基于数字输出设备的色彩管理系统关键技术研究

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3.0 刘畅 2025-01-09 8 4 14.98MB 96 页 15积分

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摘要

随着计算机技术、多媒体和网络技术的发展，各种各样的数字设备在人们日

常生活和工作中得到了广泛的应用。但由于不同类型数字设备之间的呈色机理及

色域不同等原因，彩色图像在不同数字设备之间传递或颜色复现时经常出现颜色

失真现象。这明显影响了相关行业的发展，而色彩管理系统被公认为是解决这一

问题的有效方案。本文主要针对

ICC

色彩管理系统中的若干关键技术进行了全面

深入的研究，依托彩色喷墨打印机为数字输出设备的典型代表，对设备色表呈色

适性表征、色彩特性化标定、色域边界描述和色彩匹配，分别提出了相应的模型

方法和模型算法。最后通过系列主客观评价指标对研究成果进行了有效分析。

本文在色彩管理和阶调补偿的基础上，探讨了色表与数字输出设备之间的匹

配适性，通过呈色适性分析，设计出了基于

Epson Stylus Pro 7910

数字输出设备的

优化色表模型，通过实验对比分析，验证了该色表模型用于表征该设备呈色适性

的有效性和准确性。

通过分析当前用于标定设备色彩特性的方法及模型的优缺点，本文提出了基

于饱和度优先的

网络正向转换和分区反向转换模型，通过实验和其它模型进行

比较，研究结果表明，基于共同的训练样本特征点下，本文所提出的正向模型和

分区反向模型均取得了较高的设备色彩特性化精度。

在对设备色域边界描述算法进行概括总结的基础上，本文提出了基于空间区

域分割的四面体网格剖分设备色域边界描述算法模型，依据色表颜色特征点，探

讨了各色表下的最佳分区，对算法模型与色表匹配用于表征设备呈色性能作了深

入分析。同时在对改进凸壳算法与色表匹配描述设备色域分析的基础上，依托新

色表，对两种描述算法的精度进行对比，研究结果表明：新色表与两色域描述算

法模型匹配下的设备色域再现效果均优于其它色表；本文提出的设备色域边界描

述新算法模型获得了优于其它相关算法的设备色域边界描述准确性和再现精度。

鉴于色域映射算法在色彩管理系统中的重要性，本文在对映射算法进行概括

总结的基础上，提出了基于特征点的临近替代映射算法。通过基于排序法的视觉

主观评价和客观分析，对该映射算法与色域边界描述算法的匹配性做了对比研究

。

结果表明，本文提出的映射算法与设备色域边界描述新算法匹配，整体要明显优

于与改进凸壳算法的匹配，进一步证明了本文算法的有效性和可行性。

关键词：色彩管理系统色表特性化色域边界描述色域映射彩色数

字输出设备

ABSTRACT

With the development of computer, multimedia and the network technology

，

Various color digital output devices have been significantly utilized in daily life and

work .However, when the color images are transferred and reproduced from one digital

output device to another, the color appearance of the images always disagree with the

originals due to the color dealing mechanism and color gamut of the digital output

devices being different from each other, which significantly affect the development in

the related industries.The color management system is recognized as an effective way to

resolve this problem.The key and fundamental techniques of the ICC color management

system were studied in depth in this dissertation,color inkjet printer is selected as the

typical representation of color digital output devices. Several corresponding model

method and algorithm were investigated to achieve the digital devices color target

suitable analysis,characterization define,color gamut boundary descriptions and color

matching, Finally,series of subjective and objective evaluation index were proposed for

the effective analysis for the research results.

In this paper,on the basis of the device color management and tone compensation,

the color matching adaptability was discussed between color targets and digital output

devices, through the color adaptive analysis, a new optimization of color target model

was designed based on Epson Stylus Pro 7910 digital output device. After experimental

analysis,the results indicated that the new color target performed best in the use of

reflecting the color adaptability in the digital output devices.

Through the advantages and disadvantages of the currently used method and model

were analyzed in color characteristics for digital equipments,a forward conversion of BP

network model and partition reverse transformation model were put forward based on

saturation is preferred. An experiment was designed to compare the new model with the

current models, the results show that the new forward conversion model and partition

reverse transformation model which proposed in this thesis are achieved high accuracy

than others in color digital output devices.

