2.2 颜色的测量

2.2.1 颜色测量的方式和几何条件

前面内容给出了基于客观物体的光谱特性，以及人眼的生理和心理特性所形成的颜色量化方法，即CIE色度系统。这一量化的实现，自然离不开仪器，离不开测量。下面就颜色测量仪器的特征及其选择方法进行介绍。

1．光电色度计和分光光度计

测量什么？怎么测量？这是颜色测量的基础和仪器设计的出发点。不难看出，公式（2-6）所表示的三刺激值X、Y、Z是颜色量化的最基本公式，成为测量内容和仪器设计的着眼点。

首先，公式（2-6）是个积分式。仪器获得这个积分值的方式有两种：一种方式是通过响应元件的特性控制，使响应结果直接对应积分值，则直接得到了色光的三刺激值，这种颜色测量仪器通常称为光电色度计；另一种方式则是通过测量积分式中未知的光谱特征量，如颜色刺激Sv（λ），然后计算得到三刺激值，相对应的仪器称为分光光度计。

其次，在公式（2-6）中，根据其不同的形成过程，Sv（λ）对应着不同的情况。对于自发光的情况，Sv（λ）可代表光源的色光，也可代表显示器等发出的色光；对于非发光物体，则有Sv（λ）=S（λ）β（λ）或Sv（λ）=S（λ）τ（λ）, β（λ）和τ（λ）分别对应反射物体的光谱反射因数和透射物体的光谱透射因数。

同样，对于非发光物体的颜色测量，也有光电色度式和分光光度式两类。在分光光度式中，仪器实质上测量的是物体的光谱反射因数或光谱透射因数，其后，通过计算得到物体的三刺激值等颜色量。

光电色度式和分光光度式两类仪器都在使用，但后者的精度较高，为用户首选。

2．颜色测量的几何条件

除了上面谈到的测色方式外，还有一个问题也是颜色测量中必须考虑的，那就是颜色形成中各个物体因素间的相对位置关系。

生活中有这样的经验：对多数物体，当照明光的角度改变，或观看方向变化时，它的颜色也随之变化，因为物体透过或反射的光的光谱特性会随方向而变化。因此，在颜色观测以及测量颜色的仪器设计中都必须考虑光源、样品和接受器之间的位置关系，称为照明和接收的几何条件。

为了使颜色评价和测量结果在不同部门间具有可比性，必须标准化测量的几何条件。

针对反射样品的颜色测量，CIE推荐的几何条件主要分为两类：

（1）定向型几何条件

可设计与样品表面法线成45°方向照明、0°方向接收，以及相反的过程，分别记为45x/0和0/45x几何条件。如图2-5（a）、（b）所示。

这样设计是因为人们在观察物体时，一般喜欢将样品表面的镜面反射光排除（镜面反射光可冲淡颜色的饱和度），这样可以获得有关颜色的最多信息。45°与0°的方向组合排除了镜面反射光，可使测量结果与目视评价有较好的相关性。对于诸如铜版纸印刷、银盐照片，以及照片级打印等高光泽和中等光泽的样品，这种相关性更加突出，因而多在印刷和影像行业中采用。

但是，这种单一的45°方向条件对样品表面结构（如纹理特征）的方向性比较敏感，会造成测试结果的不确定性。为了减少这种影响，在45°方向上可使用环形照明或环形接收，分别记为45a/0和0/45a，如图2-5（c）、（d）所示。

（2）漫射型几何条件

基于漫射型几何条件设计的测色仪器，使用积分球，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，以及相反的过程，分别记为di/8和8/di，如图2-5（e）、（f）所示。这其中，又分为包含镜面反射光成分和排除镜面反射光成分两种情况，di/8和8/di为包含镜面反射光的情况，而图2-5（g）、（h）为排除镜面反射光的情况，分别记为de/8和8/de。

上面没有把互换方向区别对待，因为实际中所用到的一般材料，两者具有类似的性质和结果。对于特殊的材料，如荧光材料，几何条件是不能互换的。

CIE推荐的透射材料的颜色测量几何条件共有六种，如图2-6所示。

图2-6（a）为0°照明、0°接收；图2-6（b）为漫射照明、0°接收，包括规则透射成分；图2-6（c）则为漫射照明、0°接收，排除规则透射成分；2-6（d）为0°方向照明、漫透射接收，包括规则透射成分；2-6（e）则为0°方向照明、漫透射接收，排除规则透射成分；2-6（f）为漫射照明、漫透射接收。

3．几何条件的选择

在多媒体的色彩管理技术中，常要涉及多种材质和表面特性的反射样品和显示屏为代表的透光材料，这些样品的颜色测量结果要与目视评价具有好的相关性。一般应考虑下面的内容：

（1）样品的表面特性

光泽和纹理是材料主要的特性表面。如前所述，对于光泽较明显的材料，应排除镜面反射光的影响。一般来说，定向型的几何条件排除镜面反射成分彻底，在印刷、影像行业常被选用，且最好选择45°的环形条件。

