（信号与信息处理专业论文）计算机显示与输出设备色彩管理系统的研究.pdf

摘要 论文题目：计算机显示与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：段昀 指导教师：胡涛教授 摘要 签名： 签名： 色彩在不同设备的传递过程中，如何使色彩信息损失最少，以实现精确地复制、再现 色彩，一直是色彩管理系统追求的目标和研究的方向。显示器、打印机是计算机系统中重 要的显示和输出设备，本课题以开放式的色彩管理为指导思想，通过对c r t 显示器与彩 色喷墨打印机的呈色特性及颜色空间转换进行分析与研究，实现了计算机显示与输出设备 的色彩管理。 本文借助与设备无关空间c i e l a b 颜色空间，采用三维几何插值实现了显示器颜色空 间r g b 空间到c i e l a b 空间的正向转换，并在较好的正向转换精度基础上提出了基于r g b 空间到c i e l a b 空间转换的四面体特殊点迭代逼近算法，实现了c i e l a b 空间到r g b 空间 的反向转换。本课题采用r g b 值作为打印机的输入值，通过分析打印机输入颜色与输出 颜色之间的特性关系，对打印机的颜色空间转换进行研究，并在显示器颜色空间转换模型 的研究基础上得到了打印机颜色空间转换模型。在显示器颜色空间到打印机颜色空间的转 换过程中，由于色域的差异性需要进行色域匹配，通过对打印机色域剖面的分析，对于色 域重合区域内的待匹配颜色不进行色域匹配，对于超出打印机色域的待匹配颜色则给予打 印机输出颜色一定的亮度与饱和度补偿。本课题最后分别实现了显示器模拟显示打印原稿 的软打样功能以及打印输出结果尽可能的接近显示器显示原稿的所见即所得功能。另外， 考虑到图像的处理时间问题，本课题提出了基于像素点颜色信息的种子点图像区域合并算 法，将具有近似颜色信息的区域合并以缩短处理时间，实践证明其具有良好的实用价值。 本课题在w i n d o w sx p 环境下，用v c + + 6 0 开发出“计算机显示与输出设备的色彩 管理系统”，并借助v c + + 6 0 与o p e n g l 库函数绘制出设备的三维可视化色域图，能够 更加直观的分析设备的色域特性。本课题的研究成果为今后色彩管理研究的进一步深入给 出了一定的理论参考和实践经验，本课题开发出的系统在计算机显示与输出设备的色彩管 理系统的研究中具有较好的应用价值。 关键词：色彩管理；颜色空间转换；色域匹配；色域可视化；软打样 a b s tr & c t t i t l e ：r e s e a r c ho ft h ec o l o rm a n a g e m e n ts y s t e mo f c o m p u t e rd i s p l a ya n do u t p u td e v i c e s m a j o r ：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 ：y u nd u a n 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 ： s i g n a t u r e ： h o wt or e a l i z eh i 曲q u a l i t yr e p r o d u c t i o no fc o l o ri n f o r m a t i o ni st h et a r g e ta n di m p o r t a n t s u b j e c to fs t u d yo fc o l o rs y s t e m ，w h i c hm a k et h ec o l o ri n f o r m a t i o nh a v em i n i m u ml o s sw h e n t h ec o l o ri st r a n s f e r r i n ga m o n gt h ed i f f e r e n td e v i c e s s i n c ec r tm o n i t o ra n dc o l o ri n kj e t p r i n t e ra r ei m p o r t a n td i s p l a ya n do u t p u td e v i c e so fc o m p u t e rs y s t e m ，t h i ss u b j e c tr e g a r d so p e n c o l o rm a n a g e m e n ta sg u i d e l i n e s ，a n dr e a l i z et h ew h o l ep r o c e s so fc o l o rm a n a g e m e n ta m o n g c r tm o n i t o rd i s p l a ya n dc o l o ri n kj e tp r i n t e ro u t p u to nt h eb a s i so fi n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i