数字影像输出设备色彩性能分析.doc

数字影像输出设备色彩性能分析徐艳芳，刘浩学（北京印刷学院 印刷与包装工程学院，北京 102600）摘 要：为了充分认识数字影像输出设备的色彩表现能力，对色域的确定和分析方法进行了探讨。采用的方法是，在CIELAB色空间中确定色域边界，并求解色域体积、分体积，以及白点、黑点和6个主色调最大彩度色的色度值，同时给出CIELAB L*a*b*三维和CIEXYZ_ xy、CIELAB_a*b*二维色域边界图。在3种类型5个设备上进行了应用，得到的指标特性符合其实用特性。实验结果表明，色域体积和分体积能够反映设备输出颜色范围的总体大小和不同色调区域的大小，白点、黑点和主要色调的色度值可反映白色、黑色和饱和色的表现力度，三维、二维色域边界图则直观地显示了不同设备色域的差异。关键词：色域；色域边界；色域体积；色彩特性 中图分类号：TS801.3；TS853+.5 文献标识码：A文章编号：1004-8626-（2006）01-0001-04Analysis of color characteristics of digital imaging output devicesXU Yan-fang，LIU Hao-xue（School of Printing & Packing Engineering, Beijing Institute of Graphic Communication,Beijing 102600, China）Abstract: In order to understand the color representation of digital imaging devices, a method for determining and analyzing devices color gamut was discussed. Color gamut boundaries were determined in the CIELAB color space. Gamut volume, segment gamut volumes, and the colorimetric values of white, black and six extreme colors were calculated. Meanwhile figures of 3D L*a*b* and 2D xy, 2D a*b* gamut boundaries were showed. Based on the proposed method, the color properties for five devices of three types were obtained, and the resulting index were true of their applied characteristics. The experiment showed that gamut volume and segment gamut volumes could present the color production abilities in all and different hue areas, the colorimetric values of white, black and six extreme colors might show the degrees in producing these colors, and 3D and 2D gamut boundary figures might directly display the differences of different gamuts.Key words: color gamut；color gamut boundaries；color gamut volume；color characteristics 在硬拷贝数字影像输出设备中，有以染料或颜料为呈色剂的喷墨打印、热升华打印机，也有以墨粉为呈色剂的彩色激光打印机，还有以传统彩色相纸染料呈色的冲扩设备系统等，而在各自的设备系统中，输出基质材料又有诸如普通纸、光泽纸、高光纸等多种可选。由于在输出材料上最终形成的色彩为设备的光电性能、色料的色度性能以及基材的吸附性能等共同形成，所以不同的设备系统组合（以下简称设备）会形成不同的色彩表现能力。色彩表现能力即设备可实现的色彩范围称为色域，是色彩再现的基础。如何设定设备的光电性能、如何组合色料和输出基材以提高色彩表现能力，是设备、材料开发以及使用过程中无法回避的问题。