文 / 谢品雄 / 李亮坚 / 谢炽嵘 / 漆先明 /谢柳婷 (佛山市南海嘉多彩粉末涂料有限公司肇庆学院 / 浙江鑫八佰科技有限公司广东海洋大学)
摘要：光源、物体、观察者是颜色产生的三大要素，任意一要素变化对颜色呈现都有影响。计算机配色系统设计时，充分考虑粉末涂料生产工艺特点。从分光测色仪匹配，数据库个性化定制，软件算法改进和操作界面相互配合，以及计算机配色在粉末涂料应用的特点入手，讨论了计算机配色在粉末涂料中的应用效果。
1 颜色产生的三大要素
在粉末涂料制造中，每个型号的产品都有特定的颜色。这些颜色是由于光线照射到涂层而产生的。如果没有光，就无法看到任何物体的颜色。颜色产生必须具备光源、物体、观察者(眼睛和大脑)三大要素。观察者不一定是人，也可以是仪器，涂料生产中使用的分光测色仪就是用D65标准光源代替白天的自然光，光电探测器代替人的眼睛，数据处理器代替人脑制造而成。颜色产生的三个要素中，如果某一个要素在观察中有变化，都会影响颜色的效果。所以，白天对色和晚上对色，光源不同色差不一定一样；目视对色与仪器测色时，观察者不同色差也有可能不一致(如：我们偶然遇到的ΔE很小，目视色差仍然较大)。
1.1 光源
光是有各种波长的电磁波，光谱是光源中各种波长的强度之结合。人眼可感受的可见光波长范围是380~780 nm。自然光源泛指大自然之太阳光。太阳光的强度随时随地都在改变，若要进行对色或者配色就没有一个固定的工作光源。所以，国际照明委员会(CIE, Commission Interna-tionale de l’Eclairage)定义了一些标准光源，如：常用的D65标准光源，色温6500 °K，近似日光。其他的标准光源还有A光源(钨丝灯的光)、F11光源(TL84型日光灯的光)、F2光源(CWF型日光灯的光)、D75光源(近似北方天空日光)等。每种光源都有其独特的光谱能量分布(SPD, spectral pow-er distribution)曲线。该SPD曲线是以550 nm或560 nm的能量当作100，然后通过实验测定其它波长的相对能量而得到的相对能量分布曲线。在不同SPD曲线的光源下观察物体，会影响物体颜色的效果。
1.2 物体
作为颜色产生三要素之一的物体是观察的目标，包含透明物体、半透明物体、非透明物体。当光照射到不同物体时，会产生散射、吸收、反射和透射现象。在各种物质中，反射效果最佳的是氧化镁，其次是硫酸钡。所以，分光测色仪常用这两种物质作为校准之用。粉末涂料色板为不透明体，色板的大小、粗糙度、温度、背景色都会影响颜色效果。
1.3 观察者
人能够看到颜色，是视网膜中的杆状体、锥状体光敏细胞接收到光的入射信号后，通过人脑转换产生。杆状体细胞分布较广，负责明暗信息接收，但无法辨别色彩功能，锥状体则大多集中在黄斑附近，负责色彩信息接收，如果昏暗的环境下则无法辨别色彩，仅能分辨黑白。人工目视颜色辨别受到人的性别、年龄、色弱、色盲、观察视角等因素影响。分光测色仪的颜色数据是由光感应器将光转换成电信号，再通过数据处理器转换成获得。仪器测色受到仪器的照射光源、光学结构、探测口大小、积分球大小、处理器类型等因素的影响。
2 计算机配色系统
计算机配色(CCM, computer color matching)是基于辐射度学、光度学、色度学、生理学、心理学、高等数学和计算机科学等多学科的一门新技术。
2.1 计算机配色的发展历程
