毕业论文-基于ICC标准输入设备的色彩管理研究.doc

毕业论文 基于ICC标准输入设备的色彩管理研究25目 录目 录IABSTRACTIII绪 论4第一章 色彩管理简述21.1色彩管理的意义21.2色彩管理的任务31.3色彩管理的基本原理41.4色彩空间61.4.1RGB色彩空间61.4.2CIEXYZ标准色彩空间61.4.3CIELAB色彩空间61.4.5PCS空间7第二章 数字印刷的工艺流程82.1设备特征描述文件格式82.2输入设备特征描述文件类型及结构92.2.1单色输入设备特征描述文件92.2.2以矩阵模型为基础的输入设备特征描述文件102.2.3以查表模型为基础的输入设备特征文件描述102.3四种提交方式112.3.1观察法112.3.2饱和度法112.3.3相对色度法112.3.4绝对色度法12第三章 输入设备特征文件的生成133.1扫描仪及其成像原理133.1.1扫描仪简介133.1.2扫描仪的工作原理143.1.3(平台式)扫描仪的误差分析153.1.4扫描仪的基准与校正163.1.5色彩的整体性校正163.1.6色彩校正173.2标准色靶173.3建立输入设备特征描述文件Profile193.3.1设备的颜色特征文件193.3.2建立输入设备特征描述文件的ProfileMaker203.3.3ProfileMaker的使用213.3.4特征描述文件的生成223.3.5特征描述文件的使用23结 束 语24参考文献25致 谢26摘 要色彩管理一直是桌面出版系统研究的重要课题，随着彩色桌面出版系统日益发展与成熟，色彩管理系统已经向着操作系统级和标准化方向发展，1993年成立的ICC(International Color Consortium)进一步促进了这一趋势的发展。以ICC为基础的色彩管理系统是一种实现于操作系统层的通用的、独立于设备的色彩管理系统，主要依赖符合ICC标准的设备特征描述文件来实现。扫描仪是重要的输入设备，对它的特性进行研究并建立符合ICC标准的设备特征描述文件是以ICC为基础的色彩管理系统中最基础而且必不可少的工作。 论文的第一章对色彩管理的基本内容做了介绍,阐述了色彩管理的意义和任务；第二章介绍了ICC标准，以及输入设备特征描述文件的类型和结构；第三章详细介绍了扫描仪的基础知识和成像原理，建立输入设备的特征描述文件以及Profile Maker软件的使用。本课题对以ICC为基础的色彩管理系统和创建其他设备的符合ICC标准的特征描述文件有较大的理论参考价值，利用软件创建了输入设备的特征描述文件。 关键词:色彩管理 数字化印刷流程 ICC标准 设备特征描述文件ABSTRACT Color Management has been an important issue on DTP for ages. With the development and maturity of DTP, Color Management has been developed to the direction of system-level and standardization International Color Consortium (ICC) that was formed in 1993 by some famous corporations accelerates this trend. ICC based CMS (Color Management System) is a generic device-independent CMS, which is realized on system-level and depended on device Profiles.Since scanner is an important input device, it is a significant and absolutely necessary work to investigate its characteristic and build its device Profile that is accorded with ICC Profile Format Specification.The first chapter do the introduce about color conditioning of rudimental content of the article, the meaning and mission; Second chapter introduce the ICC standard, and feed characteristic describe documentary style and structure; third chapter detail introduce the scanner of background elementary knowledge