色度測量實驗報告 (自動保存的)

基于WSD-1A型裝置的色度測量及計算崩潰問題的解決摘要就是對顏色的度量，這種度量是對顏色的一種客觀描述，色度測量在制版、打樣、印刷等光學應用中非常重要。本文基于WSD-1A型裝置論述一般樣品進行反射、透射定量測量的原理和步驟，以及測量過程中出現(xiàn)的復位失敗、計算崩潰等問題的分析解決。關鍵詞：色度測量WSD-1A型實驗裝置一、測量原理（一）、色度學簡介色度學是研究顏色度量和評價方法的一門學科，是顏色科學領域里的一個重要部分。顏色感覺與聽覺、嗅覺、味覺等都是外界刺激使人感覺器官產生的感覺。光經(jīng)過物體反射或透射后刺激人眼，人眼產生了此物體的光亮度和顏色的感覺信息，并將此信息傳至大腦中樞，在大腦中將感覺信息進行處理，于是形成了色知覺。人們就可辨認出此物體的明亮程度、顏色類別，顏色純潔的程度(明度、色調、飽和度)。外界光刺激——色感覺——色知覺是個復雜的過程，它涉及光學、光化學、視覺生理、視覺心理等各方面間題，要想度量色知覺量是很復雜的。心理物理學就是研究知覺量與外界刺激量之間關系而發(fā)展起來的一門學科。色度學要解決顏色的度量問題首先必須找到外界光刺激與色知覺量之間的對應關系，以便能用對光物理量的測量間接地測得色知覺量，因此應用了心理物理學的方法，通過大量的科學實驗，建立了現(xiàn)代色度學。它是一門以光學、視覺生理、視覺心理、心理物理等學科為基礎的綜合性科學，也是一門以大量實驗為基礎的實驗性科學?，F(xiàn)代色度學初步解決了對顏色作定量描述和測量的問題。描述顏色最簡單的方法是用顏色名詞。給每種顏色一個固定的名稱，并冠以適合的形容詞，將這些名詞匯編成顏色名詞詞典，為人們互相交流色知覺信息提供了一種簡單、古老的方式，但它不能定量地表示色知覺量。人們還用制作標準色卡的方式來描述顏色，色卡可以有不同分類及排隊方式，因而形成了不同的表色系統(tǒng)。例如孟塞爾表色系統(tǒng)，它是按照色知覺的明度、色調及飽和度這三個特征量的大小排隊，井按各特征量的差值相同的原則來制作色卡，給每個色卡一定的標號，以此種色卡作為目視測量顏色的標準。用這種系統(tǒng)來測量顏色，在一定條件下反映了人的色知覺量。用心理物理學方法經(jīng)過大量實驗，研究了人眼的視覺規(guī)律而建立起來的國際照明協(xié)會的CIE色度系統(tǒng)，可以用數(shù)字量來表示顏色，井可用物理儀器代表人眼來測量顏色。這部分內容是色度學中最基本的內容。用CIE色度系統(tǒng)度量的顏色是心理物理量，尚不能完全反映人們的色知覺。色度學這門科學最早開創(chuàng)于牛頓，他引入了顏色環(huán)的概念從而開創(chuàng)了建立顏色圖的思想，他還提出了顏色混合中用重心原理來確定混合色結果的方法。19世紀，科學家格拉斯曼(Grassmann)、麥克斯韋(Maxwell)、赫姆霍爾茲(Helmholtz)等對色度學的進一步發(fā)展作出了巨大的貢獻。奠定現(xiàn)代色度學基礎的科學家有吉爾德(GuiId)、賈德(Judd)、麥克亞當(Macadam)、司梯魯斯(Stiles)、萊特(Wright)和維澤斯基(Wyszecki)。從1931年CIE色度學系統(tǒng)建立至今的50多年，色度學已取得了巨大的成績。在工農業(yè)生產、科學技術和文化事業(yè)等部門色度學得到廣泛利用，它的理論指導著彩色電視、彩色攝影和彩色印刷、染料、紡織、造紙、交通信號、照明技術等部門的工作，各色各樣的側色儀器都在產品檢驗和生產質量控制中獲得了廣泛應用。 （二）色度的基本術語

