基于CIEDE 2000的陶瓷磚小色差檢測研究

張 磊，汪仁煌

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣東 廣州 510090)

由于生產(chǎn)工藝及操作條件等原因，陶瓷磚的色差是不可避免的。為了解決這個(gè)問題，生產(chǎn)廠家采取同一種顏色的制品分成幾類，顏色接近的放歸一類的辦法。例如，同是棕色，但顏色深淺不等，分為 A、B、C類。該過程是通過專用儀器將被測定的試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行色度比較、計(jì)算色差、以確定顏色匹配的可接受性。用于顏色測量的儀器為反射光譜光度計(jì)或三刺激值式色度計(jì)。而目前行業(yè)采用的計(jì)算色差的顏色空間多為1976年的YUV顏色空間和LAB顏色空間或者CMC色差公式。為判定可接受性，應(yīng)選擇有關(guān)各方達(dá)成的“寬容度”。當(dāng)被測試樣與參照標(biāo)準(zhǔn)試樣間計(jì)算的ΔE值與該寬容度相比時(shí)，即可確定被測試樣與參照標(biāo)準(zhǔn)試樣間是否是可接受的匹配。與參照標(biāo)準(zhǔn)試樣相比較，被測試樣包括兩類：其ΔE值小于或等于達(dá)成的寬容度，則為可接受(合格)；其ΔE值大于達(dá)成的寬容度，則為不可接受(不合格)。因此，對于色差要求嚴(yán)格的產(chǎn)品，尤其需要均勻的顏色空間及計(jì)算準(zhǔn)確的色差公式。CIEDE 2000色差公式在理論上是目前和人的視覺最能夠相匹配的公式，因此本文采用CIEDE 2000色差公式對陶瓷磚進(jìn)行小色差的檢測研究。

1顏色空間轉(zhuǎn)換

RGB值是相機(jī)獲得的第一數(shù)據(jù)，然而由于RGB顏色空間的不均勻性需要進(jìn)行顏色空間的轉(zhuǎn)換。本文將RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到CIELAB顏色空間。CIELAB顏色空間是CIE1976LAB顏色空間的縮寫，在許多參考文獻(xiàn)中，也稱 CIE1976L*a*b*(簡寫為 CIEL*a*b*)顏色空間，或者稱為CIELAB/CIEL A B色差制(CIELAB color difference metric)。

CIE1976LAB顏色空間是一種均勻的顏色空間，它能夠比較準(zhǔn)確地求出符合人眼視覺的差別。在許多行業(yè)中，基于CIE1976LAB顏色空間的色差公式已經(jīng)被定為標(biāo)準(zhǔn)。CIE1976LAB顏色空間如圖1所示。

使用CIELAB顏色空間時(shí)，光亮度、色調(diào)及飽和度都能夠獨(dú)立調(diào)整。CIELAB使用L*、a*和b*坐標(biāo)軸定義CIE顏色空間。其中，L*值代表光亮度，其值從0(黑色)～100(白色)。a*和 b*代表色度坐標(biāo)，其中，a*代表紅-綠軸，b*代表黃-藍(lán)軸，它們的值從0～10。a*=b*=0表示無色，因此L*就代表從黑到白的比例系數(shù)。

從RGB顏色空間到CIELAB顏色空間的轉(zhuǎn)換要先轉(zhuǎn)換到CIE1931XYZ顏色空間，計(jì)算出三基色的刺激值X、Y、Z。此變換是一個(gè)線性變換，通過一個(gè) 3×3的矩陣實(shí)現(xiàn)：

得到三基色的刺激值X、Y、Z后，可以按下列變換式計(jì)算出L*、a*和 b*的值：

其中：

Xn、Yn和 Zn是CIE標(biāo)準(zhǔn)光源的坐標(biāo)，是三刺激值。本文采用D65標(biāo)準(zhǔn)光源漫反射，在2°視場下觀測。此時(shí)的三刺激值分別為 Xn=95.047，Yn=100.00，Zn=108.883。