建立一种具有广泛设备适应能力的分析方法，具有十分重要的意义和实用价值。国内外已有相关研究1,2报导，应用到此项目中各有其特点和不足。本文给出了一种经验性的色域确定和色彩性能分析方法，具有较强的分析能力和广泛的适应性。1 色彩性能指标及求取 设备色域通常由CIE色度空间中的有界体积表征，该色域的色彩性能即为该设备的色彩性能，为此，首先需要确定出有规律变化的色域边界描述量。1.1 色域边界CIELAB色空间为色彩工作流程中常用的一个视觉均匀色空间，色域性能分析选择在此色空间中进行。已有一些色域边界的确定方法3,4，采用的方法和实现的精度各不相同。本实验采用自主开发方法，主要技术如下：1） 建立色域边界采样和CIELAB L*a*b*坐标色域边界三角形网格描述值 影像设备控制值RGB的取值范围称为设备色空间。对大多数设备系统而言，设备色空间的边界对应着CIE色度色空间中的一个区域边界5。因此，色域边界采样即在RGB立方体边界面上均匀取值，打印输出并测试各色样的CIELAB L*a*b*值，得到CIE色度色域边界，并组合为三角形网格排序。2） 建立色域边界点的rshab坐标，并以一定的s、hab步长建立色域边界描述值选取CIELAB色空间明度轴上的中点(L*=50，a*=b*=0)为一固定点x0，各色点的L*a*b*值对应一组rshab值。其中r为色点到x0点的距离，s为色点到x0点连线与L* 轴正方向间的夹角，hab为色调角。采用该方法可对任意rshab求解对应色域边界点的r值，从而界定色域边界。为了较准确地求解色彩性能指标，以1o或2o的s、hab步长求解r值，并存为181360（或91180）二维矩阵，不妨称为色域矩阵。由此矩阵，可方便地求取L*a*b*和Cab*等色度量及各色彩指标。1.2 色彩性能指标建立色彩性能指标如下：1) 色域体积色域体积是色彩范围的整体体现，色域体积越大表明设备系统总的色彩实现能力越强。作为对比，体积的计算取固定一致的单位即可，如都以2o的s、hab步长求取色域矩阵，并转换为Cab*值，所有的Cab*值累加即表征了体积大小。2) 色域分体积色彩范围大致可分成主色调分别为青、品红、黄、红、绿、蓝共6个区域，总的色域体积相同，各个色彩区域也可能有差异，这种差异反映了单色区域的色彩表现能力。因此，将整体色域依色调角hab按如表1所示数据分为6个区域，每个区域的体积表征对应主色调范围的色彩表现能力。3) 白点、黑点及主色调最大彩度色度特征白点和黑点的色度特征能够反映画面中备受关注的白色和黑色的纯度。例如，在婚纱摄影中白表1 色域分体积化分青品红黄红绿蓝hab240o270o320o10o58o120o10o58o120o240o270o320o色的纯度高才能表现出纯净的整体效果；而在大幅面广告影像中，黑色的纯度高才能形成影像的整体力度。白点表征基材的色度，黑点主要反映墨色的组合效果，是系统组合性能的表现之一。最大彩度的主色调能够反映设备系统可表现的最鲜艳、亮丽色彩，这些大彩度色往往给整幅画面带来生机，因而是色彩能力中很重要的反映指标。在转换为Cab*值的色域矩阵中求取每一个色调角对应的最大Cab*值和对应的a*b*坐标，再用求取局部峰值的方法获得各主色调色度值。2 实验与分析为了表现色域边界求取方法的适用性和色彩性能指标的有效性，实验选取了3类5个不同的设备。设备编号和特点分别为：1#-EPSON照片级7色桌面喷墨打印机、2#-HP 4色宽幅喷墨打印机、3#-SONY热升华打印机、4#-FUJI激光扫描彩色相纸冲印机、5#-NORISHII激光扫描彩色相纸冲印机。测试仪器选用爱色丽 DTP22分光光度仪，测试条件为D50/2o。2.1 采样数目采样数目会影响色域边界的拟合精度，采样越多则拟合精度越高。实验了RGB等间距、各9点取值和各8点取值两种情况下的386和296组色域边界值，其中一组作为构建色域边界的采样，另一组用于精度检验，并以CIELAB的平均和最大色差表征拟合精度。实验发现，两种情况下色域边界拟合精度非常接近，均已非常接近各自设备因机械稳定性而引起的误差。此外，两种采样情况得到的色域体积只相差0.3%左右。从色域边界拟合精度和色域体积计算两方面看，296组采样值足以较好地进行色域确定和性能分析，因此，采样数目选为296。2.2 结果与分析 采用2o的s、hab步长计算色域矩阵和色彩性能指标。5个设备的色域体积、分体积数值见表2。