计算机测色与配色

计算机测色配色系统的研究
摘要:简单阐述了电脑测色配色的基本原理；介绍了电脑测色配色系统的硬件系统和软件系统，如分光仪配色系统和YP色彩应用配色系统基础资料的建立等；详细的论述了电脑测配色系统在纺织印染中测色和配色中的应用以及计算机配色系统利用现有的仪器和设备建立一个色彩数据库。

并且配色以后我们还可以检验颜色匹配是否正确。

如果颜色偏差超过△E的要求范围，我们还可以迅速修正配方，直到达到标准。

引言
利用计算机配色方法来配色，将油墨颜色的数据储存在计算机里，它的针对性很强，由于每个印刷厂都有自己的特点，它的针对性
使得对工作的经验要求减低。

并且它还可以节约时间，减少油墨的浪费，最重要的是节约了成本。

1.计算机配色系统的功能简介
我们利用计算机配色系统建立一个色彩数据库，这个数据库中的色种是我们印刷时用的基本墨，即CMYK和专色油墨。

然后我们利用仪器测量和专业软件计算，快速得到所需要的配方。

配色以后我们还可以迅速修正配方，直到达到标准。

一般我们以△E为标准来判断我们所得到颜色是否合格。

而传统的配色方法主要通过人工目测和经验来判断色相，再进行实验，然后再通过目测方法和经验对配方进行多次修正，这种方法存在了大量的人为主观因素，不稳定性很大，难以精确控制印刷所需要的颜色。

所以说与传统配色方法相比，利用计算机配色系统配色不仅节约了大量的时间，减少了油墨的浪费，还更客观地控制印刷品的颜色。

同时计算机配色系统还能把废墨当基础墨输入到数据库里，应用在下次配色中，从而大大降低了油墨成本。

2.计算机配色系统的基本原理
计算机配色基本原理是当一束白光照射到颜色物体表面时，光一部分被吸收另外一部分被物体反射或透射出去，配色系统主要考虑的是反射光。

反射光的波长即决定了眼睛所看到的颜色，而在计算油墨配方时，简单来讲就是计算机配色系统通过计算光的吸收值K 与光的反射值S，计算反射光谱反射率。

这种配色的结果无论何种光源照明,观察者是谁,产品的颜色总是与实际样品一样。

就能够计算出油墨配方。

但是,通常情况下,传统的光谱配色对每个波长点进行同等匹配,而实际上,物体不同波长处的同等大小变化,所引起的颜色感知变化却有明显差异,因而应该对不同波长给予不同权重的匹。

配色之前必须先有一个油墨的基础数据库，其中各个基础油墨的K、S 值都需要
详细的记录，当要配色时，电脑便会按着不同的百分比来组合相加各基础色油墨的K、S 比例，以得到与所需颜色的K、S 比例最相符的组合。

2.1 三度色彩空间色典
2.11色立体空间
YP 三度色彩空间色典的色立体空间由色彩的浓度、彩度、向度三属性所形成的圆柱空间(见图1)。

色立体中间轴为浓度不同的标准灰,上端为理想白,浓度值0;下端为理想黑,浓度值100。

所以位置越低,浓度越大。

每个色平面的浓度相同,色样离中间轴越远,彩度越高。

色样与标准灰的连线和黄色与标准灰的连线所形成的夹角称为向度,代表色样的色相角(见图2) 。

2.12色彩表示法
YP三度色彩空间的色彩语言以浓度D、彩度C及向度H表示(即D-C-H)。

浓度、彩度以两位数字表示;向度则以四位数字表示,前三位为整数位,最后一位数为小数位,如24-09-060.0,表示浓度D=24、彩度C=9、向度H=60.0。

2.13色典
YP三度色彩空间色典又称汉风色典,主要用于混纺织物的配色。

色典以等浓度的色相面排列为主,共24页。

每页色样的浓度相同, 由十几个彩度不同的同心圆构成,中间为无彩度标准灰(C=0),依次以彩度差3向外递增。

每圈的色样数由中间的一个以每圈增加6个向外增
加,即每页中间为标准灰(C=0),第一圈彩度C=3有6个色样,第二圈彩度C=6有12个色样,以此类推。

色典共计18500个色样,每页间的浓度差为2，由12到58依次增加[5]。

2.2计算机基本配色方法
目前, 虽然有各种形式的计算机配色方法, 但总的来说, 可以分为两种模式:三刺激值配色和全光谱配色。

2.2.1 三刺激值配色法
三刺激值配色是指通过几种染料的组合匹配标准色的三刺激值, 使匹配色和标准色的三刺激值的差别达到最小。

自从Allen 和Micginnis 使用三刺激值配色和全光谱配色方法以来,才开始了现代计算机配色的发展, 虽然有人对计算机配色加以改进,但计算机配色总的形式没有变化。

