色度测量实验报告.doc

基于WSD-1A 型装置的色度测量及计算崩溃问题的解决
摘要
就是对颜色的度量，这种度量是对颜色的一种客观描述，色度测量在制版、打样、印刷等光学应用中非常重要。本文基于WSD-1A 型装置论述一般样品进行反射、透射定量测量的原理和步骤，以及测量过程中出现的复位失败、计算崩溃等问题的分析解决。
关键词：色度测量 WSD-1A型实验装置
一、测量原理
（一）、色度学简介
色度学是研究颜色度量和评价方法的一门学科，是颜色科学领域里的一个重要部分。
颜色感觉与听觉、嗅觉、味觉等都是外界刺激使人感觉器官产生的感觉。光经过物体反射或透射后刺激人眼，人眼产生了此物体的光亮度和颜色的感觉信息，并将此信息传至大脑中枢，在大脑中将感觉信息进行处理，于是形成了色知觉。人们就可辨认出此物体的明亮程度、颜色类别，颜色纯洁的程度(明度、色调、饱和度)。外界光刺激——色感觉——色知觉是个复杂的过程，它涉及光学、光化学、视觉生理、视觉心理等各方面间题，要想度量色知觉量是很复杂的。心理物理学就是研究知觉量与外界刺激量之间关系而发展起来的一门学科。色度学要解决颜色的度量问题首先必须找到外界光刺激与色知觉量之间的对应关系，以便能用对光物理量的测量间接地测得色知觉量，因此应用了心理物理学的方法，通过大量的科学实验，建立了现代色度学。它是一门以光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的综合性科学，也是一门以大量实验为基础的实验性科学。现代色度学初步解决了对颜色作定量描述和测量的问题。
描述颜色最简单的方法是用颜色名词。给每种颜色一个固定的名称，并冠以适合的形容词，将这些名词汇编成颜色名词词典，为人们互相交流色知觉信息提供了一种简单、古老的方式，但它不能定量地表示色知觉量。人们还用制作标准色卡的方式来描述颜色，色卡可以有不同分类及排队方式，因而形成了不同的表色系统。例如孟塞尔表色系统，它是按照色知觉的明度、色调及饱和度这三个特征量的大小排队，井按各特征量的差值相同的原则来制作色卡，给每个色卡一定的标号，以此种色卡作为目视测量颜色的标准。用这种系统来测量颜色，在一定条件下反映了人的色知觉量。用心理物理学方法经过大量实验，研究了人眼的视觉规律而建立起来的国际照明协会的CIE色度系统，可以用数字量来表示颜色，井可用物理仪器代表人眼来测量颜色。这部分内容是色度学中最基本的内容。用CIE色度系统度量的颜色是心理物理量，尚不能完全反映人们的色知觉。色度学这门科学最早开创于牛顿，他引入了颜色环的概念从而开创了建立颜色图的思想，他还提出了颜色混合中用重心原理来确定混合色结果的方法。19世纪，科学家格拉斯曼(Grassmann)、麦克斯韦(Maxwell)、赫姆霍尔兹(Helmholtz)等对色度学的进一步发展作出了巨大的贡献。奠定现代色度学基础的科学家有吉尔德(GuiId)、贾德(Judd )、麦克亚当(Macadam)、司梯鲁斯(Stiles)、莱特(Wright)和维泽斯基(Wyszecki)。从1931年CIE色度学系统建立至今的50多年，色度学已取得了巨大的成绩。在工农业生产、科学技术和文化事业等部门色度学得到广泛利用，它的理论指导着彩色电视、彩色摄影和彩色印刷、染料、纺织、造纸、交通信号、照明技术等部门的工作，各色各样的侧色仪器都在产品检验和生产质量控制中获得了广泛应用。
（二）色度的基本术语
人们根据颜色的外貌，按直观颜色视觉的心理感受，对颜色进行系统的归纳和排列，给以相应的文字描述和数字标记。颜色可以分为彩色和非彩色两大类：非彩色是指白色，黑色和各种深浅不同的灰色。它们构成所谓的黑白系列，研究表明颜色有三种心理特性，分别可以用色调、饱和度、明度来描述。