On the currently used color gamut description algorithm was discussed and

summarized,combining the theory of tetrahedron subdivision, a kind of tetrahedron grid

subdivision device gamut description algorithm model was proposed based on space

region partition. On the basis of color target

’

s feature points, the optimal partition was

discussed on respective color targets, and in-depth analysis on color matching

adaptability was made between the color gamut boundary description algorithm and the

color target. And then the improved Convex Hull color gamut boundary algorithm was

realized and the matching effects were analyzed on this algorithm and color

targets,relying on this algorithm and new color target, the comparative analysis on

precision was discussed on the two color gamut boundary description algorithms. The

results show that the effect of new color target with the two color gamut boundary

description algorithm is much superior to the currently used color targets, and also show

that the color gamut boundary description algorithm which was proposed in this

dissertation is performed best in accuracy and precision than other related color gamut

boundary description algorithms.

T he color gamut mapping algorithm was discussed and summarized due to its

importance in the ICC color management system. Afterwards, a new gamut mapping

algorithm was proposed in this study,namely,the neighboring replaced mapping

algorithm based on the feature points. Through the human visual subjective evaluation

and objective analysis, the comparative analysis in-depth between this new mapping

algorithm and the two before color gamut boundary description algorithms.the results

indicated that the matching effect between this new mapping algorithm and the new

color gamut boundary description algorithm is obviously better in all than the matching

effects with the improved Convex Hull color gamut boundary description algorithm.

The results provide further evidence of the effectiveness and feasibility of the proposed

algorithms in this dissertation.

Key

Key Words

Words

：

color

color management

management

management system

system

，

color

color target

target

，

characterization

，

color

color gamut

gamut

gamut description,color

description,color

description,color gamut

gamut

gamut mapping,color

mapping,color

mapping,color digital

digital

digital output

output

devices.

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

..................................................................................................................... 1

1.1

研究目的及意义

................................................................................................. 1

1.2

国内外研究概述

................................................................................................. 3

1.3

本论文的研究内容

............................................................................................. 8

1.4

论文架构

............................................................................................................. 9

第二章基于

ICC

的设备色彩管理方法

....................................................................... 11

2.1

色彩管理

........................................................................................................... 11

2.1.1

基于

ICC

的色彩管理实施

..................................................................... 11

2.1.2

色彩特性文件的建立方法

..................................................................... 12

2.2

设备色彩管理关键技术分析

........................................................................... 13

2.3

设备色彩校正

................................................................................................... 15

2.3.1

设备性能测试

......................................................................................... 16

2.3.2

设备线性化

............................................................................................. 17

2.3.3 G7

灰平衡校正

..................................................................................... 18

2.4

本章小结

........................................................................................................... 20

第三章数字输出设备色表适性分析及色表优化设计

............................................... 21

3.1

研究内容

........................................................................................................... 21

3.2

研究方法

........................................................................................................... 21

3.3

色表适应性研究与分析

................................................................................... 23

3.3.1

同一色表在不同数字输出设备下呈色适性分析

................................. 24

3.3.2

不同色表在同一数字输出设备下呈色适性分析

................................. 30

3.4

色表优化设计及分析

....................................................................................... 33

3.4.1

色表构成与分析

..................................................................................... 33

3.4.2

色表优化设计

......................................................................................... 38

3.4.3

色表优化分析

......................................................................................... 40

3.5

本章小结

........................................................................................................... 45

第四章基于

的数字输出设备色彩特性化标定

.................................................... 46

4.1 BP

神经网络

...................................................................................................... 46

4.1.1 BP

网络训练结构

.................................................................................... 46

4.1.2 BP

网络训练步骤

.................................................................................... 47

4.2

基于

的数字输出设备色彩特性化正向转换

............................................ 48

4.2.1 BP

网络正向转换模型建立

.................................................................... 48

4.2.2 BP

网络正向模型效果分析

.................................................................... 49

4.3

基于分区

的数字输出设备色彩特性化反向转换

.................................... 51

4.3.1

分区

网络反向转换模型建立

.......................................................... 51

4.3.2

分区

网络反向模型效果分析

.......................................................... 52

4.4

本章小结

........................................................................................................... 54

第五章数字输出设备色域边界描述算法研究

........................................................... 55

5.1

数字输出设备色域边界描述算法设计

........................................................... 55

5.1.1

研究内容

................................................................................................. 55

5.1.2

研究评价方法

......................................................................................... 56

5.2

基于改进凸壳算法的设备色域边界描述

....................................................... 58

5.2.1

算法模型概述

......................................................................................... 58

5.2.2

算法实现与评价

..................................................................................... 58

5.3

基于空间区域分割的四面体网格剖分的设备色域边界描述

....................... 66

5.3.1

算法模型概述

......................................................................................... 66

5.3.2

算法实现

................................................................................................. 67

