（计算机软件与理论专业论文）图像专色分色技术及其应用研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着计算机图形学的飞速发展，计算机图像处理技术已经渗入到计算机应 用的方方面面。图像电子分色技术作为印染、印花、陶瓷以及印刷等行业的图 案印前处理中的关键技术，己在工业生产中得到广泛应用。相对于传统的照相 分色技术，电子分色技术已在很大程度上提高了生产效率。但是，随着行业的 发展和人们物质生活变得更加丰富，一方面人们对印前处理的效率提出了更高 的要求，另一方面也要求能够印制出更加精美的图案。 然而，现有的分色技术，尤其是专色分色技术，已经不能满足印前处理效 率和印制质量的要求，严重地限制了该行业的发展。 专色分色分为纯色图像的专色分色和连续调图像的专色分色。纯色图像的 专色分色是将纯色图像分割为单色色片，其结果的质量对整个图案处理流程的 效率影响很大。目前纯色图像专色分色技术生成的结果都是基于像素表示的， 产生较多的冗余信息( 杂乱的斑点) ，增加了图案的后续处理的难度，并使得设 计周期大大延长。为此需要探索更新的纯色图像的专色分色技术。 在以织物为承载物以及其它特殊工艺要求下的专色印制过程中，需要对连 续调图像进行专色分色。目前，在该领域内还没有适合的专色分色算法，使得 以较少种类的油墨在不叠印的前提下，能够印制出色彩鲜明的连续调图像。 本文首先介绍了四色分色、图像分割和域映射技术，以及专色分色技术与 它们的关系。进而分析了当前专色分色技术的研究现状和存在的问题。通过对 前人技术的研究以及与计算机图形学、运筹学等领域相关技术的结合，针对纯 色图像和连续调图像分色技术存在的问题，本文做了如下创新工作： 1 提出了新的纯色图像专色分色算法。其主要思想是在二维图像空间中首 先对图像进行分割，得到纯色区域组成的图像，然后使用由边缘检测算法得到 的边缘线修剪所构建的纯色区域来实现图像的专色分色。在修剪过程中，细小 杂乱区域将被分割合并到有意义的大区域中，从而在保持原图像内容轮廓不变 的基础上，构建出边缘光滑、清晰的纯色区域。相对于其它纯色图像专色分色 算法，本算法有以下特点： 山东大学硕士学位论文 1 ) 通过边缘修剪，去除了杂乱区域，减少了手工修版的工作量，提高了 印前处理的效率； 2 ) 保留了区域与边缘信息，为后续基于区域的工艺处理提供了方便。 2 针对连续调图像，本文也提出了新的专色分色算法。其主要思想是在 l u v 颜色空间中以色调差作为距离标准，根据图像的颜色属性，建立油墨定制 与分色的约束最优化模型，采用迭代法求解，完成在印制颜色域内油墨的定制 及对图像的分色；在油墨色调半平面上，通过线段模拟挂网颜色变化获取挂网 灰度值，并最终确定和完善印制油墨的选取。本方法有以下几个方面的创新： 1 ) 提出了在连续油墨空间内定制油墨的约束最优化模型： nn 目标：r 血( t ) = 芝二a 站+ ( t h p i ) + ( t k p i ) ； i 1k - , 1 p ，为第i 个像素的色调 约束 n a 墟= 1 ，a i k ( o ，1 ) ，i = 1 , 2 3 ，n k - 1 b i s e c t o r ( t ? ，t ：) t 1 b i s e c t o r ( t ? ，t ! ) ， b i s e c t o r ( t1 1 ，t ? ) t i b i s e c t o r ( t ! ，t 墨1 ) ，i = 2 ，3 n 一1 ， b i s e c t o r ( t 三一：) t 。 b i s e c t o r ( t 。0 t ：) ； 初值t t o = ( t ? ，t ：，t “3 t ：) 2 1 根据实际应用，提出了快速求解该模型的求解方法： 3 1 采用颜色空间中直线段上的颜色模拟连续调变化趋势，既符合挂网技术 颜色变化的规律，又保留了颜色连续变化的趋势。 文章提出的纯色图像专色分色算法，主要通过改善自动分色的质量，提高 印前图案处理效率，连续调图像专色分色算法解决了连续调图像在不叠印的印 制系统中印制的难题。 关键词：纯色图像，连续调图像，专色分色，油墨定制，约束最优化 坐至奎堂堡主堂焦笙塞 t h et e c h n o l o g ya n d a p p l i c a t i o n s t u d yo fs p o tc o l o rs e p a r a t i o n g r a d u a t es t u d e n t ：f e n g ，d i n g g u o a d v i s o r ：p r o f m e n g ，x i a n g x u a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p i n go f c o m p u t e rg r a p h i c s ，c o m p u t e ri m a g ep r o c e s s i n g h a se n t e r e d m a n ya p p l i c a t i o n s t h e e l e c t r o n i c i m a g