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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際沒量得到的值之間的相互關系，則前面介紹的所有關于顏色的知識，將會被歸為Fred稱之為“僅僅是有趣”的一類。色彩管理的整個目的就是能產生一種刺激（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（一種特定的顏色感覺）。
     幸運的是，我產能夠建立起顏色感覺與實際測量值之間的相互關系。由于許多人的不懈努力，不僅解開了復雜的人類視覺之謎，而且建立了復雜的數學模型。為了處理和預測顏色，我們不僅需要借助于計算機，理需要這個數學模型。因為計算機雖然是一種非常好的機器，但它卻只能處理1和0。我們首先應當了解測量光子數量的各種方法，以及測量值與感覺之間的關系，因為它們構成了模型的基礎。

     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。我們已經指出，顏色是一個包含了三個因素的過程：光源、物體和觀察者。但是，顏色只產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，同時也對人類的神經系統有了充分的認識，就可以探測出在我們頭腦中發生的所有復雜電化學過程，就能夠知道當看到救火車的紅顏色時究竟在大腦中發生什么反應。然而現在，我們所能做的只能是測量這個刺激，即進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就是由那個刺激引起的。幸運的是，由于幾代顏色科學家的工作，我們已經能夠以相當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表面反射或透射的光。這個探測器只是一個光子計數器——它不能確定它所計數光子的波長——因此它必須過濾進入探測器的光。這三種類型儀器——密度計、色度計和分光光度計的區別在于它們所使用的濾光器的數量與類型，以及所使用探測器的靈敏度。
     ?密度計測量密度，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）計測量色度值，即模擬我們眼睛中錐體細胞響應的數值。     ?分光光度計測量一個表面的光譜特性；換句話說，就是測量一個表面所反射或透射的每個波長光子數量的多少。
     密度計     密度計在色彩管理中扮演一個間接的，但很關鍵的角色。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。我們使用密度計作為過程控制的一個工具，過程控制（很粗略地說）就是指保證各種設備按照我們的意圖去運轉的技術與科學。在印前工序，我們使用密度計來保證膠片加工正確。在印刷車間，我們使用密度計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，印刷機就變得不可控制，并且浪費油墨。
     我們也使用密度計來校準設備，用密度計調整設備，使它們達到更佳的工作狀態，就像對你的汽車發動機進行調整一樣。我們使用密度計來線性化激光照排機、印版輸出機和打樣機，以保證它們能夠準確再現所要求的網點百分比。有些顯示器的校準器也是密度計，盡管大多數時候是使用色度計或分光光度計來完成的。
     你也許從未使用過密度計，因為它們太專業了，而且它們的多數功能可以由色度計或分光光度計來完成。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測量表面的光強度與到達儀器內部探測器的光強度的比值。這個比值就叫做反射率（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。
     密度計要使用與測量樣品顏色相對應的濾色片來進行測量，所以探測器實際上看到的只是灰色。例如，印刷車間使用的密度計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應。這就意味著，在測量顏色之前，你必須首先知道并準確地告訴密度計將要測量的是什么顏色，要在密度計上選擇所測顏色相對應的濾色片，然后才能測量。
     密度是一個對數函數。

密度值是對測量數據進行計算的結果。之所以使用對數來計算，這里有幾個原因。第一，正如我們已經講過的，人眼對光強度具有一個非線性的對數響應，因此使用具有對數函數特性的密度值可以與我們感覺到處亮度值更好地相對應。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應，這也是密度計要測量的主要參數之一。第三，對數標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）時產生位數很多的數字。
為了更好地理解密度的含義，我們設想有一個能夠100%反射入射光的表面，我們稱這樣的表面為完全漫反射體。這個表面的反射率R=1.0，因此密度值就是0。如果我們進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值：

     請注意表中是如何使用一個數字5.0方便地代表很長的數字0.00001的。
     密度計的特性之一就是可以測量一個很大的動態范圍。事實上，其他設備（如掃描儀和打印機）、介質（印刷品與膠片）、甚至是圖像（暗調的或高光的）的動態范圍都使用密度單位來表示。通常用密度（density）的縮寫D或光學密度（optical density）的縮寫O.D.來表示。例如，掃描儀的動態范圍用掃描儀可穩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
     色度學是一門預測顏色匹配規律的科學，這個顏色匹配的預測是基于具有典型代表性人類視覺基礎上的。換句話說，它的目的是建立一個數學模型，能夠預什么時候會產生同色異譜，而什么時候不會發生。一個成功的色度模型必須同時做到以下兩點：
     ?對于一個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樣品的數值也要一致。
     ?對于一個具有典型人類視覺觀察者看到的有差異的一對顏色樣品，色度模型不僅應當給出不同的數值，而且應當能夠計算出色差，即預測出顏色樣品在觀察者眼中所感覺的顏色差別有多大。     當前的顏色模型都是不完美的，但由于CIE的先期工作，他們的努力已經足以構筑當前所有色彩管理系統的基礎。如果CIE色度學對你來講好似一鍋字母粥的話，你所應該抓住的關鍵點是，各種CIE模型使我們能夠用數值來代表具有正常顏色視覺的人實際看到的顏色感覺。與這個核心問題相比，其余的都是一些細節問題。但是如果你想真正了解色彩管理是如何工作的，以及為什么有時的工作達不到預期的效果，色度學的細節就會幫助你理解這些。因此，讓我們來看看色彩管理的核心——色度學中的CIE系統。
     CIE色度學系統。大多數現代色度學和所有當前的色彩管理系統都是基于CIE色度學系統，這一系統包含幾個要素：
     ?標準照明體是一系列進行大多數顏色匹配工作時所用照明光源的光譜定義。我們介紹了標準照明體A到F，而在印刷行業重要的兩種標準照明體是D50與D65。
     ?標準觀察者是指具有典型人眼視覺的觀察者對全部三刺激的響應，或用通俗的話來說，就是我們所能看到的全部顏色。大多數色度計采用2∞（1931）標準觀察者，但還有一個10∞（1964）標準觀察者。后者是隨后采用較大的樣品得出的實驗結果，因為這會照亮視網膜更寬的區域，于是產生稍微不同的三刺激值響應。盡管你使用10∞觀察者的機會很少，但它又是非常重要的，有了它才能構成完整的CIE色度學系統，如果我們不提到它的話，就是我們的失誤。
     ?CIE XYZ三原色系統是用標準觀察者三刺激值響應巧妙地定義的三種假想的原色（這三個原色是假想的，它們不能與任何真實的光源顏色相對應。事實上，不可能制造出一種僅讓我們的M或S錐體細胞產生響應的真實光源，但是用這樣的假想三原色模擬的顏色感覺卻是真實的）。不僅是每一對同色異譜色具有相同的XYZ值，而且原色Y值學身兼二職，它還是錐體細胞的平均亮度函數——v，所以顏色的Y值還表示顏色的亮度。     ?CIE xyY色品坐標圖是XYZ三刺激值的一種數學轉換，是表示顏色彩色性質的一種實用圖表。用它可以表示出顏色的相加關系，即用連接兩個顏色坐標點的一條直線可以表示這兩個顏色的相加混合結果，以各種不同比例相加混合得到的顏色的坐標位于這條直線上（見圖1-23）。然而一定要注意的是，XYZ和xyY不是關于人眼非線性視覺反應的比例因數，因此圖中的距離是被變了形的。

