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基于i c c 标准的图像色彩模拟研究及应用摘要 摘要 本论文的主要研究内容是不同设备上图像色彩的相互模拟问题。本文的研究来 源于中山大学与广州市快美印务有限公司的合作研究课题“色彩处理软件开发研究 项目”，本文的工作为该项目的研究和具体实现提供了支持。重点研究并实现了色域 在进行匹配映射时根据拓扑结构变化特点构造的匹配方法并给出一些结论的理论证 明，同时针对实际输出数据进行了具体的数码打样应用。 在目前工业中，彩色图像在不同i o 设备中的色彩表达基于不同色域机制，即 使基于相同色域的不同设备又有较大的特性差异，因此如何在各种图像设备和系统 平台上高品质地模拟其它图像设备和平台上的彩色图像一直困扰着工业界。如何有 效地解决这一工业实际问题引申出了本文的研究，本文侧重于从色域匹配这一角度 来解决该问题，并进行了实际应用。文中首先对该课题的历史背景和研究状况进行 了系统回顾，然后重点介绍并分析了色域理论和色彩管理理论，在此基础上展开本 文的研究，在基于i c cp r o f i l e 的色彩再现机制中，利用哪表与打印机色域特征，提 出了一种新的色域匹配插值方法，实现了l + a b 色域到c m y k c m k 色域的匹配该算 法具有开放性、实时性和自适应性。另外本文对目前各种色彩管理体系机理及模型 进行了系统的分析，评价和总结，对典型方法分析归纳了主要思想和机理。最后通 过对目前存在问题的分析，指出本课题继续研究的方向及应用趋势。 本文的主要贡献和创新可概括如下：提出了一种基于u 盯表的从l + a 。b 色域 到c m y k c m k 色域的匹配方法，通过基于设备无关色域体系的i c cp r o f i l e 机制在 e p s o n9 6 0 0 七色打印机上成功实现。本文从色彩管理理论和数码打样的具体问题出 发，着重从打印机色域范围向印刷机色域压缩匹配这一角度来展开本文的研究工作， 研究目标的实现主要是基于i c cp r o f i l e 机制，通过对打印机的纸张线性和油墨线性 压缩，以及色域的非线性插值匹配方法来实现研究目的。基于本文的研究工作所研 发的色彩管理系统能够成功地应用在打印机模拟印刷机色彩输出效果的数码打样 中，系统的运行速度较快，取得了较好的实际效果另外本文的研究成果对其他不 同终端下的图像色彩保真和再现研究领域同样具有一定的研究与应用参考价值。 关键词：色彩模拟，色域匹配，色彩管理，色彩再现，设备特性 基于i c e 标准的图像色彩模拟研究及应用a b g n b 蝴 i nt h i s t h e s i s ，w ec o n c e n t r a t eo ns t u d y i n gi m a g eh u es t i m u l a t i o nb e t w e e n f a c i l i t i e s t h es t u d yi sf o c u s e do n c o n s t r u c t i n ga n dr e a l i z i n gag a m u tm a p p i n g m e t h o d a c c o r d i n gt ot r a n s f o r mc h a r a c t e r so f t h et o p o l o g ys t r u c t u r e t h e o r e t i cp r o o f so f s o m e r e s u l t sa 托p r o p o s e d a n dt h ei n d u s t r ya p p l i c a t i o n sa r ec a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h e o u t p u td a t a f r o mf a c t o r i e s i nt h ec u r r e n ti n d u s t r y , c o l o ri m a g e ss h o w e d b yd i f f e r e n ti od e v i c e sm b a s e d o nv a r i o u ss y s t e m so fc o l o rg a m u t y e te v e ng i v e nt h ed e v i c e sb a s e d0 nt h es 呦e g a m u tw e a l s oc a n n o tg e tt h ev e r yr e p r o d u c t i o no ft h eo r i g i n a lo n eb e c a u s eo ft h e c h a r a c t e rd i s t i n c t n e s sa m o n gd e v i c e s , s ot h ep r o b l e m o f g e t t i n gh i g hq u n l i t yo f c o l o r r e p r o d u c t i o nb y t h eo t h e