三刺激值配色的基本思想是使匹配色和标准色的三刺激值相同。

本文通过三刺激值配色和全光谱配色的比较, 将最小二乘法应用于三刺激值配色, 深化了三刺激值配色的基本思想,建立了具体的配方表达式, 并按照此方法进行计算机配色, 给出了预测配方和预测结果。

对色料混合光学模型的研究发现, 有些情况下不管色料配方发生什么变化, 其散射系数基本不变。

如染色纺织品, 其染料层的光散射受纺织纤维的作用, 加入到纺织品中的染料似乎溶于纤维中而不影响基质的散射能力, 使其中各染料的散射系数相等, 且与基质的散射系数一致, 因此纺织印染自动配色适用Kubelka2Munk 单常数理论[5 ]。

下面以三染料组合为例,说明应用Kubelka2Munk 单常数理论进行三刺激值匹配的算法。

对于完善匹配, 应有)(m s X X =）（, )(m s Y Y =）（,)(m s Z Z =）（ , 故由色度学理论可以写成
T E [)(s r -)(m r ] = 0 (1)
如果不是存在特别严重的光谱异构性, 在任何一个波长上配方的反射比与标准色样的对应值相差不太大, 故可相当精确地写出
)(s r -)(m r = D [)(s f -)(m f ] (2)
根据Kubelka2Munk 理论的K/S 加和性原理)(m f =)(s f + φC, 与(2) 式一起代入(1) 式并移项和整理后, 得
()[]
)()(1t S f f TED TED C -=-φ 其中X 、Y 、Z 为三刺激值,i ρ表示在波长i(nm)处的光谱反射比,(s)
表示标准样, (m)表示配方样品。

Ei 表示在波长i(nm)上光源的相对光谱功率分布;ρ指不透明样品的光谱反射比。

上标(s) 指被匹配的样品即标准色样, (t)指匹配的基质；函数()ρf 具体为不透明样品的()ρρ2/12-。

这就是计算得到的初始配方, 它提供了一个相当接近但可能不是刚好的染料比例, 通常尚需进一步迭代改善。

经过迭代计算，染料浓度的修正量是：
()t TED C ∆=∆-1
φ 最后,由
C C C OK new ∆+=1
计算出新的浓度矢量再由此确定三刺激值的接近程度, 或达到匹配要求并输出配方及有关参数而结束, 或再次进入下一轮迭代修正直至满足要求。

在大多数情况下, 需要不超过四或五次迭代即可。

其中，X ∆、Y ∆、Z ∆为标准色样与初始配方之间的三刺激值误差, 1c ∆、2c ∆、3c ∆是为使t ∆减小至零所需初始配方的变化量。

2.2.2 全光谱配色法
全光谱配色是匹配标准色的光谱, 使得到的光谱曲线与标准色
的光谱曲线的差别达到最小。

全光谱匹配方法努力去匹配标准色的光谱曲线而不是匹配标准色的三刺激值, 虽然这种方法不能保证标准色和匹配色的色度学相等, 但是全光谱配色更直观。

全光谱配色算法如下:
=C ()1-P P T ()()()
t S T f f W D P - 其中, P = W D Y ；
W (16×16)为不同波长处的权重因子置于对角线上, 而其余数为零的方阵；
Y (16×n ) 代表染料1, 2, ⋯, n 的单位浓度的(K/S)值的矩阵； 但是，不同波长处的光谱反射率变化有明显的差异。

在有的波长处, 光谱变化很小, 却产生较大的颜色感差异, 显示出很强的灵敏性; 在有的波长处, 变化很大, 却感觉不到颜色感知的变化,显示出很强的惰性。

这就要求在计算机配色全光谱匹配方法中对某些波长进行重点匹配, 用较大的权重因子, 对某些波进行非重点匹配, 用较小的权重因子。

这就需要建立适当的权重因子,来满足全光谱匹配的目的。

全光谱匹配计算机配色方法的基本思想是
()()[]
min 2
2→∆∑j j j R w λλ ()j w λ是一种权重因子；()j R λ∆为j λ波长处的目标色和匹配色的光
谱反射率差异。

