（制浆造纸工程专业论文）基于ciecam02平台的图像色域映射算法的研究.pdf

摘要 计算机技术进入印刷领域使得印刷技术实现了数字化，为色彩管理的实现提供了保 证。自从1 9 9 3 年i c c ( i n t e m a t i o n a lc o l o rc o n s o n i u m ) 色彩管理机制推出以来，该技术 在印刷行业中迅速普及，从某种程度上说满足了颜色转换的需要。但是近年来，数字产品 市场上高端数字成像设备不断涌现，印刷行业中彩色数码影像部门、短版数字印刷企业以 及专业输出中心等增加十分迅速，使得对高品质彩色成像材料的需求呈现出了指数增长的 趋势。因此时代要求颜色转换要跨媒体化、实时化、透明化、自动化以及智能化。由于当 前的i c c 色彩管理机制是预定义的既定条件下的颜色转换，不能实现颜色转换的真正跨 媒体化，不能满足现今颜色转换的需要了。 本课题就是依据当今时代对色彩管理的应用需求提出的，论文重点研究色域映射算 法，通过对经典算法的调查分析，总结归纳出影响映射结果的各个相关因素，在分析它们 对映射结果影响权重的基础上建立一个最佳的映射优化模型，提出了一个基于图像的色域 映算法。为给新算法提供基础实验平台，设计了一种新的色彩转换模式，该模式是在i c c 色彩管理框架的基础上经改进提出的。首先，为适应颜色转换的跨媒体化要求，在新转模 式中对颜色感觉属性的描述模型使用能够预测不同观察条件下颜色外貌的色貌模型，即采 用色貌模型作为中间连接空间( p c s ：p r o f i l ec o 彻e c t i o ns p a c e ) 。论文使用孟塞尔数据集 分别对i c c 规定的p c s c i e l a b19 7 6 和c i e 新推出的c i e c a m 0 2 色貌模型进行均匀 性检测，通过对比与分析来阐述选用c i e c a m 0 2 作为中间连接空间的理由。其次，为保 证颜色转换的实时化，采用基于图像的色域映射方案，来改变i c c 色彩转换的预定义模 式。这里的实时化是指颜色转换是在明确源色域和目标色域的基础上通过选取适当的色域 映射算法进行的。论文归纳演绎出的映射算法，命名为基于图像的分区映射算法( i b r m a ： i m a g e b a s e dr e g i o n a lm a p p i n ga r i t h m e t i c ) ，算法设计中充分考虑图像色域与目标色域的 差异情况，采用优化的映射策略来尽可能保证映射前后图像的视觉效果不变。为测试和评 价新算法的性能，在新算法平台中进行了与i c c 公布的用于标准检测的两个算法( s g c k 和h p m i n d e ) 的主观和客观的对比评价实验，证实了新算法具有更优越的性能，可以保 证图像的色貌转换更加符合人眼的视觉感受。 新色彩转换模式是使用v c + + 6 0 平台开发的，在该模式中可以完成t i f f 格式图像的 读取；设备特性文件的读取；图像和目标色域的精确提取与比较；设备相关颜色空间的数 据到c i e c a m 0 2 色貌属性数据的转换及逆转换；观察环境的选择；色域映射算法的选择 等。论文开发的新色彩转换模式的应用程序相当于一个简单的颜色转换引擎( c m m ：c o l o r m a n a g e m e n tm o d e l ) 。这种转换模式实现了色彩转换的透明化，使得复杂的色彩管理问题 简单化，体现了色彩管理的发展趋势。当然对于实现色彩管理的自动化和智能化还需进行 更深入的研究，相信在不远的将来会实现色彩管理的全自动化和智能化。 关键词：色貌模型色域映射色彩管理跨媒体实时转换c i e c a m 0 2 a b s t r a c t t h a tc o m p u t e rt e c h n o l o g yc o m e si n t ot h ep r i n t i n gf i e l dm a k e sp r i n t i n gt e c h n o l o g y a c h i e v i n gd i g i t a l ，p r 0 v i d i n gag u 撇n t e ef o rc o l o rm 锄a g e m e n t s i n c et h ei 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 ( a b i c c ) c o m e si n t oe x i s t e n c ei nl9 9 3 ，t h ei c cc o l o rm 锄a g e m e n tt e c h n o l o g yh a s b e e nal a r g ed e g r e eo fp o p u l 撕t yi nt h ep r i n t i n gi n d u s t 叮t oac e i r t a i nd e g r e e ，i tm e e tt h en e e d s o fm ec o l o rc o n v e r s i o n e l u th lr e c e n ty e a r s ，t h e r eh a sb e