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牙科比色:牙齒色彩的科学确定

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牙科比色:牙齒色彩的科学确定 QZ Quintessenz Zahntechnik (特别版) 牙齿色彩的确认 2004.07.30 The Determination of the Tooth Colors Andres Baltzer, Vanik Kaufmann-Jinoian . ...
牙科比色:牙齒色彩的科学确定
QZ Quintessenz Zahntechnik (特别版) 牙齿色彩的确认 2004.07.30 The Determination of the Tooth Colors Andres Baltzer, Vanik Kaufmann-Jinoian . Conversion of L*a*b into L*C*h (in the quadrant, +a / +b’)6 L*C*h* | L (Value) remains L | C (Chroma) =  a2 + b2 | h (hue) = sin(h) = b/ a2 + b2 Fig. 6 and 7 The L*a*b color space and the L*C*h color space are identical with regard to the distribution of colors. Only the localization of the color points has been calculated differently 自然牙齿颜色的区域被描述为L*a*b /L*C*h系统内的一个香蕉形状的彩色空间。 这个牙齿的色彩空间位于浅红色和淡黄色之间 沿光轴伸展。如果把最光亮的自然牙色的数值 (在彩色空间上的地点/定位)与那些最黑暗的比较. 他们的数值分别是78/1/12和62/6/31(按L*a*b系统)和78/12/86 和 62/33/78 (按L*C*h系统)。 把L*C*h数值综合到彩色空间以后, The E-value Shade matching with the VITA SYSTEM 3D-MASTER® Appendix 2 A Tungsten filament lamp 2’856 B Midday sunlight 4’870 Rising sun 1’800 D65 Standard light of the spectrophotometer VITA Easyshade or MHT SpectroShade (average daylight) 6’500 lluminant, type of light Description Color temperature (°Kelvin) 8The determination of the lightness (value)group with the M2 teedescribed in here does not follow the recommendations of VITA. In the VITA SYSTEM 3D-MASTER® the value is determined with the M1 teeth (samples). This appears to be logical since the M1 teeth are located in the upper row of the toothguide and can be placed against the tooth without the need to disassemble the toothguide. Deter- mining the value with the M2 teeth is a different approach which is more complicated but – accordingto our experience – also more promising 9For some years chemical brightening (bleaching) of teeth has become more and more popular – either within the “eternal quest for the fountain of youth” or as a cultural variation of the motto “citius, altius, fortius” – faster, higher, stronger. As long as such shifts in lightness lie within the natural tooth color space, this trend may be acceptable to a certain extent. Brightening (bleaching) should be rejected if the value is to extend across the lightness (value) group 1 resp. if an unnatural lightness group is intend- ed to be reached. We are left quite helpless, however, to fashion trends and extravagant wishes. TheVITA SYSTEM 3D-MASTER® has already responded to such tendencies and integrated a lightness group0 in the toothguide. Extreme, unnatural bleaching is particularly popular in the United States. Whether this trend will cause a shift in the statistical distribution of tooth colors in the tooth color space remains to be seen. 