基于光谱反射因数的颜色测量系统
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(中国颜色体系标准样册 )[ 8, 9] 是制定的中华人民 共和国 GB /T15608- 2006(中国颜色体系 )国家标准 的实物样品。它是基于中国人眼的一种色序系统, 包 含 40种色调, 5139种实物颜 色。本研究从各种色调 中共挑选 100个色片进行实验, 对系统的精确度进行 测试。
2. 2 测量设备 分光辐射亮度计 CS2000[ 10 ] 是通过对光谱辐亮度
实验证明, 人眼对不同颜色的宽容量不同, 蓝色部分宽
容量最小, 而绿色部分最大。因此颜色的三刺激值虽
然从数量上对颜色进行了定量的描述, 解决了颜色比 较的问题 [ 2] , 但其三刺激值差 X、 Y、 Z 并不能等同
于人眼对颜色差异的感觉。这就需要建立一个均匀的
颜色空间, 用两种颜色值的空间距离来代表人眼对颜
散射 /8&, 如图 1所示。
图 1 散 射 /8&的几何条件
照明采用漫射方式, 样品被积分球的漫反射均匀
光照亮。接收光束与样品中心法线成 8&夹角。
应注意的是, 为了提高漫反射光的性能, 积分球的
开孔面积应尽量小。
1. 5 颜色测量的评价方法
人眼对颜色有一定的分辨力, 对一定范围内的颜
色差异是感觉不出来的, 这一范围称为颜色的宽容量。
( 3)
式中, S ( )为照明光源的相对光谱功率分布; !( )为
物体的光谱辐亮度因数。所以, 颜色测量的基本任务
是测定颜色刺激函数 ( ), 其中, 对光源的测量就是
要测定光源的相对光谱功率 分布 S ( ); 对物体色的
测量, 则是测定物体的光谱反射因数, 如反射物体的光 谱辐亮度因数 !( ) [ 7] 。
Color M easurem ent System Based on Spectral Reflectance Factor
PENG Bo, CA I Y i heng, L IU X iao m in, LIU Chang jiang, ZHUO L i
( S ignal& Info rma tion P rocessing L aboratory, B eijing U niversity of T echno logy, Beijing 100124, China)
基于光谱反射因数的颜色测量系统
# 9#
基于光谱反射因数的颜色测量系统
彭 博, 蔡轶珩, 刘晓民, 刘长江, 卓 力
(北京工业大学 信号与信息处理研究室, 北京 100124)
摘要: 颜色测量结果会受到测量环境的影响。为此 C IE 规定了标准测量环境来解决测量结果的一致性 问题。依据 C IE 标准, 利用光谱辐亮度计, 采用基于光谱反射因数的方法设计了一套颜色测量系统, 以 得到标准环境下的颜色数据。该系统的照明不要求为 CIE 标准, 灵活性较高, 易于实施。通过该系统 对中国颜色体系色片进行测量实验, 表明系统测量的精确度较高, 有普遍的实用性。可用于各类样品的 颜色测量。 关键词: 颜色测量; 光谱反射因数; 色差 中图分类号: TP391 文献标识码: A 文章编号: 1000- 8829( 2010) 05- 0009- 05
实践证明, 观察视角的大小对颜色的感觉也是不 一样的。 C IE 认为在 1&~ 4&和大于 4&视角的光谱三刺 激值并不相同, 对颜色测量的测量结果也不同。因此, C IE 在原有的 2&标准色度观察者基础上增加了 10&标 准色度观察者。
综上所述, 在进行颜色测量、数据计算时, 只有明 确标准照明体和观察视角后, 才能使测量结果具有可 比性, 颜色的测量计算数据才有意义。 1. 3 测量物体的光谱辐亮度因数
测量过程中, 严格控制测量条件, 以减少对颜色测量和 计算结果的影响, 显得尤为重要。为此, 国际照明委员 会 (简称 C IE ) 规定了一整套标准色度系统, 即标准的 测量环境, 来解决颜色测量的一致性问题。
目前, 对颜色进行测量常采用光电色度计和分光 光度计 [ 5, 6] 。其中, 光电色度计采 用滤色片来匹配仪 器光源和探测元件的光谱特性, 使输出的电信号大小 正比于颜色的三刺激值, 但该方法的测量绝对精度不 够理想; 分光光度计是通过模拟 C IE 推荐的标准色度 系统来进行颜色的测量, 精确度较高, 但其自带的光源 种类往往有限 [ 5] , 且成本较高。
的测量来计算其光谱反射因数的, 其测量范 围为 380 ~ 780 nm, 测量间隔为 1 nm, 有 1&, 0. 2&, 0. 1&三种测 量角可供选择。
积分球与光源组成一体。光源采用卤钨灯, 置于
