全 文 ：第 !" 卷 第 # 期
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林 业 科 学
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桦木单板仿珍贵材三刺激值配色技术
郭明辉&6管雪梅$
"&2东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室6哈尔滨 &>%%!%#
$2东北林业大学信息与计算机工程学院6哈尔滨 &>%%!%$
摘6要!6以桦木单板为试材!利用计算机配色技术中的三刺激值法!以 lHX31hLYbHEh 理论为依据!对仿珍贵木材
染料配方的调配方法进行研究!得出 ! 种仿珍贵木材的染料配方% 紫檀& 活性艳红 KY7?为 %2&&"j! 活性黄 KYG
为 %2$&#j! 活性蓝 KYG为 %2%7$j# 黑酸枝& 活性艳红 KY7?为 %2!"&j! 活性黄 KYG为 %2>!!j! 活性蓝 KYG为
%2&88j# 黑胡桃& 活性艳红 KY7?为 %2&&#j! 活性黄 KYG为 %2$%"j! 活性蓝 KYG为 %2%88j# 柚木& 活性艳红
KY7?为 %2&$$j! 活性黄 KYG为 %2!%%j! 活性蓝 KYG为 %2%<$j% 研究发现此方法对于木材染色的配色十分有
效!经过极少次的校正就可以得到仿珍贵木材的染料配方!三刺激值相对误差小于 >j%
关键词&6桦木单板# lHX31hLYbHEh# 三刺激值配色
中图分类号! ’872$666文献标识码!-666文章编号!&%%& =8!<<#$%&%$%# =%&7% =%"
收稿日期& $%%# =%7 =$8# 修回日期& $%&% =%$ =&#%
基金项目& 黑龙江省攻关项目"W?%"?7%7 =7!W-%#?$%& =%8$ # 中央高校基本科研业务费专项资金资助"@.%#-?%&$ %
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WH0bIEFDHI&6WHLE KH3J3I$
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89/’(-.’&6 ?IOUD V3E33OZLTSLh3E S0TSHRPRP3N0O3ULTSN0OJH1LHTIEFSDO33TSIJH1LS3VL1H3J3SD0R 0NU0J4HS3O
S3UDE010FPXLT3R 0E lHX31hLYbHEh SD30OP5G3R TLERL1Z00R& O3LUSIV3XOI1ILESO3R KY7?%2&&"j# O3LUSIV3P310ZKYG
%2$&#j# O3LUSIV3X1H3KYG%2%7$j5?1LUhZ00R& %2!"&j# %2>!!j# %2&88j O3T43USIV31P5?1LUh ZL1EHS& %2&&#j#
%2$%"j# %2%88j O3T43USIV31P5,3Lh& %2&$$j# %2!%%j# %2%<$j O3T43USIV31P5)SZLTN0HER SDLSSD3J3SD0R ZLTV3OP
3N3USIV3N0OZ00R RP3IEF! LER SD3N0OJH1LZLTN0HER LNS3ON3ZSIJ3T!LER SD33OO0OZLT13TTSDLE >j5
:); <"(=/&6XIOUD V3E33O# lHX31hLYbHEh# SDO33TSIJH1LS3VL1H3J3SD0R
66木材颜色是决定消费者印象的重要因素% 为了
提高木制品的装饰作用和产品价值!要对木材及木
质材料进行着色"孙建!$%%!$# 同时!随着森林资源
结构和数量的变化!天然林大径级优质材和名贵家
具用材供应日益减少!取而代之的是大量的人工林
木材% 为实现人工林木材的高效利用!需要通过染
色技术改良劣质材!仿制名贵木材!从而提高木材的
使用价值和满足人们对色彩多样性的要求"李长胜
等!$%%># 印中华等!$%%"$%
木材染色中的一个重要环节就是配色!其对染
色后木材的颜色质量至关重要% 在此过程中!普遍
以色彩合成与颜色混合理论为基础% 采用人工配
色!其对配色人员的素质要求高!既费时又难以适应
现代工业生产的要求!且成本高’准确性差% 随着人
们对木材染色需求的增加!在确定工艺的情况下!将
计算机配色的方法用于木材染色中加快染料配方生
成的速度将极大地提高工作效率!节约成本% 现有
文献多从纺织等领域的国外引进软件的应用角度探
讨木材计算机配色 "武林等! $%%"# 李春生等!