e c o l o r s e p a r a t i o n ，a s a f u n d a m e n t a lt e c h n i q u ei np a t t e r np r o c e s s i n go fm a n yi n d u s t r i e ss u c ha s p r i n t i n g ， d y e i n ga n dc e r a m i c s ，e t c ，h a sb e e na p p l i e dw i d e l y i nt h ei n d u s t r i e s c o m p a r i n gw i t h t h et r a d i t i o n a l p h o t o g r a p h i c c o l o rs e p a r a t i o n ，t h ee l e c t r o n i cc o l o rs e p a r a t i o nh a s i m p r o v e d t h ep r o d u c t i v ee f f i c i e n c yl a r g e l y h o w e v e r , w i t ht h et e c h n i q u ed e v e l o p i n g o ft h i sf i e l da n dt h ep e o p l e sl i f eb e c o m i n gm o r ea b u n d a n t ，t e c h n i q u e so fp i e p r e s s p r o c e s s i n ga r er e q u i r e d t ob em o l ee f f i c i e n ta n da b l et op r i n tm o r eb e a u t i f u lp a t t e r n n o w , t h ee x i s t i n gt e c h n o l o g yo fc o l o rs e p a r a t i o n ，e s p e c i a l l yt h es p o tc o l o r s e p a r a t i o n ，h a sc o n s t r a i n e dt h ed e v e l o p m e n to f t h i si n d u s t r yg r e a t l yb e c a u s eo fi t s l o we f f i c i e n c ya n dp o o rq u a l i t y s p o tc o l o rs e p a r a t i o nc o n t a i n st h ec o l o rs e p a r a t i o nf o rp u r ec o l o ri m a g ea n d c o n t i n u o u st o n ei m a g e t h es p o tc o l o rs e p a r a t i o no fp u r ec o l o ri m a g ei st os e p a r a t e t h e i m a g ei n t o m o n o c h r o m es l i c e sa n di t sr e s u l th a sas t r o n gi n f l u e n c eo nt h e e f f i c i e n c yo f t h ew h o l ep a t t e r np r o c e s s i n g b u tt h er e s u l t so ft h em e t h o d so fs p o t c o l o rs e p a r a t i o nw h i c ha r ep r e v a i l i n gi np a t t e r np r o c e s s i n go ft h e s ei n d u s t r ya r e b a s e do nt h ep i x e l s ，a n dc o n t a i nt o om u c hu n m e a n i n gi n f o r m a t i o nw h i c hi n c r e a s e s t h ed i f f i c u l t yo ft h el a t t e rp r o c e s s i n ga n dt e r r i b l yd e l a y st h ew h o l e c o u t s co f p a t t e r n d e s i g n i n g s on e wt e c h n i q u e a r en e e d e di nf i e l d 山东大学硕士学位论文 w h e np r i n to nt h e s p e c i a lc a r r i e r ( c l o t h 、s i l ke t c ) o r w i t hs o m e s p e c i a l