基于視覺(jué)感知的轉(zhuǎn)杯混色紗顏色評(píng)價(jià)研究

楊月茹 夏宇航 蔣家淼 李玲利 吳艷豐 程 璐

（1.新疆大學(xué)，新疆烏魯木齊， 830017；2.新疆溢達(dá)紡織有限公司，新疆烏魯木齊， 841100）

色紡紗因其富有立體色彩感及風(fēng)格多變等特點(diǎn)而擁有廣闊消費(fèi)市場(chǎng)前景，同時(shí)其具有“小批量，多品種，快交貨”的市場(chǎng)需求［1］。然而，現(xiàn)階段的色紡紗生產(chǎn)不僅配色過(guò)程復(fù)雜，且在對(duì)色過(guò)程的產(chǎn)品顏色評(píng)價(jià)階段也存在不利于色紡紗企業(yè)擴(kuò)展生產(chǎn)規(guī)模的問(wèn)題，例如耗時(shí)長(zhǎng)和對(duì)色人員受自身情緒等主觀因素干擾導(dǎo)致評(píng)價(jià)不準(zhǔn)確等。由此，將顏色評(píng)價(jià)的主觀感知量客觀定量化，即研究色差公式計(jì)算數(shù)值能否合適、準(zhǔn)確地表征兩個(gè)樣品之間與人眼目測(cè)感覺(jué)相符的顏色差異跨度，可成為一種規(guī)避該類問(wèn)題的可行性途徑，以提高生產(chǎn)效率。

色差公式的提出是基于某一種均勻顏色樣品進(jìn)行大量顏色匹配試驗(yàn)研究而來(lái)，但在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中對(duì)色差公式的使用是針對(duì)不同基底（紡織品、顯示器圖像、印刷體等）的顏色樣本。因此，將不同色差計(jì)算公式應(yīng)用到不同類別的顏色樣品后會(huì)導(dǎo)致色差計(jì)算結(jié)果與人眼視覺(jué)感知呈現(xiàn)不同程度的不一致性［2］。本研究對(duì)象為色紡紗，其呈色機(jī)理復(fù)雜，與目前大多數(shù)研究所用顏色樣本有著較大差異，因此對(duì)最為合適表征色紡紗顏色的色差公式研究具有重要意義。

目前在紡織領(lǐng)域直接以色差公式與人眼視覺(jué)特性一致性程度之間的矛盾點(diǎn)出發(fā)來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行顏色評(píng)價(jià)的研究較少，但在印刷、圖像等領(lǐng)域?qū)χ骺陀^顏色評(píng)價(jià)相關(guān)研究較多。郭鵬飛等［3］基于光柱全息印刷品通過(guò)主客觀評(píng)價(jià)研究得出CIELAB色差公式可較好地表征全息印刷品樣本對(duì)之間的色差值；黃敏等［4］通過(guò)主觀目測(cè)試驗(yàn)對(duì)7個(gè)色差公式表現(xiàn)性能進(jìn)行對(duì)比，研究得出CAM02-SCD和CAM02-UCS色差公式的表現(xiàn)較好；汪哲弘［5］基于陰極射線管顯示色檢驗(yàn)CIELAB色度空間的色差公式，發(fā)現(xiàn)CIEDE2000表現(xiàn)最好；KIM D H等［6］選擇染色滌綸織物，采用灰梯尺法主觀評(píng)價(jià)得到CIE94色差方程的修正模型LCD公式的性能最好。

綜上所述，針對(duì)3種色差計(jì)算公式，即最基礎(chǔ)的CIELAB色差公式［7］、紡織行業(yè)常用的CMC（l∶c）色差公式［8］以及國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）現(xiàn)推薦的CIEDE2000色差公式［9］，何者為最適用于以色紡紗為基底的顏色樣本色差預(yù)測(cè)有待考究。為此，在本研究中紡制不同混色比例色紡紗顏色樣本，設(shè)計(jì)人眼視覺(jué)評(píng)估試驗(yàn)，探究色紡紗視覺(jué)評(píng)估值與3個(gè)色差公式計(jì)算值主客觀之間的相關(guān)性，確定適合本研究試驗(yàn)對(duì)象的色差公式。