rs e r v i c e si sa l w a y s p u z z l i n gt h ei n d u s t r i e s h o w t os o l v et h e i n d u s t r i a lp r o b l e mi st h em a i na i mo f t h i st h e s i s t h et h e s i si ss t r e s s e dp a r t i c u l a r l yo n g a m u tm a p p i n g a n di t sr e a l i z a t i o n t h eh i s t o r y b a c k g r o u n d a n dt h es t u d ys t a t u so f t h e r e s e a r c hi s s u e sa r er e v i e w e d f i r s t l y , t h e nt h et h e o r yo fc o l o rg a m u ta n dc o l o r m a n a g e m e n ta r eo v e r v i e w e da n da n a l y z e d w ep r o p o s eai n t e r p o l a t i o nm e t h o do f g a m u tm a p p i n g b y t h i sm e t h o dt h et r a n s f o r m a t i o nf r o m g a m u t l + a + b + t o c m y k c m kc a nh er e a l i z e d t h em e t h o dp r o p o s e dh a st h ec h a r a c t e ro f s e l f - a d a p t i n g w i t ho u ra n a l y s i s , a p p r a i s e sa n dt h es u m m a r i e s , t h ep o p u l a rm e t h o d sf o rt h ec o l o r m a n a g e m e n ts t u d y a l s os o m eo f t h et e c h n i c a lm o d e l sa g oe x p o s e di nt h i st h e s i s a f t e r s u m m a r i z i n g ，w eg e tt h em a i ni d e aa n dt h em e c h a n i s mo f t h ep o p u l a ro n e sb a s e d w h i c hw es h o wt h ec u r r e n ts t a t eo ft h es t u d i e sa n dt h e a p p l i c a t i o n s o fc o l o r m a n a g e m e n t t h ef i a t h e rs t e po ft h es t u d y i n t h i sa r e aa n dt h e w a y so ff u t u r e a p p l i c a t i o n a 糟a l s og i v e ni nt h i sp a p e r t h em a i nc o n t r i b u t i o na n di n n o v a t i o nc 蛆h es u m m a r i z e d 踮f o l l o w s ：am e t h o d o fg a m u tm a p p i n gf r o mg a m u tl + a + b + t og a m u tc m y k c m ki sp r o p o s e d 。a n dt h e m e t h o dh a db e e nc a r r i e do u ti nt h ee p s o n9 6 0 0p r i n t e rb a s e do ni c cp r o f i l e m e c h a n i s m f u r t h e r m o r e ，s o m er e s e a r c hi d e a sa n do p i n i o n sa r ep r o p o s e da n dt h e a p p l i c a t i o ni ss u c c e s s f u l l y c a r r i e di nt h ea 嘲o f d r a w i n g d e s i g nd i g i t a l l y m o r e o v e r , 基于i c c 标准的图像色彩模拟研究及应用 t h er e s u l t so f t h i st h e s i sh a ss o m er e f e r e n c ev a l u ei nt h em e ao f i m a g er e a p