and imaging theory, erect input device of characteristic describe file as well as ProfileMaker software of use for in as well of the expound the color conditioning.The investigative will be of great value to People in building other device Profiles, and the software is useable on DTP system.KeyWords: Color Management Desktop; ICC Profile Format Specification; Device Profile;绪 论 人类己经进入了新的千年，新世纪是数字化、网络化、信息化的世界，也将是彩色化的世界，作为传播信息的印刷媒体，不仅各类宣传广告、招贴画是彩色的，现有的许多报刊、杂志，也越来越多是彩色的，彩色化己经是大势所趋。制作出精美的彩色印刷品，实现所见即所得，是我们追求的目标及任务，这一目标要依靠完善、实用的色彩管理系统来实现。实际上，色彩管理一直是印刷复制工作的重点和难点。随着数字式、开放式印前系统的全面采用，输入、处理、输出软硬件不断多样化，设计、制作、输出工作向社会化方向发展，因此，如何保证颜色信息在不同种类、不同厂家的各种软硬件之间、以及不同部门之间正确传递就变得越来越重要。可以说，色彩管理现在己经成为整个印刷过程质量控制的瓶颈问题。下图描述了色彩管理的问题。1993年由 Apple， Silicon Graphic， Microsoft， Adobe， Taligent， Kodak和 Agfa等在电子成像等方面处领导地位的公司创建了 ICC（ International Color Consortium），后来又有许多著名公司加入该联合会，该联合会的各公司都声称在他们的操作系统平台和应用上完全支持ICC标准（ICC Profile Format Specification）。 ICC标准对设备特征描述文件、特征描述文件连接空间、嵌入的特征描述文件、色彩转换、色彩模型、标签元素都进行了详细的说明和规定。 ICC的目的就是建立并推进开放式的、跨越平台的CMS（Color Management System）的标准化。以ICC为基础的CMS包括以下三个主要方面： (1)建立符合 ICC标准的设备特征描述文件（ICC Profile）； (2)使用 CIELAB（CIEXYZ）空间作为设备描述文件连接空间 PCS（Profile Connection Space）； (3)使用系统级的色彩管理模块CMM（Color Management Module）按照提交目的、源设备特征描述文件和输出设备特征描述文件对彩色图像进行色彩转换。第一章 色彩管理简述1.1色彩管理的意义 在传统的印刷中，彩色制版是由电子分色机完成的，由于电子分色机是封闭的，即从彩色扫描头输入到记录头输出是一次性完成的，因此不存在色彩管理的问题。随着计算机和外部设备的发展，出现了彩色桌面出版系统，通过扫描仪、摄像机等不同厂商的输入设备将图像输入计算机，在计算机中录入文字，进行图像处理，图文混排等，再通过图文输出机输出，不仅提高质量，而且使用方便、快捷，因此利用计算机的彩色图像处理系统得到了迅速的普及和推广应用。随着通信技术、网络技术的发展，现在己经进入了彩色桌面出版的新时代，彩色扫描仪、数字相机、 PHOTO CD图像、数字打样、直接制版等，都在印刷领域中得到了广泛应用。 彩色桌面出版系统是个开放型的系统，系统的组成机动灵活，也就是说，可以使用甲方主产的扫描仪，使用乙方生产的显示器，使用丙方生产的照排机、打印机等，不同厂商生产的设备组合成一个系统。在这个系统中要实现从扫描仪的原稿输入到打样及成品输出保持色彩的一致性，图像色彩的质量控制是至关重要的。在实践中经常会发现显示器中看到的色彩与印刷品中色彩差别很大，不同的扫描仪扫描同一幅图像，得到不同的色彩图像数据；不同型号的显示器显示同一幅图像，也会有不同的显示结果；同样一幅图像，用色域大的彩色打印机输出的色彩令人满意，而印刷出来时则颜色灰暗等等，这些都是由于各种设备再现颜色的特性不同造成的，也就是说颜色是与设备相关的。因此，需要建立一种以独立于设备的方式传递颜色的色彩管理机制，从而保证颜色可靠的传递，使色彩再现与所使用的设备无关。1.2色彩管理的任务 色彩管理的主要任务是解决图像在各种色彩空间上的数据转换问题，使图像的色彩在整个处理过程中失真最小。它的基本思路是：选择一个与设备无关的参考空间，然后对整个系统的各个设备进行特征化描述，在各个设备的颜色空间与标准的设备无关颜色空间确定的对应关系，根据这种对应关系对图像数据进行转换，达到对图像色彩的校正和补偿，以保证图像色彩在不同设备上的一致性。