1 顏色評(píng)價(jià)方法

1.1 主觀評(píng)價(jià)

在紡織領(lǐng)域中進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)色差時(shí)常采用灰卡評(píng)級(jí)的心理物理學(xué)試驗(yàn)方法?；铱ㄔu(píng)級(jí)法是指借助灰色樣卡中評(píng)價(jià)色牢度所用的級(jí)別來(lái)標(biāo)定對(duì)色目測(cè)試驗(yàn)中有色標(biāo)樣與比樣之間的顏色差異，且用于色差范圍較廣的色織物樣品視覺(jué)色差評(píng)估［10-12］。本研究采用GB/T 250—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 評(píng)定變色用灰色樣卡》中的灰色樣卡，該色卡共設(shè)置9對(duì)灰色對(duì)比色塊，每對(duì)中的兩個(gè)灰色色塊之間的色差不同［13］。按照對(duì)比色塊之間色差大小將色差劃分為5級(jí)9檔，色差由大至小分別對(duì)應(yīng)色差級(jí)別1級(jí)到5級(jí)，且每?jī)蓚€(gè)整數(shù)級(jí)別之間存在一個(gè)半級(jí)［14］。在進(jìn)行目測(cè)試驗(yàn)時(shí)，觀察者依照規(guī)定要求觀察標(biāo)準(zhǔn)光源下放置的標(biāo)樣與比樣，通過(guò)感知兩者之間的顏色差距并與灰卡中的級(jí)別進(jìn)行比對(duì)，給出視覺(jué)感知的灰卡級(jí)別值。

1.2 客觀評(píng)價(jià)

1.2.1CIELAB色差公式

CIELAB色差公式的提出為顏色科學(xué)領(lǐng)域的后續(xù)研究發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，其采用顏色空間中兩個(gè)樣品色度坐標(biāo)點(diǎn)之間的幾何距離表示，如式（1）所示。

式中：DL*為明度差異；Da*為偏紅綠程度；Db*為偏黃藍(lán)程度。

1.2.2CMC（l∶c）色差公式

CIELAB色差公式形式簡(jiǎn)潔，但其均勻性較差。當(dāng)處于不同色區(qū)的兩對(duì)樣品應(yīng)用該色差公式時(shí)，所計(jì)算得到的色差值相等，但人眼視覺(jué)反饋出的色差感知并不處于同一等級(jí)。為緩解此問(wèn)題給實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用帶來(lái)的困擾，在CIELAB色差公式基礎(chǔ)上，相關(guān)顏色研究工作者引入調(diào)整因子l和c及修正系數(shù)對(duì)公式進(jìn)行優(yōu)化，建立CMC（l∶c）色差公式，如式（2）所示。

式中：DL*、DC*、DH*分別為標(biāo)樣與比樣的亮度差、飽和度差、色相差；SL、SC、SH為修正系數(shù)；l和c分別為調(diào)節(jié)明度和彩度的相對(duì)寬容量系數(shù)，紡織行業(yè)常采用l=2、c=1。

1.2.3CIEDE2000色差公式

色差公式不斷加以修正、優(yōu)化，2001年適用于中、小色差的CIEDE2000色差公式得到CIE推薦［15］，如式（3）所示。

式中：KL、KC和KH為與試驗(yàn)條件有關(guān)的校正系數(shù)，取KL∶KC∶KH=2∶1∶1；SL、SC及SH分別為明度、飽和度及色調(diào)的權(quán)重函數(shù)；RT為旋轉(zhuǎn)函數(shù)，用來(lái)校正藍(lán)色區(qū)域色分辨橢圓主軸方向的偏轉(zhuǎn)。

