基于色空間的色彩管理研究

基于色空間的色彩管理研究

1色空間轉(zhuǎn)換的傳統(tǒng)方法掃描是一種重要的輸入系統(tǒng)。在對掃描顏色管理研究時，首先要分析掃描的顏色特征，完成色彩轉(zhuǎn)換為a-b的顏色，并將掃描圖像的顏色盡可能接近原始圖像。掃描儀色彩特性化模型的系統(tǒng)圖見圖1。以掃描儀掃描的原稿圖像在顯示器上的顯示為例:當(dāng)需要顯示一幅掃描儀掃描的圖像時,色彩管理系統(tǒng)(colormanagementsystem,簡稱CMS)使用存儲在掃描儀特征描述文件中的掃描儀設(shè)備特征信息,將掃描儀的RGB圖像轉(zhuǎn)換到與設(shè)備無關(guān)的CIE色空間;然后,CMS使用存儲在顯示器特征描述文件中的顯示器設(shè)備特征信息,從與設(shè)備無關(guān)的CIE色空間轉(zhuǎn)換到顯示器色空間,這時就可看到顯示器上與原稿相同的圖像。雖然2種設(shè)備的色彩是與設(shè)備有關(guān)的,但CMS在設(shè)備間進行轉(zhuǎn)換,可產(chǎn)生精確的、可預(yù)測的色彩,如圖2所示。RGB顏色空間是掃描儀和顯示器常用的一種色彩空間,RGB模式是一種加色模式,CIEL*a*b*色空間是經(jīng)XYZ顏色空間非線性變換而來的,是均勻顏色空間,是建立在人眼視覺基礎(chǔ)和顏色測量基礎(chǔ)上的顏色體系,它不隨設(shè)備的不同而變化。色空間的轉(zhuǎn)換涉及到兩個方面的問題,一個是顏色描述語言的使用,另一個是色空間轉(zhuǎn)換的映射關(guān)系。色彩管理過程中對顏色的描述與設(shè)備無關(guān),CIEXYZ色空間與后來建立的CIEL*a*b*色空間都是建立在大量色覺測量的基礎(chǔ)上的,已被廣泛地用于色彩管理系統(tǒng)中。色空間轉(zhuǎn)換的映射關(guān)系,通過壓縮或舍掉顯示器和掃描儀不能為油墨所覆蓋的色域,來保證油墨所能再現(xiàn)的最大色域空間,即是按印刷品映射的方式來進行。ICC(internationalcolorconsortium,國際色彩聯(lián)盟)支持的建立與設(shè)備相關(guān)的色空間和與設(shè)備無關(guān)的色空間的轉(zhuǎn)換方法較多。傳統(tǒng)方法是數(shù)學(xué)擬合法與查表法,其線性模型的數(shù)學(xué)擬合法轉(zhuǎn)換精度較低而不實用,而多項式模型的擬合法項數(shù)不易確定,且計算量大;查表法雖然提供了較高的準(zhǔn)確性,但建立表格需要測試相當(dāng)多的數(shù)據(jù),工作量極大;轉(zhuǎn)換精度一般不高,主要原因是色塊與色塊間的變換關(guān)系決不是簡單的線性關(guān)系,而且這類算法精度還取決于試驗色塊的選取,色塊選取不當(dāng)容易導(dǎo)致極大的誤差。近年來隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,這類算法轉(zhuǎn)換精度尚可,但算法收斂速度過慢,使之在工程實際中難于應(yīng)用。故在實際應(yīng)用中提出了若干加快模型收斂的方法和技術(shù),不僅要解決BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂速度問題,且模型結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換精度高,非常適合于一些存在非線性轉(zhuǎn)換的應(yīng)用場合,完全可應(yīng)用于色空間轉(zhuǎn)換。2通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法研究掃描空間轉(zhuǎn)換分析2.1p網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)律建立BP網(wǎng)絡(luò)模型的關(guān)鍵之一是獲得建模樣本。在建立RGB—L*a*b*的轉(zhuǎn)換模型時,為了避免BP網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢以及易陷于局部最小點的問題,采用了δ學(xué)習(xí)律。即首先取建模樣本的一部分作為學(xué)習(xí)樣本,由這部分樣本訓(xùn)練出網(wǎng)絡(luò)權(quán)值,然后再以全部建模樣本作為學(xué)習(xí)樣本,以前面訓(xùn)練出的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值作為初始權(quán)值重新訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò),得到最終的權(quán)值,建立相應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)換模型。BP算法的程序設(shè)計框圖如圖3所示。2.2學(xué)習(xí)速率方面的考慮在進行BP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時,通常都是從網(wǎng)絡(luò)層數(shù)、每層中的神經(jīng)元個數(shù)、激活函數(shù)、初始值和學(xué)習(xí)速率等幾方面來考慮的。根據(jù)相關(guān)資料,可以得出網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖,它包括輸入層、隱層和輸出層3個部分,如圖4所示。2.3網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程為了加快訓(xùn)練速度,避免陷入局部極小值和改善其它能量,需要進行數(shù)據(jù)規(guī)格化處理。