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什么是色彩之測量顏色

2010-09-14

                                                                                       測量顏色
     如果我們不能描繪出我們期望看到的顏色感覺與我們實(shí)際沒量得到的值之間的相互關(guān)系，則前面介紹的所有關(guān)于顏色的知識(shí)，將會(huì)被歸為Fred稱之為“僅僅是有趣”的一類。色彩管理的整個(gè)目的就是能產(chǎn)生一種刺激（無論是一張照片或一頁雜志反射的光子），然后在觀察者眼中引起一種已知的響應(yīng)（一種特定的顏色感覺）。
     幸運(yùn)的是，我產(chǎn)能夠建立起顏色感覺與實(shí)際測量值之間的相互關(guān)系。由于許多人的不懈努力，不僅解開了復(fù)雜的人類視覺之謎，而且建立了復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型。為了處理和預(yù)測顏色，我們不僅需要借助于計(jì)算機(jī)，理需要這個(gè)數(shù)學(xué)模型。因?yàn)橛?jì)算機(jī)雖然是一種非常好的機(jī)器，但它卻只能處理1和0。我們首先應(yīng)當(dāng)了解測量光子數(shù)量的各種方法，以及測量值與感覺之間的關(guān)系，因?yàn)樗鼈儤?gòu)成了模型的基礎(chǔ)。

     我們不能真正地測量顏色,只能測光
     “測量顏色”只是一種組詞方式。我們已經(jīng)指出，顏色是一個(gè)包含了三個(gè)因素的過程：光源、物體和觀察者。但是，顏色只產(chǎn)生于觀察者頭腦之中。也許將來有一天，我們掌握了足夠的技術(shù)，同時(shí)也對(duì)人類的神經(jīng)系統(tǒng)有了充分的認(rèn)識(shí)，就可以探測出在我們頭腦中發(fā)生的所有復(fù)雜電化學(xué)過程，就能夠知道當(dāng)看到救火車的紅顏色時(shí)究竟在大腦中發(fā)生什么反應(yīng)。然而現(xiàn)在，我們所能做的只能是測量這個(gè)刺激，即進(jìn)入觀察者眼中并引起顏色感覺的光。我們的選擇僅能夠推斷響應(yīng)就是由那個(gè)刺激引起的。幸運(yùn)的是，由于幾代顏色科學(xué)家的工作，我們已經(jīng)能夠以相當(dāng)高的可信度做出這樣的推斷。
     我們使用三種主要類型的儀器來測量顏色的刺激，這些刺激由觀察者，也就是我們的客戶、消費(fèi)者及我們自己解釋為顏色感覺。這些顏色刺激都是通過已知光譜組成光的照明，并使光穿過樣品表面或在樣品表面反射，然后使用探測器去測量這個(gè)表面反射或透射的光。這個(gè)探測器只是一個(gè)光子計(jì)數(shù)器——它不能確定它所計(jì)數(shù)光子的波長——因此它必須過濾進(jìn)入探測器的光。這三種類型儀器——密度計(jì)、色度計(jì)和分光光度計(jì)的區(qū)別在于它們所使用的濾光器的數(shù)量與類型，以及所使用探測器的靈敏度。
     ?密度計(jì)測量密度，即反射面吸收光程度，或透明面允許光穿透的程度。
     ?色度（色差）計(jì)測量色度值，即模擬我們眼睛中錐體細(xì)胞響應(yīng)的數(shù)值。     ?分光光度計(jì)測量一個(gè)表面的光譜特性；換句話說，就是測量一個(gè)表面所反射或透射的每個(gè)波長光子數(shù)量的多少。
     密度計(jì)     密度計(jì)在色彩管理中扮演一個(gè)間接的，但很關(guān)鍵的角色。密度是油墨、紙張和膠片等材料吸收光的量度。這些材料吸收的光越多，密度就越高。我們使用密度計(jì)作為過程控制的一個(gè)工具，過程控制（很粗略地說）就是指保證各種設(shè)備按照我們的意圖去運(yùn)轉(zhuǎn)的技術(shù)與科學(xué)。在印前工序，我們使用密度計(jì)來保證膠片加工正確。在印刷車間，我們使用密度計(jì)來保證以合適的墨量來印刷。如果墨量太小，印品就顯得顏色太淺；而如果墨量太大，印刷機(jī)就變得不可控制，并且浪費(fèi)油墨。
     我們也使用密度計(jì)來校準(zhǔn)設(shè)備，用密度計(jì)調(diào)整設(shè)備，使它們達(dá)到更佳的工作狀態(tài)，就像對(duì)你的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整一樣。我們使用密度計(jì)來線性化激光照排機(jī)、印版輸出機(jī)和打樣機(jī)，以保證它們能夠準(zhǔn)確再現(xiàn)所要求的網(wǎng)點(diǎn)百分比。有些顯示器的校準(zhǔn)器也是密度計(jì)，盡管大多數(shù)時(shí)候是使用色度計(jì)或分光光度計(jì)來完成的。
     你也許從未使用過密度計(jì)，因?yàn)樗鼈兲珜I(yè)了，而且它們的多數(shù)功能可以由色度計(jì)或分光光度計(jì)來完成。但是，了解它們是如何工作的，還是非常有用的。
     反射率（R）與透射率（T）。

