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色差数据与目视评估的一致性探讨

摘要 现在人们越来越多地使用仪器来对产品颜色进行评估和控制,同时目视颜色评估方式依然非常普遍,有时两种方式的结果会有不一致的情况。本文从颜色产生的原理、仪器测量原理、目视评估原理等方面进行分析,帮助大家找出色差数据与目视评估结果产生差异的原因,便于更加规范地使用各种颜色评估工具,减少错误的发生。

关键词颜色,色差,色差仪,分光光度仪,目视颜色评估

前沿用分光光度仪(又称色差仪)进行色差的评估无疑是较为科学和客观的方法,一般情况下色差数据与目视评估结果是比较一致吻合的,即:色差值较小时,眼睛看不出色差;色差值较大时,目视差异很大中国涂料在线coatingol.com。但有时我们会碰到不一致的情况:仪器测出的色差值很小了,但我们目视无法接受;或者色差值很大,但眼睛看上去样品色差不大,可以接受;或者色差值的大小与我们目视感觉的差异程度不一致。这种不一致的情况通常会引起利益相关方的争议,甚至会造成损失,对于分光光度仪的信任度也会降低。发生的原因有很多,我们将从各个方面进行分析。

1两个典型的问题
可见色差值很大,应该很容易看到差异。但我们眼睛看上去颜色差异却很小,可以接受(如图1)。可见色差值很小,应该看不出差异,但我们眼睛看上去颜色差异却很大(如图2)。
2颜色的产生原理和测量原理
分析颜色问题,我们首先了解一下颜色和颜色数据产生的原理。
2.1颜色的产生原理:光,物体和眼睛光是一种电磁波,我们的眼睛可以感受到的可见光范围是380nm-780nm (其中400nm-700nm较为显著),这个范围中包含了几乎所有的色彩。日常看到的白光实际上都是由这个范围色光组成的,包含了红橙黄绿蓝靛紫等色光。牛顿通过光的色散实验发现并验证了这个说法。在这个实验中,白光从一侧射入三棱镜,经过两次折射,在另一侧折射出的光分解成了各种颜色的光。
通常的白光实际上不是纯白的,或多或少带有某种色相,这说明白光中的各个波段的能量是不同的,有的光源红色波段的能量较强,看上去就比较温暖;有的光源蓝色波段能量较强,看上去就比较明亮和冷。
物体有很多特性,比如尺寸、形状、光泽、手感等,其中还有一种重要特性是颜色。当白光照射在非透明物体表面上时,物体会产生光的镜面反射、散射和吸收,这些光的反应在不同波段是不均匀的,甚至在不同角度的反应也不相同,这些就形成了物体的颜色特征。这种特性可以用反射率曲线来准确表示,这个曲线是与光源类型无关的。
眼睛是人最精密的器官之一。光通过角膜、虹膜、瞳孔、晶状体、玻璃体照射在视网膜上,视网膜上有四种感光细胞:柱状细胞,感红锥状细胞,感绿锥状细胞,感蓝锥状细胞。其中柱状细胞在光线比较弱的环境下工作,只感受明暗刺激;锥状细胞在光线比较充足时起作用,三种细胞分别感受红光、绿光和蓝光的刺激,所以通过锥状细胞可以感受到颜色(如图3)。根据色光加色法原理,这种组成结构可以对所有色光进行感知。这种刺激最后传递到大脑中进行混合,最后产生颜色的感觉。
由于个体的差异性的存在,即使相同的光射入人眼,不同人的感觉还是不同的。当人眼某种或某几种感光细胞产生损伤时,就会产生不同类型的色盲或色弱,从而造成颜色感觉偏差。有统计表明,12名男性中便有一名有色觉缺陷。
综上所述可以看出,物体颜色产生的原理是:光源发出含有各色光的白光,照射在物体上;物体会对光进行选择性的吸收和散射;散射的光传播到人眼,刺激视觉神经从而产生颜色的感受。所以物体颜色的产生需要三个要素:光源,物体和观察者(图4)。可见我们看到的物体的颜色(色光)并不是物体发出的,物体只是对光源的光进行了选择性的吸收和散射;射入我们眼睛的光线其实是光源色光的一部分。所以严格地讲,我们看到的物体的颜色取决于光源的颜色,如果光源的颜色发生变化,物体的颜色也会发生变化。日常生活中我们说某一物体是什么颜色,指的是它在白光下我们看到的颜色。
