AT400636B

AT400636B - Method and system for determining the coordinates of colours in a colour space

Info

Publication number: AT400636B
Application number: AT0107891A
Authority: AT
Inventors: Yury Leonov
Original assignee: Yury Leonov
Priority date: 1991-05-28
Filing date: 1991-05-28
Publication date: 1996-02-26
Also published as: ATA107891A

Abstract

Method for determining the coordinates of colours in a colour space, the spectral intensity distribution of the colour sample being measured and three primary signals corresponding to the relative proportions of three primary colours being produced. In addition, the integral lightness of the colour sample is measured and an amplification signal is produced which is proportional to this lightness and is inversely proportional to the root- mean-square of the values of the primary signals. The colour coordinates are given as output signals, each of which is directly proportional to the value of one of the primary signals and to the amplification signal. <IMAGE>

Description

AT 400 636 BAT 400 636 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Koordinaten von Farben in einem Farbraum, umfassend die Ermittlung der spektralen intensitätsverteilung der Farbprobe und die Erzeugung von drei Grundsignalen, welche den relativen Anteilen dreier Grundfarben, die vorzugsweise durch die Empfindlichkeitskurven der Farbrezeptoren des "Standard-Beobachters" vorgegeben sind, entsprechen.The invention relates to a method for determining the coordinates of colors in a color space, comprising determining the spectral intensity distribution of the color sample and generating three basic signals which indicate the relative proportions of three basic colors, which are preferably determined by the sensitivity curves of the color receptors of the " standard observer ".; are given.

Weiters betrifft die Erfindung ein System zur Bestimmung der Koordinaten von Farben in einem Farbraum, umfassend ein Spektrophotometer, allenfalls eine standardisierte Lichtquelle zur Beleuchtung der Farbprobe, sowie eine Verarbeitungseinheit, in welcher die spektrale Intensitätsverteilung dreier Grundfarben, vorzugsweise die Empfindlichkeitskurven der Farbrezeptoren des "Standard-Beobachters", repräsentiert ist und die eine Erzeugungseinheit für drei Grundsignale, weiche den relativen Anteilen der drei Grundfarben an der Farbprobe entsprechen, umfaßt.Furthermore, the invention relates to a system for determining the coordinates of colors in a color space, comprising a spectrophotometer, possibly a standardized light source for illuminating the color sample, and a processing unit in which the spectral intensity distribution of three basic colors, preferably the sensitivity curves of the color receptors of the " standard -Bonobachters ", and which comprises a generating unit for three basic signals, which correspond to the relative proportions of the three basic colors in the color sample.

In allen bekannten kolorimetrischen Systemen wird zur Bestimmung der Farbkoordinaten vorerst die spektrale Intensitätsverteilung Φ (X) der Farbprobe ermittelt. Anschließend wird mit Hilfe der vorgegebenen Farbabstimmungsfunktion b (X), r (X), g (X), welche den Empfindlichkeitskurven der Farbrezeptoren des "Standard-Beobachters" des jeweiligen Systemes entsprechen, die Berechnung der instrumenteilen Koordinaten B, R, G gemäß den folgenden Formein durchgeführt: B = /Φ (X) b (X) dX (1)In all known colorimetric systems, the spectral intensity distribution Φ (X) of the color sample is initially determined to determine the color coordinates. Subsequently, with the aid of the predetermined color matching function b (X), r (X), g (X), which corresponds to the sensitivity curves of the color receptors of the " standard observer " of the respective system, the instrumental coordinates B, R, G are calculated according to the following form: B = / Φ (X) b (X) dX (1)

G = ΙΦ (λ) g (λ) dXG = ΙΦ (λ) g (λ) dX

R = /Φ (X) r (X) dXR = / Φ (X) r (X) dX

Die erhaltenen Werte B, G, R entsprechen den relativen Anteilen der drei Grundfarben an der Farbprobe und sind Farbkoordinaten in einem linearen Farbraum.The values B, G, R obtained correspond to the relative proportions of the three primary colors in the color sample and are color coordinates in a linear color space.

