颜色科学与技术I1课程设计.docx
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颜色科学与技术I1课程设计
《颜色测量与计算》实验报告
实验一用工具软件进行颜色计算、分析与比较
一、实验目的：
1.掌握各仪器及软件的使用，并利用其对颜色进行测量以及对测量数据进行计算、分析和比较；
2.利用样品光谱反射率曲线对不同颜色感觉与光谱反射率曲线的对应关系进行分析；
3.掌握色品图的绘制，并学会如何将样品置于色品坐标中；
4.了解显示器中不同饱和度的红绿蓝的色品点的分布情况。
二、实验仪器：
1.X-RiteSwatchbook分光光度计
2.X-RiteMonitorOptimizer色度计
3.Colorshop软件
三、实验内容：
1.测量反射物体的光谱反射率；
2.绘制所测样品的光谱反射率曲线，注意不同颜色感觉与光谱反射率曲线的对应关系；
3.绘制反射物体与标准光源S（入）作用以后的反射光光谱曲线（颜色刺激函数），与标准观察者函数作用以后的光谱曲线（锥体细胞颜色响应），说明各曲线的意义与在颜色形成过程中的作用；
4.计算D65照明体下样品的三刺激值X,Y,Z和色品坐标x，y，与加权函数计算的方法比较；
5.绘制CIE-xy色品图，并将样品色品坐标显示在xy色品图，说明坐标位置与颜色感觉；
6.将上述计算结果与直接测量数据进行比较；
7.测量显示器上的最饱和红绿蓝及其不同饱和度的原色梯尺XYZ三刺激值，计算其色品坐标xy和L*a*b*,并标在xy和
图中，并分析颜色感觉与坐标规律；
8.在显示器上测量RGB为（255,255,0），（0,255,255），（255,0,255）的颜色，标在xy和
图中，并讨论这些颜色三刺激值和色坐标与最饱和红绿蓝颜色的关系和规律。
四、数据测量与结果分析：
1.所测样品的光谱反射率如图1-1所示：
由图中可看出不同的样品有着不同的光谱反射率曲线。
这是因为对于相同的照明光源，这里是D65，不同的样品选择性吸收，反射不同波段的光，从而就造成了不同的光谱反射率曲线。
这些反射光作用于人的眼睛后，也就形成了不同的颜色感觉。
2.不同颜色感觉与光谱反射率曲线的关系。
不同色调的样品的光谱反射率曲线如图1-2所示：
图1-2表示的是三种色调不同的样品的光谱反射率曲线。
实际观察中，可看出m100呈品红色，y100呈黄色，c100呈青色。
从这三个样品的光谱反射率曲线可看出它们主要反射的光所在的波长不同：
m100主要反射600-700nm的光以及少量390-510nm的光，y100反射500-700的光，c100反射390-570的光。
由此可知不同色调的样品所主要反射的波段不同，亦即色调取决于光谱反射率曲线的波峰所在位置。
不同亮度的样品的光谱反射率曲线所图1-3所示：
上图展示了不同网点面积率的青色的光谱反射率曲线。
实际观察中，随着网点面积率的下降，亦即亮度的上升，青色块颜色变得越来越淡，越来越亮，渐渐接近于纸白，但是色调感觉（青色）没有明显变化。
又由图中观察出随着亮度的增加，光谱反射率曲线上移并且变得更为平坦，注意到反射率曲线下包围的面积也越来越大。
由于人眼受到的光的刺激越大，即光的辐射能量越大，感觉到的亮度就越大，又由于反射率曲线下方包围的面积表示光的辐射能量的总和，所以亮度越大，反射率曲线就越高越平坦。
由此可知30%的青色块比青实地色块的反射率曲线搞且平坦，正如图所示。
不同彩度的样品的光谱反射率曲线如图1-4所示：
上图展示了不同网点面积率的绿色以及承印纸张的原色的光谱反射率曲线，首先实际观察中可发现，随着网点面积率的下降，或者彩度的下降，以及完全没有印刷，色块的颜色越来越浅淡，直至到纸张的白色。