2.2 颜色测量原理
颜色的测量方法是根据物体色的产生原理来设计的,分光光度仪内部有光源模块,发出的光经光学模块处理,照射在样品表面,样品会吸收和反射光线,反射光经光学模块处理到达分光器和接收器,经电脑模块计算获得颜色数据,如图5。可见仪器测量原理与目视评估原理基本一致,都包含照明部分、物体、颜色接收和分析部分。这三个部分通过国际标准的计算方法进行积分计算,即可获得相应的标准颜色数据,所以理论上讲测量结果应该与目视评估结果是一致的。
作为分光光度仪,其中一个关键模块是分光器模块,这个模块将接收的光线进行分解,并测量出从360nm到780nm各个波段的功率(典型的波段是从400nm到700nm),经校正后获得样品的反射光谱曲线。这个曲线代表了这个样品的颜色特性,纵轴代表反射率,从0%到100%;横轴代表波长,从400nm到700nm。反射率曲线包含了物体的完整颜色信息,可以通过其差异评估两个样品的颜色差异,但由于数据量大,很难在生产生活中普遍应用。CIE(国际照明委员会)经过数据转换计算(见图6)建立了一套颜色表征体系,这个球状模型中颜色与孟塞尔体系有相似的分布:上下为颜色深浅变化,周向为色相变化,半径为饱和度变化(见图7)。基于此,我们若以三维立体直角坐标体系来定位里边的颜色,则就是我们普遍使用的L*a*b*颜色表征系统。其中L*表示颜色的深浅坐标,a*代表红绿轴坐标,b*代表黄蓝轴坐标。这样空间中任意一点的颜色可以用(L*,a*,b*)来表示。基于此,两点的色差就可以用坐标差来表示:ΔL* = L2* -L1*,Δa* = a2* -a1*,Δb* = b2* -b1*
若ΔL*为正数,说明L2* > L1*, L*越大颜色越浅,说明L2*样品偏浅;同理,若ΔL*为负数,说明L2*样品偏深。依次类推:
若ΔL*为正数,则样品偏浅(不够深);ΔL*为负数,样品偏深(不够浅);若Δa*为正数,则样品偏红(不够绿);Δa*为负数,样品偏绿(不够红);若Δb*为正数,则样品偏黄(不够蓝);Δb*为负数,样品偏蓝(不够黄)。

2.3颜色测量中的几何结构依照国际标准,按照照明方式和接收位置的差异,现在应用比较广泛的分光光度仪的三种光学几何结构分别是0°/45°、d/8°和45°/多角度。
0°/45°测量结构以被测样品表面的法线为基准,光源在0°位置,接收器在与法线呈45°位置(如图8)。由于光源垂直入射,此时镜面反射光与入射光重叠逆向返回,其它散射光中只有45°位置的光被接收,所以0°/45°测量结构仪器测量的是特定角度的物体散射光。为了减少样品表面的不均匀性反射对测量稳定性的影响,一般会有多个接收器在45°位置环形排列。
d/8°结构中使用了一个关键部件——积分球,积分球是一个内壁呈白色的圆球,其内壁有极高的反射和散射性能,当其用于颜色测量仪器时,球体会有多个开孔。其中之一是测量孔,它与被测物体紧密接触;另外还有一个观测孔,即接收器孔,它在测量孔对面,一般与法线呈8°,用于采集物体的反射光;在与观测孔相对于法线对称的地方的开孔,为镜面反射孔,这个孔可以关闭和打开,用来控制镜面反射光的采集与否(如图9)。
工作时,光源发光,光线会通过积分球内壁进行完全漫反射,从而这些漫反射光能够从不同方向照射到样品表面,样品进行吸收和反射,其反射的8°方向的光被接收器接收进行颜色分析。由于对称位置的积分球面有可开闭的装置,所以可以采集包含镜面反射(SCI,SPIN)数据和排除镜面反射(SCI,SPEX)数据。