當(dāng)建模數(shù)據(jù)進行規(guī)格化處理之后再被送入網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時,網(wǎng)絡(luò)得以快速收斂。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。以轉(zhuǎn)換RGB值數(shù)據(jù)庫中的R、G、B值作為輸入值和X、Y、Z值為輸出值,算法權(quán)值和閾值均為-0.5～0.5之間的隨機數(shù),根據(jù)實際收斂做適當(dāng)調(diào)整;取小的隨機數(shù)初始化權(quán)系數(shù);設(shè)定迭代次數(shù),讀入數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練,一旦達到指定色塊的精度要求就得到了所需要的權(quán)系數(shù),結(jié)束訓(xùn)練。3實驗與分析3.1iso13543-1的物理色標(biāo)為了評價一個輸入系統(tǒng)或創(chuàng)建描述文件,進行設(shè)備的特性化,需要一些標(biāo)準(zhǔn)的色塊作為工具。雖然用戶可以自己定義色塊,但ISO(internationalstandardorganization,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)定義了一些標(biāo)準(zhǔn)色塊,以使各色彩管理系統(tǒng)之間相互兼容,可以跨平臺使用。其中最重要的一種是以ISO12641標(biāo)準(zhǔn)定義的用于標(biāo)定掃描儀輸入的物理色標(biāo)。色標(biāo)是以物理形式存在的,使用的材料是彩色透明正片和彩色相紙。該色標(biāo)由4個部分組成,即取樣顏色區(qū)、彩色梯尺區(qū)、中性色梯尺和可選區(qū)域。在本次實驗中,所用的色標(biāo)符合ISO12641標(biāo)準(zhǔn)的反射稿彩色色標(biāo),它是由AGFA公司于1997年2月制作的IT8.7/2標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo)(以后簡稱色標(biāo)),如圖5所示。該色標(biāo)共有288個色塊,可完整地表達整個顏色空間。同時,該標(biāo)準(zhǔn)還提供了D50/2°視場的標(biāo)準(zhǔn)空間的L*a*b*值(以ASCII碼的格式儲存),以此作為建模樣本,并作為轉(zhuǎn)換精度評價的依據(jù)。3.2缺省狀態(tài)下圖像的存儲數(shù)據(jù)采集過程中使用的掃描儀為Topaz平臺掃描儀,掃描軟件為LinoColor掃描軟件。在缺省狀態(tài)下掃描IT8.7/2色標(biāo),所有設(shè)置均為缺省值,掃描后的圖像以24位R、G、B形式儲存的TIFF及BMP圖像格式表示。為了保證實驗數(shù)據(jù)的嚴(yán)密性,在掃描時,應(yīng)對每個色塊中的各R、G、B值測量3次,取其平均值作為各色塊的R、G、B值。3.3轉(zhuǎn)換模型的驗證試驗中,先取建模樣本12×7個(即彩色梯尺區(qū))色塊的R、G、B值,以及相應(yīng)的測量L*a*b*值,分別作為網(wǎng)絡(luò)輸入和輸出進行訓(xùn)練,得到一組初始權(quán)值,之后將全部建模樣本送入網(wǎng)絡(luò),并用該初始權(quán)值重新訓(xùn)練,直到滿足誤差要求為止。轉(zhuǎn)換模型就由訓(xùn)練所得的最終網(wǎng)絡(luò)權(quán)值確定。為了衡量轉(zhuǎn)換模型的準(zhǔn)確性,這里分別采用建模色差和測試色差做為評價標(biāo)準(zhǔn)。建模色差△E1為由轉(zhuǎn)換模型得到建模樣本實際的L*a*b*值與經(jīng)色空間轉(zhuǎn)換模型的L*a*b*值之間的色差;而測試色差△E2為色標(biāo)中其余30個測試色塊的R、G、B值在送入轉(zhuǎn)換模型后計算所得的實際L*a*b*值與經(jīng)色空間轉(zhuǎn)換模型的L*a*b*值之間的色差。實驗所得建模色差與測試色差見圖6、7。表1為具體的測試色差值。由圖6所示的建模色塊的色差分布情況可看出,所有建模色塊的色差△E1均小于5,且色差集中分布在1.2～3.5之間;而由圖7所示的測試色塊的色差分布情況可看出,30個測試色塊的色差△E2均小于4,且色差集中分布在1.50～2.50之間(具體數(shù)據(jù)參見表1)。因此,本文所建立的RGB—CIEL*a*b*的轉(zhuǎn)換模型是成功的。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(GB/T7921-1997),ΔE小于6NBS單位時,即可認為視覺等效,試驗結(jié)果表明,所得轉(zhuǎn)化色差小于國家標(biāo)準(zhǔn),RGB—CIEL*a*b*轉(zhuǎn)換模型準(zhǔn)確。4模型色彩轉(zhuǎn)換采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法實現(xiàn)了從RGB色空間到CIEL*a*b*色空間的轉(zhuǎn)換,建立了較好的轉(zhuǎn)換模型,將該模型應(yīng)用于掃描儀色彩管理中,并結(jié)合選取標(biāo)準(zhǔn)色靶梯尺區(qū)表示色空間,實驗結(jié)果表明,新的模型能夠勝任工程實際應(yīng)用中掃描儀的色彩管理任務(wù)。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法實現(xiàn)的色空間轉(zhuǎn)換