s o ft h ea p p e a r i n gc o l o rc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o l o rs p a c ec o n v e r s i o no fc r tm o n i t o rd i s p l a ya n d c o l o ri n k j e tp r i n t e ro u t p u t t h i sp a p e ra d o p t saw a yo ft h r e e d i m e n s i o n a ll o o k u pt a b l ew i t ht e t r a h e d r a li n t e r p o l a t i o n b yc m l a bc o l o rs p a c ew h i c hi sd e v i c e i n d e p e n d e n tc o l o rs p a c e ，t or e a l i z et h ec r tm o n i t o r c o l o rs p a c et r a n s f o r m a t i o nf r o mr g bs p a c et oc m l a bc o l o rs p a c e a n do nt h eb a s i so ft h e b e t t e rc o n v e r s i o np r e c i s i o n , t h em e t h o do f t e t r a h e d r a ls p e c i a lp o i n ta p p r o a c h i n gt h et a r g e tp o i n t b a s e do nt h ec o l o rs p a c et r a n s f o r m a t i o nf r o mr g bs p a c et oc i e l a bc o l o rs p a c eh a sb e e nu s e d t or e a l i z et h er e v e r s a lt r a n s f o r m a t i o n i nt h i sp a p e r , r g bv a l u eh a sb e e nr e g a r d e da si n p u tv a l u e o f t h ec o l o ri n k j e tp r i n t e r t h i ss u b j e c ta n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n p u ta n d o u t p u tc o l o ri n f o r m a t i o no fc o l o ri n kj e tp r i n t e r , a n dr e s e a r c h t h ep r o c e s so fc o l o rs p a c e c o n v e r s i o no f c o l o ri n k j e tp r i n t e r , a n dg e tt h ec o l o ri n k j e tp r i n t e rc o l o rs p a c ec o n v e r s i o nm o d e l e v e n t u a l l yo nt h eb a s i so fc r tm o n i t o rc o l o rs p a c ec o n v e r s i o nm o d e l i nt h ep r o c e s so fc o l o r s p a c et r a n s f o r m a t i o nf r o mc r tm o n i t o rt oc o l o ri n kj e tp r i n t e r , c o l o rg a m u tm a p p i n gi s n e c e s s a r yb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c eo ft h e mc o l o rg a m u t t ot h ec o l o ri nt h es u p e r p o s i t i o no f t h et w oc o l o rg a m u t ，c o l o rg a m u tm a p p i n gi su n n e c e s s a r y , a n dt ot h ec o l o ro u to ft h ec o l o ri n k j e tp r i n t e rc o l o rg a m u t ，t h el u m i n a n c ea n ds a t u r a t i o nl o s so f o u t p u tc o l o ri n f o r