p e a r a n c ei n d i f f e r e n tt e r m i n a l k e y w o r d s c o l o r s i m u l a t i o n , g a m u tm a p p i n g ，c o l o rm a n a g e m e n t , c o l o r r e p r o d u c t i o n , d e v i c ec h a r a c t e r 1 1 1 基于i c c 标准的图像色彩模拟研究及应用第1 章绪论 第1 章绪论 1 1色彩模拟的问题背景和研究意义 人类一直在努力地认识并表达世界，丽在使用不同方式表达世界的时候就涉 及到如何将各种表达效果最大程度地统一起来达到一致的问题。在如何表达自然 世界的图像和色彩方面，人类的技术是e l 新月异，数码相机，显示器，打印机， 日】届4 机都能够输出非常逼真的图像和色彩【l 】。由于不同的设备采用不同的表示原 理和机制，比如显示器基于r g b 色域，印刷机基于c m y k 四色空间，打印机色 域最复杂，从简单c m y 三色域，常用的c m y k 四色域，到复杂的c m y k c m 六 色域，甚至c m y k c m k 七色域等，即使基于相同色域的不同设备又有较大设备 特性和色彩表达能力差异。因此要在不同色域体系下，不同i 0 色彩设备间实现 高品质相互色彩模拟已成为色彩管理( c m c o l o rm a n a g e m e n t ) 的一个新兴研究 领域嘲。 本文的研究方向和研究内容主要是面向数码打样这一实际课题的，印刷厂给 客户制作印刷品时，需要先打样，印前样张( 最终合同样张) 主要有两个作用； 一是让用户提前看到最终印刷品将实现的印刷效果，并作为合同依据：二是作为 印刷厂在印刷时进行颜料调配、设备调试的参照物，并以此作为最终印刷效果的 检验标准。传统打样是胶片打样，两制做胶片耗费的设备和人员都很多，这个工 序可以用数码打样来替代，如果可行，则节省耗费无数。所谓数码打样，就是通 过色彩管理，直接在打印机上输出模拟印刷机输出效果的样张，取代传统的胶片 打样。数码打样方式显然是更方便快捷而且高效的。数码打样问题简单说就是用 打印机来模拟印刷机的色彩输出效果，本文主要研究用e p s o n 9 6 0 0 七色打印机来 模拟四色印刷机这一实际课题，研究问题主要是设备的色域不相同，设备特性和 输出机制也不同，因此需要研究色域匹配等方法来研发出一个转换匹配平台。 本课题的研究有很广阔的实际应用前景，研究成果和技术同样可以推广到其 它各种终端设备上，比如让显示器表达出打印机输出或印刷机输出的效果，让电 基于i c c 标准的图像色彩模拟研究及应用 第l 章绪论 视机表达出数码相机的图像输出效果等等。 1 2 色彩模拟的研究和应用现状 1 2 1 色彩模拟在国内外的研究现状和研究进展 在不同色域体系下的不同f o 色彩设备间实现高品质相互色彩模拟已成为色 彩管理( c m c o l o rm a n a g e m e m ) 领域中一个越来越引起重视的新兴研究课题。 1 9 9 8 年，s i g g r a p h 将c m 正式纳入计算机图形学领域，这标志着c m 开始成为 图形图像学界又一重要研究内容。 为便于研究c m 和统一其技术的规范标准，国际上成立了专业组织国际色彩 联盟i c c o n t e r n a t i o n a l c o l o rc o n s o r t i u m ) 和国际照明委员会c i e ( c o m m i s s i o n i n t e r n a t i o n a l ed er e c l a l r a g e ) 。i c c 定义了设备色彩特性的标准描述，制订了一整 套面向设备和操作的色彩标准规范，并试图提供一套贯穿整个色彩再现过程的标 准机制。c i e 虽致力于光科学和照明科学，但它长期以来制订发布的 r g b ，x y z ，l a b ，l u v 等系列表色体系奠定了色科学理论基石，其中l a b 和 l u v 等设备无关表色体系完全涵盖且大大超出目前所有基于设备体系的色 域，c i e 的标准设备无关空间不仅为设备相关色域间提供中间转换平台，更为设 备的色彩表达特性提供了标准描述。另外c i e 从1 9 9 6 年开始研究的色彩外观模 型( c o b ra p p e a r a n c em o d e l ，c a m ) 对不同观察条件和不同光源下的色彩调适 ( c h r o m a t i ca d a p t a t i o n ) f t t j 色彩再现( c o i o rr e p r o d u c t i o n ) 都取得了开拓性进展。 目前，由于认识到c m 在色彩模拟与色彩调适等图像处理领域巨大的应用前 景，c m 的研究愈加被许多大学、研究机构和工业界重视，其中著名的有美国k i t 的t h em u n s e l lc o i o rs c i e n c el a b ，美国u ci r y i i l e 的t h ev i s i o nr e s e a r c hg r o u p 和 英国c o b ra n di m a g i n gi n s t i t u t eo f d e r b yu n i v e r s i t y 等。 