计算机配色技术起源于20世纪初期。1931年，P. Kubelka和F. Munk提出了Kubelka-Munk(简称K-M)理论，中文译名：库贝尔卡-蒙克理论。它用粒子的光散射系数S和光吸收系数K来描述光的反射或透射行为，是计算机配色的理论基础。同年，CIE制订了X、Y、Z三刺激值色度系统；1943年11月，美国氰胺公司的Park和Stearns在美国光学学会发表的论文中，介绍了各种染料吸收光学性能可以独立地带进由几种染料染制的结果中去，提出了求解拼色时染料浓度的计算方程式；1963年，美国氰胺公司和英国ICI两家公司相继推出为客户提供计算机配色服务，成为计算机配色发展史上的里程碑。国外品牌的配色软件有DataColor德塔、X-Rite爱色丽等。1984年，沈阳化工研究院推出了思维式配色软件，开创了我国计算机配色的先河。
从色彩的观点来说，物体对光的反射效应，都能够以光谱反射率分布曲线来描述。光谱反射率是物体对颜色的固有表征，可以用分光测色仪来测量。每个物体的光谱反射率曲线是唯一的，像人的身份证一样无法仿冒。
2.2 计算机配色的原理
计算机配色原理是：首先，用色料制出不同浓度梯度板，利用分光测色仪获取色料光学特性数据建立数据库；接着，用分光测色仪获取客户标准样的光学特性数据，利用色料数据库与客户标准样两者的光学特征关系，通过计算机软件分析出色料配方；最后，按照分析出来的配方制出目标色样，继而用分光测色仪来验证标准样与目标样的色差。如果色差符合标准，配色成功；如果色差不符合，则配色软件参照目标样、标准样、色料数据库三者的光学特性关系迭代运算，重新修正色料配方，直至色差合格为止。计算机配色系统一般由分光测色仪、色料数据库、配色软件组成。配色原理示意图如图1：
2.3 计算机配色的组成与性能
市场上不同的计算机配色系统原理基本一样，但软件的算法上会存在一些区别，即使相同算法模型，也许会用不同的统计或数学函数方法进行修正。早期的计算机配色系统，或多或少地存在色料浓度高时配方准确性差问题，颜色饱和度越高的鲜艳色板，软件分析出的配方准确性会越差。近年来，国内AI技术发展较快，推动了计算机配色系统的不断完善，当前，已有多家粉末涂料专用配色系统投向了市场，可以说是百花齐放各有特点。
3 粉末涂料计算机配色系统的特点
计算机配色应用的领域有纺织印染、塑料着色、涂料和油墨等行业。虽然，将本厂使用的色料按生产工艺制出不同浓度的梯度样，继而采集各个色料的梯度样光学特征数据，建立色料数据库这一步是相同的。但是，各个行业生产工艺完全不同，为适应不同工艺制程的需要，计算机配色软件的功能界面会按行业特点细化调整。针对粉末的工艺流程，现以浙江鑫八佰科技有限公司的粉末涂料计算机配色系统为例，介绍粉末涂料计算机配色系统的特点。其配色工艺流程图如图2：
3.1 个性化数据库
我国是粉末涂料生产大国，各个粉末厂商使用的颜料品种不一样，颜料质量也参差不齐，导致不同企业共用使用相同的色料数据库带来挑战。通常状况下，粉末涂料计算机配色系统建立色料(着色剂)数据库时，只能按照特定应用厂商的颜料品种和制板工艺，喷制色料深浅梯度板，个性化定制色料数据库。并且，色料也按企业产品应用需要分组，方便调色操作时灵活选择色料。
另外，粉末涂料生产包括物料混合、熔融挤出的分散过程，中试的小样制板分散效果与大机生产的分散效果差异大。所以，同一标准客户样的小样配方、标准配方、生产配方的色料配方浓度比例并不完全相同。
小样配方是指接收到客户样板后，中试阶段用小样机制板确认的配方。小样配方的制板目的是用于让客户验证确认。
