電子計算機配色系統的發展及配色原理

    1.計算機配色的發展情況

    在工業發達國家，與著色有關的行業，如紡織印染，染料、顏料、涂料制造業，塑料著色加工及油墨等行業普遍采用計算機配色系統作為產品開發、生產、質量控制及銷售的有力工具，普及率很高。如，國外的光學儀器公司近幾年研制開發了格靈達麥克貝斯油墨配方軟件Ink Formulation4.0，該軟件可為膠印、柔版印刷、網版印刷、輪轉凹印行業配制精確配方，具有自動生成配方、多通道計算速度快的特點，能夠快速配制低成本配方，軟件窗口界面友好，保證配方精確及一次配制的成功率。

     近10年來，我國陸續引進了各種型號的配色系統，但取得顯著效益的不多。國外研制的軟件是以歐美加工業的特點為基礎，色料品質相對穩定；而國內加工業雖然有自己的特點，但色料品質的穩定性相對差一些，加上目前色料的品種不斷更新，新型基材大量涌現，而國內外現有的配色系統對此缺乏靈活的調整能力，因此配色系統的實際應用遇到了困難。

     沈陽化工研究院從1984年開始研究配色系統，其中，思維式配色中文軟件，是國內較早的中文配色軟件。采用該軟件系統，與國產機配套總價格為整套系統的1/3，若與進口機配套，總價格為進口的1/2。該系統現已在70多個廠家使用，覆蓋了染料、印染、毛紡、針織、油漆、油墨、橡膠、壁紙等許多與著色有關的行業。此外，西安理工大學研制開發了采用彩色密度計與計算機聯機的密度電腦配色系統，具有推廣應用的方便性與廣泛性。從目前的發展態勢來看，計算機配色已經成為未來油墨配色中的一個重要組成部分。

    2.計算機配色的特點

    （1）可以減少配色時間，降低成本，提高配色效率。

    （2）能在較短的時間內計算出修正配方。

    （3）將以往所有配過的油墨顏色存入數據庫，需要時可立即調出使用。 

    （4）操作簡便。

    （5）修色配方及色差的計算均由計算機數字顯示或打印輸出，最后的配色結果也以數字形式存入記憶體中。

    （6）可以連接其他功能系統。例如：可以連接稱量系統，將稱量誤差降到最小；再現性提高，若工藝流程為連續式，可在印品上設置印品質量監視系統，當有任何異常情況發生時，就會立即停機，減少不必要的浪費。

    二、計算機配色原理及系統

    1.Kubelka-Munk理論及其局限性

    K-M理論早在1931年就已提出，但是直到1958年才開始成功地用于紡織印染行業，印刷行業應用該理論則始于20世紀70年代。

美國、日本等國家開發的計算機配色系統，基本上仍采用這個理論。
    通過對K-M理論的一系列推導，給出了適于配色計算的函數最簡形式及其導數形式：

    K/S=(1-r)2/2r

    r=K/S+1-[(K/S+1)2-1]1/2

    式中r代表波長下的反射率；K為吸收系數，代表在無限厚的平面介質中，擴散照明光入射后，微元厚度介質層對光的吸收率；S為散射系數，代表微元厚度對光的散射率。

    到目前為止，計算機配色（CCM）的基本原理仍然沿用K-M理論。例如光譜視覺匹配方法、計算機反射光譜法配色、電腦配色逼近算法等都是以K-M理論為基礎的。但K-M理論在實際應用中，其理論計算與具體實踐之間常出現差異，究其原因可歸納為兩個因素。

    ①K-M理論本身是在一定的假設條件下推導的。

    第一，設色層厚度為x，光照落在任一微元層dx時，不考慮界面引起的反射，其結果必定導致應用該理論的色層是浸沒在相同折射指數的介質中，這種為了使問題簡化而忽略界面上不同折射指數的算法，可能造成誤差。

    第二，dx是色層厚度x內的任一微元層，這樣求出的吸收系數和散射系數，使用時被認為整個色層是相同均勻的，但這種假定難以應用于消光或半消光的油化材料。

    第三，色層內的著色劑顆粒是混亂排列的，使色層內的光照成為一種漫擴散形式，顆粒完全浸沒在擴散效應中，產生上下兩個通道。但實際應用中，當顆粒存在于薄片形式的油化薄膜中，大多數呈水平方向排列時，將引起兩個通道光通量假定的破壞。

    第四，在薄色層上，光線來不及散射就已經進入色層內部，在暗色調處，相當多的光線在散射前已被吸收，所以這些進入色層的光束不呈擴散狀態，致使實驗結果出現較大差異。

    ②印刷行業在描述油墨疊加效果時必須考慮光與顏料顆粒的相互作用及油墨的物理性質。在實際應用中，應該說K-M理論中包含兩個雙常數，分別為吸收系數K和散射系數S,油墨對光的散射能力與基質的散射能力相比可以忽略，因而油墨的呈色原理主要是油墨對光的選擇性吸收，而油墨對入射光的吸收能力受油墨層厚度及油墨濃度的影響。K-M理論是以不透明介質為前提提出來的，而印刷中使用的油墨是透明性或半透明性的，因此，K-M理論有很大不足。

