密度法测定 灰平衡及中性灰

灰平衡是一个重要的颜色再现参数，因为它对一个图像或一个印刷样张上的所有颜色产生全局性影响。任何偏差或偏离灰平衡，在所有其他颜色中也会产生相同的偏差，这可能会导致色轮或色环上相邻的颜色改变色相。例如，在洋红中添加一些偏黄的颜色会使它看起来更红。同样地，互补色叠加饱和度下降或变得灰暗。这种现象常用的术语是蹭脏。例如，在蓝色（不是青色）中添加一些偏黄的颜色会使它显得不那么饱和或灰白，而不是更绿，见图1。

灰平衡是指中性灰色，即没有任何程度的偏差或偏色。摄影和摄像通常把灰平衡称为色平衡，也就是，在场景中再现一个尽可能中性的灰阶。在CIE Lab色彩空间，中性灰位于中心交叉点，在这一点a*和b*值均为零（0）。在RGB色空间，当等量的红、绿、蓝色光混合不论是从不透明的物体反射、从透明的物体透射或者从光源投射都可以产生中性灰。所以，如果R=G=B，则它等同于中性灰色。例如，输入到Adobe Photoshop中的RGB值相等或平衡时，颜色选择器始终产生一个中性灰，此时的a*值和b*值都是零（0），见图2。接近0的RGB灰度值是黑色，接近255的RGB灰度值是白色，接近128的RGB灰度值是中性灰色。因此，只有明度L*在变化。

在CMYK色彩空间，使用着色剂吸收RGB色光，用非等量的CMY着色剂（相同的网点面积50% C，50%M，50%Y），可获得中性灰色但是他们的密度是不相等的。但是，如果我们使用不同的网点面积（50%C，40%M，40%Y），可以获得中性灰色此时它们的密度相等。见图2。CMY网点面积是着色剂输入信号，它可以调节RGB色光；由此产生的CMY密度既是输出响应。D=-logR。所以，在RGB加色空间正确的，在CMY减色空间中也是正确的，因为他们是互补或对立的关系。

究其原因相同的网点面积不能产生中性灰是因为在印刷油墨中使用的颜料纯度不理想，并且还有一些正常但不想要的光吸收。打印机把这种光密度称为色相误差和灰度。由于洋红大约有45%偏黄的色相误差，青色大约25%偏向洋红的色相误差，网点面积相同（50%C，50%M，和50%Y）的三色灰看起来像被橘子污染过的暖褐色。但是，如果将品红色和黄色的网点从50%减少至40%，我们就可以消除这种暖彩色。当然，我们也可以增加青色的用量从50%至60%，但是这样会加深色调。在图3中，外围背景始终是50% 1/cK画面色调，中心插图有不同的CMY网点面积。

理论上或科学的非彩色（中性灰）定义，基于色度学，即当C*=0，这意味着A*和B*也为零。然而，为了技术上实现一个更实际的对中性灰的定义，应该考虑任何视觉参照的影响，比如纸白（0%网点），实地（100%网点），或50%的黑色网屏即半色调网点。在50%的网点，白色的纸张和黑色的油墨都会影响外观。在亮调部分，纸白有较大影响。同样，在暗调部分，油墨会产生较大的影响。因此，任何纸张或油墨的改变，以及照明或观看条件的变化，都会使中性灰的外观产生变化。当前有一种趋势使纸张更蓝，即具有较大的-b*值。这增加了美国纸浆与造纸工业技术协会（Technical Association of the Pulp and Paper Industry）TAPPI值的亮度。目前，ISO 1号类型纸张（铜版纸）的Lab值为L*=95，a*=0，b*=-2，在一个白色背衬的材料上测量。

当然，灰平衡最好用色度测定法测量，具体的就是用CIE L*C*H*中的C*。只要有可能，灰平衡就应该用色度C*测量。色度是基于XYZ三刺激值的三原色基色。三刺激值的生成结合了光源、物体改变环境光以及人眼通过红、绿、蓝视锥细胞的视觉反应等方面的影响。色度测定法最优，是因为它建立在人的视觉生理基础上，使用了CIE标准观察者（2度视角）并且定义光源为标准照明体（D50）。