基于i c c 标准的圈像色彩模拟研究及应用第1 章绪论 1 2 2 色彩模拟技术的应用现状 随着当代科技的迅猛发展，色彩模拟技术的应用也越来越广泛，其应用点有： 各种数码设备的色彩管理。色彩再现输出，图像色彩处理，以及图像色彩的w e b 技术( 图像色彩在不同网络终端上的实时再现技术) 等等。越来越多的研究团体 以及企业集团开始致力于研究和解决工业色彩使用中出现的各种图像色彩问题， 到目前为止已经取得了很大的研究进展，也开发出了一些相关应用产品，下面我 们对其中比较有代表性的研究成果和应用产品进行一下总结和回顾 ( 1 ) a d o b e 的p h o t o s h o p 色彩管理系统 作为a d o b e 公司最著名的图像处理软件，p h o t o s h o p 在图像处理方面具有其 不可替代的地位。同时。a d o b e 公司还极力把p h o t o s h o p 发展成为一个完整的色 彩管理系统。p h o t o s h o p 软件的色彩管理特性是由 m o n i t o rs e t u p - - 显示器设置、 p r i n t i n gi n k ss e t u p ”一印刷油墨设置和s c p a r a t i o ns e t i l p 竹一分色设置等一起来控 制的。它能够模拟r g b 、c m y k 以及l a b 等各种色彩体系在显示器、打印机等 不同设备上色彩输出的表达效果，也有色彩的模拟等转换功能不过它主要是依 据大量的实验和测量总结出来的经验转换公式来进行色彩模拟的，没有针对具体 输出设备的实时和开放型的色彩模拟功能。 ( 2 ) a p p l e 的c o l o r s y n c 色彩管理系统 c o l o r s y n c 是由苹果公司研究开发的一个开放式色彩管理系统，它采用i c c 标准，以l a b 色空间作为标准参照空间。具有开放性和实时性，用户还可以通过 c o l o r s y n c 的p l u g - i n 模块进行不同色彩管理系统之间的色彩转换该系统主要有 兰部分，标准色彩描述文件( i c cp r o f i l e ) ，色彩匹配模块( c m m ) 和应用软件 界面( a p i ) 。设备描述文件定义了设备的颜色特性，通过这些特性可以获取所 使用设备的色彩表达范围，进一步由不同设备的设备描述文件通过c m m 迸行色 彩匹配处理后可以实现设备之间的色彩模拟它代表了色彩模拟和色彩管理技术 的一种研究趋势。 ( 3 ) k o d a k 的色彩管理系统 与a p p l e 的c o l o r s y n c 和a d o b e 的p h o t o s h o p 不同。k o d a k 的色彩管理系统 倾向于用模块化的方式进行色彩管理。而且提供了几种局部性的模块，将这些块 基于i c c 标准的图像色彩模拟研究及应用第l 章绪论 组台在一起就可以构成一个完整的色彩管理体系。而且它还具有针对p h o t oc d 图像输入过程的色彩管理功能。k o d a k 色彩管理系统一般包括i ( p c m s 、d c p 、 p i c c 以及p c s l 0 0 四个模块，它们既可分别使用，也可组合成为一个完整的色 彩管理系统。k p c m s 模块( k o d a k 精密色彩管理系统) 提供了足够多的符合i c c 标准格式的设备描述文件。d c p 模块( 设备色彩描述文件启动软件包) 是专为 p h o t oc d 图像提供显示和输出色彩校正的软件包，当打开p h o t oc d 图像时，要 求用户选择两个设备描述文件，输入设备描述文件是一个p h o t oc d 设备的描述 文件，输出设备描述文件可以是显示器描述文件，也可以是一个色彩打样机描述 文件。p i c c 模块( 精密输入色彩特性化) 提供一扫描仪实用校准程序而增强了 d c p 的功能。另外对于高级的图像处理和扫描应用程序，k o d a k 提供了p c s l 0 0 模块加速p h o t oc d 图像的色彩转换过程。利用p c s l 0 0 模块，可以生成各种设 备之间的直接链接，以跳过c i e 色空间的中间转换过程，节省每次转换的时间 以及转换过程中的色彩损失。 研究和应用总是既互为源又互为终的，它们始终在相互推动着。对色彩模拟 的研究和应用目前的热点还有色彩的网络实时再现技术，就是图像色彩在网络的 不同终端上的实时再现和实时相互模拟，另外对色彩稳定性口】和图像色彩连续性 的研究也是目前的研究热点嗍。耳前技术考虑先从以下两个不同胄l 度对色彩模拟 问题进行研究和解决，一种方法是基于特征化原设备的部件和基于终端输出设备 部件的双部件构成技术，另一种解决方法是使用基于软件的色彩拾取器技术。 1 3 论文的研究内容和组织结构 本文的研究任务主要来源于中山大学与广州市快美印务有限公司的合作项 日“色彩处理软件开发研究项目”，该项目为中山大学的纵向研究课题，项日编 号是3 5 2 4 0 - 7 1 0 1 0 1 2 。