（圖1-23：xy色品坐標圖）

     ?均勻顏色空間（LAB ，LUV）是CIE為了減少對顏色距離的變形而定義的色空間。這兩種色空間明度值L*的計算是完全一樣的，都近似是亮度值Y的立方根函數（比較接近我們對于光亮度的對數響應）。這兩種色空間都試圖成為一個在顏色感覺上均勻的色空間，換句話說就是，空間中兩個點之間的距離預示了兩種顏色對于人類觀察者所呈現的顏色感覺差異的多少。其結果是，從這兩個均勻色空間中都可以得到類似色調、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這些特性。在大多數實際應用中都使用LAB色空間，而較少使用LUV色空間，盡管它也并非完美（例如，它會夸大黃顏色之間的差別，同時低估藍顏色之間的色差），但它還是起到了非常好的作用。對更加均勻的色空間的需求一直存在，但迄今為止，LAB還處于主導地位。
     ?色差（△E）提供了一種簡單的方法來計算兩個樣品之間的顏色差別。如果你測量了這兩個顏色，將它們作為兩個坐標點繪在均勻色空間內，然后計算這兩個點之間的距離，根據定義，這個距離就對應了兩個顏色在人類觀察者眼中所感覺的差別。這個值叫做△E（應讀做“delat-E”，它是希臘字母“D”的發音，我們通常用它來表示差別）。     色度計。色度計使用近似模擬人眼錐體細胞響應的濾光器來對光進行測量，然后以一種CIE模型形式給出數字結果。大多數色度計具有用戶可選的讀數類型，可以讓獲得CIE XYZ、CIE LAB、CIE LUV或其他不同色度空間的色度值，也可以測量兩個顏色樣品之間的△E值。
     雖然色度計讀數類型非常靈活，然而它們具有一個致命的局限性，就是必須要進行特定色度測量條件的模擬。盡管有一些色度計具有不同照明體的轉換開關（例如，一個是D50，另一個是D65光源選項），但它們肯定是限定于一種特定標準照明體和一種特定標準觀察者。
     色度計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特定照明和觀察條件下的同色異譜，也不能告訴你兩個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。幸運的是，對于大多數色彩管理用途來說，在一種照明條件下計算顏色匹配已經足夠了。
     色度學與色彩管理。色度學是色彩管理的核心，因為它使我們能夠確切地定義顏色就如同親眼所見一般。我們日常制作圖像、插圖及頁面文件所使用的對顏色數字化描述的方法，對所描述的顏色有很多不確切的地方，而色度學可以讓色彩管理系統排除了這種不確切。你將會看到色度學是如何通過色彩管理系統來計算那些我們發送給各種彩色復制設備，如顯示器、桌面打印機、打樣系統及印刷機的數字，以確保它們復制出理想的顏色的。目前，色彩管理以色度學理論為基礎的事實已經被人們所認可。

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

（圖1-24：一個同色異譜對）

     分光光度法與色彩管理。光譜數據可以直接用于印刷中，比如一些印刷廠家抽樣檢驗所進測墨的光譜特性，以確定油墨批次的差別。然而分光光度計更多地是用于色彩管理，即可以當做密度計，又可以當做色度地使用。
    相對于密度計和色度計所測量的量來說，分光光度計所獲取的是一組更為豐富的光譜數據。我們可以從光譜數據計算出密度與色度值，但是反之則不成。有了光譜數據，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，分光光度計真正的價值在于即可以當密度計又可以當色度計使用，而且比專用密度計或色度計具有更多的功能配置。有時，專用的密度計或色度計可能更適用于一些特殊的用途，比如測量印前膠片所要達到的高密度，或特征化顯示器中紅色熒光粉非常尖銳的響應曲線。然而在多數場合，分光光度計就是色彩管理的“萬能瑞士軍刀”。