密度计是一种三原色的测量仪器，包括3个宽的或宽频的红色、绿色和蓝色滤色片。在北美，T响应是基准。在正常的过程控制实践中，实地油墨密度（SID）通过补色滤色片测量来生成最高密度值（信号），见图4。

然而，通过查看CMY三色滤色片的密度（X-Rite“全部”显示模式），我们可以提高单一滤色片密度提供的有限的信息，（X-Rite“自动”显示模式）。显然，三色滤色片密度计的三原色响应不同于色度计的标准观察者。技术名词是异常三色器。

C*是一个相对a*和b*来说更有效的度量，因为只有一个值需要进行评估。数学上C*是一个直角三角形的最长边，斜边。当C*是零（0）时，颜色是无色，非彩色的中性灰色。在CIE Lab中评估中性色，a*和b*必须检查并且值为零时才为中性色。从图形上看，C*是有一定长度的半径线，并且只显示大小不显示方向。色相角（H）或者A*和B*会显示方向。该C*半径线越短，颜色越中性。最短的距离是零，在中心交叉点。C*半径线越长，颜色更加丰富多彩或饱和。由于C*是从a*和b*计算出的，这使得C*是一个二维的测量。

本论文针对的是拥有小型印刷机的读者群，他们可能不具备必要的仪器技术或对实践比色法的正确理解。色度计约4000元的售价，是密度计价格（2000元）的两倍，分光光度计几乎是密度计3倍的价格。许多印刷厂买一个分光光度计，但是仅仅使用，知道和了解它的一些简单的功能——密度。通常，是为脱机扫描仪的情况，不是仅靠手持的仪器。某些打印机可能有一个精密的X-Rite ATS或ITX的扫描仪，但只用它来测量密度。因此，本研究考虑到这些印刷厂。再次重申，研究问题是“密度测定法能否合适的替代测定灰平衡”。随着2006年GRACoL G7TM标准和控制方法的引进，对灰色平衡又重新产生了兴趣使这一研究课题及时并且有重大意义。在印刷媒体生产流程中，印前分色创建灰平衡，然后制作一个打样显示灰平衡。最终印刷车间的印刷品维持印前建立的灰平衡。灰平衡是工作基于ISO、FOGRA、GRACoL和SWOP的一个重要方面。

研 究 目 的

1.确定T响应密度计是否是一个有效的中性预测者，可以精确测量灰平衡。

2 .为光密度测定的灰平衡确定适当的容差范围。

方法与实验

为了进行实验，合适的一台测量设备和一个印刷或打样的色标是必要的。一台X-Rite的528分光光度计被用于提供光密度（CMYK）和色度（（Lab）信息。光谱反射数据不是必须的。测试色标可以是任何典型的从多个来源获得或定制的灰平衡色标，见图5。

此调查的范围被限制在色调复制比例尺50%的中间色调部分，而不是25%或75%的色调。ISO 12647-2规定，中间色调灰色平衡由50%C，40% M，40%Y和0%K生成，此时油墨实地密度（SID）和网点扩大（TVI）都正常。

测 量

所有测量数据均符合美国国家标准学会（American National Standards Institute）ANSI CGATS.4（美国印刷技术标准委员会）、CGATS.5、国际标准化组织（International S t a n d a r d i z a t i o n Organization）ISO 13655和ISO 13656。该测量采用D50光源，标准观察者为2度视角，0/45几何条件，黑色背衬，状态T滤色片响应，干密度，绝对包括相对纸白和非偏振。

每个色块测定两次，第一次为状态T测定密度，紧接着再次测定CIE Lab色彩。密度的测定使用高精度的全息滤色片，这样可获得3个小数位。

分 析

测量数据在Microsoft Excel中进行分析，并创建几个图表。

根据Lab，可计算C*。公式为C*=（a*2+b*2）1/2。对于每个色块，CMY三色滤色片密度“灰色差 ”可计算。灰色差=Max （Dr， Dg， Db） Min（Dr， Dg， Db）。例如，如果C=0.61，M=0.59，Y= 0.60，那么灰色差将是0.02。