要使()()[]min 22→∆∑j j j R w λλ，也就是使()[]∑→∆j
j E min 2λ
这样，就建立一种权重因子，使得某一波长点的光谱反射率变化所产生的色差为最小。

2.3判定匹配颜色是否合格的参数——色差
在判断颜色匹配是否正确的重要参数就是色差△E 。

CIE 在197年推荐用于加混色的CIELUV 颜色空间的同时，还推荐了主要用于如印刷、纺织、印染等表面色料工业减混色（subtractive mixture ）的表示和评价的CIE1976L*a*b*颜色空间，也称为CIELAB 颜色空间。

在 CIELAB 颜色空间中，不同区域的色差容限相对比较接近，颜色样品在此空间中的位置由三维的直角坐标表示。

L*、a*、b*的值可以从三刺激值(X ，Y ，Z)计算出来，其中L*表示颜色的明度，a*表示该颜色在红－绿轴方向的投影位置，b*则表示颜色在黄－蓝轴方向的投影位置。

在此颜色空间中，视觉对色差的可察觉性可以用椭球体来表示，球体的三个轴分别代表明度、饱和度(彩度)和色调，其大小由该颜色在颜色空间中的位置所决定(如该球体在黄色区域时比绿色区域变得更狭长)。

作为该空间三维直角坐标的明度L*和色品坐标a*、b*的计算公式为
()16/1163/1*-=n Y Y L ()008856.0/>n Y Y ；
()()[]3/13/1*//500n n Y Y X X a -= ()008856
.0/>n X X ； ()
''**13n v v L v -= ()008856.0/>n Z Z ； 式中 ：X 、Y 、Z 为颜色样品的三刺激值，Xn 、Yn 、Zn 为CIE 标准照明体照射在完全漫反射体上，然后反射到观察者眼中的三刺激值，其中Yn = 100。

在CIELAB 颜色空间中，色差公式为:
△E *ab =[(△L *)2+(△a *)2+(△b *)2]
2/1 色差公式中，△L *=L *样-L *标，表示样品与标准的深浅差。

结果如果是正值表示样品比标准浅，如果是负值，表示样品比标准深。

△a *和△b *表示样品和标准在a * b *平面上位置的改变。

色差公式能准确地表达两块颜色在视觉上的差异。

常用的色差单位是NBS ，
它是美国国家标准局的缩写。

1NBS色差相当于（0.0015~0.0025）x 或y的色度坐标变化。

E的鉴定标准如下表所示：
表1 色差程度的鉴定标准
色差程度的鉴定△E（L*a*b*）
微量0~0.5
轻量0.5~1.5
能感觉到 1.5~3.0
明显 3.0~6.0
很大 6.0~12.0
截然不同12.0以上
2.4CMYK与RGB之间的颜色转换
在进行计算机颜色匹配的过程中，不可避免的遇到了颜色转换的问题。

RGB颜色空间经常用于计算机显示器，它同样是与设备相对的。

印刷机上的印刷品是采用CMYK表示。

任何一台印刷机都有自己的颜色空间。

彩色图像在计算机屏幕上设计好的颜色与印刷后所得到的颜色效果差别很大的问题。

形成这种与设备相关因素的原因在于每一种设备有一套特定的产生各种颜色的颜色库。

这一套颜色称之为色域。

在进行颜色转换或颜色映射时，一幅图像中的色彩必须先从一个颜色空间以及该源设备的色域范围转换到目的设备的颜色空间，然后在目的设备的色域范围内进行匹配。

处理图像的不同设备(如扫描仪、显
示器、印刷机)在不同的颜色空间工作，并且每一种设备有各自的色域。

颜色从一个颜色空间转换到另一颜色空间的处理过程称为颜色转换。

颜色匹配是颜色转换的必要条件，是指从一种颜色空间到另一种颜色空间转换时，恰当地校正或匹配这些被转换的颜色，使色域达到最大限度的相似。

颜色匹配过程中总是包括颜色转换，而颜色转换并不一定是为了颜色匹配。

一个颜色空间中的任一种颜色与该颜色空间内的白点的相对位置都是固定的。

所以没有任何两个设备所采用颜色空间的白点位置是相同的，当一种颜色需要从一个颜色空间转换到另一个颜色空间时，它只能以在颜色空间中视觉效果上最为接近的颜色为目的颜色，这一处理过程也称为颜色匹配。

