路附加外部阻容RC可直接构成振荡器。

HD44780U与AT89C51间的连接采用间接连接方式来将控制信号接在MCU的I／0口上．但这样的方式需特别编制访问程序。

HD44780U控制驱动模块与AT89C51的接口电路如下图所示：
2.2软件系统设计
根据本系统的工作原理及工作流程进行设计，处理软件的软件流程图如下：
首先，在设计时，一定要考虑白平衡问题，所谓白平衡，就像是天平在使用前的调零一样，也就是用户所指定颜色的外界白光．因为要依此白光为基准进行调整。

这里有两种方法可以计算并调整参数：
一是依次选通三种颜色的滤波器．然后对TCS230的输出脉冲依次进行计数。

当计数到255时停止计数，并分别计算每个通道所用的时间。

这些时间就是对应于实际测试时TCS230每种滤波器所采用的时间基准，在这段时间内所测得的脉冲数就是所对应的R、G和B的值。

二是设置定时器为一固定时间(例如10 ms)，然后选通三种颜色的滤波器．并计算这段时间内TCS230的输出脉冲数．这样便可计算出一个比例因子，通过这个比例因子可以把这些脉冲数变为255。

然后在实际测试时，使用同样的时间进行计数，把测得的脉冲数再乘以该比例因子，这样就可以得到所对应的R、G和B的值。

事实上．对用户所选颜色和对调色师调出的颜色进行分析时，应当在相同的环境和前提条件下进行，以便尽量做到与标准一致。

2.3配色色彩基础数据库建立
基础数据库的建立
按工艺要求打出单色样后,通过光谱光度计测量色样的反射值,计算机自动贮存并换算成K/ S值,这样就建立了配色用的基础数据库。

基础数据库的检验
在制备基础数据的染色过程中,因称料、配液、温度、时间、助剂等操作误差,有时会造成打样偏差,必须通过程序软件检验其正确性,对有偏差的色样要进行修正或重新打样,具体方法如下。

●观察染料上染曲线：多数染料K P S 值与浓度并非呈线性关系,随着染色浓
度增大,染料的吸尽率降低,因此低浓度时,上染曲线呈线性关系,随着染
料浓度增大,应是一条光滑曲线,不应出现拐点,这为检验基础数据的准
确性提供了一个考核依据。

●用“配色计算”功能检验基础数据：以单色染料某一档浓度染色样做标
准样,使用该染料的基础数据配色。

以士林蓝VB 为例, 选用染色浓度10 g/ L的色样为配色标样,用该染料12 档色样绘制的上染曲线,得到的曲
线方程做基础数据进行配色。

如果自动配色给出的理论预报配方为1012 g/ L ,说明该档浓度的实际色样与理论配方的误差为2 %。

一般来说,浓
度低的色样,误差大一些,浓度高的色样,误差小一些。

误差值必须控制在
5 %以内。

基础数据库的优化处理
基础数据库经过初步检验、修正后,只是体现单一染料的上染规律。

在实际应用中,多用拼色染料,因此必须对基础数据库进行优化处理,使基础数据库的数据比较真实地反映染料的拼色上染规律,从而提高电脑配色的合格率。

根据实际染色样所提供的染料拼色后相互作用的信息,对基础数据进行优
化。

即由实际配方,准确打出染色小样,直接贮存到颜色配方库中,在自动配色后,进行智能配色,以实际配方中染料的上染性能对配色计算得到的理论配方进行校正,可明显提高配方命中率。

同时可以利用“配方修正”功能,对染色试样配方进行优化,以保证配色合格率。

2.4 TCS230芯片设计简介
该芯片的引脚排列如下图所示．
它内部集成了可配置的硅光电二极管阵列和一个电流／频率转换器．TCS230的输出为占空比是50％的方波。

且输出频率与光强度成线性关系。

TCS230彩色光／频转换器的输出频率范围为2 Hz～500 kHz．用户可通过两个可编程引脚来选择100％、20％或2％的输出比例因子。

其选择方法如下图所示。

TCS230的输入输出引脚可直接与微处理器或其他逻辑电路连接。

通过输出使能端OE可将输出置于高阻状态．从而使多个器件共享一条微处理器输入线。

由于TCS230可编程彩色光／频率转换器已将红、绿、蓝滤波器集成在单芯片上。

因此无需ADC就可实现每彩色信道l0位以上的分辨率。

该芯片内含一个交叉连接的8x8光电二极管阵列．其中每l6个二极管可提供种色彩类型，芯片共有红、蓝、绿和清除全部光信息等四种类型，可最大限度地降低入射光辐射的不均匀性。

所有同颜色的l6个光电二极管都采用并联连接，工作时可以通过可编程引脚来动态选择色彩，以此增加精确度和简化光学电路。

TCS230芯片采用8引脚SOIC表面贴封装，适用于色度计的测量应用等方调色和测色系统。

3系统介绍
3.1系统性能分析
系统的测色精度
用二块标准彩色陶瓷板进行测试，其测试结果见表1。

表1中，仪器(1)指ACS 电脑配色系统，仪器(2)为本系统。

由表l可知，本文建立的测色配色系统与ACS电脑配色系统的测色精度基本一致，其中IAxl、I旬I值均小于0 0l，而IAyI值均小于1．5。

系统的测色重复性
用多次测量的色差zXE (1976均匀色度空间)≤0．5进行评价对样品一次装卡多次测量和多次装卡多次测量求得重复性结果如表2所示。

从表2结果看，zXE ≤0．2，超过原订指标要求，此结果也优于ACS设5色配色系统性能指标zXE ≤ 0．3。

测色配色系统的配色命中率
用配色处方的合格数目在配色处方总数中所占的比率即配方合格率作为评价配色命中率的指标。

本文建立的测色配色系统提出处方的一次命中率为
6O％，经修正一次后的配方总命中率大于80％，与ACS配色系统的配色命中率基本一致
实验表明，本系统在测色精度、测色重复性及配色命中率方面已达到国外同类仪器水平，具有实用价值。

3.2系统功能介绍
1、设定测色条件跟配色条件界面图及相应说明
当测色条件设定完成后，点击“calibrate”按钮，开始进行分光仪校正，校正成功后出现效果图，如下示例：
2、配色设置界面
在下图，请先输入标准配色样例名称在“Standard Name”中
输入名称后，点选“Std:inst Arg”按钮，会出现下图界面，点选“Measure”按钮后，即开始进行对已经设定的参数进行配色计算，如不再进行测色计算时，点击“Accept Now”按钮结束。

配色结束后，显示配色结果。