Die existierenden Farbmeßverfahren sind jedoch nicht genügend stabil und genau. Die Genauigkeit der bekannten Systeme, beispielsweise des Munsell-Systems, des DIN- oder des N.C.S.-Systems hängt von den angewendeten Versuchsmethoden ab. Daher verändern sich mit der Abänderung dieser Methoden auch die Werte der Farbkoordinaten, d. h. es erfolgt ein "Abdriften" des Meßsystems in der Zeit. Auch die Empfindlichkeitskurven, die der Bestimmung zugrunde liegen, werden von Zeit zu Zeit abgeändert, was ebenfalls die Werte der Farbkoordinaten verändert. Auf diese Weise ist jedes beliebige empirische System nicht zeitstabil. Außerdem sind die empirischen Farbsysteme in bedeutendem Maß nicht homogen, was die Genauigkeit der Messungen ebenfalls herabsetzt. Weiters sind die Farbräume der existierenden Systeme nicht normiert und erschweren damit die Bestimmung der Farbdrfferenzen b2w. machen eine derartige Bestimmung unmöglich. Schließlich ist die Schaffung und Vervollkommnung von empirischen Farbmeßsy-stemen durch Experimente technisch sehr aufwendig.However, the existing color measurement methods are not sufficiently stable and accurate. The accuracy of the known systems, for example the Munsell system, the DIN or the N.C.S. system, depends on the test methods used. Therefore, when these methods are changed, the values of the color coordinates also change. H. there is a " drift " of the measuring system in time. The sensitivity curves on which the determination is based are also changed from time to time, which also changes the values of the color coordinates. In this way, any empirical system is not time-stable. In addition, the empirical color systems are to a significant extent not homogeneous, which also reduces the accuracy of the measurements. Furthermore, the color spaces of the existing systems are not standardized and thus make it difficult to determine the color differences b2w. make such a determination impossible. After all, creating and perfecting empirical color measurement systems through experiments is technically very complex.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens, mit welchem die obigen Nachteile vermieden werden können und das die Bestimmung von Farbkoordinaten in einem stabilen, homogenen und normierten Farbraum gestattet.The object of the present invention is therefore to create a method with which the above disadvantages can be avoided and which allows the determination of color coordinates in a stable, homogeneous and standardized color space.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist ein System zur Durchführung dieses Verfahrens.Another object of the invention is a system for performing this method.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art zusätzlich die integrale Lichthelligkeit der zu bestimmenden Farbprobe gemessen und ein Verstärkungssignal erzeugt wird, welches proportional der integralen Lichthelligkeit und umgekehrt proportional der Wurzel aus der Summe der Quadrate der Werte der drei Grundsignale ist, und das automatisch drei Ausgangssignale erzeugt werden, die den Wert je eines der Grundsignale sowie dem Verstärkungssignal direkt proportional sind.The object is achieved in that, in a method of the type mentioned at the outset, the integral light brightness of the color sample to be determined is additionally measured and an amplification signal is generated which is proportional to the integral light brightness and inversely proportional to the root of the sum of the squares of the values of the three basic signals and that three output signals are automatically generated, which are directly proportional to the value of one of the basic signals and the amplification signal.

Vorzugsweise wird das Verstärkungssignal durch Quotientenbildung der Werte der gemessenen Lichthelligkeit und der Wurzel aus der Summe der Quadrate der Werte der Grundsignale erhalten.The amplification signal is preferably obtained by forming the quotient of the values of the measured light brightness and the root of the sum of the squares of the values of the basic signals.