1.3 色差評(píng)價(jià)效果統(tǒng)計(jì)方法

1.3.1性能評(píng)價(jià)因子PF/3

GUAN S等提出性能評(píng)價(jià)因子PF/3值作為表征兩個(gè)數(shù)據(jù)集一致性程度的指標(biāo)，如式（4）～式（9）所示，在分析主客觀評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)時(shí)多被采用［16］。PF/3數(shù)值越小，計(jì)算色差和人眼的目測(cè)數(shù)據(jù)之間的一致程度越高，即色差計(jì)算值更符合人眼對(duì)產(chǎn)品色差產(chǎn)生的感覺(jué)，色差公式的預(yù)測(cè)性能就越好。

式中：CV為變化量的系數(shù)；γ和VAB均表示兩個(gè)對(duì)比數(shù)據(jù)集之間的不一致性程度；N為顏色刺激色樣數(shù)據(jù)組的個(gè)數(shù)；ΔEi和ΔVi分別為第i對(duì)樣品對(duì)的色差計(jì)算值和視覺(jué)感知量；F、f為系數(shù)因子。

1.3.2標(biāo)準(zhǔn)化殘差平方和STRESS

與PF/3近似，STRESS的數(shù)值越小，表明計(jì)算色差和人眼目測(cè)數(shù)據(jù)之間的一致程度越高，其取值范圍是0～100。STRESS的計(jì)算公式如式（10）所示。

2 試驗(yàn)與結(jié)果

2.1 制樣及顏色測(cè)量

2.1.1樣品原料選取

根據(jù)顏色視覺(jué)理論，某一種顏色可由紅、黃、藍(lán)三原色不同比例混合而成，混成顏色可占據(jù)色域空間較大的區(qū)域，是較為全面且常用的原色體系。本研究選用由博拉經(jīng)緯纖維有限公司提供的紅、黃、藍(lán)3種原液著色粘膠散纖維作為試驗(yàn)原料，平均纖維長(zhǎng)度33.2 mm，線密度1.95 dtex，散纖維實(shí)物圖如圖1所示，其色度參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 散纖維實(shí)物圖

表1 單色纖維色度參數(shù)值

2.1.2顏色樣本對(duì)選擇

本研究共設(shè)置53個(gè)混配比例，采用轉(zhuǎn)杯紡紗方式紡制顏色樣品。具體紡紗工藝流程：稱量纖維（FA124型電子天平）→手扯開(kāi)松→FB360型梳理打樣機(jī)（梳理三次）→A301型并條試驗(yàn)機(jī)（三道）→FA601A型轉(zhuǎn)杯紡紗試驗(yàn)機(jī)。為控制混配比例單一變量，避免其他因素的干擾，在制備試驗(yàn)樣本時(shí)將紗線線密度固定為58.3 tex，且手工緊密繞制紗線色卡便于后續(xù)顏色測(cè)量。部分色紡紗樣品紡制實(shí)例如圖2所示。

試驗(yàn)者首先通過(guò)目測(cè)評(píng)估篩選顏色接近、顏色差異較小的色樣，組成人眼主觀評(píng)價(jià)色差試驗(yàn)所用顏色樣本對(duì)54對(duì)，3種單色纖維混配質(zhì)量比例總遞增減量基本控制在0～20%之間。顏色樣本對(duì)配對(duì)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 顏色樣本對(duì)設(shè)置

2.1.3色度學(xué)指標(biāo)測(cè)量

采用上海韻鼎國(guó)際貿(mào)易有限公司提供的Hunter Lab Ultra Scan PRO測(cè)色儀測(cè)量試驗(yàn)樣本的光譜反射率值。儀器參數(shù)設(shè)定：光線幾何條件確定為照明觀察條件d/8、照明光源D65、測(cè)量孔徑0.991 cm，在光阱和白板的校準(zhǔn)完成后進(jìn)行試驗(yàn)。將繞制色紗樣卡的正面（纏繞的紗線整齊度好的一面）對(duì)準(zhǔn)測(cè)試孔徑，選取不同的6個(gè)測(cè)樣點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，取平均值。

2.2 人眼視覺(jué)評(píng)價(jià)試驗(yàn)