5.3.3

区域分割最佳分区建立与评价

............................................................. 69

5.3.4

算法评价

................................................................................................. 71

5.4

设备色域边界描述方法综合对比分析

........................................................... 78

5.4.1

综合对比分析方法

................................................................................. 78

5.4.2

结果分析与评价

..................................................................................... 78

5.5

本章小结

........................................................................................................... 83

第六章总结与展望

....................................................................................................... 84

6.1

总结

................................................................................................................... 84

6.2

本论文创新点

................................................................................................... 85

6.3

展望

................................................................................................................... 86

参考文献

......................................................................................................................... 87

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果

............................................. 92

致谢

............................................................................................................................... 93

第一章绪论

随着计算机技术、多媒体和网络技术的发展，各种图像输入设备、显示设备

及输出设备（如扫描仪、显示器、彩色打印机等）的使用也日趋普及。由于不同

设备之间的呈色机理、承印载体的使用等不同，而使得彩色图像在这些设备之间

准确传递、还原再现和过程控制则变得越来越困难。同时，人们对高质量的印刷

效果和图像色彩还原的需求与实际色彩传递的差异之间的矛盾也日趋突出。因此

，

确保彩色图像在不同媒介上准确复制再现和颜色传递的一致性问题，成为相关领

域的研究重点。解决这个问题的关键在于研究各种设备（媒介）的不同颜色呈色

特性和色彩的表现范围（色域），继而实行完整的色彩管理，以使再现的图像颜色

尽可能地接近源设备图像的颜色。

1.1

1.1 研究目的及意义

彩色图像在不同设备之间准确传递和复现过程中的颜色失真问题日益引起人

们的关注

[1,2]

。这不仅仅是因为希望不同设备之间再现的彩色图像能再现出原稿的

真实颜色，而且更重要的是要确保颜色的一致性和稳定性。在彩色图像的传递和

复制过程中，彩色图像的内容是以颜色数据信息来表示的，这些信息以数字图像

的方式进行不同数字设备及设备之间进行输入、显示、传输、输出及准确的复制

再现；其中较为常见彩色图像输入设备如扫描仪、数码相机等，显示设备如

CRT

（阴极射线管）和

LCD

（液晶显示器）等，输出设备如各类打印机、印刷机等

[3]

。

可见，彩色图像的传输和复现大多是基于不同的数字载体进行的。

一个典型的彩色图像在不同数字设备之间传输和复现过程如图

1-1

所示。

图1-1 彩色图像硬拷贝输出过程

在这个过程中，图像颜色失真的主要原因在于不同类型数字设备的颜色特性

差异和其表现的颜色范围（即色域）差异。而彩色图像在不同设备之间传输时经

常出现颜色失真现象，例如，使用数码相机拍摄的彩色图像，在显示器上显示时

，

其图像颜色往往与数码相机所拍摄物体的颜色相差很大；使用不同厂家生产的显

示器，在显示同一幅彩色图像时，也时常会出现不一致的色彩显示结果；即使利

用同一台显示器显示同一幅彩色图像，在不同参数设置或照明条件下也会产生不

基于数字输出设备的色彩管理系统关键技术研究

同的视觉感知等

[4]

。因此，如何保证彩色图像在不同种类、不同型号的数字设备之

间颜色信息的准确传递和复现就显得越来越重要。

影响彩色图像在不同数字设备之间传输和颜色精确复现时颜色失真的因素很

多

[5]