本文的研究为该项日的研究和具体实现提供了支持。 图像设备之间的色彩模拟等色彩管理技术作为计算机图像处理领域中的重 要研究课题之一，其研究越来越受到重视研究成果也在迅速得到具体应用，本 论文主要研究不同设备上图像色彩的相互模拟问题，重点研究并实现了色域在进 4 基于i c c 标准的图像色彩模撕究及应用第l 章绪论 行匹配映射时根据拓扑结构变化特点构造的一种匹配方法并给出一些结论的理 论证明，同时针对实际输出数据进行了具体的数码打样应用。 在第l 章中，我们系统的回顾了设备间的色彩模拟和色彩管理等技术的发展 历史、研究范畴与内容，研究意义，并着重讲述了色彩模拟的研究现状，应用现 状，并陈述了一些技术问题，在此基础上引申出本论文的研究课题。 第2 章中，我们概述并分析了色彩模拟和色彩管理技术的基本理论。首先叙 述了色彩管理中的一些基本概念，这些是本论文讨论和研究的前提和基础，然后 概述并分析了色彩的一些重要表达理论，并对色彩管理体系及一些色彩管理模型 进行了分析，指出其一些优缺点，然后我们对i c c 标准以及i c cp r o f i l e 的结构 和作用进行了介绍和分析，接着我们对基于i c cp r o f i l e 的设备特性以及i t 8 标准 色块进行了简单介绍，最后对图像的色彩误差量化评定方法进行了析述。 第3 章中，我们提出了色域匹配方法的设计思想并建立了方法的理论基础， 并给出了对这些理论的分析。基于这些设计思想和理论基础进行了灰度平衡的设 计、基本线性化的设计、以及基于i c cp r o f i l e 的色域匹配，还有不同分辨率下 像素色值的匹配。这些是实现色彩模拟和色彩管理系统的一些主要技术，所提出 的方法较容易编程实现，方法的计算速度较快。 第4 章中，我们把色域匹配方法和色彩管理技术在数码打样问题中进行了具 体应用，首先根据数码打样问题分析系统要求和设计的目标，然后利用色域匹配 技术提出了解决方案和系统的设计流程。给出了系统设计一些关键模块的数据结 构和算法，最后给出了系统应用的一些实际效果。 第5 章中，总结了全文的研究成果和所做的工作，分析了本文的创新点和应 用点，阐述了其理论和应用的意义，并分析了本文的一些不足和原因，最后对下 一步工作的展开提供了一些建议。 基于i c c 标准的图像色彩模拟研究及应用 第2 章色彩管理理论及其分析 第2 章色彩管理理论及其分析 色彩管理从某种意义讲，是一个关于色彩信息在另外一种平台上的正确解释 和处理的技术领域，即从人们对色彩的感觉角度出发来进行色彩数据的转化和处 理。客观地说，就是在色彩失真最小的前提将图像的色彩数据从一个色空问转换 到另一个色空间的过程，转换的方式方法各种各样，本章主要就是描述并分析各 种色彩管理的理论和主要的转化处理方法。 在本章中，我们首先叙述了色彩管理中的一些基本概念，这些是本论文讨论 和研究的前提和基础，然后概述了色彩模拟和色彩管理技术的基本理论，对色彩 的表达理论发展历史和性能特点等进行了述析，对色彩管理体系及一些色彩管理 模型进行了分析，指出其一些优缺点然后对i c c 标准以及i c cp r o f i l e 的结构 和作用进行了介绍和分析。接着对基于i c cp r o f i l e 的设备特性以及i t 8 标准色块 进行了简单介绍，最后对图像的色彩误差量化评定方法进行了析述。 2 1 色彩理论中的一些基本概念 人类在古代就有彩色绘画，这说明人类对色彩的认识和应用由来已久，然而 直到牛顿发现太阳光通过三棱镜发出彩色光谱后才迈入色彩科学的新纪元，在 1 6 1 7 世纪间有很多关于光的反射、折射的研究，先是德国物理学家o s t w a l d 的色彩论，然后物理上通过对光线波长的研究，开始对色彩通过色谱【5 】来研究， 才揭开了对色彩研究的科学序幕，至2 0 世纪初期美国m u n s e l l 表色体系的出现， 才为色彩的研究定下理论研究的基础，然后2 0 世纪上半叶c i e 制定的一系列色 彩体系和理论为色彩科学奠定了较为坚实完善的科学体系下面简单介绍一些重 要的色彩理论中的一些概念。 ( 1 ) 色彩三属性：色调、彩度与明度 色调( h u e ) 又称为色相，是指色彩的相貌，或是区别色彩的名称或色彩的种 基于i c e 标准的图像色彩模拟研究及应用第2 章色彩管理理论及其分析 类，而色相与色彩明暗无关。苹果是红色的，这红色便是一种色相，如红、橙、 黄、绿、蓝、靛、紫等基本色。色相的种类很多。色彩专业人士可辨认出三百至 四百种，但假如要仔细分析，可有一千万种之多而黑、灰、白则为无彩色。 彩度( c h r o m a ) 指色彩的强弱，亦可说是色彩的饱和度( s a t u r a t i o n ) ，色彩纯与 不纯的分别。纯粹色彩度发挥其固有之特性，其中毫无黑白色之混入，达饱和度 之色或称纯色。也就是当纯色与黑、灰、白或其它色彩混合以后，彩度就会降低， 如此说来粉红色、粉蓝色、粉绿等色，便是低彩度的颜色，黄色的彩度最高，其 次是橙、红、青、紫。 明度( v a l u e ) 是指色彩的明暗程度，光度的高低，要看其接近白色或灰色的程 度而定，越接近白色明度越高，越接近灰色或黑色，其明度越低。如红色有明亮 的红或深暗的红、蓝色有浅蓝或深蓝；无彩色明度的最高与最低，分别是白色与 黑色；在彩色中，黄色明度最高，紫色明度最低。 ( 2 ) 加色法( a d d i t i v ep r o o 嘲) 基于加色法的色彩是指从黑色开始的，纯黑色代表没有任何色彩的光线，就 是没有光线便没有色彩。这牵涉到发出光后才会有反射光对于发出的光，可由 红、绿、蓝三个主要光波，当以不同比例结合时便产生一个完整的光谱，包含所 有的色彩。 混合任何二种加色的主色光所产生的另种色彩称为二次色光，例如：红和绿 光的混合会产生黄光，红和蓝光产生洋红光，蓝和绿光产生青光。等量的三种主 色光合成后产生的光定义为白光 加色法以r g b 三原色为代表嗍，以三台幻灯机为例，各台分别放上红、绿、 蓝色滤色片，便能说明加色法如何运作，光束经调整使之重叠，在没有专业仪器 的帮助下一般不太容易识别判断滤色片的功能，比如，蓝滤色片并非滤掉蓝光波， 而是阻断红、绿光波，让蓝光波通过；绿滤色片仅通过绿光，阻断蓝和红光波； 红滤色片则仅通过红光，阻断绿和蓝光波。 ( 3 ) 减色法( s u b t r a c t i v ep r o c e s t s ) 基于减色法的色彩主要是当光线透过颜料或有色物体所吸收或吸收去某些 波长而反射的光线，减色法的主色为青、洋红、黄等三色，能组合成红、绿、蓝 等二次色，等量的三主色组合时理论上应该成为黑色 基于i c c 标准的图像色彩模拟研究及应用第2 章色彩管理理论及其分析 减色法能让我们看见周围物体的色彩，譬如：一个绿球，在白光中出现绿色 是因为此球吸取红、蓝波长，而反射出绿色。当然，若光源中只发出红、蓝光( 或 是洋红光) ，此球将出现黑色，因为绿球上没有绿波长可反射出来。 打印和印刷都是利用减色原理，印刷机在纸上或其它被印物上印上青、洋红 和黄等三种主色色墨，则必须使用反射光来作业，从白纸上反射出红、绿和蓝色 光量，彩色印刷是利用大小不同的半色调网点以不同的角度一层层叠印在纸上而 产生全彩，不同大小网点的效果与显示器上不同的红、绿和蓝磷光强度相似。 纸张做为对色彩模拟和复制的承载物起着重要的影响，因为纸张反射未吸收 的光线到观看者，表面反射越强，如涂布纸，能产生的色彩范围越广。 ( 4 ) 灰色空间( g r a ys p a c e s ) 灰色空间又叫灰度空间，灰色空间典型上只有单一成分，其范围是从白到暴， 灰色空间用于黑白和灰色级数的显示与印刷。若以l o o 来表示，o 时为白色， 1 0 0 为黑色，那么从l 到9 9 均为灰色，只是程度不同，数目越小越接近白灰色， 数目越大越接近黑灰色。 ( 5 ) 色彩转换( c o l o rc o n v e r s i o n ) 色彩转换是将色彩从一种色彩空间转变成另一种色彩空间的综合过程 不同的色彩设备( 打印机、扫描仪、显示器、印刷机、数码相机) 在不同色 彩空间中工作且每种都有其不同的表达色域或所能产不同生的色彩范围例如： 不同的彩色显示器虽同样使用r g b 色彩，但可能有不同的r g b 设备色域。印 刷机用c m y k 工作空间在其设备色域中有比较大的变化。特别是如果使用不同 的印制技术，即使同一台印刷机的设备色域也会因为使用的墨水或输出纸张种类 不同而有较大的变化。色彩转换是调整转换后的色彩从一种色彩空间的设备色域 到另一种设备色域上并尽量使两者达到输出效果达到最大的相似程度的过程从 某一个显示器上由r g b 色彩或是s r g b 色彩转换成某一台印刷机上的c m y k 色 彩，在使用不同的纸张种类时会导致不到的输出结果。因此色彩转换还要考虑纸 张线性和油墨线性。 当彩色图像输出到一台显示器或印刷机时，该设备仅显示该设备的设备色域 以内的色彩，同样，当扫描产生影像时，仅将扫描仪设备色域以内的那些色彩保 存下来，其他不在设备色域内的色彩就会通过近似模拟来用一个设备色域内色彩 基于i c c 标准的图像色彩模拟研究及应用第2 章色彩管理理论及其分析 代替，因此色彩在不同的设备终端输出时必须进行设备色域间的匹配和转换。 由于各设备之间的设备色域各有不同，因此不可能在各设备间有绝对完美的 色彩匹配和转换，色彩管理模块( c m m ) 负责进行设备色域之间的匹配和转换， 选择最接近的匹配色彩来完成色彩图像的最佳模拟。 c m m 色彩管理软件使用数据图表示或色彩转换引擎，在色彩管理软件的应 用方面，c m m 把色彩数据从一种设备色彩通过设备无关的色彩空间这一中间转 换平台来转换为被模拟的设备色彩。c m m 从数据中得到处理信息，能从一种设 备到另外一种设备间最大程度地转换和模拟色彩，最终达到设备不同，呈色机制 不同，但输出效果在视觉效果上是一致的。 当在校样机和屏幕上仿真印刷机的输出效果时，可运用c m m 将屏幕数据 图、校样机数据图、印刷机数据图等数据传输到c m m 内，通过分析处理将匹配 数据传送给屏幕。处理得出的数据均是由终端设备直接输出。c m m 可以内建或 是安装在操作系统中，这样可以实现实时和开放地模拟色彩。 ( 6 ) 灰平衡 由于y 、m 、c 这三种色彩理论上能够合成出纯黑色，但由于杂质等原因， 这三种色彩的油墨是无法合成出纯黑色的，需要用黑色油墨来代替一定的y 、m 、 c 油墨，如何以取代比例来达到晟佳输出效果就是这里灰平衡的研究内容。