本研究選擇經(jīng)過(guò)石原氏色盲測(cè)驗(yàn)后色覺(jué)正常的觀察者20人，測(cè)試環(huán)境盡量保持黑暗，觀察者觀測(cè)條件參考AATCC評(píng)定程序9《紡織品色差的目視評(píng)定》。試驗(yàn)者向觀察者介紹試驗(yàn)內(nèi)容，將本試驗(yàn)?zāi)繙y(cè)色差評(píng)定參數(shù)設(shè)置準(zhǔn)則告知觀察者，以變色用灰色樣卡作為察覺(jué)顏色差異的參考對(duì)，將試驗(yàn)色樣對(duì)與之對(duì)比，確認(rèn)試驗(yàn)樣對(duì)之間的觀感色差接近于灰卡某級(jí)別所具有的觀感色差時(shí)，記錄該級(jí)數(shù)作為該試驗(yàn)樣對(duì)的目測(cè)結(jié)果Gi值（1、2、3、4），中間等級(jí)按0.5來(lái)記錄。將每次判斷的結(jié)果Gi取平均值，獲得觀察者評(píng)估的最終結(jié)果。

2.3 主客觀色差測(cè)量值計(jì)算

運(yùn)用MATLAB軟件，將篩選的54對(duì)樣品對(duì)的反射率代入色差公式，分別計(jì)算得CIELAB、CMC（l∶c）、CIEDE2000共3種不同色差公式的色差處理結(jié)果ΔE。將其整理至EXCEL表格。同時(shí)將目測(cè)評(píng)估試驗(yàn)得到的灰卡級(jí)別G值對(duì)應(yīng)記錄，使用MATLAB軟件將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，G值代入關(guān)系式即得視覺(jué)感知量ΔV，此數(shù)值將用于PF/3及STRESS指標(biāo)的計(jì)算。

2.4 觀察者準(zhǔn)確性

2.4.1誤判率

本研究評(píng)價(jià)觀察者的準(zhǔn)確性采用誤判率（WD），WD的取值范圍是0～100%，WD的值越接近于0，則說(shuō)明觀察者在此次試驗(yàn)的判斷越精準(zhǔn)。計(jì)算公式如式（11）所示。

式中：N為總樣品對(duì)數(shù)量；Wi為與錯(cuò)誤判斷次數(shù)占總判斷次數(shù)的比例。

在本研究中以每對(duì)樣品對(duì)的灰卡級(jí)別均值為基準(zhǔn)，觀察評(píng)級(jí)結(jié)果大于均值的觀察次數(shù)超過(guò)半數(shù)時(shí)，認(rèn)為大于均值的級(jí)別為正確決定，小于均值的評(píng)級(jí)結(jié)果則為錯(cuò)誤判斷，反之亦然。每對(duì)樣品共被20人觀察，每人觀察3次，一對(duì)樣品共被觀察60次。計(jì)算每一對(duì)樣品對(duì)大于、小于均值的次數(shù)，在認(rèn)定正確決定的前提下計(jì)算每一位觀察者做出與整體評(píng)估情況不同的觀察次數(shù)，將其除以總觀察次數(shù)3，即得每位觀察者對(duì)某一樣品對(duì)的觀察結(jié)果誤判率。最后將20人次觀察的54對(duì)樣品對(duì)的誤判率作平均處理，此平均值即可作為觀察者的準(zhǔn)確性，觀察者準(zhǔn)確性結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 觀察者的準(zhǔn)確性

數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示，20人次觀察中誤判率最大為50.10%，最小為13.30%，均值為35.40%。與多位前人的研究數(shù)據(jù)比較，除去觀察者15和觀察者18，本試驗(yàn)其他觀察者數(shù)據(jù)均在可接受的范圍內(nèi)，因此本研究中的人眼目測(cè)評(píng)價(jià)色差試驗(yàn)數(shù)據(jù)是具有有效性的［17-18］。

2.4.2反射率偏差

反射率偏差是標(biāo)樣反射率與比樣反射率之差的絕對(duì)值除以標(biāo)樣的數(shù)值，可以反映兩個(gè)色樣之間的顏色差異，反射率偏差值越小，表明兩者的顏色越相近。本研究引入反射率偏差與灰卡級(jí)別G值對(duì)比作為觀察者準(zhǔn)確性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 顏色樣本對(duì)反射率偏差