色彩管理的内容包括设备定标、特征描述、颜色转换。设备定标是保证系统正常工作的前提，但并不保证图像与原稿保持一致，而是看设备是否达到原设计指标，处于正常工作状态。设备特征描述是对不同设备的色彩表达能力及所呈现的颜色范围的描述。颜色转换是根据源设备的颜色空间与标准的设备无关颜色空间建立的对应关系和目的设备的颜色空间与标准的设备无关颜色空间建立的对应关系，在已知条件下将源设备的色空间转换到目的设备的色空间，在不同色彩空间之间建立起一对应的颜色映射，最终实现“所见即所得”（ What You See Is What You Get）一个完整的色彩管理系统由以下几个部分组成：生成设备颜色特征描述文件的软硬件工具、色彩管理模块CMM、支持CMS的应用程序。图1.2显示了CMS的软件结构。图中的色彩管理框架 CMF（Color Management Framework）是应用软件与 CMM之间的接口，这个接口允许在系统中添加第三方的CMM。图1.2 CMS的软件结构 1.3色彩管理的基本原理色彩管理的目的，就是要使同一颜色在不同彩色设备上得到相同的颜色效果。但是，各种色彩设备千差万别，呈色方式与色域各不相同，因此不能简单地在不同设备间进行色彩转换，需要使用一个与设备无关的色彩空间作为各种设备相关颜色空间的参照标准，这个与设备无关的颜色空间一般就选择CIEXYZ或CIELAB色彩空间。这是由于CIE系统具有最大的色域空间，任何设备呈现的颜色都可以映射到其中，并且CIE系统有完善的定义和研究基础，因此，是在不同设备之间传递颜色最优秀的“语言”。CIE色域和不同设备的色域。如图1.3所示 图1.3 CIEXYZ色度图有了共同的颜色参考空间后，各种颜色设备都可以建立起设备颜色空间与CIE颜色空间之间的关系，并且用一个设备特征描述文件（profile）记录这种关系。当需要从一种设备颜色空间转换到另一种设备颜色空间时，通过第一种设备的设备特征描述文件将颜色转换到CIE颜色空间，再通过第二种设备的设备特征描述文件将CIE颜色转换到第二种设备的颜色空间，这样就可以将颜色在任意设备间进行转换。因此，各种颜色设备只要建立了与CIE空间的特征描述文件，就可实现颜色的转换，而不必考虑向什么设备转换，如图1.4所示。从而使色彩在原稿、显示器、打印三者间达到一致，充分体现色彩管理功能。 图1.4 利用参考空间（CIE空间）进行转换以扫描仪扫描的原稿图像在显示器上的显示为例说明，如图1.5所示 图1.5 扫描仪与显示器的色彩空间转换当显示一幅扫描仪扫描的图像时，色彩管理系统（CMS）使用存储在扫描仪特征描述文件中的扫描仪设备特征信息，将扫描仪的RGB图像转换到设备无关的CIE空间。然后，CMS使用存储在显示器特征描述文件中的显示器设备特征信息，从设备无关的CIE空间转换到显示器色彩空间，这时就可看到显示的与原稿相同的图像。因此，虽然两种设备的色是与设备有关的，但CMS能够在设备间转换，并产生精确的、可预测的色彩。1.4色彩空间 色彩是客观存在于自然界的一种物理现象，它是由发光体或被观测对象幅射或反透射出来的光进入人眼刺激视觉神经的感红（R）、感绿（G）、感蓝（B）细胞并传达给大脑而产生出来的一种感觉。色彩空间是为了方便、正确地描述颜色而引入的三维空间，描述颜色的方法有多种，相应的色彩空间也可分为好几类，下面仅对课题中涉及到的一些色彩空间作介绍。1.4.1RGB色彩空间颜色混合的基本定律表明：自然界的任何一种颜色均可用红、绿、蓝三种原色光混合匹配产生，这在几何上能够以R、G、B三个互相垂直的轴所构成的空间坐标系统来表示，称为RGB色彩空间。扫描仪的色彩空间是RGB模式的，图像通过扫描仪扫描后，所得到的是RGB模式的数字文件。不同的扫描仪扫描同一图像时得到的RGB数据是不同的，因此，RGB色彩空间是与设备相关的色彩空间。1.4.2CIEXYZ标准色彩空间CIEXYZ标准色彩空间是建立在人眼的感色性基础之上的，CIEXYZ色彩空间是与设备无关的标准色读空间，它经常被用来作为色彩描述的基准色度空间，但它的也存在着缺点，首先是表色不直观，人们难以想象一组(X,Y,Z)值表示的色彩是一种什么样的颜色，其次是色度上不均匀，两种不同颜色之间的距离不能反映出人们色彩感觉差别的大小，也就是说在CIEXYZ色度图中,在不同位置，不同方向上颜色的宽容度是不同的，这使得CIEZYZ空间不能直观的评价颜色。1.4.3CIELAB色彩空间CIELAB是CIEXYZ色彩空间经过非线性变换而得到的均匀颜色空间。它的优点是当颜色的色差大于视觉的识别阈值(恰可察觉)而又小于孟塞尔系统中相邻两级时，可以较好的反映物体色的心理感受效果，CIELAB空间的L*，a*，b*及其色差的计算公式如下：CIELAB空间的色差计算公式为：1.4.5PCS空间PCS是ICC标准中定义的用来连接描述文件的空间，提供了输入与输出设备特征描述文件的接口。