标准配方是客户确认色板后，下订单大机生产时，首次新料批量生产确认的配方。小样配方与标准配方由于混合机分散、螺杆分散的差异，两者配方不一定是成比例关系放大。分散效果大致相同的无机颜料可能成正比，而分散效果容易产生差异的某些有机颜料是成非线性的函数关系。所以，小样配方不一定能按百分比直接放大为标准配方。
生产配方是客户每批次下订单时，以标准配方为基础微调后，大机批量生产确定的批次配方。原则上，标准配方与生产配方是相同的，但是，生产时加入了相近颜色的回收粉、颜料批次存在差异，或者更换了不同分散效果的机台，生产配方与标准配方的色料比例就不一定一样了。
小样配方、标准配方、生产配方的联系与区别是粉末行业的工艺特色，它们都与色料数据库直接相关联。
数据库可以采用云储存或本地硬盘储存方式。考虑到企业对技术的保密管理需要，权衡利弊后，还是以本地硬盘储存路由组内网共享方案为佳。在建立色料数据库时，直接由应用厂商提供的颜料品种个性化定制。用大数据技术将小样配方、标准配方与生产配方资源关联。使匹配出的色料配方更加接近应用实际。
3.2 分光测色仪的匹配
色差仪从原理上分有光电积分型、分光型两种。配色系统必须匹配分光型色差仪，即分光测色仪。分光型仪器主要由：光源、分光单色仪(光栅)、积分球、光电探测器、数据处理器组成。精密测色仪器分光单色仪与光电探测器是集成的，一般采用衍射光栅或回折光栅，将检验反射光线按一定波长间隔分开，波长间隔越短精度越高。然后，采用若干组探测器阵列进行感光分析，经数据处理器后进而得到物体色的三刺激值和色彩坐标。
计算机配色匹配分光测色仪时，仪器的光源为了与自然光对应，多采用高强度脉冲氙灯加滤片模拟D65光源；0/45光学结构只适合测量平滑的表面，不能用于电脑配色，所以计算机配色的分光测色仪应选d/8(积分球漫射照明-8度观察)光学结构；同时，积分球的质量也很重要，质量好的5年以上都不会变色，差的两年多就会变色，而影响测量效果；另外，数据处理器用不同色差公式目视吻合度也不一样。
3.2.1 CIE1976 Lab色差公式
CIE1976色差公式是最早商业化应用的色差公式。但人眼吻合度在色相、明暗、彩度方面，及同等的色彩空间某一颜色与邻近颜色的差异较大。CIE1976色差公式如下：
3.2.2 CIE1994 Lch色差公式
CIE1994色差公式是R. S. Berns在1991年的研究成果，并于1995年以CIE技术报告形式发表。该公式是CMC(I:C)色差公式的一种改良形式，对仪器与视觉饱和度的偏差进行了修正。CIE1994色差公式如下：
3.2.3 CIE DE2000色差公式
CIE在ΔE76、ΔE94色差公式的基础上进行了大量色差评估实验，对饱和度、色调、亮度、灰阶蓝色的目视一致性进一步改善。于2001年推出了CIE DE2000色差公式。CIE DE2000公式是目前与目视吻合度最佳的公式，被多数行业推荐使用。其公式如下：
RT称为旋转函数，用来校正蓝色区域色分辨椭圆主轴方向的偏转。
多种测量公式的分光测色仪一次测量，会列示不同色差公式的色差结果提供参考，仪器测量结果与目视吻合度更佳。而且，台式结构的分光测色仪光源不移动，比便携式仪器稳定性更好。另外，分光测色仪采用孔径较大(25.4 mm)探测口，在大视野下测得的数据会更具代表性。
3.3 智能化的软件算法
粉末涂料计算机配色也是以K-M理论为基础，较多的计算机配色软件均是K-S单常数理论和K-S双常数理论，或是这两种理论的拓展、修正和改进型版本。光谱匹配配色法、三刺激值匹配配色法都是基于K-M理论。然而，K-M函数在配色的实际应用中有时也不大令人满意。计算机配色没有绝对的最佳算法，不同算法在不同场景和条件下各有优势。如神经网络算法对于具有光泽、表面纹理等影响颜色感知的样板，能够更好地捕捉这些复杂因素，从而给出更符合实际需求的配色方案。在实际应用中，通常会根据反射体的具体特征、数据库资源、色差要求可接受的范围等因素选择合适的算法，有时会采用多种算法结合，以便得到精准的色料配方。
