用于印刷品的宽幅面高光谱颜色测量系统研究
陈静雪1,2, 魏愉城3, 周建康1,2,*, 朱嘉诚1,2, 沈为民1,2
1. 苏州大学光电科学与工程学院, 教育部现代光学技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
2. 苏州大学光电科学与工程学院, 江苏省先进光学制造技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
3. 苏州大学计算机科学与技术学院, 江苏 苏州 215008
*通讯作者 e-mail: health@suda.edu.cn

作者简介: 陈静雪, 1998年生,苏州大学光电科学与工程学院硕士研究生 e-mail: 2390435103@qq.com

摘要

光照环境变化、 印刷材质差异、 相机彩色滤光片曲线或色彩响应偏差容易影响相机检测印刷色度测量值, 而高光谱成像仪可获取物体的自身反射率曲线并配合色度算法有效提升色度测量的准确性, 并可得到各种光照环境条件下的色度值。 基于印刷品色差检测需求, 提出以印刷品三原色混合反射率为基础建立成像色度测量系统各指标的三刺激值影响分析模型, 重要指标有信噪比、 光谱分辨率、 谱线弯曲、 色畸变等。 为降低非均匀性、 噪声及辐射标准传递影响, 摒弃传统成像光谱仪相对辐射定标、 绝对辐射定标而采用均匀间隔分布的标准漫反射板来直接建立物体反射率和仪器探测器像元响应的物理关系。 基于Offner型分光组件研制了推扫式宽幅色度成像装置(PBCID), 具有低谱线弯曲和色畸变的分光组件减免了校正处理, 并由分析模型和CIEDE2000色差公式得到该装置各指标引起的色差均小于0.3。 对比PBCID和参照仪器CM-700d测量24色标准色卡的颜色结果, 光谱精度和色度精度能够达到分辨精细印刷品色差的要求。 反射率定标后狭缝视场内光谱辐射响应均匀, 色度测量均匀性良好, 最大色差为1.02。 不同光源照明时PBCID测得各色块的平均色差为1.56, 表明使用研制的PBCID测量颜色时不受光源的影响。 本文提出的色度测量仪器指标影响分析模型和基于反射率板的定标流程为开发在线式宽幅成像色度仪器提供了设计依据和技术基础。

关键词: 印刷品颜色; 推扫式色度成像; 三刺激值影响分析模型; 色差; 反射率定标; 谱线弯曲和色畸变
中图分类号:O432.3 文献标志码:A
Research on Wide Format Hyperspectral Color Measurement System for Printed Matter
CHEN Jing-xue1,2, WEI Yu-cheng3, ZHOU Jian-kang1,2,*, ZHU Jia-cheng1,2, SHEN Wei-min1,2
1. Key Lab of Modern Optical Technologies of Ministry of Education, School of Optoelectronic Science and Engineering, Soochow University, Suzhou 215006, China
2. Key Lab of Advanced Optical Manufacturing Technologies of Jiangsu Province, School of Optoelectronic Science and Engineering, Soochow University, Suzhou 215006, China
3. School of Computer Science and Technology, Soochow University, Suzhou 215008, China
*Corresponding author
Abstract