$%%"$!取得了一定的效果!初步证明计算机配色在
木材染色工艺的适用性# 而从光学角度!研究其配
色原理的研究还未见报道% 基于三刺激值理论的计
算机配色技术是纺织业配色普遍采用的理论之一
"饶俊!$%%!$!对于此理论在木材染色的应用适用
性的讨论将对于木材染色计算机配色的应用普及起
到至关重要的作用%
本文以桦木 ">");/% D/%)#D9#/%$单板为研究对
象!以事先得出的染色工艺为基础!利用计算机配色
技术中的三刺激值法及 lHX31hLYbHEh 理论为依据!
对于仿真染料配方调配!得到预测配方!探索适合木
材染色中计算机配色的方法%
6第 # 期 郭明辉等& 桦木单板仿珍贵材三刺激值配色技术
&6理论依据
>D>?:&9)$U-VS&*U理论
照明光投射到不透明的基质"木材$时!除少量
镜面反射外!大部分光线投入基质内部!发生光的吸
收和散射% 染料导致光吸收!不同染料对光谱吸收
的选择性导致不同颜色!染料的浓度越高!吸收性也
越强烈!反射的光将越少!所以说染料浓度与反射率
之间存在一定的关系# 但这种关系远比染料在溶液
中浓度与透射率的关系复杂% 有基于此! lHX31hL
和 bHEh 总结提出了 lHX31hLYbHEh 理论&
"!X6$# S-& [8#.
$X$8#! "&$
式中& !为吸收系数# 6 为散射系数# 8#为波长 +
下的反射率# +为波长%
这一理论近似地描述了吸收系数’散射系数与
样品光谱反射率之间的函数关系!为实现颜色的仪
器测量提供了理论基础%
在此基础上!lHX31hLYbHEh 理论又有所发展%
例如假设几种染料混合时!各染料之间不发生变化!
则应用于多种颜色染料混合的配色方程式可改
写为&
!X6 S"U&=& \U$=$ \U7=7 \3 \U%$X
",&=& \,$=$ \,7=7 \3 \,%$! "$$
式中& U&!U$!U7 分别为各组分染料的吸收系数# ,&!
,$!,7 分别为各组分染料的散射系数# =&!=$!=7 分
别为各组分染料的浓度# U%!,% 是基质的吸收系数
和散射系数# !!6 分别为染色后基质的吸收和散射
系数% 这个公式便是计算机配色的基础%
假设同种染料中每个染料分子对光的吸收和散
射系数相同!则单色染料的"!&X6& $#值与染料浓度
之间成线性关系&
"!&X6&$# S$#=4! "7$
式中&$#为比例常数!代表单位浓度的单色染料染
样所具有的"!X6$值!=4代表该染料的浓度%
借鉴纺织染色的理论!对于木材染色而言!有下
式成立"武林等!$%%"$&
"!X6$# S"!$X6$$# \"!&X6&$#% "!$
66在理想状态时!即染色材的树种与材性等方面
均相同的情况下!"!X6$#仅与 "!&X6& $#有关% 由
于染料配色可以采用单常数法配色!即可以把 "!X
6$#作为单一数值来进行计算!则有 "武林等!
$%%"$&
"!X6$# S"!$X6$$# \+
1
4S&
$#=4! ">$
式中&1 为染料的数目%
>DF?三刺激值计算机配色原理
配三刺激值法!也称为 -13E 配色法% 其具体
做法是& 首先选取几种用来配色的不同颜色染料!
一般是 7 种染料"本研究采用红’黄’蓝 7 种颜色的
活性染料用于配色$% 定义下列矢量和矩阵&
)S
T
K

W
! LS
C!%% C!$% 3 C8%%
#!%% #!$% 3 #8%%
Q!%% Q!$% 3 Q

8%%
!
