國(guó)際上最重要的兩個(gè)顏色深度標(biāo)準(zhǔn)的比較

楊志暉，楊紅英，葉華標(biāo)，謝宛姿，張靖晶，崔世忠

(1.中原工學(xué)院 a.紡織服裝產(chǎn)業(yè)研究院; b.紡織學(xué)院，河南 鄭州 450007;2.紡織服裝產(chǎn)業(yè)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450007)

顏色深度綜合反映色料性能、色料用量和著色效果，是一種色知覺(jué)量。顏色深度的功用一般包括五方面：①?zèng)Q定染料強(qiáng)度和染料成本；②是評(píng)價(jià)染料色牢度的基礎(chǔ)；③是表征和評(píng)價(jià)提升力、遷移指數(shù)等染色質(zhì)量指標(biāo)的基礎(chǔ)；④可直接用于表征織物等著色物的染色深度；⑤用于色料配方預(yù)測(cè)。因此，顏色深度對(duì)于色料研究及其應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義。

關(guān)于顏色深度的定義有不同的描述。根據(jù)AATCC(American Association of Textile Chemists and Colorists)標(biāo)準(zhǔn)，顏色深度是指著色物離開(kāi)白色的距離，常與色料的濃度或上色效率有關(guān)[1]。根據(jù)ISO(International Organization of Standardization)標(biāo)準(zhǔn)，顏色深度是在其他條件(基材、色料、加工方法和觀察條件)不變的情況下，隨色料用量增加而增加的上染質(zhì)量[2]。中國(guó)《染料名稱(chēng)術(shù)語(yǔ)》標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有顏色深度的定義，但給出了“標(biāo)準(zhǔn)深度”的相關(guān)概念，即，“一種公認(rèn)的深度標(biāo)準(zhǔn)系列，并定義中等深度為1/1標(biāo)準(zhǔn)深度；同一標(biāo)準(zhǔn)深度的顏色，在心理感覺(jué)上是相等的，使色牢度等可在同一基礎(chǔ)上進(jìn)行比較；目前已發(fā)展為2/1、1/1、1/3、1/6、1/12及1/25共6檔標(biāo)準(zhǔn)深度”[3]。

關(guān)于顏色深度的評(píng)價(jià)，目前國(guó)際上尚無(wú)統(tǒng)一、普適、公認(rèn)的方法。本文在前期研究的基礎(chǔ)上，選擇國(guó)際上最重要的兩個(gè)顏色深度標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)以及Matlab編程分析兩者之間的關(guān)系，以及評(píng)價(jià)幾個(gè)常用顏色深度公式的使用效果，為后續(xù)提出、優(yōu)化新的客觀顏色深度公式提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 顏色深度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

目前，國(guó)際上通行的顏色深度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要有兩大類(lèi)：一類(lèi)是ISO 105 推薦的主觀評(píng)價(jià)顏色深度標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)最早始于20世紀(jì)20年代。當(dāng)時(shí)為了評(píng)價(jià)染料的色牢度，德國(guó)和瑞士的染料生產(chǎn)商合作制成了第一套評(píng)價(jià)色牢度用的“輔助標(biāo)準(zhǔn)”，它包括用不同染料在羊毛、棉、絲、粘膠上染成的一定深度、并經(jīng)過(guò)目測(cè)評(píng)定認(rèn)為在視覺(jué)上是等深的18只染樣，此即最早的標(biāo)準(zhǔn)深度卡，后來(lái)被稱(chēng)為“Hilfstypen”。這套輔助標(biāo)準(zhǔn)原來(lái)僅用于色牢度對(duì)比，且只有一個(gè)深度，到了1951年，這套標(biāo)準(zhǔn)深度卡被ISO接納采用。