t e c h n o l o g y , s p o tc o l o rs e p a r a t i o no n t h ec o n t i n u o u st o n ei m a g ei sn e e d e d p r e s e n t l y , i nt h i sf i e l dt h e r ea r es t i l ln o a p p r o p r i a t em e t h o d s ，w h i c hp r i n tb r i g h t c o l o r c o n t i n u o u st o n e p a t t e r nw i t hn o n - o v e r l a p p i n gp r i n t i n ga n ds o m e l i m i t e dk i n d so fi n k t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e sf o u r - c o l o rs e p a r a t i o n 、i m a g es e g m e n t a t i o na n d g a m u t m a p p i n g ，a n ds p o tc o l o rs e p a r a t i o n sr e l a t i o nw i t ht h e m t h e nw ea n a l y s i s s o m e c u r r e n t l yp r e v a l e n tt e c h n i q u e s o fc o l o r s e p a r a t i o n a n dd i s c o v e rs o m e p r o b l e m se x i s t i n gi ns p o tc o l o rs e p a r a t i o n c o m b i n i n gw i t h f o r m e rw o r k sa n d t e c h n i q u e si no t h e rf i e l d so fc o m p u t e rg r a p h i c sa n do p e r a t i o n a lr e s e a r c h ，w ep r e s e n t n e wm e t h o d st os o l v et h ep r o b l e m so ft h es p o tc o l o rs e p a r a t i o no ft h ep u r ec o l o r i m a g ea n d t h ec o n t i n u o u st o n ei m a g e ： 1 t h en e wm e t h o do fs p o tc o l o rs e p a r a t i o nf o rp u r ec o l o ri m a g e t h em e t h o d f i r s ts e g m e n t st h ei m a g ei n t op u r ec o l o rr e g i o n si n2 di m a g es p a c e ，a n dt h e np r u n e s t h er e g i o n sw i t ht h ee d g e sd e t e c t e db yt h ee d g ed e t e c t i o nt oa c h i e v et h ea i mo f t h e s p o tc o l o rs e p a r a t i o n i nt h ep r o c e s so fp r u n i n g ，t h e n o i s e sa n dl i t t l ej u m b l e d r e g i o n s c a nb ee l i m i n a t e da u t o m a t i c a l l yt og e tt h ec l e a rr e s u l tw i t hs m o o t hb o u n d a r y ；a b o v e a l l ，t h eo u t l i n eo f t h em e a n i n g f u lr e g i o n si sw e l lp r e s e r v e d c o m p a r i n gt ot h eo t h e r m e t h o d so fs p o tc o l o rs e p a r a t i o no fp u r ec o l o ri m a g e ，t h i s m e t h o dh a st w o s p e c i a l i t i e s ： 1 ) t h en o i s e sa n dl i t t l ej u m b l e dr e g i o n sa r ee l i m i n a t e da u t o m a t i c a l l yb y t h e p r