中性 灰是指y 、m 、c 这样一系列的颜色，它们等量吸收r 、g 、b 三色光。只有明 度的变化而没有色相和彩度的变化。当色料三原色y 、m 、c 实地或者网点以适 当比例叠印后，能够完接地复制出中性灰梯尺，那么，就称这y 、m 、c 三原色 达到了中性灰平衡。获得灰色平衡的三原色单色密度称为等效中性灰密度。在打 印机上输出，尤其是在印刷机上输出时，为了更准确的输出色彩需要进行色彩还 原、阶调还原、质感还原、清晰度还原等工作。所谓阶调就是颜色按明度分类， 颜色是三变量的，中性灰是三维颜色空间，中性灰是由y 、m 、c 三种颜色组成 的，颜色的三变量( 色相、饱和度、明度，用h 、v 、c 表示) ，而中性灰没有色 相、饱和度，只有一维变量的明度。色彩色光的三原色r 、g 、b 向白场过渡， 而色料三原色y 、m 、c 是向黑场过渡。印刷只能够用y 、m 、c 、k 四种颜色 的油墨，而且每张纸面上墨层要尽量均匀地分布，这样才能够取得较好的灰平衡 效果。 9 基于i c e 标准的图像色彩模撕究及应用第2 章色彩管理理论及其分析 ( 7 ) 用来测量色彩的三种常用专业设备的工作方式 分光光度计( s p e c t t o p h o t o m c t c r ) ：处理物体反射的可见光谱中几个间隔测量 的总光能，其处理并输出的结果是将一套综合色彩条用可看见的光谱曲线来描 述。分光光度计是最精确、有用和灵活的装置，因为它集聚完整的色彩信息可经 过简单计算变成色度计或浓度计数据。 色度计( c o l o r i m e t e r ) ：这种仪器在测量光时，按照与人类眼睛类似的识别 模式将光分成红、绿、蓝三种色光，然后使用c i e 色彩空间来决定色彩数值， 再将量测结果转换成可看见的色彩空间图 浓度计( d e n s i t o m e t e r ) ：测量与计算已知反射或透射物体光量多寡的光电装 置，浓度计主要用于印刷、印前及摄影等用以取得所测量色彩的强度 ( 8 ) 底色去除( u c r ) 所谓底色去除( u c r ) 是指从y 、m 、c 三原色中去除一部分形成中性灰的 底色，也就是色彩的油墨三原色y 、m 、c 叠加形成的近似黑色的底色，并以黑 色油墨代替。倒如：设某色由y 、m 、c 三色叠印，y 阚点面积为8 0 ，m 网 点面积为8 0 ，c 网点面积为1 0 0 ( 实地) ，如果按照中性灰平衡，8 0 y 与 8 0 的m 能和9 0 的c 重叠后能组成等效于9 0 网点面积的黑墨，那么：8 0 y + 8 0 m + 1 0 0 c - - 8 0 y + 8 0 m + 9 0 c + 1 0 c 一9 0 k + 1 0 c 进行图像的底色去除时应注意以下几点；( 1 ) 底色去除一般在中间调、暗调 的中性灰和近中性灰区域起作用，在这里的处理和应用往往回取得比较好的效 果；( 2 ) 正确掌握去除量的控制，如果油墨去除的少了，不仅浪费油墨，而且色 调不稳定，而若是油墨去除的多了，图像的色调就会偏暗一些，因此掌握好u c r 量是比较关键的；( 3 ) 掌握好去除点的控制，也就是去除控制的范围。并非所有 的色彩点都要进行u c r 处理。 2 2 色彩表达理论 色彩有连续变化特性，基于此特性可用色域空间方式量化描述色彩表达及范 围。从不同量化方法和角度可以构造出很多色域空间，对它们拓扑同构性的研究 1 0 基于l c c 标准的图像色彩模拟研究及应用第2 章色彩管理理论及其分析 是目前的重点和难点。下面从色彩设备表达特性角度对不同色域空间进行讨论。 2 2 1 设备相关表色体系 设备相关色空间( d e v i c ed e p e n d e n tc o l o rs p a c e , d i ) c s ) 是基于设备实际表 达方式的色空间m ，它是面向设备的嘲，主要有r g b 空间及q 吖k 空间。 2 2 1 1r g b 表色体系 r g b 体系是c i e 基于w d w r i g h t 和j g u i i d 颜色匹配视觉实验制订的表色 系统i ”。以r g b 为基础的色彩空间主要为加色法色彩空间，使用不同强度的红 ( r ) 、绿( g ) 和蓝( b ) 光的强度可组成各种色彩，例如投影仪将不同份量的 红、绿、蓝分别投影到某个地方，它们就能够组合出各种各样的色彩来，又如扫 描仪从影像上阅读了某些份量的红、绿、蓝色反射光量后，然后将此光量转换成 数据，显示器收到这些数据后再转换成指定成份的红、绿、蓝光后。由于这些像 素很小且靠得很近，在眼睛内使我们误以为看到的是许多各种不同的色彩。 c i e 把波长分别为7 0 0 0 n m , 5 4 6 1 n m , 4 3 5 8 r i m 的三种光定为标准的红( r ) 、 绿( g ) 和蓝( b ) 光，同时c i e 规定了观察条件的标准；采用2 。视场角观色， 人眼视锥细胞基本上都集中在2 视场角的黄斑内另外c i e 还规定了r g b 三刺 激值的单位，用三原色光匹配一个等能量的中性色的白光光源，由于三原色光的 视觉效率不相同，它们的亮度也不同，相对亮度比为1 0 0 0 0 ：4 5 9 0 7 ：0 0 6 0 1 它们的辐射能量比为7 2 0 9 6 2 ：1 3 7 9 1 ：1 0 0 0 0 c i e 规定此时的三刺激值相等， 即r ：g ：b = l ：1 ：l 。