1. 色调
表示颜色相互区分的属性。可见光谱中不同波长的光辐射在视觉上表现为不同的色调，如红、绿、蓝和黄等。光源的色调取决于人眼对其辐射的光谱构成产生的感觉；物体的色调则取决于人眼对光源光谱组成和物体表面反射（或透射）的各波长辐射的比例所产生的感觉。
2. 饱和度
指颜色的纯洁性。可见光谱中各单色光的饱和度最高，当单色光中掺入白光愈多时，则饱和度愈低。
3. 明度
明度是人眼感觉到颜色的明亮程度。颜色的亮度越高，眼睛就越感觉明亮，即有较高的明度。物体色的黑白系列的非彩色代表物体的光反射率的变化，在视觉上就是明度的变化，愈接近白色，明度愈高。反之，愈接近黑色，明度愈低。
（三） CIE1931－XYZ色度系统
1. 标准色度观测者光谱三刺激值
颜色感觉是由于光辐射源的或被物体反射的光辐射作用于人眼的结果。因此，颜色不仅取决于光刺激，而且取决于人眼的视觉特性。关于颜色的测量和标准应该符合人眼的观测结果。但是，人眼的颜色特性对于不同的观测者或多或少会有差异，因此要求根据大量的观测者的颜色视觉实验，确定一组为匹配等能光谱色的三原色数据，称为“标准色度观测者光谱三刺激值”，以此代表人眼的平均颜色视觉特性，用于色度学的测量和计算。
CIE（国际照明委员会）1931年在RGB系统的基础上采用设想的三原色（X），（Y），（Z）［分别代表红色，绿色和蓝色］，建立了CIE－1931色度图，同时将匹配等能光谱各种颜色的三原色数据标准化，确定CIE1931－XYZ标准色度学系统。三原色不能由其他色混合得到，三原色的波长如下：红：700nm，绿：546.1nm，兰：435.8nm
2. CIE1931色度图
CIE1931－XYZ色度系统是色度学基础。任何一种颜色均可以用CIE1931-XYZ色度图(图1)它的色度坐标x,y和刺激值Y来表示。
图1
图1为CIE1931色度图。色度图中的弧形曲线上的各点是光谱上的各种颜色即光谱轨迹，是光谱各种颜色的色度坐标。红色波段在图的右下部，绿色波段在左上角，蓝紫色波段在图的左下部。图下方的直线部分，即连接400nm和700nm的直线，是光谱上所没有的、由紫到红的系列。靠近图中心的C是白色，相当于中午阳光的光色，其色度坐标为X＝0．3101，Y＝0．3162。　　设色度图上有一颜色S，由C通过S画一直线至光谱轨迹O点（590nm），S颜色的主波长即为590nm，此处光谱的颜色即S的色调（橙色）。某一颜色离开C点至光谱轨迹的距离表明它的色纯度，即饱和度。颜色越靠近C越不纯，越靠近光谱轨迹越纯。S点位于从C到590nm光谱轨迹的45％处，所以它的色纯度为45％（色纯度％＝（CS／CO）×100。从光谱轨迹的任一点通过C画一直线抵达对侧光谱轨迹的一点，这条直线两端的颜色互为补色（虚线）。从紫红色段的任一点通过C点画一直线抵达对侧光谱轨迹的一点，这个非光谱色就用该光谱颜色的补色来表示。CIE1931色度图有很大的实用价值，任何颜色，不管是光源色还是表面色，都可以在这个色度图上标定出来，这就使颜色的描述简便而准确了。再如在CIE1931色度图上，可推出由两种颜色相混合所得出的各种中间色。如Q和S相加，得出Q到S直线的各种中间颜色，如T点，由C通过T抵达552nm的光谱色，可由552nm的波长颜色看出T的色调，并可由T在C与552nm光谱色之间所占位置看出它的纯度。在实际应用中，如彩色电视、彩色摄影（乳胶处理）或其它颜色复现系统都需要选择适当的红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色，用来复现白色和各种颜色。