对于光泽度很低的材料，镜面反射成分很少，可选择漫射型几何条件，可用于毛面纸、塑料、涂料、布面等颜色的测量。

（2）被测样品的性质

现在，作为硬拷贝输出的印刷、打印用纸张中，常加入荧光材料。用积分球测量含有荧光材料的样品时，照明光束的光谱功率分布会被样品的反射和发射光改变，所以，最好选用定向型几何条件。

此外，金属漆和珠光漆目前也常见于印刷及汽车行业。它们的颜色特性与一般吸收漆不同，在与镜面反射方向不同的夹角方向上反射光的光谱功率分布不同，无论是目测观测，还是仪器测量，结果都会有很大的变化，因此，其颜色特性与几何条件有更大的依赖关系。对这类样品色，常选用具有5个不同接收方向的多角度几何条件测量。目前的色彩管理体系中，还没有引入这样的颜色控制方式，因此不能应对含有该种颜色样品的体系。

（3）行业差异

不同行业都有自己的行业标准和习惯，应当遵守。色彩管理技术所用到的颜色测量仪器，为不同材料的样品提供了应用测量条件。在可选的情况下，要根据行业标准和颜色样品的特性加以合理选择。

2.2.2 标准照明体和标准光源

从2.1节内容已经知道，光照是物体颜色形成的基础，同一物体在不同的光源照明下会有不同的颜色呈现。物体颜色的三刺激值计算中也需要照明光源的光谱特性。因此，为了统一颜色的评价标准和进行色度计算，必须规范光源的光谱特性，对光源进行标准化。

CIE推荐了用于颜色测量、颜色评价的标准照明体和标准光源。

1．标准照明体

由于光源表现物体颜色的根本特性是其光谱功率分布，所以在物体色度计算中，光源的标准化实际上就是对光源光谱功率分布的标准化。因此，CIE定义了一系列相对光谱功率分布，称为标准照明体，包括标准照明体A、B、C和标准照明体D等。

CIE标准照明体A、B、C和标准照明体D系列的相对光谱功率分布如图2-7所示。

标准照明体A代表绝对温度T=2856K黑体（完全辐射体）的相对光谱功率分布；标准照明体B代表相关色温约为4874K的直射日光，光色相当于中午的日光；标准照明体C代表相关色温约为6774K的平均日光，光色近似阴天天空的日光；标准照明体D代表各时相日光的相对光谱功率分布。其中，标准照明体D65代表相关色温近似为6504K的重组日光的相对光谱功率分布，D50、D55和D75则分别代表相关色温为5004K、5503K和7504K的各时相日光的相对光谱功率分布。

色温和相关色温的概念来源于黑体的色光特性，即黑体的温度与所辐射能量的光谱分布，也就是与颜色感觉具有固定的关系，于是人们就用黑体的温度来表示光源的颜色。当某种光源的颜色（色品坐标）与某一温度下的黑体的颜色（色品坐标）相同时，就称此时黑体的温度为该光源的颜色温度，简称色温（color temperature）。但如果光源的颜色只能是最接近某个温度下的黑体的颜色而不能严格等同于某个温度下的黑体的颜色，则将黑体此时的温度称为该光源的相关色温。

CIE优先推荐照明体D65，应尽可能地采用它。当D65不能用时，推荐采用D50、D55、D75中的一种。

不同的行业、不同的环节采用的标准照明体是不同的。例如，印刷行业采用D50和D65；摄影行业则采用D55。实际工作中，应遵守行业标准要求。

此外，还有几个照明体要提一提：一是照明体C，虽然它现在不是CIE标准照明体，但许多实际的测量仪器和计算仍支持它；另一是照明体E，是可见光谱波段内为恒定值的光谱功率分布，称为等能光谱或等能白。

2．标准光源

上面介绍的标准照明体，是定义的相对光谱功率分布，不一定能用一个具体的光源来实现。这里的标准光源，则是指那些能够实现照明体相对光谱功率分布的物体光源，也称为CIE色度学光源。CIE推荐的人造光源有A、C等。

光源A为色温为2856K的充气钨丝灯。如果要求更准确地实现标准照明体A紫外辐射的光谱分布，则推荐使用熔融石英壳或带石英窗口的灯。光源C可由光源A加一组特定戴维斯-吉伯逊液体滤光器实现。

到目前为止，还没有人造光源被推荐为实现CIE D65照明体和其他D照明体。

工业生产中辨色要求精细，荧光材料的颜色测量，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照明体的模拟成为当前光源研究的重要课题之一。