ICC标准的关键就是定义了PCS空间是CIE1931观察者基础上建立的，通过CIEXYZ或CIELAB空间来定义。PCS可在不同的桌面出版环境和网络系统之间进行特征描述文件的交流和转换，图1.6表示了PCS与设备特征描述文件之间的连接关系 图1.6 PCS与设备特征描述文件之间的关系 在桌面出版环境中，仅有色度控制是不够的。因为观察环境不一样，不同的媒体呈现同一颜色所需的三刺激值（X、Y、Z）并不是相同的。为了保证在不同的环境下有相同的颜色外观，必须对人类视觉适应和观察条件进行补偿。另外，色域和动态范围对颜色外观的影响也很大。 PCS被定义为在参考环境下观察呈现在参考复制媒体上的图像颜色达到“预定的颜色外观”的CIE色度值。PCS的参考复制媒体是理想的完全反射印刷品，参考观察环境为标准的观察小室（ANSI PH230）。第二章 数字化印刷流程简介 ICC是由几个著名公司成立的国际色彩联合会，它致力于色彩管理中的色彩通信标准化问题。短短六年时间，ICC已由成立时的7个成员增加到70多个成员，ICC建立的标准得到了成员的广泛采纳和应用。现在，国内外的许多公司都开发和使用符合ICC标准的完全开放式的色彩管理软件。而且Apple Mecintosh平台的Colorsync和Microsoft Windows平台的ICM都支持ICC标准，它们的使用表明以ICC为基础的操作系统级色彩管理系统已经成为现实。 今天，在设备标定好并且设备特征描述文件和CMM出自同一厂商的情况下，已经可以通过ICC为基础的色彩管理系统得到非常好的匹配效果。当然，这并不是ICC的最终目的，ICC要实现的是完全开放的色彩管理。目前，ICC标准只是对存放色彩匹配数据的设备特征描述文件的格式进行了规定，因此，这里主要介绍ICC标准规定的设备特征描述文件格式、输入设备特征描述文件格式的类型和结构、及ICC标准中规定的四种提交方式。2.1设备特征描述文件格式 ICC的设备特征描述文件是一个描述扫描仪、显示器、打印机等设备色彩特性的数据文件，是ICC为基础的色彩管理的基本工具。特征描述文件的使用是为了使图像在不同设备上察看、打印时保持色彩的一致性。ICC标准规定的特征描述文件的格式如下：特征描述文件是由特征文件描述头、标签表及一系列可随意访问的标定了的元素数据三部分组成特征描述文件头为固定的128字节，给出接收系统正确查询、检索ICC标准特征描述文件的信息。第二部分是标签表，它的前四个字节是特征描述文件使用的标签数量，其后每个标签占用12个字节说明标签的标签名、地址偏移及大小。第三部分为标定的元素数据，提供给颜色管理模块CMM用来在PCS与设备色彩空间之间进行色彩转换所必需的信息，这些标定的元素数据都是通过ICC标准中规定的标签来实现，是真正的特征描述文件数据。特征描述文件所用的标签分为必要标签、可选标签及私有标签三类。ICC标准规定了三种基本类型设备特征描述文件：输入设备特征描述文件，显示设备特征描述文件，和输出设备特征描述文件。除此之外，还定义了四个附加的颜色处理描述文件，它们使CMM在进行色彩匹配时更加方便、快捷。这四个描述文件分别是：设备连接描述文件、命名颜色描述文件、色彩空间转换描述文件、抽象描述文件。设备连接描述文件把一系列描述文件连接在一个描述文件中，并且这一系列描述文件必须以设备特征描述文件开始和结束，使用设备连接描述文件将会缩短转换时间。命名颜色描述文件是由命名颜色组成的一个色彩空间的描述文件，可被认为是设备描述文件的同属描述文件。对于一个指定的设备，可以有一个或多个设备特征描述文件处理颜色转换，一个或多个命名颜色描述文件处理命名颜色，多个命名颜色描述文件对应于不同消费者或不同供应商。色彩空间转换描述文件描述了一个设备无关的颜色空间。抽象描述文件为适应用户特定参数选择而在PCS空间内进行抽象转换的描述文件。 ICC标准是一个开放的标准，不同厂商可在描述文件中使用不同的CMM以及自定义的标签，但是要向ICC注册。2.2输入设备特征描述文件类型及结构ICC规定的输入设备的特征描述文件的类型有三种，分别叙述如下：2.2.1单色输入设备特征描述文件单色输入设备的数学模型可描述如下；上式表明通过一条简单的阶调复制曲线就可将设备值转换到PCS空间，阶调复制曲线可看成是一个一维表。上式的反变换表示如下： 在单色输入设备的特征描述文件中不能使用多维表标签。它所必须使用的标签如表2.1所示： 表2.1 单色输入设备特征描述文件必须使用的标签单色输入设备特征描述文件结构简单，数据量小，但只能用于单色输入设备，使用范围非常有限。2.2.2以矩阵模型为基础的输入设备特征描述文件这种描述文件一般用于色彩空间为RGB的输入设备上，所必须的标签如表2.2所示，数学模型如(1)(2)所示：表2.2 矩阵模型输入设备特征描述文件必须使用的标签 这种模型的优点是简单，生成的设备特征描述文件小，处理速度快，数据无不确定性，缺点是灵活性小，主要适用于线性设备。