（计算机系统结构专业论文）面向彩色打印的3dlut优化技术.pdf

摘要 在彩色再现系统中，彩色校t f 技术直接影响设备的色彩再现能力。一本文讨论 了应用三维查找表( 3 d l u t ) 技术进行彩色校正的可行性，以及现有三维查找表技 术的不足之处。通过分析三维查找表级数对三维插值速度和精度的影响，给d5 了 获得最佳校正结果的理想级数划分。在分析传统打印样本集生成方法的基础上， 改进了打印机建模过程中打印样本集的生成方法，该方法有效增大了打印色域， 提高了打印机的色彩再现能力。在三维查找表的建表过程中应用外推技术避免了 三维插值的边界特殊处理，提高了处理速度：应用反向均匀化技术使得三维插值 过程简单、高效。最后结合改进的两种样本集生成方法采用三维查找表技术完成 彩色校正过程，并给出了相应的误差分析。上述技术可用于色彩管理软件和高性 能彩色硬拷贝设备的研发。 关键词：三维查找表彩色校证色域样本集外推 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fc o l o rc a l i b r a t i o nh a sad i r e c te f f e c to nt h ec a p a c i t yo fc o l o r r e p r o d u c t i o ni nt h ec o l o rs y s t e m t h ef e a s i b i l i t yo fu s i n g3 d - l u tt e c h n o l o g yi n c o l o r c a l i b r a t i o ni sm e n t i o n e da n dt h ei n s u f f i c i e n c yo ft h ep r e s e n tt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e di n t h i sp a p e r t h ei d e a jg r a d e so f3 d l u ti sg i v e nt oo b t a i nt h eb e s tc a l i b r a t i o ne r i e c t t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee f f e c to f t h e m o nt h es p e e da n dp r e c i s i o no f t h et h r e ed i m e n s i o n a l i n t e r p o l a t i o n o nt h eb a s i s o fa n a l y z i n gt h em e t h o do fp r o d u c i n gt r a d i t i o n a l p r i n t e r s a m p l es e t s ，a r ti m p r o v e dm e t h o dt op r o d u c ep r i n t e rs a m p l es e t si sp r e s e n t e d ，w h i c h e n l a r g e st h ep r i n t e rg a m u ta v a i l a b l ya n di m p r o v et h ec o l o rr e p r o d u c t i o na b i l i t y o ft h e p r i n t e r i nt h ep r o c e s s0 fc o n s t r u c t i n gt h e3 d l u t t h ei n v e r s eu n i f o r m i t yt e c h n o l o g y a n de x t r a p o l a t i o nt e c h n o l o g ya r eu s e dt om a k et h et h r e ed i m e n s i o n a ii n t e r p o l a t i o n p r o c e s sm o r es i m p l ea n de f f e c t i v e f i n a l l y , t h e3 d l u tt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt of u l f i l l t h ep r o c e s so ft h ec o l o rc a l i b r a t i o n t h et e c h n o l o g ya b o v ec a nb eu s e di nt h er e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to fc o l o rm a r l a g e m e n ts o f t w a r ea n dh i g hp e r f o r m a n c ec o l o rh a r d - c o p y d e v i c e s + k e y w o r d ：t h r e ed i m e n s i o n a ll o o k u pt a h l e ( 3 d l u t ) c o l o rc a l i b r a t i o n c o l o r g a m u ts a m p l e s e t e x t r a p o l a t i o n 蚺一常封；论 第一章绪论 1 1 引言 彩色扫描仪、显示器、打印机( 含大幅面绘图机) 是输入输出各种彩图的 常用设备，是构成彩色信息系统不可缺少的一类外设。