新色差公式CIE2000

新色差公式CIE2000 色差计可以帮助我们量化颜色并通过数据来进行精确的色差分析和交流。然而，在实际色彩控制应用过程中，有时我们会发现通过仪器得到的色差与实际视觉感官不太相符，为什么会这样呢？有什么能解决这个问题吗？答案是有的，这就是新的色差公式“CIE2000”，我们将在这一章节中对它进行详细说明。 CIE Lab（L*a*b*色空间）通过使用一个均匀的色空间来表示颜色，在该色空间中，亮度L*及色度a*和b*均被认为是均匀变化的。虽然色差的计算公式是基于人眼对色彩的视觉感官来定义的，但是对于一些色彩的评估，人眼的敏感度和ΔE*ab之间还是有些差异的，这是因为人眼对色差的辨别能力及范围与CIE Lab定义的ΔE*ab和Δa*b*是有着很大的差异的。 人类对于大自然中不同的色彩，辨别能力是不一样的，有些颜色即使是不一样的，我们也很难察觉，在色度图中这些给我们视觉感官一致但实际却不一样的颜色所在的区域，我们称为人眼辨别临界区。 下图为CIE Lab色空间图的部分，白色的椭圆代表了人眼对饱和度及色调这两个色彩参数的辨别临界区，换句话说，人眼无法辨别出同一椭圆内的颜色色差。 我们仔细的分析下这些白色的椭圆，不难看出人眼对CIE Lab色度图（L*a*b*色空间）色差辨别能力有如下四个特征： 1）人眼对饱和度高的色彩的敏感度较弱，因而，对这类色彩的色差辨别能力较差。低饱和度时的色彩，其白色椭圆变得接近于圆形，随着饱和度的增加，圆形在饱和度方向上渐渐拉长，在色调方向上渐渐变窄。这就表示虽然颜色的色差相对已经较大了，但人眼对色饱和度较高的色彩的分辨能力却在减弱。 2）色调不同，人眼对色调方向上的色差敏感度也不一样。我们看一下图中的椭圆A和椭圆B，A在色调为120度的位置（黄绿色）而B在色调为180度的位置（绿色），虽然两个位置的饱和度近似，但A椭圆在色调方向上更宽，而B相对较窄。这就表示与A点位置相比，人眼对B点的色调敏感度更高一些。 3）在亮度方向上的色差敏感度也会随着亮度的不同而发生变化。遗憾的是，由于亮度轴是正交于所示平面图，因此我们无法从图中看到在亮度方向上色差敏感度的变化趋势。但是，科学得出这样的结论：在亮度为50左右的地方，人眼的色差敏感度达到最高，不论是沿着更高或者更低的亮度变化，敏感度都是逐步递减的。 4）在蓝色区域内，人眼的分辨能力在方向上会有所改变。从图中我们可以看到，蓝色区域的白色椭圆的主轴不象其他颜色一样是从中心沿饱和度方向扩展。这就引起了使用色差计测量与人眼视觉评估之间存在的差异。从右图中可以看到， 用 表示的在CIELab（L*a*b*色空间）中评估色差的常用参数ΔE*ab，在各个饱和度及色调角条件下定义色差的方法都是一个完整的圆圈。另外一个色差常用参数，在图中用 表示的Δa*b*，其在色度图中定义色差的方法都是矩形，不论哪种定义方法、哪种形状，都是与人眼的色差辨别临界区（白色椭圆）有区别的。因此，在我们评估同样的两种颜色的色差时，人眼与色差计计算结果有矛盾和差异的主要原因就在于判断方法和定义形状上的差异。 由于人眼与色差计在色度图中不同位置的色彩评估方法和形状上的差异，引起了许多色彩评定时测量数据与目测结论不匹配的问题，CIE 2000色差计算公式的提出，就是为了解决这个问题和难题。 CIE 2000色差公式并不是创建了一个新的人眼辨别临界区均匀的色空间，而是重新定义了色差计算方法，使得在整个CIE Lab（L*a*b*色空间）中，色差计算值与人眼评估更为接近。新的色差公式在原色差计算公式基础上，另外特别引用了三个新的重量系数SL，SC和SH，分别代表了在亮度ΔL*、饱和度ΔC*和色调ΔH*方向上的差异程度。显然，这三个重量系数与亮度L*、饱和度C*及色调角h有关系。