-S
-!%% % 3 %
% -!$% 3 %
4 4 4 4
% % 3 -


8%%
! (",$ S
8,!%%
8,!$%
4
8,

8%%
!
("5$ S
85!%%
85!$%
4
85

8%%
%
式中& )是目标珍贵木材的三刺激值矢量# L是
()*&#"! 标准观察者三刺激值函数的矩阵# -代表
()*标准光源@">的相对光谱分布函数的矩阵# 8为
光谱反射率!下标标志以 EJ为单位的波长!(",$是目
标珍贵木材的光谱反射率矢量!("5$是配色染色后
染色单板的光谱反射率% 配三刺激值法的目的就是
使配色染色后单板的三刺激值与目标珍贵木材的
三刺激值 相 同! 即 达 成 了 配 色 目 的! 可 以 导
出式""$&66
L--(",$ [("5$ . S%% ""$
66再定义矢量和矩阵&
*S
"!X6$ !%%
"!X6$ !$%
4
"!X6$


8%%
! NS
2!%% % 3 %
% 2!$% 3 %
4 4 4 4
% % 3 2


8%%
!
=S
=&
=$
=


7
!%S
"!X6$ &!%% "!X6$
$
!%% "!X6$
7
!%%
"!X6$ &!$% "!X6$
$
!$% "!X6$
7
!$%
4 4 4
"!X6$ &8%% "!X6$
$
8%% "!X6$
7
8

%%
%
其中&24i =
$8$4
& =8$4
"4i!%%!!$%38%% EJ$# =为
配色染料浓度的矢量"&!$!7 分别表示使用的 7 种
染料!此方法只适合 7 染料配色法$% 根据这些矢量
和矩阵!便推导出了配色染料所需的浓度计算公式!
具体的推导过程请参考"-13E!&#""$&
=S"L-N&$ [&L-N-*",$ [*")$ . % "8$
&7&
林 业 科 学 !" 卷6
66由于式"8$只是一个近似的三刺激值相等的方
程!其近似度取决于配方满足光谱一阶近似匹配条
件的程度!方法本身无法就这一问题做出有力判断!
结果实际配方计算中产生一定偏差! 故 -13E
"&##"$用渐进法进一步求更精确的解!从而得出浓
度的修正量 ,=!其中 ,)为染色后材质与目标材表
面三刺激值的差值!从而得到更精确的浓度值 =! !
经过反复迭代!得到最后的浓度值&
,=S-L-N%. [&,)! "<$
=! S=\,=% "#$
$6材料与方法
FD>?试验材料
本研 究 目 标 珍 贵 材 单 板 试 样 采 用 紫 檀
"<)"(’.%(D;,4124.;,$’黑酸枝 "N%/&"(04% 140(%$’黑
胡桃"Y;0/%1,140(%$’柚木"L".)’1% 0(%124,$% 桦木
单板购自黑龙江哈尔滨!厚 %2" JJ!尺寸&%% JJd
>% JJ% 染料采用活性艳红 KY7?’活性黄 KYG’活性
蓝 KYG!渗透剂采用 kB(!采用食盐"+L(1$作为均染
剂’促染剂!固色剂为纯碱"+L$(e7$’蒸馏水%
FDF?试验设计
将试材用砂纸进行表面清洁!将染料 "按计算
浓度$’渗透剂 kB("%2&j浓度$’一半食盐 "+L(1!
$j浓度$和蒸馏水均匀混合成染色液!倒入用于染
色处理的大烧杯中"浴比 &%q&$% 将试样"每种染色
选用 &% 张单板作为试材!测量时取平均值$装入不
锈钢试样笼!确保试样之间留有空隙 "陈玉和等!
$%%&# 廖齐等!$%%>$# 然后将试样笼浸入到盛有染
色液的大烧杯中# 将烧杯放入恒温水浴锅中加热!
