同色异谱现象分析及解决方案探讨

 

作者:陈长春

[摘要]:

同色异谱是人类生产和生活中十分普遍的光学现象,本文通过色彩实验研究了颜色的同色异谱程度评价方法,提出在颜色匹配过程中解决同色异谱的有效方案。

[关键词]:

同色异谱、同色异谱现象、同色异谱指数、光源、色差、电脑配色系统

一.引言

光谱不同的两个颜色,在特定的照明体和观察者条件下,具有相同的颜色外观,颜色相匹配,这就是同色异谱色;当由于照明光源改变了,或者观察者改变了,或者两者同时改变,引起原来的同色异谱性质发生了变化,表现出不同的颜色而颜色数据不再匹配,这种现象叫同色异谱现象。我们通常配色都是同色异谱色,但需要尽量避免同色异谱现象。

二.同色异谱色

所谓同色异谱色,简单地说,就是颜色外貌看起来相同,但是光谱组成并不相同的颜色。也就是说两个样品所反射光谱组成成分不同,而颜色却互相匹配,它们有相同的三刺激值,在色品图上是同一个色品点[1]。在颜色匹配实验中,待测色与三原色的混合色在达到匹配时就是同色异谱色。图1展示了一对同色异谱色,在D50光源下颜色较为接近,但是在其它光源下,色差较大。


图1 同色异谱色

同色异谱色是怎么形成的?

根据格拉斯曼定律,颜色的明度、色调和彩度三个属性是人的视觉系统可以感知,但是无法感知组成颜色刺激的光谱成分。因此,人的肉眼只要在视觉效果上对这三个颜色属性的感觉相同,就认为是相同的颜色,便可以相互替代,不必考虑它们的光谱组成究竟是否相同 [1] 。

在做颜色匹配时,看两个颜色的反射光谱曲线,如图2所示,两条曲线是相互缠绕和相互交叉的,当两条曲线至少交叉三次时,很有可能存在一个光源,使得观察者将它们视为相同的颜色。两个样品的光谱反射率曲线交叉点越多,实现异谱同色的范围越广,能承受条件匹配的能力越强。如果交叉点无穷多,两者的光谱反射率曲线重合,那么不论在何种照明体下、不论是什么样的观察者观察时都是同色的[1]。


图2 反射光谱曲线

因为不同的染料、颜料,不同的基材都有不同的反射、吸收特性,会形成不同的反射光谱组成,所以,大部分的颜色复制是同色异谱色。纸张、织物和液体中的荧光增白剂也往往被不同光源的紫外线触发,而出现类似于同色异谱的现象。同色异谱色的应用很多,在印刷、油漆、涂料、印染,摄影、彩色电视等行业跟色、配色的问题,主要就是要求配出和已给样品“相同”的颜色。有些情况下,还会根据油墨颜料对光线的不同的吸收、反射能力,印刷出同色异谱色来达到防伪的目的。

要求配出“相同”的颜色并非难事,但是如果要配到光谱特性也相同,这是非常困难的,不能感知组成颜色刺激的光谱成分。图3是数码打样的应用场景。我们在数码打样时,由于打样纸、墨不同于印刷用的纸、墨,所以多数情况下就是利用的同色异谱色,在D50光源下可以获得较小的色差数据和匹配的颜色效果,但是切换不同的光源,有可能出现颜色不一致的情况。


图3 数码打样的同色异谱色

三.同色异谱指数

产生同色异谱现象是有前提条件的,首先对于特定的照明体和特定的观察者才能成立,其次当照明体或观察者发生变化,或者两者都发生变化时,便破坏了原来的同色异谱性质,表现出不同的颜色而不再匹配,才可以称为同色异谱现象。

对颜色的同色异谱程度评价方法一般采用同色异谱指数计算标准方法。这一标准方法为国家标准《同色异谱指数的测定改变照明体》(等效采用相应国际标准制定)所规定。该方法采用CIE标准观察者(10°视场),采用CIED65标准照明体为参比照明体,采用CIE标准照明体A和照明体F(荧光照明体)为测试照明体[2]。实际生产中可以根据不同需求采用不同的标准照明体进行评价。

同色异谱指数(MI: Metamerism Index)用来表示两个色样在两种不同光源条件下显示相同色差的可能性。以下为同色异谱指数(MI)的计算公式。

式中 ΔL*1、Δa*1、Δb*1为第一种光源条件下两个色样L*a*b*的差值,ΔL*2、Δa*2、Δb*2为第二种光源条件下两个色样L*a*b*的差值,如果两种光源下的ΔL*、Δa*、Δb*分别相等,则MI=0,即为全完相同的两个颜色;如果不相等,这意味着这两个颜色是同谱异谱色,可能会出现同色异谱现象, 差别越大,同色异谱现象就越明显。