因此，新计算公式综合了在CIE Lab（L*a*b*色空间）中人眼的辨别临界区的特征，并为与人眼评估密切相关的三个参数：1）饱和度、2）色调及3）亮度独立设置了修正系数。 前面已经提到了，在CIE Lab（L*a*b*色空间）中评估色差的常用参数ΔE*ab和Δa*b*分别定义为圆圈和矩形。CIE 2000的色差参数ΔE00却是一个主轴在饱和度方向上的与人眼辨别临界区相接近的椭圆。在低饱和度的区域，重量系数SL，SC和SH都接近与1，使得整个椭圆更象个圆形。在高饱和度的区域，重量系数SC将比其他两个系数SL和SH变得更大，因此在饱和度方向上椭圆被拉得更狭长（饱和度的敏感度更低）。 在CIE 2000色差公式中，色调角的影响也被考虑在内。因此，新色差公式与前面提到的人眼对CIE Lab色度图（L*a*b*色空间）色差辨别能力的第四个特征相匹配：在色调角为270度（蓝色）的区域内，人眼的分辨能力在方向上会有所改变（饱和度方向上偏转）。 新色差公式也包含了三个常量参数KL，KC和KH，用户可以根据不同的测量对象或者色彩品质控制要求来自定义它们的数值，以获得更灵活的色差计算方式。 CIEDE2000色差公式 为了进一步改善工业色差评价的视觉一致性，CIE专门成立了工业色差评价的色相和明度相关修正技术委员会TC1-47（Hue and Lightness Dependent Correction to Industrial Colour Difference Evaluation）,经过该技术委员会对现有色差公式和视觉评价数据的分析与测试，在2000年提出了一个新的色彩评价公式，并于2001年得到了国际照明委员会的推荐，称为CIE2000色差公式，简称CIEDE2000，色差符合为 。CIEDE2000是到目前为止最新的色差公式，该公式与CIE94相比要复杂的多，同时也大大提高了精度。 CIEDE2000色差公式主要对CIE94公式做了如下几项修正： ① 重新标定近中性区域的a*轴，以改善中性色的预测性能； ② 将CIE94公式中的明度权重函数修改为近似V形函数； ③ 在色相权重函数中考虑了色相角，以体现色相容限随颜色的色相而变化的事实； ④ 包含了与BFD和Leeds色差公式中类似的椭圆选择选项，以反映在蓝色区域的色差容限椭圆不指向中心点的现象。 CIEDE2000色差公式如下： 其计算过程如下： 首先计算L*、a*、b*、 然后计算： 这里 ， 是一对样品色 的算术平均。 这里， 其中下标“s”表示颜色对中的标准色，“b”表示样品色。 式中的 、 、 是一对色样 L'、C'、 的算术平均值。 最后，由式（8-30）计算色差值。 在计算时，如果两个颜色的色相处于不同的象限，就需要特别注意，以免出错。如，某颜色样品对中标准色和样品色的色相角分别为90°和300°，则直接计算出来的算术平均值为195°，但是正确的应该是15°。实际计算时，可以从两个色相角之间的绝对差值来检查，如果该差值小于180°，那么应该直接采用算术平均值，否则（差值大于180°），需要先从较大的色相角中减去360°，然后再计算算术平均值。因此，在上述示例中，对于样品色先计算300°－360°＝－60°，然后计算平均值为15°。 以上基于对CIELAB公式改良的近期色差公式在数学上均采用椭球方程或其变形，并于椭球的边界来表示颜色的宽容量范围，再引入不同的参数来调节三个色差 、 、 在总色差 中的权重，以提高色差计算结果与目视评判的一致性。同时，所有这些公式都无一例外地建立在目视比较经验评色数据的基础之上。尽管有不少科学家提议从颜色的视觉机理出发，建立符合人眼视觉特征的真正的均匀颜色空间及其色彩评价模型，然而，迄今没有这样的颜色系统被提出。