Variations in lighting conditions, differences in printing materials, deviations in-camera color filter arrays, or color responses easily affect the colorimetric measurements of cameras when detecting printed colors. Hyperspectral imagers can obtain the intrinsic reflectance curves of objects and coordinate with the chromaticity algorithm to effectively improve the accuracy of chromaticity measurement and can obtain the chromaticity value under various lighting environment conditions. To meet the demands of detecting color differences in printed matter, a tristimulus influence analysis model for each index of imaging chromaticity measurement system was proposed based on the mixed reflectance of printed matter. Key indices of this imaging colorimetric measurement system include signal-to-noise ratio, spectral resolution, smile, keystone, etc. To reduce the effects of non-uniformity, noise, and radiation standard transfer, uniformly distributed standard diffuse reflectance boards are used to directly establish the physical relationship between object reflectance and instrument detector pixel responses instead of traditional relative and absolute radiometric calibrations of imaging spectrometers. A push-broom type wide-format colorimetric imaging device (PBCID) has been developed based on Offner-type spectrometer components, and correction processing is avoided due to its low smile and keystone. According to the analysis model and CIEDE2000 color difference formula, the color difference caused by each device index is less than 0.3. Comparing the color measurement results of the PBCID and the reference instrument CM-700d on a 24-color standard card, spectral and chromatic accuracy can meet the requirements of discerning fine print color differences. After reflectance calibration, the spectral radiance response within the slit field of view of PBCID is uniform, and the measurement chromaticity uniformity is good, with a maximum color difference of 1.02. The average color difference of each color patch measured by the PBCID under different lighting sources is 1.56, indicating that the PBCID's color measurements are not affected by the light source. The analytical model for instrument indices' impact on chromatic measurements and the calibration process based on the reflectance boards provide a design basis and technical foundation for developing online wide-format imaging colorimetric instruments.

Keyword: Printed matter color; Push-broom colorimetric imaging; Tristimulus value impact analysis model; Color difference; Reflectance calibration; Smile and keystone
引言

现代印刷品色彩丰富、 图案复杂、 品种繁多, 在线质量检测成为必然要求。 印刷品油墨污点、 图案缺陷很容易通过相机成像识别, 而色彩受到光照环境变化、 材质差异而显色不同, 且彩色相机自身存在的滤光片或色彩响应差异也会影响彩色相机测量色度。

宽幅色度测量技术能提高印刷品生产效率, 主要有滤光片法和高光谱成像法。 其中, 滤光片法有Bayer(或RGB)滤光片[1]和三刺激值滤光片[2]。 使用Bayer滤光片进行颜色测量时, 存在以下局限性: 无法满足Luther条件, 即光谱敏感度与人类视觉不同; 白平衡调整通常在RGB空间中进行, 即使引入颜色修正模型, 但光源的光谱分布并不明确, 简单的色温修正无法保障色度测量准确; 需将滤光片固定在探测器表面, 并与像元位置、 大小匹配, 为获得某个像元非自身颜色值时需要通过周边所获颜色对应像元的灰度值进行插值, 由此用在色度测量中不确定度增大。 三刺激值滤光片需安装在滤光轮上, 滤光轮的旋转振动以及曲线光谱透过率与CIE1931-XYZ光谱三刺激值的不匹配都会使仪器测量产生随机误差和系统误差。 光谱增强式测色仪器采用XYZ滤光片并搭配高分辨率的光谱仪及色度增强算法降低滤光片透过率偏差等造成的系统误差, 增加了系统的复杂性又降低了使用效能[3]。 因此, 滤光片法测量颜色信息偏差较大, 颜色匹配精度低, 无法保证多批次印刷品颜色测量结果的一致性。

高光谱成像技术是高光谱颜色测量系统的基础, 最早被用于遥感领域, 基于该技术的高光谱成像仪(hyperspectral imager, HSI)近年来被用于研究测量物体颜色。 J van Roy[4]等使用HSI测量番茄的颜色并对比了两种基于高光谱图像计算颜色的方法, 发现从光谱中按CIELab值计算颜色的直接法测量精度低, 涉及多变量统计的软建模法仅适用于模型训练过的物体。 Khan[5]等提出了利用HSI检测红辣椒中色素掺假的新方法, 使用支持向量机对500~700 nm波段内的苏丹红等染料的响应光谱进行分类, 实现了高达100%的检测准确率。 Wang[6]等发现在400~1 000 nm的光谱范围内, HSI结合人工神经网络的方法能有效监测大黄鱼鱼片在低温存储期间的颜色变化。 Zhang[7]等提出基于HSI和深度学习算法的智能棉布染色配方预测模型, 但该模型仅应用于活性红、 活性黄和活性蓝染色的白色粗棉织物。 Qiu[8]等评估了推扫式显微HSI系统的性能, 发现其可在微米级的高空间分辨率下检测颜色变化。 以上研究均使用HSI作为获取高光谱图像的工具, 并结合相关算法聚焦于提高颜色测量的准确性, 忽略了高光谱成像装置本身的性能参数以及光照条件等环境因素对颜色测量的影响。