智能化的粉末配色算法颠覆传统配色理念，仪器精确地捕捉客户样的光谱反射率数据后，基于色料数据库数据进行训练，快速学习理解标准配方、小样配方、生产配方资源与色料数据之间的内在关系，在RGB、CMY、HSV、Lab等不同色空间下交替换算，配色软件从而给出AI、光谱、Lab色彩坐标等不同算法下的色料浓度配方。按过往经验AI算法得出的配方更接近实际。
3.4 定制化的界面布局
粉末涂料配色软件的操作界面专为粉末行业个性化而设计。色料分组、配方检索、色差判定等都针对粉末行业生产工艺特点。首先，色料分组(如：通用、超耐候专用、户内专用、环保要求等分组)能按企业的需要定制。其次，配方检索可按配方类型(如：小样、标准、生产配方)、色差、型号、日期等条件查找和排序。再次，色差合格判定时，同时列出对标准和对上批的两个色差，以及还显示多种色差公式的色差结果，综合的色差判断避免产生累积色差。操作功能布局完全为粉末行业量身定做。
4 粉末涂料计算机配色的应用
粉末涂料计算机配色在应用有小样配色、生产配色，其中生产配色又包含全新料生产和添加回收粉生产两种情况。三种配色流程都包括了新增色板→样板数据采集→软件自动生成配方(或手工输入已知配方)→按配方喷制试样→试样色差验证→循环试制至合格配方的共同步骤。但小样配色验证不合格是重新给出新配方再试制，而生产配色不合格是是增加了一个“生产修色”的步骤。在原有配方的基础上添加色料；另外，若添加回收粉生产，生产配色前，也多了“回收粉更新”这一步骤。三种情况的配色流程图如图3。
4.1 小样配色
小样配色是接到客户样板后，最常见的一种配色情况。考虑到分散和比例的准确性，如果小样首次配色没有合格时，通常是重新称料再配色。为避免浪费，一般称500~1000g试一次样，循环试制直到试样合格。
小样配色时，仪器按样板表面状况选择数据采集模式，精确采集标样数据后，有两种途径获得首次配方。如果在配方库中按色差查找到接近的色板，可手工主观输入配方；如果不考虑旧配方，则直接智能配色得到首次配方。鑫八佰计算机配色软件小样配色界面如图4。
在智能配色时，可以指定用色料库中某几种颜料配色；也可以由软件自由组合颜料，然后，给出多个配方让用户选择。以方便用户得到户内、户外或超耐候等不同应用需要的预期颜色配方。如果配色喷板验证不合格，由软件再次生成新配方，直到验证合格为止。
4.2 生产配色
生产配色是接到客户订单后，进行生产的配色。如果采用计算机配色系统之前，已经有人工配色标准配方则手工输入配方；如果系统有历史生产标准配方则直接检索选择；如果有小样配方，则从小样配方转化；如果前面三种情况都没有，也可以像小样配色一样选择智能配色生产。但是，生产配色配好一缸料，色差不合格不是重新再配一缸，而是在缸内补充颜料。所以，生产配色与小样配色流程的不同，是多了一个“生产修色”的步骤。生产时，修色直到色差合格为止。鑫八佰计算机配色软件生产配色(新料生产)界面如图5。
生产配色色差对比时，包含了对上批容差范围的控制，避免累积色差的产生。例如：上批次对标准样板偏红0.3，今批次对标准样板偏绿0.3，虽然对标准两批都是0.3，但是今批次与上批次色差就大于0.3了。所以，粉末配色系统的累积色差的监控功能，更适合粉末行业的特点。