多角度测量结构是由于新材料的发明和应用而产生的,现在市场普遍应用的是六角度测量分光光度仪,光源位于与法线呈45°的位置,共有六个接收器,这六个接收器分别与镜面反射线呈-15°、15°、25°、45°、75°和110°(如图10)。随着干涉颜料的研发和应用,新的ASTM 标准中推荐在15°位置增加第二光源,此时与镜面反射线呈15°和-15°位置的两个接收器接收并计算颜色数据。我们在工作中经常碰到的色差数据与目视评估不一致的问题,可能是数据采集和选择的问题,也可能是目视评判不标准的问题,我们可以分别从这两方面进行分析。
3分光光度仪的错误选择与设置造成数据与目视不一致
前面介绍了仪器的测量原理,可见在颜色数据化过程中有多种方式和不同设置,这些都会影响数据结果与目视结果的匹配性。
3.1不同结构造成的数据差异前面介绍过色差仪常用的三种几何结构中,0°/45°结构是最早的颜色测量仪器结构,它模拟的是诸如我们日常看书、太阳光下观测物体、光源灯箱内评判色样的情景。因此这种结构的分光光度仪测量数据与人眼目视观察的结果匹配性较高。
d/8°结构仪器有包含镜面反射状态和排除镜面反射状态,这两种状态下的数据结果是不同的,这两个状态的差异可以用下面的图11来分析。当光源照射到样品表面后,会发生光的吸收、散射和镜面反射。样品表面的物理变化会影响光的传播,当表面比较光滑时,样品光泽较高,镜面反射光会比较强,散射会比较弱;当表面比较粗糙时,样品光泽较低,镜面反射光会比较弱,散射会比较强。所以对于相同材质的样品,若只是光泽差异,在包含镜面反射状态下测量结果是一致的(即1+2=2+1),这时其反映的是材质本身的颜色,我们称之为真实色;但在排除镜面反射状态下,样品间的差异会比较大(1≠2),数据反映的是材质和表面物理状况的综合变化,我们称之为表观色,此状态下与人眼的视觉效果更为接近。
还记得我们在第一部分碰到的那个色差数据很小,但目视评估差异很大的案例么?
我们仔细研究发现其使用的是SCI的测量状态,我们调出SCE的状态数据以及其光泽数据如下表3。可见两个样品的光泽差异很大,现在在SCE状态下其色差数据DE*=3.32也很大,这个结果就与我们目视评测结果比较一致了,这也验证了SCE状态下数据与光泽有关,为物体表观色的特性。
多角度结构颜色检测仪器主要应用于特殊效果涂料的颜色检测。普通涂料色板或者素色漆色板在不同的方向观测其颜色变化很小,而特殊效果涂料色板在不同方向观测时其颜色变化很大,而只有用多角度分光光度仪才能测量出这种随角异色的现象。图12是用MA98型多角度分光光度仪来测量一种常用金属颜料(标准)和一种干涉颜料(样品),得到两个光源共八个角度的颜色效果模拟图。对于这一类的颜色,目视评估往往不会从单一角度进行颜色评估,通常通过旋转样品来评估不同方向的效果。而0°/45°或者积分球仪器只有一组或两组颜色数据,结果是无法获得与目视保持一致的。综上所述,同一个样品使用不同几何结构的分光光度仪测量得到的结果是不同的。为了达到与目测结果一致,建议按照如下原则选择仪器和设置:
■对于普通颜色样品,其有较好的漫反射性能,0°/45°和积分球排除镜面反射的结构与目视评估结果最为接近(图13);3.2 标准照明体类型
CIE规定了若干种标准照明体,来模拟不同应用场景下的光源,相同一个样品在不同的照明体下计算得出的颜色数据是不同的。通过分光光度仪进行测量时,需要选择与目视评估较为一致的照明体,这样数据才会与目视结果较为一致。比如目视是在户外或者灯箱D65照明下,仪器中就要选择对应的D65标准照明体。