人們根據(jù)顏色的外貌，按直觀顏色視覺的心理感受，對顏色進行系統(tǒng)的歸納和排列，給以相應的文字描述和數(shù)字標記。顏色可以分為彩色和非彩色兩大類：非彩色是指白色，黑色和各種深淺不同的灰色。它們構成所謂的黑白系列，研究表明顏色有三種心理特性，分別可以用色調、飽和度、明度來描述。

1.色調表示顏色相互區(qū)分的屬性。可見光譜中不同波長的光輻射在視覺上表現(xiàn)為不同的色調，如紅、綠、藍和黃等。光源的色調取決于人眼對其輻射的光譜構成產生的感覺；物體的色調則取決于人眼對光源光譜組成和物體表面反射（或透射）的各波長輻射的比例所產生的感覺。

2.飽和度指顏色的純潔性?？梢姽庾V中各單色光的飽和度最高，當單色光中摻入白光愈多時，則飽和度愈低。

3.明度明度是人眼感覺到顏色的明亮程度。顏色的亮度越高，眼睛就越感覺明亮，即有較高的明度。物體色的黑白系列的非彩色代表物體的光反射率的變化，在視覺上就是明度的變化，愈接近白色，明度愈高。反之，愈接近黑色，明度愈低。

（三）CIE1931－XYZ色度系統(tǒng)

1.標準色度觀測者光譜三刺激值顏色感覺是由于光輻射源的或被物體反射的光輻射作用于人眼的結果。因此，顏色不僅取決于光刺激，而且取決于人眼的視覺特性。關于顏色的測量和標準應該符合人眼的觀測結果。但是，人眼的顏色特性對于不同的觀測者或多或少會有差異，因此要求根據(jù)大量的觀測者的顏色視覺實驗，確定一組為匹配等能光譜色的三原色數(shù)據(jù)，稱為“標準色度觀測者光譜三刺激值”，以此代表人眼的平均顏色視覺特性，用于色度學的測量和計算。

CIE（國際照明委員會）1931年在RGB系統(tǒng)的基礎上采用設想的三原色（X），（Y），（Z）［分別代表紅色，綠色和藍色］，建立了CIE－1931色度圖，同時將匹配等能光譜各種顏色的三原色數(shù)據(jù)標準化，確定CIE1931－XYZ標準色度學系統(tǒng)。三原色不能由其他色混合得到，三原色的波長如下：紅：700nm，綠：546.1nm，蘭：435.8nm