观察光谱反射率曲线，注意到其特征与不同明度的样品的光谱反射率曲线的特征类似，然后又注意到曲线也随着彩度的变化，变得越来越平坦，直至到纸白几乎是一条水平线。
因为彩度是描述颜色感觉中包含彩色成分多少的属性，也是颜色的纯洁性和鲜艳程度感觉的属性，因此，随着网点面积率的下降，纸张反射出来的，未被油墨吸收的白光也就越多，反映在放射率曲线上就是曲线变得越来越平坦，因为夹杂着越来越多除主波长外其他波长的光。
这里还注意到三个样品的亮度也越来越大，因为所选样品的颜色越来越淡。
3.反射物体在标准D65光源下的颜色刺激函数与椎体细胞颜色响应。
D65光源的光谱分布曲线如图1-5所示：
由D65光源的光谱分布曲线可知它自身的颜色特性。
样品与D65光源S（λ）作用以后的反射光光谱曲线（颜色刺激函数）如图1-6所示：
产生颜色感觉的要素之一是有光的存在，照明光源的颜色特性对观察颜色的效果有直接的影响。
能够引起颜色知觉的可见辐射的辐通量称做颜色刺激。
颜色刺激按波长的分布，称做颜色刺激函数，一般用
（λ）表示。
颜色刺激函数表示反射物体反射某种光源的反射特性，是进入人眼产生颜色感觉的色光的来源。
样品与标准观察者函数作用后的光谱曲线（椎体细胞颜色响应）如图1-7,1-8,1-9所示：
人眼的感光系统中有两种视细胞，分别为椎体细胞和杆体细胞，其中椎体细胞又分为感红、感蓝、感绿三种不同类型。
由于三种椎体细胞分别对不同波段的光敏感，由此对进入人眼的颜色刺激产生各种颜色感觉。
因此，形成颜色感觉要由光谱分布、物体光谱反射率及标准观察者函数同时作用后产生的颜色刺激进入人眼与椎体细胞作用最终形成颜色感觉。
4.利用颜色公式计算D65照明体下样品的三刺激值XYZ，和色品坐标xy，并利用加权函数的计算结果与之比较：
未加权的颜色计算公式：
其中k为归化系数:
利用加权函数的颜色计算公式:
色品坐标:
分别利用未加权的颜色计算公式与使用加权函数的颜色计算公式计算样品的XYZ，与色品坐标xy，结果如表1-1所示。
具体计算过程见附件EXCEL文件。
从表1-1中可看出，利用加权函数与不利用加权函数来计算样品的三刺激值，二者的结果有一定的偏差，且二者都与测量值偏差，但利用加权函数计算的结果则较为准确。
由于加权函数是将CIE标准照明体与CIE标准观察者函数的乘积事先计算好，并进行归一化列于表中，因此计算过程更为方便。
计算三刺激值时可直接将样品的光谱反射率乘以加权函数，再对波长积分，即可快速算出结果。
表1-1加权函数计算与普通计算之比较
CIEXYZ
CIExy
Colorname
X
Y
Z
x
y
普通颜色计算方法
M100
28.20
14.27
18.25
0.464
0.235
Y100
59.82
68.55
8.33
0.438
0.501
C100
13.59
18.09
60.90
0.147
0.195
利用加权函数计算
M100
28.27
14.30
18.25
0.465
0.235
Y100
59.88
68.55
8.33
0.438
0.501
C100
13.59
18.08
60.90
0.147
0.195
测量值
M100
28.27
14.30
18.23
0.465
0.235
Y100
59.88
68.55
8.33
0.438
0.501
C100
13.57
18.08
60.80
0.147
0.196
5.绘制CIE-xy色品图，在图中标出样品的色品坐标，说明坐标位置与颜色感觉：
CIE-xy色品图，及样品在色品图中的坐标如图1-10所示:
从图1-10中可见，各原色的计算值与测量值在色品图上坐标基本重合了，表明虽有偏差，但很小。