为了增加产品的白度或鲜艳度,有些塑料产品是含有荧光增强成分的,这些成分会吸收一些波段的光能量,在另一个波段激发出来,从而产生特别的效果。有些分光光度仪有UV紫外校正的功能,通过对其光源中UV部分的控制,从颜色数据差异中可以判断样品中的荧光成分的有无和强度。在仪器设置中,可以让光源包含UV,也可排除UV;这两者的差异越大,说明配方中荧光成分越多。图16是一个白色样品的UV包含和UV排除的颜色数据和反射光谱,可见不同设置下色差数据和曲线都差异很大,所以有较大量地添加荧光增白成分。高端分光光度仪一般都附有专门的UV校正白板,通过它可以调整仪器中UV的含量并达到CIE的白度标准,这样校正后获得的颜色数据将更加符合目视评估的结果。
3.3视角和标准观察者CIE标准组织在1931年和1964年通过实验制定色度标准时,分别使用了不同大小的色块。这是因为样品投影到视网膜上面积的大小影响我们对色彩的感知。不同大小的色块,对应于不同的视角。视角又叫标准观察者,是指CIE制定标准时样品在观察者眼睛中投影的夹角,有两个标准,一个是2°,另外一个是10°。2°对应于小样品或远观样品,10°对应于大样品或近看样品。从2°和10°标准观察者曲线可以看出,两者对于不同色光的影响是不同的,即使是相同的样品和照明体,最终获得的颜色数据也会有所不同(图17)。如果评估产品面积很大,而仪器中选择了2°视角,就容易出现不匹配的情况。
3.4色差公式的选择CIE分别在1976年、1995年、2001年发布了不同的总色差公式DE*、DE94、DE2000;其他有关组织也发布了一些不同的色差公式,比如英国染料协会的DEcmc、德国标准局的DEp等。发布不同的色差计算方法正是因为总色差数据计算总是有局限性,不尽完美,与人眼评估的结果无法100%吻合,所以需要不断地进行修正,发布更新的标准。大家比较熟悉的CIE DE1976 的计算公式如下:可见其计算方法比较简单,指的是样品和标准之间的空间距离。当设置容差为一特定值时,在CIE颜色空间中表现为形状大小相同的圆球,与色相等无关,如图18。现在有些行业使用DECMC色差,其基本公式如下:可见此公式比较复杂,其中加入了与颜色位置相关的修正内容以及明度和饱和度系数,在CIELAB颜色空间中的表现如图19:这是由于CIELAB颜色空间相对于人眼是不均匀的,相同的一段距离在空间中不同的位置对于人眼的感受性是不同的。比如对于浅灰色,DE*=0.5目视都感觉很明显,但对于大红色,DE*=3.0目视都可以接受。所以CMC通过增加系数来修正这种不均匀性,达到更加精确的目的。上述的两个颜色,用DEcmc计算两个结果都在1.0左右,这样与目视就更加接近了。
根据统计研究,DL*a*b*容差与人眼的吻合率只有75%,而DE*94和DEcmc可达95%,而DE2000则更高。选用更新的色差公式将减少数据与目视的偏差。
我们在第一部分提出过一个色差数据很大,但目视评估结果可以接受的案例,现在我们来分析可以看出,这个颜色的C*值很大,说明饱和度很高,高饱和度的颜色在新的色差公式中有较大的修订,我们采用最新的DE2000来计算得到的结果是0.91(见表4),这个数据与目视评估结果就达到一致了。目视评估与仪器数据的差异,有可能是仪器的错误选择和设置造成的,也有可能是不正确的目视评估环境和方法造成的,国际上有许多标准对此进行了规范,比如CIE 51.2、ASTM D1729、DIN6173-2、ISO23603、SAE J361等,下面我们来看一下目视评估中有哪些关键要素会影响与色差数据的一致性。
4目视评估中的几个关键要素对于评估结果的影响
4.1 光源选择
从颜色的产生原理可以看出,目视评估时,物体的颜色与光源的颜色是息息相关的,相同的样品在不同的光源下会看到不同的颜色效果。仪器测量获得的颜色数据是以CIE规定的标准照明体进行计算的,那么我们在目视评估时所用的光源也应该与之对应,两者的结果才能达到一致。比如仪器测量时使用的是D65光源,目视评估时必须也使用D65光源。而现实中大家使用的照明光源参差不齐,很难一致。