积分球顶部。积分球内径为 15 cm, 内表面积为 706. 9 cm2, 有 1个光源孔、1个样本孔和 3个测量孔, 开孔总 面积为 13. 35 cm2, 积分球开口比为 1. 89% 。鉴于硫 酸钡具有很好的漫反射性能, 反射率很高, 在可见光范 围内的漫反射率稳定 [ 11] , 所以在积分球内部涂有硫酸
1. 2 颜色测量的光源和观察视角
在颜色测量时, 照明光源的相对光谱功率分布
S ( )一般采用 C IE 规定的标准照明体, 它是由相对光
谱功率分布来定义的。当用一些人造光源来模拟照明
体的相对光谱功率分布时, 例如用分布温度为 2856 K 的充气钨丝灯来模拟 A 照明体和用带滤光器的高压 氙弧灯来模拟 D65照明体, 就给颜色的数据测量带来 一定的误差。
# 10#
1 颜色测量原理
1. 1 颜色的三刺激值 目前对颜色的定量描述, 是基于 C IE 的三刺激值
计算公式 [ 2]
∃ X = k ( ) x ( )
∃ Y = k ( ) y ( )
( 1)
∃ Z = k ( ) z ( )
式中, ( )为颜色刺激函数; x ( ), y ( ), z ( )为标
准观察者的光谱三刺激值; 为测量波长间隔; k 为
比例系数, 对于非自发光物体, k 值将以完全漫反射体 的 Y 值调整到 100为原则进行归一化的, 即 [ 2]
∃ k =
1 00
S( ) y( )
(Байду номын сангаас2)
本系统是对非自发光体进行反射测量, 因此颜色 刺激函数 ( )可以表示为 [ 2]
( ) = S ( ) % !( )
! 颜色 ∀是人眼视觉系统对光的一种知觉 [ 1] 。它 是作用到人眼上的一种刺激, 该刺激通过大脑的分析、 判断并与人的 经验相结合而形成的色感 觉 [ 2] 。视觉 上的色感觉既与物质本身的分光和吸收特性有关, 又 与照明条 件、观 测条件以 及观察者 的视觉特 性等有 关 [ 3] 。文献 [ 4] 验证了不同照明 /观测的几何条件对 测量结果的影响。结论是只有在相同条件下得到的结 果才具有可比性, 颜色数据才具有意义。因此在颜色
色差异的感觉。而这种差异常用均匀颜色空间的色差
公式表示。
多年来, C IE推荐过许多均匀色空间和色差公式。
目前比较常用的是 C IE1976 LAB 色空间, 它的三维坐 标为 L* 、a* 、b* , 与颜色三刺激值 X、Y、Z 的转换关系
为
L* = 116( Y /Yn ) 1 /3 - 16
a* = 500[ ( X /Xn ) 1 /3 - ( Y /Yn ) 1 /3 ]
( 5)
b* = 200[ ( Y /Yn ) 1/3 - ( Z /Zn ) 1/3 ]
式中, X、Y、Z 为颜色样品的三刺激值; X n、Yn、Zn 为白
色刺激的三刺激值, 常用 C IE 标准照明体照射完全漫
反射体得到, 一般 Yn = 100。
基于光谱反射因数的颜色测量系统
# 11#
建立颜色均匀空间 LAB 后, 求两个颜色的色差公 式为
收稿日期: 2010- 01- 06 基金项目: 北京市自然科学 基金资助项目 ( 4092009) 作者简介: 彭博 ( 1984 ), 男, 北京人, 在读硕士研究 生, 主 要研 究领域为智能化信息 处理; 蔡轶 珩 ( 1974 ), 女, 江苏 太仓人, 副教授, 硕士生导师, 主 要研究 领域 为科学 仪器 与智 能化信 息 处理; 刘晓民 ( 1976 ) , 男, 河 北唐山 人, 讲师, 工 学博士, 主 要 研究领域为图 像处 理、模 式识 别、智 能交 通、光 机电 一 体化 设 备; 刘长江 ( 1940 ), 男, 山东无棣人, 教授, 主要 研究领域 为光 学精密仪 器; 卓 力 ( 1971 ) , 女, 江 苏徐 州人, 教 授, 博 士生 导 师, 主要研究领域为图像 /视频信号处理、编码与传输。
光谱辐亮度因数本 质上就是物体 的光谱反射因 数, 它是对物体反射特性的定量描述, 是物体本身的固 有特性, 不受照明光源影响。
当测量物体光谱辐亮度时, 光谱反射因数称为光
(测控技术 )2010年第 29卷第 5期
谱辐亮度因数 !( ) [ 2] ,
!( ) = Les ( )
( 4)
Len ( )
E = ( L* ) 2 + ( a* ) 2 + ( b* ) 2
( 6)
式中, E 为两个颜 色的色差; L* 、 a* 、 b* 为两个
颜色相应量的差。一般人眼的宽容度范围为 E < 3,
即色差小于 3的两个颜色可视为相同的颜色。
2 颜色测量系统
本设计的颜色测量系统使用 (中国颜色体系标准 样册 )作为 测 量样 本, 测量 设备 为分 光 辐射 亮 度计 CS2000, 以及自制积分球作为测量环境。 2. 1 测量样本