例如，在印刷适性仪上印刷出来的颜色是CMYK颜色空间，如果在计算机上表示出则需要转换成该显示器的与设备相关的RGB颜色空间。

因此所有的CMYK值必须转换为RGB像素值。

这就是颜色转换。

当像素值被按照某一CMYK颜色空间取值，它们将被根据印刷机的颜色空间匹配为与原来颜色最为接近的颜色。

这一处理过程就称为颜色匹配或颜色映射。

不论是颜色转换还是颜色匹配都必须考虑一些与设备相关的具体因素。

比如，构成屏幕图像的基本要素是像素。

每一个像素有一套用来存贮其颜色或颜色索引值的比特位。

每一个像素的比特位数取决于显示器和显示卡的型号以及设置显示卡的模式。

3.实验过程及分析
3.1染料数据库的建立
为建立配色用库存染料基础数据，必须首先将各单色染料按不同浓
度由浅至深分数档染制一套色样，其浓度覆盖范围应略超过该单色染料的最常使用浓度，而基础色样染制的准确与否，直接影响到配色的准确度。

3.2库存染料基础数据的建立
按规定染制出的基础色样，要通过测色机头测量染色物在可见光范围内的反射值，并输入计算机贮存，换算成值，建成配色数据库。

因为，测量的精度也直接影响配色结果，为保证测量准确度，测量时应注意以下几点采用大孔测量布样一般要折叠层视织物厚薄而定，排除背景影响每块布样取着色均匀的个不同位置测色。

3.3基础数据库的检验
基础数据库建成后，可初步检验其正确性，如有偏差，可对异常色样进行修正，若个别布样偏差严重，应重新打样。

可通过以下项目进行检验：观察反射率R%与波长的图，观察K/S值与染色浓度C的图，观察（K/S）/C与浓度C的曲线，
3.4基础数据的优化
我们制作的基础数据库都是由单色做的，只能反映单只染料的上染情况。

所设优化数据库，就是输入进染料拼色时相互影响的信息染料配方更接近于染料的拼色特性。

优化数据库应该在使用中优化，在优化中使用。

优化的途径有两条，一是已知配方数据优化，就是让配方程序为已知配方浓度的色样配色，计算所给浓度与实际浓度的差别；二是未知配方数据优化，即拿一块色样，让程序配色，然后打样，看看打样的色光，与原色样相差多少。

如若所打样普遍偏黄少蓝，那就说明黄色染料的配色强度相应上升，而蓝染料的配色强度则相应下降。

一般说来，常用的优化方法有改变配色强度法；分段优化法；建立浅色库法；特定组合法等等[6]
4.实验应注意的问题
即使用电脑配色也不可能一次成功要进行逐次修正, 采用渐近法得到与样品色具有视觉相似的色彩。

还应合理选择油墨, 以最少的原色获得目标色,尤其是鲜艳的色泽要予以注意。

颜色配置的过程中，要注意尽量减少误差，尤其是墨量小的时候颜色的各种比例容易改变，同时也要注意温度、湿度等对我们打印颜色时的影响。

测量颜色的时候要等颜色彻底干燥以后再进行，否则会产生较大误差。

测色仪器也要及时校正，并将仪器调试到合适的参数，比方说我们要把光源调到
D，因为我们用的数据是CIE1976L*a*b*颜色空间，所以仪
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器也应调到L*a*b*模式。

参考文献
[1] 金洪勇，赵秀萍. 如何改善色彩管理中的颜色匹配效果[J].包装工程,2006-10.
[2] 陈翠琴, 唐正宁. 专色油墨计算机配色模型研究[J].包装工程，2008-03：75-77.
[3] 王喜昌,周丰昆,禹秉熙,龙科慧.三刺激值配色和全光谱配色的
比较[J].精密工程，1999-04：13-15.
[4] 梁艳君. 印刷颜色的色差评价及其数据管理系统研究[D].西安：
西安理工大学，2007：7-8.。