本工作首先构建印刷品色度仪器指标需求分析模型, 确定了主要性能参数, 并由此研制了基于凸面衍射光栅Offner型分光组件的推扫式宽幅色度成像装置。 经过波长定标和反射率定标就可开展色度测量, 色板测量实验验证其用于印刷品颜色测量领域的可行性, 为高光谱成像技术在印刷品颜色测量的应用提供了理论参考和实验依据。

1 基于HSI的印刷品颜色测量
1.1 工作原理

成像光谱仪具有图谱获取能力, 通过归一化反射光谱数据处理可以反演各种照明条件下的物体颜色。 基于研制的成像光谱仪[9]构建推扫式宽幅色度成像装置(push-broom colorimetric imaging device, PBCID), 硬件主要由LED光源、 像方远心前置物镜、 Offner分光组件、 CCD探测器、 伺服直线移动平台和计算机组成。 LED光源提供均匀覆盖可见光范围的稳定照明, 并满足45° /0° 照明几何条件。 前置物镜对被照明的印刷品表面高清晰成像, 把收集的光信号汇集到分光组件的入射狭缝上。 Offner分光组件将入射的光线经准直、 分光、 汇聚后, 在探测器上可得到被测印品的一个条带的色散谱线。 狭缝在被测面的共轭长度形成成像幅宽, 伺服平台带动印刷品或仪器作相对扫描运动, 移动距离决定了成像幅长。 PBCID的测色处理流程如图1所示, 主要由光谱推扫成像、 仪器标定和色度数据处理组成, 一次推扫成像可得到一定幅面印刷品的二维空间和一维光谱信息, 通过横向移动多次扫描并拼接图像可得到更大幅面的三维光谱数据立方体。 波长定标的目的是定位PBCID探测器谱面各空间视场波长, 反射率定标是建立探测器灰度值和被测面反射率之间的关系。 由此可得到印刷品表面宽波段光谱反射率曲线, 然后进行色度处理。 色度处理部分主要开展积分计算, 将光源相对光谱功率分布A、 与光源无关的印刷样品的光谱反射率曲线B以及光谱三刺激值C=[ x-(λ ) y-(λ ) z-(λ )]相乘并积分得到三刺激值D(XYZ), 分别对应D-1、 D-2、 D-3三个曲线图中阴影区域的积分。 然后利用色空间计算公式或转化公式得到各点色坐标值, 后续可开展色差或色均匀性计算等处理。

图1 PBCID测色处理流程图Fig.1 PBCID color measurement processing flow chart

1.2 测色装置指标需求分析

PBCID具有高光谱成像探测能力, 可实现高标准色差区分。 色差探测能力受限于测试装置多个性能指标, 在此从信噪比、 光谱分辨率、 谱线弯曲和色畸变等方面进行理论分析和实验验证。

多种色料混合可得到色料光谱反射率R(λ ), 而PBCID获取到的印刷品表面的光谱反射率R0(λ )可通过色料光谱反射率R(λ )卷积仪器光谱响应函数IRF(λ )得到, 即

R0(λ)=R(λ)IRF(λ, λn)(1)

光谱弯曲的影响可以通过仪器光谱响应函数串扰来描述, 即有

R'(λ)=[(1-m)R0(λ)+mR'0(λ)]rectλΔλsLSF(λ)rectλΔλpPSFl(λ)(2)