类似于物体的反射光谱,光谱功率分布是指发光体的光谱密度(功率)与波长之间的关系。光谱功率分布是光源特性的最完整的表现,可以说是光源的指纹。不同类型的光源其分布曲线是不同的,380-780nm范围内的色光越平衡均匀,对于物体的颜色再现就越好,我们有时也用显色指数来表征这种特性。
对于最普遍使用的D65日光,CIE规定了D65标准照明体的光谱能量分布曲线,仪器中的色差数据正是根据此曲线来计算的。我们测试了几种现实中的几种灯箱,其D65光源的曲线分别如图20。可见这些灯箱的的曲线与标准的曲线有或多或少的差异,这实际上是一种光的同色异谱现象,看上去都是白光,但其内部不同色光的能量不同,这样会造成相同的样品在不同的灯箱下会看到不同的效果和结果。CIE对于D65光源的质量制定了等级标准(A,B,C,D,E级),为了获得与仪器数据一致的结果,选择一台高等级的灯箱是很有必要的。
多数灯箱都有紫外(UV)光源,通过它可以很容易地判断出哪些样品含有荧光成分。光源UV成分的多少会影响含有荧光成分产品的颜色目视效果,评估时需要依照相关标准使其保持与仪器相关设置一致,才会与色差数据结果相匹配。
4.2 观察环境
下图21中A块和B块的颜色看上去是不是非常大?A看上去是黑色而B看上去是白色。但当我们将A和B单独移出来进行对比时,它们就看上去一致了。
仪器在测量颜色时,整个光路是个封闭的系统,测量只聚焦于特定的测量区域,周围的环境对测量结果几乎没有什么影响。但人眼对产品颜色进行对比分析时,很容易受到产品周围环境的影响,比如周围环境太亮,有其他环境光,附近有其他物体和色块。实际上我们能看到的物体都可以视为一个光源,比如我们穿的衣服,它们对于颜色的评估是有或多或少的影响的,建议穿烟灰色外套,以减少其对样品颜色的影响。
根据研究,在中性灰的背景和环境中评估颜色是最准确的,所以现在大多数的灯箱内部涂布的是孟塞尔N7亚光灰色,其L*值在70左右,a*与b*接近于0。所以在标准光源箱内进行评估是比较标准的方法;若样品很大,建议使用标准光源台(如图22)或标准光源室(或称为暗室)进行评估。4.3 样品选择
按照有关标准,样品需要放在评估台上,置于光源的中间。各个样品必须以相同方向紧密放置。颜色判断建议马上做出,长时间注视会引起色差敏感性降低。样品放置角度和观察角度根据颜色属性有所不同,对于实色一般是45°照明,从0°观察;或者0°照明,45°观察(如图23)。而对于金属效果或特殊效果颜色,需要进行多角度动态评估。我们经常看到工程师直接对两个大小不同的样品进行评估,这种评估方法是不标准的,很容易产生偏差。我们建议被评估的样品大小和形状都是一致的,放置在对称的位置。如果大小无法一致,那么建议对大的样品进行部分遮盖,让看到的面积与小样品保持基本一致。不建议对样品进行叠放,如果实在需要,建议在两边重复多放几个样品,排除由于不同层次和左右环境对评估的影响。若样品形状不规则,建议进行对称摆放并紧密接触,避免空隙和阴影对于眼睛的影响(如图24)。4.4 眼睛的差异
世界上没有两片相同的树叶,也没有相同的两双眼睛。颜色视觉最终是客观刺激和神经系统相互作用的结果,整个光路系统中任何一部分发生异常变化,都会影响到我们色彩感知的准确性。眼睛作为颜色的接收者,与大脑一起工作形成颜色感受,这个过程是相当复杂的。最后的感知除了受物体本身的光学特性影响外,还与眼睛的结构状态,身体和心理状态,人的文化背景等有关系。最基本的,我们要排除评估者的视觉有任何生理缺陷,比如色盲或者弱视。这方面有很多颜色识别工具(比如图25中的FM100色觉测试系统)可以对个体的颜色敏感性进行测试和分析,避免不合格的人员参与到颜色评估工作中来。常见的色觉异常都是先天性的,比如色盲和色弱。根据统计,每12名男性中就有一名色觉异常者,而女性的比例则是1/255。这种色觉异常会严重影响主体对颜色的评判。即使对于正常色觉者,不同个体之间,一个个体在不同的时间和空间,也会产生色觉差异。所以作为关键的颜色评估者,眼睛和大脑需要得到良好的休息,在平静平和的心态下进行目测。