1954年，西德Schwen G等[4]給出了比第一套輔助標(biāo)準(zhǔn)淺和深的標(biāo)準(zhǔn)深度染樣。之后，AATCC組織了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)深度委員會(huì)，進(jìn)一步研討了有關(guān)深色和淺色的標(biāo)準(zhǔn)深度問(wèn)題。一年以后，ISO TC/38 SCI委員會(huì)討論并決定染制中等標(biāo)準(zhǔn)深度(1/1標(biāo)準(zhǔn)深度)之外的其他深度(2/1和1/25標(biāo)準(zhǔn)深度)的深色樣。1957年，西德的Rabe[5]在徳國(guó)DIN色空間和Weise建議的基礎(chǔ)上，利用ECE于1955年發(fā)布了一套與Hilfstypen類(lèi)似的18個(gè)樣品的標(biāo)準(zhǔn)深度色樣，統(tǒng)計(jì)回歸出一個(gè)顏色深度公式 ，之后建立了2/1、1/1、1/3、1/6、1/12和1/25 6檔標(biāo)準(zhǔn)深度，這些標(biāo)準(zhǔn)深度分別用12～18只染樣來(lái)表示，同一深度包含多種不同色相，另外制定了藏青和黑色的特殊標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)深度卡原本是染在羊毛(無(wú)光)和人造絲(有光)的織物上，后來(lái)不再使用人造絲織物染樣。這在后來(lái)形成了德國(guó)DIN 54000 輔助標(biāo)準(zhǔn)深度色卡的基準(zhǔn)，并被ISO采納和法令化，1972年又被美國(guó)AATCC采納[6]。隨后中國(guó)、日本等國(guó)家在此基礎(chǔ)上制定了本國(guó)的顏色深度相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于另一類(lèi)顏色深度標(biāo)準(zhǔn)，1965年，Gall在人眼目測(cè)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上建立了一套計(jì)算顏色深度等級(jí)的公式，確定了1/1、1/3、1/9、1/25和1/200 5檔標(biāo)準(zhǔn)深度，這與ISO推薦的2/1、1/1、1/3、1/6、1/12、1/25的6檔標(biāo)準(zhǔn)深度等級(jí)不同，后來(lái)被德國(guó)采納并制定了DIN 53235，這也是德國(guó)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[7-8]，即采用Gall公式計(jì)算評(píng)定5檔標(biāo)準(zhǔn)顏色深度。

因此，目前關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)顏色深度的重要標(biāo)準(zhǔn)有兩類(lèi)：一類(lèi)是ISO的6個(gè)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)顏色深度卡，分織物版和紙版兩種載體，該標(biāo)準(zhǔn)全稱(chēng)為ISO標(biāo)準(zhǔn)/AATCC標(biāo)準(zhǔn)(ISO 105 -A01-2010AATCC EP4-2011)，也稱(chēng)主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；另一類(lèi)是德國(guó)DIN 53235標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)全稱(chēng)為德國(guó)DIN標(biāo)準(zhǔn)(DIN 53235-2005)，也稱(chēng)客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。這兩類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)顏色深度等級(jí)見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)行國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)顏色深度等級(jí)

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 標(biāo)樣的選擇

為比較兩種標(biāo)準(zhǔn)的顏色深度，選擇符合ISO標(biāo)準(zhǔn)、由英國(guó)染化師協(xié)會(huì)(SDC)生產(chǎn)的一套標(biāo)準(zhǔn)深度卡(本文簡(jiǎn)稱(chēng)SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡)和利用Gall公式從Munsell色卡中提取符合DIN標(biāo)準(zhǔn)深度的一套色卡(本文簡(jiǎn)稱(chēng)DIN標(biāo)準(zhǔn)深度卡)。

(1) SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡(紙版)，包含2/1、1/1、1/3、1/6、1/12、1/25 6檔標(biāo)準(zhǔn)顏色深度，每檔深度有18個(gè)不同色相的標(biāo)樣，共計(jì)108個(gè)(不含藏藍(lán)和黑色的各2個(gè)標(biāo)樣)。SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡符合ISO 105-A01標(biāo)準(zhǔn)，其最后一批產(chǎn)品產(chǎn)于1992年，據(jù)產(chǎn)品證書(shū)上介紹，其產(chǎn)品每?jī)赡瓯恍ｒ?yàn)一次。

(2) DIN標(biāo)準(zhǔn)深度卡，為了獲得符合DIN 53235 標(biāo)準(zhǔn)的5個(gè)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)顏色深度，將Gall公式的計(jì)算結(jié)果B值控制在各自標(biāo)準(zhǔn)范圍以?xún)?nèi)，將B值判定取值誤差控制在10%以?xún)?nèi)。本文參照文獻(xiàn)[9]的B值范圍，利用Gall公式從Munsell色彩圖冊(cè)中提取符合-0.6≤B1/1≤0.3、-0.6≤B1/3≤0.6、-0.7≤B1/9≤0.6、-0.8≤B1/25 ≤0.8、0.8≤B1/200≤0.8的全部色卡。