2 CIEDE2000色差公式

CIEDE2000色差公式：

式(5)的計(jì)算過程及各參數(shù)的意義如下：

(1)在 CIELAB 顏色空間中計(jì)算 L*、a*、b*、C*ab和 h*ab的值。 其中，L*、a*、b* 由式(2)、(3)、(4)求得。

(2)計(jì)算 a′、C′ab和 h′ab的值：

(3)計(jì)算亮度差 △L′、彩度差 △C′ab和色相差 △H′ab：

式中，下標(biāo)s表示樣本色，b表示標(biāo)準(zhǔn)色。

(4)計(jì)算權(quán)重系數(shù) SL、SC、SH，以及 RT和 RC：

必須指出的是，計(jì)算時(shí)要注意角度和弧度的相互轉(zhuǎn)化。

(5)選擇合適的校正系數(shù) KL、KC和 KH。

在CIE給定的標(biāo)準(zhǔn)觀測條件下，KL=KC=KH=1。在條件不符合時(shí)，則要根據(jù)工業(yè)色差評估條件來確定這些數(shù)值。本文的觀測條件符合CIE給定的標(biāo)準(zhǔn)，因此KL、KC、KH的取值均為1。

(6)用 CIEDE2000色差公式計(jì)算色差 △E2000。

3陶瓷磚的小色差檢測

根據(jù)計(jì)算機(jī)視覺的原理，所設(shè)計(jì)瓷磚色差檢測裝置如圖2所示。

選擇合適的相機(jī)和光源對小色差檢測尤其重要。本文選用微視MVC1000SAM/C-GE30攝像機(jī)，采用的是10 bit、逐行掃描的CMOS傳感器。微視MVC1000SAM/CGE30攝像機(jī)通過一個(gè)千兆網(wǎng)口控制拍攝，在拍攝和傳輸圖像方面具有很好的實(shí)時(shí)性。在光源方面，采用LED面光源，傾斜60°角，以避免瓷磚反光產(chǎn)生過爆。

瓷磚顏色繁多，每種顏色的檢測都必須找一塊符合要求的標(biāo)準(zhǔn)磚。每次檢測色差，都用攝像機(jī)拍攝樣本和標(biāo)準(zhǔn)磚的圖像存入計(jì)算機(jī)。然后采用3×3均值濾波去掉噪聲干擾，進(jìn)行顏色空間轉(zhuǎn)換(即RGB顏色空間轉(zhuǎn)化到CIELAB顏色空間)，進(jìn)而計(jì)算出整塊瓷磚的平均 L*、a*和b*值，最后利用 CIEDE 2000色差公式計(jì)算色差。其檢測流程圖如圖3所示。

本文采用白色陶瓷磚進(jìn)行色差檢測試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)共用了20塊待測樣本磚和1塊標(biāo)準(zhǔn)磚。其中10塊是符合要求的瓷磚，另外10塊是存在微小顏色偏差的瓷磚。

圖3 色差檢測流程圖

攝像機(jī)拍攝圖片后通過千兆網(wǎng)口傳送給PC機(jī)，在PC機(jī)上用VC++6.0編寫的圖像處理軟件實(shí)現(xiàn)均值濾波、顏色空間轉(zhuǎn)換，并最終實(shí)現(xiàn)CIEDE 2000色差計(jì)算。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。從圖4(c)可以清楚地看到，兩種樣本陶瓷磚與標(biāo)準(zhǔn)瓷磚色差值的大小差異，因此可以得出結(jié)論：采用目前最均勻的色差公式CIEDE 2000，可以有效地針對小色差進(jìn)行檢測。

綜上所述，采用目前和人的視覺最能夠相匹配的CIEDE 2000色差公式，針對小色差進(jìn)行檢測是一種比較有效的方法，此方法值得在陶瓷業(yè)色差檢測中應(yīng)用以及在其他類似行業(yè)中推廣。

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