但受成象机理、元器件性 能、机械加工装配精度、耗材特性以及整机性能价格比等诸多因素制约，这些设 备再现色彩的“硬件”性能目前并不理想，尚存在下列缺陷：f 1 ) 各种设备使用的 r g b 、c m y k 原色具有设备相关性：( 2 ) 扫描仪和打印机存在明显的设备非线性， 特别是打印机，其输出受到纸张、半调算法、印点几何属性、扫描打印顺序、套 色定位精度诸多因素影响，非线性关系十分复杂，而且随过程而异：( 3 ) 打印机只 能再现部分色彩，即使采用超四色打印，许多饱和色、亮色和暗色也会因超出打 印机色域而不能再现。上述“硬件”缺陷如不采用系统的色彩管理技术予以弥补， 扫描输入和打印输出的彩图将出现严重的色偏和细节失真，其质量远达不到高性 能输入输出的要求。2 。3 】 色彩管理技术通过引入与设备无关颜色空间，建立设备的彩色特性描述，并 按用户要求进行颜色空间转换、色域匹配( 彩色增强) 、以及非线性特性校正等软 件技术方法来弥补现有硬件设备的不足，使其可给出用户满意的高品质、与设备 无关( 所见即所得) 的彩色再现【4 i 。其最本质的目标是提供跨外设和跨操作系统平 台的色彩一致再现机制。为适用于各种应用环境并避免混乱，设备、驱动程序和 应用程序都应具备色彩管理功能，但必须在操作系统色彩管理框架( f r n m e w o r k ) 的基础上按用户要求统一进行1 5 】。因此在色彩管理方面，设备研制者需做两方面 工作：一是在设备和驱动程序中实现色彩管理功能，二是向操作系统提供该设备 用于各种常规应用环境的彩色特性描述。用户和第三方人员在设备彩色特性因种 种原因发生变化( 如使用了新的纸张、墨水、数字半调算法，或设备使用一段时间 后由于机械和元器件原因需重新校f ) 时，也需重新测试设备的彩色特性，并将新 的特性描述提供给操作系统。 彩色校j 下技术是色彩管理系统非常重要的工作之一，其主要任务是补偿外设 非线性产生的偏差。用于打印机的彩色校f 技术必须有非常好的非线性特征逼近 能力。目前彩色校诈的方法可以分为多重递归、三维查找表( 加三维插值) 、神经 网络和模糊逻辑等。三维查找表作为一有效的彩色校币技术已被广泛应用于色彩 转换过程i 。影响三维查找表校正精度和速度的因素主要有：打印样本集生成方 法，三维插值技术。传统的三维查找表技术主要存在以下不足： 1 )打印样本集的生成方法削弱了打印机的色彩再现能力，降低了三维插 血门j = 三巴j 1e 的3 d c u t 忧f 匕十上求 值的精度和速度。 2 ) 没有分析三维查找表级数对三维插值精度和速度的影响。 针对上述问题，本文拟从以下三个方面优化三维查找表技术。 1 ) 分析三维查找表级数选择对彩色校正精度的影响，在此基础上给出最佳级 数以提高校正精度。 2 ) 在分析传统样本集生成方法的基础上，提出改进方法以增大打印机色域、 提高打印机色彩再现能力；综合使用n e u g e b a u e r 方程和三维查找表生成 打印样本集，以解决建立三维查找表过程中反向均匀化带来的问题，有效 地描述打印机的彩色特性，并减少测试工作量。 3 ) 针对改进的样本集生成方法的特点，相应地改进三维查找表技术，以便有 效利用样本分布特点提高校正精度。 1 2 论文工作的目的、意义 本文任务柬源于国防科技预研基金项目“硬拷贝色彩管理和控制技术”，硬拷 贝相关的色彩管理模型、算法和国际标准是上述项目的主要研究内容之一。本文 的研究还将为国防科技预研项目“加固型高性能绘图机”中彩色喷墨绘图机的研 究提供技术支持。主要任务是在全面研究与设备无关彩色管理理论的基础上，探 索符合标准要求的高效校正途径，设计相应算法，并予以实现。所开发的软件模 块将作为色彩管理系统的一个重要组成部分。 1 _ 3 以下各章节安排 第二章：给出算法设计和实现所涉及的色度学理论基础。 在介绍表色系统基本概念的基础上，分类介绍了c i e 表色系统中不同色 度系统的定义以及不同输出设备的成色原理。 第三章：总结彩色校f 中的现有彩色分色技术和校正算法。 首先介绍了传统印刷领域中常用的几种彩色分色技术，并且将其与彩色 管理系统中分色方法作了简要对比，然后介绍目前用于彩色校正的四种 方法，并且分析了不同校f 方法的校萨性能。 第四章：三维插值误差仿真分析。 介绍三维查找表中的三维插值技术，并通过仿真分析比较了立方体插值 和四面体插值的差别，给出了应用两种插值技术进行色彩转换的误差分 布情况。 