2.2 顏色的測量

2.2.1 顏色測量的方式和幾何條件

前面內容給出了基于客觀物體的光譜特性，以及人眼的生理和心理特性所形成的顏色量化方法，即CIE色度系統。這一量化的實現，自然離不開儀器，離不開測量。下面就顏色測量儀器的特征及其選擇方法進行介紹。

1．光電色度計和分光光度計

測量什么？怎么測量？這是顏色測量的基礎和儀器設計的出發點。不難看出，公式（2-6）所表示的三刺激值X、Y、Z是顏色量化的最基本公式，成為測量內容和儀器設計的著眼點。

首先，公式（2-6）是個積分式。儀器獲得這個積分值的方式有兩種：一種方式是通過響應元件的特性控制，使響應結果直接對應積分值，則直接得到了色光的三刺激值，這種顏色測量儀器通常稱為光電色度計；另一種方式則是通過測量積分式中未知的光譜特征量，如顏色刺激Sv（λ），然后計算得到三刺激值，相對應的儀器稱為分光光度計。

其次，在公式（2-6）中，根據其不同的形成過程，Sv（λ）對應著不同的情況。對于自發光的情況，Sv（λ）可代表光源的色光，也可代表顯示器等發出的色光；對于非發光物體，則有Sv（λ）=S（λ）β（λ）或Sv（λ）=S（λ）τ（λ）, β（λ）和τ（λ）分別對應反射物體的光譜反射因數和透射物體的光譜透射因數。

同樣，對于非發光物體的顏色測量，也有光電色度式和分光光度式兩類。在分光光度式中，儀器實質上測量的是物體的光譜反射因數或光譜透射因數，其后，通過計算得到物體的三刺激值等顏色量。

光電色度式和分光光度式兩類儀器都在使用，但后者的精度較高，為用戶首選。

2．顏色測量的幾何條件

除了上面談到的測色方式外，還有一個問題也是顏色測量中必須考慮的，那就是顏色形成中各個物體因素間的相對位置關系。

生活中有這樣的經驗：對多數物體，當照明光的角度改變，或觀看方向變化時，它的顏色也隨之變化，因為物體透過或反射的光的光譜特性會隨方向而變化。因此，在顏色觀測以及測量顏色的儀器設計中都必須考慮光源、樣品和接受器之間的位置關系，稱為照明和接收的幾何條件。

為了使顏色評價和測量結果在不同部門間具有可比性，必須標準化測量的幾何條件。

針對反射樣品的顏色測量，CIE推薦的幾何條件主要分為兩類：

（1）定向型幾何條件

可設計與樣品表面法線成45°方向照明、0°方向接收，以及相反的過程，分別記為45x/0和0/45x幾何條件。如圖2-5（a）、（b）所示。

這樣設計是因為人們在觀察物體時，一般喜歡將樣品表面的鏡面反射光排除（鏡面反射光可沖淡顏色的飽和度），這樣可以獲得有關顏色的最多信息。45°與0°的方向組合排除了鏡面反射光，可使測量結果與目視評價有較好的相關性。對于諸如銅版紙印刷、銀鹽照片，以及照片級打印等高光澤和中等光澤的樣品，這種相關性更加突出，因而多在印刷和影像行業中采用。

但是，這種單一的45°方向條件對樣品表面結構（如紋理特征）的方向性比較敏感，會造成測試結果的不確定性。為了減少這種影響，在45°方向上可使用環形照明或環形接收，分別記為45a/0和0/45a，如圖2-5（c）、（d）所示。

（2）漫射型幾何條件

基于漫射型幾何條件設計的測色儀器，使用積分球，由所有方向照明或由所有方向接收。主要包括漫射照明、8°方向接收，以及相反的過程，分別記為di/8和8/di，如圖2-5（e）、（f）所示。這其中，又分為包含鏡面反射光成分和排除鏡面反射光成分兩種情況，di/8和8/di為包含鏡面反射光的情況，而圖2-5（g）、（h）為排除鏡面反射光的情況，分別記為de/8和8/de。