u n i n gp r o c e s s ，a n de f f i c i e n c yo f t h e w h o l e p r e p r e s sh a sb e e ni m p r o v e d ； 2 ) t h ei m p o r t a n ti n f o r m a t i o no f b o u n d a r i e sa n dr e g i o n so b t a i n e dd u r i n gt h e c o l o r s e p a r a t i o ng i v e m u c hc o n v e n i e n c et ol a t t e rp r o c e s s i n g 2 t h en e wm e t h o do fs p o tc o l o rs e p a r a t i o nf o rc o n t i n u o u st o n ei m a g e t h e m e t h o dc o n s t r u c t st h ec o n s t r a i n e do p t i m i z a t i o nm o d e l o f i n kc u s t o m i z a t i o nm a ds p o t c o l o rs e p a r a t i o na c c o r d i n gt ot h ea t t r i b u t eo ft h eo r i g i n a lp a t t e r n sc o l o r , a n ds o l v e t 1 1 em o d e lw i t ht h ei t e r a t i v em e t h o df o ri n kc u s t o m i z a t i o na n ds p o t c o l o rs e p a r a t i o n i nt h ep r i n ts y s t e m sc o l o rg a m u t i nt h et o n ep l a n e ，w e u s et h ec o l o ro fas e g m e n to f 山尔大学硕士学位论文 l i n et os i m u l a t et h ec o l o rs e p a r a t i o nr e s u l to fe v e r yp i x e l ，a n dc u s t o m i z et h ei n k sa t 1 a s t t h i sm e t h o dh a ss o m ei n n o v a t i o n s ： 1 ) ac o n s t r a i n e do p t i m i z a t i o n m o d e lf o rt h e i n kc u s t o m i z a t i o ni nt h e c o n t i n u o u si n ks p a c ew a s p r o p o s e d ： nn o b j e c t i v e f u n ：胁( t ) = a 坫+ ( t k p 1 ) 4 ( t k p i ) ； k 1k - l p i i st h et o n eo f i 也p i x e l n c o n s t r a i n t s ： a 啦= 1 a 。k ( o ，母，i = 1 , 2 3 ，l q ； k - 1 b i s e c t o r ( t ? ，t ：) t 1 b i s e c t o r ( t ? ，t ：) ， b i s e c t o r ( t1 1 ，t b t 。 b i s e c t o r ( t ? ，t 。01 ) ，i _ 2 , 3 ，n 一1 ， k $ e c t o r ( t “0 ，t ：) t n b i s e c t e r ( tn 0 ，t 0 1 ) ； init：t o = ( t ? ，t ! ，t 孓，t ：) 2 ) aq u i c ks o l u t i o no f t h e m o d e lw a sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o n ； 3 ) s i m u l a t i n g t h ec o n t i n u o u sc o l o rb yt h ec o l o ro f t h el i n es e g m e n ti nt h ec o l o r s p a c e ，n o to n l y a c c o r dw i t ht h et r e n do ft h e c o l o rt r a n s f o r m a t i o n o f h a l g t o n et e c h n o l o g y , b u ta l s oh o l dt h ec o n t i n u o u sc o l o rt r a n s f o r m a t i o no