2.2.3以查表模型为基础的输入设备特征文件描述 这种方法必须使用的标签如表2.3所示表2.3 表模型输入设备特征描述文件必须使用的标签AtoBO标签用8位或16位数据精度描述设备特性，它包括一个3X3矩阵，一系列对输入分量变换的一维输入表，一个实现输入与输出转换的多维表，一系列对输出变换的一维表。用着一个标签就可以实现查表的功能，这种模型的缺点是数据转换复杂，生成的设备特征描述文件庞大，插值时可能会出现数据不确定性，优点是灵活性高，对任何设备都可以使用，特别适合非线性设备。2.3四种提交方式在桌面出版系统中，各种设各的色域是不同的，图像数据文件在不同的色空间中传递，就需要考虑色域压缩的问题。ICC定义了称作提交目的的四个不同的值，代表了产生色彩提交的四种不同方案，这里简单介绍一下这四种提交方案。2.3.1观察法 根据ICC规定，观察法是把图像的整个色域压缩或延伸填充目的设备的色域，所以保持了灰平衡而色度的准确性未保留。这种方法会改变图像上所有的颜色，包括那些位于目的设备空间范围之内的颜色。但能保持颜色之间视觉关系，这种方法最适合显示照片和图片，通常为缺省的提交目的。2.3.2饱和度法 这种方法在印刷设备限制的范围内产生纯而饱和的色彩，匹配后的图像并不拘泥于匹配前的情况，不去追求一种印刷设备与另一种印刷设备的匹配，最适合图表等商业图片，要求色彩的生动性比准确性更重要。2.3.3相对色度法 这种方法把目的设备范围外的颜色用色度值与它尽可能接近的颜色代替，其它颜色保持不变，相对色度法不保留白点。2.3.4绝对色度法任何输出设备可提交的色域范围外的牙色都用色域边界颜色代替，其他颜色保持不变，绝对色度法保留白点，用绝对色度发转换颜色时，精确地配色度值，不做影响图像明亮的白场、黑场。ICC标准要求在设备特征描述文件头中填入提交目的。第三章 输入设备特征文件的生成3.1扫描仪及其成像原理3.1.1扫描仪简介 彩色扫描仪是彩色桌面出版系统中最常用的输入设备。随着彩色电子出版系统在印前制作中的广泛应用，彩色扫描仪在印刷出版行业中的使用也越来越普遍。 扫描仪的种类很多，它的性能指标也很多，最主要的有以下几个：1、分辨率 扫描仪的分辨率是扫描仪的重要参数，可分为光学分辨率和最大分辨率。(1)光学分辨率 扫描仪的光学分辨率表示它的光学系统能够达到的最高输入分辨率。因此光学分辨率是平台式扫描仪CCD的真实分辨率。光学分辨率又分为水平分辨率和垂直分辨率。水平分辨率与光学系统、CCD的真实分辨率以及硬件设计线路有关。垂直分辨率是根据扫描中步进电机在机械设计中每英寸可移动多少步而定的，它与机械和传动部分有关，因此垂直分辨率不如水平分辨率重要。一般说的光学分辨率指的是水平分辨率。(2)色彩分辨率 色彩分辨率又叫色彩深度、色彩模式、色彩位或色阶，总之都是表示扫描仪分辨色彩或灰度细腻程度的指标，它的单位是bit(位)。色彩位确切的含义是用多少个位来表示扫描得到的一个像素。例如:1bit只能表示黑白像素，因为计算机中的数字使用二进制，所以1bit只能表示两个值：0和1，它们分别代表黑与白。8bit可以表示256个灰度级。24bit可以表示16777216种色彩，其中红(R)、绿(G)、蓝(B)各个通道分别占用8bit，它们各有28=256个等级，24bit以上的色彩为真彩，目前还有采用30bit、36bit、42bit的几种。色彩位数越多，颜色就越逼真，但对于非专业用户来讲，由于受到计算机处理能力和输出打印机分辨率的限制，追求高色彩位给我们带来的只会是浪费。 (3)最大分辨率最大分辨率是使用光学分辨率扫描后，再通过软件插值法计算得到的，因此也叫插值分辨率。2、位数扫描仪的位数也叫色彩深度，是通过扫描仪内部的模数转换器的精度来实现。扫描仪的位数越高，捕获的色彩越丰富，扫描的图像层次越清晰。3、动态范围动态范围也叫密度范围或浓度值，是扫描仪所能记录的色调范围，通常是指接近纯白到纯黑的范围，即扫描仪所能测量到的最亮颜色与最暗颜色之间的差值。动态范围是扫描仪再现色调细微变化的能力。扫描仪的动态范围与扫描仪的位数有直接关系，其动态范围是用扫描仪能分辨出的明暗层次以10为底的对数表示。扫描仪的位数越多，所提供的动态范围越大，所能表现的层次越丰富。 4、缩放倍率缩放倍率是指扫描仪对原稿缩小或放大的倍率。在扫描软件中，缩放比例与分辨率成反比的关系，分辨率越低，图像的缩放比例可以越大，当使用最大的分辨率时，缩放比率只能小于1。5、扫描仪的速度扫描仪的速度与系统配置、扫描分辨率设置、扫描尺寸等有密切关系。扫描速度和图像质量之间存在一定的矛盾。影响彩色扫描仪获取颜色的因素很多，但对于一个电子出版系统中使用的专业扫描仪来说，分辨率最好大于600dPi，颜色位数最好不要低于36位，动态范围最好不要低于3.0，这样要求的目的是为了补偿扫描仪光电采集系统的非线性而造成的信息损失。