3. 标准照明体
做颜色测量和标定时统一使用标准照明体，不同的光源有不同的光谱功率分布 ，因此在不同的光源照射下物体的表面呈现略为不同的颜色，因此 CIE 推荐四种标准照明体 A,B,C,D 和三种标准光源 A,B,C
4. 统一规定的照明和观察条件
做颜色测量和标定时，应符合统一规定的照明和观察条件， 照明和观察条件的不同也会使观察到的颜色有所不同 ，为此 CIE 规定对样品进行色度测量和标定应符合下述四种照明和观察条件之一
1) 450 /垂直 ，缩写为 450 /0 ：即照明光束与样品表面法线成 450±50 的角度 观察方向与样品的表面法线的夹角不应超过 100
2) 垂直/450缩写为 0/450照明光束垂直照射样品表面 ，其光轴与样品表面法线间的夹角不应超过 100，在与法线成450±5 0的方向观察样品。
3) 漫射/垂直： 缩写为 d/0，照明光束与样品表面平行入射，照明光束与样品表面平行入射到积分球内样品被积分球漫射照明， 观察方向与样品表面法线的夹角不应超过100
4) 垂直/漫射： 缩写为 0/d， 照明光束与样品表面法线的夹角不应超过100，用积分球收集反射通量 ，在与样品表面平行的积分球的另开口处观察 。
5． 标准光源 ：
能发光的物理辐射体，如太阳、灯等，CIE规定了用标准光源来实现标准照明体的光谱分布。
6． 主波长 ：
一种颜色Sλ 的主波长，指的是某一种光谱色的波长。 此种光谱色是用某一光谱颜色的一定比例与一个确定的参照光源相混和而匹配出来的颜色。
7． 兴奋纯度 Pe ：
是指主波长的光谱色被白光冲淡后所具有的饱和度。 在 CIE 色度图上用参照光源点到样品色度点的距离与参照光源点到主波长色度点的距离的比例表示 。
8． 亮度纯度 Pc ：
当样品颜色的纯度，即样品色接近同一主波长光谱色的程度，用亮度表示，就称为亮度纯度。 实质上是表示了主波长光谱色的三刺激值在样品三刺激值中所占的比例，它在 CIE 色度图上无法表示出来。在计算亮度纯度时，用样品主波长的y A坐标与样品色坐标的 y 值的比值乘以兴奋纯度来表示。
二、色度测量实验装置的机构以及工作原理
1． 基本组成
WSD-1A 型色度测量实验装置（图2）是由光电色度计、电控箱、计算机、打印机组成。该系统集光学、精密机械、电子学、色度学、计算机技术于一体，可直接测量光源色或物体色的三刺激值或色度坐标。
2．仪器结构及其原理
光电色度计由以下几部分组成：光栅单色仪、光源系统、测反射样品机构、测透射样品机构、接收单元等。
（1） 光栅单色仪
正弦机构 仪器采用“正弦机构”进行扫描，精密丝杠由步进电机 驱动 丝杠拖动螺母沿丝杠轴线移动 螺母推动正弦杆 使其绕自身的回转中心转动 光栅至于光栅台上 光栅台与正弦杆连接 光栅台的回转中心 通过正弦杆的回转中心 从而带动光栅转动 使不同波长的单色光依次通过出射狭缝而完成 扫描 b.双出缝机构 仪器采用双出缝机构 使得做透射测量或反射测量时能方便地操作狭缝为直狭缝 宽度范围 0-2.5mm 连续可调 顺时针旋转为狭缝宽度加大 反之减小
图2 WSD-1A仪器结构原理图

三、色度测量实验步骤
（一）反射物体的色度测量
（1） 开机（计算机、光源、光电倍增管负高压）；
λ
反射传递函数
（2） 确定入缝大小、负高压值（根据推荐数据），出缝转向开关，做波长复位（菜单中“复位”按钮）
（3） 测反射传递函数（菜单中“系统”-“维护”-“反射传递函数”，密码“tuopu”），此时样品池中不放反射体；测得的曲线应为一不完全为零得曲线；