2.2 測(cè)試方法

采用美國(guó)X-Rite Color i7分光測(cè)色儀，測(cè)試條件為d/8、D65照明體，包含鏡面反射，測(cè)試孔徑為6 mm(樣品面積不大，故采用此小孔徑)，室溫，不同樣品在同時(shí)期測(cè)試完成。樣品的不同位置測(cè)試n次，以平均值代表樣品的最終測(cè)試結(jié)果。其中SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡測(cè)試4次，Munsell色卡測(cè)試2次。

此外，利用Godlove公式計(jì)算時(shí)需要獲知樣品的Munsell標(biāo)號(hào)(包含色度參數(shù)H、V、C)，本實(shí)驗(yàn)預(yù)采用X-Rite Color i7分光測(cè)色儀獲取樣品的Munsell標(biāo)號(hào)。為此，先利用該儀器對(duì)Munsell色彩圖冊(cè)Matt版中的1 270塊色塊進(jìn)行測(cè)試，以考察儀器給出的Munsell標(biāo)號(hào)與實(shí)際標(biāo)號(hào)的差異，并預(yù)估借助該儀器獲得樣品Munsell標(biāo)號(hào)的準(zhǔn)確度和可行性，以便將實(shí)驗(yàn)誤差控制在較小范圍。

3 結(jié)果與討論

3.1 Munsell標(biāo)號(hào)的驗(yàn)證與分析

將X-Rite Color i7測(cè)試得到的1 270塊Munsell色塊的H、V、C值與實(shí)際標(biāo)號(hào)值進(jìn)行對(duì)比，利用Origin軟件畫(huà)圖給出兩者的差異，見(jiàn)圖1。利用實(shí)際標(biāo)號(hào)與測(cè)量標(biāo)號(hào)的差值計(jì)算得到色相偏差DH、明度偏差DV、彩度偏差DC，再分別以Munsell色彩圖冊(cè)中相鄰兩色塊相應(yīng)數(shù)值差異的一半為參比做統(tǒng)計(jì)分析，測(cè)試標(biāo)號(hào)與實(shí)際標(biāo)號(hào)的DH在-1.25～1.25以?xún)?nèi)的有1 237個(gè)，占97%，DV在-0.5～0.5以?xún)?nèi)的有1 269個(gè)，占99.8%，DC在-1～1以?xún)?nèi)的有1 257個(gè)，占98.9%。因此，使用X-Rite Color i7測(cè)得的Munsell標(biāo)號(hào)的單個(gè)色度值的準(zhǔn)確度均在97%以上。故認(rèn)為X-Rite Color i7給出的Munsell標(biāo)號(hào)的精度可被接受，決定直接采用該儀器讀取Munsell標(biāo)號(hào)，以方便Godlove公式的計(jì)算。

(a) Munsell色塊的實(shí)測(cè)色相偏差 (b) Munsell色塊的實(shí)測(cè)明度偏差 (c) Munsell色塊的實(shí)測(cè)彩度偏差圖1 Munsell色卡的實(shí)際測(cè)量偏差

3.2 SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡與Munsell色卡的測(cè)試結(jié)果

SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡的1/1標(biāo)準(zhǔn)的18個(gè)色相的色度分布見(jiàn)圖2。從SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡18個(gè)色相中剔除了分光反射率曲線混亂、疑似局部污染的4個(gè)色相，剩下的14個(gè)色相的色度分布見(jiàn)圖3。14種色相的84個(gè)色塊的色度坐標(biāo)見(jiàn)圖4。

圖2 SDC 18種色相1/1標(biāo)準(zhǔn)深度色塊的色度分布

圖3 SDC 14種色相1/1標(biāo)準(zhǔn)深度色塊的色度分布

滿足DIN標(biāo)準(zhǔn)深度卡1/1、1/3、1/9、1/25和1/200 5檔標(biāo)準(zhǔn)深度的樣品共計(jì)81個(gè)色樣，它們的色度坐標(biāo)見(jiàn)圖5。對(duì)比圖4與圖5可知，SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡的84個(gè)標(biāo)樣和DIN標(biāo)準(zhǔn)深度卡的81個(gè)標(biāo)樣在4個(gè)象限均有分布，色相分布較均勻，相對(duì)而言，符合DIN標(biāo)準(zhǔn)深度卡的81個(gè)標(biāo)樣的色度分布更均勻一些。

圖4 選取的SDC 14種色相的84個(gè)標(biāo)準(zhǔn)深度色塊的色度分布

圖5 DIN標(biāo)準(zhǔn)深度卡的81個(gè)標(biāo)準(zhǔn)深度色塊的色度分布

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

在前期研究的基礎(chǔ)上，利用Godlove、Rabe-Koch、Sato和Berns這4個(gè)使用效果較好的顏色深度公式，分別計(jì)算SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡的84個(gè)色樣的色深值和DIN標(biāo)準(zhǔn)深度卡的81個(gè)色樣的色深值。