室温入染# 加热过程中!对染液不断进行搅拌!使其
充分流动# 当达到染色温度"8> ‘$后开始计时!在
还有 &% JIE 达到染色时间时!加入另一半食盐
"+L(1$# 当达到染色时间时""% JIE$!加入纯碱进
行恒温固色处理# 固色时间"7% JIE$之后!关闭水
浴锅!取出烧杯"于志明等!$%%$$% 将染色单板取
出用蒸馏水反复清洗至清洗液无色为止!然后晾干
保存!等待颜色测定%
FDC?测量方法
使用 +B777 型全自动分光光度计 "+I440E
@3ETD0hH )ER!(05.SR$分别测量 ! 种珍贵树种木材
表面!染色前的桦木单板和使用活性艳红’活性黄’
活性蓝 7 种染料分别染色处理后的桦木单板的三刺
激值 T!K!W和光谱反射率 8"波长间隔为 $% EJ!范
围 !%% _8%% EJ$!每片单板!在其表面选取 7 个点
测量!并求其平均值!以此平均值作为该树种木材的
三刺激值数据和反射率平均值!记录备用%
76结果与分析
CD>?材料表面三刺激值及反射率测定结果
采取前文所述的方法!测量珍贵树种表面’桦木
素板及染色单板的反射率值!素板及染色单板的数
据取 &% 张试材的平均值和范围!如表 & 所示%
测量珍贵树种表面三刺激值如表 " 前半部分所
示!其他表面三刺激值未用到!不再进行测量%
CDF?计算机配色及染色结果
采用前面测量和收集的配色基础数据!使用计
算机计算并确定配三刺激值法染料浓度计算公式
"8$中各有关数据的值!最终计算出所需染料的各
自浓度!从而得出仿珍贵材染色的染料理论配比%
采用该染料配比!通过染色处理制得单板仿珍贵材
染色的实际产品!并与目标材三刺激值进行比较!校
正染色配方!便实现了桦木单板仿珍贵材染色的全
过程%
72$2&6配色参数的查询和计算6& $查找有关文
献!从中查询 ()*&#"! 标准观察者三刺激值和 ()*
标准光源 @">的相对光谱分布"何国兴!$%%!$!并以
此确定式"8$中的矩阵 L和 -!查询结果如表 $ 所
示# $$根据公式 24i =
$8$4
& =8$4
"4i !%%!!$%3
8%% EJ$和表 $ 中数据!计算各珍贵树种木材的逐
波长处的 2 值!并确定矩阵 N!计算结果见表 7# 7$
根据 lHX31hLYbHEh 理论及表 & 中的数据分别计算
珍贵树种’桦木单板和红’黄’蓝单色染色单板表面
的!X6值的平均值!并计算其平均值!确定矩阵 $以
及矢量 *",$ ! *")$ !计算结果见表 !%
72$2$6染料配比的确定6&$理论染色染料配比的
确定6将查询确定的和计算确定的函数矩阵’矢量
带入到配三刺激值法染料浓度计算公式 "8$中!通
过计算求出染料浓度的近似配比 =!计算结果见表
># $$理论染色染料配比的校正6利用理论染色染
料配比进行桦木单板的染色!测量其三刺激值的平
均值!求出其与目标珍贵材表面三刺激值的差值
,)!再按式"<$!"#$确定新的染料配比!仍有误差!
可再次进行调整!经过 $ 次调整!染色单板表面三刺
激值测定如表 " 后半部分!染色前的素材色差较大!
而染色后相应减小% 经测量!三刺激值相对误差均
小于 >j!肉眼难以分辨% 确定的染料配比结果见
表 8%
$7&
6第 # 期 郭明辉等& 桦木单板仿珍贵材三刺激值配色技术
表 >?表面反射率测定结果
4-9@>?0)’)(A#*-’#"*()/&$’/"1/&(1-.)()1$).’#7#’;
波长
MLV313EFSDA
EJ
反射率 ’HONLU3O3N13USIVISP
紫檀
<)"(’.%(D;,4124.;,
黑酸枝
N%/&"(04% 140(%
黑胡桃
Y;0/%1,140(%
柚木
L".)’1% 0(%124,
素面单板
f1LIE V3E33O
红色单板
G3R RP3V3E33O
黄色单板
C310ZRP3V3E33O
蓝色单板
?1H3RP3V3E33O
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66
表 F?矩阵 7中的各三刺激值和 -
中标准光源的相对光谱分布
4-9@F?4,())/’#A&$-’)7-$&)"1A-’(#O 7-*=()$-’#7)
/B).’(-$=#/’(#9&’#"*"1/’-*=-(=/"&(.)