m a t i o nh a v eb e e n c o m p e n s a t e ds o m eb yt h ea n a l y s i so fc o l o ri n kj e tp r i n t e rc o l o rg a m u ts e c t i o n t h i ss u b j e c t 西安理工大学硕士学位论文 r e c e n t l yr e a l i z et h es o f t - p r o o f i n gf u n c t i o no f c r t m o n i t o rs i m u l a t i o no f t h ec o l o ri n k j e tp r i n t e r o u t p u tr e s u l t ，a n dt h ef u n c t i o no f w h a ty o us e ei sw h a ty o ug e t ，w h i c hi st h ec o l o ri n k j e tp d n t e r o u t p u tr e s u l ta p p r o a c h i n gt h em o n i t o rd i s p l a y b e s i d e sm a t c o n s i d e r i n gt h ep r o b l e mo fi m a g e p r o c e s s i n gt i m e ，t h i ss u b j e c tb r i n gam e t h o do fs e e dp o i n ti m a g er e g i o nm e r g e n c eb a s e do nt h e c o l o ri n f o r m a t i o no fp i x e l ，w h i c hc a nm e r g et h er e g i o no fs i m i l a rc o l o ri n f o r m a t i o nt os h o r t e n t h ei m a g ep r o c e s s i n gt i m e ，a n dh a sb e e np r o v e di th a sg o o dp r a c t i c a lv a l u e i nt h i sp a p e r , as o f t w a r eo ft h ec o l o rm a n a g e m e n ts y s t e mo fc o m p u t e rd i s p l a ya n do u t p u t d e v i c e si sd e v e l o p e du n d e rt h ee n v i r o n m e n to f m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0b a s e do nt h eo p e r a t i n g s y s t e mo fm i c r o s o f tw i n d o w sx p , a n du s e dt h em i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0a n do p e n g ll i b r a r y f u n c t i o n st or e a l i z et h ec o l o rg a m u tv i s u a l i z a t i o n , w h i c hc a na n a l y z et h ed e v i c ec o l o rg a m u t c h a r a c t e r i s t i cc l e a r l y t h er e s e a r c hr e s u l to ft h i ss u b j e c th a sg r e a ti m p o r t a n c et ot h ef u r t h e r r e s e a r c ho nt h ec o l o rm a n a g e m e n ts y s t e ma n dt h ec o l o rm a n a g e m e n ts y s t e md e v e l o p e di nt h i s s u b j e c th a sc e r t a i na p p l i e dv a l u ei nt h er e s e a r c ho fc o l o rm a n a g e m e n ts y s t e mo fc o m p u t e r d i s p l a ya 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 s i o n ；c o l o rg a m u tm a p p i n g ；c o l o rg a m u t v i s u a l i z a t i o n ；s o f t - p r o o f i n g 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：丛囱少年；月日 学位论文使用授权声明 本人 堡! 