Die Werte der drei mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Ausgangssignale entsprechen Farbkoordinaten in einem euklidischen Farbraum, der normiert, isotrop und homogen ist. Die Abweichungen der Farbkoordinaten in diesem euklidischen Farbraum sind gegenüber den empirischen Systemen in etwa um einen Faktor 1000 kleiner, d. h. dieses Farbmeßsystem ist um ein Vielfaches stabiler als die bisherigen empirischen Systeme. Darüberhinaus sind Farbdifferenzen leicht und in Helligkeitseinheiten angebbar.The values of the three output signals obtained by means of the method according to the invention correspond to color coordinates in a Euclidean color space which is normalized, isotropic and homogeneous. The deviations of the color coordinates in this Euclidean color space are about a factor of 1000 smaller than that of the empirical systems. H. this color measurement system is many times more stable than the previous empirical systems. In addition, color differences are easy and can be specified in brightness units.

Die Farbkoordinaten des durch die drei Grundfarben definierten linearen Farbraumes entsprechen den Grundsignalen des Verfahrens und sind mit den Ausgangssignalen als neue Farbkoordinaten im euklidischen Farbraum durch folgende mathematische Transformationen verbunden: 2 (2)The color coordinates of the linear color space defined by the three primary colors correspond to the basic signals of the method and are connected to the output signals as new color coordinates in the Euclidean color space by the following mathematical transformations: 2 (2)

AT 400 636 BAT 400 636 B

X = L?Y = L®Z = 1° r2 = B2 + R2 + G2 L = L0B + LrR + LgG wobei L = Lichthelligkeit; B, R, G = Farbkoordinaten im linearen Farbraum (z.B. DIN,...); und X, Y, Z = Farbkoordinaten im euklidischen Farbraum.X = L? Y = L®Z = 1 ° r2 = B2 + R2 + G2 L = L0B + LrR + LgG where L = light brightness; B, R, G = color coordinates in the linear color space (e.g. DIN, ...); and X, Y, Z = color coordinates in the Euclidean color space.

Die Helligkeit der Farbprobe entspricht im euklidischen Farbraum dem Betrag des Radiusvektors der Farbe und ist durch nachstehende Formel bestimmt: (3) L = /q/' =VX2 + Y2 + V wobei q = (X, Y, Z) /5 Dem Koordinatenursprung X = Y = Z = 0 entspricht schwarz. Auf der durch den Koordinatenursprung verlaufenden Geraden, die durch gleiche Koordinatenabschnitte X = Y = Z definiert ist, liegen alle Grauwerte. Die Farbe selbst kann in relativen Koordinaten gemessen werden, die durch folgende Formel bestimmt werden: 20 x = l y = l 2 = ? (4)The brightness of the color sample corresponds to the amount of the radius vector of the color in the Euclidean color space and is determined by the following formula: (3) L = / q / '= VX2 + Y2 + V where q = (X, Y, Z) / 5 The coordinate origin X = Y = Z = 0 corresponds to black. All gray values lie on the straight line running through the coordinate origin, which is defined by the same coordinate sections X = Y = Z. The color itself can be measured in relative coordinates, which are determined by the following formula: 20 x = l y = l 2 =? (4)

Diese Koordinaten erfüllen die folgenden Bedingung: x2 + y2 + z2 = 1 (5) 25These coordinates meet the following condition: x2 + y2 + z2 = 1 (5) 25

Das bedeutet, daß der Punkt (x, y, z) auf der Sphäre mit der Helligkeit = 1 liegt. Diese Koordinaten (4) sind daher Farbwertanteile. Zur Bestimmung der Farbe selbst können weiter die Koordinaten X. Y, Z der Formeln (2) verwendet werden.This means that the point (x, y, z) lies on the sphere with the brightness = 1. These coordinates (4) are therefore color value components. The coordinates X.Y, Z of the formulas (2) can also be used to determine the color itself.