e n 觚e x p o n e n t i a l 罂o w t hi nt h e d e m 锄df o rh i 曲一q u a l i 够c o l o ri m a g i n g 向e l e db y ：r 印i dg r 0 、矾hi nt h ed i g i t a lc 锄e r am a r k e t ， t h ec o n s u m e ra n de n t c r p r i s ec o l o rp r i l l t e r m a r k e t ， t h ed e v e l o p m e n to fs h o r t 1 1 l nc o l o r r e p r o d u c t i o nd e p a n i n e n t sw i t h i ne n t e 叩r i s e s ，锄dt h ee m e 唱e n c eo fh i g h e n di m a g i n g t h i s d e m 卸dh a sb e e nm e tb yi n c o n s is t e n tc o l o rs o l u t i o n st h a ta r ec o n s i d e r e di 1 1 a d e q u a t eb yt o d a y s s t m d a r d s a st h ed e m a n df o rh i g h q u a l i 哆c o l o rc o n t i n u e st og r o w i nt h eo t h e rw o r dt h et i m e s r e q u i r ec o l o rc o n v e r s i o nt oc r o s s m e d 氓r e a l t i m e ，订a i l s p a r e n t ，a u t o m a t i o n 锄di n t e l l i g e n t c u r r e n t l yt h ei c cc o i o rm 柚a g e m e n tm e c h a n i s mi st h ec o l o rc o n v e r s i o nu n d e rp r e d e f i n e d c o n d i t i o n i tc a nn o ta c h i e v et h et 1 1 j ec r o s s m e d i a s oi tc a nn o tm e e tt h ec u r r e n tn e e d so ft h e c o l o rc o n v e r s i o n t h i si s s u ei sp r o p o s e da c c o r d i n gt 0t h ec o n t e m p o r a 叮r e q u i r e m e n t so fc o l o rm a n a g e m e n t a p p l i c a t i o n t h ep 印e rp r i m a 巧s t u d yg a m u tm 印p i n ga l g o r i m m ，b a s e do nt h es u r v e yo f c l a s s i c a la l g o r i t h m ，s u m m a r i z et h ev a r i o u sr e l e v a n tf a c t o r st oh a v e 锄i m p a c to nt l l er e s u l t so f t h em a p p i n g o nm eb a s i so fa n a l y s i so fi t si m p a c tw e i g h t ，w ee s t a b l i s hab e s tm a p p i n g o p t i m i z a t i o nm o d e l ，t h e nd e d u c ea ni m a g e d e p e n d e n tg 锄u tm a p p i n ga l g o r i t h m i no r d e rt 0 p r o v i d ea ne x p e r i m e n t a lp l a t f o 咖f o rn e wa l g o r i t h m ，、ed e s i g n e dan e w c o l o rc o n v e r s i o nm o d e t h em o d e li si m p r o v e do nt h eb a s i so ft h ei c cc o l o rm a n a g e m e n t 胁l e w o r k f i r s t ，i no r d e rt o a d a p tt oc r o s s m e d i ar e q u i r c m e n t so fc o l o rc o n v e r s i o n ，i nt h en e wm o d e lw ec h o o s ec o