式(2)中, ΢代表卷积, Δ λ s为狭缝像在光谱维的宽度, Δ λ p为探测器像元在光谱维的宽度, R'(λ )为相邻光谱通道的反射率值, m为光谱通道中心的偏移量。 狭缝像矩形函数rect(· )、 分光组件的光谱维线扩散函数LSFs(· )、 探测器像元矩形函数rect(· )以及前置物镜点扩散函数PSFl(· )四者卷积构成了PBCID的仪器光谱响应函数IRF

改变仪器光谱响应函数半高宽[10]并卷积颜料初始反射率来分析光谱分辨率的影响, 即有

R'(λ)=[(1-m)R0(λ)+mR'0(λ)]e-(λ-λi)/2σ)22πσ(3)

式(3)中, λ 表示探测器像面的空间坐标对应狭缝像的波长, λ i表示第i个光谱通道的中心波长, 参数σ 决定着高斯函数的外形和成像光谱仪的光谱分辨率FWHM=2 2ln2σ

色畸变会引起空间通道中心坐标的偏移, 其影响可以通过仪器空间响应函数串扰来描述, 与式(2)类似, 仅少了狭缝像矩形函数的影响。

通过以上公式可得到印刷品色度测量装置指标分析模型, 色度值即印品表面三刺激值XYZ可表示为

X=ks(λ)(R'(λ)+N)x-(λ)ΔλY=ks(λ)(R'(λ)+N)y-(λ)ΔλZ=ks(λ)(R'(λ)+N)z-(λ)Δλ(4)

式(4)中, k=100λs(λ)y-(λ)Δλ, s(λ)是光源相对光谱功率分布, x-(λ)y-(λ)z-(λ)是标准色度观察者光谱三刺激值, Δ λ 为波长间隔, N为随机噪声。 通过选取三个参数值可以分析其影响, 不同色度空间的计算公式可把印刷品三刺激值转换成不同的色度值, 如CIEL* a* b* 颜色空间中的L* 、 a* 和b* 值。

为确保分析的光谱反射率具有代表性而不失一般性, 选择标准印刷三原色作为研究对象, 并将Konica Minolta公司的CM-700d作为参照仪器, 其光谱范围为400~700 nm, 光谱分辨率为10 nm。 用CM-700d多次测量平均值作为对标基准值, 图2给出了印刷三原色的光谱反射率曲线。

图2 实验室测得的标准印刷三原色的光谱反射率曲线Fig.2 Spectral reflectance curves of the standard printing primary colors measured at laboratory

通过色度影响分析模型可独立评估各关键性能指标变化对色度(XYZ)的影响, 将之与标准值比较可得到色差Δ E00。 调整被测试参数固定其他参数, 得到模型输出的色度值变化。 分析中s(λ )取标准照明体D65的光谱功率分布, 光谱三刺激值选用CIE1964 XYZ补充标准色度系统 x-(λ )、 y-(λ )、 z-(λ )数据。 图3为得到的印刷三原色的色差Δ E00随信噪比、 光谱分辨率和谱线弯曲的变化。 信噪比为信号与噪声的比值[11], 电路噪声、 光子噪声、 杂散光等为主要噪声, 通过向光谱反射率数据中添加不同水平的高斯(正态)分布噪声N来模拟不同信噪比对颜色测量的影响。 图3(a)显示, 信噪比大于100时色差测量误差可控制在1左右, 当信噪比增大至216时, 色差影响小于0.3。 模拟光谱分辨率影响时反射率曲线的间隔小于1 nm, 通过积分改变光谱分辨率, 色度计算时的光谱间隔和光谱分辨率保持一致。 图3(b)显示色差Δ E00随光谱分辨率的增大而增大, 当光谱分辨率小于10 nm时, 色差小于1。 这也是商用分光色度计常采用的指标。 图3(c)显示色差影响随着中心波长偏移线性变化, 当谱线弯曲量(中心波长偏移)小于光谱分辨率的10%, 即0.3 nm时, 色差测量影响小于0.22。

图3 印刷三原色的色差随不同指标的变化
(a): 信噪比; (b): 光谱分辨率; (c): 谱线弯曲
Fig.3 Color difference of primary printing colors with respect to different parameters
(a): Signal-to-noise ratio; (b): Spectral resolution; (c): Smile