更多详情请访问:http://www.vita-china.com/ 以下的图解我们见到一个垂直线上有四个箭头和一只香蕉,这跟路标很相似. 箭头从垂直标竿的中心点往外面向不同的方向伸展出去. 垂直标竿由下到上续渐变亮. 香蕉定位在一个较光亮和近红黄的色彩区域上. 如果有人想利用这路标寻找这只香蕉, 他会在浅红和浅黄中间的区域找到它. 图一: 色彩路标: 垂直标竿由下至上变得明亮; 四个箭头指向不同的色彩方向(篮、红、黄). 香蕉是在垂直标竿光亮的位置并在红色和黄色之间. 这象征着一个抱括了所有自然牙齿色彩的色彩空间 每天跟颜色一起工作的人,如牙科技师和牙医都能看到这图上标竿和香蕉的一些连系. 不难发现那四个色采方向和亮度(黑白)标竿带出了一个抽象变异的立体色彩空间. 这就是颜色度规的 L*a*b 系统了. 所有能被人类肉眼看到的颜色都集结在这个色彩空间内. 在垂直黑白标竿的中间点上,有一个灰色水平面, 在这水平面上有一绿红轴( a-axis) 和 一蓝黄轴(b-axis)分别往相反方向伸出. 色彩由黑白标竿没有色彩的中心点伸展到外边色彩渐密的区域. 换言之, 在黑白轴上位置越高,颜色越光亮; 位置越低,颜色越黑暗. 那香蕉代了所有自然牙齿色彩在色彩空间的每个区段或定位. 它的形状更象征着自然色彩的现象. 不同牙齿色彩的主要分别在于它们的亮度. 正因为这样, 色彩空间是相对着垂直亮度轴的, 它的扩展就像一只香蕉, 较光亮的牙齿会在偏高的位置,而较黑暗的牙齿就要在偏低的区域才找到.颜色较深的曾集在香蕉偏外面曲线的区域, 亦即是在L-axis上离无色中心点较远的位置. 带红的牙齿向着a-axis, 而带黄的牙齿则向着b-axis. 这个L*a*b 系统的历史很有趣因为它也是文化历史的一部分. 一些人不能抗拒探讨色彩理论和系统的物理学、神经生理学和心理学. 不会有人忘记Goethe拒绝相信牛顿在五十年前所提出和被科学界一至接受的物理研究结果。这位着名诗人在他的一首诗中拒绝了幻想物理学家的理论:" 打算划分光的那些人必定 是愚馫的"。二百年来,物理学家,生理学者和哲学家都写了不少文章或公开讲说关于Goethe 反对牛顿(Isaac Newton)的不智辩论。现代研究结果终于能够把在这个物理与颜色悟性理论之间的争论画上一个句号. 在Goethe时代,人们不知道很多东西都是密切相关的. 在二十世纪初,人们都决心找一个客观确认颜色的。这系统要一方面根据肉眼能力来确定配比的颜色,而在另一方面则可利用数学来计算配比颜色的位置兴每原色的联系。科学家渴望有一个不需要任何样本的颜色系统,因为用一个颜色样本跟另一个样本比较是一个永远主观的过程. 再者,样本退色后就更加没有功用了. 国际委员会CIE(Commission Internationale d’Eclairage)被批准建立一个用数学定义的精确及客观的标准颜色表。 Fig. 3 Left: Maxwell’s red-green-blue (RGB) triangle: every mixed color is in the center of the line which links the components to bemixed. Right: visual presentation of quantitative mixing of the red-green-blue proportions for the mixed color S 这个标准颜色表是根据物理学家詹姆斯,麦斯韦(James C. Maxwell) 的颜色三角理论。 在1859年,这位苏格兰物理学家介绍了他的颜色视觉理论.亦被认为是色度测量(色度学)的起点。 在他的理论上,他指出,所有颜色都是从三个光谱颜色(红色、绿色和蓝色) 混合获得的。他放了三原色(红色、绿色和蓝色)在一个等边三角形的角点上,所有混合的颜色都显示在连接角点的线上(图三,左)。 总三角上混合颜色点(S)和总三角的色边决定了每原色在等边三角形区域的定量。 使用总三角的三角栅格,可以解释得更加清楚(图三,右)。混合颜色S在麦斯韦(Maxwell' s)的三角红色的比例定量(proportion)有9个小三角,绿色有16, 蓝色有49。如果S点在Maxwell'三角的蓝色顶点; 混合后的颜色就会是纯净的蓝色因为那儿已没有红色和绿色的比例定量了. Maxwell' s RGB三角内颜色之间的几何联系和距离有精确的意义. 它是基于以下的精神物理的测量 (psycho-physical measurements): 使用标准的发光物,测试人准备各种各样由红色、绿色和蓝色混合的色彩,直到颜色与样本匹配。 相应地获得了颜色悟性的三个因素: 观察者 (有标准视觉的人) 发光体 (由色温作定义 degree Kelvin) 物体 (由它的固有颜色作定义所有由另外的发光物(强光)所反射的都会被消除 各混合色彩可以取决于三价值(values)R,G和B,叫作三色值(tristimulus values)。 相应地,这三值可变成描述颜色的三个特性: 色值、色彩密度和光值。 