f t h eo r i g i n a li m a g e t h es p o tc o l o rs e p a r a t i o no fp u r ec o l o ri m a g eo f t h i sp a p e rh a si m p r o v e dt h e e f f i c i e n c yo ft h ep a t t e r np r o c e s s i n g o fp r e p r e s st h r o u g hi m p r o v i n gt h ed e g r e eo f a u t o m a t i o no fc o l o rs e p a r a t i o n t h es p o tc o l o rs e p a r a t i o nf o rc o n t i n u o u s t o n ei m a g e o f f e r sn e wp e r s p e c t i v e sf o rp r i n t i n gc o n t i n u o u st o n ei m a g ew i t hn o n o v e r l a p p i n g p r i n t i n ga n ds p e c i a li n k s t h e s em e t h o d sc a nb ea p p l i e di n p a t t e r np r o c e s s i n go f m a n y i n d u s t r i e ss u c ha sp r i n t i n g ，d y e i n ga n dc e r a m i c s ，e t c - k e y w o r d sp u r ec o l o ri m a g e ，c o n t i n u o u st o r t e i m a g e ，s p o tc o l o rs e p a r a t i o n ，i n k c u s t o m i z a t i o n ，c o n s t r a i n e do p t i m i z a t i o n 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，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签锄导师签 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蝴导师签名：洫日 期： 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 印前处理，是指印制对象从初始构思到正式在机械设备上印制成品之前所 涉及的所有过程和步骤。随着计算机技术的发展与应用，以手工操作的传统印 前方式已逐步发展为数字化印前处理。 在印前处理的过程中( 如图1 1 ) ，首先将图案样稿扫描输入计算机得到电子 彩色图像，然后再根据印制工艺的要求采用相应的分色技术对图像进行分色， 对分色结果作相应的工艺处理之后，即可得到印制需要的胶片或制网数据。 黼磊正i 三k id 三丑意圈1 样稿叫全彩图像卜叫套色图像卜叫胶片席0 网数据l 扫描输入图像分色l - j 连晒输出l j ( 图像处理、( 图案设计、一 图像绘制)图案编辑、一 工艺处理) 一 图1 1 印前处理流程 印制方式决定了印前处理过程中所采用的相关技术的类型。目前行业内所 采用的印制方式主要有两种：多种油墨混合叠印的印制方式与非叠印的专色印 制方式。这两种印制方式都有着自己的应用领域，难以相互替代。多种油墨混 合叠印的印制方式主要是针对承载物能够多次吸墨的印刷等行业，专色印制主 要应用于不能够多次吸墨的承载物的印制。然而，在现代印刷工艺上，为了能 够更加逼真地体现某些画面的风格，往往需要在许多局部区域用纯色而不 是用通常所用的多色叠印来产生其鲜明的色彩，而是采用专色印制方式印制颜 色精确统的专色区域。 图像分色技术是印前处理过程中的关键技术，其过程是对图案上每个像素 颜色，计算用所选油墨复制该颜色所需的油墨用量，即覆盖百分比 = ( c d c x l l1 f n 为油墨数) 。不同的印制方式需要采用相应不同的分色技术可 叠印的印制方式采用的分色技术主要有四色分色和多色分色技术，其特点是采 用多种油墨混合复制图像上的每一个像素颜色。不可叠印的印制方式主要采用 专色分色，其特点是复制每个像素颜色只采用一种油墨。 山东大学硕士学位论文 目前，印前处理技术的发展在很大程度上受到了分色效率与分色质量的制 约，尤其是专色分色的两大领域：纯色图像的专色分色和连续调图像的专色分 色，都存在相关未解决的问题，本文针对这些问题，提出了可行的解决方法。 1 2 相关研究及存在的问题 根据晷前行业内的分类，将图像分色分为两类：四色分色和专色分色。这 种划分方式不是很准确，准确地定义应该是面向可叠印印制方式的分色( 简称 “可叠印分色”) 和专色分色。四色分色只是可叠印分色的一种，采用的是标准 油墨( 即c m y k ) 。