基于CIEDE 2000的陶瓷砖小色差检测研究

张 磊，汪仁煌

(广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510090)

由于生产工艺及操作条件等原因，陶瓷砖的色差是不可避免的。为了解决这个问题，生产厂家采取同一种颜色的制品分成几类，颜色接近的放归一类的办法。例如，同是棕色，但颜色深浅不等，分为 A、B、C类。该过程是通过专用仪器将被测定的试样与标准试样进行色度比较、计算色差、以确定颜色匹配的可接受性。用于颜色测量的仪器为反射光谱光度计或三刺激值式色度计。而目前行业采用的计算色差的颜色空间多为1976年的YUV颜色空间和LAB颜色空间或者CMC色差公式。为判定可接受性，应选择有关各方达成的“宽容度”。当被测试样与参照标准试样间计算的ΔE值与该宽容度相比时，即可确定被测试样与参照标准试样间是否是可接受的匹配。与参照标准试样相比较，被测试样包括两类：其ΔE值小于或等于达成的宽容度，则为可接受(合格)；其ΔE值大于达成的宽容度，则为不可接受(不合格)。因此，对于色差要求严格的产品，尤其需要均匀的颜色空间及计算准确的色差公式。CIEDE 2000色差公式在理论上是目前和人的视觉最能够相匹配的公式，因此本文采用CIEDE 2000色差公式对陶瓷砖进行小色差的检测研究。

1颜色空间转换

RGB值是相机获得的第一数据，然而由于RGB颜色空间的不均匀性需要进行颜色空间的转换。本文将RGB颜色空间转换到CIELAB颜色空间。CIELAB颜色空间是CIE1976LAB颜色空间的缩写，在许多参考文献中，也称 CIE1976L*a*b*(简写为 CIEL*a*b*)颜色空间，或者称为CIELAB/CIEL A B色差制(CIELAB color difference metric)。

CIE1976LAB颜色空间是一种均匀的颜色空间，它能够比较准确地求出符合人眼视觉的差别。在许多行业中，基于CIE1976LAB颜色空间的色差公式已经被定为标准。CIE1976LAB颜色空间如图1所示。

使用CIELAB颜色空间时，光亮度、色调及饱和度都能够独立调整。CIELAB使用L*、a*和b*坐标轴定义CIE颜色空间。其中，L*值代表光亮度，其值从0(黑色)～100(白色)。a*和 b*代表色度坐标，其中，a*代表红-绿轴，b*代表黄-蓝轴，它们的值从0～10。a*=b*=0表示无色，因此L*就代表从黑到白的比例系数。

从RGB颜色空间到CIELAB颜色空间的转换要先转换到CIE1931XYZ颜色空间，计算出三基色的刺激值X、Y、Z。此变换是一个线性变换，通过一个 3×3的矩阵实现：

得到三基色的刺激值X、Y、Z后，可以按下列变换式计算出L*、a*和 b*的值：

其中：

Xn、Yn和 Zn是CIE标准光源的坐标，是三刺激值。本文采用D65标准光源漫反射，在2°视场下观测。此时的三刺激值分别为 Xn=95.047，Yn=100.00，Zn=108.883。

2 CIEDE2000色差公式

CIEDE2000色差公式：

式(5)的计算过程及各参数的意义如下：

(1)在 CIELAB 颜色空间中计算 L*、a*、b*、C*ab和 h*ab的值。 其中，L*、a*、b* 由式(2)、(3)、(4)求得。

(2)计算 a′、C′ab和 h′ab的值：

(3)计算亮度差 △L′、彩度差 △C′ab和色相差 △H′ab：

式中，下标s表示样本色，b表示标准色。

(4)计算权重系数 SL、SC、SH，以及 RT和 RC：

必须指出的是，计算时要注意角度和弧度的相互转化。

(5)选择合适的校正系数 KL、KC和 KH。

在CIE给定的标准观测条件下，KL=KC=KH=1。在条件不符合时，则要根据工业色差评估条件来确定这些数值。本文的观测条件符合CIE给定的标准，因此KL、KC、KH的取值均为1。

(6)用 CIEDE2000色差公式计算色差 △E2000。

3陶瓷砖的小色差检测

根据计算机视觉的原理，所设计瓷砖色差检测装置如图2所示。

选择合适的相机和光源对小色差检测尤其重要。本文选用微视MVC1000SAM/C-GE30摄像机，采用的是10 bit、逐行扫描的CMOS传感器。微视MVC1000SAM/CGE30摄像机通过一个千兆网口控制拍摄，在拍摄和传输图像方面具有很好的实时性。在光源方面，采用LED面光源，倾斜60°角，以避免瓷砖反光产生过爆。

瓷砖颜色繁多，每种颜色的检测都必须找一块符合要求的标准砖。每次检测色差，都用摄像机拍摄样本和标准砖的图像存入计算机。然后采用3×3均值滤波去掉噪声干扰，进行颜色空间转换(即RGB颜色空间转化到CIELAB颜色空间)，进而计算出整块瓷砖的平均 L*、a*和b*值，最后利用 CIEDE 2000色差公式计算色差。其检测流程图如图3所示。

本文采用白色陶瓷砖进行色差检测试验，实验共用了20块待测样本砖和1块标准砖。其中10块是符合要求的瓷砖，另外10块是存在微小颜色偏差的瓷砖。

图3 色差检测流程图

摄像机拍摄图片后通过千兆网口传送给PC机，在PC机上用VC++6.0编写的图像处理软件实现均值滤波、颜色空间转换，并最终实现CIEDE 2000色差计算。实验数据如图4所示。从图4(c)可以清楚地看到，两种样本陶瓷砖与标准瓷砖色差值的大小差异，因此可以得出结论：采用目前最均匀的色差公式CIEDE 2000，可以有效地针对小色差进行检测。

综上所述，采用目前和人的视觉最能够相匹配的CIEDE 2000色差公式，针对小色差进行检测是一种比较有效的方法，此方法值得在陶瓷业色差检测中应用以及在其他类似行业中推广。

[1]林福宗.Color_measurement[M].北京：清华大学智能技术与系统国家重点实验室，2001.

[2]刘浩学.CIE均匀颜色空间与色差公式的应用 [J].北京印刷学院学报，2003，11(3)：4-8.

[3] 郑元林.色 差 公式 CMC(1：c)、CIE94 和 CIEDE2000 的对比 研 究[J].包 装 工 程 ，2006(10)：127-128.

[4]郑元林.最新色差公式：CIEDE2000[J].印刷标准化，2004(7)：34-36.