    密度計(jì)并不是直接測量密度值。相反，它測量的是照射在或穿過一個(gè)測量表面的光強(qiáng)度與到達(dá)儀器內(nèi)部探測器的光強(qiáng)度的比值。這個(gè)比值就叫做反射率（R）或透射率（T）。如果儀器測量的是反射材料，如紙張或印在紙張上的油墨，則測量的就是反射率；要是測量的透射材料，如膠片，則測量的就是透射率。
     密度計(jì)要使用與測量樣品顏色相對(duì)應(yīng)的濾色片來進(jìn)行測量，所以探測器實(shí)際上看到的只是灰色。例如，印刷車間使用的密度計(jì)中有一組特殊的濾色片，它們正好與青、品紅、黃和黑油墨反射的光譜相對(duì)應(yīng)。這就意味著，在測量顏色之前，你必須首先知道并準(zhǔn)確地告訴密度計(jì)將要測量的是什么顏色，要在密度計(jì)上選擇所測顏色相對(duì)應(yīng)的濾色片，然后才能測量。
     密度是一個(gè)對(duì)數(shù)函數(shù)。

    密度值是對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。之所以使用對(duì)數(shù)來計(jì)算，這里有幾個(gè)原因。第一，正如我們已經(jīng)講過的，人眼對(duì)光強(qiáng)度具有一個(gè)非線性的對(duì)數(shù)響應(yīng)，因此使用具有對(duì)數(shù)函數(shù)特性的密度值可以與我們感覺到處亮度值更好地相對(duì)應(yīng)。第二，密度值可以更好地與材料的厚度，如印刷墨層的厚度或感光膠片的乳劑厚度相對(duì)應(yīng)，這也是密度計(jì)要測量的主要參數(shù)之一。第三，對(duì)數(shù)標(biāo)尺可以避免在測量顏色很深的材料（如制版使用的照排膠片）時(shí)產(chǎn)生位數(shù)很多的數(shù)字。
   為了更好地理解密度的含義，我們?cè)O(shè)想有一個(gè)能夠100%反射入射光的表面，我們稱這樣的表面為完全漫反射體。這個(gè)表面的反射率R=1.0，因此密度值就是0。如果我們進(jìn)一步考察其他的一些表面，它們分別可以反射入射光的50%，1%，0.1% …… 因此，我們就可以得到下面的一系列數(shù)值：

