（信号与信息处理专业论文）计算机输入输出设备色彩管理系统的研究.pdf

摘要 论文题目：计算机输入输出设备色彩管理系统的研究 学科专业：信号与信息处理 研究生：朱海侠 签名：丛盗丝 指导教师：胡涛教授 签名：撇 摘要 色彩管理是实现跨设备高质量颜色再现的重要途径。在不同的设备之间精确地传 递、再现颜色信息一直是色彩管理者追求的目标和研究的课题。 输入是色彩传递的第一道工序，在色彩传递中起着引导作用；输出是色彩传递的 最后工序，在色彩传递中起着决定性的作用。所以，要做好色彩管理，首要的是要做 好彩色输入、输出设备色彩管理，因此对扫描仪和打印机的设备特性进行研究是色彩 管理系统中最为基础且必不可少的工作。 课题在对扫描仪、打印机呈色特性分析及色偏研究的基础上，对输入输出设备的 颜色空间以及与设备无关的颜色转换模型进行了研究。采用了2 0 项多项式回归的算 法建立了扫描仪的正反变换模型和打印机的反变换模型。以设备无关的c i e l a b 的颜 色空间作为中介空间，建立了输入输出设备间的色域映射。在实现了打印机 c i e l a b 一 c m y 转换的基础上，采用了g c r 和u c r 确定了k 值，从而实现了 c i e l a b 一 c m y 一 c m y k 的转换。对c m y k 模式的t i f f 图像格式进行了详细的分析，采用 了t i f f 图像格式来实现经颜色空间转换后的c m y k 图像的存储和打印。分析研究了 m f c 为用户提供的打印机驱动的基本函数，重写o n p r i n t 函数直接驱动打印机实现了 图像输出。在图像的打印输出过程中，因为各种问题引起的网点扩大的问题是必然存 在的，课题对打印机的网点扩大问题进行了研究，建立了c 、m 、y 、k 各色通道分区 域的补偿关系，较好的实现了网点扩大补偿。 本课题的研究成果为今后色彩管理的深入研究打下了理论基础，积累了丰富的实 践经验。开发出的软件具有处理速度快，能真实的再现原稿等优点，在计算机输入与 输出设备的色彩管理系统研究中具有一定的应用价值。 关键词：色彩管理；颜色空间转换；t i f f 图像格式；网点扩大 t i t l e ：as t u d y0 nt h ec o l o rm a n a g e m e n ts y s t e m 0 f c o m p u t e rl n p u ta n do u t p u td e v i c e s s p e c i a l t y ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g n a m e ：h a i x i az h u s u p e r v i s o r ：p r o f t a oh u a b s t r a c t s i g n a t u r e ：丝j 兰筮五厄 s i g n a t u r e ：衄 c o l o rm a n a g e m e n ti sa ni m p o r t a n tw a yt or e a l i z eh i g hq u a l i t yr e p r o d u c t i o no fm u l t i c o l o r a m o n gd i f f e r e n td e v i c e s a c c u r a t e l yc o m m u n i c a t i n ga n dr e p r o d u c i n gc o l o ri n f o r m a t i o na m o n g d i f f e r e n td e v i c e sh a sa l w a y sb e i n gt h ec o l o rm a n a g e m e n t st a r g e ta n da ni m p o r t a n ts u b j e c tf o r r e s e a r c h i n p u ti st h ef i r s tw o r k i n gp r o c e d u r eo fc o l o rd e l i v e r y , l e a dt h ec o l o rd e l i v e r y ；o u t p u ti st h e f i n a lc o l o rw o r k i n gp r o c e d u r e ，a n dp l a y i n gd e c i s i v er o l ei nc o l o rd e l i v e r y t h e r e f o r e ，t ob e