因为日光具有锯齿形光谱功率分布，加上校正滤光器也只能在一定程度上近似模拟，精确的模拟是很困难的。现在正在研制的模拟D65的人造光源有：带滤光器的高压氙弧灯、带滤光器的白炽灯和带滤光器的荧光灯。其中，带滤光器的高压氙弧灯具有相对最好的模拟效果。

2.2.3 含荧光材料的颜色测量

荧光材料目前广泛应用于印刷、打印等硬拷贝输出行业。因此，含荧光材料样品的颜色测量具有重要的意义。之所以单独叙述荧光材料的颜色测量，是因为它与自发光物体和一般的非发光物体都有所不同。

首先，荧光材料只能在其他光源照射下才有光发射；其次，它不仅能反射或透射一部分照射光的光谱成分，而且，在照明光中紫外光的激发下，还能发射出可见光中一定成分的光谱。所以，荧光材料的颜色决定于它反射和发射的光谱总和。而在这两部分中，发射光谱往往起主要作用。因此，荧光材料的颜色测量比一般材料要复杂。

荧光材料的颜色特性也是用三刺激值等色度值表示的。沿着以往物体三刺激值测量的思路，如果应用分光光度的方式测量，仍旧是测量其光谱反射因数。

测量荧光材料的光谱反射因数最有用的测量方法是用复合光（包含激发荧光材料发射光的紫外光成分）直接照射样品，再用单色仪进行分光测量。在荧光材料的测量术语中，这样测量的光谱反射因数称为全光谱辐亮度反射因数，记为βT（λ）。由此，按常规方法计算三刺激值等颜色参数。

图2-8中βT（λ）曲线为一个含荧光材料黄色样品的全光谱反射因数。从图中可以看出，在500～550nm波长范围内，反射因数βT>1。这是荧光材料独有的特点。从原理上讲，在该波长范围内“反射”的总单色光能，包含这一单色入射光的反射部分（反射率小于1）和由紫外入射光激发的该单色光部分。这样，造成总的“反射”光能大于只计量该波长的单色入射光能，即出现了反射因数大于1的现象。

如果改用单色光照射，单一波长的光单独计量入射量和反射量，则不会在可见光范围内出现反射因数大于1的现象，因为没有计量进紫外光的激发光能。如图2-8中βC（λ）所示，为同一黄色样品的结果。

实际上，我们总在复合光（源）下观看各种样品。因此，这种材料样品颜色的测量应该选用复合光照射的全光谱反射因数的方法。而对于一般样品，复合光照明测量，还是单色光照明测量，结果都是一样的。

对于荧光材料样品，还有一个不能忽视的问题，即用复合白光照射，光源的光谱功率分布对全光谱反射因数的测量结果也有很大的影响。光源中所含有的不同的能够激发荧光材料发光的紫外成分，会附加不同的激发光谱能量在相应波长光的“反射”成分中。图2-8中的βT（λ）为在某个特定光源照明的效果，而图2-9所示则是分别在模拟D65标准照明体的D65光源和A光源照明下对同一样品的测试结果。

如果对荧光材料只关心在某一特定光源下的颜色效果，就要用该光源照明进行测试。否则，如同一般物体的颜色测量一样，照明光源也必须标准化。

一般选用D65照明体作为荧光样品测试的照明光源。要求模拟的D65光源，其光谱功率分布不仅在可见光范围内与D65标准照明体相同，且必须在能激发荧光的紫外区域也相同。实际应用中，一般用氙灯加滤色片来近似模拟，而对实际测量用的照明光源与理想照明之间的差异引起的误差进行校正。

色彩管理技术中所使用的分光光度测色仪器，对荧光样品的测试有不同的处理方式：一种是加紫外（UV）滤光片，拦截掉照明光源中能够引起样品光发射的紫外光成分，以避免荧光现象；另一种则是通常的不加UV滤光片，即可计量到荧光材料引起的发射光成分。如X-rite公司的DPT41分光光度计中，就有这样的不同选择。

除了分光光度仪器外，也有直接测量荧光样品三刺激值的光电色度计，不过在设计和制作上要求更多。要求仪器的测试光源直到紫外区，都须校正为具有D65照明体的光谱功率分布，探测器也要校正为具有CIE标准观察者的光谱三刺激值的特性等。

此外，无论选择什么测量方式的仪器，荧光样品的测量还必须注意选择适当的几何条件。如前面提到过，用积分球测量含有荧光材料的样品时，照明光束的光谱功率分布会被样品的反射和发射光改变，使测量结果偏离了标准光源条件。所以，最好选用定向型几何条件。但是，当用大的积分球、小的开孔时，对照明光束的影响可以忽略。因此，大的积分球还是可选的，但是积分球内壁的喷涂材料必须没有荧光物质。