如果实验结果被输入三角,那么我们在三角形的角落将找到三种颜色红色、绿色和蓝色,而所有不同混合颜色就位于三角里面。这些颜色朝三角形的中间加起来就得到纯净的白色。从这基本的概念开始, CIE发展了色彩图表color chart(标准颜色表,标准原子价值系统)。 Maxwell的传统三色值 RGB被转换成三个新的单位x, y和z。 新的程式会在附录简短地描述。 在这新色彩图表,x值代表水平轴和y值则代表垂直轴。(图4) 在z轴上, 这x-y图只是色彩空间的一个平面,它代表了光的感知。 如x-y平面在z轴较中心(零点)的位置,色彩便越来越暗, ie,对应的图代表了在较少光下色彩看起来是怎样的。 但在科学术语上这个彩色空间名为”color bag”. (1931 CI系统) fig.5 在工业用途上, 不只色彩测量是重要的。颜色的分别亦是不能忽视的。 原因是理所当然:一位顾客在订单上向生产商要求一个期望的物体(例如汽车)需要是某一种颜色(例如冰绿色)而这颜色更能匹配到第二个(已经存在)的颜色物体, 然而,小许的偏差是可容忍的。 不幸地,色度学着名颜色袋子(color bag)是一简单渐进图因此不可能以此来确定颜色的区别. 的确,这个缺点,尤其是在代表绿色和聚集红色,紫色和蓝色入三角的角落,总是被批评的。 Fig. 5 Standard color tables representing the planes with decreasing lightness. The diagrams show how colors look like if there is less light. This color space is referred to as CIE-1931 system or sim- ply “color bag”. Fig. 4 Standard Color Table (CIE 1931): The colors of the spectrum are situated horseshoe-like around the absolute white point, the so-called achromatic point. Towards the outer region the degree of saturation resp. the intensity of the color (chroma) increases. Each point inside the horseshoe represents a type of color. If a straight line is drawn from color type A to color type B, additive mixing of colors allows to obtain only those colors which are on the straight line. For instance, no yellow light can be mixed from blue-greenand red light. 从六十年代开始,技术文章一再提出了一些能计算颜色区别的程式,这些程式都得到不同程度的采纳和应用回面. 在1976年,一个新的系统涌现了,由CIE推荐的,名为CIE L*a*b。 这被非自亮性物体例如纺织品、油漆和塑料物体广泛地采用。附录内简单的描述如何转换单位。 CIE L*a*b系统看来是适用于履行工业要求。这个颜色系统在图2说明了。 另一个能容易地说明CIE L*a*b系统的是L*C*h(parameters)。用这个方法L*a*b的彩色空间内颜色分布惟持不变; 只是颜色在彩色空间内的定位是用不同的方式计算。L*a*b系统上颜色的定位是由座标L、a和b.的距离来决定的。在L*C*h系统上颜色的定位是定义于L值(亮度,颜色点在L座标的高度),与角度C(颜色强度/密度,L座标与颜色点的距离)和角度h (色值、轴+a和颜色点的角度)。 可以在图6 和 7看到两个系统的对比。同一颜色点S分别用左边L*a*b参量和右边L*C*h参量画出. 图8解释以下方程式如何把 L*a*b转换成L*C*h. 当确定牙齿色彩时,主要焦点在评估3个参量:亮度(L),颜色强度(C)和颜色色值(h)的交互作用。实际使用颜色时,使用L*C*h比较简单,因为他们直接地引用相关的颜色特征,亮度(L),强度(C)和色值(h)。色彩密度不需要用以上的程式计算因为参量C已能表达得到。至于色值,那是从红色(+a) 转移往黄色(+b),参量h的角度能更加容易地表达出来。 Fig. 8 Localization of the point S(color mixture red-yellow) in the color plane: in the L*a*b system it is defined through a (horizontal) and b (vertical). In the L*C*h system it is defined through C and the angle h The position of the tooth color space in the L*a*b resp. L*C*h color space 牙齿色彩空间(香蕉)的位置变得很明显 (图11)。 香蕉的顶部最光,它在图的高度为L=78 (亮度),低密度为C=12 (色彩强度),与角度h=86 (色值) -是离红色轴+a axis较远,几乎在黄色轴+b axis上。 香蕉黑暗的末端在而未端是倾向黄色轴的。较低位 L=62 (亮度),它的密度多三陪就是C=33 (色 彩强度),而角度h=78 (色值)是较近红色轲+a axis的。