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1、南京林业大学 硕士学位论文 CIECAM02均匀性和色域映射算法研究 姓名:孟凡亚 申请学位级别:硕士 专业:制浆造纸工程 指导教师:刘真 20090601 摘要 随着计算机集成制造和多媒体时代的到来,人们往往需要在不同的观察条件下或者是 不同的媒体上再现颜色,I C C 色彩管理机制已经越来越不能满足时代和跨媒体的发展要 求。基于未来色彩管理发展的需要,本文重点研究了色彩管理中的两个重要组成部分:二 是特性文件连接空间( P C S ) :二是色域映射。C I E C A M 0 2 是基于C I E C A M 9 7 s 并对其做 了一些修正和简化,本文利用四种色差数据集( B F D
2、、L e e d s 、R I T - D u P o n t 和W i t t ) 和孟 塞尔新标数据分别对C I E C A M 0 2 色貌模型做局部和整体的均匀性修正,同时,利用孟塞 尔新标数据进行检验,结果表明修正后的C I E C A M 0 2 色貌模型无论在局部还是在整个空 间,其均匀性都有较大的改善。同时充分分析现有的色域映射算法,总结出现有色域映射 算法的优缺点和适用范围,最终提出基于优化后C I E C A M 0 2 色貌模型的色域映射算法一 - - S L i g h m e s s 。该算法对于亮区和暗区采用先明度后彩度的处理方式,而对中间区采用明 度和彩度同时压缩
3、的方案,然后采用主客观的评价方法对该色域映射算法评价,评价结果 表明新算法S L i g h t n e s s 复制的图像要明显优于算法S G C K 复制的图像,而略好于算法 H P M I N D E 复制的图像。最后将论文研究成果利用编程构建颜色转换的程序,该程序采用 基于色貌模型和实时色彩转换模式,可以实现图像数据的获取,图像和设备的色域描述, 色域映射等功能。 关键词:色貌模型,色域映射,色差评估数据,孟塞尔新标数据,均匀颜色空间,色彩管 理 ,n 1 1n er e s e a r C nO nu n l t o r m l t ya n dg a m u tm a p p i
4、n gb a s e dO n C I E C A M 0 2 A b s t r a c t W i t ht h ec o m i n go fC o m p u t e rI n t e r g r a t e dM a n u f a c t u r i n ga n dM u l t i m e d i a , c o l o ri s r e p r o d u c e d i nd i f f e r e n to b s e r v a t i o nc o n d i t i o n so ro nd i f f e r e n tm e d i aa n dI C CC o
5、 l o r M a n a g e m e n tM e c h a n i s mi sn o tm e tt h ed e v e l o p m e n to fc r o s s m e d i ac o l o rr e p r o d u c t i o n B a s e d o nt h ed e v e l o p m e n to ff u t u r ec o l o rm a n a g e m e n t , t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt w oi m p o r t a n c e c o m p o n e n t
6、s :o n ei st h eP r o f i l eC o n n e c t i o nS p a c e ( P C S ) ;t h eo t h e ro n ei sG a m u tM a p p i n g C I E C A M 0 2i sb a s e do nC I E C A M 9 7 sb u ti n c l u d e sm a n yr e v i s i o na n ds o m es i m p l i f i c a t i o n s T h e u n i f o r m i t yo fC I E C A M 0 2i sr e v i s