上面沒有把互換方向區別對待，因為實際中所用到的一般材料，兩者具有類似的性質和結果。對于特殊的材料，如熒光材料，幾何條件是不能互換的。

CIE推薦的透射材料的顏色測量幾何條件共有六種，如圖2-6所示。

圖2-6（a）為0°照明、0°接收；圖2-6（b）為漫射照明、0°接收，包括規則透射成分；圖2-6（c）則為漫射照明、0°接收，排除規則透射成分；2-6（d）為0°方向照明、漫透射接收，包括規則透射成分；2-6（e）則為0°方向照明、漫透射接收，排除規則透射成分；2-6（f）為漫射照明、漫透射接收。

3．幾何條件的選擇

在多媒體的色彩管理技術中，常要涉及多種材質和表面特性的反射樣品和顯示屏為代表的透光材料，這些樣品的顏色測量結果要與目視評價具有好的相關性。一般應考慮下面的內容：

（1）樣品的表面特性

光澤和紋理是材料主要的特性表面。如前所述，對于光澤較明顯的材料，應排除鏡面反射光的影響。一般來說，定向型的幾何條件排除鏡面反射成分徹底，在印刷、影像行業常被選用，且最好選擇45°的環形條件。

對于光澤度很低的材料，鏡面反射成分很少，可選擇漫射型幾何條件，可用于毛面紙、塑料、涂料、布面等顏色的測量。

（2）被測樣品的性質

現在，作為硬拷貝輸出的印刷、打印用紙張中，常加入熒光材料。用積分球測量含有熒光材料的樣品時，照明光束的光譜功率分布會被樣品的反射和發射光改變，所以，最好選用定向型幾何條件。

此外，金屬漆和珠光漆目前也常見于印刷及汽車行業。它們的顏色特性與一般吸收漆不同，在與鏡面反射方向不同的夾角方向上反射光的光譜功率分布不同，無論是目測觀測，還是儀器測量，結果都會有很大的變化，因此，其顏色特性與幾何條件有更大的依賴關系。對這類樣品色，常選用具有5個不同接收方向的多角度幾何條件測量。目前的色彩管理體系中，還沒有引入這樣的顏色控制方式，因此不能應對含有該種顏色樣品的體系。

（3）行業差異

不同行業都有自己的行業標準和習慣，應當遵守。色彩管理技術所用到的顏色測量儀器，為不同材料的樣品提供了應用測量條件。在可選的情況下，要根據行業標準和顏色樣品的特性加以合理選擇。

2.2.2 標準照明體和標準光源

從2.1節內容已經知道，光照是物體顏色形成的基礎，同一物體在不同的光源照明下會有不同的顏色呈現。物體顏色的三刺激值計算中也需要照明光源的光譜特性。因此，為了統一顏色的評價標準和進行色度計算，必須規范光源的光譜特性，對光源進行標準化。

CIE推薦了用于顏色測量、顏色評價的標準照明體和標準光源。

1．標準照明體

由于光源表現物體顏色的根本特性是其光譜功率分布，所以在物體色度計算中，光源的標準化實際上就是對光源光譜功率分布的標準化。因此，CIE定義了一系列相對光譜功率分布，稱為標準照明體，包括標準照明體A、B、C和標準照明體D等。

CIE標準照明體A、B、C和標準照明體D系列的相對光譜功率分布如圖2-7所示。

標準照明體A代表絕對溫度T=2856K黑體（完全輻射體）的相對光譜功率分布；標準照明體B代表相關色溫約為4874K的直射日光，光色相當于中午的日光；標準照明體C代表相關色溫約為6774K的平均日光，光色近似陰天天空的日光；標準照明體D代表各時相日光的相對光譜功率分布。其中，標準照明體D65代表相關色溫近似為6504K的重組日光的相對光譜功率分布，D50、D55和D75則分別代表相關色溫為5004K、5503K和7504K的各時相日光的相對光譜功率分布。