结果与讨论

第一步首先确定灰平衡检测目标中哪个色块是采用比色法测得的真正灰色。在49个色块中，10号色块被认为是“灰色”使用C*容差≤2.0，见图6。不采用a*和b*的容差是因为它产生一个方形的容忍限度。相反，C*生产的是一个圆形的容差限度。拟合较小面积的圆形在较大面积的方形会产生4个边角，这不在圆形范围之内。这些角落代表不需要的错误判断。一个更为严格的公差是C*≤1.0，这里只有5个中性色块。这样严格的公差不被采用是因为在制造业中不实用。

下一步是评估CMY三色滤色片密度灰色差。灰色差越小，CMY三色块的中性灰越明显，见图7。12个色块有一个≤0.02密度的灰色差。其中，9个色块有一个很好的密度可以和C*的数据匹配，达75%的准确率。通常引用的灰平衡密度差值≤0.03。这个更宽的容差范围，包括20个色块。不幸的是，这个更大的容差产生许多错误的判断，准确率下降至50%。

最后，C*和灰色差比较发现使用二次多项式比较好，见图8。系数相关性（R2）为79%，被认为是可以接受的。如果其中只有10个色块C≤2和密度灰色差≤0.02被使用，则相关性可提高到84%。

结 论

以下以问答形式总结这个调查报告。

密度计能否准确地测量灰平衡？

是的。印刷厂一般没有色度测量仪或者他们的操作人员不懂色度测量法，不知道密度分布是C*的一个有效（84%精确度）替代法。为这种方法可以很容易地用任何手持式密度计实现，上面可以同时显示所有四个滤色片的密度。密度计中一个软件起着重要作用，它自动计算密度分布总结出一个接近的数值。

这个密度法的优点是可以使用现有的、旧的密度计，不需要更多的先进技术培训。脱机扫描仪将明显快很多。目前X-Rite的IntelliTrax（ITX）扫描仪（软件版本1.4.0.30）使用CMY三色滤色片密度差值即可显示灰平衡。

这个方法需要什么校准，设置条件和规程？

根本的问题是密度测定法使用状态T过滤而不是色度学的D50光源和2度观察视角，它模仿的是人类色觉。因此，为了弥补这种差异，提高精确度，把测量值作为一个相对已知或有针对性的参考。该参考存储在记忆中，可以很容易地测量后自动检索。作为参考的目标可以是一个OK的打样稿或是一个OK的印刷样张。使用这种方式是一个有效的过程控制技术。为了找到一个已知的中性灰色C*=0作为参考，它必须获得以前用色度计测量的以核实的样品。可能样品有非常低的C*色度值，是在样品观看展台桌面或墙壁发现的Munsell N8或Pantone Cool Gray 7.

什么是光密度灰平衡差值适当的容差范围？

3个滤色片CMY密度得出的灰度差值在0.02或以下（<= 0.02），对用密度计确定灰平衡来说是一个恰当的容差。然而，这种严格容差范围的一个重要部分就是仪器可重复性的消耗。现在色度密度测量很少有仪器重复性噪音或误差。老版本的仪器，精确度是±0.01。如今，提升为±0.005密度，这是每个产品的技术规格。因此，0.02的密度容差值和±0.005的设备重复精度相比，表现了25%的测量误差。一个量具重复性和再现性（简称GR&R）的研究报告建议测量噪音应低于总容差范围的10%。然而，从投入实际的角度来看，目前摄像机感光底片的读数能精确到0.5%的网点面积。如果CtP的容差为±1%，那么噪声也是25%。这种误差结果似乎并没有关心到许多用户。

深度研究

将来，应该在25%的亮调和75%的暗调做更多的附加实验。此外，灰平衡测试图标为一个确定的50%青色值改变洋红和黄色值。额外±5%青色值，从45%～55%，应该进行评估。另一种测量方法应该要测量光谱数据，并利用Excel计算Status T密度和CIE Lab，LCh。