7、 e df r o ml o c a lt oi n t e g r i t yu s i n gt h ef o u rc o l o rd i f f e r e n c e d a t a s e t s ( B F D ,L e e d s ,R I T - D u P o n ta n dW i t t ) a n dt h eM u n s e l lR e n o t a t i o nD a t a A n di t s u n i f o r m i t yi si n v e s t i g a t e du s i n gt h eM u n s e l lR e n o
8、 t a t i o nD a t a ,t h er e s u l t ss h o wt h a t , t h er e v i s e d u n i f o r m i t yi sg r e a t l yi m p r o v e di nt e r m so fp a r t i a la n de n t i r es p a c e A tt h es a m et i m e ,t h e e x i s t i n gg a m u tm a p p i n ga l g o r i t h m sa r ec o m p r e h e n s i v ea n a
9、 l y z e d ,s u m m a r i z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c a n dt h ea p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n to fe a c ha l g o r i t h m F i n a l l y , an e wg a m u tm a p p i n ga l g o r i t h m , S L i g h t n e s s ,i sp r o p o s e dw h i c hi sb a s e do nt h eo p t i m i z e dC I E C
10、 A M 0 2 T h ea l g o r i t h mh a st w o c o m p o n e n t s :o n ei ss e q u e n t i a lo p e r a t i o ni nt h eh i g h l i g h ta n ds h a d o w , a n dt h eo t h e ro n ei s s i m u l t a n e o u so p e r a t i o ni nt h em i d d l et o n e T h e n , t h ea l g o r i t h mi se v a l u a t e du
11、s i n gs u b j e c t i v e a n do b j e c t i v em e t h o d s F r o mt h er e s u l t si tC a nb es e e nt h a tt h en e wa l g o r i t h mp e r f o r m e d s i g n i f i c a n t l yb e t t e rt h a nt h eS G C Ka l g o r i t h m ,a n ds l i g h t l yb e t t e rt h a nt h eH P M I N D Ea l g o r i
12、t h m I nt h ee n d ,b a s e do nt h er e s e a r c hr e s u l t s ,t h ec o l o rc o n v e r s i o np r o g r a mi sd e v e l o p e du s i n g V C + + T h ep r o g r a mi sar e a lt i m ea n dc o l o ra p p e a r a n c em o d e l b a s e dp r o g r a mw h i c hh a st h e f u n c t i o n so fi m a g