相应地,图11所显示的色彩空间,香蕉形状的牙齿色彩空间在高度(亮度)78和62之间有两陪的倾斜度。从垂直的轴看来,顶端是倾向光轴的� 基于牙齿色彩空间在心理测量的彩色空间占一位置,一直以来牙科技师和牙医都需要确定牙齿色彩,因此色度学也可能被他们采用: 较光亮的牙齿色彩密度较低的并且显露黄色色值的比例较大 越黑暗的牙齿,密度越高和红色色值的比例越大。 最光亮和最黑暗的自然牙齿色彩(L*a*b 78/1/12 相对于 L*a*b 62/6/31) 的感知,区别变得可见,因为这两种颜色在彩色空间的定位距离是用<>E描述的。标志”<>”代表区别和" E" 就代表一字“Empfindung" (德语为感觉或悟性)。<>E是根据毕达哥拉斯(Pythagoras)的空间对角线方程式所计算出来的。 E =  L2 + a2 + b2 图12说明了这个计算方法。<>E价值的计算程式指出E为参考颜色和测试颜色的距离(区别)。但提供不到关于测试颜色的区别方向的资料。<>E价值更没有提及测试(test)颜色和参考(reference)颜色在亮度较低或高时的分别 (图12)。我们能在参考色P2以同一个<>E区别找到无限种测试颜色。他们全部在球形的表面,以P2作为中心点和E作为半径。这是非常重要的,因牙齿色彩区域的<>E价值是相对的较低。很多时,在一种光线 (如牙椅子的操作灯) 下,肉眼 "确定" 了二颗牙齿的色彩是相配的,实际上其中一颗牙是较黑暗但颜色密度却较低。 在办公室之外的光线下,您有时候可能会对这结果感到失望。希望避免这样事情发生的人也许可以使用一个数字式色彩测量仪器,它不仅夺取<>E价值,更能确切的以数字把色彩的亮度、强度和色值的区别辨认出来。这测量仪系统的原理和他们作为为牙齿色彩配对的一个补助工具的用途将会在Quintessenz Zahntechnik的下一期出版。 Fig. 12 The space diagonal between the points P2 and P1 corre- sponds to the color distance and is expressed with E. E repre- sents the difference between the colors of the points P1 and P2 perceived by the human eye. It is difficult for the human eye to recognize E-values below 2 as color difference. The highest color difference in the L*a*b color space is E = 387 牙齿能正确地在香蕉形状色彩空间上定位能避免在配对牙色的时候产生错误。 为此,比色指南/板上样本就是用来跟口腔内的牙作参考比较。在这个色彩配比的过程中,口腔内牙齿的色彩昰用颜色板上的代码来定义的。 这个方法的困难在于配色板上样本的数量. 如样本增多,比较的数量也相对地增加,直到人们不再分别得到,因为人类肉眼在这样活动下会迅速疲倦,配色结果也因此不再可靠。 确认牙齿色彩 The determination of the color(shade) of a tooth) Fig. 13 Conventional shade guides mostly exhibit non-uni- form distribution of the individ- ual shade samples in the tooth color space. This results in con- centration of colors with small distances to each other and zones including samples which are not useful. Some samples are even situated outside the color space of natural teeth Fig. 14 VITA SYSTEM 3D-MASTER: The toothguide is divided into five lightness groups. Each lightness group includes a central tooth with six teeth around it for the determination of differences in intensity(chroma) and hue 如果样本的数量小,某些因素能任意地影响颜色配对,因为有限的颜色样本之间(在彩色空间的色彩距离)有着相当大的区别。另外,几乎所有配色版都导致色彩在色彩空间内集中在一起或有非常大的颜色距离. 众多配色版甚至提供一些色彩空间之外的色彩样本,这令配色更困难了。 这样的问题在维他三维系统(Vita system 3-D master®)的配色板就减到了最低。 颜色样本在彩色空间内的距离均同等地分布,符合科学原理. 如果适当地使用将增加了配色时的精确度。认知色彩空间的L*a*b 亦即是L*C*h是相当有用的。维他三维系统的配色板包括了牙齿色彩空间之内付有相等距离的五个亮度组别(L=4)。那些在同一个亮度的小组内的样本假牙(tabs)都有相同的亮度(L)但有着不同的强度(C)和色值(h)。这样的排列为比色时的基础。 