     請(qǐng)注意表中是如何使用一個(gè)數(shù)字5.0方便地代表很長的數(shù)字0.00001的。
     密度計(jì)的特性之一就是可以測量一個(gè)很大的動(dòng)態(tài)范圍。事實(shí)上，其他設(shè)備（如掃描儀和打印機(jī)）、介質(zhì)（印刷品與膠片）、甚至是圖像（暗調(diào)的或高光的）的動(dòng)態(tài)范圍都使用密度單位來表示。通常用密度（density）的縮寫D或光學(xué)密度（optical density）的縮寫O.D.來表示。例如，掃描儀的動(dòng)態(tài)范圍用掃描儀可穩(wěn)定探測到的亮度值的小密度 Dmin 和大密度 Dmax 之差來表示。

     色度學(xué)
     色度學(xué)是一門預(yù)測顏色匹配規(guī)律的科學(xué)，這個(gè)顏色匹配的預(yù)測是基于具有典型代表性人類視覺基礎(chǔ)上的。換句話說，它的目的是建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，能夠預(yù)什么時(shí)候會(huì)產(chǎn)生同色異譜，而什么時(shí)候不會(huì)發(fā)生。一個(gè)成功的色度模型必須同時(shí)做到以下兩點(diǎn)：
     ?對(duì)于一個(gè)具有典型人類視覺觀察者看到的相匹配的顏色樣品，色度模型所給出的這兩個(gè)樣品的數(shù)值也要一致。
     ?對(duì)于一個(gè)具有典型人類視覺觀察者看到的有差異的一對(duì)顏色樣品，色度模型不僅應(yīng)當(dāng)給出不同的數(shù)值，而且應(yīng)當(dāng)能夠計(jì)算出色差，即預(yù)測出顏色樣品在觀察者眼中所感覺的顏色差別有多大。     當(dāng)前的顏色模型都是不完美的，但由于CIE的先期工作，他們的努力已經(jīng)足以構(gòu)筑當(dāng)前所有色彩管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。如果CIE色度學(xué)對(duì)你來講好似一鍋?zhàn)帜钢嗟脑?，你所?yīng)該抓住的關(guān)鍵點(diǎn)是，各種CIE模型使我們能夠用數(shù)值來代表具有正常顏色視覺的人實(shí)際看到的顏色感覺。與這個(gè)核心問題相比，其余的都是一些細(xì)節(jié)問題。但是如果你想真正了解色彩管理是如何工作的，以及為什么有時(shí)的工作達(dá)不到預(yù)期的效果，色度學(xué)的細(xì)節(jié)就會(huì)幫助你理解這些。因此，讓我們來看看色彩管理的核心——色度學(xué)中的CIE系統(tǒng)。
     CIE色度學(xué)系統(tǒng)。大多數(shù)現(xiàn)代色度學(xué)和所有當(dāng)前 的色彩管理系統(tǒng)都是基于CIE色度學(xué)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)包含幾個(gè)要素：
     ?標(biāo)準(zhǔn)照明體是一系列進(jìn)行大多數(shù)顏色匹配工作時(shí)所用照明光源的光譜定義。我們介紹了標(biāo)準(zhǔn)照明體A到F，而在印刷行業(yè)重要的兩種標(biāo)準(zhǔn)照明體是D50與D65。
     ?標(biāo)準(zhǔn)觀察者是指具有典型人眼視覺的觀察者對(duì)全部三刺激的響應(yīng)，或用通俗的話來說，就是我們所能看到的全部顏色。大多數(shù)色度計(jì)采用2∞（1931）標(biāo)準(zhǔn)觀察者，但還有一個(gè)10∞（1964）標(biāo)準(zhǔn)觀察者。后者是隨后采用較大的樣品得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因?yàn)檫@會(huì)照亮視網(wǎng)膜更寬的區(qū)域，于是產(chǎn)生稍微不同的三刺激值響應(yīng)。盡管你使用10∞觀察者的機(jī)會(huì)很少，但它又是非常重要的，有了它才能構(gòu)成完整的CIE色度學(xué)系統(tǒng)，如果我們不提到它的話，就是我們的失誤。
     ?CIE XYZ三原色系統(tǒng)是用標(biāo)準(zhǔn)觀察者三刺激值響應(yīng)巧妙地定義的三種假想的原色（這三個(gè)原色是假想的，它們不能與任何真實(shí)的光源顏色相對(duì)應(yīng)。事實(shí)上，不可能制造出一種僅讓我們的M或S錐體細(xì)胞產(chǎn)生響應(yīng)的真實(shí)光源，但是用這樣的假想三原色模擬的顏色感覺卻是真實(shí)的）。不僅是每一對(duì)同色異譜色具有相同的XYZ值，而且原色Y值學(xué)身兼二職，它還是錐體細(xì)胞的平均亮度函數(shù)——v，所以顏色的Y值還表示顏色的亮度。     ?CIE xyY色品坐標(biāo)圖是XYZ三刺激值的一種數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，是表示顏色彩色性質(zhì)的一種實(shí)用圖表。用它可以表示出顏色的相加關(guān)系，即用連接兩個(gè)顏色坐標(biāo)點(diǎn)的一條直線可以表示這兩個(gè)顏色的相加混合結(jié)果，以各種不同比例相加混合得到的顏色的坐標(biāo)位于這條直線上（見圖1-23）。然而一定要注意的是，XYZ和xyY不是關(guān)于人眼非線性視覺反應(yīng)的比例因數(shù)，因此圖中的距離是被變了形的。