要在导师的指导下甾作完成毕业论文。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允使用权，即：1 ) 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：龃导师签名：姐哆年3 月拈日 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 在社会信息化程度不断加深和扩展的今天，信息之间的交流越来越频繁，如何能够准 确地、无失真地传递信息成为入们普遍关注的问题。图像作为承载信息的一种媒体，需要 在其传递和复制的过程中保留其色彩信息不受影响，但在实际操作中这一理想状态很难实 现。例如，图像在经过扫描仪、显示器、彩色喷墨打印机等彩色输入输出设备时，不同彩 色设备的呈色机理不同，有着不同的呈色空间和色域；同一设备在不同的条件下再现效果 不同；以及随着设备的长期使用，其色彩特性也会发生变化，这些因素都会造成图像在传 递和再现过程中颜色信息的损失。于是，人们常常会遇到这样的问题，譬如扫描结果与打 印原稿有很大差别、打印结果与屏幕显示原稿不一样、同一幅图像在不同显示器上得到不 同的显示结果( 如图l 一1 所示) ，这些问题经常困扰着人们，因此需要一种对色彩转换和 传递进行控制的机制来提高图像复制的质量和效率，补偿各种设备本身对图像色彩造成的 影响和图像文件在设备间传递过程中的偏差和转换“2 “”。 图l l 图像在不同设备间传递过程中颜色信息的损失 f i g 1 1l o s s o f c o l o r i n f o r m a t i o no f i m a g e w h e n t r a n s f e r r i n ga m o n g d i f f e r e n t d e v i c e s 在这样的背景下人们引入了“色彩管理”( c o l o rm a n a g e m e n t ) 这个概念，通过色彩 管理来保障颜色信息在各设备间输入输出的兼容，减少和弥补因设备色彩特征的差异和色 彩模式的不同对颜色信息造成的影响，从而使颜色信息在不同颜色空间和具有不同颜色特 征的设备间转换传递时失真最小，以保证同一图像的颜色能够精确的复制与再现。 如今，随着通讯技术和网络技术的迅速发展，人们对颜色再现的质量要求也不断提高， 更多的基于互联网、通讯领域方面的应用，如远程打样通过网络实现彩色图像的跨平 台传递；电子商务一让客户能够在网上购买各种商品，提供客户与商品之间动态交互的 西安理工大学硕士学住论文 平台；手机问互相发送彩色图像等都需要色彩管理。由此可见，色彩管理具有相当重要的 理论意义及研究价值1 4 1 5 | t 6 1 7 ) 。 1 2 色彩管理的目的 色彩管理的目的就是通过软、硬件结合的方法统一地对颜色进行管理和控制，通过实 现不同输入设备( 如各种扫描仪、数码相机等) 、不同输出设备( 如彩色打印机、数码打 样机、传统印刷机、数字式彩色印刷机等) 、不同显示设备之间色彩的匹配，使颜色在不 同设备之间传递的过程中所表现出的效果尽可能一致，从而实现高质量的颜色复制。 1 3 色彩管理的研究现状及发展前景 1 9 9 3 年由a p p l e 、k o d a k 、m i c r o s o f t 、a d o b e 、a g f a 、t a l i g e n t 等八大电脑及电子 影像发展商发起成立了国际色彩联盟( i n t e m a t i o n a lc o l o r c o n s o r t i u m ，简称i c c ) ，致力于 建立贯穿整个复制过程的、以标准的方式传递和处理色彩信息的色彩管理体系，i c c 提出 了开放式色彩管理的理念与规范，奠定了当今色彩管理的基础讳1 。现在已有6 0 多家公司 加入国际色彩联盟，共同解决颜色信息在各种设备间传递一致性的问题。开放式色彩管理 的思想是借助i c c 标准中与设备无关的参考空间p c s 空间( p r o f i l ec o n n e c t i o ns p a c e ) 将 系统中所有设备的颜色特性定义为结构规范的描述设备色彩特征的特征文件( p r o f i l e ) ， 以及各个厂商按照i c c 规范开发的色彩空间转换模块( 色彩管理模块c m m ) 来实现对数 字化色彩的控制与管理9 1 。一个理想的开放式的色彩管理系统的基本结构如图l 一2 所示。其中，色彩管理模块c m m ，也称为色彩引擎，是色彩管理系统的核心。它的核心 功能就是依据所用设备的设备特征文件( p r o f i l e ) 来完成设备颜色空间与c i e 颜色空间 之间的相互转换t i l l 。 