第一芾绪论 第血章：打印样本集的优化方法。 针对传统打印样本集生成方法的局限性，提出改进的样本集生成方法， 并且给出了打印机色域对比图。 第六章：三维查找表中反向均匀化技术分析。 为达到快速查找、插值的目的，在三维查找表中使用了反向均匀化技术， 使用浚技术可以有效避免在插值过程中复杂的边界处理，使插值过程简 单、高效。 第七章：基于不同样本集生成方法的三维查找表的具体实现。 本章应用第五章生成的样本集建立三维查找表，并用该查找表完成色彩 转化。首先介绍利用改进的g c r 方法生成的打印样本集建立三维查找 表的算法，然后介绍结合n e u g e b a u e r 方程和三维查找表技术完成彩色校 正的算法实现，并且在附录b 中给出了校f 效果图。 “n 向影也 l 目j 的3 d l u t 忧化投术 第二章理论和实验基础 色度学是介于物理学和化学之间的研究颜色度量和评价方法的一门学科，是 颜色科学的一个重要部分。本文所做的工作是建立在色度学基础上的，本章将 介绍算法设计与实现中所涉及的概念、理论。 2 1 表色系统 定量的表示颜色称为表色，表示颜色的数值称为表色值。为了表色而采用的 一系列规定和定义所形成的体系称为表色系统惮j 。表色系统中有显色系统和混色 系统。显色系统是以标准物体( 例如色卡) 的色外观为基础。混色系统是以采用 光的混色实验求出的为与某一颜色相匹配所必要的色光的混合量为基础。 显色系统中色的外观是基于心理的印象，是主观的感觉，称为色感知，把作 为对象的色称为感知色。在感知色中因对象不同又分为物体色、光源色、孔径色 等。在显色系统中，有用1 0 0 0 种不同色的色卡以某种顺序进行分类的方法，表示 色卡特征的色调、明度和彩度被称为色的三属性或三要素。在这种表色系统中， 采用色卡的孟塞尔表色系统最具有代表性。 在混色系统中，把从感知色中去除物体特有的感觉因素后得到的颜色作为对 象，这对感觉来说是最单纯的，并称之为色感觉。光进入人眼并产生色感觉，把 这样的光称为色刺激。任意的色刺激都可以用等于眼睛三种锥状体( 用于感知颜 色) 的响应量的三种色光的混色与其匹配。因此可以不直接采用三种锥状体的响 应量而由这三种色光的混合量表示浚色刺激。混色系统就是基于色刺激的这一性 质，用三个值表示色刺激，因此称为三色表色系统。称三种色光的混合量为该色 刺激的三刺激值。把色刺激的光谱分布称作色刺激函数。三刺激值是由色刺激函 数这种物理量和人眼的心理上的光谱响应组合而求出的，因此是一种心理物理量。 我们把表示色刺激特性的三刺激值数值称为色度值，把用色度值表示的色刺激称 为心理物理色。因此作为混色系统的表色值可用色度值。 简单地说，显色系统是基于物体标准，以采用显色值表示的具体的感知色为 对象；混色系统是以采用- - * u 激值等色度值表示的抽象心理物理色为对象。 2 1 1 孟塞尔显色系统 盂塞尔表色系统是最具有代表性的采用色卡的显色系统。该系统是由美国画 家孟塞尔于1 9 0 5 年提出、1 9 3 0 年由美国光学协会( o s a ) 色度委员会将其进行 尺度修_ f 后形成的表色系统。色卡用圆筒坐标进行配置，纵轴表示明度v ，圆周 方向表示色调h ，半径方向表示彩度c 。称白、灰、黑这些无色调的色为非彩色， 第二章媸论和实验县础 称有色调的色为彩色。在中心轴上非彩色自下而上表示从v = o ( 理想黑色) 到 v = 1 0 ( 理想白色) 的顺序排列。设非彩色的彩度c = 0 ，则彩度用到中心轴的距离 束表示。这样色# 在空间进行配置形成的立体称为色立体。孟塞尔表色系统为了 标识颜色，把明度、彩度和色调分别均分成1 0 、1 0 和1 0 0 份，要求得某试样的盂 塞尔标号，只要找出和待测颜色一致的色卡即可。当色卡色和待测色不一致时， 可在已有的色卡之削用视觉估计进行插补可达小数点后1 位。 盂塞尔表色系统有很多不便之处。如色卡数目有限，待测色和盂塞尔色卡有 时很不一致，这时的插补使得表色值精度很低。而且判定色彩依靠视觉估计很不 精确，不同的观测者可能得到不同的结论。 2 1 2 混色系统 将红【r 】、绿【g 、蓝 b i 光以适当比例混合可合成任意的色光，这已为实验所 证实。这罩 表示色刺激符号。调节这些色刺激 r 、 g 、 b 】的强度进行混合使 与某待测光色一致，这种过程称为色匹配。如色光【f l 】和【f 2 相匹配，则可以写成 f 1 - 【f 2 】，其中“= ”表示颜色相匹配。 g r s s m a n n 综合了许多色匹配实验得到如下简单法则： ( 1 ) 比例法则 将相匹配的两色光的强度扩大或缩小一定倍数，则两色光仍然匹配，即下式 成立： 如 f l l = f 2 】则a f 1 】_ a f 2 式( 2 1 ) ( 2 ) 加法法则 帽匹配的两色光各自与另外两相匹配的色光分别相加后得到的两色光仍然匹 配，即下式成立： 如 f 1 】_ f 2 】且 f 3 = f 4 贝0 【f 1 + f 3 i = f 2 + 【f 4 】式( 2 2 ) 一般而占，如待测光 f 】与r 、g 、b 数量的【r 】、【g 】、【b 】光的混合光相匹配 则有如下匹配方程： f 】= r r + g g + b b 式( 2 - 3 ) 其中对色度值和强度关系作出规定的 r 】、 g 、 b 】称为原刺激，把原刺激的混合 量r 、g 、b 称为三刺激值。 