r e a d yf o rc o l o rm a n a g e m e n t ，f i n i s h i n gt h ec o l o rm a n a g e m e n to fi n p u ta n do u t p u te q u i p m e n ti s v e r yi m p o r t a n t s o ，c h a r a c t e r i s t i cp r o p e r t yr e s e a r c h i n gi st h em o s te s s e n t i a lw o r k i n gi nc o l o r m a n a g e m e n ts y s t e mo ft h es c a n n e ra n dt h ep r i n t e re q u i p m e n t t h es u b j e c tr e s e a r c ht h ec o l o rc o n v e r s i o nm o d e lo fi n p u ta n do u t p u td e v i c e sc o l o rs p a c e w i t hd e v i c e i n d e p e n d e n tc o l o rs p a c eb a s e do na n a l y z i n gc o l o rc h a r a c t e r i s t i cp r o p e r t yo fs c a n n e r a n dp r i n t e r , a n da d o p t i n g2 0p o l y n o m i a lr e g r e s s i o nt ob u i l dt h es c a n n e rp o s i t i v ea n dr e v e r s a l c o n v e r s i o nm o d e la n dt h ep r i n t e ro nt h ec o n t r a r yc o n v e r s i o nm o d e l ，b u i l d i n gc o l o rg a m u t m a p p i n go fi n p u ta n do u t p u td e v i c e sa c c o r d i n gc o l o rs p a c ew i t hd e v i c e - i n d e p e n d e n tc i e l a b c o l o rs p a c ew h i c hi st h ei n t e r m e d i a r ya g e n ts p a c e o nt h eb a s i so fr e a l i z i n gt h et r a n s f o r mo f c l a b 一 c m y , t h es u b j e c ta d o p t sg c ra n du c rt oa s c e r t a i nkv a l u e a c h i e v et h e t r a n s f o r m a t i o no fc m l a b - c m y - c m y l ( a f t e ra n a l y z i n gt i f fi m a g ef o r m a to fc m y k p a t t e r n , i tc a nb eu s e dt o r e a l i z et h es a v i n go fi m a g ew h i c hi st h er e s u l to fc o l o rs p a c e c o n v e r s i o nt op r i n td i r e c t l y t h es u b j e c ta n a l y s i sa n dr e s e a r c ht h eb a s i cf u n c t i o no fp r i n t e r d r i v e rp r o v i d e db ym f cf o ru s e r t h es u b j e c tr e s e a r c ht h ep r o b l e mo fd o tg a i no fp r i n t e rw h i c hi s e x i s t e dd u r i n gt h ep r o c e s so fi m a g e sp r i n t i n gb e c a u s eo fm a