在色品图中，青色位于波长为470-490nm的区域上，品红色位于780nm与390nm连线的非光谱色区域内，黄颜色位于560-590nm的区域内。
白点在色品图中心，没有任何彩色感觉，只有亮度感觉。
6.显示器的红绿蓝及不同饱和度的梯尺的XYZ三刺激值及xy，L*a*b*
各原色梯尺在CIE-xy色品图中的位置如图1-11所示:
从上图中观察到，各原色不同饱和度的梯尺各自连成一条直线，并且随着饱和度的降低而相聚于色品图的中心，即白点。
由此可知光谱轨迹上的点代表的颜色的饱和度最高，并且随着离白点的距离越来越小而而降低饱和度，当在白点上时，饱和度就为零。
另外，由于三条直线代表三原色梯尺，因此白点与最饱和色的连线上的任何一点都与对应的饱和色同色调。
总结起来就是白点与颜色的连线的位置取决于颜色色调，连线上的点与白点的距离取决于饱和度。
各原色梯尺在L*a*b*图上的坐标如图1-12所示。
a*b*图中a*的正值代表红色的量，负值代表绿色的量。
b*的正值代表黄色的量，负值代表蓝色的量。
可见红色位于第一象限（红+黄），绿色位于第二象限（绿+黄），蓝色位于第四象限（蓝+红）。
又观察到随着饱和度的下降三原色梯尺的坐标逐渐靠近原点，说明饱和度越小，颜色的a*b*值越小。
但此处可见三原色梯尺并不相聚于原点，而是偏右上的位置，说明显示器的并未校准到标准白，该显示器的白色有点偏红色。
另外还注意到原色梯尺相邻的两点并不等距，说明相同的饱和度差值，会因颜色的不同而引起不同的色差，因此不能直接用饱和度的差值来表示色差。
7.显示器上青品黄的xy值与a*b*值。
显示器上的最饱和的RGB及CMY在CIE-xy色品图上的坐标如图1-13所示：
显示器可发出RGB三色，并由这三原色形成各种颜色，组成图像，因此显示器的色域又最饱和的三原色决定，上图的三角形就是该显示器的色域。
观察到CMY分别位于GB,BR,GR的连线上，这是因为CMY分别这三原色两两混合而成，根据格拉斯曼定律，任何两个非补色相混合，边产生中间色调，因此CMY位于RGB两两的连线上。
显示上最饱和的RGB与CMY在a*b*图上的坐标如图1-14所示：
从a*b*图中各颜色的坐标位置可见，黄色（255,255,0）并不在RG连线的中点上，偏绿色，类似地，品红色（255,0,255）偏蓝色，青色（0,255,255）则比较没有偏色。
对比xy图与a*b*图也可发现上述情况，在xy图中黄色点靠近绿色点，品红色点靠近蓝色点，青色点在处在绿色点与蓝色点连线的中间。
实验二测量某一品牌油墨的颜色特性
一、实验目的：
1.掌握仪器的使用，并利用仪器测量油墨及印刷品的密度（绝对密度和相对密度）和网点面积率。
了解印刷品网点呈色特性，熟悉不同油墨网点面积率印刷颜色的规律。
2.掌握如何测量样品的色差，学会如何用数量表示颜色感觉差异。
3.掌握并学会使用如何利用公式由密度计算网点面积率的方法。
二、实验仪器：
1.X-RiteSwatchbook分光光度计
2.Colorshop软件
三、实验内容：
1.测出油墨的青、品红、黄、红、绿、蓝、叠印黑实地色块和纸张的光谱反射率，用工具软件绘制其光谱反射率曲线，说明各原色吸收和反射的光谱范围，分析各原色与叠印色光谱曲线的关系和规律。
计算各颜色的XYZ和色品坐标xy，在xy色品图中绘制此种品牌油墨的色域；
2.选择一网点面积率的青、品红、黄各一色块，测量密度值，利用公式计算其网点面积率，说明测量和计算的方法并与仪器直接测量的网点面积率进行比较分析；
3.根据测量的单色梯尺各色块在D5照明体下的XYZ值和密度值，计算器色品坐标xy和L*a*b*值并标在xy和a*b*图中。
用XYZ值和密度值分别计算印刷网点面积值，并进行测量值和计算值的比较。