色溫和相關色溫的概念來源于黑體的色光特性，即黑體的溫度與所輻射能量的光譜分布，也就是與顏色感覺具有固定的關系，于是人們就用黑體的溫度來表示光源的顏色。當某種光源的顏色（色品坐標）與某一溫度下的黑體的顏色（色品坐標）相同時，就稱此時黑體的溫度為該光源的顏色溫度，簡稱色溫（color temperature）。但如果光源的顏色只能是最接近某個溫度下的黑體的顏色而不能嚴格等同于某個溫度下的黑體的顏色，則將黑體此時的溫度稱為該光源的相關色溫。

CIE優先推薦照明體D65，應盡可能地采用它。當D65不能用時，推薦采用D50、D55、D75中的一種。

不同的行業、不同的環節采用的標準照明體是不同的。例如，印刷行業采用D50和D65；攝影行業則采用D55。實際工作中，應遵守行業標準要求。

此外，還有幾個照明體要提一提：一是照明體C，雖然它現在不是CIE標準照明體，但許多實際的測量儀器和計算仍支持它；另一是照明體E，是可見光譜波段內為恒定值的光譜功率分布，稱為等能光譜或等能白。

2．標準光源

上面介紹的標準照明體，是定義的相對光譜功率分布，不一定能用一個具體的光源來實現。這里的標準光源，則是指那些能夠實現照明體相對光譜功率分布的物體光源，也稱為CIE色度學光源。CIE推薦的人造光源有A、C等。

光源A為色溫為2856K的充氣鎢絲燈。如果要求更準確地實現標準照明體A紫外輻射的光譜分布，則推薦使用熔融石英殼或帶石英窗口的燈。光源C可由光源A加一組特定戴維斯-吉伯遜液體濾光器實現。

到目前為止，還沒有人造光源被推薦為實現CIE D65照明體和其他D照明體。

工業生產中辨色要求精細，熒光材料的顏色測量，都需要日光中的紫外成分，而光源C中缺少紫外成分。因此，D照明體的模擬成為當前光源研究的重要課題之一。

因為日光具有鋸齒形光譜功率分布，加上校正濾光器也只能在一定程度上近似模擬，精確的模擬是很困難的。現在正在研制的模擬D65的人造光源有：帶濾光器的高壓氙弧燈、帶濾光器的白熾燈和帶濾光器的熒光燈。其中，帶濾光器的高壓氙弧燈具有相對最好的模擬效果。

2.2.3 含熒光材料的顏色測量

熒光材料目前廣泛應用于印刷、打印等硬拷貝輸出行業。因此，含熒光材料樣品的顏色測量具有重要的意義。之所以單獨敘述熒光材料的顏色測量，是因為它與自發光物體和一般的非發光物體都有所不同。

首先，熒光材料只能在其他光源照射下才有光發射；其次，它不僅能反射或透射一部分照射光的光譜成分，而且，在照明光中紫外光的激發下，還能發射出可見光中一定成分的光譜。所以，熒光材料的顏色決定于它反射和發射的光譜總和。而在這兩部分中，發射光譜往往起主要作用。因此，熒光材料的顏色測量比一般材料要復雜。

熒光材料的顏色特性也是用三刺激值等色度值表示的。沿著以往物體三刺激值測量的思路，如果應用分光光度的方式測量，仍舊是測量其光譜反射因數。

測量熒光材料的光譜反射因數最有用的測量方法是用復合光（包含激發熒光材料發射光的紫外光成分）直接照射樣品，再用單色儀進行分光測量。在熒光材料的測量術語中，這樣測量的光譜反射因數稱為全光譜輻亮度反射因數，記為βT（λ）。由此，按常規方法計算三刺激值等顏色參數。

圖2-8中βT（λ）曲線為一個含熒光材料黃色樣品的全光譜反射因數。從圖中可以看出，在500～550nm波長范圍內，反射因數βT>1。這是熒光材料獨有的特點。從原理上講，在該波長范圍內“反射”的總單色光能，包含這一單色入射光的反射部分（反射率小于1）和由紫外入射光激發的該單色光部分。這樣，造成總的“反射”光能大于只計量該波長的單色入射光能，即出現了反射因數大于1的現象。