每种专业扫描仪都带有对颜色进行校正和处理的扫描软件，但这种校正主要是基于操作者的经验，需要操作者有相当的背景知识，其准确度难以掌握，有些扫描仪附带有专用的颜色管理软件，但用这些颜色管理软件制作的扫描仪特征描述文件一般都不符合ICC标准，只能对指定的扫描仪使用，不具有通用性，现在国外的许多厂家开发出了符合ICC标准的完全开放的颜色管理软件，国内也有少数输出中心正在使用这种软件。这种颜色管理软件将使彩色扫描仪获取的图像数据更准确，是今后控制彩色扫描仪颜色处理的发展方向。3.1.2扫描仪的工作原理扫描仪是图像输入设备。其工作步骤是:1.将欲扫描的原稿正面朝下铺在扫描仪的玻璃板上；2.启动扫描仪驱动程序后，安装在扫描仪内部的可移动光源通过机械传动机构在控制电路的控制下带动装着光学系统和CCD的扫描头与图稿进行相对运动来完成扫描，为了均匀照亮稿件，扫描仪光源为长条形，并沿垂直方向扫过整个原稿，每扫一行就得到原稿横向一行的图像信息；3.照射到原稿上的光线经反射后穿过一个很窄的缝隙，形成横向光带，又经过一组反光镜，由光学透镜聚焦并进入分光镜，经过棱镜和红绿蓝三色滤色镜得到的RGB三条彩色光带，分别照到各自的CCD上，CCD将RGB光带转变为模拟电子信号，此信号又被A/D变换器转变为数字电子信号。至此，反映原稿图像的光信号转变为计算机能够接受的二进制数字电子信号，最后传送至计算机并在计算机内部逐步形成原稿的全图。 平台式彩色扫描仪原理图 3.1.3(平台式)扫描仪的误差分析扫描仪主要由光学系统、光电转换部件、电子系统、机械系统四大部分组成。而对扫描仪性能影响最大，造成扫描仪误差的主要部分是光电转换部分。平台式扫描仪使用电荷耦合器件（CCD）作为光电转换器件。CCD最突出的特点是以电荷作为信号，其基本功能是电荷存储和电荷转移。因此，CCD的工作过程主要是电荷的产生、存储、传输和监测。构成CCD的基本单元是MOS电容器。 CCD作为光检测器时，线性度（或光度精度）是很重要的，在动态范围内，CCD传感器的响应是线性的。动态范围由信号处理能力和噪声水平决定。平台式扫描仪使用的CCD，最重要的性能是分辨能力和信噪比。CCD的信噪比越高，说明性能越好。一般情况下，信噪比必须大于一定的数值，像感器才能达到有几何形状（感光单元的尺寸和中心距离）决定的分辨能力。平台式扫描仪每条线上的CCD少则3000个，多则800010000个，这么多的CCD在感光性能上不可能一致，因此，平台式扫描仪的扫描质量比滚筒扫描仪差。而且，扫描仪描图像时，图像上较暗的区域反射的光线少，较亮的区域反射的光线多。CCD检测图像上不同区域反射的不同强度的光，将每个采样点的光波转换成随光强度的大小而变化的一系列电压脉冲。因此，图像暗调部分CCD的信噪比很低，扫描出的图像质量偏差。这也是扫描出的图像暗调部分色差较大的一个重要原因。因此，CCD性能的好坏是至关重要的，只有CCD与相关驱动电路的性能好，才可使扫描的图像清晰、质量好。当然，除此之外，扫描仪的光源，滤色片的特性，反射镜，玻璃板等光学系统部分也对扫描图像质量有较大影响。3.1.4扫描仪的基准与校正扫描仪的基准校正包括焦距调节、亮度、对比度、白平衡和颜色调校等。调校扫描仪基准是保证图像输入、图像灰平衡、去网、色偏、尺寸大小和清晰度符合设定的控制要求。 白平衡校正的作用是调整扫描头三通道（R、G、B）光电倍增管的最大输出工作电压，并平衡三通道（R、G、B）的信号。不同类型的原稿白平衡的选点不同，透射稿的白平衡选点在滚筒洁净处，反射稿的白平衡选点在原稿白色区域或在白色铜版纸上。 分辨率的设置对于扫描图像的质量影响很大。当扫描图像时，如果分辨率设置太低，则扫描的图像颗粒粗糙、图像边缘呈锯齿状、质量很差；如果分辨率设置太高，则会使原稿中不必要的细节，如画面上的斑点、褶皱以及图像周围的其他背景突显出来，还会使扫描图像的存储空间过大，影响扫描速度。因此，必须正确设置扫描图像的分辨率，以得到清晰的图像。由于扫描分辨率=加网线数放大倍率质量因子，当扫描仪确定后，选择合适的质量因子（Quality Factor）对输出图像质量至关重要，为确保输出图像质量，质量因子常取2.0 。 焦距调节取决于滚筒表面原稿药膜面朝向、原稿类型、光孔大小、放大倍率等。处理印刷品原稿，调焦时光圈应稍大并适当虚晕，以便消除龟纹。现在高端扫描仪是自动控制焦距的调节，当需要虚晕时也通过色彩管理软件的设置来调节焦距达到消除龟纹的目的。3.1.5色彩的整体性校正1、原稿白场/黑场的正确选点与设定 原稿正确白场、黑场的选点与设定是再现原稿颜色、层次的关键，是有效地进行颜色、层次调整的基础。正确的白场、黑场选点与设定要根据各种类型原稿的特点和印刷适性条件，充分利用纸张的白度和四色油墨叠加的最大密度，达到最佳的视觉反差效果。由于摄影原稿的印刷是一个反差压缩过程，因此，白场的选点与设定要充分利用纸张的白度，同时兼顾好高调的层次；黑场的选点与设定要充分表现图像的暗调层次，以满足视觉习惯和心理要求。白场/黑场的设定要尽可能扩展原稿主体的阶调，加大反差力度，同时在理解原稿主旨的基础之上，懂得舍弃亮调和暗调的层次，以突显原稿的主旨。 