通過(guò)Minitab對(duì)表4兩組數(shù)據(jù)作異常值分析后再進(jìn)行相關(guān)系數(shù)分析。相關(guān)系數(shù)為-0.445，呈現(xiàn)一般的負(fù)相關(guān)性，p值為0.001，小于顯著性水平α=0.05，否定了原假設(shè)p＞0.05時(shí)無(wú)顯著線性相關(guān)性，即可認(rèn)為反射率偏差與G值為負(fù)相關(guān)。兩者整體呈現(xiàn)反射率偏差越小，灰卡級(jí)別G值越大；G值越大，樣品對(duì)給人的視覺(jué)感知差異越小，由此也可驗(yàn)證本研究目測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果較為準(zhǔn)確。

2.5 色差公式評(píng)價(jià)效果分析

將獲得的色差計(jì)算值與經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后的視覺(jué)感知量整理于EXCEL表格中，將CIELAB、CMC（2∶1）、CIEDE2000色差公式計(jì)算的樣品對(duì)色差數(shù)值分別于各自擬合得到的視覺(jué)感知量代入PF/3以及STRESS公式，對(duì)兩兩配對(duì)，共3組的數(shù)列數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理。PF/3及STRESS兩項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均數(shù)值越小，公式的預(yù)測(cè)性能越好。CIELAB、CMC（2∶1）、CIEDE2000色差公式的PF/3分別為22.33、19.02、41.24。結(jié)果顯示，針對(duì)原液著色粘膠纖維轉(zhuǎn)杯紗，CMC（2∶1）色差公式的預(yù)測(cè)性能最優(yōu)，即人眼目測(cè)感覺(jué)與色差計(jì)算結(jié)果符合程度是最好的，相同的數(shù)值變化給人不同的顏色差別感覺(jué)較小；CIELAB次之，CIEDE2000最 差。CIELAB、CMC（2∶1）、CIEDE2000色差公式的STRESS分別為28.78、24.72、40.47。借助STRESS評(píng)價(jià)方式所得的結(jié)果與PF/3保持一致。為將色差公式預(yù)測(cè)性能發(fā)揮至最優(yōu)，后續(xù)仍需更多的顏色科學(xué)工作者創(chuàng)建不同材料的色差數(shù)據(jù)集來(lái)研究不同色差公式所對(duì)應(yīng)的最合適應(yīng)用對(duì)象。

3 結(jié)論

本課題主要研究了3種色差公式對(duì)原液著色粘膠纖維轉(zhuǎn)杯紗色差的預(yù)測(cè)性能，探究最適合表征色紡紗顏色差異的色差公式，得到以下結(jié)論。

（1）在進(jìn)行觀察者準(zhǔn)確性分析中，其均值為35.40%。與前人研究數(shù)據(jù)以及反射率偏差結(jié)果相比較，本次視覺(jué)評(píng)價(jià)試驗(yàn)數(shù)據(jù)是有效的。

（2）計(jì)算樣本對(duì)的反射率偏差，其也可表征樣本對(duì)的顏色差異，同時(shí)可以檢驗(yàn)?zāi)繙y(cè)試驗(yàn)評(píng)價(jià)的效果，兩者整體反映出一致的規(guī)律，即反射率偏差越小，灰卡級(jí)別G值越大，兩樣本之間的顏色差異越小。

（3）在以本試驗(yàn)設(shè)置混紡比例的色紡紗為研究對(duì)象來(lái)探究3種色差公式與人眼目測(cè)一致性程度試驗(yàn)中，CMC（2∶1）、CIELAB、CIEDE2000的PF/3和STRESS值分別為19.02、22.33、41.24和24.72、28.78、40.47。CMC（2∶1）預(yù)測(cè)性能最優(yōu)，CIELAB次之，CIEDE2000最差。因研究對(duì)象的不同且色紡紗呈色機(jī)理較為復(fù)雜，CIEDE2000的預(yù)測(cè)性能表現(xiàn)不好，與前人應(yīng)用此方法的研究結(jié)論有所出入，故此問(wèn)題需繼續(xù)加以研究。