l o r 印p e a r a n c em o d e la sp r o f i l ec o 衄e c t i o ns p a c e ( a b p c s ) ，w h i c hi sac o l o rp e r c e p t i o na t t r i b u t e m o d e lu s e dt op r e d i c tt h ec o l o ra p p e a r 加c eu n d e rd i f r e r e n to b s e r v a t i o nc o n d i t i o n s p a p e r s c o m p a r e d a n d锄a l y z e dt h eu n i f o 肌i t yo fc o l o r 印p e a r a n c em o d e l( c i e l a b19 7 6a n d c i e c a m 0 2 ) u s e dm u n s e l ld a t as e t s ，t l l e ng a v et h er c a s o no ft h eu s ec i e c a m 0 2 嬲p c s s e c o n d l y ，t oe n s u r et h er e a l t i m ec o l o rc o n v e r s i o ni nn e wc o l o rm a n a g e m e n tm o d e l ，w eu s e d i m a g e - d e p e n d e n tm a p p i n ga l g o r i t h m ，c h a n g e dt h ep r e d e f i n e dm o d e lo ft h e i c cc o l o r c o n v e r s i o n t h er e a l - t i m ei st h a tc o l o rc o n v e r s i o ni se x c u s e db ys e l e c t i n gt h ea p p r o p r i a t eg 锄u t m 叩p i n ga l g o r i t h mo nt h eb a s i so fak n o w ns o u r c e 锄do b j e c t i v e sg 枷u t p a p e r sp r o p o s e d 锄 i m a g e d e p e n d e n tg 锄u tm 印p i n ga l g o r i t h mo nt h eb a s i so f 锄i n v e s t i g a t i o nt ot h ec l a s s i c a l g 啪u tm 印p i n g ，n 锄e d “h i l a g eb 弱e dr e g i o n a lg a m u tm a p p i l l ga r i t 量蚰e t i c ，( a b i b r g m a ) t b e v a l u a t e 锄dt e s tt h ep e r f o n n a i l c eo ft h en e wa l g o r i t h m ，c o m p a r e dt h en e wa l g o r i t h mw i t ht h e t w os t a n d a r dd e t e c t i o na l g o r i t h m ( s g c k 锄dh p m i n d e ) t h a tt h ei c c 粕n o u n c e di i l e x p e r i m e n t ，、ec o n f i m e dt h a tt h en e wa l g o r i t h mh a v eg r e a t e ra d v a n t a g e s ，w h i c hc a ng u a 啪t e e t h a tt h ei m a g ea p p e a r a n c ec o n v e r s i o ni st h eb e s ti l li i n ew i t hh u m a nv i s u a l n e wc o l o rc o n v c r s j o nm o d ew a sd e v e l 叩e db yu s e do fv c + + 6 0d e v e l o p m e n tp l a t f o 册 w ec 锄a c h i e v et 0r e a dt i f ff 0 咖a ti m a g e s ，r e a dd e v i c ep r o f i i e ，p r e c i s e l ye x _ 缸a c ti m a g e 雠d o b j e c t i v e sg a m u t ，c o n v e r s eb e 附e e nt h ed a t ao fc o l o rs p a c e - r e l a t e de q u i p m e n ta n d t h e c