2、自动灰色设定及灰平衡校正 自动灰色校正是在1/4、中间、3/4阶调对灰色偏色进行的快速校正方法。即在预扫裁切图像设定白黑场后，在图像需要校正的阶调区域，调整数据，使得灰色达到正常数值。这对于偏色原稿的分色扫描很有帮助。 灰平衡是指黄、品红和青三个色版按不同网点数值比例在印刷品上生成的中性灰。中性灰特性取决于油墨的特性，灰平衡对彩色复制实现极其重要。灰平衡是任何分色方法实现色彩正确再现的基础，如果分色时不能实现灰平衡，则复制后原稿中的灰色就不是灰色，那么其它颜色就必然产生色偏。灰平衡校正时，可以对CMY单个通道，又可以用整体通道同时进行校正。不仅能对1/4、中间和3/4阶调进行校正，而且通过重复选点，以同样方式也能对其它各个阶调进行校正。灰平衡的校正一定要充分理解原稿在现实环境下的色彩，否则会使图片所反映的灰轴发生不应该的偏移，严重影响整体图像的色彩质量。3.1.6色彩校正 彩色原稿的印刷复制过程是图像信息的色分解和色还原两个过程的组合。在实际复制过程中，由于各种条件的不理想，色差的存在是必然的。其色差来源于三个方面： 1、 原稿自身由于摄影过程及材料而造成的色偏和呈色介质变色（色衰减）造成的色偏。 2、 色分解过程中光源、镜头、滤色片和光电倍增管等误差造成的色偏。 3、 色还原过程中纸张和油墨误差造成的色偏。 因此必须进行彩色校正。彩色校正功能既要消除彩色复制过程中客观存在的上述色差，还要满足原稿彩色复制特殊要求时色彩校正。通常彩色校正是以青色（Cyan）、品红色（Magenta）、黄色（Yellow）、红色（Red）、绿色（Green）和蓝色（Violet）等六色为基准来进行。对于以某一色调为基本色的图片可以把基本色做适当夸张和给足色调使其印刷效果更为突出，可适当减少相反色的量，来加强基本色的纯度。在不影响图像整体灰平衡的基础之上，可以使用区域处理的方法对局部主体色彩进行校正。而对于一些以灰色为主体的图片，适当提高色彩纯度就会增强图像整体的色彩视觉效果。 3.2标准色靶为了创建扫描仪特征描述文件，需要一些标准的色块作为工具，虽然用户可以自已定义色块，但ISO（国际标准化组织）定义了一些标准色块，以使各种色彩管理系统之间相互兼容，可以跨平台使用。下面是最重要的两种：ISO12641 用于标定扫描仪输入的物理色靶 ISO12642 用于标定四色输出的数据靶输入和输出色靶的不同在于，输入色靶是以物理形式存在的，而输出色靶可以数据形式定义，而且由于输出设备的特性更加分散，其色块数目要多的多。本课题使用的是ISO12641标准定义的用于扫描仪校准的色靶。定义中提供了色靶的设计方式和色度值，色靶使用的材料为彩色透明正片和彩色相纸。AGFA公司和KODAK公司都提供符合ISO12641标准的色靶，AGFA公司的色靶为IT8.7，其中 IT8.7l为透射稿，IT8.72为反射稿。图3.2题使用的IT8.72色靶： 图3.2 IT8.7/2色靶该色靶由四个部分组成：取样颜色区：该部分由1212的色块组成，12行按色相角度均匀分布在色相环中，每行有三个亮度变化，每个亮度变化中有四个饱和度变化，这样选取的好处是可以用这些色块代表整个色彩空间区域。彩色梯尺：该部分共7列，其中三列分别代表青、品、黄，另外三列分别代表青品黄的两两组合红、绿、蓝，中间的一列为中性色。中性色梯尺：色靶最下面的是按亮度变化的24级中性梯尺。可选区域：不同的制造商可以根据自已的需要安排3列，每列为12个色块。色靶一共288个色块，完整地表达整个颜色空间。3.3建立输入设备特征描述文件Profile3.3.1设备的颜色特征文件管理技术中,颜色特征文件(Profile)是十分关键的内容,它的产生,存贮,选用和传递是色彩管理不可或缺的。 知道在呈现和传递颜色时,各种不同设备,材料和工艺流程会表现出各不相同的特性,在色彩管理中,必须将一种设备上呈现的颜色,高保真的呈现在另一种设备上,要求设备不同而呈现的颜色相同,这就必须了解色彩在各种设备的颜色呈现特点。实际上由于已经选定了设备无关的颜色空间,设备的颜色特征就表现为:某种设备对颜色的描述数值与设备无关的色度数值之间的对应关系,这种关系可用下面的方式来表达: 对应关系设备无关的颜色 设备相关的颜色数值不同的设备,这种关系具有各自的特点扫描仪:原稿的颜色经过扫描红绿蓝三个信号值R.G.B,这三个信号值与原稿颜色之间存在着某种数据对应关系,利用这一关系,通过三个信号值R.G.B,可以求出被扫描原稿的颜色的状况,即:对应关系扫描仪的信号值R.G.B 与原稿色设备无关的色度数据L*,a*,b*显示器:用红绿蓝三个驱动信号值R.G.B,可以在屏幕上呈现色彩,屏幕上呈现的颜色与红绿蓝三个驱动信号之间也存在某种数据对应关系,依照这一关系,可以将需要显示的原稿或印刷品的颜色转换成显示器红绿蓝三个驱动信号值。