几种颜色测量仪的准确性和稳定性比较

李博 何颂华 陈秀兰

笔者在使用颜色测量仪测量颜色信息时发现，不同品牌、不同型号的颜色测量仪之间存在一定的差别，测量精度也有所不同，以至于可能会对实验数据的处理产生一定影响。为了更好地使用颜色测量仪，最大限度发挥其价值，笔者选取了i1（Eyeone）、Spectroeye、Spectrolino、X-rite 500四种颜色测量仪，利用测量的颜色色差和光谱数据的RMSE（均方根误差）比较这4种仪器测量数据的准确性及稳定性。

4种仪器的共性和差异

4种仪器中i1、Spectroeye、Spectrolino为分光光度计，只有X-rite500为采用了光谱感应器技术的分光密度计。这4种仪器都采用全息衍射光栅技术进行光谱分析，所以它们的工作原理基本相同。其都是把色彩作为一种不受观察者支配的物理现象，使用光谱分光器件将物体的反射光分解为等波长间距（如Δλ=10nm）的单色光，测量物体在整个可见光范围内的反射光谱，再转换为物体的光谱反射率、色度值、Lab值等数据。

4种仪器间最大的差异是测量方式，Spectrolino和X-rite 500是点定位、手按式测量，Spectroeye采用的是点定位、自动伸缩式测量，这些测量方式取点较为准确、稳定。只有i1需要配合色表读取定位尺使用，这样测量头与色卡之间必然存在一定的空隙，使测量结果容易受环境影响，且测量时取点容易出现偏差，进而影响i1的测量精度。

评价基础及条件

笔者进行的实验过程为在相同条件下，使用4种仪器分别多次测量同一色卡的Lab值及光谱反射率，再以CIE1976L*a*b*色差公式和RMSE公式作为计算标准，判断仪器本身的测量稳定性和准确性，同时对色差曲线和RMSE曲线进行分析，发现仪器在测量时所存在的缺陷。

具体而言，首先实验选取了全新的X-rite Colorchecker 24色卡作为测量目标物，该色卡中的色块代表自然物的真实颜色。4种仪器在测量该色卡数据时的统一限制条件为D50光源、2°视角，测量孔径选为3.4mm。为了保证仪器的稳定性，所有仪器在开机30分钟后开始测量，且数据都在同一时间段内完成测量，以降低其他干扰因素，最大限度地保证数据的准确性。

实验测量了两组数据，一组是用4种仪器测量色卡24色的Lab值及光谱反射率数据；另一组是用4种仪器测量色卡上的9号色块上九个点的Lab值及光谱反射率数据（随机选取了9号色块，对9号色块的中心点和边缘八个方位进行测量）。

准确性测试

1.光谱测量精度对比

由于4种颜色测量仪测量颜色时的基本测量值都是光谱反射率，因此笔者通过对4种仪器测量的光谱反射率数据（4次测量的平均值）与GretagMacbeth提供的标准数值进行了RMSE计算，以显示出测量仪在各波段上的表现。

通过图1可以看出4种仪器测量光谱数据的RMSE曲线走势基本相同，在600～700nm段，其RMSE相对较大，并随着波长增大而变大，说明4种仪器在测量红色波段时准确性最低。其中i1的RMSE相对最高，基本都在0.03以上，且不稳定；其他三种仪器的RMSE曲线基本相同，除在600～700nm段外，RMSE都可以控制在0.01以下。说明i1、X-rite 500、Spectroeye、Spectrolino4种仪器在测量光谱数据时准确性是依次上升的。

2.色度测量精度对比

图2为4种仪器的颜色测量数据与GretagMacbeth提供的标准数据之间的色差。通过比较发现4种仪器的测量数据均与标准数据存在色差，且色差变化走势基本相同，这可能是由色块不均匀或色块本身指标未达到标准要求造成的。图2中X-rite 500的测量数据产生的色差值最小，Spectrolino相对其他两种仪器测量产生的色差值较小，但其差距不大。从图中还可以看出仪器在测量19～21号灰色块时的色差值均较小，普遍低于前18个彩色块色差值，这说明4种仪器在测量彩色的色度值时准确性比测量灰色时要低；另外图中i1测量数据色差值大于3的位置共14处，Spectroeye共8处，Spectrolino共7处，而X-rite 500仅有2处。综合上述结果可以看出，X-rite 500的色度测量准确性相对较高，Spectrolino、Spectroeye、i1在测量色度信息的准确性上是依次下降的。

稳定性测试

为了确定仪器使用时其本身测量的不稳定性，实验对色卡中的9号色块进行了九点测量，并计算出了八次边缘测量数据与中心点测量数据之间的色差值（如图3所示）。

通过图3可以看出，X-rite 500最为稳定，色差值非常小，变化平稳；i1测量的色差值较高，均大于2，并且色差变化较大；Spectrolino和Spectroeye测量数据计算出的色差值均小于1，色差变化较小，这样就可以再排除因色块不均匀造成的测量误差的因素。

所有数据显示，i1测量数据的稳定性最差，造成测量数据误差大的原因主要与仪器的光源老化和测量方式有关，4种仪器中X-rite 500、Spectroeye和Spectrolino测量方式属于直接接触颜色测量，并且测量头的封闭性较好，但是i1在测量时要使用垫板，这使得测量头与色块产生一段距离，不能紧密地接触色块，使得其他光线进入测量头，另外i1测量时容易在垫板上滑动，这也是获取数据不准确、不稳定的原因之一。

实验结果表明，4种仪器中X-rite 500的稳定性最好，其重复测量产生的平均色差为0.0648；Spectrolino为0.6651、Spectroeye为0.7578、i1为3.0580。Spectrolino测量光谱数据的准确性相比其他三种仪器更为准确，其测量光谱产生的平均RMSE为0.0113，X-rite 500的平均RMSE为0.0124，Spectroeye的平均RMSE为0.0133，i1的准确性较低，其平均RMSE为0.0419。综上考虑，Spectrolino在4种仪器中的综合性能最高，可以满足精的测量要求。笔者建议在条件允许的情况下，可选用Spectrolino来测量颜色；另外建议在实际应用中使用同一台颜色测量仪比较样品颜色，避免因使用不同仪器测量而使得颜色一致性变得不可知，也可以保证数据的准确性。