凌云光技术
新闻中心

联系电话:

您的位置: 首页 > 新闻中心 > 技术论坛 > 印刷色彩管理之颜色测量技术与颜...

印刷色彩管理之颜色测量技术与颜色视觉检测系统

来源:色彩学专家 刘浩学    日期:2016-11-18    点击次数:


颜色是决定印刷品视觉效果的重要指标,也是印刷过程控制的重要参数。印刷过程的颜色控制方法有很多种,最简单的,也是目前印刷企业最普遍采用的就是人工目视,凭借操作人员的经验来判断,对照印刷打样样张来对比颜色。显然,这种方法的主观性很强,与操作人员的经验关系很大,因此印刷质量很难稳定。
为了能够客观准确地控制印刷品颜色,人们希望找到一种能够客观和定量控制颜色的方法—颜色测量方法,制造了各种颜色测量仪器。下面就颜色测量仪器的原理、类型、功能进行简单的归纳。

颜色测量仪器

国际上通用的颜色表示方法是CIE颜色体系,符合该颜色体系的测量仪器就是颜色测量仪器。颜色测量仪器的本质是模拟人眼的颜色感觉过程,通过测量印品表面在特定条件下对可见光的反射/透射来计算颜色的感觉,其基本原理就是CIE颜色体系的基本计算公式:
(1)

式中,S(λ)是测量光源的光谱分布,通常根据实际需要选择某个CIE标准照明体,x(λ)、y(λ)、z(λ) 是CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值(或使用CIE1964补充标准色度观察者光谱三刺激值x0(λ)、y0(λ)、z0(λ),ρ(λ)是物体的光谱反射率(或光谱透射率),代表了物体的固有光学特性,是决定物体在该特定条件下颜色感觉的固有因素,k是归一化常数。依据实现式(1)的技术不同,颜色测量仪器分为了两类:

1)分光光度计

由式(1)看出,只要测得反射样品的光谱反射率ρ(λ)(或透射样品的光谱透射比τ(λ)),就可以计算得到三刺激值,得到对应的颜色感觉。分光光度计的测量精度高,测量功能强大,是目前印刷行业普遍使用的仪器。但是这种仪器结构复杂,需要测量各个波长上对应的反射率/透射率,因此必须具有分光的功能,属于光谱测量仪器。

2)光电色度计

如果利用光电转换器件的光谱积分特性来模拟式(1)的积分,可直接获得待测样品的CIE三刺激值XYZ。但是,由式(1)也可以看出,要模拟式(1)的积分结果,式中的照明光源光谱分布S(λ)和标准观察者函数x(λ)、y(λ)、z(λ) 的乘积也必须由仪器准确模拟才能得到准确的三刺激值XYZ,即,要满足如下条件:
(2)
式中S0)为仪器内部实际光源的光谱分布;S)为选定的标准照明体光谱分布,如D65,x(λ)、y(λ)、z(λ分别为X、Y、Z通道的校正滤色器光谱透射比; 为X、Y、Z通道的光电探测器的光谱灵敏度,这里假设各通道使用相同的光电探测器,是CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值(或使用CIE1964补充标准色度观察者光谱三刺激值),KX、KY、KZ是三个与波长无关的比例常数,即三个通道电路的放大系数,用来定标仪器。式(2)称为卢瑟条件,只有满足特定条件下的卢瑟条件才能得到该条件下的准确三刺激值。所以,光电色度计必须是针对特定照明和观察条件设计的,不能用一台仪器测量各种条件下的颜色,这也是为什么目前分光光度计应用更广泛的原因。
从成像原理上说,数字照相机的成像原理与光电色度计的原理基本一样,只不过数字相机不需要满足卢瑟条件,成像得到的结果是RGB而不是XYZ三刺激值。
从测量方法上看,目前使用的颜色测量仪器又可以分为单点测量和多点测量(扫描测量)两类。单点测量仪器主要用于质量检测和评价,通常测量的样品数量比较少,如测控条上的色块。而扫描测量仪器主要用于进行色彩管理使用,因为色彩管理需要测量大量的颜色样品,不能用单点测量仪器完成。
颜色测量仪器还可以划分为接触测量仪器非接触测量仪器两类。目前印刷行业中使用的仪器大部分都属于接触测量仪器,即仪器的测量孔径与样品贴合在一起,这样测量的好处是不容易受外界杂散光的干扰,有利于提高测量精度,但对于特殊的样品可能不能进行接触测量,如移动的样品。
严格说,非接触颜色测量仪器应该称为光辐射度计,仪器内部不配备照明光源,通常用来测量发光样品,如光源或显示器。如果用来测量反射/透射样品则必须配备外部光源。非接触颜色测量的被测样品范围更广,适应性更强,但也带来了受外界杂散光干扰等问题,必须严格控制。