现取具有一定辐射功率、波长为九的单色光色刺激，用原刺激【r 】、【g 】、【b 】 混合匹配色刺激i f 、】时，设求得其混合量分别为r 、，g - ，b - 则匹配方程为： 【f 一 rx 【r 】+ gx g 】+ b t b 】式( 2 4 ) 将混合量r g 、b 、称为色匹配系数。作为波长的函数求出的色匹配系数r 、( ) 、 g 、( x ) 、bx ( ) 称为色匹配函数。 由此可以导出某光谱分布为p ( ) 的光对原刺激 r 、 g 、 b 的三刺激值分 别为：其中积分( f ) 取可见光波长范围。 r = j p ( 五) r ( 2 ) t “ g = i p ( 2 ) g ( 五) ( 姐式( 2 5 ) b = i p ( 五) 6 ( 一) c m 如此得到的三刺激值r 、g 、b 可以唯一确定具有任意光谱分郝的光的颜色。 2 2 c i e 表色系统 c i e 表色系统是基于混色系统的表色系统，虽然不如孟塞尔表色系统直观、 易于理解，但是具有精度高，对于任意的实际上不存在地色刺激也能表色等特点， 因此这种表色系统常用于工业及要求定量的应用场合。 2 2 1r g b 表色系统 国际照明委员会( c i e ) 于】9 3 1 年根据如下的基准确定了色匹配函数： 原刺激：r j ， g ， b 定为 。- 7 0 0 0 n m ， 。：5 4 6 1 n m ， 。= 4 3 5 8 n m 单色光。 原刺激 r ， g ：，【b 的明度系数之比用光度量单位表示定为i 0 0 0 0 ：4 5 9 0 7 ：0 0 6 0 1 ，用辐射量单位表示定为7 2 0 9 6 6 ：l _ 3 7 9 1 ：1 0 0 0 0 。图2 1 即匹配函数r ( ) ，g 。( ) ，b ( ) 。 如前所述，色匹配函数是与某单色光相匹配所需要的原刺激 r 、 g 、 b 的混合量。由图2 1 可以看出在色匹配函数中负的部分表示负混合量，这令人难 以理解。实际上，这表示对某单色光刺激 f 。 用 r 、 g 、 1 3 进行匹配时，由于 该单色光十分鲜艳，用三刺激无论怎样混合都不能匹配。为此在实验中，可在 f 、 中加入 r ：使其鲜艳程度下降，这时再用：g 、 b 混合就能与之匹配。这时的色 匹配方程为： f 、 + r r = g g + b i b 式( 2 - 6 ) 将上式变形，在形式上可写成： f 、 = 一r r + g g + b b 式( 2 7 ) 在色匹配方程中如将 r ，：g ：， b 看成单位向量，就形成了三维空| 、日j 的向量运算。 把用色几何学表示的三维空间称为颜色空间。 第一章耻论和实验皋础 ：燃 “f 、”以嚣t 0 v ll 倒2 】r g b 色度系统的色匹配函数图2 2 二维颜色空间和二维舰色空间 如图2 1 所示，某色 f 可用 r ：， g ，! b ：的混合量r ，g ，b 为分量作成r g b 空削的向量来表示。总是以图2 2 那样用三维坐标表示色 f 是不方便的，常用向 量：f ：和单位平面r + g + b = l 的交点( r ，g ，b ) 束表示。r ，g ，b 由下式求出： r = r ( r + g + b ) g = g ( r - g + b ) 式( 2 8 ) b = b ( r + g + b ) 由上式可知r + g + b = l ，因此用( r g ，b ) 中的两个，例如( r ，g ) 就足够了。这样确定的 ( r ，g ) 称为色 f 的色度坐标，将色度坐标表示在平面上的图形称为色度图，将色 f 的色度坐标在色度图上的点称为色度点。由以上一系列的规定进行表色的体系 称为r o b 色度系统。 图2 3 表示r g b 色度系统的r g 色度图和等能白色的色度点w 。( 1 3 ，1 3 ) 。 实际存在的颜色( 实在色) 的色度点都在马蹄形色度图的内部，在其外部的色在 数学上是可能的，但在实际上是不存在的，将它们称为虚色。 j 兰 蕊i2 慕? 幽2 3r g b 色度系统的曙色度图 叫m 彩包印的3 d l u t 优化技求 2 2 2x y z 表色系统 在r g b 色度系统中色匹配函数存在负值，这使得运算烦杂，因此c i e 于1 9 3 1 年制定r g b 色度系统的同时，为了使色匹配函数均为证值又定了新的原刺激【x 1 y ，【z ，得到x y z 色度系统，又称为c i e l 9 3 1 标准色度系统。图2 4 和图2 5 分别为r g b 色度系统与x y z 色度系统的位置关系和x y z 色匹配函数。 色刺激由( x ) 的三刺激值x ，y ，z 可出下式求出： r m x 1 图2 4r o b 色度系统嗣lx y z 色度系统的位置关系 图2 5x y z 色度系统的色匹配函数 工= kf 巾( 丑) z ( ) 棚 y = k j m ( 五) y ( 卫) 幽 式( 2 9 ) z = 豇卜( 卫) z ( 2 ) d a p 对于物体色的色刺激，反射物体为中( ) = r ( ) p ( ) ，透射物体为 中( ) = t ( x ) p ( x ) 。