天然彩色棉花颜色测量与分级方法研究

汤寿伍，刘海峰*，肖月华，阿不都热西提·买买提，陈文钢，

曹艳艳1，宋武2，罗城2

（1.中国彩棉（集团）股份有限公司，乌鲁木齐 830023；2.新疆彩色棉工程技术研究院有限公司，乌鲁木齐 830023；3.西南大学，重庆 400715；4.新疆维吾尔自治区纤维质量监测中心，乌鲁木齐 830011）

天然彩色棉花是指棉纤维具有棕、绿等天然色彩的棉花[1]，其棉纤维在生长过程中就带有颜色，可省去后续加工过程中的染色环节， 产品绿色环保，深受纺织服装企业和广大消费者的喜爱[2]。 我国对天然彩色棉花的研究始于20 世纪80 年代，推广种植始于20 世纪末，截至2020 年，天然彩色棉花种植面积累计达16.7 万hm2，我国已成为世界重要的天然彩色棉花生产国[3]。 随着近年对天然彩色棉花研究的不断深入，选育的天然彩色棉花品种越来越多，同一颜色但深浅不同的天然彩色棉花越来越丰富。颜色的深浅是天然彩色棉花的重要品质指标之一，颜色深的天然彩色棉花可以生产出颜色更加鲜艳的产品，同时也可以配入更多的白棉，降低生产成本。

目前，国内外对天然彩色棉花的研究主要集中在生物育种扩大色域范围以及颜色形成的原理上，而对彩棉颜色等级的定义和划分的研究尚处空白。目前， 彩棉的颜色只是在目视评价的基础上命名，并没有以客观的方式进行定义。 我国于2005 年发布了天然彩色棉质量评价的国家标准《棉花 天然彩色细绒棉》（GB/T 1103.3－2005）[4]。 由于该标准参考的是白棉国家标准，因此未对颜色指标检验作出规定，仅对其标识做了具体要求：须注明彩色细绒棉类型，以颜色的文字标识作为类型代号，棕棉、浅棕棉、绿棉、浅绿棉的类型代号分别为棕、浅棕、绿、浅绿。因此，亟须对同一颜色但深浅不同的天然彩色棉花的测量、分级及其方法进行研究，以便在棉花品种选育、种植、加工，以及纺纱、纺织、销售过程中进行统一应用。

鉴于此，本研究主要选用不同颜色深度的棕色天然彩色棉花进行颜色测量和分级试验，为建立天然彩色棉花颜色等级评价标准奠定基础。

1 样本准备

1.1 样本的制作

选取不同颜色深度的55 个自育天然棕色彩棉品种（系）棉花进行样本制备。为了保证样本颜色在测量时不受外界环境的影响，将棉花样本统一称量1 g， 制成厚度为1 cm 的均匀不透光棉层。 所用自制容器为黑卡纸制成的纸盒，尺寸为10 cm（长）×10 cm（宽）×1 cm（高）。纸盒中心设置1 个展示棉花样本的圆形区域，直径为4 cm，如图1 所示。

图1 制作的棉花待测样本实物

1.2 样本的测量

为研究样本颜色测量的稳定性，以4 次测量结果的色度平均值作为标准值，分别将每次测量的色度值与标准值进行比较，计算其CIEDE2000 色差，以所有样本4 次计算的CIEDE2000 色差的平均值代表颜色测量结果的稳定性。得到测量的稳定性变化范围为0.01～1.32，平均值为0.33。 说明测量稳定性满足试验要求[5-6]。

选择美国爱色丽X-Rite SP64 积分球式分光光度计、X-Rite eXact 分光密度仪 （密度版）、 英国VeriVide 公司Digieye 数字测色系统、 网屏SCREEN 彩仙扫描仪等进行了天然彩色棉花的颜色测量[7]，如图2 所示为不同测量仪器、不同测量方法采集到的彩棉色度值散点分布。考虑到实际测量的可操作性和测量仪器的普及性，最终选用X-Rite SP64 积分球式分光光度计测量， 测量条件为D65（照明体）照明/10°（10°标准观察者）、di:8°（漫射：8°几何条件，包含镜面反射）。 测量时，每次在图1 所示的圆形区域上的3 个不同位置随机采样，取3 个位置的平均值代表棉花样本1 次测量的色度值，在不同时间段随机测量4 次，以4 次测量的平均值代表棉花样本最终的色度值。 55 个棉花样本在不同测量条件下测量的色度值在L*C*和a*b*色品图上的分布如图2 所示。