     ?均勻顏色空間（LAB ，LUV）是CIE為了減少對(duì)顏色距離的變形而定義的色空間。這兩種色空間明度值L*的計(jì)算是完全一樣的，都近似是亮度值Y的立方根函數(shù)（比較接近我們對(duì)于光亮度的對(duì)數(shù)響應(yīng)）。這兩種色空間都試圖成為一個(gè)在顏色感覺上均勻的色空間，換句話說就是，空間中兩個(gè)點(diǎn)之間的距離預(yù)示了兩種顏色對(duì)于人類觀察者所呈現(xiàn)的顏色感覺差異的多少。其結(jié)果是，從這兩個(gè)均勻色空間中都可以得到類似色調(diào)、飽和度和亮度三種顏色感覺的量，以及（在L*a*b*色空間中）得到三相反色顏色視覺系統(tǒng)這些特性。在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中都使用LAB色空間，而較少使用LUV色空間，盡管它也并非完美（例如，它會(huì)夸大黃顏色之間的差別，同時(shí)低估藍(lán)顏色之間的色差），但它還是起到了非常好的作用。對(duì)更加均勻的色空間的需求一直存在，但迄今為止，LAB還處于主導(dǎo)地位。
     ?色差（△E）提供了一種簡單的方法來計(jì)算兩個(gè)樣品之間的顏色差別。如果你測量了這兩個(gè)顏色，將它們作為兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)繪在均勻色空間內(nèi)，然后計(jì)算這兩個(gè)點(diǎn)之間的距離，根據(jù)定義，這個(gè)距離就對(duì)應(yīng)了兩個(gè)顏色在人類觀察者眼中所感覺的差別。這個(gè)值叫做△E（應(yīng)讀做“delat-E”，它是希臘字母“D”的發(fā)音，我們通常用它來表示差別）。     色度計(jì)。色度計(jì)使用近似模擬人眼錐體細(xì)胞響應(yīng)的濾光器來對(duì)光進(jìn)行測量，然后以一種CIE模型形式給出數(shù)字結(jié)果。大多數(shù)色度計(jì)具有用戶可選的讀數(shù)類型，可以讓獲得CIE XYZ、CIE LAB、CIE LUV或其他不同色度空間的色度值，也可以測量兩個(gè)顏色樣品之間的△E值。
     雖然色度計(jì)讀數(shù)類型非常靈活，然而它們具有一個(gè)致命的局限性，就是必須要進(jìn)行特定色度測量條件的模擬。盡管有一些色度計(jì)具有不同照明體的轉(zhuǎn)換開關(guān)（例如，一個(gè)是D50，另一個(gè)是D65光源選項(xiàng)），但它們肯定是限定于一種特定標(biāo)準(zhǔn)照明體和一種特定標(biāo)準(zhǔn)觀察者。
     色度計(jì)不能探測出同色異譜。它們只能夠告訴你在特定的照明條件下兩個(gè)顏色樣品是否匹配，但是它們沒法說清這種匹配是不是在這個(gè)特定照明和觀察條件下的同色異譜，也不能告訴你兩個(gè)樣品是否真的是具有相同的光譜特性，是否能夠在所有照明體下都是相互匹配的。幸運(yùn)的是，對(duì)于大多數(shù)色彩管理用途來說，在一種照明條件下計(jì)算顏色匹配已經(jīng)足夠了。
     色度學(xué)與色彩管理。色度學(xué)是色彩管理的核心，因?yàn)樗刮覀兡軌虼_切地定義顏色就如同親眼所見一般。我們?nèi)粘Ｖ谱鲌D像、插圖及頁面文件所使用的對(duì)顏色數(shù)字化描述的方法，對(duì)所描述的顏色有很多不確切的地方，而色度學(xué)可以讓色彩管理系統(tǒng)排除了這種不確切。你將會(huì)看到色度學(xué)是如何通過色彩管理系統(tǒng)來計(jì)算那些我們發(fā)送給各種彩色復(fù)制設(shè)備，如顯示器、桌面打印機(jī)、打樣系統(tǒng)及印刷機(jī)的數(shù)字，以確保它們復(fù)制出理想的顏色的。目前，色彩管理以色度學(xué)理論為基礎(chǔ)的事實(shí)已經(jīng)被人們所認(rèn)可。