如果改用單色光照射，單一波長的光單獨計量入射量和反射量，則不會在可見光范圍內出現反射因數大于1的現象，因為沒有計量進紫外光的激發光能。如圖2-8中βC（λ）所示，為同一黃色樣品的結果。

實際上，我們總在復合光（源）下觀看各種樣品。因此，這種材料樣品顏色的測量應該選用復合光照射的全光譜反射因數的方法。而對于一般樣品，復合光照明測量，還是單色光照明測量，結果都是一樣的。

對于熒光材料樣品，還有一個不能忽視的問題，即用復合白光照射，光源的光譜功率分布對全光譜反射因數的測量結果也有很大的影響。光源中所含有的不同的能夠激發熒光材料發光的紫外成分，會附加不同的激發光譜能量在相應波長光的“反射”成分中。圖2-8中的βT（λ）為在某個特定光源照明的效果，而圖2-9所示則是分別在模擬D65標準照明體的D65光源和A光源照明下對同一樣品的測試結果。

如果對熒光材料只關心在某一特定光源下的顏色效果，就要用該光源照明進行測試。否則，如同一般物體的顏色測量一樣，照明光源也必須標準化。

一般選用D65照明體作為熒光樣品測試的照明光源。要求模擬的D65光源，其光譜功率分布不僅在可見光范圍內與D65標準照明體相同，且必須在能激發熒光的紫外區域也相同。實際應用中，一般用氙燈加濾色片來近似模擬，而對實際測量用的照明光源與理想照明之間的差異引起的誤差進行校正。

色彩管理技術中所使用的分光光度測色儀器，對熒光樣品的測試有不同的處理方式：一種是加紫外（UV）濾光片，攔截掉照明光源中能夠引起樣品光發射的紫外光成分，以避免熒光現象；另一種則是通常的不加UV濾光片，即可計量到熒光材料引起的發射光成分。如X-rite公司的DPT41分光光度計中，就有這樣的不同選擇。

除了分光光度儀器外，也有直接測量熒光樣品三刺激值的光電色度計，不過在設計和制作上要求更多。要求儀器的測試光源直到紫外區，都須校正為具有D65照明體的光譜功率分布，探測器也要校正為具有CIE標準觀察者的光譜三刺激值的特性等。

此外，無論選擇什么測量方式的儀器，熒光樣品的測量還必須注意選擇適當的幾何條件。如前面提到過，用積分球測量含有熒光材料的樣品時，照明光束的光譜功率分布會被樣品的反射和發射光改變，使測量結果偏離了標準光源條件。所以，最好選用定向型幾何條件。但是，當用大的積分球、小的開孔時，對照明光束的影響可以忽略。因此，大的積分球還是可選的，但是積分球內壁的噴涂材料必須沒有熒光物質。

2.2.4 顏色測量的注意事項

色彩管理技術依賴于對設備的顏色特性化，而顏色特性化過程離不開顏色的測量。在顏色測量時，要在被測物類型、結構紋理特性，以及精度要求等方面加以注意。

首先應該注意顏色樣品的結構和紋理特性，合理地選擇測色儀器的幾何條件。如紋理特性較明顯的顏色樣品，應避免紋理的影響而選擇漫射型幾何條件。光澤度較高的樣品，應避免光澤的影響而選擇定向型幾何條件。

其次，應注意顏色測量時所用的光孔尺寸，因為所有的分光光度計都通過一個光孔開口來測量光線實現計量色光。大多數用于色彩管理的分光光度計有1.7～16mm直徑的測量光孔。小光孔適合測量那些顏色比較均勻的顏色樣品，只有很小的面積就能實現顏色測量。對于色彩管理技術中常用的多色塊顏色測量來說，可使用較少的輸出材料。大光孔則在某些情況下有利。比如，當為很低加網線數的設備或打印機制作特性文件時，大光孔因可容納足夠多的油墨網點或墨點而保證測量的穩定性和準確性，若是小光孔，則容納的網點或墨點數會不確定，從而造成顏色測量的欠穩定和欠準確。另一種情況，當對無涂層的水彩畫紙或噴墨打印機使用的畫布這種有“噪聲”的顏色樣品測量時，大光孔可以有效地柔化“噪聲”。