Fig. 15 The comparison with the average value M2 of the five light- ness groups is perfectly suitable for accurate determination of the lightness value of a tooth Fig. 16 Arrangement of theVITA SYSTEM 3D-MASTER®: first the lightness group (1 to 5) is determined. Then the intensity (chro- ma) is checked (pale to intensive); finally the hue is determined(tendency to yellow or red) 首先选择正确的亮度组别。每个小组包括了一颗中央样本假牙M2。 如果把五颗M2假牙按与越来越亮的次序快速地以对比方式比放在牙齿上,任何错误的亮度对比就几乎会被排除(为方便临牀使用Vita推荐以M1假牙来决定亮度)。 当确定亮度时,如果把五颗中央假牙M2放成像扇子一样(除开了旁边的假牙) (图15) 这样与口腔的牙齿作比较可以增进精确度。使用中间样本假牙3M2开始比较。 决定牙色是否较黑暗或较光亮比决定是否黑暗或更加黑暗比较容易。 我们应该考虑眼睛在片刻之内就会疲倦这事实; 所以决定色彩必须迅速地完成,并且应该除去所有干扰因素。选择到一个亮度组别后,应覆盖或拿开其他亮度的组别。经验指出,当继续选择正确强度时,半信半疑的情况常常出现,这是因为把整个比色板在牙齿前面向一边移动。 决定亮度 (Determination of the lightness) 选择了亮度的组别后,下一步就是决定该组别内的色彩强度(图16)。 首先, 比较口腔内的牙与选择的亮度组别的中央样本M2。必须决定色彩是较深(高饱和度)或是较浅(低饱和度)。 在第一个个案,下半圆的三个样本被除去; 而在第二个个案,上半圆的三个样本则被除去。 决定饱和度 (Determination of the intensity) 决定色相 (Determination of the hue) 第三个亦是最后一个决定就要使用剩下的四个样本假牙: 三个上半部样本(强度为1和1.5)或者三个下半部样本(强度为第2.5级和第3)加上中央样本(强度为2)。 比色过程在确定色值以后就完成。 我们要决定的是牙齿是否倾向黄色( L,左边)或倾向红色(R,右边)。 如果没有找到偏向任何一方,就使用色值M(中)(见图17)。 Fig. 17 The hexagon around the average value M2: compared tothe average value M2 the three upper samples are paler than the three lower ones. The samples on the right side of the average value M2 are more reddish and those on the left side of the color- neutral average value M2 are more yellowish 例子: 图表1显示了如何用vita系统比色。你们很难找到一个更加准确和快速的肉眼比色方法了。 因这比色板的独特安排和通过排除过程而选择正确颜色的方式,在不用经长时间的训练下也能可靠和快速地比出正确的色彩。 极亮或极黑的牙齿,都很少偏向黄色或红色的; 所以在亮度组别1和5内,大概我们都会选择中间色值M。 牙齿色彩在色彩空间内的分布 (The distribution of the tooth colors in the tooth color space) 要得到有用的信息,我们要看一看牙色在牙彩色空间的频率分布。 符合与香蕉形状的牙彩色空间的狭窄末端,亮度组别1和5的末端位置的是相对的小。 在相等颜色距离的原则下,没有足够的空间加入这六颗颜色样品牙。 另外,亮度为组别1和5是的牙极为少见。 差不多一半的自然牙色都位于色彩空间的中间(即组别3)。当确定亮度组别时(从一个统计观点上)从中部开始决定参考牙是否较亮或黑或实际上位于第3个组别。 在牙科技术中所有陶瓷修覆都在不断进步。与其他修覆技术比较他们的比例和审美要求都迅速地增加。创造出自然修覆是越来越重要的:新的陶瓷和镶饰系统在这发展扮演着一个关键的角色。当确定牙齿的色彩时,它的光华、半透明度和乳光都影响颜色的悟性/感知。然而,正确的选择基本颜色总是重要的。早前有E4-E6颜色偏差的修覆今天已被认为不满意的结果。E值为1到3的要求只有全陶瓷基底subconstructions能做到及需要仔细的比色和牙医与技师之间良好的配合。 混合3-D Master的原色 (Mixing the primary 3-D Master colors (shades)) Vita 3-D Master系统提供完善的首要条件来帮助我们达到这个目标。比色板是根据色度学的原则所排列出来的,准许精确地预测混合色彩,但A2和C1就不可混合。根据图表2,所有期望混合到的色彩可以从Vita 3-D Master比色板的29个样本中找到。 而且,当M颜色与L颜色或R颜色混合时,我们可以获得无限种混合颜色。这为牙齿基本色彩的正确选择提供了不能想像的多个可能性。因减低了牙齿基本色彩的偏差,牙科技工能更准确地利用透明度来塑造牙齿表面的特征. <>E价值在一定程度的减少后更接近人类肉眼的视觉界限(resolution limit)。数码式色度测量仪的发展如能夺取整个光普数据(像在市场上最近发行了的VITA Easyshade系统),也许是相当有用的。 关于这个主题的个报告将在下一期的Quintessenz Zahntechnik出版。 