2 其他设备其他设备 图1 - 2 开放式的色彩管理系统结构示意图 f i g 1 2s k e t c hm a po f t h eo p e nc o l o rm a n a g e m e n ts y s t e ms t r u c t u r e l 绪论 基于i c c 的色彩管理是实现在操作系统级上的，可以独立应用。它借助计算机的内 核技术，为其它的应用软件提供一个色彩管理的环境，利用操作系统提供一系列函数实现 对用户来说是透明的并且不需要应用程序开销的色彩管理。随着i c c 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方向。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，有些问题有待于颜色理论的继续发展，比如说 i c c 标准中对p c s 空间定义还存在一定的缺陷。不过值得注意的是，微软公司在新的操 作系统v i s t a 版本中采用了全新的色彩管理方案( w i n d o w sc o l o rs y s t e m ) ，在兼容目前使用 的图像颜色管理i c m 2 0 的基础上增加了c i e c a m 0 2 色貌模型作为p c s 颜色空间，其目 的是要解决跨设备颜色传递的问题。这个系统已在一月份发布，相信会对色彩管理的构架 产生深远的影响，有可能成为色彩管理技术的一个发展方向n 2 啪 1 4 1 。 目前市面上已有很多成熟的色彩管理系统及相应的软件，比较熟悉的有a p p i e 公司推 出的c o l o r s y n c ，w i n d o w s 的色彩管理，h e i d e l b e r gc p s ( 海德堡收购之前的l i n o t y p e - - h e l l 公司) 的l m o c o l o r 、v i e w o p e ni c c 、s c a n o p e ni c c 、p r i n t o p e ni c c 及c o l o r o p e ni c cl i t e ， a g f a 公司的f o t o t u n e ，e f i ( e l e c t r o n i s f o r i m a g i n g ) 公司的e f i c o l o r ，k o d a k 公司的c o l o r s e m s e 以及我国的方正彩色管理系统等，这些色彩管理系统可以配合实际工作情况，设计颇为周 全。但其中有一些主要是针对专家或研究员使用的，有较多及复杂的设定，不易被一般人 操作1 1 5 1 0 由于色彩管理越来越深入人们的生活，作为管理色彩设备的色彩管理系统目前和今后 都必将向更复杂、更高效、更准确的方向发展。相应的色彩管理产品则必然朝着自动化、 操作方便的方向发展，即使是不具备专业知识的用户也能够轻松的实现色彩管理1 1 6 1 1 4 课题的研究目的和研究思路 对于色彩管理的研究者来说，色彩管理的核心任务就是研究颜色空间转换模型以及如 何提高模型精度，而i c c 标准开放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，并不意味着从根本上解决了如何 保证色彩的忠实再现问题n 7 1 。 因此，本课题以开放式的色彩管理为指导思想，通过对计算机系统中c r t 显示器和 彩色喷墨打印机工作原理及其各自呈色特性的分析，借助c i e l a b 颜色空间来实现c r t 显示器与彩色喷墨打印机之间颜色空间转换，开发出计算机显示与输出设备的色彩管理系 统，使得颜色在显示器与打印机之间进行传递的过程中颜色失真最小。 整个系统包含四个模块，显示器颜色空间转换，打印机颜色空闯转换、颜色匹配，系 统功能实现。具体完成以下几方面的工作： ( 1 ) 显示器颜色空间转换： 分析研究显示器呈色空间( r g b 颜色空间) 同与设备无关的c i e l a b 颜色空间之间的 转换； 西安理_ r - a 学硕士学位论文 ( 2 ) 打印机颜色空间转换： 分析研究打印机输入颜色空间( r g b 颜色空问) 同与设备无关的c i e l a b 颜色空间之 间的转换； ( 3 ) 颜色匹配： 分析研究软打样与所见即所得过程中颜色在不同设备色域中传递的颜色匹配，其中包 括色域匹配； ( 4 ) 系统功能实现： 实现针对图像的软打样与所见即所得功能。 1 5 课题所用器材 本课题所采用的器材包括以下几部分： ( 1 ) 计算机： p e n t i u m ( r ) 4c p u2 0 2 g h z ，2 5 6 m b 内存，使用w i n d o w sx p 操作系统； ( 2 ) c r t 显示器型号： l g 未来窗7 7 2 e f1 7 英寸，显卡为n v i d i ag e f o r c e 4m x4 4 0 ； ( 3 ) 打印机： e p s o ns t y l u sc 6 3 彩色喷墨打印机； ( 4 ) 测量仪器： c r t 屏幕色度计：x r i t ec o l o rm o n i t o ro p t i m i z e r ，光源：d 6 5 ； 分光密度计：x - r i t e5 2 8 ，光源：d 6 5 ，1 0 0 视场； ( 5 ) 墨水、纸张： e p s o ns t y l u sc 6 3 专用墨水； 江门森智纸业有限公司的王子2 1 0 2 9 7 m ma 4 彩色喷墨打印纸； ( 6 ) 色靶：自行设计。 