由于DIN標(biāo)準(zhǔn)深度卡的數(shù)據(jù)是利用Gall公式按照B值±10%從Munsell空間提取得到的，為了檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性，根據(jù)GB/T 4883-2008[10]中的相應(yīng)規(guī)定，使用Grubbs檢驗(yàn)法檢驗(yàn)樣品的Gall色深值，其中，確定樣品屬于離群值所使用的顯著水平為α=0.05，確定樣品屬于應(yīng)剔除水平所使用的顯著水平為α=0.01。結(jié)果顯示，在提取的81個(gè)樣品中，有8個(gè)數(shù)據(jù)屬于離群值，但不符合剔除條件。

由于各公式的計(jì)算結(jié)果數(shù)值范圍不同，為客觀對(duì)比，統(tǒng)計(jì)分析了各公式計(jì)算所得顏色深度的平均值A(chǔ)VG、標(biāo)準(zhǔn)差SD和標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)Vσ，結(jié)果見(jiàn)表2。其中Vσ越小，說(shuō)明它對(duì)應(yīng)的公式的評(píng)價(jià)效果越好，樣品的等深性越好。

表2 兩類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)深度卡的色深值統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

分析表2各公式評(píng)價(jià)SDC色卡的Vσ可知：(1)Rabe-Koch公式所對(duì)應(yīng)的Vσ平均值最小，其次依次是Sato公式、Godlove公式和Berns公式；(2)各公式不同深度排序之和從小到大的順序也是Rabe-Koch公式、Sato公式、Godlove公式和Berns公式。

分析表2各公式評(píng)價(jià)符合DIN標(biāo)準(zhǔn)深度卡的Vσ可知：(1)Berns公式所對(duì)應(yīng)的Vσ平均值最小，其次依次是Godlove公式、Rabe-Koch公式及Sato公式；(2)從各公式評(píng)價(jià)不同深度的Vσ可知，Godlove公式在1/1、1/3深度之間的Vσ最小。Rabe-Koch公式在1/1、1/3深度的Vσ最小，說(shuō)明這個(gè)公式比較適合評(píng)價(jià)較深的顏色深度。Berns公式的表現(xiàn)剛好相反，它更適用于評(píng)價(jià)淺色。

綜合分析表2可以看出：同一公式在評(píng)價(jià)不同標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效果不同。評(píng)價(jià)SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡效果最好的Rabe-Koch公式在評(píng)價(jià)DIN標(biāo)準(zhǔn)深度卡時(shí)只能排第三；這5個(gè)公式中評(píng)價(jià)SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡效果最差的Berns公式在評(píng)價(jià)DIN標(biāo)準(zhǔn)深度卡時(shí)表現(xiàn)得則比較突出。其他公式在評(píng)價(jià)不同標(biāo)準(zhǔn)的色卡時(shí)排序也會(huì)發(fā)生變化，這充分說(shuō)明顏色深度公式在使用時(shí)受到了不同標(biāo)準(zhǔn)的限制，同時(shí)，也充分體現(xiàn)了相同公式在評(píng)價(jià)不同標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的差異。

對(duì)比表2中兩種不同標(biāo)準(zhǔn)的1/1、1/3和1/25深度可知：除了在1/3深度下使用Rabe-Koch公式計(jì)算SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡的平均值(5.56)略低于DIN標(biāo)準(zhǔn)深度卡的平均值(5.67)之外，其余公式在評(píng)價(jià)相同顏色深度時(shí)，SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡的平均值均高于DIN標(biāo)準(zhǔn)深度卡。這說(shuō)明SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡的1/1、1/3、1/25這3個(gè)深度明顯較DIN 53235 標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的深一些。同時(shí)，利用Berns公式計(jì)算DIN 標(biāo)準(zhǔn)深度卡的1/3、1/25色深值的Vσ小于SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡相同色深值的Vσ，其余公式計(jì)算的DIN 標(biāo)準(zhǔn)深度卡的Vσ均大于SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡，說(shuō)明SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡在1/1、1/3、1/25這3個(gè)深度的顏色深度下波動(dòng)小于DIN標(biāo)準(zhǔn)深度卡。