2.CIE1931色度圖CIE1931－XYZ色度系統(tǒng)是色度學基礎。任何一種顏色均可以用CIE1931-XYZ色度圖(圖1)它的色度坐標x,y和刺激值Y來表示。圖1圖1為CIE1931色度圖。色度圖中的弧形曲線上的各點是光譜上的各種顏色即光譜軌跡，是光譜各種顏色的色度坐標。紅色波段在圖的右下部，綠色波段在左上角，藍紫色波段在圖的左下部。圖下方的直線部分，即連接400nm和700nm的直線，是光譜上所沒有的、由紫到紅的系列。靠近圖中心的C是白色，相當于中午陽光的光色，其色度坐標為X＝0．3101，Y＝0．3162。設色度圖上有一顏色S，由C通過S畫一直線至光譜軌跡O點（590nm），S顏色的主波長即為590nm，此處光譜的顏色即S的色調（橙色）。某一顏色離開C點至光譜軌跡的距離表明它的色純度，即飽和度。顏色越靠近C越不純，越靠近光譜軌跡越純。S點位于從C到590nm光譜軌跡的45％處，所以它的色純度為45％（色純度％＝（CS／CO）×100。從光譜軌跡的任一點通過C畫一直線抵達對側光譜軌跡的一點，這條直線兩端的顏色互為補色（虛線）。從紫紅色段的任一點通過C點畫一直線抵達對側光譜軌跡的一點，這個非光譜色就用該光譜顏色的補色來表示。CIE1931色度圖有很大的實用價值，任何顏色，不管是光源色還是表面色，都可以在這個色度圖上標定出來，這就使顏色的描述簡便而準確了。再如在CIE1931色度圖上，可推出由兩種顏色相混合所得出的各種中間色。如Q和S相加，得出Q到S直線的各種中間顏色，如T點，由C通過T抵達552nm的光譜色，可由552nm的波長顏色看出T的色調，并可由T在C與552nm光譜色之間所占位置看出它的純度。在實際應用中，如彩色電視、彩色攝影（乳膠處理）或其它顏色復現(xiàn)系統(tǒng)都需要選擇適當?shù)募t（R）、綠（G）、藍（B）三基色，用來復現(xiàn)白色和各種顏色。圖13.標準照明體做顏色測量和標定時統(tǒng)一使用標準照明體，不同的光源有不同的光譜功率分布，因此在不同的光源照射下物體的表面呈現(xiàn)略為不同的顏色，因此CIE推薦四種標準照明體A,B,C,D和三種標準光源A,B,C4.統(tǒng)一規(guī)定的照明和觀察條件做顏色測量和標定時，應符合統(tǒng)一規(guī)定的照明和觀察條件，照明和觀察條件的不同也會使觀察到的顏色有所不同，為此CIE規(guī)定對樣品進行色度測量和標定應符合下述四種照明和觀察條件之一450/垂直，縮寫為450/0：即照明光束與樣品表面法線成450±50的角度觀察方向與樣品的表面法線的夾角不應超過100垂直/450縮寫為0/450照明光束垂直照射樣品表面，其光軸與樣品表面法線間的夾角不應超過100，在與法線成450±50的方向觀察樣品。漫射/垂直：縮寫為d/0，照明光束與樣品表面平行入射，照明光束與樣品表面平行入射到積分球內樣品被積分球漫射照明，觀察方向與樣品表面法線的夾角不應超過100垂直/漫射：縮寫為0/d，照明光束與樣品表面法線的夾角不應超過100，用積分球收集反射通量，在與樣品表面平行的積分球的另開口處觀察。5．標準光源：能發(fā)光的物理輻射體，如太陽、燈等，CIE規(guī)定了用標準光源來實現(xiàn)標準照明體的光譜分布。6．主波長：一種顏色Sλ的主波長，指的是某一種光譜色的波長。此種光譜色是用某一光譜顏色的一定比例與一個確定的參照光源相混和而匹配出來的顏色。7．興奮純度Pe：是指主波長的光譜色被白光沖淡后所具有的飽和度。在CIE色度圖上用參照光源點到樣品色度點的距離與參照光源點到主波長色度點的距離的比例表示。8．亮度純度Pc：當樣品顏色的純度，即樣品色接近同一主波長光譜色的程度，用亮度表示，就稱為亮度純度。實質上是表示了主波長光譜色的三刺激值在樣品三刺激值中所占的比例，它在CIE色度圖上無法表示出來。在計算亮度純度時，用樣品主波長的yA坐標與樣品色坐標的y值的比值乘以興奮純度來表示。