A bstract: Co lor m easurem ent resu lts cou ld be affected by env ironm en.t Therefore, C IE stipulated standard m easure env ironm ent to solve the coherence of color m easurem ent resu lts. To gain the co lor data under the standard env ironm en,t a co lorm easure system acco rd ing to the standard o f C IE is designed. It based on spectral reflectance factorm ethod w ith the spectra l radiance m eter. The quality of this system is flex ib le and easy to car ry ou,t because the light source doesn t requ ire CIE standard illum inants. System testing w ith the co lor stand ard a lbum of ch ina ( CSC ) show s that this system can ach ieve a high precision, and has un iversal app lication. F or all k inds o f sam p les, it st ill w orks w e l.l K ey words: co lor m easurem en;t spectral reflectance factor; color difference
式中, Les ( )为物体反射的波长 为 的光 谱辐亮度;
L en ( )为相同条件下完全漫反射体反射的波长为 的
光谱辐亮度。
1. 4 颜色测量的几何条件
C IE15∋2004第 3版对反射样品的测量推荐了 10
种几何条件。不同的照明和接收方向, 都会对测色结
果产生影响。本系统采用了 C IE推荐使用的几何条件
本研究根据分光光度计的原理, 采用自行搭建的 一套颜色测量系统 进行实验。该系统 光源不需采用
C IE 的标准照明体, 通过对物体光谱反射因数的测量、 计算, 即可获得在标准照明体和标准观察视场下的颜 色三刺激值。该系统解决了颜色测量需要使用标准光
源的问题, 提高了测量的灵活性, 易于实施, 能达到颜 色测量对精度的要求。
2. 2 测量设备 分光辐射亮度计 CS2000[ 10 ] 是通过对光谱辐亮度
实验证明, 人眼对不同颜色的宽容量不同, 蓝色部分宽
容量最小, 而绿色部分最大。因此颜色的三刺激值虽
然从数量上对颜色进行了定量的描述, 解决了颜色比 较的问题 [ 2] , 但其三刺激值差 X、 Y、 Z 并不能等同
于人眼对颜色差异的感觉。这就需要建立一个均匀的
颜色空间, 用两种颜色值的空间距离来代表人眼对颜
散射 /8&, 如图 1所示。
图 1 散 射 /8&的几何条件
照明采用漫射方式, 样品被积分球的漫反射均匀
光照亮。接收光束与样品中心法线成 8&夹角。
应注意的是, 为了提高漫反射光的性能, 积分球的
开孔面积应尽量小。
1. 5 颜色测量的评价方法
人眼对颜色有一定的分辨力, 对一定范围内的颜
色差异是感觉不出来的, 这一范围称为颜色的宽容量。
( 3)
式中, S ( )为照明光源的相对光谱功率分布; !( )为
物体的光谱辐亮度因数。所以, 颜色测量的基本任务
是测定颜色刺激函数 ( ), 其中, 对光源的测量就是
要测定光源的相对光谱功率 分布 S ( ); 对物体色的
测量, 则是测定物体的光谱反射因数, 如反射物体的光 谱辐亮度因数 !( ) [ 7] 。
Color M easurem ent System Based on Spectral Reflectance Factor
PENG Bo, CA I Y i heng, L IU X iao m in, LIU Chang jiang, ZHUO L i
( S ignal& Info rma tion P rocessing L aboratory, B eijing U niversity of T echno logy, Beijing 100124, China)
基于光谱反射因数的颜色测量系统
# 9#
基于光谱反射因数的颜色测量系统
彭 博, 蔡轶珩, 刘晓民, 刘长江, 卓 力
(北京工业大学 信号与信息处理研究室, 北京 100124)