另外，如果是添加回收粉生产，必须先将回收粉光学特征数据收录到回收粉库中，再指定回收粉用量比例，将回收粉当作颜料一样使用。继而像新料生产一样的流程进行。鑫八佰计算机配色软件生产配色(添加回收粉生产)界面如图6：
5 计算机配色应用讨论
5.1 人工配色与计算机配色的对比
人工配色依赖经验，粉末厂培养一个专业配色人员要花费整年甚至更长时间。然而，计算机配色几天甚至更短的时间就可以掌握。而且，计算机配色能完成人工目视无法完成的工作，能直接显示光谱曲线，可以分辨色料组合是否有存在同色异谱，配色效率高，彻底解决了技术员大部分时间都花费在调色上的历史难题。计算机配色也是智能化工厂的重要组成部分，可以与自动称量系统接口连接，实现粉末生产自动化。
5.2 计算机配色在粉末厂的可接受状况
计算机技术的不断发展，很多行业都应用了计算机辅助。20年以前，计算机配色系统的价格，是当时技术员月工资的100倍左右，粉末厂因承受不了巨大的前期资金投入而放弃计算机配色，优先采用人工配色。近年来，由于国内IT业的长足发展，计算机配色系统的价格有所下降，技术员工资也随物价上涨而提高，当前，计算机配色系统的价格，仅为技术员月工资的10倍左右。加上招聘一名调色经验丰富的调色师也不容易，所以，粉末涂料配色系统市场比较走俏。
5.3 计算机配色准确性评价
计算机配色准确性评价不能只针对某一色样评估，而要对红、蓝、黄、绿、啡等多种色相的不同色板，在多种色料浓度(不同饱和度)下一进行综合评价。目前，评估粉末涂料配色系统是否合格还没有一个统一的国家标准。从测试结果看，在个性化建立色料数据库和大量累积配方资源的前提下，3次之内(含3次)的打板，色差范围达到0.5以内。
5.4 计算机配色应用结论
精密的分光测色仪是计算机配色的前提，个性化的色料数据库是计算机配色基础，优化的计算机配色软件是贯穿分光测色仪与数据库的逻辑纽带，成为获得精准颜色配方的桥梁。
如果分光测色仪不能精准采集色样的光学特征数据，就像一个色盲的人想学配色，当然是天方夜谭；当时，在配色系统的质量对比时，我们选择了一家进口的品牌公司对比评估，因条件限制没法专门个性化建立数据库，本来，其原有数据库中有上千种色料，色料型号也有和我们使用的型号一样。于是，选择一个与其数据库色料相同的现有配方演示。软件分析出来的配方与现有配方相关仍然差别较大。出现这种结果原因主要是数据库没个性化定制造成；另外，也直接按相同色料清单提供给多家配色软件公司，做同等个性化数据库，然后，按多色相(红、蓝、黄、绿、咖等)、多浓度(高、中、低等)色板对比评估。结果中、低颜料浓度时，大家的配色准确性都不错，但高浓度时，有的配色系统色差较大。出现这种结果原因主要是配色软件算法上的差异引起。
即使一个合格的或优秀的计算配色系统，要想得到满意的配色效果，也要定期维护。首先，分光测色仪光源必须定期校准，出现照明光源光强衰减要维修或更换。另外，颜料品种变化，或者颜料批次色差变化ΔE较大时，必须及时更新、修正色料数据库。
5.5 计算机配色发展方向
粉末涂料的品种繁多。有单色、木纹、金属等品种。目前，分光测色仪只能适合测量单色(色板表面颜色统一)品种，测量木纹等多色表面有待新一代的测色仪支持。粉末涂料计算机配色技术的发展，有赖于仪器测量技术的进步，以及配色软件算法的完善。计算机配色将向快速、精准、智能、多行业应用的方向发展。另外，每个行业应用工艺特点不同，个性化的功能和界面设计更受用户的喜爱。
来源：粉末涂料与涂装25年会刊
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