i e c a m 0 2c o l o ra p p e a r a n c ea t t r i b u t ed a t a ，c h o o s eg 锄u tm 印p i n ga l g o r i t h m ，绷ds oo n t h e n e wd e v e l o p e dc o l o rc o n v e r s i o nm o d ea p p l i c a t i o n se q u a lt oas i m p l ec o l o rc o n v e r s i o ne n g i n e ( c m m ：c o l o rm a n a g e m e n tm o d e l ) t h i sc o n v e r s i o nm o d ea c h i e v e dt h et r a n s p a r c n c yo ft h ec o l o r c o n v e r s i o n ，m a d et h ec o m p l e xp r o b l e mo ft h ec o l o rm a n a g e m e n ts i m p l i 矽，r e n e c t e dt h et r e n d i n t h ed e v e l o p m e n to fc o l o rm a n a g e m e n t c e r t a i n l y ，w eh a v eal o n gm nt og ot oa c h i e v et h e i n t e l l i g e n ta n da u t o m a t e dc o l o rm a n a g e m e n t ib e l i e v et h a tw i l lb er e a i i z e df h l l yi nt h en e a r n 】t u r e k e y w o r d s ： c o l o ra p p ea r ；m c em o d e lg 姗u tm a p p i n gc o l o rm a n a g e m e n tc r o s s 。m e d i a r e a l t i m ec o n v e r s i o nc i e c a m 0 2 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的 成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 撇拊c 名，：撕瓣“舢 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术信息研究所；国家 图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合为学校的科技成果，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密函。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者( 本人签名) ： 指导教师( 本人签名) ： 莎f 豇 l 1 a呀年 乃年 石月，9 日 6月，妒日 致谢 本课题是在刘真教授的悉心指导下完成的，从课题的立题到最后的论文完成，都倾注 了她很大的心血。在此对我的导师表示深切的感谢，感谢她三年来对我的谆谆教诲! 三年 的相处，她的治学严谨，研究的一丝不苟等等，使我受益匪浅，是我永远都值得学习的。 在此也非常感谢天津科技大学蔡圣燕博士和北京印刷学院金杨教授，感谢两位老师在 课题研究中给予的指导和帮助! 感谢南京林业大学、化学工程学院、印刷工程系提供的学习平台。特别感谢印刷工程 系的白卫国老师、梁权峰老师、邢洁芳老师、胡健安老师和阮爱华老师三年来在生活学习 中给予的帮助! 特别感谢研究生同学司莉莉、朱明和师弟孟凡亚等在论文期间给予的关心，也特别感 谢印刷工程系研究生师弟、师妹们；感谢我们图文处理实验室的研究团队，团队在刘导的 带领下，团结向上、合作愉快，硕果累累，使我终生怀念! 南京林业大学硕士论文作者：许向阳 第一章绪论 色彩管理是解决颜色信息从种颜色空间转换到另一种颜色空间时颜色外貌保持一 致的问题。计算机技术在印刷领域的应用使得印刷技术实现了数字化，为现代色彩管理的 实现提供了保证。现代色彩管理技术的前提是数字化工艺流程，是建立在颜色测量和数字 化基础上的，没有对颜色的定量描述方法，就不能实现对颜色的定量控制。1 9 9 3 年国际色 彩联盟( i c c ：i n t e m a t i o n a lc o l o rc o n s o n i u m ) 成立，提出了开放式的色彩管理理念和规 范，奠定了现代色彩管理的基础。至今i c c 成员已达到7 0 个，其色彩管理机制已经被各大 操作系统、图形图像软件、颜色设备开发商所接受，并发展成为了国际标准。 