4 2 色彩理论与色彩管理系统 2 色彩理论与色彩管理系统 2 1 色彩理论 2 1 1 色彩的产生 色彩的产生需要3 个要素m t 1 9 3 光线、物体和人眼。照在物体表面的有色光是由特 定波长范围的可见光谱组成的。物体之所以具有某种颜色是因为其表面吸收了入射光中的 某些光谱成分，同时将其它光谱成分反射到人眼。人眼含有3 种感知可见光谱的锥形细胞 ( 分为红、绿、蓝) ，人眼看到的物体颜色取决于反射到人眼中的红、绿、蓝光谱所占的 比例。 2 1 2 表色系统与颜色空间 表示色彩的理论有两大类：一类是从视觉现象角度出发，基于人的心理视觉感受，将 颜色划分为有系统、有规律的色序系统。依据此种理论建立的表色系统称为显色系统，如 孟塞尔表色系统、德国d i n 表色系统、美国光学委员会表色系统( o s a ) 、瑞典的自然色 系统和奥斯瓦尔德襄色系统等 1 9 i 。其优点在于对色彩的描述符合人的心理感受，缺点在 于受主观心理影响较大，而且不同的观察者之间还存在不定的因素，因而无法准确地运用 于实际工业生产中。 另外一类是从物理学角度出发，基于光度学，用三原色的混合描述自然界的所有色彩， 它是一种客观的物理量，可用于颜色的标定和测量。依据此种理论建立的表色系统常称为 混色系统。其优点在于对色彩的描述比较客观，度量较为精细，缺点是缺乏对视觉现象的 支持。混色系统表色法以国际照明委员会c 1 e 系统最为重要，这种表色法已为世界各国 普遍接受作为国际通用的表色、测色标准 1 9 1 。 也正是因为混色系统表色的特点，所有c i e 规定的表色系统如c i e l 9 3 1 x y z 、 c m l 9 7 6 r a 峭+ ( 即本课题所采用的c i e l a b 空间) 或c i e l 9 7 6 l * u * v * 系统都与任何设备 无关，是与设备无关的颜色空间( 见图2 一1 ) ，即无论在何种设备上，具有相同数值的颜 色外貌是相同的。因此人们利用这种标准色度系统作为颜色在不同设备颜色空间传递的参 照系，以保持颜色的一致性。c i e l 9 3 1 x y z 是非均匀颜色空间，而c i e l 9 7 6 l * a * b * 和 c m l 9 7 6 l q ，+ v + 都属于匀色空间。在匀色空间中任意两个颜色色度值之间几何距离的大 小所代表的两个颜色差别量的大小( 即色差) ，与人眼视觉上的色彩感觉差别成正比。匀 色空间能够提供空间位置与视觉系统之间良好的对应关系，给彩色研究工作带来了很多方 便。c 正1 9 7 6 l t u + v + 通常用在对光源色、彩色电视等工业部门傲为研究工具， c i e l 9 7 6 l * a * b * 主要用于印刷、染料、颜色及油墨等表面颜色工业部门啪1 2 1 1 1 2 2 1 。 与设备相关颜色空间是指这种颜色空间依赖于设备与材料，如扫描仪、数码相机、显 示器和打印机的颜色空间。显示器是靠电子枪发出的不同强度的电子束轰击红、绿、蓝荧 光粉在屏幕上产生颜色，红、绿、蓝三种成分的数字驱动值被表示为0 2 5 5 之间的一个 西安理工大学硕士学位论文 7a e l 9 3 l x y z 颜色空间j 。c i e l 9 7 6 p u v j l = 图2 一l 颜色空间的分类 f i g ，2 1t h ec o l o rs p a c es o r t 图2 2 色光加色法 f i g 2 - 2l i g h ta d d i t i v ep r o c e s s 图2 3 色料减色法 f i g 2 - 3p i g m e n ts u b t r a c t i v ep r o c e s s i c c 标准选择c i e l 9 3 1 x y z 颜色空间和c i e l 9 7 6 l * a * b * 颜色空间作为参考空间。因为 c i e 系统具有完善的理论体系与实验基础，并且c i e 颜色空间是建立在人眼视觉基础和颜 色测量基础上的颜色体系，是国际上通用的颜色体系，它是不随设备的不同而变化的。由 于c i e l 9 7 6 l * a * b * 是匀色空间，所以通常选择它作为色彩管理的参考颜色空间，将与设备 相关的颜色空间的颜色转换到c i e l 9 7 6 l * a * b * 空间中来，再从c i e l 9 7 6 l * a * b * 空间转换到 目标颜色空间中去2 3 1 2 4 1 1 2 5 1 以下具体介绍一下c i e l 9 7 6 l * a * b * 空间( 见图2 4 ) 。 2 色彩理论与色彩管理系统 图2 4c i e l 9 7 6l + a 空间 f i g 2 4c i e l 9 7 6l + a + bc o l o rs p a c e c i e l 9 7 6 l * a * b * 颜色空间使用的是l + a + b + 色彩模型。