再次，應根據樣品的特性合理選擇濾色鏡和襯墊。

如前所述，對于含有熒光材料的樣品，含有紫外光的照明光才能反映和測量其準確的顏色特征。對于色彩管理技術應用而言，對含有熒光材料的某些輸出材質的顏色測量要格外注意。比如，有些紙張含有熒光增白劑，它在含紫外光的光源照射下，我們的眼睛看上去它會更白和更亮。但是，與我們的眼睛不一樣，分光光度計沒有這種適應的功能，它們在檢測這類紙張時會顯示偏藍色。于是，在這樣的認知下，特性化軟件會采用增加適當黃色的方法來補償這種偏藍的效果，結果我們的眼睛會對這樣的處理結果感覺偏黃，尤其是中間調到高光更加明顯。

解決這個問題的方法之一是使用帶有UV濾色鏡的分光光度計，因為它可以濾掉產生熒光效應的紫外光，使儀器也認為紙白不偏藍，即使這時的儀器“感覺”符合含紫外光照下眼睛的感覺。

還有一種濾色鏡為偏光濾色鏡，對測量高光澤的紙張顏色很有用，特別是光澤具有方向選擇性的時候。測量染料熱升華打印機的樣張時，使用含有這種濾色鏡的儀器更有效。

襯墊的使用在特性化顏色測量中也需格外注意。ISO標準中，測量樣張或色標顏色時，推薦要在樣張下墊上黑色的襯墊。但實踐表明，在測量較薄或有些透明的樣張時，墊上黑色的襯墊會人為地增大亮度的讀數。除非最終的樣張是在黑色襯墊下觀察，否則它不能反映實際。因此，有人建議，在測量有些透明的紙張時，改用一疊相同材料的白紙做襯墊，或者用白色作為襯墊。使用白色襯墊也會略微使得測量值產生偏差，但要比用黑色襯墊小得多。有些測色儀器有黑、白兩種襯墊選擇，也有儀器只有一種白色襯墊。

最后要指出的是，要注意顏色測量的精度。建立設備顏色特性時，為了提高所建立關系的精度，常需要輸出和測量大量的顏色，如果測量本身就不夠準確，那么顏色的大量采集就失去了應用的意義。儀器的測量精度，一方面由儀器本身的測量原理、光路結構、光學元件性能決定，另一方面也與校正及維護密切相關。選擇設計精度高的儀器當然最好，但也會受到投入成本的限制，要根據顏色控制的精度要求合理選擇。就目前的分光光度計而言，大多都能夠滿足色彩管理技術要求，但使用中的問題是要保證在應用周期中精度的穩定性。更加需要注意的是，測色儀器的維護和正確使用，如定期校正，保持校準用白板的清潔，使用儀器特定的白板等。只有合理地選擇儀器，并正確維護和使用儀器，才能保證顏色測量的精度，而這是任何顏色控制和管理的基礎。

思考題

1．在色度學體系中，具有相同三刺激值CIEXYZ的顏色具有怎樣的視覺特征？

2．三刺激值CIEXYZ與色品坐標CIExy在描述顏色屬性上有何異同？

3．顏色的色差應在怎樣的顏色空間中描述？給出具體的色差公式。

4．顏色測量常用哪兩類儀器？測量原理有何差異？

5．理解測色儀器中不同的幾何條件及其作用。

6．何為標準照明體？何為標準光源？CIE推薦的日光照明體有哪些？（相關）色溫如何？

7．熒光材料有怎樣的特性？怎樣的光照明進行測量才能正確地反映這種特性？

8．發光和反光式樣品的顏色測量應注意哪些事項？