13、 er e a d i n g ,g a m u td e s c r i p t i o na n dg a m u tm a p p i n g K e y w o r d s :C o l o rA p p e a r a n c eM o d e l ,G a m u tM a p p i n g ,C o l o rD i f f e r e n c eD a t a s e t s ,M u n s e l l R e n o t a t i o nD a t a , U n i f o r mC o l o rS p a c e ,C o l o rM a n a g e m e
14、 n t M e n gF a n y a ( P u l p i n ga n dp a p e r m a k i n ge n g i n e e r i n g ) S u p e r v i s e db y 一P r o f e s s o rL i uZ h e n 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,均已在文申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
15、果由本人承担 学雠文储( 枞签舭鲫耍吵年莎月,孑日 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j 解密后适用本授权书本学位论文属于不保b ( 请在以上方框内打。 ”) 学位论文储( 本人签名) 益忍蓼哆年石月r 否日 抖蝴体魅觚壶仁
16、勿哪日 致谢 本论文是在导师刘真教授的悉心指导下完成的,从论文的立题到论文的最后完成,导 师刘真教授都倾注了大量的心血,在此向我的导师刘真教授表示深切的感谢,感谢她在硕 士期间对我的教诲。导师敏锐的洞察力、严谨治学的作风和精益求精的精神使我受益非浅, 终生受益。 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 给予我生活和学习上的帮助。 感谢师兄许向阳、同学杨晟伟、解娴婷师妹和于明伟师弟等在论文期间给予的帮助和 关心。 最后感谢我的家人,感谢他们对我的理解和支持。 第一章绪论 色彩管理是印刷复制过程中的一项关键性的技术,是保证颜色信息在各相关的彩色设 备、印刷材料和
17、工艺上准确传输的颜色一致性技术。在印刷复制过程中,色彩管理可以保 证原稿的颜色信息在经过扫描输入、数字化、加网分色、屏幕显示、打样、制版和印刷等 一系列过程后,输出后的颜色仍然能够最佳地还原原稿的颜色。印刷过程的数字化和集成 化推动色彩管理进入一个新的阶段,因此,数字集成印刷系统是开放的,其色彩管理也是 开放的。1 9 9 3 年由A d o b e 、A g f a 、A p p l e 、K o d a k 、F o g r a 、M i c r o s o f t 、S i l i c o nG r a p h i c s 、 S u nM i c r o s y s t e m s 和
18、T a l i g e t 等9 大电脑及电子影像发展商发起并成立了国际色彩联盟 ( I n t e r n a t i o n a lC o l o rC o n s o r t i u m ,I C C ) ,它制定了一个标准的色彩管理系统叫C C 色彩 管理标准,即通过定义一个通用的文件格式,允许用户混合使用由不同厂商提供的特性文 件,以达到相同的结果。 所有基于I C C 的色彩管理系统一般都包含以下四个基本组成部分:特性文件连接空 间( P r o f i l eC o n n e c t i o nS p a c e ,P C S ) 、特性文件( P r o f i l e )
19、、色彩管理模块( C o l o rM a n a g e m e n t M o d u l e ,C M M ) 和再现意图( R e n d e r i n gI n t e n t ) 【l J 。I C C 色彩管理系统的颜色转换的过程 是系统首先是查看源设备的特性文件,并建立一个设备值与P C S 颜色值的对应表,然后 再查看目标设备的特性文件,并建立一个P C S 颜色值与设备值的对应表,利用在C M M 中定义的插值算法,色彩管理系统用共同的P C S 颜色值把两个表连接在一起,从而组成 一个直接从源设备到目标设备的颜色转换表,最后色彩管理系统将源图像中的颜色值利用 这个转换表
