如何准确测色，颜色测量的原理和方法

如何准确的测量颜色？标准的颜色测量方法是采用光谱光度测色仪，通过测量样品的三刺激值，从而得到样品的颜色。目前，基于各种原理的颜色识别传感器有两种基本类型：其一是RGB（红绿蓝）颜色传感器，检测的是三刺激值；其二是色差传感器，检测被测物体与标准颜色的色差。本文介绍了颜色测量的原理和方法以及颜色测量程中的影响因素。

颜色的基本特性：

颜色可分为彩色和非彩色两类。非彩色指白色、黑色及它们之间过渡的灰色系列，称为白黑系列。纯白色反射比为100%，纯黑色为0。非彩色只有明度的差异。彩色是指白黑系列以外的各种颜色。彩色除了有明度差异，还有色调和饱和度的差异。明度是人眼对物体表面的明暗感觉，光反射比越高，明度越高。色调是彩色彼此相互区分的特性，即：红、黄、绿、蓝、紫等。饱和度是指彩色的纯洁性，彩色含灰的成份越多，则饱和度越低。实验证明，每一种颜色都能用三个选定的原色按适当比例混合而成，称颜色匹配。三原色可以任意选定。与待测色达到颜色匹配时所需要的三原色的数量，称三刺激值。

颜色测量原理和方法：

标准的颜色测量方法是采用光谱光度测色仪，通过测量样品的三刺激值，从而得到样品的颜色。目前，基于各种原理的颜色识别传感器有两种基本类型：其一是RGB（红绿蓝）颜色传感器，检测的是三刺激值；其二是色差传感器，检测被测物体与标准颜色的色差。

1.RGB颜色传感器

RGB颜色传感器对相似颜色和色调的检测可靠性较高。它的测量原理示意图如下图所示。

在三个光电二极管上贴上三基色滤色片，三种光通过同一透镜发射后被目标物体反射，根据测出的数据求出颜色的成分。由于这种颜色检测法是通过测量构成物体颜色的三基色实现颜色检测的，所以精密度极高，能准确区别极其相似的颜色，甚至相同颜色的不同色调。RGB颜色传感器有两种测量模式：一种是分析红、绿、蓝光的比例。因为检测距离无论怎样变化，只能引起光强的变化，而三种颜色光的比例不会变，因此，即使在目标有机械振动的场合也可以检测；第一种模式是利用红绿蓝三基色的反射光强度实现检测目的，利用这种模式可实现微小颜色判别的检测，但传感器会受目标机械位置的影响。无论应用哪种模式，大多数RGB颜色传感器都有导向功能，使其非常容易设置。这种传感器大多数都有内建的某种形式的图表和阀值，利用它可确定操作特性，利用全色色敏器件及相关分析手段可以较精确地测定颜色，一般来说，它至少需要三个光电二极管以及三个相应的滤光器，以获得颜色的三刺激值，因此结构和电路都比较复杂。

2.色差传感器

在一些实际应用中（如分拣、质量监控等行业），并不需要确切了解被测物的具体颜色，而只需要对两个物体的色差进行识别与判断，区别出从一种颜色到另一种颜色的变化。例如，对家用电器、汽车外壳的色彩管理，对纸浆、油漆、彩色钢板等色彩进行读取和控制，只要检测出两种颜色存在一定的色差，就能将它们区分开来。色差传感器已发展出硅双结、光纤、有机材料等多种，由于其价格便宜，动态响应效果好，能实现在线实时测量，所以除染色等特殊行业外，工业上一般都采用色差传感器。

色差传感器有三种主要类型：

（1）硅双结型颜色传感器短路电流比与光强无关，几乎只与入射光波长相关。但色敏器件的输出电流很小，很容易受外界的干扰，因此需要对放大电路进行屏蔽。

（2）液晶颜色传感器是利用红外玻璃滤色片滤掉入射光中的红外成分，改变液晶两端的电压，可以改变液晶层中的非常光折射率ne，从而改变光强I（λ）。光电二极管检测到光强与存储在计算机中的颜色数据进行比较，就可知所测物体的颜色。

（3）光纤颜色传感器利用光纤束解决了普遍存在的光能量和光源散热问题，结构小而紧凑，便于安装，可实现在线检测，传感头高度密封，适于恶劣条件，具有可靠的抗干扰措施。

颜色测量的影响因素：

物体颜色信息十分广泛，颜色的确定需要色调、明度和饱和度三大要素或三原色（红绿蓝）的刺激值。影响颜色检测准确度的参数主要有：照射光、物体反射、光源方位、观测方位和传感器性能等，任何一个参数发生变化都会导致观察到的颜色发生变化。

1.光源的影响

照射光包含有太阳光和外界杂散光，太阳照射角度、云层厚度和其它天气条件都会导致照射光发生变化，从而导致被测物体颜色发生变化。

CIE（国际照明委员会）推荐了几种标准照明体和标准光源，制定了标准照明条件、测量条件和白色标准，以便各国的颜色参数能够交流、对比。照明光源的光谱功率分布与物体呈现的颜色有密切的关系。同一物体，在不同的光源照明下具有不同的颜色。

为了较为准确和规范地描述色调，CIE制定了4种标准光源，以统一色调值。这4种标准光源的名称见下表，在这4种标准光源中，常用C光源和D65光源，我国以D65为标准光源。

2.光源方位和观测方位的影响

光源方位，也就是被测物体指向光源的法线方向，它决定了有多少太阳光或外界杂散光作为入射光。观测方位是指被测物体指向传感器的法线方向。它决定了反射到传感器中的光强。光源方位和观测方位都是影响测量结果的因素。此外，照明光束的孔径和测量光束的孔径大小对颜色测量结果也有影响。将照明几何状态、照明光束的孔径、测量光束的孔径统称为照明和测量条件。在色度学中CIE推荐了45/0、0/45、d/0、0/d四种照明观测条件，国家标准局又增加了t/0、0/t两种照明观测条件，同一颜色物体在不同照明观测条件的仪器上测量结果是不一致的。

3.被测物表反射状况的影响

照明几何状态对测量结果会有很大的影响，绝大多数待测物体不是完全的漫反射体，表面有部分的规则反射。照射在物体上的辐射通量一部分被吸收，一部分可能透射过去，其余部分被有方向性地反射出来。被吸收的辐射通量转化为热能，透射部分朝着离开眼睛的方向传播，这两部分辐射通量对眼睛都不起作用，只有由物体从一定方向反射而进入到眼睛的那部分辐射通量才构成颜色刺激。因而同样的物体在不同的方向上有不同的反射或透射。

传感器探头与被测物之间的距离影响着输出信号，可能会造成不同颜色信号的交叉，形成测量误差，所以存在某一最佳距离对输出特性影响最小，以保证颜色与输出信号的一一对应关系。被测物表而的较明显凹凸区域也会给输出信号带来较大的误差，为此，有人先后提出了反射模型以弥补测量误差。