（4） 开始实验（菜单中“实验”按钮），先做反射基线测量，反射样品池中放入标准白板，更换样板时光电倍增管负高压降为零，换好后再恢复；测得曲线不得太低，也不得饱和，可调狭缝，完成后点击“下一步”，测样品曲线测量，完成，
（5） 计算（菜单中“计算”按钮）；
（6） 查看结果（菜单中“结果”按钮）
（7） 保存目录：例如D\色度实验文件\反射红1127；
（8） 打印结果

（二）、透射物体的色度测量
（1） 移光电接收单元至出缝2，确定入缝大小、负高压值（根据推荐数据），调整出缝转向开关，
（2） 其余步骤与反射类似，测透射基线测量时透射样品池空；

（三）、实验结束
移光电接收单元至出缝1，光电倍增管负高压降为零，关机（计算机、光源、光电倍增管负高压），整理样品盒，清理环境；

四、软件计算时崩溃问题解决
(一) 常见崩溃原因
1) 由软件造成的崩溃
2) 由系统本身而造成的崩溃
3) 由硬件问题所造成的崩溃
(二) 针对计算过程崩溃分析及解决方案
计算过程出错和外设只和计算软件、计算机内存、cpu、硬盘有关，和其他外设没有关系，故计算过程崩溃原因可能是：
1) 软件和系统不兼容
软件和系统不兼容的情况我们经常会遇到，比如把win7的软件装在win8电脑上，当我们打开软件时会出现
或者在缺少32位兼容转换文件的64位系统运行32位软件时出现

对于这类软件不兼容的情况，我们有以下几种解决方案。
a) 采用兼容模式运行
有时候可以依靠windows系统的简单兼容操作（兼容模式）即可解决。
具体操作是在打开软件时右击→单击以兼容模式打开
b) 换计算系统
出现这种问题的原因是软件和系统不能完全搭配，计算是出现译码、编码错误。我们只需要将系统和软件匹配好即可。因此我们可以重装计算机系统，将系统改成和软件匹配的版本。
c) 软件升级
软件和计算机不兼容可能是软件版本过旧，比如以前的dos系统汇编现在在的windows系统里面是不能容的。而现在dos系统已经退出市场，故我们只能通过升级软件的方法来解决。当然还有其他问题，比如sod88软件只有dos版的，对于这种问题，我们只能通过换其他在windows系统下可以运行的同类软件来代替。

2) 软件算法存在缺陷
软件自身算法存在错误在pc使用中也经常遇到，软件算法缺陷崩溃分为以下几种
a) 算法不收敛
算法不收敛描述的是在进行数学计算的时候出现数据溢出情况，bios内置程序监控cpu的标记符，当出现of=1（程序计算数据溢出）时，cpu自动终止跳出程序。此时就会出现程序崩溃、闪退的情况。针对我们色度测量后期计算过程，里面没有矩阵求逆矩阵的过程，这样就不会因为矩阵非奇异。但是计算过程有归一化计算，归一化计算有求和及除法运算，当出现除数=0时就会出现计算结果不收敛，引起数据溢出触发了内部中断指令。
针对这种情况，我们可以通过程序改写，关闭溢出检测，当出现数据溢出时仍强制程序继续执行。
b) 程序跳转出错
程序在执行中会调用一些子程序，在调用子程序时会出现调用程序找不到情况，当cpu寻遍整个内存空间，始终没有找到要调用的子程序名称时，cpu自动终止操作。出现程序运行崩溃现象。
针对这种问题可以在软件打开时，直接自动进行软件初始化，提前排除子程序加载失败的情况。
c) 测量值和程序使用数据不同
计算过程是采用的微分求和近似积分，采集过程也是分段的，假如采集过程采样间隔是1nm波长，而计算过程用了0.3nm来微分求和，对于500nm有测量值，对500.3nm的波长却没有采样值，计算改点时计算机会随机补充一个数字，补充的数字可能是0也可能是1还可能是10000，这个数字产生的计算结果在查表时查不到，此时就会出现响应失败，重复后仍然失败，重复三次后系统自动退出。