波长
MLV313EFSDA
EJ
()*&#"! 标准观察者三刺激值
()*&#"! TSLERLOR 0XT3OV3OSOITSIJH1HTVL1H3T
,C ,# ,Q
-
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66 表 C?珍贵树种 3 值的计算结果
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77&
林 业 科 学 !" 卷6
66 表 G?BCD值的计算结果
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波长
MLV313EFSDA
EJ
!X6
紫檀
<)"(’.%(D;,4124.;,
黑酸枝
N%/&"(04% 140(%
黑胡桃
Y;0/%1,140(%
柚木
L".)’1% 0(%124,
漂白单板
?13LUDIEFV3E33O
红色单板
G3R RP3V3EE3O
黄色单板
C310ZRP3V3EE3O
蓝色单板
?1H3RP3V3EE3O
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66
表 H?桦木单板仿珍染色的染料配比
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染料种类 @P3SP43 紫檀 <)"(’.%(D;,4124.;, 黑酸枝 N%/&"(04% 140(% 黑胡桃 Y;0/%1,140(% 柚木 L".)’1% 0(%124,
活性艳红 G3LUSIV3XOI1ILESO3R %2&7< %2>%7 %2&!$ %2&!&
活性黄 G3LUSIV3P310Z %2$$" %2>$! %2$$8 %2!%>
活性蓝 G3LUSIV3X1H3 %2%7" %2&<# %2%#$ %2%#$
66
表 Q?珍贵树种染色前后表面三刺激值测定及误差!
4-9@Q?4,())/’#A&$-’)7-$&)"1=;)7)*))(/&(1-.)9)1"()-*=-1’)(-=L&/’A)*’-*=’,))(("(
三刺激值
,DO33TSIJH1LS3VL1H3
树种 M00R SP43
紫檀 <)"(’.%(D;,4124.;, 黑酸枝 N%/&"(04% 140(% 黑胡桃 Y;0/%1,140(% 柚木 L".)’1% 0(%124,
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727<
66!T!K!W为染色前的表面三刺激值!TZ!KZ!WZ为染色后的表面的表面三刺激值!"C!"#!"Q为相对误差% T!K!W&,DO33TSIJH1LS3VL1H3X3N0O3
LRnHTSJ3ES# TZ!KZ!WZ&,DO33TSIJH1LS3VL1H3LNS3OLRnHTSJ3ES# "C!"#!"Q&G31LSIV33OO0O5
表 R?桦木单板仿珍染色修正后的染料配比
4-9@R?0;)(-’#" "19#(.,7)*))(/#A&$-’#"*B().#"&/<""=-1’)(-=;&/’A)*’ j
染料种类 @P3SP43 紫檀 <)"(’.%(D;,4124.;, 黑酸枝 N%/&"(04% 140(% 黑胡桃 Y;0/%1,140(% 柚木 L".)’1% 0(%124,
活性艳红 G3LUSIV3XOI1ILESO3R %2&&" %2!"& %2&&# %2&$$
活性黄 G3LUSIV3P310Z %2$&# %2>!! %2$%" %2!%%
活性蓝 G3L3SIV3X1H3 %2%7$ %2&88 %2%88 %2%<$
66
66利用此配方对其他桦木单板进行多次染色!相
对误差基本控制在 >j以内!虽然最终染色产品的
表面三刺激值与目标珍贵材还有一些差异!但可以
重复进行上述的浓度修正过程!经过反复迭代!可以
使三刺激值差异更小% 考虑到在染色处理过程中和
色度指标测量过程中存在着较大的系统误差和些许
的人为误差# 仿珍染色的目标色!即珍贵材颜色并
不像纺织’纸张印染中那么固定# 同一种树种!不同
批次有区别# 同一批次不同单株也有区别# 即使是
一块样品!其不同部位的色度学指标也千差万别!因
此本研究将迭代 $ 次的结果作为染色配方的最后
结果%
!7&
6第 # 期 郭明辉等& 桦木单板仿珍贵材三刺激值配色技术
!6结论
三刺激值法及 lHX31hLYbHEh 理论作为计算机
配色技术的核心和理论支柱在很多行业得到了广泛
应用% 本文采用以桦木单板为研究对象!以事先得
出的染色工艺为基础!应用此理论探讨仿珍贵材的
配色方法!取得了显著的效果!具体的结论如下&
&$应用三刺激值法及 lHX31hLYbHEh 理论的计
算机配色技术预测染料配比与实际的配比之间差距
甚小!经过 $ 次校正!得到三刺激值误差小于 >j!