i c c 色彩管理机制的原理如图1 1 示，包含三个要素： s o u r c ep r o f i l e d e s t i l l a t i o np r o f i l e 源设备值p c s 目标设备值 c m mc m m 图1 一li c c 色彩管理原理示意图 1 ) 用来描述设备颜色特性的参考颜色空间，称为p c s ( p r o f i l ec o n n e c t i o ns p a c e ) ， 是与设备无关的颜色空间，所有设备的颜色特性值都使用相应的p c s 值来定义对应的颜色 感觉。i c c 规定，p c s 使用c i e x y z 或c i e l a b 颜色空间。 2 ) 特性文件( p r o f i l e ) ，是i c c 制定的一个标准的文件格式。使用它记录设备颜色特 性、保存设备与p c s 颜色转换关系，是进行设备间颜色转换的依据。 3 ) 颜色转换模块( c m m ) ，颜色转换是计算机操作系统和应用软件提供的功能，作 用是将设备的颜色值转换为p c s 值，或由p c s 值转换为对应的设备颜色值。 根据i c c 色彩管理系统的基本原理，该系统是通过p r o f i l e 建立起设备颜色值和p c s 感 觉颜色值之间的关系，颜色传递过程中保持p c s 颜色值不变，颜色转换时由c m m 将这种 颜色感觉从源设备值翻译成目标设备对应的颜色值，保持颜色感觉一致。实际使用中实现 这个过程需要3 个重要的操作步骤，简称为3 c 【l 】，分别是：( 1 ) 设备校准( d e v i c ec a l i b r a t i o n ) ， 设备的状态决定了所呈现的颜色，校准的目的就是让设备呈现最佳状态；( 2 ) 设备特征化 ( d e v i c ec h a m c t e r i z a t i o n ) ，通过仪器测量确定设备的色彩描述特性，建立p r o f i l e ，记录 下设备再现被测颜色样品时的状态；( 3 ) 颜色转换( c o n v e r s i o n ) ，完成从一个颜色空间到 另一个颜色空间的转换过程，通过颜色转换将设备的颜色值定义为相应的颜色感觉，并且 通过颜色转换将颜色感觉转换为其他设备对应的设备颜色值，以保证设备使用这个颜色值 能够再现出正确的颜色感觉。 这种结构的色彩转换的目的是为了实现不同设备或者媒体颜色的视觉匹配，能够完成 这个任务的关键技术支撑是色域映射( g a m u tm a p p i n g ) 。色域映射技术应用于彩色图像 的复制再现，其目的就是保证彩色图像在不同媒体间传输再现时图像的颜色外貌能够尽可 能的保持视觉不变。色域映射的功能就是通过一定的计算方法把颜色从一个颜色空间映射 到另一个颜色空间，i c c 特性文件中定义的四种再现意图就是通过采用不同的色域映射算 法来产生不同的色彩匹配效果的。 南京林业大学硕士论文 作者：许向阳 1 1 课题研究的背景 计算机技术的迅猛发展推动数字印前领域以空前的速度、广度和深度向数字化新时代 迈进。印刷工艺的全数字化、标准化和集成化成为行业的发展方向。体现工艺过程集成化 的高端数字设备相继涌现，如c t p 直接制版设备、数字印刷设备等。与此同时计算机互 联网技术也全面进入印刷业，数字化工作流程、j d f 技术、网络远程打样技术以及在线质 量检测技术等新技术的发展使得印刷业再次出现一个崭新的时代。尤其是近年来，计算机 多媒体技术发展十分迅速，数字产品市场上高端数字成像设备不断推陈出新，印刷行j 世中 彩色数码影像部门、短版数字印刷企业以及专业输出中心等迅速增多，使得对高品质彩色 成像材料的需求呈现出了指数增长的趋势。这样的时代背景，对于彩色图像的颜色传递和 再现出现了新的跨媒体化要求。主要原因在于用于呈现或者记录图像的媒体类型多样化， 记录或者再现手段多样化，例如在某地数码相机获取的照片，可以使用当地的显示媒体 ( 如，显示器、投影机等) 显示出来；也可以去数码影像公司冲印出来；还可以使用打印 机或者印刷机输出出来；甚至还可以经过网络传输到异地的媒体显示、冲扩、打印来再现 或者直接传输到网络上用于浏览等等。要保证图像在这样传递和再现的过程中颜色保持一 致，色彩管理显得非常重要。这么复杂的颜色再现中，用于呈现图像的媒体情况复杂仅是 一个方面，其中还蕴含着观察者观察图像的环境不同等。所以要保证跨媒体的颜色真实再 现，现代的色彩管理机制已经不能够胜任了。 i c c 式的色彩管理机制从推出以来一定程度上满足了高端色彩再现领域的需要，并且 现存大多数的印刷流程软件都是通过支持i c c 特性文件来实现色彩控制的，但对于当今 时代颜色传递和再现的跨媒体化要求，i c c 色彩管理机制已经是越来越不能满足实际生产 的需要了。为满足当今颜色再现领域的市场需求，2 0 0 5 年，m i c r o s o f t 和c a n o n 宣布为其 新一代的操作系统、肼n d o w s s t a 共同发展w i n d o w sc o l o rs y s t e m ( w c s ) ，以代替 w i n d o w s9 5 之后各操作系统版本使用的色彩管理系统i c m ( i m a g ec o l o rm a n a g e m e n t ) 。 w c s 是在兼容目前使用的i c m 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， 其目的是要解决跨媒体颜色传递的问题【2 jj 。