n yc o m p l i c a t e df a c t o r s ，a n db u i l d i n gt h e c o m p e n s a t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e np a s s a g eo fc ，m ，yk f a i r l yg o o dr e a l i z et h ec o m p e n s a t i o n o fd o te x p a n d i n g r e s e a r c hr e s u l to ft h i ss u b j e c tl a i dd o w nr a t i o n a l ef o rf u r t h e rs t u d y i n gi nc o l o rm a n a g e m e n t ， a c c u m u l a t e dr i c h p r a c t i c a le x p e r i e n c e t h es o f t w a r ec a np r o c e s sq u i c k l y , r e p r o d u c ea 西安理工大学硕士学位论文 m a n u s c r i p tt r u l y , h a v eac e r t a i na p p l i c a t i o nv a l u ei nc o l o rm a n a g e m e n ts y s t e mr e s e a r c ho fi n p u t a n do u t p u td e v i c e s k e yw o r d s ：c o l o rm a n a g e m e n t ；c o l o rs p a c ec o n v e r t i n g ；t i f fi m a g ef o r m a t ；d o tg a i n 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：聿鱼丛一j 帝月日 学位论文使用授权声明 本人迭l 刍l 蕉在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：t ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：丝运丝导师签名：年 月i e i 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 色彩是我们所认知的世界里强大而有魅力的一个方面，它形成了我们对每件事物的概 念、解释和记忆。随着科技的进步，计算机在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色， 人们对色彩的感知及要求也越来越高。作为计算机输入、输出系统重要组成部分的扫描仪、 数码相机、显示器、彩色喷墨打印机等设备的使用也越来越普及，彩色图像作为媒体信息 的载体，起着非常重要的作用e l l 。如何保证颜色在这些设备间的传递及再现过程中的前 后一致性一直是人们关注的焦点。 图像色彩是视觉效果的一个重要方面，当一幅图像经不同设备处理后，甚至是同一设 备处理，往往都会造成颜色失真，而在有些场合，颜色更是图像的关键信息。如电子商务 中的网上购物，当购买衣服等商品时，商品颜色直接决定了消费者是否购买该商品。造成 以上现象的主要原因是各个图像设备采用的呈色机理不同，对图像中的颜色信息采用不同 的再现方式。比如，扫描仪、显示器采用r g b 色光加色系统来再现颜色信息，而打印机、 印刷机采用了c m y k 色料减色系统来再现颜色信息，这使得彩色图像通过这些不同的设 备复制时造成颜色信息丢失，产生色偏。为了取得更好的印品，就需要用色彩管理系统砼1 4 1 5 1 ( c o l o rm a n a g e m e n ts y s t e m ) 对颜色进行管理。进行色彩管理，获得高质量的印 品，是我们一直追求的目标。 1 2 色彩管理研究的目的 色彩管理的目标是实现不同输入设备间的色彩匹配，包括各种扫描仪、数码照相机、 p h o t oc d 等；实现不同输出设备间的色彩匹配，包括打印机、数码打样机、印刷机等。 最终实现从输入到输出的高质量色彩匹配。 由于各种设备呈色特性以及色域的不同，造成了色彩传递、复制的不一致性，使得色 彩管理成为迫切的需要。 1 3 色彩管理研究的现状 从目前发展来看，色彩管理可以分为操作系统级的色彩管理和应用程序级的色彩管理 两大类1 6 i 。 