从而可以说明& 三刺激值配色技术完全适合木材染
色中的配色技术!比较人工配色和正交试验配色效
率得到了根本提高!染色效果理想%
$$经过校正!得到桦木单板染珍贵材的染料浓
度配比分别是!紫檀& 活性艳红 KY7?为 %2&&"j!
活性黄 KYG为 %2$&#j! 活性蓝 KYG为 %2%7$j#
黑酸枝& 活性艳红 KY7?为 %2!"&j! 活性黄 KYG为
%2>!!j! 活性蓝 KYG为 %2&88j# 黑胡桃& 活性艳
红 KY7?为 %2&&#j! 活性黄 KYG为 %2$%"j! 活性
蓝 KYG 为 %2%88j# 柚 木& 活 性 艳 红 KY7?为
%2&$$j! 活性黄 KYG为 %2!%%j! 活性蓝 KYG
为 %2%<$j%
本研究虽取得部分成果!但还存在很多的不足
之处!由于 lHX31hLYbHEh 理论是经过多次近似得到
的理想公式!对于其应用难免出现误差!而针对试验
6666
材自身的特性对其理论进行修正!使之得到更准确
的模型还没有深入研究# 对于木材本身的构造对于
染色的影响没有被计算机配色模型考虑!这些将在
今后的工作中进一步进行研究%
参 考 文 献
陈玉和!陆仁书!杨洪义5$%%&2泡桐木材仿红木染色工艺的研究5林
产工业!$<"!$ & &8 =
何国兴5$%%!2颜色科学5上海& 东华大学出版社!&!% =&<%5
李长胜!王殿文!吴艳辉5$%%>2中国森林生态效益计量研究5防护林
科技!"$$ & & =75
李春生!王金林!王志国! 等5$%%"2木材染色用计算机配色技术5
木材工业!$%""$ & > =85
廖6齐!刘6元!邓6洪! 等5$%%>2活性染料的杨木单板染色工艺5
木材工业!&#"!$ & 7# =!&5
饶6俊5$%%!2浅谈三刺激值匹配法在计算机配色中的应用5天津
纺织科技!!$"&$ & &< =
孙6建5$%%!2中国木材工业发展现状’趋势和政策取向5绿色中国&
理论版!""$ & &8 =$%5
武6林!于志明5$%%"2计算机配色技术应用于木材染色初探5中国
人造板!&7"<$ & &8 =$%5
印中华!田明华5$%%"2我国大量进口木材的利弊分析5林业经济!
"#$ & !8 =>%5
于志明!赵6立!李文军5$%%$2木材染色过程中染液渗透机理的研
究5北京林业大学学报!$!"&$ & 8# =<$5
-13E *5&#""2?LTIU3oHLSI0ETHT3R IE U0J4HS3OU010OJLSUDIEF5k0HOEL1
0NSD3e4SIUL1’0UI3SP0N-J3OIUL!>""#$ & &$>" =&$>#5
!责任编辑6石红青"
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