即:对应关系(显示色)设备无关的色度数据L*,a*,b* 显示器的驱动信号值R,G,B印刷复制过程:分色片上的四点网点面积率C%,M%,Y%,K%,经过晒版,打样及印刷,获得彩色印刷品,印刷品上的颜色与分色片上的网点面积率之间存在着某种数据对应关系,可以通过它,将需要复制的印刷品颜色转换成与其对应的分色片网点面积率,或者将印刷色转换成色度数据以便在显示器屏幕上显示,即: 对应关系(印刷色)设备无关数据L*,a*,b* 分色片网点面积率C%,M%,Y%,K%实际上,上述的每个对应关系就是某种设备或工艺所呈现的颜色与CIE1976L*a*b*色度数值之间的关系,这种对应关系对色彩的匹配转换来讲是不可缺少的,需要将其保存在色彩管理系统中,这就是“颜色特征描述文件”即所谓的“Profile”。在色彩管理技术中，最常见的设备颜色特征描述文件有三类，即：扫描仪特征文件（Scanner Profile）,显示器特征文件（Monitor Profile）和打印机特征文件（Printer Profile）。此外，还有一些用于其他目的的颜色特征描述文件。3.3.2建立输入设备特征描述文件的ProfileMaker根据课题的设计思想，该软件实现了以下几个功能：1、驱动扫描仪扫描图像，并存储图像数据；2、对TIFF 6.0格式的图像读取图像数据并显示，而且对图像能够进行相应地处理；3、对存储在磁盘中的标准色靶数据进行读取，并用于创建特征描述文件和计算色差；4、根据图像数据与标准数据得出它们之间的转换模型；5、按照ICC标准的格式写出扫描仪的特征描述文件；6、ProfileMaker的使用。 针对以上的功能，软件主要分为五大模块：扫描模块、读取数据模块、转换模块、写特征描述文件模块、演示模块。(1)扫描模块这一模块的功能是扫描图像并存储图像数据。扫描图像时要先保证扫描仪打开并正常接入。从文件菜单上选择扫描图像命令，显示扫描图像对话框，进入扫描仪的驱动程序，选择区域及其它参数后扫描图像并存储于指定文件夹中。(2)读取数据模块这一模块完成的主要功能是读出色靶的RGB值与标准值。读取色靶RGB值得时，把色靶上的每一个色块中间部分的14面积作为有效区域，对此有效区域的RGB值累计求和然后取平均得出代表这一色块的RGB值。(3)转换模块这一模块实现RGB CIEXYZ的空间转换功能，使用了两种方法完成这一功能，一种是用灰平衡法，另外的一种方法是多项式拟合。(4)写特征描述文件模块这一模块完成的任务是根据ICC标准规定的特征描述文件格式和标签数据的格式，写出特征描述文件，并将其存入 WindowsSystemcolor目录下。(5)演示模块利用此模块可演示创建的扫描仪的设备特征描述文件在Photoshop中的使用。软件的简单流程图如图3.3所示 图3.3 软件流程图3.3.3ProfileMaker的使用 执行ProfileMaker程序，显示程序界面。可使用文件菜单中的打开命令打开存储的图像，对真彩图像进行一些相应的处理，右侧的无模型对话框可显示图像数据的坐标和RGB值。可用文件菜单的扫描图像命令扫描一幅图像并存入指定文件夹。生成输入设备的特征描述文件时，使用创建特征描述文件菜单下的扫描仪特征描述文件命令或快捷工具，就会显示出一个扫描仪特征描述文件生成的向导，如图3.4所示。按照向导中的提示给出色靶对应的标准数据文件，标准色靶的TIFF格式的图像文件，(为使读出的数据更精确，此图像只保留黑色边框内的色块部分，其他部分应在存储前裁减掉。)选择创建特征描述文件的方法，在保存文件的对话框中填写特征描述文件名，就会将以此为名的扫描仪特征描述文件存入 C：WindowsSystemcolor目录下。可用色差分析命令分析矩阵模型的色差，还可用帮助菜单下的Profile的使用命令演示扫描仪特征描述文件在Photoshop程序中的使用。 图3.4 扫描仪特征描述文件生成的向导界面3.3.4特征描述文件的生成彩色图文信息处理系统的操作人员，有两个途径获得设备、材料及工艺流程的色彩特征描述文件。1、 购置设备时，生产厂商随设备一起提供的Profile，它可以满足该设备一般的色彩管理要求。在安装设备的应用软件时Profile就装入系统了。2、 专门的Profile制作软件，按照现有设备的实际状况生成适用的色彩特征描述文件，这样生成的Profile文件通常比较准确，与较为符合用户的实际情况且设备、材料和工艺流程的状态回随时间发生变化或偏移，因此需每隔一段 时间重新制作Profile，以适应当时的颜色响应状况。既然Profile文件用来说明某种设备或某一组设备综合的颜色数据与色彩空间数据之间的关系，那么在制作生成Profile 文件时就需要完成两类数据的测量工作，即：(1)色度数据的测量(2)设备相关的颜色数据测量获得这两部分数据以后，就可以寻求两者的对应关系了，通常Profile生成软件求解颜色对应关系的工作需要进行多步修正和优化，按照ICC Profile格式规定，颜色转换对应关系可以用“色查找表(Color LUT)线性转换方程组系数+阶调复制曲线”的方式给出,通常针对不同的设备和流程，分别有专门的Profile生成软件。彩色扫描