i c m 基于i c c 色彩管理机制，而w c s 对i c c 色彩管理机制兼融的同时，又进行了很多方面的重大改革，如采用实时的颜色转换方式等， 形成了新的色彩管理机制。相信这种新的色彩转换机制会对色彩管理的构架产生深远的影 响，可能成为色彩管理技术的一个发展方向。 1 2 色彩管理的应用现状分析 印刷复制的目标是实现“w y s i w y g ”( w h a t y o us e ei s w h a t y o ug e t ) 。图像作为印刷 版面复制的三要素之一，在当今开放系统的数字化流程中传递时，图像信息来源是多种多 样的，可以来自数字输入设备( 如：扫描仪、数字相机等) 、i n t e m e t 或者遥感照片等。并 且能够再现这些图像颜色信息的颜色设备也是多种多样的。由于不同颜色设备呈色原理、 呈色方式不同等原因，造成设备色域有差别，为确保图像颜色信息尽可能准确传递，需要 对转换过程进行控制。i c c 色彩管技术在图像传输的数字化印刷流程中实施，从某种程度 上说，是可以保证图像颜色的准确复制。然而由于近年来高端数字化设备的不断推陈出新 2 南京林业大学硕士论文作者：许向阳 和颜色复制跨媒体化的要求，又对当前的色彩管理机制提出了挑战。 依据i c c 色彩管理机制的原理可知该技术的实施需要解决三个关键的问题：p c s 的选取问题，色域映射算法，c m m 的插值算法。在实际使用发现当前的色彩管理技 术仍然存在一些技术上的制约，还有不完善的地方，有些问题还有待颜色理论的发展。主 要表现在下面的几个方面1 4 j ： 1 ) 跨媒体颜色再现的问题。在色彩管理的应用中，要求颜色在各类设备上传递时要 保持颜色外貌一致。然而，现代的色彩管理技术是基于目前的颜色科学理论建立的。目前 的颜色科学理论是建立在相同材料、相同观察条件下颜色匹配的基础上，在理论上不能完 全解决色彩管理技术面临的跨媒体颜色再现问题，而跨媒体颜色再现的问题需要由颜色视 觉理论来解决，需要研究和建立基于人眼视觉的颜色模型称之为色貌模型。c i e t c l 3 4 ( 负 责色貌模型检验评估) 对色貌模型的定义为：色貌模型是指至少能对相关色貌属性如：明 度、彩度和色相进行预测的数学模型【5 j 。主要是为解决了不同媒体在不同背景，不同观察 环境下的颜色再现的问题，力图将观察条件对人眼视觉的影响用定量的方法来表示。然而 人的视觉系统是一个非常复杂的系统，远比色度学理论复杂得多，除了对颜色有明度、色 调和彩度的分辨感觉之外，颜色感觉的结果还取决于被观察物体，并且还会受到照明条件、 观察条件、背景颜色、环境光、色适应等复杂因素的影响。所以对色貌模型的研究是长期 以来颜色科学领域的一个热点话题。许多科学家致力于色貌模型的研究，并且也推出了许 多成果。为能够有一个标准的模型应用于实际的工业生产，c i et c 8 0 1 总结前人的研究 成果于1 9 9 7 年和2 0 0 2 年先后推出c i e c a m 9 7 s 1 6 j 和c i e c a m 0 2 i7 j 色貌模型，丰富了颜色 视觉理论。与目前广泛使用的c i e l a b 颜色系统相比，在色貌模型中不仅要考虑了颜色 样品和照明光源的因素，还要考虑到照明条件、背景颜色、环境光、色适应等对颜色感觉 的影响，模拟实际观察条件下的颜色感觉。 2 ) 色差计算问题。在所有需要控制颜色的场合都需要计算色差，目前广泛使用的是 c i e l 9 7 6 l a b 色差公式，而这个颜色空间在视觉上并不是非常均匀的，所计算的色差与实 际的颜色感觉不完全一致。并且这种色差的计算公式是建立在均匀色块的基础上的，而实 际复制中的颜色关系是非常复杂的，所以色差的计算也是现在颜色科学研究领域的一个热 点话题。鉴于色貌模型研究的成果，有专家建议使用色貌模型进行色差的计算。在色差计 算公式的研究中也已推出很多成果，如c i e 9 4 、c i e 2 0 0 0 和c m c 等改进的色差公式。于 是c i e 建议色差的计算采用l 、h 、c 的加权平方和计算，但由于颜色感觉的复杂 性，色差的计算系数与具体的观察条件有关，目前还没有任何一个色差公式能够适用于所 有的应用场合，色差的计算方法仍然需要大量的研究和实验。 3 ) 色域映射算法问题。色域映射是色彩管理的三要素之一，是颜色转换时的计算方 法，是色彩管理中最核心的部分。i c c 在处理目标与源色空间不一致的情况时，推荐了四 种色域映射的再现意图，但并没有规定计算的方法。实际情况是色域映射的计算方法不同 颜色的转换结果不同。所以实际使用中无论采用哪种再现意图方式，都不会对所有类型的 图像产生满意的效果，如此说明了，色域映射不仅与使用目的有关，还与处理对象的内容 有关。例如，一幅暗调层次比较丰富的夜景图像的颜色转换与一幅以亮调为主的婚纱摄影 图像的转换就不能使用相同的算法，然目前的色彩管理还达不到这样的功能。因此，色域 南京林业大学硕士论文作者：许向阳 映射的算法仍然是目前研究的一个重点。在新的w c s 色彩管理系统的介绍中提到该系统 增强了色域映射时不同再现意图的功能，使再现的颜色更符合观察条件下的颜色感觉。 