，其中比较突出的有以下几个方面：

不同数字设备的颜色表征机理不同。不同数字设备采用不同的软硬件方法

来表征其颜色适性，如液晶显示器通过控制液晶的偏转来准确显示颜色，

CRT

显

示器通过三种电子枪以及屏幕上荧光粉的光学反应来表现不同颜色，而四色喷墨

数字打印设备则通过控制其基四色油墨组合，即青色（

Cyan

）、品红（

Magenta

）

、

黄色（

Yellow

）和黑色（

black

）墨量的比例来还再现出不同的颜色。这些设备都

在各自的与其设备相关颜色空间中实现对颜色的表征，由于各设备的颜色表征机

理不同，同样的颜色数据值在不同设备上所表示的颜色信息却往往不同。因此当

彩色图像在这些设备之间再现时，若颜色信息值之间不经过任何转换或转换精度

较低，则很容易出现颜色失真现象。

不同数字设备的色域范围不同。色域是指数字设备所能表现的颜色呈色范

围。不同数字设备色域范围，取决于该设备本身的颜色表征机理、设备参数设置

及照明条件与观察环境等多方面因素，具体表现在设备色域的形状和大小两个方

面。不同数字设备的色域呈色范围往往表现出较大差异，尤其是当源彩色图像的

色域大于复现目标设备的色域范围时，其复现图像的颜色和原彩色图像颜色相比

则必然会产生失真现象。

人们对彩色图像的视觉感知受外界环境影响。设备的色域再现范围除了外

界照明条件与观察环境影响因素之外，也会受到人眼视觉感知所产生的影响。例

如，在同样的照明条件下，一幅图像在较暗背景下观察效果会感觉比较亮，而在

亮背景下观察效果则相对会感觉比较暗一些。此外，其它的外界影响因素，还有

诸如光源色温值及亮度高低、环境亮度等也会影响彩色图像在不同设备之间传递

和复现时的颜色还原精度。

以上各因素都会影响彩色图像在数字设备之间的传递和复现时的色彩还原精

度，因此如何实现跨媒体的颜色精确复现这一课题受到了广大从事颜色科学与影

像技术科研院所、机构以及数字图形软硬件生产商的广泛重视，并在国内外开展

了大量的研究

[5]

。目前比较公认的方案是通过色彩管理系统来解决彩色图像在不同

数字设备之间传递与复现的失真问题

[6]

。相比较而言，

ICC

色彩管理系统则是目前

应用较为广泛的专业色彩管理系统

[3,7]

。

因此，本文主要针对

ICC

色彩管理系统中若干关键技术展开较为深入的研究

，

重点探讨了彩色图像基于数字输出设备颜色准确复现时影响精度的几个关键环

第一章绪论

节，依托目前应用较为广泛的

ICC

色彩管理系统相关理论和研究成果，选取目前

已获广泛使用的彩色打印机、数字印刷机作为硬拷贝输出设备的典型代表，针对

数字输出设备色表适性不匹配对彩色图像准确颜色复现带来的巨大影响，本文设

计出了相关色表模型，以实现对数字输出设备颜色特征点信息的准确采集。同时

，

为了更精确地描述设备颜色特性，本文提出了针对数字输出设备的颜色特性化标

定的正反向转换模型、设备色域提取及色域匹配新算法，最后通过视觉对比实验

和客观指标量化分析实验，对彩色图像复现结果进行了对比评价。本文所提出的

研究方法和实验成果将对改善数字输出设备色彩特性化描述，进而实现色彩精确

复制有很好的实际应用价值。

1.2

1.2 国内外研究概述

随着色彩管理应用需求的不断扩展和提高，目前国内外越来越多的科研机构

开始将注意力投入到色彩管理及设备色彩特性化研究领域

[6, 8]

，如

Munsell

实验

室、

公司、

Kodak

公司、

X-Rite

公司、

Color Savvy

公司以及一些高校等研究机

构。这些公司及研究机构的科研成果为色彩管理技术的发展、普及应用奠定了坚

实基础。

由于彩色图像的跨媒体复现的研究涉及范围较广，如纺织、印刷、计算机几

何学等

[ 9 ]

，因而也获得了大量研究成果，本文就国内外基于

ICC

色彩管理系统方面

的关键技术点做简要概述。重点介绍彩色图像输出设备即彩色打印机色彩特性化

方法，以及数字输出设备色域边界描述及映射方法。

色彩特性化标定

数字输出设备（如彩色喷墨打印机）通过色料减色方法来显示颜色，其色彩

特性化方法也较为复杂，对应的色彩特性化方法如图

1-2

所示，主要可以分为模型

法和经验法两类。模型法主要是通过物理模型模拟设备的呈色机理，建立设备驱

动值与颜色信息色度值之间的对应关系。模型法有

Murray _ Davie s

及其改进模型

、

Neugebauer

模型、

Neugebauer - Yule-Nielsen

模型、

Yule

_ Nielsen

模型、光谱

值模

型、

Cellular Neugebauer

模型、纸张扩展函数模型、概率模型等。经验法主要是通

过数据拟合或插值等数学方法来建立设备驱动值与颜色色度值之间的对应关系。

相比较而言，在实际应用中，经验法的通用性相对较强。由于数字输出设备（如

彩色喷墨打印机）色彩特性化受设备类型、油墨和纸张等因素的影响，一般很难

通过简单的物理模型得到预测精度较高的设备驱动值与颜色色度值之间的对应关

系，因此，经过长期的相关研究，在实际应用中常常用经验法来实现对输出设备

基于数字输出设备的色彩管理系统关键技术研究

色彩特性化。目前主要色彩特性化的经验法主要有多项式回归、神经网络和三维

查找表等

[10,11]