考虑到观测目标空间分布的不确定性, 色畸变的仿真难以采用谱线弯曲相邻光谱像元串扰的分析方法[12]。 选择三种不同浓度的印刷三原色组合作为研究对象, 如图4(a)所示, 空间通道1— 3为青色, 空间通道4— 6为品红色, 空间通道7— 9为黄色。 不同色畸变的影响通过引入相邻空间像元的偏移影响或者响应占比来模拟, 即将空间通道1和3的光谱引入到空间通道2中。 图4(b)为印刷三原色的色差随色畸变的变化, 随着keystone变量的增加, 色差Δ E00逐渐增大, 当其值达到空间单个像元的10%时, 色差已达到0.5。

图4 (a)标准印刷三原色九个空间通道的光谱反射率; (b)印刷三原色的色差随keystone的变化Fig.4 (a) Reflectance spectra of the nine spatial channels of the standard printing primary colors; (b) Color difference of printing primary colors as a function of keystone

2 实验部分

本节给出PBCID的构成, 并给出详细的仪器定标流程, 同时从光谱精度和色度精度两方面给出评估印刷品颜色测量性能和准确度的评价指标。

2.1 实验装置

图5所示为实验室搭建的PBCID示逾图。 该装置主要由自研的凸面衍射光栅Offner分光组件、 CCD探测器(Prosilica GT 1920, Allied Vision, Germany)、 23 mm像方远心前置物镜(OLE23-f/2.4, Spectral Imaging Ltd, Oulu, Finland), 两个LED线光源(Together Co., Ltd., Dongguan, China)以及伺服直线移动平台(GSHD-0062AEC-LTLM, GOOGOLTECH Co., Ltd., China)组成。 搭建的PBCID系统参数如表1所示。

图5 PBCID示意图Fig.5 The diagram of PBCID

表1 搭建的PBCID系统参数 Table 1 Parameters of the constructed PBCID system
2.2 仪器定标与测试

将汞镉灯作为波长定标光源, 使其正对成像光谱仪入射狭缝, 使用图6(a)所示装置采集到的原始光谱图像的中间列像元即汞镉灯光谱如图6(b)所示, 将已知汞镉灯谱线的波长与对应的像元位置进行线性拟合, 从而建立像元位置和波长间的对应关系[13], 在对7条特征光谱(由于钠黄双线576.959 8和579.066 3 nm的特征谱线紧邻, 计算误差较大予以舍弃)进行高斯曲线拟合, 得到其谱线半高宽即光谱分辨率平均值为(3± 0.2) nm。 对光谱维中间通道中心波长进行二次多项式拟合, 并计算拟合曲线中间像元处的切线斜率作为空间维倾斜角度正切值, 对所有光谱通道计算消除空间维倾斜后的中心波长偏移值作为谱线弯曲结果, 得到谱线弯曲量为0.14 nm, 即光谱分辨率的4.67%。

图6 (a)光谱定标实验现场装置图; (b)谱面中心一列像元的归一化汞镉灯谱线Fig.6 (a) Spectral calibration experiment platform; (b) The normalized spectral line of the center column pixel in the spectral plane

为有效缩短辐射定标传递链路, 提高定标精度, 采用“ 探测器-标准漫反射板反射率传递装置” 的辐射基准传递路径, 可直接建立探测器灰度值与被测面反射率的对应关系。 反射率定标实验是在Labsphere公司的标准漫反射板上进行的, 反射率分别为: 2%、 5%、 10%、 20%、 40%、 60%、 80%、 99%。 通过PBCID推扫获得暗噪声和各漫反射板的高光谱图像, 将漫反射板对应像元的响应灰度值扣除暗噪声, 并与官方提供的漫反射板反射率标准值进行线性拟合, 可得到反射率定标的增益与偏置值, 此时印刷品表面的反射率R(i, j) (λ )可表示如式(5)