它是用l + 、a + 、b + 三个互相垂 直的坐标轴来表示一个色彩空间，轴表示明度，其范围是0 1 0 0 ，0 在底端表示黑， 1 0 0 在上端表示白；a + 是红绿轴，其范围可以从1 2 8 + 1 2 7 ，1 2 8 表示绿色，+ 1 2 7 表示红；b 轴是黄蓝轴，其范围从1 2 8 + 1 2 7 ，一1 2 8 表示蓝色，+ 1 2 7 表示黄色。 本课题采用的色差计算公式是c i e l 9 7 6 l * a * b * 的色差公式，公式如下所示： a e = 乜：一l 。) 2 + - ：一a i ) 2 + ( 6 ：一6 。) 2 ( 2 1 ) 当色差小于6 时，是印刷行业允许的色差范围；当色差小于l 时，人眼对颜色的变化 没有感知。本课题以此标准作为评价颜色空间转换模型精度的指标以及系统功能实现中的 一些选择参照。 2 2 色彩管理系统 开放式的色彩管理系统的基本思路是：选择一个与设备无关的参考颜色空间：然后对 系统中的各个设备进行特性化描述；最后在各个设备的颜色空间与参考颜色空间建立确定 的对应关系，根据这个对应关系，色彩数据先从源设备颜色空间转换到参考颜色空间，进 而再转到目标设备的颜色空间。 基于i c c 色彩管理系统主要有三个部分，分别是：与设备无关的参考空间、设备特 征文件、色彩管理模块c m mt 2 1 。 2 2 1 与设备无关的参考空间 引入一个与具体设备无关的颜色空间作为各种设备相关颜色空间的参照标准，任意色 彩设备的颜色空间都能被映射到这个独立于设备的颜色空间，而且所有计算机和应用软件 厂商都支持这一独立于设备的颜色空间，因此把不同厂家的色彩设备组合为一个完整的开 放式系统并且保持色彩的一致性会变得可行。 2 2 2 设备特征文件 设备特征文件描述设备的颜色特征以及色域范围。所有输入、显示、输出设备都必须 西安理工大学硕士学位论文 要有自己的特征文件。这些特征文件可能来自该设备的生产厂商，也可能来自其他软件商， 如果没有现成的特征文件，就需要使用者自己采用符合i c c 要求的色标、测色仪器、特 性文件生成软件，并按规定的步骤建立。特征文件分为三类：第一类是输入设备，如扫描 仪、数字相机的特征文件；第二类是显示设备特征文件；第三类是输出设备，如各种打印 机、打样机、印刷机特征文件。 2 2 3 色彩管理模块c m m 色彩管理模块c m m 用于解释设备特征文件，根据特征文件所描述的设备颜色特征和 色域范围进行不同设备间的颜色转换。如图2 5 所示，在不同的设备之间进行颜色转换 时，由于不同设备的色域不同需要在颜色空间转换过程中进行色域匹配。 图2 5 不同设备的色域 f i g 2 - 5c o l o rg a m u to f d i f f e r e n td e v i c e s 以下是常见的几种色域匹配方法嘶”3 ”： ( 1 ) 绝对色度法 这种方法将转换在目标色域内的颜色保持不变，而把超出目标色域的颜色用色域边界 的颜色代替。对于目标色域和源色域相近的情况下，采用这种方法可以得到理想的复制。 这种方法常用于复制某些标志色。 ( 2 ) 相对色度法 这种转换方法将所有超出颜色空间范围的颜色用色域边界最相近的颜色代替，而在颜 色空间转换前已经处于目标颜色空间的颜色则不作处理。这种方法适合在色域范围接近的 颜色空间转换时采用。 ( 3 ) 突出饱和度法 这种方法追求高饱和度，对饱和度进行非线性压缩。这不一定忠实于原稿，其目的是 在设备限制的情况下，得到最饱和的颜色。这种方法常用于商业广告。 8 2 色彩理论与色彩管理系统 ( 4 ) 感觉法 这种方法在进行色域映射的同时，还要进行梯度优化。它保持颜色的相对关系，也就 是根据输出设备的显色范围调整转换比例，以求色彩在感觉上的一致性。这种方法较常用， 适用于摄影类原稿的复制。 为了达到最佳的匹配效果，色域匹配的算法仍是目前研究的热点。 2 2 4 本课题开发的色彩管理系统 本课题借助c i e l 9 7 6 l * a * b * 颜色空间作为参考空间，实现c r t 显示器和彩色喷墨打 印机的颜色空间转换。本课题开发出的“计算机显示与输出设备的色彩管理系统”是基于 应用程序级，因为是针对特定的设备的。基于应用程序级的色彩管理系统针对性强，一旦 色彩转换模块被建立，进行色彩转换比较方便，并且转换精度较高。系统结构示意图如图 2 6 所示。 9 西安理工大学硕士学位论文 1 0 图2 - 6 系统结构示意图 f i g 2 - 6s k e t c hm a po f t h es y s t e ms t r u c t u r e 3 设备相关颜色空问与设备无关颜色空n 之- f l 的转换 3 设备相关颜色空间与设备无关颜色空间之间的转换 3 1 r g b 空间到c i e l a b 空问转换算法的研究 从r g b 空间到c i e l a b 空间的转换算法较多3 3 卜1 4 1 1 ，主要有多项式回归算法、b p 神经网络算法以及三维查找表法，本课题采用的是三维查找表法中的四面体插值算法。 3 1 1 多项式回归算法 多项式回归算法是基于假设色彩空间的联系可以通过一组联立的方程估算出来。