摘要: 颜色测量结果会受到测量环境的影响。为此 C IE 规定了标准测量环境来解决测量结果的一致性 问题。依据 C IE 标准, 利用光谱辐亮度计, 采用基于光谱反射因数的方法设计了一套颜色测量系统, 以 得到标准环境下的颜色数据。该系统的照明不要求为 CIE 标准, 灵活性较高, 易于实施。通过该系统 对中国颜色体系色片进行测量实验, 表明系统测量的精确度较高, 有普遍的实用性。可用于各类样品的 颜色测量。 关键词: 颜色测量; 光谱反射因数; 色差 中图分类号: TP391 文献标识码: A 文章编号: 1000- 8829( 2010) 05- 0009- 05
实践证明, 观察视角的大小对颜色的感觉也是不 一样的。 C IE 认为在 1&~ 4&和大于 4&视角的光谱三刺 激值并不相同, 对颜色测量的测量结果也不同。因此, C IE 在原有的 2&标准色度观察者基础上增加了 10&标 准色度观察者。
综上所述, 在进行颜色测量、数据计算时, 只有明 确标准照明体和观察视角后, 才能使测量结果具有可 比性, 颜色的测量计算数据才有意义。 1. 3 测量物体的光谱辐亮度因数
测量过程中, 严格控制测量条件, 以减少对颜色测量和 计算结果的影响, 显得尤为重要。为此, 国际照明委员 会 (简称 C IE ) 规定了一整套标准色度系统, 即标准的 测量环境, 来解决颜色测量的一致性问题。
目前, 对颜色进行测量常采用光电色度计和分光 光度计 [ 5, 6] 。其中, 光电色度计采 用滤色片来匹配仪 器光源和探测元件的光谱特性, 使输出的电信号大小 正比于颜色的三刺激值, 但该方法的测量绝对精度不 够理想; 分光光度计是通过模拟 C IE 推荐的标准色度 系统来进行颜色的测量, 精确度较高, 但其自带的光源 种类往往有限 [ 5] , 且成本较高。
的测量来计算其光谱反射因数的, 其测量范 围为 380 ~ 780 nm, 测量间隔为 1 nm, 有 1&, 0. 2&, 0. 1&三种测 量角可供选择。
积分球与光源组成一体。光源采用卤钨灯, 置于
积分球顶部。积分球内径为 15 cm, 内表面积为 706. 9 cm2, 有 1个光源孔、1个样本孔和 3个测量孔, 开孔总 面积为 13. 35 cm2, 积分球开口比为 1. 89% 。鉴于硫 酸钡具有很好的漫反射性能, 反射率很高, 在可见光范 围内的漫反射率稳定 [ 11] , 所以在积分球内部涂有硫酸
1. 2 颜色测量的光源和观察视角
在颜色测量时, 照明光源的相对光谱功率分布
S ( )一般采用 C IE 规定的标准照明体, 它是由相对光
谱功率分布来定义的。当用一些人造光源来模拟照明
体的相对光谱功率分布时, 例如用分布温度为 2856 K 的充气钨丝灯来模拟 A 照明体和用带滤光器的高压 氙弧灯来模拟 D65照明体, 就给颜色的数据测量带来 一定的误差。
# 10#
1 颜色测量原理
1. 1 颜色的三刺激值 目前对颜色的定量描述, 是基于 C IE 的三刺激值
计算公式 [ 2]
∃ X = k ( ) x ( )
∃ Y = k ( ) y ( )
( 1)
∃ Z = k ( ) z ( )
式中, ( )为颜色刺激函数; x ( ), y ( ), z ( )为标
准观察者的光谱三刺激值; 为测量波长间隔; k 为
比例系数, 对于非自发光物体, k 值将以完全漫反射体 的 Y 值调整到 100为原则进行归一化的, 即 [ 2]
∃ k =
1 00
S( ) y( )
(Байду номын сангаас2)
本系统是对非自发光体进行反射测量, 因此颜色 刺激函数 ( )可以表示为 [ 2]
( ) = S ( ) % !( )
! 颜色 ∀是人眼视觉系统对光的一种知觉 [ 1] 。它 是作用到人眼上的一种刺激, 该刺激通过大脑的分析、 判断并与人的 经验相结合而形成的色感 觉 [ 2] 。视觉 上的色感觉既与物质本身的分光和吸收特性有关, 又 与照明条 件、观 测条件以 及观察者 的视觉特 性等有 关 [ 3] 。文献 [ 4] 验证了不同照明 /观测的几何条件对 测量结果的影响。结论是只有在相同条件下得到的结 果才具有可比性, 颜色数据才具有意义。因此在颜色
色差异的感觉。而这种差异常用均匀颜色空间的色差
公式表示。
多年来, C IE推荐过许多均匀色空间和色差公式。
目前比较常用的是 C IE1976 LAB 色空间, 它的三维坐 标为 L* 、a* 、b* , 与颜色三刺激值 X、Y、Z 的转换关系
为
L* = 116( Y /Yn ) 1 /3 - 16
a* = 500[ ( X /Xn ) 1 /3 - ( Y /Yn ) 1 /3 ]
( 5)
b* = 200[ ( Y /Yn ) 1/3 - ( Z /Zn ) 1/3 ]