4.测量原色实地色块的密度并计算油墨的色纯度、色偏、色灰、色效率。
注意3,4中的应该使用绝对密度还是相对密度，如何测量绝对密度和相对密度；
5.选择两个颜色相近的色块，测量其在D65照明体下的XYZ三刺激值，利用色差公式计算两者间的ΔL*、Δa*、Δb*、ΔC*、Δh*及色差ΔE*ab并分析明度、彩度差异及偏色情况和实际色差感觉。
四、数据测量与结果分析：
1.某油墨的青品黄，红绿蓝，叠印黑实地色块与纸张的光谱反射率曲线及色品坐标，该油墨的色域。
油墨的青、品红、黄、红、绿、蓝、叠印黑实地色块及纸张的光谱反射率曲线如图2-1所示。
分析图2-1的光谱反射率曲线，可见纸张可反射大部分波长的可见光，除了蓝光的反射能力较差。
因此纸张有少少偏黄。
对于叠印黑实地色块，基本可吸收全部光，因此反射率极低。
青色的反射波段为390-570nm，主要吸收长波段的光
；品红色反射波段为400-450nm以及600-700nm，主要吸收中波段的光；黄色反射波段为500-700nm，主要吸收短波段的光。
红绿蓝则分别反射长、中、短波段的光。
对比CMY与RGB的光谱反射率曲线，可发现CMY的反射率曲线都比RGB的包围的面积要大，说明CMY的亮度更高，这是因为RGB是由CMY两两叠印而成，因此吸收的光会更多，导致亮度下降，这也是CMY三色叠印黑的光谱反射率在可见光范围内都很小的原因，总结起来就是叠印色越多，亮度越小。
其次，青色的反射率曲线包含着红色与蓝色的反射率曲线，说明青色光是由蓝光与绿光组成的。
类似地可说明品红色光由蓝光与红光组成，黄色光由红光与绿光组成。
各颜色的三刺激值XYZ与色品坐标如表2-1所示。
油墨的色域范围是由原色CMY及二次色RGB这六种颜色确定的，因此油墨的色域是由这六种颜色在色品图中的坐标所围成的六边形。
在这个六边形范围内的颜色，用该品牌油墨就可能复制出来，而在色域范围外的颜色，这种油墨就无法再现。
因此油墨的色域是一个与设备相关的色域。
该油墨的色域如图2-2所示。
表2-1各色实地色块及纸张的三刺激值与色品坐标
CIEXYZ
CIE-xy
Colorname
X
Y
Z
x
y
C
13.53
18.03
60.67
0.1467
0.1955
M
28.22
14.28
18.23
0.4647
0.2351
Y
59.89
68.57
8.29
0.438
0.5014
R
25.38
13.73
2.28
0.6132
0.3317
G
4.32
12.6
6.52
0.1842
0.5377
B
4.47
3.14
17.22
0.18
0.1265
CMY
1.97
2.51
2.77
0.2719
0.3463
PAPER
78.02
81.79
92.05
0.3098
0.3248
2.测量某一网点面积率的青品黄的密度值，并与计算值比较。
利用Murray-Davies公式可通过密度值测量值计算印刷品某处的网点面积率。
其中α为网点面积率DT为阶调密度的相对密度值，DS为印刷实地的相对密度值。
计算结果如表2-2所示。
表2-2样品的网点面积率
网点面积率
Colorname
理论值
计算值
测量值
C
60.0%
71.9%
72.0%
M
60.0%
67.4%
67.0%
Y
60.0%
73.6%
73.7%
从上表可见计算值与测量值相差并不大，因此该网点面积率的计算方法比较可信。
同时注意到计算值与测量值都比理论值大，表明印刷品存在网点扩大现象，这既有光学网点扩大的效应，也有因印刷工艺自身特性的而造成网点扩大的原因，例如印刷机压力过大。
3.测量某个原色单色梯尺的XYZ值和密度值，计算色品坐标及网点面积率，与测量值比较。