其中，p ( ) 为照明光的光谱分柿；r ( ) 为反射物体 的光谱反射率：t ( x ) 为透射物体的光谱透过率。k 为常数： 趾 o y ( a ) 以 式( 2 _ 10 ) r g b 色度系统和x y z 色度系统可用如下关系式进行相互变换。出三刺激值 r ，g ，b 向三刺激值x ，y ，z 的变换式为： 第一章脞论和实验拈础 9 i li2 7 6 8 91 7 5 i71 1 3 0 捌lr l i yl = 11 0 0 0 04 5 9 0 70 0 6 0 1 1 lg l ；z11 0 0 0 0 00 0 5 6 55 5 9 4 j 1b 1 式( 2 - 1 i ) l r ll0 4 1 8 4 4 一旺1 5 8 6 6 0 0 8 2 8 3 | l l i g l = l o 0 9 1 1 70 2 5 2 4 2 20 0 1 5 7 0 | | yl 式( 2 12 ) iblln 0 0 0 9 2 - 0 0 0 2 5 50 1 7 8 5 8 | | zl 2 2 _ 3 均匀表色系统 f ( x ) = x 1 培x 0 0 0 8 8 5 6 血向彩也引曰j 的3 d l ur 优化技术 其中 ( 2 ) 明度 ( 3 ) 彩度 【= 【+ 一l + ：a + = a + 一a ：ab - b b ， ( 4 ) 色调角 l + = 11 6f ( y y n ) 一1 6 c 。= ( a + ) ! + ( b 1 ) ： h 。- tg 。( b + a + ) 2 3 输出设备成色原理 输出设备的成色都是属于混色，所谓混色就是把多个色刺激相互作用产生出 另一色刺激。混色包括加色法混色和减色法混色，c r t 监视器的成色属于加色法 混色，而彩色喷墨、激光打印机的成色属于减色法混色。 2 - 3 1 加色法混色 加色法混色是多个色刺激同时射入人眼所产生的混色。用这种混色得到的色 刺激的明亮度是各个成分之和，因此称为加色法混色。将用于加色法混色的不同 的色刺激称为加色法混色的原色，通常采用【r ，【g 】， b 三原色。混色用的原色 在不同的应用领域有不同的标准，称为设备混色的基。如图2 6 在色度图上三角 形a r g b 内的点都能够通过三原色混合得到，我们将三角形内的色区域称为色 域。 2 3 2 减色法混色 利用滤色片或色素等光吸收介质产生其他色的方法称为减色法混色，用这种 混色得到的色刺激的明度因各成分造成的光吸收而变小，因此称为减色法混色。 另外将用于减色法混色的不同的吸收介质称为减色法混色的原色，一般采用青色 c 】、品红色【m 】、黄色【y 】色素，分别与【r 】、【g 、【b 】构成互补色。图2 7 虚线包 围区域n c ，【m 】，【y 】的减色法混色的色域。 理论上c m y 色彩空间与r g b 色彩空间是互补的。混合同等数量的青、品、 黄应该产生中性扶，而混合最大数量的青、品、黄应浚产生黑色( 黑色在r g b 色彩空间为白色的补色) 。在显示器上可以达到这种效果，但是在打印设备上，现 实将低于理想敛果。混合最大量的c m y 油墨产生的不是黑色而是浑浊的棕色。 产生这种现象的原因是商用品质的颜料及油墨不是很纯净。通常，青色油墨有一 些偏蓝，而品色和黄色油墨通常有些偏红。由于这些不稳定因素，当r g b 灰色 在印刷中转为c m y 时略带红色和紫色0 1 。 6 7 8 一 但 妲 坦 式 式 式 第_ 二带- n 论和实验_ l i i ；6 山 这种现象可以用黑色来补救。黑色( k ) 是个关键色颜色，打印时将黑色 与占、品、黄色共同使用，从而能够产生出更深、更丰富的黑色，而且产，出更 清晰的阴影色调。当然，增加第四种颜色破坏了r g b 到c m y 的平等转换，使得 r g b 和c m y 之l 日j 的色彩对应变得更加复杂。 c m y k 油墨中每种所具有的数值范围可以从百分之零到百分之百。如果没有 任何限制地将4 0 0 的油墨总量分配到一幅图象的某个区域，打印可能无法实现。 原因是在打印过程中纸张与油墨是相互作用的，每次用于纸上的油墨越多，不同 区域相互之i b j 的颜色扩散和脏糊现象就越严重。所以替换多少黑色有十分严格的 要求，针对不同的要求有不同的分色算法。 幽2 6 r ，【g 】， b 的加色法混色 剧2 7 c 】，【m ，f y 】的减色法混色 第三章彩色校正相关技术综述 彩色校正涉及打印样本集生成方法、分色算法、以及校正算法等多项技术。 打印样本集选择的优劣直接影响打印机的色域以及彩色校l f 的精度和速度，第 章将专f 讨论其生成方法，本章主要介绍另外两项关键技术。分色算法对打印样 本集生成方法有一定影响，本章在介绍传统印刷领域常用的分色算法的基础上， 简要介绍了彩色管理系统中分色算法的特点。在彩色管理系统中，校萨算法一般 与色彩转换结合在一起，本章简单介绍了目前彩色管理系统中经常采用的几种校 证算法。 