。

图1-2 打印机色彩特性化方法

多项式回归法是通过多项式对设备色彩的非线性特征进行逼近

[1,12]

。多项式转

换关系简单，但其校正精度与多项式项数的选择密切相关，参数确定不易，且转

换精度较低，因此需要解决的问题是如何在保持转换关系的同时，提高颜色特性

化精度。

神经网络方法属于黑箱类算法

[1,2,13]

，其内部自适应学习输入输出数据的对应

关系，具有很强的联想记忆性和适应性，且训练精度较高。目前将神经网络用于

颜色转换和处理的主要有

和

RBF

网络，总的看来，随着神经网络算法的逐步

成熟，其网络仿真在高维到低维转换关系的计算方面具有一定的优势，但由于神

经网络模型本身可选用的模型种类较多，并且每种训练网络下的激活函数、隐层

层数、各层神经元数、训练次数等参数并不是固定不变的，因此在运用神经网络

来确定设备色彩特性化转换关系时，往往需根据给定的呈色设备类型、样本数量

、

颜色模式等条件，选择与之匹配的

或

RBF

网络模型以及参数，这也是神经网

络在该领域的一个重要的研究方向。

三维查找表是通过三维空间中几何体的顶点数据值来插值计算出内部点的

颜色数据，几何体顶点的数据来源于所建立的多维查找表

[14]

。该方法的转换精度

取决于查找表数据源数据密度大小，可以通过减少数据间隔

(

即增加节点数目

)

来提

高转换精度，但过多的节点意味着测量次数的增加及存储量的增加，这往往需要

很大的存储空间。三维查找表根据所划分几何体的不同可分为立方体插值、四面

体插值、三棱柱插值等算法，目前应用相对最为广泛的查找表算法是四面体插值

第一章绪论

方法。一般来说，三维插值相比较其它方法精度要高，但需要大量的校正样本，

比较费时。

色域边界描述

数字设备色域的不同是导致彩色图像在数字设备之间传递和颜色精确复现时

颜色失真的重要原因之一，因此数字设备之间的色域映射算法一直是色彩管理系

统中的研究热点

[15,16]

。而在对数字设备间实施色域映射之前，首先需要对设备的色

域边界进行准确描述。最初关于色域的精确描述算法研究主要用于摄影材料的优

化，如今已经扩展为各种数字设备的颜色表现能力评价和设备间色域映射的基本

条件

[17,18,19]

。近年来，国内外很多学者在色域边界描述算法方面进行了较为深入的

研究，提出了很多算法及方法模型。综合分析，这些算法或方法模型，基本可以

分为两类，即解析法和离散法。

解析法主要是以数学解析表达式对数字设备的色域边界进行描述

[1,20,21]

。目前

已有的基于解析法的色域边界描述方法主要有：

）

P.G.Engeldrum

提出的基于

Kubelka-Munk

方程的设备色域确定方法，该方

法利用

K-M

理论及

Neugebauer

方程求解色域边界。该方法使用的理论模型由于受

印刷条件和承印材料影响较大，通用性不好，描述精度一般，尤其是对超过四色

的多色印刷设备的色域边界描述颜色误差较大，同时将该方法应用到

RGB

等色彩

模式的设备色域边界描述中也比较困难。

）

Herzog

提出通过六面体扭曲变形求解彩色喷墨打印机的色域

[22]

，该方法将

将色域视为一个变形的六面体，通过一组数学函数来表征六面体的变形程度，该

方法对任意明度和颜色色调上的最大彩度值计算相对较为容易，同时对具有近似

六面体色域呈色特点的高端数字设备也比较适用，但对于中低端数字设备色域边

界描述时，设备色域外围描述变形严重，利用该模型描述时参数难以控制，因此

在应用上也受到一定限制；

）北京理工大学的黄庆梅，提出了基于

Zernike

插值的设备色域边界计算方

法

[23]

，该方法在一定程度上提高了设备色域边界的再现精度，但与直线相比，在

色域边界描述和色域映射时则更加耗费时间。

此类方法还有如两变量高阶多项式法、

Gamulyt

法等。

离散法主要是通过选取数字设备色域边界上的一些代表性的颜色特征点来表

示其对应区域的色域边界，而色域边界上的其它点则通过插值或拟合方法得到

[24]

。

目前已有的基于离散法的色域边界描述方法主要有：

）

Bala

等提出了一种近似凸壳的计算方法，在色域提取前首先对数据进行非

线性变化处理，以便使变换后的数据更接近凸集，然后使用凸壳算法进行凸壳计

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