图2 棕色彩棉样本色度值在a*b*和L*C*色品图上的分布

2 颜色分级试验

棕色彩棉颜色分级试验分2 组进行。

第1 组试验在北京印刷学院进行，试验条件为光暗室。 选用Gretag Macbeth The Judge II 多光源标准观察箱Day 模式光源进行照明， 观察条件为0/45（即光源0°照明，观察者45°角评价），光照度为706 lx，色温为6 793 K，光源显色指数为95.6。共有10 人参与该目视评价试验，其中6 男4 女，年龄在24～26 岁， 所有观察者均为色觉正常的北京印刷学院学生，具有颜色科学的知识背景。 每位观察者独立进行3 次重复的彩棉样本颜色分级评价，共采集到30 组试验数据。

第2 组试验在中国彩棉集团进行，条件为北窗日光。 观察者均为从事彩棉育种的专业科研人员，共13 人，10 男3 女，年龄在23～47 岁。 其中6 人重复试验2 次，7 人进行1 次试验，共采集到19 组试验数据。 在分级试验正式开始前，试验组织者首先向观察者展示饱和度最大和最小的样本，使观察者了解样本的颜色分布和变化范围。

2 组试验中观察者根据样本的饱和度和明度进行分级，其中第1 组试验中要求将样本分为5级，第2 组试验不限制划分级数，以数字1，2，3……代表分级结果，其中“1”代表饱和度较大的等级。对55 种棕色彩棉的分级结果见表1。

表1 目视分级试验结果中棕色彩棉各等级样本数

3 棕色彩棉颜色分级

3.1 分级方法的建立

对天然彩色棉花样本的分级方法建立从以下几个步骤进行：

（1） 选用X-Rite SP64 积分球式分光光度计测量， 并计算得到55 个棕色彩棉样本在标准观察箱Day 光源照明下的色度值。

（2） 根据试验组织观察者对55 个棕色彩棉样本的分级结果，分别计算5 个等级中所有天然彩色棉花样本色度值的平均值。 选择饱和度C值为0的白棉作为标准样品（标样），计算各等级天然彩色棉花色度值平均值与标样白棉的CIELAB 色差值，见表2。

表2 天然彩色棉花样本各等级色度值平均值与色差值

色差ΔE计算公式：

（3）将目视分级结果（Grade_d）与计算色差结果绘制成散点图，根据散点图的分布，进行指数关系的拟合。 针对di:8°、8°:di（8°：漫射几何条件,包含镜面成分） 条件下的X-Rite SP64 积分球式分光光度计测量数据，可得出如下拟合公式：

（4）将3 次测量计算得到的样本平均值代入颜色分级公式（1），计算样本的颜色等级，计算结果按照数值修约规则保留到整数。计算结果≤6，即将棕色天然彩色棉的颜色分为6 个等级，“1” 代表样本饱和度最大的等级，“6” 代表样本饱和度最小的等级（该样本的颜色接近于白棉）。

3.2 分级方法的检验

为检验分级公式的准确性， 将样本与标样的CIE1976L*a*b*计算色差分别代入公式（1）中，计算出各样本的分级结果，结果保留整数。 2组试验目视分级的结果与计算分级的结果见表3、表4。

由表3 可知，第1 组试验中，有3 个样本的计算分级结果与目视分级结果不一致，计算分级结果正确率为95%。 由表4 可知，第2 组试验中，5 个样本的计算分级结果与目视分级结果不一致，计算分级结果正确率91%。可见，基于公式（1）建立的颜色计算分级结果与目视分级结果一致性较好，满足棕色彩棉颜色分级的要求。 进一步以色度值L＝85.0、a＝0.0、b＝0.0 的白棉为标样， 计算得到1、2、3、4、5、6 级棕色彩棉的色差分布范围，见表5。为方便使用，表5 还列出了基于X-Rite eXact 分光密度仪测量色差的测算结果。 实际应用时，可根据颜色测量仪器的测量结果计算色差，并直接用其进行彩棉颜色分级。

表3 第1 组试验目视分级与计算分级结果比较

表4 第2 组试验目视分级与计算分级结果比较

4 结论

本研究为天然彩色棉花颜色的检测分级提供了一种颜色测量和分级方法，为实现天然彩色棉花颜色分级的仪器化检测提供方案。本研究是对天然彩色棉花颜色分级的创新性研究，其结果可作为相关检测机构在相关法律法规允许范围内使用的技术性参考。根据表5 中的棕色彩棉与标样白棉的色差分布，制作色卡和天然彩色棉花纤维色卡，可用于棕色天然彩色棉花颜色分级的实践操作。

表5 天然彩色棉花颜色分级与色差分布范围关系