3 1 彩色分色技术 3 1 1 彩色分色的重要性 分色是指将原始图象的每一象素的r g b 成份以数字形式转换成3 个( c m y ) 、 4 个( c m y k ) 或n 个成份( c m y k + 橙色+ 绿色+ 斑点颜色) ，这些成份通常被表示 为染料的百分比。对于4 色或更多成份的打印过程，分色要求一个黑色生成过程， 这一过程是减少打印表面的平均墨量而不牺牲色彩再现质量的关键因素。 印刷领域工作人员在进行彩色图象输出时，一般是以c m y k 方式输出全彩色 图象，以灰度格式输出黑白图象，以专色输出单色图象【“i 。我们现实生活中经常 用到的数字图象，一般并非总是表示成最终输出时所需要的彩色格式。例如： 1 ) 数字相机、扫描仪以及p h o t oc d 工作站都是以r g b 方式数字化彩色图 象，而不是以c m y k 方式。 2 ) 在用扫描仪得到彩色图象或p h o t oc d 图象时，由于某种原因最终又不得 不以黑白方式柬印刷图象。 因此，彩色格式间的频繁转换成了图象编辑工作中不可缺少的一部分，这种 印刷f i i j - 的彩色格式转换实际上就是彩色分色过程。转换工作虽然不如其它工作富 有创造性，却是一件非常值得做的事情，因为一幅图象从一种颜色格式到另一种 颜色格式的转换方法很大程度上决定了最终图象的输出质量。如果以草率的忿度 对待这个处理过程，印刷出来的图象可能会损失宝贵的对比度和细节，或是造成 色彩不平衡。 在实际中，人们经常遇到的颜色格式转换主要有以下三种： 1 ) 从r g b 到c m y k 方式的转换( 彩色分色) 。 2 ) 从彩色到狄度的转换。 3 ) 从彩色或黑白到专色或双色的转换。 本章重点针对彩色分色技术的一些关键因素和分色基本原理进行概述。 第二三章彩也筱正午f 关 盘术综述 3 1 2 影响彩色分色的关键因素 在进行彩色分色时，影响彩色分色的因素很多，但是围绕彩色分色技术科! 学 的大部分内容只集中在几个关键因素上。它们主要包括以下几个方面。 1 ) 油墨总量的限制 在实际印刷中，c m y k 油墨中每种油墨所具有的数值范围可以从百分之零到 百分之百，将指定象素的每种c m y k 值相加即可得知用于纸张上该象素点的油墨 总百分比。例如一个象素点的色彩值为6 7 c 5 4 m 5 3 y 7 2 k ，它表示油墨总量为 6 7 十5 4 十5 3 + 7 2 = 2 4 6 ，即2 4 6 。 从理想的角度来讲，可以将4 0 0 的油墨总量( 或者称每种彩色分量为1 0 0 ) 分配到一幅图象的指定区域，但实际上通常无法实现，原因是在印刷输出过程中 纸张和油墨是相互作用的。四色印刷需要将油墨分四次印刷到同一张纸上，大多 数商业用油墨是湿的，因而每次用于纸张上的油墨越多，不同区域之间e t 的颜色扩 散现象就会越严重；所以所用油墨越湿，网点扩大也就越严重，因而得到的图象 较暗处的细节将融为无层次差别的黑色。因此，要保持一幅彩色图象的阴暗处细 节就必须限制印在纸上的总的油墨百分比，术语称为总墨量限制。对于不同的印 刷项目，它的总墨量限制由印刷种类、印刷速度及纸张特性确定。 2 ) 合理地使用黑色分量 r g b 和c m y 色彩空间至少从理论上讲是互补的。也即混合同等数量的青、 品、黄应该产生中性获，而混合最大量的青、品、黄应该产生出黑色( 黑色在r o b 空间为白色的补色) 。在显示器上可以通过混合红、绿、蓝三原色来实现这种效果； 但在打印输出中，现实达不到理想效果，混合最大量的c m y 油墨产生的不是黑 色而是混浊的棕色。产生这种现象的原因是：商用品质的颜料及油墨并不是很纯 净，通常青色油墨有些偏蓝，而品色和黄色油墨有些偏红。因而一幅彩色图象在 从显示器到打印机输出中很难再现出生动的蓝色和绿色。同时随着总墨量限制的 降低( 即印在纸上的总的油墨百分比降低) ，在分色时黑色相对于其它颜色所占比 例则有所提高，使得图象更难以获取明亮的颜色i 。所以在进行r g b 到c m y k 的转换时要精确地管理黑色这样有助于在阴影及对比度发生变化的区域描述细 节。增强细节、增大对比度都可以增强图象的色彩饱和度，因此这样做能够迷惑 眼睛，使看到的色彩好象比实际的色彩更明亮。 只使用c m y 三色油墨进行彩色图象分色会使输出图象缺乏对比度，并出现 模糊不清的现象，特别是在色调变化区域和阴暗区域更是如此。当分色使用第四 种颜色即黑色时，相同的图象会显得更清晰，并且颜色更生动，这是因为黑色增 强了图象外观轮廓。 然而只增加黑色并不能保证产生完美的色彩效果，必须确定在何处加和加多 血向秉三也 j 印的3 d 【j u r 优化拙求 少黑色，以及如何在黑色和其它色油墨问建立最佳油墨分析i 平衡。图象内容及输 出参数可以帮助决定需要多少黑色量，下面是一些常用的方法i ： ( 1 ) 在低调图象和全部细节都很亮的高调图象上，分别引入少量黑色，即以 c m y 方式分色。 ( 2 ) 对于主要对象是由中性灰色或金属色组成的图象，可以引入中等或是更 加浓重的黑色分量，因为当中性灰( 特别是较浅的中性狄) 是集中的注意力 的中心时，避免偏色是晟重要的事情。