20、依次从源设备转换到目标设备。而实现这个颜色转换过程需要如下三个阶段 【2 】:1 、校准( C a l i b r a t i o n ) ,是将设备调整到生产商定义的标准状态下,以确保它能够达 或精确到生产厂商的规范上;2 、特性化( C h a r a c t e r i z a t i o n ) ,由于设备材料都有自己的色 彩表现能力,因此特征化就是为每个设备材料建立色彩特性文件( P r o f i l e ) ,以便进行色 彩转换;3 、转换( C o n v e r s i o n ) ,就是在不同的设备或材料之间进行色彩的转换,以尽可 能复制出相同的颜色,这三个过程也可以简单地
21、称为3 C 。 在闭环的色彩管理阶段,色彩管理系统和色彩转换方案存在一个关键性的缺陷,即没 有对设备的特征化做一个明确的定义,因此I C C 定义了一个工作空间特性文件连接 空间,在这个空间中可以明确描述设备所能呈现的颜色范围色域。所有的源设备和目 标设备之间的颜色转换都是在这个特性文件连接空间中进行的,而特性文件连接空间本身 的视觉均匀性对于转换后颜色准确性存在根本性的影响。I C C 色彩管理选择C I E X Y Z 和 C I E L A B 颜色空间作为特性文件的连接空间【3 】,前者用于R G B 成像系统,而后者用于 C M Y K 成像系统,其中C I E X Y Z 颜色空间
22、是通过线形转换C I E R G B 获得的,而C I E L A B 颜色空间是非线性转换C I E X Y Z 获得的一个视觉均匀的颜色空间。 色域映射( G a m u tM a p p i n g ) 是保证颜色转换结果视觉匹配的一项关键技术。在彩色 复制过程中,色域映射就是利用一定的数学运算把颜色从一个颜色空间转换到另一个颜色 空间,转换的结果就是保证在不同设备和材料之间颜色再现的外貌尽可能视觉匹配。常见 的色域映射算法是I C C 规定的四种再现意图,即感知再现意图、相对色度再现意图、绝 对色度再现意图和饱和度再现意图,其中第一种感知的再现意图使用的是色域压缩的映射 方案,后面三种
23、色域映射方法使用的是色域裁切的映射反感,在具体使用时,根据不同的 再现方式和输出目的选择不同的再现意图即可获得较为令人满意的结果。 1 1 论文研究的背景 伴随科学技术的发展,新技术、新设备的采用推动印刷业,特别是数字印前以前所未 有的速度向前发展。企业信息管理系统的运用将印刷各个分散的部门、工艺和过程联系起 来,使之成为有机的一体,推动着印刷向数字办公、无纸办公和现代化办公的方向发展。 数字化工作流程的采用将过去分散的各个印刷工艺过程有机地联系起来,极大地提高了印 刷企业的劳动生产率,节约了生产成本,缩短了传统的生产周期。各种新设备的涌现,如: 计算机直接制版( C o m p u t e
24、rT oP l a t e ,C T P ) 、数码印刷设备、在线检测设备和墨区控制系 统,使印刷业向集成化、数字化的方向飞速发展,极大地提高了印刷的质量。互联网技术 的普及和新技术、新设备的采用,使印刷实现了异地印刷,异地打样,数码打样代替传统 的模拟打样,屏幕软打样代替传统的硬打样。所有的这一些极大的提高了印刷产品的质量, 印刷品的颜色外观得到了质的飞跃,但是我们也应该看到,新技术、新设备、新工艺的涌 现和采用,使印刷从传统的以经验为主向以技术为主的方向发展,从单纯的低水平劳动密 集型产业向离散的技术型产业发展,印刷企业越来越需要具有高技术的从业人员,各种类 型的培训机构、职业学校和大专院
25、校易地而起,为印刷业输送了大批的高素质人才。 初期I C C 开放式色彩管理机制适应了印刷颜色复制的发展要求,保证了印刷品颜色 的再现质量,极大地推动了印刷业的发展。这是因为传统的印刷复制都是在固定的环境条 件下进行的,颜色的调整、打样和输出往往都是在相同的条件下进行,从而保证了印刷品 的颜色再现质量。但随着计算机集成制造和多媒体时代的到来,人们往往需要在不同的观 察条件下或者是不同的媒体上再现原稿,需要能够预测不同观察环境下、不同照明和跨媒 体的色彩管理机制,而I C C 色彩管理机制已经越来越不能满足时代和跨媒体的发展要求。 为了能够研究出一种能够满足跨媒体环境下颜色复制的色貌模型,各国研