但是由于标准油墨的颜色域所能表示颜色有限，相继出现了 采用非标准油墨( 也称为“专色油墨”) 的面向可叠印印制方式的分色方法 1 】。 这种分色方法由于采用的是专色油墨，所以很多文献又称之为“面向专色工艺 的图像分色”，但这与专色分色是存在本质的差别，专色分色面向专色印制，印 制每个像素只采用一种专色油墨，而不是多种油墨混合叠印。 1 2 1 可叠印分色 长期以来，对于可叠印分色算法的研究多限于四色分色 2 3 ，直至最近， 人们才开始研究非标准油墨( 即非c m y k ) 的分色方法。o s t r o m o u k h o v 4 采用 简化的颜色域模型以加速分色计算，将c i e x y z 彩色空间分为一组以灰度轴为 公共边的四面体，每个四面体都有一个顶点对应于黑油墨，一个顶点对应于纸 张的颜色，另外两个顶点分别对应于一种彩色墨。这种颜色域表示方法使得域 模型中每种颜色都可唯一地由黑色墨和两种彩色墨的组合印制出来。从而使分 色算法简化为寻找指定颜色所在的四面体，并计算其在四面体中的重心坐标的 过程。此外，t 钛a 曲i 在其9 色印刷系统中利用神经网络计算分色 5 1 。b o l l 则 在输入色与输出油墨组合间建立查找表【6 】；在软件方面，p a n t o n e 公司的 h e x w r e n c h 软件可用于六色分色和预览分色结果。 1 2 2 专色分色 专色分色是本文研究的对象，可以分两个领域，一个是纯色图像的专色分 色，另一个是连续调图像( 在印刷行业被称为“云纹图”) 的专色分色。 山东大学硕士学位论文 1 纯色图像的专色分色 针对没有连续调的纯色图像的专色分色，目前在工业图案处理中采用的主 要算法有些是基于图像的直方图中的信息进行量化( 如最小距离法) ，有些是采 用一定的数值判别原色彩和量化色彩之间的差别进行分类，如贝叶斯( b a y e s ) 分 类法 7 。这类方法与图像分割技术中采用的聚类法很类似：将原图像中的多种 颜色根据人的视觉效果归类到较少数目的颜色。从而用这些较少种类的颜色重 新生成量化图像，使得量化图像与原图的差别最小。这类方法适合于非全彩图 的样稿分色，例如文本、代码和线条印制之前的分色，能够很好地保留细节。 但是基于区域的全彩图像，区域边缘颜色变化复杂、具有局部过度色调，采用 这类方法生成的结果区域边缘存在大量毛刺只能靠手工去除，这部分工作占 据了整个印前处理的绝大部分工作量，使得图案的设计周期大大延长。另外， 分色之后，需要进行编辑、工艺等处理，基于像索表示的结果使得这些处理只 能是逐个像素单独进行，这使得编辑与工艺处理的效率低、效果差，有些工艺 处理难度很大，很难达到工艺要求。 为了提高印前的处理效率，分色算法必须具备两个要素；首先实现噪声与 杂乱区域的自动消除，其次是分色结果具有完整的区域及边缘信息，使得后续 的图案编辑与工艺处理可以基于区域实现。将图像分割成区域，这在图像分割 领域，已存在利用图像全局信息去指导分割过程，如m e a n s h i f t 方法 8 】，但是 这些方法产生的伪轮廓和伪区域太多，不能直接应用于图像分色。所以在这个 领域需要新的自动化程度高的纯色图像专色分色算法。 2 连续调图像的专色分色 人们对美的追求愈来愈高，体现在服饰上就要求能够印制像水彩画、油画、 风景画及人物像片等图案复杂、色彩丰富的花样。这就要求对连续调彩色图像 进行专色分色。但是传统的印花生产工艺受印版数目的限制，不可能印制具有 成千上万种套色的图案，用传统的印花工艺无法解决这一问题。而四色和多色 印刷技术采用叠印的方式混合油墨进行印制，利用这种油墨混合技术和半色调 技术 9 1 0 】能够印制出色彩丰富的图像，虽然在纸品印刷已经得到广泛应用，但 由于织物与纸品的质地不同( 织物有经纬线，较纸张粗糙，不可采用叠印) 以及 其印制工艺的差别导致现有的四色和多色混合油墨叠印也不能解决此类问题。 山东火学硕士学位论文 在1 9 9 9 年，o s t r o m o u k h o v 1 1 提出了一种类似的适用于油墨无叠印限制下 的分色方法，使对选定的颜色空间四面体化，他的基本思想是，颜色由其所在 四面体顶点所对应油墨产生，相应的重心系数对应该颜色的分色值；采用的抖 动技术能够产生部分颜色过渡效果。但是针对事先给定的油墨只有靠近油墨 顶点的像素颜色能够很精确地表示，而且该方法只适合于由基本图元( 如字符、 符号或单个几何形状等) 组成的彩色图像的分色。 由印制承载物的特性决定了必须用少数种类的油墨，在不混合的前提下， 印制出色调变化丰富的连续调图像，这要求必须采用类似半色调的技术来实现。 目前印刷和印花行业采用的是挂网技术，在实际挂网过程中把连续调的图像转 换成网点，对图像上的每个像素需要个挂网灰度值，用以确定网点的大小和 疏密。所以连续调图像的专色分色就是选取合适的油墨进行分色，然后为每个 像素给定一个挂网灰度值。然而，由于用以解决连续调图像的专色分色相关技 术的研究很少，使得印花行业( 印染、丝网印制和陶瓷印花等) 只能采用传统 的凭经验的方式手工选取油墨、交互定义油墨表征范围，虽然可以印制出色彩 较鲜明的图案花样，但层次感很差，误差较大，偏离印制图像内容，所以在我 们周围，几乎很难发现印制有很精美的连续调图案的布料。