Ri, j(λ)=ki, j(λ)dni, j(λ)+bi, j(λ)ki, j(λ)DNi, j(λ)+bi, j(λ)(5)

式(5)中, Ri, j为空间维第ij列像元的光谱反射率, dni, j(λ )和DNi, j(λ )为印刷品和标准白板表面各像素点的灰度值, ki, j(λ )、 bi, j(λ )为各像素点反射率定标的增益和偏置值。

将积分球调节至与LED光源一样的辐亮度, 对积分球光源连续多次拍摄, 计算出图像各个像素点的灰度平均值和标准差, 分别作为像素点的输出信号和噪声大小, 即可求得该亮度条件下成像光谱仪整体的信噪比分布, 得到的峰值信噪比为248。 将可调狭缝置于前置物镜的工作距离处, 垂直于分光组件的狭缝放置, 并被卤钨灯照亮。 通过沿狭缝方向不同位置处放置可调狭缝, 并比较各横线间距离沿光谱维的变化可计算色畸变的大小在工作波长范围内低于5.3%个空间像元。 系统性能参数测试结果及其造成的色差Δ E00列于表2中, 各项参数造成的色差均在0.3以内, 最大谱线弯曲和色畸变分别为0.14 nm和0.96 μ m, 对应光谱FWHM和空间维像元的4.67%和5.29%, 对色差测量影响明显, 需严格控制成像光谱仪的谱线弯曲和色畸变。

表2 PBCID系统性能参数测试结果及其造成的色差 Table 2 Parameters of PBCID system and the resulting color difference
2.3 评价指标

在颜色科学的光谱测量应用中, 通常会使用光谱精度和色度精度来评估测量的准确性。 光谱精度关注光谱曲线的一致性, 而色度精度基于人眼感知来评估光谱在特定条件下的颜色一致性。

光谱精度通过光谱均方根误差(RMSE)和光谱拟合优度系数(GFC)来衡量。 RMSE反映了各波长光谱反射率的平均数值差异, 而GFC则评估两条光谱曲线形状的相似度, 各自的计算公式如式(6)和式(7)

RMSE=1N(R1-R2)T(R1-R2)(6)

GFC=RT1R2RT1R1RT2R2(7)

式(6)和式(7)中, R1R2分别代表标准仪器与高光谱颜色测量系统所测得的光谱反射率向量, N为波长范围, T表示转置。 较低的RMSE值表明两条反射率的整体误差较小, 而接近1的GFC值则表明两条曲线的形状非常匹配。

色度精度则用色差Δ E00和均匀性系数(UL)来评估。 色差Δ E00衡量两个颜色之间的差异, 均匀性系数评估同一颜色在不同区域或角度上的颜色一致性。 均匀性系数(UL)定义为

UL=1M×N-1i=1Mj=1N(CHi, j-1M×Ni=1Mj=1NCHi, j)2(8)

式(8)中, MN分别为空间维像元的行数和列数, CHi, j为第ij列像元的亮度或色度值。 UL值越小, 颜色分布越均匀。

3 结果与讨论
3.1 准确性

为验证PBCID用于颜色测量可行和色度准确, 以高精度测色仪测量数据作为参考, 比较参考仪器和PBCID在反射率和色度测量方面的差异。

首先比较PBCID和参考仪器CM-700d测量X-Rite ColorChecker-classic 24色色卡的反射率曲线的一致性。 PBCID多次测量得到各色块的平均光谱反射率曲线如图7实线所示, CM-700d测得结果如图7点划线所示。 可以发现中间波段(420~700 nm)各色块的光谱反射率形状和幅值与CM-700d测得结果较为一致。 两边波段(390~420和700~740 nm)受随机噪声影响导致光谱反射率曲线重合度较差, 但LED光源和CIE光谱三刺激值曲线在两边波段的响应很低, 对颜色测量影响很小。 这表明PBCID能够准确测量被测物表面的真实光谱特性。