分析表2中其他顏色深度可以看出，利用各公式計(jì)算的SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡的1/12深度與DIN標(biāo)準(zhǔn)深度卡的1/9深度的結(jié)果的平均值比較接近。因此，可以認(rèn)為，SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡比DIN標(biāo)準(zhǔn)深度卡整體上偏深一點(diǎn)。

利用Gall公式計(jì)算評(píng)價(jià)SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡的色深等級(jí)見(jiàn)表3。文獻(xiàn)[7, 9]提供了利用Gall公式評(píng)價(jià)1/1、1/3、1/9、1/25和1/200 5個(gè)顏色深度等級(jí)的計(jì)算參數(shù)，而SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡具有2/1、1/1、1/2、1/6、1/12和1/25 6個(gè)深度等級(jí)。在計(jì)算SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡的2/1深度時(shí)，只好就近采用DIN標(biāo)準(zhǔn)1/1深度的參數(shù)，其結(jié)果也大都落在了DIN標(biāo)準(zhǔn)1/1深度等級(jí)。

表3中，“眾數(shù)”表示14個(gè)色相的樣品中多數(shù)樣品所在的等級(jí)，“一致比”是14個(gè)色相樣品色深等級(jí)與眾數(shù)等級(jí)一致的比例分?jǐn)?shù)，其百分?jǐn)?shù)表示即一致率。鑒于Gall分級(jí)(即客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn))沒(méi)有2/1、1/6和1/12，而SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡之1/6等級(jí)的Gall評(píng)價(jià)結(jié)果又正好6個(gè)是1/3、6個(gè)是1/9，因此其眾數(shù)取了中間值1/6，并認(rèn)為1/3和1/9這兩種結(jié)果均與1/6相一致。從表3的數(shù)據(jù)看，84個(gè)樣品的色深等級(jí)與眾數(shù)等級(jí)的一致率為82.14%，不一致的情況都是B值超過(guò)其取值范圍而無(wú)法得到計(jì)算結(jié)果的情況?？紤]到SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡和Gall公式深度標(biāo)準(zhǔn)的不同，可以認(rèn)為Gall公式的評(píng)價(jià)結(jié)果與SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡色深等級(jí)大體上一致。

表3 采用DIN標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià) SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡的結(jié)果(色深等級(jí))

注：“-”表示無(wú)輸出結(jié)果。

4 結(jié) 語(yǔ)

顏色深度客觀評(píng)價(jià)的重要性和難度為業(yè)界所共識(shí)。本文借助4個(gè)顏色深度公式，測(cè)算和統(tǒng)計(jì)分析符合ISO 105 A01標(biāo)準(zhǔn)的6個(gè)不同深度等級(jí)的SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡，以及利用Gall公式提取的符合DIN 53235 標(biāo)準(zhǔn)的5個(gè)不同顏色深度等級(jí)的Munsell色卡，獲得以下主要結(jié)論：

(1) 評(píng)價(jià)這兩個(gè)國(guó)際上最重要的顏色深度標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)深度時(shí)，4個(gè)顏色深度公式的評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定的差異。以數(shù)理統(tǒng)計(jì)量Vσ越小表示公式的評(píng)價(jià)效果越好來(lái)衡量，在評(píng)價(jià)SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡時(shí)，Rabe-Koch公式表現(xiàn)最優(yōu)，其次依次是Sato公式、Godlove公式和Berns公式；在評(píng)價(jià)DIN 標(biāo)準(zhǔn)的顏色深度時(shí)，Berns公式的Vσ平均值最小，其次依次是Godlove公式、Rabe-Koch公式和Sato公式。

(2) 同一公式評(píng)價(jià)同一標(biāo)準(zhǔn)的不同顏色深度時(shí)也存在明顯差異。Rabe-Koch公式比較適合評(píng)價(jià)DIN標(biāo)準(zhǔn)中較深的顏色，而B(niǎo)erns公式則在評(píng)價(jià)DIN標(biāo)準(zhǔn)中較淺顏色深度時(shí)更具有優(yōu)勢(shì)。

(3) ISO推薦的SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡要比DIN標(biāo)準(zhǔn)的相同深度的標(biāo)準(zhǔn)深度卡顏色更深一些，SDC標(biāo)準(zhǔn)深度卡的1/12深度與DIN標(biāo)準(zhǔn)的1/9深度比較接近。

致謝:感謝國(guó)家自然科學(xué)基金(61440064)、教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金(ROCS, SEM)和河南省功能性紡織面料重點(diǎn)學(xué)科開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的資助。