26、究科技工作者进 行了大量的实验,提出了很多的理论模型,1 9 9 7 年,C I E 推出了C I E C A M 9 7 s ,从而为色 貌模型作为颜色转换的连接空间提供了可能。2 0 0 5 年,M i c r o s o f t 和C a n o n 为新操作系统 W i n d O W SV i s t a 而研制出了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
27、 S 在不仅兼容传 统的I C C 色彩管理机制,而且还为适应跨媒体的颜色复制进行了重大的革新,例如采用 C I E C A M 0 2 取代C I A L A B 作为颜色转换的中间连接空间;采用实时的颜色转换模式取代 传统的预定义的颜色转换模式;并根据当今色域映射算法的最新成果提出了不同于I C C 四种再现意图的色域映射算法,所有的这一些都极有可能是未来色彩管理技术的发展方 向。 2 1 2 论文主要研究内容的现状和发展趋势 上个世纪八十年代末,计算机技术的发展给印刷业带来了巨大的冲击,电分时代封闭 的印前作业流程被开放的彩色出版系统所代替,原稿的输入、处理、拼版、打样和印刷等 工序需要
28、在不同的设备上进行,于是如何保证不同设备间、不同工序之间颜色一致性成了 一项关键性的问题,“所见即所得“ ( W h a tY o uS e eI sW h a tY o uG e t ,W Y S I W Y G ) 的概念被提出 【4 】。随后世界几大电脑和电子影像发展商倡导并建立了国际色彩联盟( I C C ) ,形成了色彩 管理统一的局面,并最终成为了事实上的国际标准。色彩管理技术是当前国际上比较热门 的研究领域,其中色差计算、色貌模型和色域映射等理论和技术是研究的焦点,研究的成 果不断推陈出新。本文主要的研究内容主要有色貌模型和色域映射两个方面,因此,此处 论述主要集中于色貌模型和色
29、域映射两方面。 色貌模型是指能够对明度、彩度和色相等色貌属性进行预测的数学模型【l 引。色貌模 型最早是日本的N a y a t a n i 教授提出的N a y a t a n i 模型和英国的H u n t 教授提出的H u n t 模型, 这两个模型经过不断的修正,目前最新的是N a y a t a n i 9 5 模型和H u n t 9 4 模型。上个世纪末, 美国M u n s e l l 实验室的F a i r c h i l d 教授提出了R L A B 模型,英国M R L u o 教授等提出了L L A B 模型,等等。其中N a y a t a n i 9 5 模型和H
30、u n t 9 4 模型是从颜色视觉形成机理出发,引用了过 去一些重要的研究结论并作了某些假设。R L A B 模型和L L A B 模型是在C I E L A B 颜色空 间的基础上,根据颜色传递、复制过程的特点,对C I E L A B 公式进行改进,并考虑色差 的计算。虽然传统认为C I E L A B 颜色空间是一个色貌模型,但C I E L A B 自身具有固有的 缺陷,具体表现在色相缺乏视觉均匀性、色差计算仅适合特定条件等,由于C I E L A B 自 身的诸多缺陷和跨媒体复制的发展要求,色彩管理对P C S 提出了新的发展要求,而用色 貌模型代替C I E L A B 作为颜色
31、转换的中间连接空间符合跨媒体环境下的颜色复制要求。 1 9 9 7 年C I ET C l 3 4 “色貌模型测试技术委员会”在综合各方面的研究成果的基础上统一 采纳C m1 9 9 7 临时色貌模型简版,简称为C I E C A M 9 7 s ,S 代表s i m p l e 。C I E C A M 9 7 的提 出使研究的重点集中到对这一模型的改进上,不久人们就发现了C I E C A M 9 7 存在的一些 缺点,并提出了相应的修改建议。最终C I E 于2 0 0 2 年又推荐了一个新的色貌模型 C I E C A M 0 2 ,C I E C A M 0 2 不仅对C I E C