值得注意的是,各种颜色测量仪器都是针对均匀色块进行测量的,不能够测量不均匀的颜色,如图像区,因为仪器都具有一定的测量口径,测量结果是所有进入到测量口径以内光的结果,如果样品颜色不均匀,测量结果就不精确或稳定,不同采样点的测量结果不会一样。

颜色视觉检测系统

由颜色测量仪器的讨论可知,数字相机的成像原理与光电色度计的原理相同,因此只要能够让数字相机采集图像的结果满足卢瑟条件就可以作为颜色测量仪器使用,这就是用视觉检测系统检测印刷品颜色的理论基础。
要想用视觉检测系统检测颜色可以通过两种方法实现与卢瑟条件的匹配。

1)通过硬件进行卢瑟条件的匹配

尽可能通过硬件匹配卢瑟条件是设计颜色视觉检测系统的首选方案,也是优先要满足的条件。理论上说,只要硬件能够匹配卢瑟条件就可以实现颜色的准确测量,但是通常受器件如光源、相机自身光谱特性的限制,要准确匹配卢瑟条件往往是不可能的,特别是相机的光谱特性通常是未知的,受相机结构的限制也不便于给相机各颜色通道添加修正滤色片。

2)通过色彩管理的方法进行颜色校正

可以将视觉检测系统作为一个输入设备进行色彩管理,实现相机RGB通道到CIEXYZ三刺激值的转换。由于输入设备色彩管理的方法已经非常成熟,实现这样的颜色转换非常的容易。为了加快计算速度,可以在实现色彩管理的基础上建立颜色转换查找表。实践证明,通过色彩管理后视觉检测系统可以得到比较准确的颜色转换。

值得说明的是,即使使用色彩管理方法进行颜色校正也应该首先尽可能实现卢瑟条件硬件上的匹配,因为这样可以避免大幅度的颜色修正,有利于提高色彩管理的计算精度。虽然通过色彩管理的方法可以实现比较好的颜色转换效果,但由于颜色转换需要增加额外的计算量,在计算速度上限制了该方法的实际应用。
颜色检测系统功能的考虑
颜色检测系统的最主要作用是进行印刷过程的控制,实现印刷过程的智能化。为此,颜色检测系统需要具备如下功能:
1)实时检测印刷品的颜色及与标准样张的颜色偏差;
2)诊断颜色偏差产生的原因,即印刷墨量的偏差;
3)给出墨量偏差的调整建议或直接反馈给印刷设备实现闭环控制。
应该说最后一个功能是颜色检测系统的终极目标,实现印刷过程的自动化。但是,实现这个终极目标还有很长的路要走。
目前市面上的检测系统大多都可以实现色差的检测,只是色差检测的灵敏度和精度可能还需要提高。由于大多数视觉检测系统都是由RGB三色相机构成,其检测颜色的准确度还有一定的局限,特别是对暗调颜色的检测灵敏度较低,误差较大。
为了解决颜色检测精度低的问题,有些检测系统采用了12通道的多通道相机,模拟分光光度计的测量方法。多通道相机在一定程度上提高了颜色检测的精度,但同时也带来了分辨率低,检测速度慢的问题,还需要进一步解决。因此,用多通道相机进行印刷品颜色检测是一种解决方案,但还有一段路要走。
第二个功能是颜色检测系统的关键。由于印刷品的颜色一般都是由多个颜色叠印形成,要从印刷颜色中判断出各混合色的墨量多少算法上有一定的难度。为此,目前比较成熟的方法是利用测控条检测。因为测控条上只有原色油墨的色块,没有混合色,因此只要检测出原色油墨色块的色差就很容易计算出原色油墨的偏差,实现墨量偏差的计算。但这种方法的局限性在于必须印刷测控条,这需要额外的纸张和油墨,意味着成本的增加,所以很多企业都不使用测控条,为这种检测方法带来了障碍。
如果不使用测控条,直接检测印刷图像,则可以提高检测系统的实用性,但需要有准确的分色算法,即从采集的RGB颜色中分解出CMYK原色油墨的数量。
在解决了第二个功能的基础上就有可能实现第三个功能。实现第三个功能的关键问题是不同的印刷方式供墨的方法不同,必须针对不同的印刷方式采用不同的墨量调节方法才能实现墨量的闭环控制或墨量的调整建议。
结束语
印刷过程的自动化和过程控制的智能化印刷技术发展的必然方向,符合国家的战略规划和工业4.0的发展方向,有利于提高印刷品的质量,降低生产成本,减少废品率。而印刷颜色视觉检测系统是实现这一目标的有力武器。

近年来,印刷视觉检测系统发展非常迅速,印刷品表面的缺陷检测已经比较成熟,各生产企业都将关注点转移到印刷品颜色的检测上。但是,目前印刷品颜色的检测技术无论在硬件上还是在软件算法上还有很多问题需要解决,谁能够率先突破颜色检测的这些瓶颈,谁就能够率先占领这个领域的制高点,赢得市场。


关注"凌云视觉检测"获取更多资讯