二、色度測量實驗裝置的機構以及工作原理基本組成WSD-1A型色度測量實驗裝置（圖2）是由光電色度計、電控箱、計算機、打印機組成。該系統(tǒng)集光學、精密機械、電子學、色度學、計算機技術于一體，可直接測量光源色或物體色的三刺激值或色度坐標。2．儀器結構及其原理光電色度計由以下幾部分組成：光柵單色儀、光源系統(tǒng)、測反射樣品機構、測透射樣品機構、接收單元等。光柵單色儀正弦機構儀器采用“正弦機構”進行掃描，精密絲杠由步進電機驅動絲杠拖動螺母沿絲杠軸線移動螺母推動正弦桿使其繞自身的回轉中心轉動光柵至于光柵臺上光柵臺與正弦桿連接光柵臺的回轉中心通過正弦桿的回轉中心從而帶動光柵轉動使不同波長的單色光依次通過出射狹縫而完成掃描b.雙出縫機構儀器采用雙出縫機構使得做透射測量或反射測量時能方便地操作狹縫為直狹縫寬度范圍0-2.5mm連續(xù)可調順時針旋轉為狹縫寬度加大反之減小圖圖2WSD-1A儀器結構原理圖三、色度測量實驗步驟（一）反射物體的色度測量開機（計算機、光源、光電倍增管負高壓）；λ反射傳遞函數(shù)確定入縫大小、負高壓值（根據(jù)推薦數(shù)據(jù)），出縫轉向λ反射傳遞函數(shù)測反射傳遞函數(shù)（菜單中“系統(tǒng)”-“維護”-“反射傳遞函數(shù)”，密碼“tuopu”），此時樣品池中不放反射體；測得的曲線應為一不完全為零得曲線；開始實驗（菜單中“實驗”按鈕），先做反射基線測量，反射樣品池中放入標準白板，更換樣板時光電倍增管負高壓降為零，換好后再恢復；測得曲線不得太低，也不得飽和，可調狹縫，完成后點擊“下一步”，測樣品曲線測量，完成，計算（菜單中“計算”按鈕）；查看結果（菜單中“結果”按鈕）保存目錄：例如D\色度實驗文件\反射紅1127；打印結果（二）、透射物體的色度測量移光電接收單元至出縫2，確定入縫大小、負高壓值（根據(jù)推薦數(shù)據(jù)），調整出縫轉向開關，其余步驟與反射類似，測透射基線測量時透射樣品池空；（三）、實驗結束移光電接收單元至出縫1，光電倍增管負高壓降為零，關機（計算機、光源、光電倍增管負高壓），整理樣品盒，清理環(huán)境；四、軟件計算時崩潰問題解決常見崩潰原因由軟件造成的崩潰由系統(tǒng)本身而造成的崩潰由硬件問題所造成的崩潰針對計算過程崩潰分析及解決方案計算過程出錯和外設只和計算軟件、計算機內存、cpu、硬盤有關，和其他外設沒有關系，故計算過程崩潰原因可能是：軟件和系統(tǒng)不兼容軟件和系統(tǒng)不兼容的情況我們經(jīng)常會遇到，比如把win7的軟件裝在win8電腦上，當我們打開軟件時會出現(xiàn)或者在缺少32位兼容轉換文件的64位系統(tǒng)運行32位軟件時出現(xiàn)對于這類軟件不兼容的情況，我們有以下幾種解決方案。采用兼容模式運行有時候可以依靠windows系統(tǒng)的簡單兼容操作（兼容模式）即可解決。具體操作是在打開軟件時右擊→單擊以兼容模式打開換計算系統(tǒng)出現(xiàn)這種問題的原因是軟件和系統(tǒng)不能完全搭配，計算是出現(xiàn)譯碼、編碼錯誤。我們只需要將系統(tǒng)和軟件匹配好即可。因此我們可以重裝計算機系統(tǒng)，將系統(tǒng)改成和軟件匹配的版本。軟件升級軟件和計算機不兼容可能是軟件版本過舊，比如以前的dos系統(tǒng)匯編現(xiàn)在在的windows系統(tǒng)里面是不能容的。而現(xiàn)在dos系統(tǒng)已經(jīng)退出市場，故我們只能通過升級軟件的方法來解決。當然還有其他問題，比如sod88軟件只有dos版的，對于這種問題，我們只能通過換其他在windows系統(tǒng)下可以運行的同類軟件來代替。