增加图象中黑色分量，有助于确保颜 色组成中具有较多的中性狄的内容。 3 1 3 现有彩色分色技术及其优缺点 随着人们对彩色的应用，特别是近年柬计算机外设性能的不断提高，人们对 彩色输出的保真效果要求也在提高。在实际的摸索中，形成了以下三种彩色分色 算法，它们广泛应用于彩色印刷领域。下面就其分色原理和各分色算法优缺点加 以说明。 1 灰色分量替代法( g c r ) 缩略语g c r ( g r a yc o m p o n e n tr e p l a c e m e n t ) 具有两个含义。一个是在c m y 颜色中的两种颜色混合起主导作用，决定了颜色的色调，而第三种颜色称为灰色 成分或多余色，它起到填充为黑色的作用。如果第三种颜色添加过多，就会使图 象变暗并破坏色调。例如，红色主要包含品色和黄色，如果添加一定量的青色， 红色就会变脏在此红色是注意色，青色是灰色成分颜色。“灰色成分”也可以指 在一个颜色中大致等量的青、品、黄三色，这三种颜色组成中性灰，使用黑色成 分可以很稳妥地替换掉某个颜色中的非彩色或灰色成分。灰色分量替代法可用公 式3 1 来描述： k 2 m i n ( c ，m ，y ) c = c k m = m k y = y - k 式( 3 1 ) 其中m i n ( ) 表示求各分量最小值。 在进行g c r 分色时，用适当的黑色分量替换掉多余的颜色( 或称为中性狄 成分) 可以降低油墨总覆盖量，从而相对放松了输出时的总墨量限制。从公式3 1 可以看出，如果分色输出时总墨量限制一定，并且黑色墨量相当于青、品、黄三 种油墨的总量，那么黑色将使整个颜色变暗三倍。 单独使用g c r 分色对于减小偏色很有利，特别是对于肤色、新鲜的农产品、 金属或天空的颜色，它能使原图保持较丰富、生动的色彩。但是在暗调区域图象 缺乏细节，黑色显得较为单调，不适合暗颜色组成的低调图象分色。 第三帚彩乜校f 相差拙求综述 2 底色增益( u n d e rc o l o r a d d i t i o n ) g c r 是目前在彩色分色中常用的主要方法，但由于存在以上缺陷，为了保持 g c r 分色时暗调区域的彩色饱和度和深度，人们建立了底色增益技术。浚技术是 在较暗的颜色区域中去除一些黑色成分，同时又在相应区域引入青、品、黄三原 色。其具体实现可用公式3 2 描述如下： k = m i n ( c ，m ，y 1 c = c r k m = m r k y = y - r k式( 3 2 ) 其中0 r 1 ，0 x 1 。当r = 0 ， = l 时是1 0 0 的底色增益。 对于一般以低调为主的图象，它们的中问调接近于阴影区域，但是中间调色 彩又十分丰富生动，这类图象适合于使用u c a ，对于用涂布纸印刷的文件也适合 于使用u c a ，它使图象暗调区不会产生重偏色。同时由于u c a 在阴影处增加的 彩色油墨多于减少的黑色油墨，所以u c a 只有当允许的总墨量限制相对较高或 在不吸水的纸上输出时才能安全使用。 3 底色去除( u n d e r c o l o r r e m o v a l ) g c r 是用黑色分量替换任何色调范围内的c m y 中性灰，而u c r 技术只是替 换在暗调区域中的黑色成分。底色去除法具体实现可用公式3 - 2 描述，其中，0 l ，0 r l ，当r = l ， = l 时为1 0 0 u c r 。 u c r 是建立很久的一项技术，它用于在阴影区域内降低输出时的油墨总覆盖 量，同时又增强了细节。缺点是暗调单调且缺乏对比度，因而以中性灰为主的暗 调图象无法得到最佳效果。 4 以上分色方法主要用于传统印刷领域，分别适用于具有特定特征的图象的 分色输出，而在彩色管理系统中分色算法主要用于生成打印样本，在校j 下过程中 使用打印样本柬建立对打印机彩色特性的真实描述，并完成从c i e l a b 空间到 c m y k 空间的色彩转换，实现与设备无关的彩色管理。 3 2 彩色校正算法介绍 彩色校丁f 的主要任务是补偿外设非线性产生的偏差。在与设备无关的彩色管 理系统中往往将校正和颜色转换结合起来，主要工作是由c m m ( 颜色转换模块) 和设备描述文件相互配合完成的。 彩色校正的方法很多，可以划分为多重递归、三维插值、神经网络和模糊逻 辑等。 ( 一) 多重递归 血向彩也打印的3 d l 0r 眦化扯术 多重递0 1 假设颜笆空间之间的映射关系可以用一个多项式束逼近。如假设自+ 三个输入，则输出可以表示为： j93 6 p ，( v ) = 盯加+ 盯。v ，+ o j v r v 、+ 盯。v ，1 1 、q ，s ，t = 1 , 2 o r 3 = 1，= 4j = i o 式( 3 3 ) 其中6 。为待定系数。选择有代表性的源空问颜色，用实验的方法得到其在 目的空间的表示，根据此映射关系即可用多重递归的方法确定多项式系数。根据 此多项式进行校正的过程即是利用此多项式进行颜色空间转换的过程( 如图3 1 ) 。 选择源审m f 仵目的卒h j 1 测褂目的 输入数据广 l 示或输m卒h j 描述 。 