对于这种问题可以采用简单插值法，直接在采样点线性插值。这样在整个波段范围内数据就是连续的，可以排除查表失败的情况。
d) 内存中子程序kill不掉
使用软件时有时我们有时发现软件打开再关闭，再次打开时出现加载不了的情况，这种情况是在内存中有些子程序没有被kill掉，当再次打开程序时，初始化发现软件正在运行而停止加载，但是内存中的程序又不能打开。情况就类似与我们把东西放在回收站里，虽然还占有硬盘空间，但是不能够被打开，必须被恢复才能被使用。
计算过程调用函数时出现这种情况就会出现调用子程序失败，找不到子程序就会闪退。
解决这个问题需要把调用的子函数改成全局变量或者每次调用完要检查
e) 程序进入死循环
程序运行时会反复运行某段代码，这段代码就是一个循环体。同时在内存里面有一个循环变量cx控制循环次数，正常情况下每循环一次循环变量cx会自动减一，当cx=0时循环终止，但是当cx在循环体内部被重新定义并挪作他用的时候就会出现cx的重复定义，从而循环次数不能被有效控制。情况类似于在环形跑道上举行没有终点标记的长跑比赛。运动员不知道什么是终点，什么时候要停止，于是比赛就不能正常进行。程序也是这样，没有有效的变量告诉cpu什么时候要终止循环，一直循环最后就出现死循环导致程序卡死崩溃
解决这种问题只能一步一步检查程序，但是程序源代码只有编写者有，编写者在调试过程可以一步步监控内存值，并发现有效错误。对软件使用者来讲，只能等待软件补丁发布或者换用其他可替代软件。
五、针对复位错误的分析及解决
软件在一开始复位过程中正弦机构应该下行，但是运行过程偶尔会出现复位反向的情况，对于复位反向我个人认为可能是软件的问题，也可能是硬件的问题
1) 硬件问题存在于串口通讯
在软件和硬件的接口经常很复杂，需要串并口的转化，以及传输加密解密的复杂变换，还可能是在模拟信号转化为数字信号过程出现量化错误。串口通讯接口出错的解决方案是改用接口或者改写接口程序。对于串口通讯我个人也不是很了解，这里不能给出很多有效描述。
2) 软件问题在于机构位置存储失败
机构在运行过程伺服电机每变换一个姿势都会给系统一个返回值，机构的位置是系统对返回值不断累加后得到的，这种算法依赖于机构的初始值，当初始值丢失时就会出现系统错误，这种错误系统可能误操作。当初始位置为正值，复位时需要控制伺服电机带动正弦机构向负方向运动，直至握杆附近的光电开关检测到遮光条；当初始位置为负值，复位需要正弦机构向正方向运动，也以光电开关检测到遮光条为终点。
问题就在于，当上次运行完系统后，系统没有将伺服电机的最终状态给记录保存下来，下次复位时就出现系统误判断。正弦系统在正向，应该下行复位，而系统给出的初始位置是负向，这样就需要控制伺服电机，带动机构向正向移动，但是此时系统的真实位置就是正的，继续上行，光电开关始终不会检测到遮光条，直至正弦机构运行到最高点并卡死，此时巨大的反作用力使伺服电机不能继续运转。
解决这个问题只需要在软件里面添加一句存储每次的机构坐标并将其保存在硬盘上，这种方案不仅不会导致系统误判断还可以去除光电开关，简化系统结构。
六、总结
通过对色度测量原理的学习，懂得了色度测试仪器的使用及其工作原理。针对其运行原理分析了软件错误的原因，但是其具体情况还需要每种假设逐个排除，确定了错误类型后根据针对的解决方案处理即可。
七、参考文献
【1】.金伟其，胡威捷. 辐射度、光度与色度及其测量【M】.北京理工大学出版社