32、 A M 9 7 存在的许多问题进行了修改,而且自身的性 能得到了极大的提高,对大多数感知属性的预测能力增强了【5 1 。因此,从某种意义上讲, 色貌模型不仅可以预测不同环境下颜色的色貌,而且自身具有很好的视觉均匀性。 另一方面,根据色貌模型的色貌属性值建立均匀颜色空间和色差公式是色貌应用研究 的主要内容之一。均匀颜色空间是指在一个三维颜色空间中,颜色视觉用坐标表示,任何 两点之间的距离为这两种颜色视觉的差的度量。为了克服C I E 色度图的不均匀性,C I E 于1 9 6 0 年根据麦克亚当的实验结果,制定了C I E l 9 6 0 均匀色度标尺图,1 9 6 4 年,C I E 在 C
33、 I E l 9 6 0 均匀色度标尺图的基础上改进了明度标尺,得到了最早的均匀颜色空间 C I E l 9 6 4U V W 。,为了进一步对评价颜色差别的方法予以统一,C I E 推荐了两个颜色空 间和色差公式,即C I E l 9 7 6L U v 和C I E l 9 7 6L A B ,并沿用至今。传统的色差计算都是基 于C I E L A B 颜色空间,但这个颜色空间本身并不均匀,色差计算得结果不能够正确反映 人眼感觉的颜色差别,为了使得计算得结果符合人眼的感知,各国科技工作者采用修正系 数以拟补C I E L A B 颜色空间不均匀而出现的计算误差,从而使计算得结果尽可能符合人
34、眼的感知。自C I E L A B 颜色空间推出以来,出现了各式各样的色差,如从最初1 9 7 6 年国 际照明委员会推荐的C I E L a b 和C I E L u v 色差公式到颜色测量委员会1 9 8 4 年推荐的C M C 色差公式,从1 9 9 5 年推荐的C I E 9 4 色差公式到2 0 0 1 年的C I E D E 2 0 0 0 色差公式,短短的 数年间色差公式层出不穷,计算得精度不断提高【6 ,7 8 一】。近年来为了拟补上述色差公式只 能计算单个色块的缺陷,出现了基于图像复制的色差计算系统S C I E L A B 色差计算系 统l lo 1 1 1 引,该色差计算
35、公式不仅继承C I E L A B 颜色空间的优点,而且还增加了人眼的空 间视觉特性,从而保证了计算的质量,本文对色域映射算法的客观评价就采用了该计算系 统。而C I E C A M 0 2 色貌模型作为C I E 最新采纳的色貌模型,一经推出,对其均匀颜色空 间的研究就在各国展开,并取得了一些成果。 色域是指不同媒体可以再现的颜色范围,通常可以分为设备色域和图像色域两种类 型。颜色复制流程中使用的各种设备,如显示器、扫描仪、数码相机、打印机和印刷机等, 由于这些设备成色的方式不同,因而就具有不同的颜色表现范围或者色域。理想的颜色复 制流程要求所使用设备的色域相互匹配,或者说色域完全吻合,但在
36、实际生产中这种情况 并不存在,例如,一般情况下,计算机显示器的色域要比打印机色域大,但又不能完全包 括打印机的色域,由此产生的后果是计算机显示器可以显示的某些颜色而打印机无法正确 的打印输出,同样打印机可以表现的某些颜色在显示器上也不能真实地显示。为了解决不 同设备和材料间色域不匹配的问题,在颜色转换过程中必须使用色域映射的方法以尽可能 保证颜色的准确传递。色域映射是色彩管理构成要素之一,是颜色准确转换的核心。在实 际生产过程中经常遇到的色域映射算法是I C C 色彩管理机制中的四种再现意图,即感知 再现意图、相对色度再现意图、绝对色度再现意图和饱和度再现意图。但这四种再现意图 往往针对某一类
37、图像有优势,其中感知的再现意图采用了色域压缩的映射方案,可以较好 地保证原稿的阶调和层次;其它三种再现意图采用了色域裁切的映射方案,在使用过程中 根据原稿和最终的输出用途选用合适的再现意图即可保证较好的质量。根据色域映射选择 的源空间是否与图像相关,可以将色域映射分为两种类型:第一种是设备到设备的,第二 种是图像到设备【1 3 1 。目前存在的绝多大数色域映射算法就属于第一类算法,如L L I N 、 L N L I N 、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。这类算法可以很好地 与I C C 色彩管理相
38、兼容,算法可以很容易写入I C C 特性文件中,但这种算法没有考虑转 换图像自身的特点,仅仅考虑源设备色域与目标设备色域的差别,后一种色域映射算法使 用图像的色域作为色域映射的源色域,这种算法考虑了图像的内容特征,不会把图像色域 外,但仍然在输入设备色域内的颜色纳入色域映射的计算中,因此这类算法普遍好于第一 种,是今后色域映射发展的趋势,但这种算法计算量比较大,对硬件配置要求高。 1 3 论文研究的目的和意义 I C C 开放式色彩管理机制已经越来越不能适应新时代色彩复制和跨媒体环境下的颜 4 色转换,而基于色貌模型的实时颜色转换方式是未来新色彩管理发展的方向。本文正是基 于未来色彩管理发展的