l i 递归计算 r u _ r 一j _ _ 悭鳖h 塑卜堡 幽31 多重递9 法确定多项式及教正过程 多重递归方法有几个优点：( 1 ) 颜色空间转换的逆向转换很简单，在求多项 式系数时交换输入输出位置即可；( 2 ) 采样点不用在颜色空间均匀取样。但是多 重递归的校j 下精度决定于源空间和目的空间的映射关系、取样点的数目和采样位 置，还与多项式的选择有很大关系。多重递归适于线性转换，如果两空间的映射 关系是非线性的那么不能保证在整个空间内有相同的转换精度。 ( 二) 三维插值 三维插值方法首先建立一个三维查找表，用等间距的网格点划分源空阃，求 出网格点对应的目的空间的颜色值。对于源空间非网格点数据，需要利用和它最 邻近网格点对应的目的空间值插值求取。 根据插值策略的不同又可以把三维插值划分为三次线性插值、三棱柱插值和 四面体插值。这也是根据切割立方体的不同方式来划分的，分别利用了周围的八 个、六个和四个网格点来插值( 如图3 2 ) 。三维插值最少要用四个顶点，少于四 个就不能形成一个三维立体，就不是三维插值。 旃= 章私包校诈拥关投术综述 幽3 2 不同策略的二维插值方法 3 三棱柱( 2 ) 和四面体( 3 ) 插值涉及的网格点较少，插值计算复杂度比三次 线性( 1 ) 小，而精度上三种方式比较接近。四面体是最小不可再分三维立体，其 运算复杂度最小3 】，又因为插值精度也能够满足要求，所以四面体插值算法是当 前应用最为广泛的一种三维插值方法。 三维插值虽然占用一些空间，但是提高了速度和转换精度。特别是对于非线 性映射，如果在均匀颜色空间均匀取样，能够保证在整个颜色空间的转换精度没 有较大差别。三维插值的方法是当今流行的彩色校正方法，现在的设备描述文件 标准就是基于三维插值，所以本文的重点也是这一种方法。 ( 三) 神经网络 神经网络方法的灵感来源于人的大脑和神经系统的功能。如果把彩色校正看 成一个非线性控制系统，就可以用神经网络来模拟该系统。经过反复实验和不断 探索确定的神经网络系统能够满足这种需求。 如图3 3 是一个三输入三输出的三层网络系统。图中每一圆圈代表一个神经 原，矢量箭头代表神经键，其附加权值为w ”i 为接收输入的神经原编号，j 为 输出神经原编号。那么s 的输出为： s r = ，( ” 船4 ) 求和范围为所有输出到s ，的神经原。f 为非线性函数。 为了训练此网络，需要收集一些训练数据( x k ，y k ) ，这就意味着当输入是x k 时，网络的输出应当是y k 。如果网络的输出是z k ，那么误差为： e = ”计 式( 3 - 5 ) 其求和范围是所有训练数据。这时就能够根据误差确定权值的调整方向和力 度： a w 。= g ( ，w 。)式( 3 6 ) 面向彩包 j 即的3 d - l u l 优化技术 s 8 一 、； f s s j一 、 一 ：s 2 、 一 。 一 7 、_ s l l 。、 一 ：，os 一7 一一_ 鼍。 叵二圈三习 幽3 3 二层前馈网络 神经网络方法的精度决定于网络的构造、训练方法和训练数据。由于神经网络理 论至今仍然是指导性的，无法对每一种应用给出精确的构造和训练方法，所以无 法统一判断一种网络的精度。但是可以肯定的说，神经网络方法j 下在走向实用， 目前也已经有成型的产品出现。例如g m a r c ua n d k 1 w a t e 的三输入四输出三隐层 ( 1 2 ，1 2 ，1 2 ) 网络，已经得到较高的校正精度。 与其他几种校j 下方法相比，神经网络节省了宝贵的内存空间，如果在硬件环 境下使用，速度也不成问题。如果网络结构和训练方法合理高效，校j 下精度也能 够满足应用要求。应用神经网络完成彩色校f 的缺点是训练时间较长，往往不能 用分钟或小时来计算，糟糕的情况下甚至需要几天的时i b f ”j 。 ( 四) 模糊逻辑 传统的计算和推理工具都是十分精确和肯定的，绝没有模棱两可的。然而现 实世界中，绝对肯定的事物是不存在的。模糊逻辑就是通过近似和模仿人类作出 决定的过程来处理现实的情况。这一功能是通过成员函数实现的，在成员函数中 定义了一级基于模糊语言。术语的成员。模糊逻辑通过一系列模糊成员在i f t h e n 结构下的比较柬获取和描述知识。象神经网络一样，模糊逻辑所显示出来的很多 适用性是其他传统的方法所不具备的。 前人的实践和经验表明，在校正精度上三维插值的精度比多重递归要好，三 维插值精度也随着网格点数目的增加而提高。另外三维插值将整个色域分成很多 单独的单元，这使得独立调整一些范围内的颜色成为可能。神经网络和模糊逻辑 都是新兴的研究领域，其在彩色校工f 中的应用有待于进一步研究。 第川节三维捅值议兰的仿真讣析 第四章三维插值误差的仿真分析 4 1 三维插值算法设计与实现 三维插值是指将源空间划分成多个三维形体，对落在三维形体内部的点用三 维形体顶点的输出进行插值运算并得到其映射输出的过程。三维插值只需测量少 量项点的映射关系，花费少量存储空问，就能够快速对源空| 1 日j 所有点进行映射。 三维插值过程包括三个部分：分区、提取和插值。分区是指将原色域以一定 方式划分并使用样本点构造查找表的过程，这样原