2.2.4 颜色测量的注意事项

色彩管理技术依赖于对设备的颜色特性化，而颜色特性化过程离不开颜色的测量。在颜色测量时，要在被测物类型、结构纹理特性，以及精度要求等方面加以注意。

首先应该注意颜色样品的结构和纹理特性，合理地选择测色仪器的几何条件。如纹理特性较明显的颜色样品，应避免纹理的影响而选择漫射型几何条件。光泽度较高的样品，应避免光泽的影响而选择定向型几何条件。

其次，应注意颜色测量时所用的光孔尺寸，因为所有的分光光度计都通过一个光孔开口来测量光线实现计量色光。大多数用于色彩管理的分光光度计有1.7～16mm直径的测量光孔。小光孔适合测量那些颜色比较均匀的颜色样品，只有很小的面积就能实现颜色测量。对于色彩管理技术中常用的多色块颜色测量来说，可使用较少的输出材料。大光孔则在某些情况下有利。比如，当为很低加网线数的设备或打印机制作特性文件时，大光孔因可容纳足够多的油墨网点或墨点而保证测量的稳定性和准确性，若是小光孔，则容纳的网点或墨点数会不确定，从而造成颜色测量的欠稳定和欠准确。另一种情况，当对无涂层的水彩画纸或喷墨打印机使用的画布这种有“噪声”的颜色样品测量时，大光孔可以有效地柔化“噪声”。

再次，应根据样品的特性合理选择滤色镜和衬垫。

如前所述，对于含有荧光材料的样品，含有紫外光的照明光才能反映和测量其准确的颜色特征。对于色彩管理技术应用而言，对含有荧光材料的某些输出材质的颜色测量要格外注意。比如，有些纸张含有荧光增白剂，它在含紫外光的光源照射下，我们的眼睛看上去它会更白和更亮。但是，与我们的眼睛不一样，分光光度计没有这种适应的功能，它们在检测这类纸张时会显示偏蓝色。于是，在这样的认知下，特性化软件会采用增加适当黄色的方法来补偿这种偏蓝的效果，结果我们的眼睛会对这样的处理结果感觉偏黄，尤其是中间调到高光更加明显。

解决这个问题的方法之一是使用带有UV滤色镜的分光光度计，因为它可以滤掉产生荧光效应的紫外光，使仪器也认为纸白不偏蓝，即使这时的仪器“感觉”符合含紫外光照下眼睛的感觉。

还有一种滤色镜为偏光滤色镜，对测量高光泽的纸张颜色很有用，特别是光泽具有方向选择性的时候。测量染料热升华打印机的样张时，使用含有这种滤色镜的仪器更有效。

衬垫的使用在特性化颜色测量中也需格外注意。ISO标准中，测量样张或色标颜色时，推荐要在样张下垫上黑色的衬垫。但实践表明，在测量较薄或有些透明的样张时，垫上黑色的衬垫会人为地增大亮度的读数。除非最终的样张是在黑色衬垫下观察，否则它不能反映实际。因此，有人建议，在测量有些透明的纸张时，改用一叠相同材料的白纸做衬垫，或者用白色作为衬垫。使用白色衬垫也会略微使得测量值产生偏差，但要比用黑色衬垫小得多。有些测色仪器有黑、白两种衬垫选择，也有仪器只有一种白色衬垫。

最后要指出的是，要注意颜色测量的精度。建立设备颜色特性时，为了提高所建立关系的精度，常需要输出和测量大量的颜色，如果测量本身就不够准确，那么颜色的大量采集就失去了应用的意义。仪器的测量精度，一方面由仪器本身的测量原理、光路结构、光学元件性能决定，另一方面也与校正及维护密切相关。选择设计精度高的仪器当然最好，但也会受到投入成本的限制，要根据颜色控制的精度要求合理选择。就目前的分光光度计而言，大多都能够满足色彩管理技术要求，但使用中的问题是要保证在应用周期中精度的稳定性。更加需要注意的是，测色仪器的维护和正确使用，如定期校正，保持校准用白板的清洁，使用仪器特定的白板等。只有合理地选择仪器，并正确维护和使用仪器，才能保证颜色测量的精度，而这是任何颜色控制和管理的基础。

思考题

1．在色度学体系中，具有相同三刺激值CIEXYZ的颜色具有怎样的视觉特征？

2．三刺激值CIEXYZ与色品坐标CIExy在描述颜色属性上有何异同？

3．颜色的色差应在怎样的颜色空间中描述？给出具体的色差公式。

4．颜色测量常用哪两类仪器？测量原理有何差异？

5．理解测色仪器中不同的几何条件及其作用。

6．何为标准照明体？何为标准光源？CIE推荐的日光照明体有哪些？（相关）色温如何？

7．荧光材料有怎样的特性？怎样的光照明进行测量才能正确地反映这种特性？

8．发光和反光式样品的颜色测量应注意哪些事项？