在色域映射的发展和研究中，对于一个特定的应用目的，最优的映射方案是要依据映 射两端的源和目标色域、图像内容以及用户的目的和偏好来设计映射算法。依据m o r o v i c 和b t a u n 【8 】对色域映射的调查结果表明，一般说来许多色域映射方法的设计都是出于不同 的应用目的，所以在特定的情况下都表现出了良好的转换结果。如有代表性的色域映射算 法，像l l i n 、s l i n 、c u s p 、g c u s p 和c a s i i a 等，但是这些算法的共同点是都是基 于设备相关的映射方案，也就是在映射执行时仅考虑参与映射的源特性文件色域与目标特 性文件色域差异情况，没有针对图像特点来设计。所以为了适应色彩管理的时代发展要求， 色域域射的发展趋势就是使用依据图像内容的自适应转换方法，或称为与图像内容相关的 色域映射算法。这种转换方法的基本思路是在转换前要充分考虑图像内容的阶调分布情 况，然后根据图像的阶调和颜色的分布情况来设计动态的色域映射方法。 1 3 论文研究目的和意义 本课题是依据时代对颜色复制的跨媒体化发展要求，以及考虑到现今i c c 色彩管理 机制在实际应用中的缺陷提出的。课题研究中紧紧抓住色彩管理系统的核心问题色域 映射，从色域映射算法的研究入手，在调查研究现有的色域映射算法的基础上，归纳出影 响色域映射算法的各个相关因素，详细分析这些因素对色域映射结果的影响权重，建立优 化模型，设计一个基于图像的色域映射算法。为构建新算法的实验平台，以开放的i c c 色彩管理框架理念为依据，同时考虑到现今i c c 色彩转换模式的不足，改善该框架构成 中的不足之处，构建了一种新的色彩转换模式。在该模式中可以实现图像数据的获取，图 像和所要呈现图像的媒体的色域描述，色域映射算法的选择等功能。新的色彩转换模式中 采用c i e c a m 0 2 色貌模型作为颜色转换和传输的中间连接空间，适应了新时代跨媒体复 制的需求。新模式的颜色转换中明确了映射前后的两个色域，在转换时选择色域映射算法， 实现颜色转换的实时化、透明化。并且新的色域映射算法也可以作为一个单独的成果应用 于各种计算机操作系统或图像、视频等处理软件中。 1 4 课题研究的内容 本课题是在i c c 色彩管理框架的基础上进行研究的，主要的工作包含两项： 第一项研究是p c s 连接空间的选取，从c i e 推出的标准色空间出发，经过均匀性测 试选择出一个适合于跨媒体复制要求的色貌模型，作为中间连接空间。 第二项研究是通过分析测试当前常用的色域映射算法，设计出一种新的基于图像内容 的色域映射方案。 实现过程： 1 p c s 连接色空间的比较与分析，本课题中选用i c c 现用的标准颜色空间 c i e l a b 和c i e 新推出的色貌模型c i e c a m 0 2 ，分别使用孟塞尔颜色数据集在 m a t l a b 7 0 中编程做出这些颜色空间的对立色平面图，来比较它们的色相、明度 及饱和度的均匀性，得出结论。 4 南京林业大学硕士论文作者：许向阳 2 色域映射算法的设计，首先搜集现有色彩管理流程中常用的色域映射算法，以 图像内容为源色域，以某一设备色域为目标色域，采用实时的转换模式，利用 v c + + 建立转换平台，实现图像颜色信息的转换。然后分析各类算法的优缺点， 演绎出一个新的基于图像的色域映射算法。 3 新算法的测试与评价，首先选取g a t f 、i c c 以及i s o 用于标准测试的1 0 副图 像，分别使用i c c 推出的用于标准测试的两个算法( s g c k 和h l ? m i n d e ) 和 新算法进行图像转换。挑选2 0 名视力正常的观察者( 1 0 个专业人士，1 0 个非 专业人士) 对转换结果图像进行主观评价，观察前对观察者进行培训，以确保 评价结果的可靠性、公正性。然后为进一步评价新算法的性能，使用s c l a b 色差系统计算图像的色差，进行客观评价。 4 新色彩转换模式的跨媒体预测性能测试，首先选定再现图像的媒体类型，并设 定媒体的工作环境，获得平台转换时所需的参数。本实验中采用l c d 液晶显示 器作为源显示媒体，以投影机作为目标显示媒体，使用c i e 推荐的媒体工作环 境参数作为平台输入参数转换图像，比较显示结果，得出实验结论。 南京林业大学硕士论文作者：许向阳 第二章色域映射研究中的相关问题 色彩管理系统要解决颜色信息从一个颜色空间转到另一个颜色空间中时颜色外貌在 视觉上保持一致的问题，其本质是色空间的转换。实现这个目的关键技术支撑是色域映射。 色域是颜色的一种色度学属性，代表着一种媒体能表达的颜色范围【9 j 。某种颜色体系的色 域是指其可以显示或打印的颜色范围，即特定颜色空间可以覆盖的颜色范围。色域这一概 念与颜色空间相关，因而也与设备颜色特征描述相关联，并且不同的颜色空间其色域不相 同【1 0 】。c i e l a b 可以描述自然界所有的颜色，显示器( r g b ) 、打印机( c m y k ) 的色域 仅是其中的一部分，如图2 1 示： l a b r g b c 辩y k 图2 l 色域大小比较图 彩色图像在复制工作流程中要使用各种设备，如计算机显示器，扫描仪，数码相机， 打印机以及印刷机等。