除了眼睛要正常,评估者的颜色知识水平和颜色评估经验也是非常重要的。有时我们会碰到很难理解的色差描述,对生产商或调色师造成调色困扰。人员经过颜色科学理论培训后可以使用更专业的语言来描述颜色和色差,便于沟通并与色差数据保持一致。
5数据管理和目视评估的展望
科学是无止境的,为了实现更准确的颜色数据化,很多组织和个人都在这方面做深入研究,让数据与目视更加一致。
我们必须认识到仪器测量系统与眼睛评估系统有客观差异性。仪器的测量原理是非常理想的状态,比如要么完全漫射照明,要么点光源照明;但目视评估时的光源是非理想状态,通常都是介于点光源和漫射光源之间。仪器测量只会给出颜色数据,但目视评估时会同时感受到颜色和其它外观特性差异,比如光泽度、透明性和纹理等,这种感受实际上已经超越了颜色评估的概念,体现了样品材料整个外观的差异,这种情况在不同材质之间的颜色评估中尤为突出。仪器测量可能是单组数据,但目视评估可能是从不同方向看到若干组结果。仪器测量与目视评估这些差异性的存在,将导致短期内无法完全避免色差数据与目视评估不一致的情况。相信未来会有新的测量结构和数据模型体系,以及创新的目视评估系统,来弥补这种差异,解决不一致的问题。
曾经收到一个用户的反馈,两个塑料件经几位专家目视评估认为有明显颜色差异,但通过单角度(0°/45°)和积分球分光光度仪获得的色差数据都非常小,此塑料件也非常普通,这对大家引起了非常大的困惑。最后我们用MA98多角度分光光度仪进行分析,得到颜色在不同角度的模拟效果和色差数据如表5和图26。可见此批次的产品只有在45°的色差数据非常好(DE*=0.10),但在其他五个角度色差都很大(DE*=2.08,2.52,1.79,0.96,1.57),这样就与目视评估结果一致了。所以对于这个案例,客户目视评估时的角度并没有严格按照0°/45°的结构进行,而是综合评估了其他角度;这种情况下仪器只评估一个角度是无法与目视结果相匹配的,客户需要对其他角度颜色进行评估和改善。没有完美的散射材料,所有的材料都有散射现象,从这个角度来看多角度测量对于所有材料的颜色特性分析都是有意义的,是面向未来的一种检测方式。
可见虽然现在的很多评估工具和运行中的流程并不尽善尽美,但随着大家对于颜色知识理解的深入,实践能力的增强,相信通过充分利用现有的工具,选择合适的设置和方法,可以有效减少色差数据与目视评估不一致情况的发生。 内墙涂料工程施工方案提要:第一遍涂料:第一遍涂料涂刷前必须将基层表面清理干净,涂刷时宜用排笔,涂刷顺序一般是从上到下,从左到右,先横后竖,先边线、棱角、小面后大面。阴角处不的有残余涂料,阳角不得裹棱  一、工程概况:  根据设计要求,本工程内墙(基面为水泥砂浆抹灰面)涂料采用高档乳胶漆,此种涂1 引言粉末涂料作为高效、节能、省资源和环保型的涂料品种,得到世【兰陵化工集团涂料油漆】近十年来,我国的石油工业每年以10%以上的速度向前发展,管道、油罐油库、冶炼设备等急剧增多,防腐问题就成为重点关注。例如石油石化管输原油含硫量近年来呈上升趋势,一般在1.3%(m)~1.5%(m)的范围内,含硫原油的加工面临着防腐的难题。在各种防腐蚀技术中,涂料防腐蚀技术应用【兰陵化工集团涂料油漆】公开号: CN101020801
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