表2 色域体积和分体积数值设备总体积分体积青品红黄红绿蓝1#5208385767553949973021205770932#5008982607146909271631201364163#4858880237613852772031043667874#4662974246992880665771009467365#454367381659184046279103406443表2数据给出，色域总体积按设备号顺序逐渐减小，表明1#设备能够表现的色彩最多，5#设备则相对最少。从分体积看， 3#设备在品红色区域表现最多，4#设备的黄色调区域却比3#设备表现更多；同种类型设备中，5#设备的绿色调表现反而优于4#设备；而在蓝色调范围2#设备表现最少。图1和图2分别为各设备的CIEXYZ_xy和CIE LAB_ a*b*二维色域边界。由图2可求取主色调色度值的最大彩度，连同白点和黑点数值一同列入表3。2#3#5#b*y1#4#5#3#2#4#1#a*x图2 5个设备的CIE_ a* b*色域图1 5个设备的CIEXYZ_xy色域表3 白点、黑点及主色调色度（L*/C*ab/hab） 设备1#2#3# 4#5#白点93.8/1.17/284o95.0/4.61/280o94.7/2.32/290o92.4/2.82/278o92.3/2.32/290o黑点0.77/0.81/278o2.16/1.18/280o3.33/13.54/274o4.47/1.11/240o9.24/2.50/242o青47.6/56.1/244o56.2/61.1/226o53.3/49.2/244o55.3/50.4/224o56.0/56.1/220o品红46.5/76.3/350o47.2/78.7/356o47.0/79.2/356o44.0/81.1/334o46.9/80.2/332o黄85.8/88.5/96o85.3/96.8/96o83.2/74.6/88o75.3/88.1/86o77.1/86.3/88o红44.1/93.9/42o47.6/93.7/40o43.0/91.0/38o40.0/77.1/40o42.0/77.0/38o绿57.9/81.0/142o50.9/86.6/150o45.0/59.1/150o45.8/59.9/140o48.2/68.1/146o蓝18.2/72.1/298o18.3/66.8/296o12.9/69.1/300o20.1/70.5/298o28.0/71.0/286o表3数据表明，从白点反映所用纸张看，2#明度最大，表明最亮；但彩度最大最为偏色，且偏向蓝色调。1#彩度最小，表明最接近中性白；3#、4#、5#的彩度也较小，亦较接近中性白。2#以外的设备皆用于摄影照片输出，所用均为照片纸，自然注重白色的表现能力；而2#为高光广告用纸，强调的是明亮度的表现，白度表现相对低些。从黑点数据看，1#最为接近纯正的黑，在黑度和黑色的纯度两方面均具有最好的表现能力；相对而言，3#设备黑度较好，但黑色纯度最低；5#设备黑色纯度较高，但黑度最低。图2和表3中6个主色调色度值表明，2#设备的明度和彩度为最大者多，1#设备次之。但1#设备的色域体积却较2#设备大；相同的关系也出现在4#和5#设备的比较中。分析其原因发现，主色调彩度只代表了其附近色调区域的范围，并不能代表其他近灰区域的色彩范围。图3(a)、(b)分别为4#和5#设备两个不同视角下的色域相互关系，看出5#设备确有相对较大的主色调最大彩度，但在色域下半部分的低亮度近灰区域，4#设备较5#设备的表现范围大得多，因而整体色域大于5#设备。综合各色彩指标结果可以认为：在5个设备中，1#设备可表现的色彩范围最大，在每个主色调区域都有丰富的色彩表现，且有较好的白色，这与该设备用于摄影影像输出的目的是相符的。2#设备的色彩表现范围稍次之，但具有最鲜艳亮丽的色彩表现，白度和黑度都很高，2#设备用于广告输出，正是对大彩度色彩和黑白色的这种表现能力，使它具备了广告图像所需的鲜艳、有力。3#设备具有较大的色域和相对较高的品红、红和蓝色表现能力，但黄、绿和青色最大彩度较低。同种类型的4#、5#设备，具有相近的最大彩度色特征，其特点是，在3种设备类型中品红色的彩度表现能力最强，但红色的彩色表现能力相对最低，整体色域也相对最小。5#L*5#L*4#4#b*b*a*a*(b)(a)图3 4#、5#设备色域比较3 结 论上述实验表明，色域总体积、分体积、白点、黑点和最大彩度主色调色度指标，以及三维、二维色域边界图，能够较为全面地描述设备系统的色彩性能，可用于设备系统色域的定量、定性分析及色彩优化设计中。实验同时表明，本文采用的色域边界描述方法，不受颜色形成物理机理的限制，对设备类型具有较