由于每种光都可以用r 、g 、b 表示，因此这样就构成了 一个三维色彩空间。 以r g b 为基础的色彩空间在计算机绘图中为最常用的色彩空间【1 0 】，主要因 为大多数彩色显示屏均直接支持，但是以r g b 格式产生的色彩在不同的设备间 会发生差异，因此称为设备相关色彩空间，设备相关色彩空间只允许在特定设备 上与所研究的色彩格式直接联系。 基于i c c 标准的圈像色彩模拟研究及应用 第2 章色彩管理理论及其分析 在r g b 基础色族内的色彩空间组包括r g b 空间、h s v 空间和h l s 空间。 r g b 空间是指任何以r g b 空间表达的色彩是某些混合的三主色为红、绿和蓝色。 h s v 和h l s 空间则系由r g b 空间转换而来用以叙述色彩的术语，h s v 代表色 相、饱和度和明暗度，h l s 代表色相、亮度和饱和度，这些均是在色彩学上相 当常见而熟悉的名词。 r g b 表色体系主要由显示器、扫描仪、数码相机等电子图像设备使用。它 利用不同强度红、绿、蓝来复合各色彩。r g b 体系优点是精度和广度非常高， 在物理设备上就可表达超过1 6 6 7 万种不同色彩，它对色彩色度、亮度、饱和度 都有非常好的展现。基于r g b 体系的图像设备能进行很徽细调校r g b 体系缺 点是对设备依赖性较大，这在伽玛校正上能充分体现，这是再现中重要考虑因素。 另外r g b 体系在e u c l i d 拓扑空间下的色度图会出现负值域，这对研究计算和推 广理解都带来了一些不便 2 2 1 2s r g b ( s t a n d a r dr e dg r e e nb l u e ) 表色体系 i t 界世界著名的苹果公司的高级印刷和图形设计的专业人员发现，色彩处 理功能相对较好的图像显示设备应属于苹果公司的设备，与之相对的是该公司的 c o l u r s y r 虻色彩管理系统，这是一种操作系统级的c m s 苹果公司的这些产品在 性能上都很不错，但不能在p c 机上广泛使用微软公司注意到了这一点，在1 9 9 7 年该公司和惠普公司一起研究制定了s r g b 色彩空间，即 s t a n d a r dr e dc 订 e e n b l u e ”或者叫作标准r g b ，这是一个基于p c 的3 2 位的色彩空间s r g b 色彩空 间提供了定义颜色的一种新的方法，它使外部设备和软件应用程序可以使用相同 的色彩描述随着s r g b 在各彩色领域的广泛应用，其很快成为了一种国际标准 s r g b 色彩空间使用了许多值来精确地勾画色彩的红、绿、蓝三种基本色， 由这三种基本色来组成数字图像中的像素和图像、图表以及文本等彩色区域，从 而弥补了因为机械差异而产生的色彩表现效果的差异。s r g b 标准色彩空间可以 满足提高软件应用程序和硬件设备之间准确配色的需要不过s r g b 也有不足之 处，由于伽玛级别会影响图像的中间色调的准确再现，所以在所有的设备之间设 定一个一致的伽玛级别是很重要的，这也是在正确管理色彩流时绝对必要和重要 基于i c c 标准的图像色彩模拟研究及应用第2 章色彩管理理论及其分析 的一件事情。如果说各个设备之间的伽玛级别不协调，要在这些设备之间正确地 实现色彩再现是不可能的事情目前很多图像编辑程序和显示器校准系统打开一 张图片时所采用的事实上的标准是：m a co s 中假定的一个大小为1 8 的伽玛值。 但是在p c 上s r g b 所使用的是2 2 的伽玛值。所以色彩在m a c 和p c 的混合环 境中以及混合的软件包间匹配不是一件轻松的工作，这也是s r g b 给操作者带来 的显著不便之一。另外，尽管s r g b 对于p c 用户来说是一个很大的进步，但是 多数的色彩专家依然认为s r g b 有一个很致命的弱点：与打印媒体相比较而言， 显示器的色彩范围在色彩和色调等方面受到了严重的限制，所以一般使用s r g b 的色彩工作流得不到最佳的重现。这也是目前在显示器领域实现s r g b 的品牌为 数极少的原因所在，但是在扫描仪和打印机领域，在惠普之后，几乎所有的厂商 都很快实现了s r g b 的要求。 当s r g b 被数字图像显示设备，如显示器、扫描仪、打印机和摄像机采用时， 其可以提高数字设备和打印输出之间的配色能力，确保协调一致的色彩。s r g b 技术在p c 中实现之前，微软的w m d o w s 操作系统的色彩处理功能效果也并不 显著，但是其后的w m d o w s2 0 0 0 操作系统则提供了整个i c m 2 0 的s r g b 集成 使得s r g b 色彩空间在色彩显示终端中迅速普及。 2 2 1 3c m y k 表色体系 以c m y 代表青、洋红和黄色三主色，为基础的色彩空间最常用于彩色印刷 系统，其本质与r g b 相对是减色法，也是设备相关色彩空间。 c m y k 是在c m y 以外另加上黑色，印刷方式是将四色油墨或染料布于纸 上，以同比例的二种色墨可混合出红、绿、蓝等组合色彩。 c m y k 色多因印刷机、油墨、纸张特性而异，设备与设备间的差异也很大， 设备相关性