图7 24个色块的平均光谱反射率曲线
(a): No.1— No.6; (b): No.7— No.12; (c): No.13— No.18; (d): No.19— No.24
Fig.7 Average spectral reflectance curves of 24 color patches
(a): No.1— No.6; (b): No.7— No.12; (c): No.13— No.18; (d): No.19— No.24

两台仪器测试24个色块的光谱差异结果如图8所示, 左轴为光谱误差指标RMSE值, 右轴为GFC值。 24个色块的平均RMSE为0.042 1, 平均GFC为0.985 1, 两个仪器得到的光谱曲线在各波长上的平均数值差异小, 且两条曲线的整体形状相似度高, 表明PBCID测量色块反射率曲线具有高准确性。

图8 24个色块的光谱误差指标RMSE和GFC分布Fig.8 Distribution of spectral error metrics RMSE and GFC for 24 color patches

计算PBCID扫描标准色块的色度值, 并与参考仪器测出的色度值比对, 验证其测量色度的准确性。 使用CIEDE2000色差公式计算PBCID得到的各色块的平均Lab值与参考仪器测试值之间的色差Δ E00, 并评估各色块不同区域的颜色均匀性。 图9给出了24个色块的色度误差指标色差Δ E00, 24个色块的色差范围为0.14~3.2, 其中只有个别色块的色差超过了3.0, 而其他色块的色差都在3.0以下, 平均色差为1.631 6。

图9 No.1— No.24号色块的色度误差指标Δ E00Fig.9 Chromaticity error index Δ E00 of color patches No.1— No.24

宽幅图像是由成像光谱仪推扫而成, 仪器的空间一维辐射响应决定了宽幅图像的均匀性, 非均匀性在遥感图像中表现为条带噪声, 而PBCID经过反射率定标已基本消除辐射响应条带。 为评价系统辐射响应非均匀性对色度测量的影响, 可测量均匀色板在一维狭缝视场(FOV)边缘位置和中间位置的色度值差异。 图10(a— c)和表3分别为PBCID推扫印刷三原色得到边缘视场(狭缝两端位置, 归一化-1和1视场)和中间视场(狭缝中心位置, 归一化0视场)的光谱反射率曲线和对应的三刺激值, PBCID在边缘视场和中间视场得到的印刷三原色光谱反射率曲线重合度良好, 边缘视场相对中间视场三刺激值XYZ偏离最大值分别为1.89、 2.29和2.19, 色差Δ E00最大值为1.02、 0.94和0.87, 可见整条狭缝视场内的色度均匀性较好。 图10(d)为24个色块的色度误差指标均匀性系数UL的分布关系, 平均亮度均匀性UL_L为0.108 3, 平均色度均匀性 UL_a+UL_b2为0.206 1。 系统在颜色测量上的精度基本满足了设计要求Δ E00≤ 3.0, 同时具有相对较高的平均亮度均匀性和色度均匀性, 能够提供可靠且准确的颜色测量结果。

图10 系统均匀性评价
(a): 青色边缘视场和中间视场的光谱反射率曲线; (b): 品红色边缘视场和中间视场的光谱反射率曲线; (c): 黄色边缘视场和中间视场的光谱反射率曲线; (d): NO.1— No.24号色块的色度误差指标的分布关系
Fig.10 System uniformity evaluation
(a): Reflectance spectra of the cyan obtained by PBCID at -1, 0 and 1 FOV; (b): Reflectance spectra of the magenta obtained by PBCID at -1, 0 and 1 FOV; (c): Reflectance spectra of the yellow obtained by PBCID at -1, 0 and 1 FOV; (d): Distribution relationship of color difference indicators UL for 24 color patches

表3 PBCID推扫印刷三原色得到边缘视场和中间视场的三刺激值 Table 3 Three tristimulus values of the three primary colors obtained by PBCID at -1, 0 and 1 FOV
3.2 光源敏感性