为了解决这个问题， 需要设计新的色彩丰富的连续调彩色图像的专色分色算法。 1 3 本文工作 针对专色分色两个领域存在的问题，本文提出了新的纯色图像专色分色算 法和连续调图像专色分色算法： ( 1 ) 纯色图像专色分色算法 该算法首先在二维图像空间中对图像进行分割，得到大量纯色区域，然后 使用由边缘检测算法得到的边缘线修剪所构建的纯色区域来实现图像的专色分 色。 利用边缘线修剪是本文纯色图像分色的主要工作。在修剪过程中，首先利 用边缘线将其所穿越的小区域进一步分割成更小的区域，然后针对每一条边缘 线，沿边缘线上的每个点的法向，向其两侧步进扩展，当遇到其它边缘线或者 穿越的区域数目超过了指定阈值时停止步进，将步进过程中所穿越的所有细小 山东大学硕士学位论文 杂乱区域合并到有意义的纯色区域中，从而使得图像最后由边缘平滑、颜色统 一的纯色区域组成。在合并区域时以有意义的纯色区域颜色为新区域的颜色， 而不是以加权平均计算新区域的颜色，这样防止了步进过程中颜色的渐变引起 分色结果偏离原图像的内容。最后，根据专色分色的要求，采用中心色合并的 方式对将图像的颜色进行规整，从而完成专色分色。 以图像处理的角度理解，本方法是一种图像分割算法。区别于其它分割算 法，本算法明显的特点是适合于工业图案处理中图像的精确分割。 ( 2 ) 连续调图像专色分色算法 针对连续调图像，本文也提出了新的专色分色算法。其主要过程是首先建 立油墨定制与分色的约束最优化模型，求解模型以完成在印制颜色域内油墨的 定制及对图像的分色。 本文连续调图像是指存在颜色的饱和度和亮度连续变化的图像，所以连续 调图像专色分色就是将图像色调聚类成有限少数种类的色调，且针对每一类色 调所对应的像素，保持其饱和度和亮度的连续变化，以再现图像的连续变化效 果。在模型建立过程中，以u 颜色空间中色调差作为距离标准，根据图像的 颜色属性，建立油墨色调定制与分色的约束最优化模型，给出快速求解模型的 方法求模型的近似解，以完成在印制颜色域内油墨色调的定制及对图像的分色： 在油墨色调半平面上，根据像素在该平面内映射点的分布，确定印制所需要的 油墨数目以及油墨与像素的对应关系；然后在色调半平面内求得一条直线的方 程，使得采用该直线上点的颜色模拟像素的颜色所产生的误差最小：最后通过 该直线模拟挂网颜色变化获取挂网灰度值，并最终确定和完善印制油墨的选取。 现有分色算法都是在有限离散的油墨空间中完成油墨定制，本文提出的快 速求近似解的方法可使油墨定制在连续的印制颜色域内完成，这使得算法具有 很大的油墨选择范围，可以实现色彩丰富的彩色连续调图像的印制。 1 4 论文安排 论文第二章介绍了相关的背景知识和技术，包括颜色、颜色空间、图像分 割及域映射。第三章给出了纯色图像的专色分色。第四章给出了连续调图像的 专色分色。第五章总结。 山东大学硕士学位论文 2 1 颜色 第二章相关技术 颜色是可见光的一种视觉特性。为了对各种色光和颜色进行较为正确的分 析和区别，国际上统一规定了鉴别颜色的三个属性：色调、亮度和饱和度。 色调 色调是颜色互区别最基本的特性。可见光谱中不同波长的光在视觉上表 现为各种不同色调，包括红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。通常称红、橙、黄三 种色调为暖色调，青、蓝、紫三种色调为冷色调，绿色为中间色调。 亮度 亮度表示人眼感知颜色的强弱，它与光的能量大小及人眼对不同波长光的 感知能力有关。在光度学上把颜色的亮度描述成光的数值( 即光的能量) 。可以 用光度计测量。一般认为，彩色物体表面的反射率高，它们亮度就大，颜色越 鲜艳。 饱和度 饱和度指彩色的纯度，表示物体反射或透射光的选择程度。可见光谱中各单 色光的饱和度最高。 在颜色替代定律中指出，任何一个颜色c 都可以用一定量的波长为 的单 色光c 、和一定量的白色光w 的混合来匹配。用公式表示为： c= c + w 因此，一个颜色的饱和度可理解为匹配该颜色的单色光占全部色光的比 重。当光谱色中掺入的白光成分愈多时，就愈不饱和。以s 代表饱和度，则 s = c c = c 一( c -+ 9 对于非彩色则只有明度的区别，没有色调和饱和度。 本文中纯色图像是指图像中纯色区域内颜色具有统一的色调、亮度及饱和 度，连续调图像则是指色调统一，而亮度和饱和度连续变化的图像。 山东大学硕士学位论文 2 2 颜色空间 目前c i e ( 国际照明委员会) 已提出了多种颜色空间体系。图形学中常见的 是r g b 空间和x y z 空间，r g b 和x y z 颜色空间都是线形空间，无法用来精 确测量色差。为了克服这一缺点，人们引入了l + u + v 均匀颜色空间。 p u t v + 是应用最广泛的颜色模型之一。其中含有一个垂直的亮度轴l ( 也称 为c i e l 9 7 6 亮度函数) ，及含有坐标( u ，v ) 的水平面，如图2 1 所示。亮度轴l 代表无彩色刺激，均匀地从0 变到1 0 0 ，0 值代表黑色，1 0 0 表示白色。离开亮 度轴的点代表有彩色刺激。色调平面上+ u 表示红色，一u 表示绿色；+ v 表示黄 色，一v 表示蓝色。在该空间中与亮度、饱和度、色调近似相应的分量为亮度l 、 彩度c 。