多项 式回归算法的唯一要求条件就是源空间的样本点数应该大于所选择的多项式的项数。将多 项式中的系数解出，带入源色彩空间的数据，就可以根据方程求出转换后的结果。多项式 回归算法的特点是简单、实现起来较为方便，且有着不错的转换效果，但使用项数少时精 度较低，当项数过大时计算量大精度不一定高。 3 1 2 叩神经网络算法 b p 神经网络是由许多并行运算的简单单元组成，这些单元类似于生物神经系统的单 元。b p 神经网络算法在描述非线性关系方面具有独特的优势，能自我适应性的学习、记 忆网络结构中的映射，并保存这些学习的结果，在使用时，能根据学习的结果自动给出某 一输入值对应的输出结果。r g b 空间到c i e l a b 空间转换用b p 神经网络算法，通过对标 准输出数据和测量数据的训练，可以得到r g b 空间和c i e l a b 空间之间的映射关系，运 用此映射关系可完成它们之间的转换。 这种方法的特点是具有很强的学习能力、容错性、灵活性等优点，对于非线性复杂的 输入输出关系有很好的描述特性，而且精度可以达到很高，且不需存储大量的数据。然而， 在应用b p 神经网络解决实际问题时，选择多少层网络、每层多少个神经元节点，选择何 种传输函数、训练算法等，均无可行的理论指导，只能通过大量的实验计算获得，且每一 次需要花费很长的时间。 3 1 。3 三维查找表法 三维查找表法是目前研究色彩空间转换较为常用的算法。三维查找表算法的核心思想 是，将源色彩空间进行分割，划分为一个个规则的立方体，每个立方体的八个顶点的数据 是已知的，将所有源空间的已知点构成一张三维查找表。当给定源空间中任意一个点时， 能够找到与之相邻的八个数据点构成一个小立方体格子的顶点，通过这个小立方体的八个 顶点进行插值，得到目标空间中对应的数据。查找表算法的实现精度与源空间的分割方法 有密切的关系，如果对源空间进行有效的分割，那么通过查找表算法就可以实现很高的转 换精度。但是如果划分间距过于小，那么相应的测量工作量与存储量也会增大。 般查找表法都是与插值法结合起来使用，变成带有插值算法的三维查找表法，这种 方法可分为三个步骤： 西安理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 分割将源色彩空间按一定的采样间隔分区，建立三维查找表； ( 2 ) 获取是对于一个已知的输入点获取颜色描述，搜索以至选出有助于计算它的目 标色彩空间描述的栅格点； ( 3 ) 插值在一个立方体的栅格内进行插值，计算出非栅格点上的颜色。 常见的插值算法有：三线性插值、三棱柱插值、金字塔插值和四面体插值方法，这也 是根据源空间的不同分割方式来划分的( 如图3 1 所示) 。 画画 三次线性插值法三棱柱插值法金字塔插值法 图3 1 常见的三维几何插值法 f i g 3 - 1c o m m o n t h r e e l i m o n s i o n a lg c o m e 证ei n t e r p o l a t i o nn 他t h o c i s 比较r g b 空间到c i e l a b 空间的转换算法的优缺点，本课题采用四面体插值算法。 因为四面体是源空间分割的最小单位，立方体分割的越细，插值精度就越高。 四面体插值具体算法如下： ( 1 ) 将立方体切分成6 个四面体( 见图3 2 ) 1 2 1 o i l ( x o , y i z i ) _ 臼 p r o ( x 1 ，y l , z o o ，z 1 ) p l l o ( x l y i ，动 p o o o ( x o , y o , z ) p t o o ( x l ，y o z d ) 回国圆钐够国 ( b ) 图3 2 分割立方体 f i g 3 2c u b ed i v i s i o n 彩 3 设备相关颜色空间与设备无关颜色空间之间的转换 ( 2 ) 根据表3 一l 中给出的不等式关系及其系数，定位插值点并获得系数值： 表3 1 定位插值点的查找表 t a b 3 - 1l o c a t i n gi n t e r p o l a t i o np o i n t 四面体满足关系式 系致q 系数c 2系数q t l 缸 缈 zn 一p o o op 1 1 0 一p 1 0 0p l l l 一p 1 1 0 t 2 x z a yp 1 0 0 p 0 0 0p “l p l o l a 0 1 一p 1 l 止 a x v p l o i p 0 0 1p 1 1 i p l o lp l p 0 0 0 l a y 血 zp 1 1 0 一p 0 1 0p o l o p o o o p i l l 一p 1 1 0 t 5 a v a z a x p l l l 一p 0 1 1p 0 1 0 一p o o op 0 1 1 一p 0 1 0 k a z a y a x p l l l 一p 0 1 |p 0 1 l p 0 0 1p 0 0 1 一p 0 0 0 ( 3 ) 将系数代入四面体插值公式，得到插值点的颜色值。 p ( x ，y ，z ) = p o + q x ( 一x o ) + c 2 a y