操作系统级的色彩管理系统可以充分利用计算机技术为其他应用软件提供一个色彩 管理环境，利用操作系统提供的一系列函数实现对用户来说是透明的并且几乎不需要应用 程序开销的色彩管理。 应用程序级色彩管理软件是指那些能与特定的输入输出设备相配套的彩色管理软件， 通常都是由生产这些设备的常见厂家开发出来的，它们可以利用系统级色彩管理的功能， 西安理i 大擘硕士学位论文 也可以使用单独的颜色计算算法。 随着i c c 7 的成立及其对色彩管理标准化的推进，以i c c 标准为基础的操作系统级 的色彩管理成为新的方向。基于i c c 标准的色彩管理包括两个重要阶段：产生i c cp r o f i l e 文件和色彩匹配。在第一阶段是对设备色彩特征进行描述，创建可将源设备颜色空间转换 到p c s ( 设备无关) 空间，或将p c s 空间转换到目的设备颜色空间的设备特征描述文件； 第二阶段，操作系统使用c m m 根据输入，输出设备的特征描述文件实现输入设备颜色空 间到输出设备颜色空间转换。 从有关资料来看，使用了i c c 色彩管理系统的用户已经体会到其对稳定生产质量， 减少返工率，缩短生产周期，降低成本等方面带来的好处。不过，以i c c 为基础的色彩 管理系统目前也存在着一些问题，比如：i c c 标准中的p c s ( 设备无关) 空间和c m m 的 定义还有一定的缺陷，测试色度值和创建p r o f i l e 所花费的时间较长等。而且对于色彩管 理研究者来说，色彩管理的核心任务就是研究颜色空间的转换模型及如何提高模型的精 度，而i c c 标准能提供给研究者可进行分析和研究的范围很小。更为重要的是，i c c 只 是给出了一种开放式色彩管理的标准和规范，这并不意味着其从根本上解决了如何保证色 彩的忠实再现问题，并且在实际应用中发现，i c c 色彩管理的效果并不十分理想，这说明， 如何进一步提高色彩管理的效果还有很大的研究空间( 8 1 。 在科学技术高速发展的今天，色彩管理已经在印刷、出版、电子网络等领域得到了广 泛的应用和发展。随着数码产品的不断更新换代以及各类电子产品的出现，色彩管理的应 用领域也得到了进一步的扩展。因此，色彩管理的研究有着重要的理论意义和实用价值”。 1 4 课题的目的和任务 1 4 1 课题的目的 输入是色彩传递的第一道工序，也是最关键的一步，在色彩传递中起着引导作用；输 出是色彩传递的最后工序，在色彩传递中起着决定性的作用。所以，要做好色彩管理，首 要的是要做好彩色输入、输出设备色彩管理。 课题研究的目的是以色彩管理为核心，通过对设备相关和设备无关的颜色空间特性的 分析，彩色输入、输出设备颜色空间与设备无关色空间模型的建立，输入输出设备的色域 映射，非p o s t s c r i p t 打印机输出网点扩大补偿问题的研究，使得打印机能够对扫描仪输入 的彩色信息较为准确的复制和输出，实现对彩色原稿的忠实复制，从而达到对彩色输入输 出设备进行色彩管理的目的。通过色彩管理，使得颜色成为可以交流的，使用不同的设备， 在不同的地方都可以得到相同或尽可能一致的颜色。 1 4 2 课题的任务 2 本课题通过对计算机系统中扫描仪和彩色喷墨打印机的工作原理及其各自呈色特性 1 绪论 的分析，借助与设备无关的标准c i e l a b 颜色空间来实现扫描仪和打印机颜色空间转换， 使原稿经扫描仪输入、颜色空间转换、打印输出这一过程中颜色失真最少，实现对原稿的 忠实复制。整个过程包含四个模块：输入设备的颜色空间转换，输出设备的颜色空间转换， 输入设备与输出设备颜色空间的色域映射，输入输出设备系统的色彩管理。具体完成以下 几方面的工作： 1 分析研究输入设备颜色空间( r g b 色空间) 、输出设备颜色空间( c m y k 色空间) 。 以及与设备无关的标准c l 抽颜色空间的呈色特性； 2 设计选择扫描仪的建模色靶和测试色靶，用m a t l a b 求取色块的r g b 值，采用分 光密度计测量色块的l a b 值，此测量值用于建立扫描仪颜色空间转换模型及模型测试； 3 研究彩色输入设备和彩色输出设备色空间与设备无关色空间c i e l a b 的转换模型： 4 分析设备的色域特性，求取其色域范围，实现扫描仪和打印机的色域映射； 5 对于打印机网点扩大问题进行分析研究，实现对非p o s t s c r i p t 打印机进行网点扩大 补偿； 6 对t f 图像格式进行分析，实现c m y k 模式下的t i f f 图像格式的存储、显示， 实现对c m y k 彩色图像的驱动打印； 7 完成从扫描输入到打印输出的系统的色彩管理，并对系统管理的结果进行评价分 析。 