和色调角h 。在图2 1 中对于颜色点p 标注了l u v 三个分量( 5 0 ，1 2 ，2 6 ) ， p 点的量度为5 0 ，饱和度( 色度) 为p 点到亮度轴的水平径向距离i o m l = 2 8 6 ，色 调角h 。为彩度半径与u 轴正方向的夹角8 5 2 度。均匀颜色空间最主要的特点 是具有均匀性，其中人眼所感知的两色间的差异可近似根据两色点间的欧几里 德距离来表示。它可以基本真实地反映人的视觉特征。模型的不足之处是不能 可视化，颜色表示不直观。 图2 1 l u v 颜色空间 用于对色彩进行描述的模型很多，模型不同，颜色的表达也不同。但是到 目前为止，没有一种模型可以做出完全理想化的表达。如今，人们开始研究包 括环境光等因素的观察条件对人眼所感知的颜色效果的影响，提出了z l a b ， c i e c a m 9 7 s 等颜色外观空间( c o l o ra p p e a r a n c es p a c e s ) 1 2 1 3 。 山东大学硕士学位论文 2 3 印制及挂网技术 2 3 1 印制技术 根据印制图案的承载物不同，e p 带, j 通常包含两类：一类是以纸品为承载物 的印刷，另一类是以织物( 布、丝绸等) 为承载物的印花。虽然在所处理的原始 对象( 都可视为一种图案) 及最终所表达的效果( 原始图案的再现) 上，两者是一致 的，但是，从其实现的工艺来看，却是截然不同的。 纺织印花，是将印制图案按套色提取花版，即所谓的“专色分色”，然后根 据花版将对应的颜色印制到对应的像素或区域。而纸品印刷则是将任何一幅图 案都分解成c ( 青) 、m ( 品红) 、y ( 黄) 、k ( 黑) 四个通道，即“四原色”，或者是 其它多色通道，然后叠印，以再现自然界的连续调的图案。 2 3 2 挂网技术 连续调的图像分色之后得到具有连续调的灰度图。在印制过程中，每次印 制时只能使用一种油墨，而且油墨的浓度保持不变。为了在印制时获得连续调 图像，需要对灰度图进行挂网处理。挂网，也叫加网，就是把连续调的图像分 解成网点的过程。挂网后的图像，用网点的大小和疏密反映图像实际颜色的深 浅层次变化。基于人的视觉效果，当从较远距离观察图像时，网点及周围的区 域造成了连续调的假象，较大的网点看起来暗，较小的网点看起来亮；网点稠 密的区域看起来暗，网点稀疏的区域看起来亮。 图像专色分色过程中，为每个像素选定一种适合的油墨之后，需要给定一 个值，用以确定在挂网印制时该像素对应网点的大小和疏密。我们将这个值称 之为挂网灰度值。为了逼真地模拟连续调，挂网次度值在连续调区域内应尽可 能具有好的连续性。为了直观地显示挂网灰度值的变化趋势，本文给出了挂网 灰度值对应的灰度图。 2 4 专色分色与图像分割 根据实现算法的空间不同，可将现有的图像分割技术主要分为两大类 1 4 】： 基于图像空间的算法和基于颜色空间的算法。基于图像空间的算法主要通过两 种途径去实现：边缘检测和区域重建。边缘检测理论基础是不同区域颜色属性 山东大学硕士学位论文 具有不一致性，区域重建则是基于区域内部颜色属性的统一性来实现的。目前， 一些更新的分割算法都是将边缘检测和区域重建相结合 1 5 1 ，以取得更好的结 果。基于颜色空间的算法实现过程是：给定距离衡量方式，采用图像直方图分 析 1 6 1 7 或者均值聚类 1 8 - 1 9 等方法识别具有统一颜色属性的像素，然后将其 映射回图像空间，即可完成分割。 根据图像的特征，图像分割的结果有基于区域表示的，也有基于像素表示 的。如图2 2 一a ，图像中颜色属性不统一的像素区域相互不交叉，可方便用区域 表示其分割结果。但在图2 2 b 中，不同颜色属性的像素相互交叉，只能基于像 素的方式保存其结果。 图2 2 ( a ) 适合用连通【苎域表不( b ) 不适台用连通区域鬏不 图像分割方法中，基于图像空间的方法，不论是边缘检测还是区域重建， 都是将分割目标表示成区域。所以颜色属性不统一的像素区域相互不交叉的图 像适合使用这类方法进行分割。基于颜色空间的方法，由于没有考虑像素在图 像空间的位置关系，只是根据像素在颜色空间中的距离差进行分割，所以分割 目标只是标出每个像素的归属关系。所以像素在图像空间中位置比较离散的图 像适合使用这类方法进行分割。 纯色图像有两类，一类是图像中像素位置关系离散，没有构成有意义的区 域；另一类是像素构成了有意义的区域( 如图2 2 a ) 。对于第一类纯色图像的专 色分色，可直接采用基于颜色空间的图像分割法，由于图像是纯色，所以采用 该方法的误差不大；但是第二类纯色图像( 如图2 2 a ) 的专色分色，为了便于进 行工艺处理，要求区域边缘必须准确平滑。如果直接采用基于图像空间的图像 分割法，将造成很大误差，尤其在区域边缘附近，会产生很多细小杂乱区域。 所以对于这类纯色图像的专色分色( 也可理解成分割) 需要新的更有效的方法。 山东大学硕士学位论文 由于连续调图像存在颜色过度和穿插，所以相对应的专色分色比较适合在 颜色空间中采用类似均值聚类的方法实现。由于图像中存在颜色连续变化，所 以无法直接应用基于颜色空间中的图像分割法进行分色，这是本文主要解决的 两个问题之一。解决了存在颜色穿插的连续调图像专色分色，则