     分光光度法
     分光光度法是測量光譜反射率的一門科學(xué)。光譜反射率是被某一表面反射到儀器內(nèi)部探測器的每一波長光強(qiáng)度與入射到表面上的同一波長光強(qiáng)度之比。光譜反射率與密度計(jì)測量的并隨后轉(zhuǎn)化為密度值的反射率（R）有相似之處，但存在一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別。密度是一個(gè)表示全部反射或透過光子數(shù)量的單一數(shù)值。光譜反射率（透射）率是表示是在不同波長上反射（或透過）的光子數(shù)量的一組數(shù)值（見圖1-24）。印刷中所使用的分光光度計(jì)多數(shù)將可見光譜劃分為若干個(gè)10nm或20nm的波段，在每一波段測量出一個(gè)值。研究級(jí)的分光光度儀將光譜劃為更多、更狹窄的波段，有時(shí)能夠窄到2nm，但它們對(duì)于一般用途來說是過于昂貴了。

（圖1-24：一個(gè)同色異譜對(duì)）

     分光光度法與色彩管理。光譜數(shù)據(jù)可以直接用于印刷中，比如一些印刷廠家抽樣檢驗(yàn)所進(jìn)測墨的光譜特性，以確定油墨批次的差別。然而分光光度計(jì)更多地是用于色彩管理，即可以當(dāng)做密度計(jì)，又可以當(dāng)做色度地使用。
    相對(duì)于密度計(jì)和色度計(jì)所測量的量來說，分光光度計(jì)所獲取的是一組更為豐富的光譜數(shù)據(jù)。我們可以從光譜數(shù)據(jù)計(jì)算出密度與色度值，但是反之則不成。有了光譜數(shù)據(jù)，還可以確定是澡則同色異譜匹配，盡管色彩管理并不直接使用這一功能。
     在色彩管理中，分光光度計(jì)真正的價(jià)值在于即可以當(dāng)密度計(jì)又可以當(dāng)色度計(jì)使用，而且比專用密度計(jì)或色度計(jì)具有更多的功能配置。有時(shí)，專用的密度計(jì)或色度計(jì)可能更適用于一些特殊的用途，比如測量印前膠片所要達(dá)到的高密度，或特征化顯示器中紅色熒光粉非常尖銳的響應(yīng)曲線。然而在多數(shù)場合，分光光度計(jì)就是色彩管理的“萬能瑞士軍刀”。