軟件算法存在缺陷軟件自身算法存在錯誤在pc使用中也經(jīng)常遇到，軟件算法缺陷崩潰分為以下幾種算法不收斂算法不收斂描述的是在進行數(shù)學計算的時候出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出情況，bios內置程序監(jiān)控cpu的標記符，當出現(xiàn)of=1（程序計算數(shù)據(jù)溢出）時，cpu自動終止跳出程序。此時就會出現(xiàn)程序崩潰、閃退的情況。針對我們色度測量后期計算過程，里面沒有矩陣求逆矩陣的過程，這樣就不會因為矩陣非奇異。但是計算過程有歸一化計算，歸一化計算有求和及除法運算，當出現(xiàn)除數(shù)=0時就會出現(xiàn)計算結果不收斂，引起數(shù)據(jù)溢出觸發(fā)了內部中斷指令。針對這種情況，我們可以通過程序改寫，關閉溢出檢測，當出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出時仍強制程序繼續(xù)執(zhí)行。程序跳轉出錯程序在執(zhí)行中會調用一些子程序，在調用子程序時會出現(xiàn)調用程序找不到情況，當cpu尋遍整個內存空間，始終沒有找到要調用的子程序名稱時，cpu自動終止操作。出現(xiàn)程序運行崩潰現(xiàn)象。針對這種問題可以在軟件打開時，直接自動進行軟件初始化，提前排除子程序加載失敗的情況。測量值和程序使用數(shù)據(jù)不同計算過程是采用的微分求和近似積分，采集過程也是分段的，假如采集過程采樣間隔是1nm波長，而計算過程用了0.3nm來微分求和，對于500nm有測量值，對500.3nm的波長卻沒有采樣值，計算改點時計算機會隨機補充一個數(shù)字，補充的數(shù)字可能是0也可能是1還可能是10000，這個數(shù)字產生的計算結果在查表時查不到，此時就會出現(xiàn)響應失敗，重復后仍然失敗，重復三次后系統(tǒng)自動退出。對于這種問題可以采用簡單插值法，直接在采樣點線性插值。這樣在整個波段范圍內數(shù)據(jù)就是連續(xù)的，可以排除查表失敗的情況。內存中子程序kill不掉使用軟件時有時我們有時發(fā)現(xiàn)軟件打開再關閉，再次打開時出現(xiàn)加載不了的情況，這種情況是在內存中有些子程序沒有被kill掉，當再次打開程序時，初始化發(fā)現(xiàn)軟件正在運行而停止加載，但是內存中的程序又不能打開。情況就類似與我們把東西放在回收站里，雖然還占有硬盤空間，但是不能夠被打開，必須被恢復才能被使用。計算過程調用函數(shù)時出現(xiàn)這種情況就會出現(xiàn)調用子程序失敗，找不到子程序就會閃退。解決這個問題需要把調用的子函數(shù)改成全局變量或者每次調用完要檢查程序進入死循環(huán)程序運行時會反復運行某段代碼，這段代碼就是一個循環(huán)體。同時在內存里面有一個循環(huán)變量cx控制循環(huán)次數(shù)，正常情況下每循環(huán)一次循環(huán)變量cx會自動減一，當cx=0時循環(huán)終止，但是當cx在循環(huán)體內部被重新定義并挪作他用的時候就會出現(xiàn)cx的重復定義，從而循環(huán)次數(shù)不能被有效控制。情況類似于在環(huán)形跑道上舉行沒有終點標記的長跑比賽。運動員不知道什么是終點，什么時候要停止，于是比賽就不能正常進行。程序也是這樣，沒有有效的變量告訴cpu什么時候要終止循環(huán)，一直循環(huán)最后就出現(xiàn)死循環(huán)導致程序卡死崩潰解決這種問題只能一步一步檢查程序，但是程序源代碼只有編寫者有，編寫者在調試過程可以一步步監(jiān)控內存值，并發(fā)現(xiàn)有效錯誤。對軟件使用者來講，只能等待軟件補丁發(fā)布或者換用其他可替代軟件。五、針對復位錯誤的分析及解決軟件在一開始復位過程中正弦機構應該下行，但是運行過程偶爾會出現(xiàn)復位反向的情況，對于復位反向