光照环境变化不影响标准色度仪器色度测量, 才能有效控制印刷色度一致。 在标准灯箱的不同光源下, 对比PBCID测得各色块的平均Lab值与标准值之间的色差Δ E00, 来证实PBCID在各种照明环境下颜色测量的有效性。

在搭建的实验装置的基础上, 将标准灯箱置于被测物正上方, 打开标准灯箱选择D65光源, 然后预热30 min, 待光源稳定后将标准24色色卡贴在导轨带动的固定平台上, 并关闭实验室内除标准灯箱光源以外的其他光源, 暗适应5 min后, 开始拍摄图片, 便可得到色卡表面各像元的Lab值, 将各色块的平均Lab值作为该色块的颜色测试值。 在同样条件下, 可得到其他五种光源下各色块的颜色测试值, 最后可计算出六种光源下各色块的颜色测试值与CM-700d测得的标准值之间的色差, 结果见表4。 六种光源条件下的测试结果显示, PBCID的平均色差为1.65, 对光源变化的鲁棒性强, 对印刷行业中提高色彩一致性的需求至关重要。

表4 PBCID拍摄的不同光源下各色块的平均色差 Table 4 Average color differences of each color block captured by PBCID under different light sources
3.3 宽幅印刷品推扫色度成像实验

利用PBCID单次扫描46.5 cm× 20.8 cm的印刷品[如图11(a)所示], 通过拉普拉斯金字塔融合算法[14]拼接成如图11(b)所示的宽幅印刷品推扫结果, 随机选取一块区域, PBCID和CM-700d测得的色差小于2.9。 从《潘通CMYK指南》中选取了包括青色、 品红色和蓝色等在内的七类颜色, PBCID推扫得到七类颜色的色卡如图12所示, 从每个类别中选取一个颜色并标号为①— ⑦。 将高光谱图像中七个颜色的平均值, 与CM-700d的测量值进行对比, 结果如表5所示, 色差最大值仅为3.05, 表明PBCID在印刷品的色度测量方面表现出与CM-700d相当的准确性和可靠性, 并且两者的测量结果高度一致。

图11 (a)宽幅印刷品推扫实验现场图; (b)宽幅印刷品推扫结果图Fig.11 (a) Wide-format printed matter pushbroom experiment site; (b) Wide-format printed matter pushbroom result image

图12 PBCID推扫色卡所得图像Fig.12 Image obtained from the PBCID push-broom color card

表5 由PBCID和CM-700d对色卡①至⑦测量得出的三刺激值和Δ E00 Table 5 Three stimulation values and Δ E00 of the color card ① to ⑦ measured by PBCID and CM-700d
4 结论

基于印刷品色差检测需求, 提出以印刷三原色混合反射率为基础建立三刺激值影响分析模型, 并据此确定印刷品色度测量的关键指标。 光谱分辨率需要小于10 nm, 高准确性测量时小于6 nm。 光谱弯曲和色畸变需要严格控制, 谱线弯曲在10%光谱FWHM左右和色畸变在5%空间维像元左右, 印刷品图案颜色变化快时, 色差影响变大。 在低于400 nm和高于700 nm的光谱波段, 商用白光LED光源能量较弱, 可以考虑引入补偿光源以增强两端波段测量的信噪比, 同时需要考虑照明的时间变化和杂散光对测量的影响。 设计了基于凸面衍射光栅的Offner型分光组件的PCBID, 分析及测量结果显示, 控制成像光谱仪各单项指标对色差的影响在0.3以内能够在颜色测量上实现Δ E00≤ 3的高准确性。 颜色测量系统经多块反射率板直接定标后减小了辐射定标误差, 提高了色度测量均匀性, 在平均SNR高于200时能够高效地评估印刷品的色彩质量, 且对光源变化具有很强的鲁棒性。 PBCID在实验室内已实现高精度测量, 但尚未在印刷生产线上进行验证测试, 下一步将在实际印刷工业中测试其稳定性并改进性能。

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