青色梯尺各色块在D65照明体下的xy色品坐标与L*a*b*值如表2-3所示。
表2-3D65照明体下青色梯尺色品坐标xy与L*a*b*值
CIEL*a*b*
CIE-xy
Colorname
L*
a*
b*
x
y
C100
53.85
-24.15
-53.64
0.1472
0.1991
C90
58.54
-23.72
-48.56
0.1641
0.2174
C80
63.92
-21.62
-42.17
0.1861
0.2378
C70
69.69
-19.28
-35.81
0.2078
0.2568
C60
75.47
-16.15
-29.5
0.2292
0.2735
C50
80.11
-13.17
-23.75
0.2473
0.2867
C40
84.25
-10.52
-19.14
0.2617
0.2965
C30
88.27
-8.02
-14.19
0.2756
0.3062
C25
90.2
-6.82
-12.11
0.2816
0.31
C20
90.77
-6.39
-10.89
0.2845
0.3122
C15
93.3
-5.06
-8.4
0.2912
0.3165
C10
95.85
-3.34
-5.55
0.2988
0.3211
C7
96.82
-2.65
-4.54
0.3015
0.3226
C3
98.77
-1.16
-2.05
0.3078
0.3262
根据表2-3的坐标数据，青色梯尺在CIE-xy色品图中的坐标及在a*b*图中的坐标如图2-3，2-4所示。
对比两图，发现随着网点面积率的下降，即饱和度的下降，青色的坐标越来越靠近白点，在CIE-xy图中是靠近（0.33,0.33）的白点，在a*b*图是靠近（0,0）的白点。
白点上只有亮度而没有色彩。
由于CIE-xy色品图是线性的，所以图中青色梯尺各色块的坐标点能连成一直线，而由于L*a*b*颜色空间是均匀的颜色空间，所以相对应的a*b*色品图并不是线性的，因此青色梯尺各色块的坐标点在a*b*图不能连成一直线。
利用三刺激值计算网点面积率的公式为：
其中XW,YW,ZW为纸张的三刺激值，XC,YC,ZC为单色实地的三刺激值，通常使用X计算青油墨的网点面积率，Y计算红油墨的网点面积率，Z计算黄油墨的网点面积率。
利用该公式以及上述的Murray-Davies公式就可以使用三刺激值或密度值来计算网点面积率。
该青色梯尺利用这两种方法计算的网点面积率如表2-4所示。
表2-4青色梯尺各色块网点面积率计算
Colorname
三刺激值计算网点面积率
密度值计算网点面积率
测量值
C100
100.0%
100.0%
100.0%
C90
95.1%
96.3%
96.3%
C80
88.0%
90.0%
90.2%
C70
79.1%
82.1%
82.3%
C60
68.4%
71.9%
72.1%
C50
58.3%
62.3%
61.9%
C40
48.3%
52.0%
51.8%
C30
37.7%
40.5%
40.6%
C25
32.2%
34.6%
35.0%
C20
30.5%
33.0%
33.0%
C15
23.0%
24.6%
25.4%
C10
14.8%
17.2%
16.6%
C7
11.5%
13.2%
13.3%
C3
4.7%
4.6%
5.7%
该青色梯尺的网点面积率曲线如图2-5所示。
从上图可以清晰看见在各阶调层次都有网点扩大的现象。
对比表2-4以及图2-5可以发现用密度值计算的网点面积率与测量值基本接近，在图2-5中表现为与测量值曲线的重合，而利用三刺激值计算的网点面积率小于测量值，误差比用密度值算的大，在图2-5表现为在测量值曲线之下。