不同颜色设备或者媒体由于其表现颜色的结构和原理不同，因而就 有不同的颜色表现范围，即色域。理想的彩色复制流程要求所使用设备的色域相互匹配， 或者说设备的色域完全相同，但实际复制中所参与两个色域目标色域( d e s t i n a t i o n g a m u t ) 和源色域( o r 罾n a lg a m u t ) 一般是不同的。解决这种色域不匹配的问题，在颜色 转换的过程中必须使用色域映射技术，以保证颜色尽可能准确的传递。 色域映射算法是目前热门的研究领域，已具体提出的色域映射算法许许多多。为促进 该技术的发展，c i e 专门设立了色域映射技术委员会一t c 8 0 3 ，其目的就是为跨设备、跨 媒体的图像再现，研究、开发推荐一种基本的解决方法，提供一个标准程序来计算图像、 设备或其它媒体的色域，提供用于各种特定应用的色域映射算法和法则。在国内，中国照 明学会于2 0 0 0 年底也成立了图像技术专业委员会，其中同样把色域映射作为一项重要的 研究任务。 2 1 色域映射的类别及特点分析 设备色域通常用均匀颜色空间中的一个三维有界体积描述。色域映射的执行通常是在 某个与设备无关的颜色空间中进行的，首先将源设备的色域和目标设备的色域精确的表示 出来，然后再使用某种算法将源设备色域中的颜色转换到目标设备色域中，使颜色在视觉 上尽可能保持不变。 依据源设备色空间的选择是否与转换的图像相关，可以将色域映射分为两种类型j ： 南京林业大学硕士论文作者：许向阳 第一种是设备到设备的( d e v i c et od e v i c e ) ，第二种是图像到设备的( i m a g et od e v i c e ) 。 目前使用的大多数色域映射算法多属于第一类，这种算法与当前的i c c 色彩管理相兼容， 算法结果可以很容易写入i c c 特性文件中，后一种使用输入图像内容的统计特征来决定 源色域的大小和范围，由于这种算法考虑了图像的颜色特征，实验结果表明这种算法普遍 好于前一种，但计算时间比较长，对计算机硬件要求较高。 2 1 1 设备到设备的色域映射算法 设备到设备的色域映射是指以某一个设备的色域为源色域以另一个设备的色域为目 标色域的映射。通常设备间的色域关系表现为以下两种情况：一是目标设备色域完全包含 源设备色域，此时在目标设备上完全可以再现源设备色域内的所有颜色，只需进行一对一 的颜色映射，即可实现没有颜色失真的彩色图像复制；二是目标设备色域小于源设备色域 或两者色域部分重叠，如图2 2 示显示器色域和印刷色机色域的比较图，这时则需要将源 设备中位于目标设备色域外的颜色全部压缩映射到目标设备色域内，这就不可避的免会造 成颜色失真。为此需找到能使视觉失真最小的压缩映射算法。所以评价色域映射算法的标 准便是建立在视觉评价基础上的“尽可能准确或尽可能接近”( a sa c c u r a t e l ya sp o s s i b l eo r a sc i o s et ot h eo r i g i n a la sp o s s i b l e ) 复制原则，且这种颜色复制原则的“准确”或“接近” 是指全体颜色的外貌，而不是个别颜色的外貌。 s r g b 设备色域 c o a t e dv 2 图2 2u ss h e e 仃e du n c o a t e dv 2 印刷色域和s r g b 显不器色域的比较 目前基于i c c 式色彩管理流程中定义的四种再现意图就是通过分别采用不同的设备 到设备的色域映射算法来实现的，其不外乎色域裁剪和色域压缩两种。选择的再现意图不 同，运用的色域映射算法也不同，最后得到的彩色复制效果也不同。感知目的的再现意图 使用色域压缩方案，饱和度目的、相对色度和绝对色度再现意图采用裁切的颜色匹配方案。 能实现这四种目的的有代表性的算法有：l l i n 、l n l 烈、l s l i n 、l c l i p 、s l i n 、c u s p 以及g c l s p 和c c l i n 等。综合这些算法的特点，按照它们对色彩三要素的变换关系可 以把色域映射算分为色相映射、明度映射和饱和度映射三个方面。并且这些算法，大都是 在c i e l a b 色空间的等色相面内进行明度或者彩度的压缩或者裁切来实现颜色匹配的， 通常都是在重点保护一个而牺牲另一个为代价的基础上进行。另外算法c a r j s i i a ( c o l o r a p p e a r a n c er e s e a r c hf o r i n t e r a c t i v es y s t e mm a n a g e m e n t ) 是依据有经验的扫描仪操作者的 实践经验提出来的，算法设计中考虑到在c i e l a b 颜色空间的等色相角平面上各种颜色 并不具有完全相同的色相，所以在进行明度和彩度映射的同时对色相进行相应的映射。 南京林业大学硕士论文 作者：许向阳 综合大部分文献资料，这些设备到设备的色域映射算法可归为三种类型： 1 ) 先后关系型一先压缩明度后压缩彩度 l l i n ( j o h n s o n ，1 9 8 0 ) 【1 2 1 、l c l i p ( s a r a ，1 9 8 4 ) 【13 1 、l s l i n ( l a i