图4为同色异谱指数的测量数据。在D50/2°条件下,ΔE*为0.74,这表明这两个色样的色差不大,大多数的应用场景下是可以接受的,但是在不同光源条件下的同色异谱指数则相对较大,比如在F2光源下同色异谱指数为3.08,颜色会有明显差异。这是典型的一对同色异谱色。


图4 同色异谱指数的测量数据

同色异谱指数越高,表明同色异谱现象会越明显。那么在实际生产过程中,如何评价同色异谱指数是高还是低呢?我们再看MI的计算公式,MI在大小与ΔL*2-ΔL*1、Δa*2-Δa*1、Δb*2-Δb*1有关,在两种光源下,ΔL*、Δa*、Δb*分别同号时,|ΔL*2-ΔL*1| < ΔL*1,|Δa*2-Δa*1| < Δa*1,|Δb*2-Δb*1| < Δb*1,所以MI<ΔE*(主光源下的色差),同色异谱指数相对较小;相反,当ΔL*、Δa*、Δb*分别不同号时,比如Δa*1>0,Δa*2<0,在光源1条件下比样偏红,而在光源2条件下不够红,这就会让操作人员无所适从,不知如何调整才能达到要求。所以,如果要控制同色异谱指数,至少要求MI<ΔE*(主光源下的色差),越小越好,同时在两种光源下,ΔL*、Δa*、Δb*分别同号。图5为同色异谱指数较低的情况,从图中数据可以看出,D50/2°条件下色差为0.96,其它三个光源条件下同色异谱指数分别为0.24、0.31、0.33,这意味着这两个色样在几种光源条件下都能很好地匹配。


图5 同色异谱指数较低情况

四.同色异谱现象的解决方案

虽然说大部分的颜色复制都是同色异谱色,但也不意味着都可以接受同色异谱现象,特别是专色,往往代表品牌形象以及表征产品的识别度,所以一般客户会要求在各种条件下都达到匹配,这无疑会给配色工作者带来挑战,因为人的颜色视觉系统只能分辨颜色的明度、色调和彩度三个颜色属性,不能感知组成颜色刺激的光谱成分。得益于测色技术、配色技术的发展,使用电脑配色,使人们“看见”颜色光谱成为可能,从而可以预见颜色配方是否会出现同色异谱现象。

电脑配色系统也是应用同色异谱色进行配色的方法,软件会计算多个配方,不同的基色组合所得到的反射光谱拟合程度也可能不同,但是在基色足够多,色域足够大的情况下,可以得到反射光谱拟合程度较高的配方。用户可以依据色差、价格、光谱偏差等因素选取合适的配方,若选择光谱偏差最小的配方,理论上可以得到一个几乎可以避免同色异谱现象的配方。

图6诠释了一个理论上比较理想的颜色配方:左边反射光谱对比图可以看出,理论配方和目标色的反射光谱几乎重合;中间的色差数据图显示了在D50/2°条件下色差较小,而且D65和A光源条件下,同色异谱指数也比较小;右边的颜色对比图中,每个柱状图由左右两部分组成,左半边为目标色,右半边为配方色,左右半边没有明显的分界,说明配方色与目标色没有同色异谱现象,是一个理想的配方。


图6 反射光谱拟合较好的颜色配方

图7则是另一种情况:从左边的反射光谱对比来看,反射光谱曲线有一定的差异;在D50/2°条件下色差较小,但是在A光源条件下,同色异谱指数达到1.4,说明在A光源下可能会产生同色异谱的现象;右边的颜色对比图中,A光源下色差为1.5,配方色和目标色之间有明显的分界,色差较大,有明显的同色异谱现象。若非考虑价格等因素,或者对于要求较高的颜色,不建议选取这个配方。


图7 反射光谱拟合不好的配方

五.结语

同色异谱色现象是视觉评估的常见误区之一,但计算机配色技术的发展,有助于使用不同色料、不同基材、不同工艺的各个行业实现色彩从设计到生产的一致成为可能。然而,我们需要借助相应的工具,尽量控制、避免同色异谱现象,尽量满足客户的颜色要求。

参考文献

[1]豆丁网.浅谈同色异谱现象及其应用 [EB/OL].[2020-02-10] www.docin.com/p-2306576575.html
[2]大中华印艺网.同色异谱程度的定量评价 [EB/OL].[2020-03-27] //www.cgan.net/book/books/print/packcolor/link/5-5-2.html


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