1 5 课题的内容安排 本文第一章介绍了课题背景及研究意义，课题研究的现状、课题的目的及任务；第二 章介绍色彩及色彩管理的理论基础；第三章阐述扫描仪的工作原理，对其特性进行分析， 建立扫描仪的颜色空日j 转换模型。第四章研究打印机的色域特性，求取其色域，；完成扫 描仪到打印机的色域映射；第五章阐述打印机的工作原理，实现打印机的颜色空间转换模 型，对打印机网点扩大问题进行补偿；第六章对t i f f 格式进行分析，对c m y k 颜彩模 式下的t f 图像格式进行相关处理；第七章对输入到输出整个系统进行色彩一致性测评， 并分析试验结果。 2 色彩及色彩管理的理论基础 2 色彩及色彩管理的理论基础 2 1 颜色的产生 颜色是一种光学现象，是不同波长的光波在人眼中的生理感觉的形式1 1 0 1 在我国国 家标准g b 5 6 9 8 8 5 中，颜色的定义为：“色一光作用人眼引起的出形象以外的视觉特性。” 人对颜色感觉形成的四大要素：光源、颜色物体、眼睛、大脑。这四个要素不仅使人产生 颜色感觉，而且也是人能正确判断色彩的条件。颜色的产生是在物理学基础上，人的心理 作用和生理作用的反映。 2 2 颜色空间 颜色空间是为了方便、正确地描述色彩而引入的数学模型，是以数值方式表达色彩亮 度的模型。一个颜色空间通常定义为一维、二维、三维甚至多维来表达色彩信息，其中每 一维，也称个色彩分量或者色彩通道，代表一个色彩亮度值。颜色空问按与设备的关系 分为设备无关性和设备相关性两种。 颜色空间是以数值方式表达色彩亮度的模型。不同的彩色图像设备使用不同的颜色空 间，其中有人们非常熟悉的，电视或电脑显示器、扫描仪就是r g b 颜色空间；彩色照片、 喷墨打印图片或彩色印刷品就是c m l 或c m y k 颜色空间。为了便于颜色的使用、复制、计 算，不同的电子设备使用不同的颜色系统，因而称这样的颜色系统为与设备相关的颜色空 间1 2 1 0c i e 协会( 国际照明委员会) 提出了一系列颜色空间，它是基于人眼的色觉特性 提出的色彩表达模式，颜色空间能描述人眼能够看到的所有颜色，且该空间内引用到的颜 色值不限于任何设备生成的颜色，也不仅仅与某一设备生成的颜色相关，因此称这样的颜 色空间为与设备无关的色空间。具体分类如图2 1 所示。 r g b 颜色空间 c m y c m y k 颜色空间 h s v 颜色空间 i l l s 颜色空问 c i e x y z c i e l a b c i e l u v 图2 - 1 颜色空间分类 f i g u r e2 - 1s o r to f t h ec o l o rs p a c e 色彩模型发展至今有数十多个，除了上述，还有富士施乐公司的y e s ，柯达公司的 p h o t oy c c ，泰克公司的t e k h v c 等等。下面仅对文中所用到的颜色空间作以介绍。 l a b 正变换模型，其核心就是确定求取l ，a ，b 三 组多项式中的系数；l a b 一 r g b 反向建模，求取的是r ，g ，b 三组多项式的系数。 利用2 0 项多项式回归算法建立的扫描仪颜色空间正、反向转换模型。其正向建模色 差和测试分析如表3 1 所示。 1 4 表3 - 1 正向转换模型色差分析 t a b l e3 - l t ot r a n s f o r m a t i o nm o d e lc h r o m a t i ca b e r r a t i o na n a l y s i s 色差建模色差测试色差 最人色差 1 3 4 5 3 l9 1 6 8 6 最小色差 0 0 7 8 2 40 0 5 6 2 9 平均色差 2 3 7 6 4 21 6 0 8 4 4 3 彩色输入设备的颜色空间转换 正向建模色差和测试色差分布的直方图如图3 3 、3 - 4 。 图3 3 正向转换建模色差分布直方图图3 - 4 正向转换测试色差分布直方图 f i g u r e3 - 3t ot r a n s f o r m a t i o nm o d e lc h r o m a t i cf i g u r e3 - 4t ot r a n s f o r m a t i o nm o d e lc h r o m a t i c m o d e la b e r r a t i o nd i s t r i b u t i n l zh i s t o g r a mt e s ta b e r r a t i o nd i s t r i b u t i n gh i s t o g r a m 反向建模色差分析如表和色差分布如表3 - 2 所示： 表3 - 2 反向转换模型色差分析 t a b l e3