4.测量原色实地色块，计算色纯度、色偏、色灰、色效率。
计算油墨的颜色特征的各种公式如下：
其中DH、DM、DL分别为颜色在RGB三种滤色片下测得的密度值由大到小的排列。
该品牌油墨的三原色的颜色特征如表2-5所示。
表2-5三原色的颜色特性
Colorname
色纯度
色强度
色差
色灰
色效率
C100
86.0%
1.79
19.5%
14.0%
77.7%
M100
78.6%
1.45
43.9%
21.4%
61.4%
Y100
89.3%
1.03
6.5%
10.7%
86.4%
从上表可以看出，该品牌黄油墨实地印刷的色纯度较高，色差、色灰也是最小的，由于色纯度和色灰是从纯度和灰度这两个侧面反映了油墨的饱和度，因此该黄油墨的饱和度较高，其色效率也较高。
色差反映了色调偏离理想色调的程度，可见色差最大的品红油墨，其色效率也是最小的，因此该品牌的品红油墨性能不是很优秀。
另外测量原色实地色块的密度来计算颜色特性要使用绝对密度来测量密度值，即使用相对于绝对白色测量的密度值。
测量前设置分光光度计为测量绝对密度模式，并对标准白板校准。
而之前用Murray-Davies公式计算网点面积率则要使用相对密度来测量密度值，即样品相对于纸张的密度，各密度值减去纸张密度后的密度值。
测量前设置分光光度计到相对密度测量模式，然后先测量样品的纸张密度，再开始正式测量样品。
5.选择两个颜色相近的色块，计算其色差。
计算L*,a*,b*,C*,h*以及色差ΔE的公式如下：
明度
色调角
彩度
色差
其中在D65照明体下Xn=95.04，Yn=100.00，Zn=108.88
颜色样品是来自两张不同种类的测试样张的青色实地与绿色实地。
样品的XYZ三刺激值及色差计算数据如表2-6所示。
表2-6颜色相近色块的色差计算
Colorname
C-1
C-IT8
G-1
G-IT8
X
13.53
17.60
4.32
8.15
Y
18.03
24.15
12.60
18.51
Z
60.67
64.80
6.52
10.49
L*
49.53
56.24
42.15
50.11
a*
-21.39
-26.37
-72.22
-64.46
b*
-51.59
-43.68
22.02
22.29
h*
67.48
58.88
-16.96
-19.08
C*
55.85
51.03
75.51
68.21
ΔL*
-6.71
-7.95
Δa*
4.98
-7.76
Δb*
-7.91
-0.27
Δh*
8.60
2.12
ΔC*
4.82
7.30
ΔE*
11.50
11.12
备注：
上表色差数据是由C-1的数据减去C-IT8相应数据得来。
实际观察中IT8色卡中的青色实地与绿色实地色块比样张1的对应色块颜色更加光亮，清淡，样张1的青色比较偏蓝紫色，而绿色更加绿。
由上表可见样张1的色块亮度较小，亮度差为负值，但彩度比较大。
又由上表a*与b*的差值可见样张1的青色偏向Lab颜色空间的第四象限，即蓝紫色，而绿色则更加绿。
实验三纽介堡方程的计算
一、实验目的：
1.掌握使用纽介堡方程方程计算不同网点面积率油墨叠印后的三刺激值的技术。
2.了解纽介堡方程方程计算值与实际测量值之间误差的原因。
二、实验仪器：
1.X-RiteSwatchbook分光光度计
2.colorshop软件
三、实验内容：
1.由实验二中测量的油墨青、品红、黄、红、绿、蓝、叠印黑实地色块及纸张的三刺激值，利用纽介堡方程计算：
使用该油墨和纸张情况下，不同网点面积率
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