Die Werte der Ausgangssignale gestatten aber auch eine Bestimmung der geometrischen Entfernung 30 zwischen den beiden Farborten. Diese ist zwischen zwei Farborten Mi (Xi, Y-ι, Z-.) und M2 (X2, Y2, Zi) durch folgende Formeln gegeben: (6) AS = (ΑΧ2 + ΔΥ2 + ΔΖ2) 35 wobei ΔΧ = X2 - X,, ΔΥ = Y2 - Y,, ΔΖ = Z2 - Z1 daraus ist zu ersehen, daß im euklidischen Farbraum, für welchen die Werte der Ausgangssignale die Koordinaten darstellen, die Farbdifferenz nicht von der Richtung abhängt, in der sie gemessen wird. Der 40 euklidische Farbraum ist daher isotrop. Alle Farben, für die AS konstant ist, liegen auf eine Sphäre mit dem Radius Δ3. Der Farbunterschied wird im euklidischen Farbraum in Helligkeitseinheiten bestimmt.However, the values of the output signals also allow a determination of the geometric distance 30 between the two color locations. This is given between two color coordinates Mi (Xi, Y-ι, Z-.) And M2 (X2, Y2, Zi) by the following formulas: (6) AS = (ΑΧ2 + ΔΥ2 + ΔΖ2) 35 where ΔΧ = X2 - X ,, ΔΥ = Y2 - Y ,, ΔΖ = Z2 - Z1 it can be seen from this that in the Euclidean color space, for which the values of the output signals represent the coordinates, the color difference does not depend on the direction in which it is measured. The 40 Euclidean color space is therefore isotropic. All colors for which AS is constant lie on a sphere with the radius Δ3. The color difference is determined in the Euclidean color space in brightness units.

Zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens muß das System der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet sein, daß ein Meßgerät zur Bestimmung der integralen Lichthelligkeit der Farbprobe mit der Verarbeitungseinheit verbunden ist, die Verarbeitungseinheit eine Erzeugungs-45 einheit für eine der gemessenen integralen Lichtheiligkeit proportionales und der Wurzel aus der Summe der Quadrate der Werte der drei Grundsignale umgekehrt proportionales Verstärkungssignal und eine steuerbare Verstärkereinheit umfaßt, deren Steuereingang mit der Erzeugungseinheit für das Verstärkungssignal verbunden ist und an deren Eingang zumindest jeweils eines der drei Grundsignale angelegt ist und an deren Ausgang die Ausgangssignale anliegen. Dieses System gestattet die Ermittlung von Farbkoordina-50 ten in einem euklidischen, d. h. normierten, isotropen und homogenen, Farbraum. Abweichungen der Farbkoordinaten sind gegenüber herkömmlichen Systemen bis zu einem Faktor 1000 geringer, wobei Farbdifferenzen in Helligkeitseinheiten angegeben werden können.To carry out the method described above, the system of the type mentioned at the outset must be characterized according to the invention in that a measuring device for determining the integral light brightness of the color sample is connected to the processing unit, the processing unit has a generation unit for one which is proportional to the measured integral lightness and the Root from the sum of the squares of the values of the three basic signals comprises an amplification signal which is inversely proportional and a controllable amplifier unit, the control input of which is connected to the generating unit for the amplification signal and at the input of which at least one of the three basic signals is applied and at whose output the output signals are present. This system allows the determination of color coordinates in a Euclidean, i.e. H. standardized, isotropic and homogeneous, color space. Deviations in the color coordinates are smaller by a factor of 1000 compared to conventional systems, whereby color differences can be specified in brightness units.

In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt die Fig. 1 schematisch das System zur Bestimmung der Farbkoordinaten im 55 euklidischen Farbraum, die Fig. 2 zeigt schematisch das System zur Bestimmung der Farbdifferenz zwischen zwei Farbproben und die Fig. 3 zeigt die drei Farbabstimmungsfunktionen im System CIE-31.In the following description, the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. 1 schematically shows the system for determining the color coordinates in the 55 Euclidean color space, FIG. 2 shows schematically the system for determining the color difference between two color samples, and FIG. 3 shows the three color matching functions in the CIE-31 system.