    2.利用三刺激值進行計算機油墨配色

    (1)三刺激值配色

    目前國內外的電腦配色系統所使用的數學模型以K/S函數為主流，針對K/S的局限性和印刷工業的特點，本文提出了利用三刺激值進行配色的方法。該方法不使用K/S值、反射率等表色指標，僅用三刺激值作為表色指標。

    在K/S理論的基礎上也可進行三刺激值配色，但需要分段建立K/S值與濃度的數據庫，研究三刺激值與濃度之間的關系，即三刺激值與網點百分比之間的關系。印刷中，轉換三刺激值與網點百分比之間的方法主要有用紐介堡方程轉換、用矩陣變化方法轉換和采用查找表轉換，本文選用色譜建立查找表進行轉換。

 (2)三刺激值配色原理

    根據CIE標準色度學系統，任何自然界的顏色均可用光譜三刺激值X、Y、Z來表示。目前大多數先進的測色儀器都選用這種色度系統，即任何物體的顏色都可用三刺激值X10、Y10、Z10表示。計算機配色的原理主要是利用同色異譜原理，即如果兩塊色樣的三刺激值X10、Y10、Z10分別相等，則二者為同色。

    用色譜建立的查找表描述了三刺激值與各色油墨網點百分比之間的關系。設某色樣由三種油墨a、b、c疊印而成，這三種油墨的網點百分比分別是l、m、n，則油墨a、b、c的配比是l∶m∶n，白墨占(1-l)+(1-m)+(1-n)。此配色系統采用CIE標準光源D65的和10°視場下的數據進行計算，同時利用CIELAB色差公式：ΔEab=[(ΔL)2+(Δa)2+(Δb)2]1/2計算標準色樣與配色樣之間的色差。

    我們可以看出，用三刺激值進行計算機配色可以使待配的色樣在特定光源下的顏色用數據表示出來，色樣的三刺激值和油墨配比之間存在對應的關系，可以用色差檢驗計算出配方是否符合要求。

    (3)三刺激值配色方法

    把色譜各色塊的三刺激值和各油墨的網點百分比輸入計算機，建立基礎數據庫。配色時，把目標色樣的三刺激值輸入到系統中，由系統計算出混合油墨及其比例，并輸出配方預測結果。當配色結果的墨樣干燥以后，再測出其三刺激值，由計算機根據色差公式計算出色差，做出進一步修正的指令，即可迅速配制出較高質量的同色異譜色。

    在色彩復制的質量要求上，根據國家標準對同批彩色裝潢印刷品的色差ΔE*ab的明確要求，本文選ΔE*ab≤3。

    色譜包括了常見的大部分顏色，對于在色譜內的顏色，可以直接查找得到油墨的配比，而不在色譜內的顏色，可以采取先在色譜內找到與其色差最小的顏色，然后通過線性插值法求解。

    3.計算機配色系統

    （1）配色系統的功能

    計算機配色系統是集測色儀、計算機及配色軟件系統于一體的現代化設備。計算機配色的基本作用是將配色所用油墨的顏色數據預先儲存在電腦中，然后計算出用這些油墨配得樣稿顏色的混合比例，以達到預定配方的目的。

    （2）配色系統的組成

    ①計算機配色系統的硬件部分

    計算機：使用Windows操作系統，硬盤存儲空間至少20MB；分光密度計；色譜。

    ②計算機配色軟件系統

    軟件主菜單：顯示配色系統軟件中各程序目錄，使操作者對該配色軟件有一個大概的認識，使操作者根據自己的目的對目錄中顯示的程序進行選擇和調用。

    基礎數據文件：使用Microsoft的Access建立數據庫文件，包括雙色套印、三色套印和專色套印3部分。

該文件包括基礎數據文件的建立、管理、數據處理部分及配方存儲程序。
    ③配方計算及修正

    調用此程序計算配色樣與標準樣之間的顏色差異，根據色差選擇配方，并對配方進行修正。

    配色系統軟件具有較強的人機對話功能，操作者可以根據計算機屏幕上的提示，輸入相應的參數及數據就能得到所需要的油墨配方。

    配色是一個涉及光色理論、油墨、紙張、工藝等多方面的復雜的技術工程，利用色譜進行三刺激值配色，克服了K-M理論的局限性，適合印刷行業的特點，減輕了配色人員的負擔，提高了產品的顏色質量、配色速度、精度，增加了經濟效益。雖然還有很多待完善的地方，如在不同光源下進行三刺激值配色所計算出的色差不同，配色精度與色譜的準確性有很大的關系等。但隨著計算機的不斷更新、儀器的更加精密、各種數學方法的不斷涌現和材料的逐漸規范化、數據化，計算機配色必然會顯示無比的優越性。