39、需要,重点研究了色彩管理中的两个重要组成部分:一是颜色转换 中间连接空间;二是色域映射。一方面充分分析了C I E L A B 颜色空间的不足之后,重点 分析了色彩学的最新研究成果C I E C 气M 0 2 ,并对C I E C A M 0 2 的视觉均匀性进行优化, 将优化后的C I E C A M 0 2 颜色空间作为颜色转换的中间连接空间;另一方面充分分析现有 的色域映射算法,总结出现有色域映射算法的优缺点和适用范围,最终提出基于优化后的 C I E C A M 0 2 色貌模型的色域映射算法,然后采用主客观的评价方法对该色域映射算法评 价,得出评价结果。最后将论文研究成果利用编程构建
40、颜色转换的程序,该程序采用基于 色貌模型和实时色彩转换模式,可以实现图像数据的获取,图像和设备的色域描述,色域 映射等功能。该研究成果不仅可以作为一个单独的模块应用于各种计算机操作系统和图像 图形处理软件中,而且还具有自主的知识产权,大规模推广可以提升国内软件的市场竞争 力。无论是课题的立项还是课题的研究成果都处在国内外同类研究的前列,提出了色彩管 理研究的一个新方向,具有极高的学术价值和极深的应用价值,成为后来同类研究的基础。 1 4 论文研究的主要内容 本论文研究的内容主要有以下几个方面: 一、C I E C A M 0 2 色貌模型视觉均匀性评价和优化 1 C I E C A M 0 2
41、 色貌模型视觉均匀性的评价 第一步:选用孟塞尔颜色体系中1 0 个主色作为实验数据; 第二步:利用V C 或者M a t l a b 建立颜色= - N 激值到C I E C A M 0 2 色貌模型转换的程序, 由于一般色域映射是在L C 即明度彩度( 饱和度) 的空间内进行的,因此对C l E C A M 0 2 色貌模型均匀性评价主要集中在明度,彩度( 饱和度) ,色相三个方面进行; 第三步:选择孟塞尔明度范围在1 到9 的数据进行实验。对明度均匀性的评价主要集 中在孟塞尔明度与输出明度之间的对应关系,以及相邻明度差之间的距离。在理想情况下, 孟塞尔明度与输出的明度之间应该成正比线性关系
42、,即为一条直线。 选择相同明度间隔( 、,= 2 ) 不同彩度的孟塞尔数据来实验。在理想的均匀色品图上, 各恒定彩度圈为半径等距且递增的同心圆,因此,对彩度的评价可以从等彩度圈接近圆形 的程度以及各彩度圈的间隔是否均匀来进行。 在理想的均匀色品图上,各恒定色调线为从色品图的非彩色点向四周辐射的直线,并 且任意两相邻色调线间的夹角相等。由此可知,从色品图中各色调线的情况可以判断此色 品图的均匀性。 根据以上的标准来对C I E C A M 0 2 色貌模型颜色均匀性进行评价。 2 C I E C A M 0 2 色貌模型视觉均匀性的优化 第一步:利用国际上通用的四种色差评估数据( B F D 、
43、L e e d s 、R I T - D u P o n t 和W i t t ) 对C I E C A M 0 2 进行局部视觉均匀性修正,修正的方法以线性回归的方法进行并对优化结 果进行选择以用于后续的实验; 第二步:利用孟塞尔新标数据对C I E C A M 0 2 色貌模型做整体均匀性的修正; 第三步:利用孟塞尔新标数据对修正前后的C I E C A M 0 2 色貌模型进行检验。 二、基于优化后C I E C A M 0 2 色貌模型新色域映射算法的设计 第一步:分析现有的色域映射算法,找出各种算法的优缺点,以及适用的图像类型。 第二步:根据第一步的结果并结合优化后的C I E C
44、A M 0 2 色貌模型颜色均匀性特征, 决定新的算法是采用先压缩明度,再压缩彩度,还是明度和彩度同时压缩,或者将前两者 结合形成新的综合性算法,从而提出新的算法。 第三步:为了保证色域映射的准确性,首先使用相同的I C C 特性文件作为源和目标 进行转换,如果图像的颜色数据不变化,则使用大小不同的特性文件分别作为源和目标进 行转换,根据转换的结果,对算法进行改进。 第四步:如此反复,直至算法的结果令人满意为止。 三、色域映射算法的评价 对色域映射算法的评价我们采用主观评价和客观评价相结合的方法。 主观评价:算法的主观评价是在两台显示器上进行,分别对这两台显示器做色彩管理, 参与评价的实验者为