Dr. med. Dent. Andres Baltzer Gartenweg 12, CH-4310 Rheinfelden, Switzerland Email: andres@baltzer.ch Master Dental Technician Vanik Kaufmann-Jinoian Cera-Tech GmbH, Poststrasse 13, Ch-4410 Liestal, Switzerland Email: vjinoian@aol.com Color perception of the visible light in the wavelength range of 380 nm to 720 nm is assigned to the observer with standard vision. The color receptor cells of the human eye are concentrated around the central area of the retina (fovea centralis). The size of the area around the fovea centralis (field of vision) is important for color comparison. Larger fields of vision result in different perception of colors than smaller ones. The observer’s field of vision is defined by the determination of the angle capturing the field of vision (fig. 19) Fig. 19 Color perception on the fovea centralis: photosensitive but not color-sensitive cells are situated outside the fovea centralis and distributed across the entire retina. In 1931 CIE defined the standard observer with a viewing angle of 2° (2° observer). In 1964 the viewing angle was extended to 10°(10° observer)。 2In accordance with a physical law, light which is emitted by a black object is linked with its tempera- ture. If, for example, glowing coal is heated, its color will also change. Accordingly, color can also be expressed as color temperature in °Kelvin 3Each object reveals its inherent color information to the human eye. This information can be distorted during perception if the object is exposed to an additional, reflecting source of light (illuminant). When matching colors, it is therefore always required to eliminate such “glare”. Naturally, brilliance, translu- cency and opalescence of a tooth also influence color perception. First of all, however, the correct basic shade must be determined. Only then other factors which have an influence on the color need to be considered. 4In the CIE system, the traditional Mawellian trichromatic values are converted into three new tristimu- lus values X, Y and Z. Identical X, Y and Z values add up to white. These variables (color masses) are converted further into x, y and z by dividing each of these numbers by their total sum, i.e. x = X/(X + Y+ Z) and so forth. With this conversion, it is important that the sums of the colour masses add up to one(x + y + z = 1). Only two of the new values thus remain independent, and these can be shown on a two- dimensional chart (see fig. 4).
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