式中, X、Y、Z 为颜色样品的三刺激值; X n、Yn、Zn 为白
色刺激的三刺激值, 常用 C IE 标准照明体照射完全漫
反射体得到, 一般 Yn = 100。
基于光谱反射因数的颜色测量系统
# 11#
建立颜色均匀空间 LAB 后, 求两个颜色的色差公 式为
收稿日期: 2010- 01- 06 基金项目: 北京市自然科学 基金资助项目 ( 4092009) 作者简介: 彭博 ( 1984 ), 男, 北京人, 在读硕士研究 生, 主 要研 究领域为智能化信息 处理; 蔡轶 珩 ( 1974 ), 女, 江苏 太仓人, 副教授, 硕士生导师, 主 要研究 领域 为科学 仪器 与智 能化信 息 处理; 刘晓民 ( 1976 ) , 男, 河 北唐山 人, 讲师, 工 学博士, 主 要 研究领域为图 像处 理、模 式识 别、智 能交 通、光 机电 一 体化 设 备; 刘长江 ( 1940 ), 男, 山东无棣人, 教授, 主要 研究领域 为光 学精密仪 器; 卓 力 ( 1971 ) , 女, 江 苏徐 州人, 教 授, 博 士生 导 师, 主要研究领域为图像 /视频信号处理、编码与传输。
光谱辐亮度因数本 质上就是物体 的光谱反射因 数, 它是对物体反射特性的定量描述, 是物体本身的固 有特性, 不受照明光源影响。
当测量物体光谱辐亮度时, 光谱反射因数称为光
(测控技术 )2010年第 29卷第 5期
谱辐亮度因数 !( ) [ 2] ,
!( ) = Les ( )
( 4)
Len ( )
E = ( L* ) 2 + ( a* ) 2 + ( b* ) 2
( 6)
式中, E 为两个颜 色的色差; L* 、 a* 、 b* 为两个
颜色相应量的差。一般人眼的宽容度范围为 E < 3,
即色差小于 3的两个颜色可视为相同的颜色。
2 颜色测量系统
本设计的颜色测量系统使用 (中国颜色体系标准 样册 )作为 测 量样 本, 测量 设备 为分 光 辐射 亮 度计 CS2000, 以及自制积分球作为测量环境。 2. 1 测量样本
A bstract: Co lor m easurem ent resu lts cou ld be affected by env ironm en.t Therefore, C IE stipulated standard m easure env ironm ent to solve the coherence of color m easurem ent resu lts. To gain the co lor data under the standard env ironm en,t a co lorm easure system acco rd ing to the standard o f C IE is designed. It based on spectral reflectance factorm ethod w ith the spectra l radiance m eter. The quality of this system is flex ib le and easy to car ry ou,t because the light source doesn t requ ire CIE standard illum inants. System testing w ith the co lor stand ard a lbum of ch ina ( CSC ) show s that this system can ach ieve a high precision, and has un iversal app lication. F or all k inds o f sam p les, it st ill w orks w e l.l K ey words: co lor m easurem en;t spectral reflectance factor; color difference
式中, Les ( )为物体反射的波长 为 的光 谱辐亮度;
L en ( )为相同条件下完全漫反射体反射的波长为 的
光谱辐亮度。
1. 4 颜色测量的几何条件
C IE15∋2004第 3版对反射样品的测量推荐了 10
种几何条件。不同的照明和接收方向, 都会对测色结
果产生影响。本系统采用了 C IE推荐使用的几何条件
本研究根据分光光度计的原理, 采用自行搭建的 一套颜色测量系统 进行实验。该系统 光源不需采用
C IE 的标准照明体, 通过对物体光谱反射因数的测量、 计算, 即可获得在标准照明体和标准观察视场下的颜 色三刺激值。该系统解决了颜色测量需要使用标准光
源的问题, 提高了测量的灵活性, 易于实施, 能达到颜 色测量对精度的要求。