45、2 0 名,采用绝对评价和相对评价,选用I S O 、G T A F 、I C C 等推荐的 专用于测试和评价的1 0 幅图像,分别对每幅图像进行评价,并分析评价结果,从而得出 每幅图像的质量。 客观评价:客观评价是使用图像色差计算系统S C I E L A B 和数字图像处理领域中的成 熟的评价指标如:均方根误差( M S E ) 、峰值信噪比( P S N R ) 和结构相似性( S S I M ) 。 综合主客观评价结果得出评价结论。 6 第二章C I E C A M 0 2 色貌模型视觉均匀性分析和优化 1 9 9 7 年C I ET C1 3 4 ( 色貌模型测试技术委员会) 同意采
46、纳了C I E C A M 9 7 后,人们 研究的重点便转向对该色貌模型的验证和改进,很快研究人员发现了C I E C A M 9 7 s 的一些 缺陷和不足,并提出了相应的修改建议,最终于2 0 0 2 年C I E 又推出了新的色貌模型 C I E C A M 0 2 ,C I E C A M 0 2 是以C I E C 气M 9 7 s 为基础,C I E C M 0 2 不仅对C I E C 舢v 1 9 7 s 存在 的许多问题进行了修正,而且性能也得到了很大提高,对于大多数感知属性的预测能力提 高了,对饱和度的预测尤其好1 4 。1 训。本文对C I E C A M 0 2 的研
47、究主要是侧重于在色彩管 理中的使用,而I C C 色彩管理是广泛使用的色彩管理系统,因此论文又介绍了I C C 色彩 管理系统中特性文间连接空间的特性和优缺点。 2 1 现代色彩管理P C S 的特点 多年来I C C 色彩管理一直采用C I E X Y Z 或者C I E L A B 颜色空间作为颜色转换的中间 连接空间。C I E X Y Z 或者C I E L A B 都是对色刺激的度量,与传统的物理设备无关,使用 C I E X Y Z 或者C I E L A B 作为P C S ,可以保证源图像和复制图像的色刺激一致。但随着时 代的发展,仅仅保持色刺激相同是远远不够的,这是因为两种不
48、同颜色的光谱积分值是有 可能相同的,也就是说两个颜色相同则它们的色刺激一定相同,但反过来则不一定成立。 因此现代色彩管理的目标是保证复制图像与源图像色貌一致。色貌不仅仅与色刺激相关, 而且还取决于观察者对周围环境的适应情况。在不同的观察环境下,为了获取相同的色貌 就必须进行色适应的转换,色适应转换的结果是调整颜色在不同环境下的三刺激值,从而 实现色貌的匹配,从这个角度上讲,颜色转换的中间连接空间必须是色貌模型。而C I E X Y Z 不是色貌模型,C I E L A B 是简易的色貌模型,也存在多方面的问题和缺陷【4 】,主要表现在 以下几个方面: + 1 C I E L A B 颜色空间的
49、色相缺乏视觉上的均匀性,即颜色空间中具有相同色相 角的颜色在视觉上并不是相同的颜色,特别是在红色和蓝色区域尤为明显, 如图2 1 所示。 2 C I E L A B 色差公式是建立在恒定视觉条件下单个色块的基础之上,因此它只 能计算特定环境条件之下色块的颜色差别,而不能预测不同视觉条件下颜色 的差别。 3 C I E L A B 只适合衡定环境条件下的颜色复制,而不适合跨媒体的颜色复制, 尽管C I E L A B 被认为是近似的色貌模型,但由于它只能用于预测相同条件下 的颜色预测,因此不能满足现代色彩管理的需要。 图2 1 孟塞尔明度V = 6 时C I E L A B 色品图 因此,以C I E X Y Z 或C I E L A B 作为P C S 的I C C 色彩管理机制已经越来越不能满足时 代的发展要求,未来色彩管理必须要找到能够代替C I E X Y Z 和C I E L A B 颜色空间的色貌 模型作为颜色转换的中间连接空间,并且该色貌模型要具有如下特点:第一,较好的跨媒 体颜色预测能力,能够预测不同环境下颜色的色貌和各种色貌现象;第二,具有良好的视 觉均匀性,在颜色空间中两点的颜色差别与人眼感知的差别
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