In Fig. 1 ist die zu bestimmende Farbprobe mit P bezeichnet. In dem dargesteilten Beispiel handelt es sich um eine nicht selbstleuchtende Oberfläche, die daher von einer standardisierten Lichtquelle 3 3In Fig. 1 the color sample to be determined is designated by P. The example shown is a non-self-illuminating surface, which is therefore from a standardized light source 3 3

Claims

AT 400 636 B is illuminated. A spectrophotometer 1 measures the spectral intensity distribution of the color sample and directs it to a computer 2, i. H. the processing unit, the corresponding values. In this computer 2, the color coordinates B, G, R are initially generated as basic signals on the basis of the formulas (1). The integral light brightness L of the color sample P is also determined via a measuring device 4 and a corresponding signal is also fed to the processing unit 2. The color coordinates X, Y, Z in the Euclidean color space or the color value components x, y, z (formulas (4)) can then be determined as output signals of the processing unit 2 on the basis of the formulas (2). An example of a system for determining color differences between two color samples Pi and P2 is shown schematically in FIG. 2. Here, too, there are two non-self-illuminating samples Pi and P2, which are illuminated by a light source 3. To determine the spectral intensity distribution, two spectrophotometers 1, 1 'are provided, which are connected to the processing unit 2. Likewise, two measuring devices 4, 4 'for determining the integral light brightness of each color sample Pi, P2 are connected to this computing unit 2, and on the basis of the formulas (1), (2) and (6), this processing unit 2 determines the color difference in brightness units. Finally, FIG. 3 shows the conventionally used color matching functions in the CIE-31 system (Commission International d'Eclairage) as an example. Finally, the invention will be explained using an exemplary embodiment. The color coordinates of two color samples are determined using the formulas 1 for B1 = 1, R1 = -1, Gl = 2 and for B2 = 3, R2 = 2 and G2 = 4. The measured integral brightness of sample 1 should be 8.241 units in any unit and the brightness of sample 2 should be 20.543 units. The basic signals specified above and the brightness are processed in the computer in accordance with the specified method and characterized by the formulas (2) and give the output signals values: X1 = 3.364, Y1 = -3.364 and Z1 = 6.729 and for the second color sample X2 = 11.444, Y2 = 7.630 and Z2 = 15.259. As the color difference AS, a value of 16.09 brightness units is determined in the computer on the basis of formula (6). In conclusion, it can be said that the method according to the invention allows the precise and stable measurement of color coordinates and color differences and the creation of color standards. The systems for carrying out the method are of relatively simple construction and can be used in a simple manner in a wide variety of physical measurements in which colors are important. Finally, it is also possible to produce color scales and color atlases with high accuracy, consistency and homogeneity. Claims 1. A method for determining the coordinates of colors in a color space, comprising determining the spectral intensity distribution (energy density) of the color sample and generating three basic signals which indicate the relative proportions of three basic colors, which are preferably determined by the sensitivity curves of the color receptors of the "standard" - observer " are given, characterized in that in addition the integral light brightness of the color sample to be determined is measured and an amplification signal is generated which is c-optional of the integral light brightness and inversely proportional to the root of the sum of the cad rates of the values of the three basic signals, and that Three output signals are automatically generated, which are directly proportional to the value of one of the basic signals and the amplification signal.

2. The method according to claim 1, characterized in that the amplification signal is obtained by forming the quotient of the values of the measured light brightness and the root of the sum of the squares of the values of the basic signals.

3. System for determining the coordinates of colors in a color space, comprising a spectrophotometer, if necessary a standardized light source for illuminating the color sample, and a processing unit in which the spectral intensity distribution of three basic colors, preferably the sensitivity curves of the color receptors of the " standard observer " , and which comprises a generation unit for three basic signals, which correspond to the relative proportions of the three primary colors in the color sample, characterized in that a measuring device (4) for determining the integral light brightness of the color sample is connected to the processing unit (2), the processing unit comprises a generation unit for an amplification signal proportional to the measured integral light brightness and the root of the sum of the squares of the values of the three basic signals, 4 m AT 400 636 B ies amplification signal and a controllable amplifier unit, the control input of which is connected to the generating unit for the amplification signal and the input of which at least one of the three basic signals is applied and the output of which are the output signals. 5 Including 2 sheets of drawings 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 55