基于自制色卡的網(wǎng)絡(luò)色彩管理

楊躍川，王萌萌，赫思意，鞏　彬，張顯斗

(杭州電子科技大學(xué)數(shù)字媒體與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，浙江 杭州 310018)

?

基于自制色卡的網(wǎng)絡(luò)色彩管理

楊躍川，王萌萌，赫思意，鞏彬，張顯斗

(杭州電子科技大學(xué)數(shù)字媒體與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，浙江 杭州 310018)

摘要：為了提高互聯(lián)網(wǎng)顯示圖像與原物的顏色一致性，依據(jù)ECI數(shù)字化文件設(shè)計了ECI自制色卡，并根據(jù)色卡中各個色塊對應(yīng)的CIE色度值制作了符合ISO 12640標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化文檔，在此基礎(chǔ)上生成了用于數(shù)碼相機色彩管理的ICC文件，將該文件分別嵌入到在不同瀏覽器顯示的圖像中用于實現(xiàn)數(shù)碼相機到顯示器的網(wǎng)絡(luò)色彩管理。視覺實驗結(jié)果表明，不同瀏覽器的顏色復(fù)現(xiàn)效果各異，相對于sRGB及基于普通商用色卡制作ICC文件的顏色管理方案，基于ECI自制色卡的顏色管理方案在不同瀏覽器上均取得了較好的圖像顏色復(fù)現(xiàn)效果。

關(guān)鍵詞：視覺與色彩；跨媒體顏色復(fù)現(xiàn)；色彩管理；ICC；數(shù)碼相機；色卡

0引言

數(shù)碼相機和顯示器等數(shù)字圖像設(shè)備以及互聯(lián)網(wǎng)在人們?nèi)粘Ｉ詈凸まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)中取得了越來越廣泛的應(yīng)用，但由于數(shù)碼相機和顯示器的色域及呈色機理不同，經(jīng)數(shù)碼相機獲取的圖像在顯示器上顯示時經(jīng)常出現(xiàn)顏色失真現(xiàn)象[1]，這嚴(yán)重影響了諸如電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)藝術(shù)館、網(wǎng)絡(luò)博物館、遠(yuǎn)程醫(yī)療等對彩色圖像跨媒體復(fù)現(xiàn)精度有較高要求的領(lǐng)域發(fā)展。國際色彩聯(lián)盟(International Color Consortium，ICC)[2]建立了ICC顏色管理系統(tǒng)用于提高彩色圖像在數(shù)字圖像設(shè)備間傳輸時的顏色一致性。在ICC顏色管理系統(tǒng)中，ICC文件質(zhì)量的高低直接影響了彩色圖像跨媒體復(fù)現(xiàn)的顏色一致性。在數(shù)碼相機到顯示器的色彩管理過程中，顯示器的穩(wěn)定性較高且大部分顯示器都滿足通道獨立性和相加性，通過簡單的Matrix/TRC模型[3-4]可以準(zhǔn)確生成顯示器的ICC文件[5]。而對于數(shù)碼相機，其ICC文件生成精度則在很大程度上受到拍攝環(huán)境和相機參數(shù)設(shè)置的影響[6]。另外，當(dāng)被復(fù)現(xiàn)圖像介質(zhì)和色卡介質(zhì)不一致時，其顏色復(fù)現(xiàn)精度往往很低。本文依據(jù)ECI數(shù)字化文件設(shè)計了ECI自制色卡，在此基礎(chǔ)上生成了用于數(shù)碼相機色彩管理的ICC文件，并分別設(shè)計了基于IE、SaFari、FireFox、Chrome等7款主流瀏覽器的視覺實驗，對不同ICC文件在不同瀏覽器上的顏色復(fù)現(xiàn)效果進行對比分析。

1網(wǎng)絡(luò)色彩管理研究

1.1　拍攝環(huán)境搭建及數(shù)碼相機參數(shù)設(shè)置

由于數(shù)碼相機智能化程度較高，需要進行手動設(shè)置的參數(shù)很多，而且其成像質(zhì)量受外界照明光源的穩(wěn)定性及均勻性影響較大，因此在對數(shù)碼相機進行色彩管理之前，應(yīng)首先搭建穩(wěn)定均勻的照明及觀察環(huán)境，并在此基礎(chǔ)上對數(shù)碼相機進行合理的參數(shù)設(shè)置。本研究選取晴天午后2點鐘左右的“北窗光”照明觀察環(huán)境，對Canon EOS 550D商用數(shù)碼相機進行手動參數(shù)設(shè)置。首先調(diào)整相機與待攝色卡的距離，使得色卡充滿拍攝視場且無形變，關(guān)閉閃光燈，選擇局部測光模式，然后以Color Checker白卡為拍攝對象對數(shù)碼相機進行手動白平衡設(shè)置，并將拍攝圖像存儲為tiFF格式。在此基礎(chǔ)上，綜合調(diào)節(jié)光圈、快門速度和ISO值使數(shù)碼相機具有適度曝光量，使得CCSG色卡中的白色色塊RGB值在235左右，黑色色塊RGB值在30左右，完成數(shù)碼相機的參數(shù)設(shè)置。

1.2　數(shù)碼相機色彩管理

在對數(shù)碼相機進行色彩管理之前，首先利用EPSON 7910打印機打印出3幅包含水果、花草、人物、景觀等具有代表性的圖像以對色彩管理效果進行質(zhì)量評價，如圖1所示。采集CCSG色卡和上述3幅評價圖像的數(shù)字化圖像，利用ProFilemaker軟件生成了CCSG色卡對應(yīng)的ICC文件，并在Photoshop軟件中將生成的ICC文件應(yīng)用于3幅圖像中，然后分別與原始圖像進行視覺比較，結(jié)果表明CCSG色卡進行色彩管理生成的數(shù)字圖像顏色與原圖顏色差異較大。目前，ECI數(shù)字化樣本[7]在打印印刷等對彩色圖像跨媒體復(fù)現(xiàn)精度有較高要求的領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，本文根據(jù)ECI數(shù)字化樣本制作了包含1 500個色塊的數(shù)字化彩色圖像文件，然后通過EPSON 7910打印機打印得到ECI自制色卡。充分晾干后，利用X-Rite Eye-one Isis分光光度計測量每個色塊對應(yīng)的光譜反射比，并在CIE D50標(biāo)準(zhǔn)照明體和CIE1931XYZ標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者條件下計算各個色塊對應(yīng)的CIELAB色度值，在此基礎(chǔ)上，制作得到了符合ISO 12640標(biāo)準(zhǔn)的色度文件。然后，在與CCSG色卡相同的拍照環(huán)境下采集自制色卡的數(shù)字化彩色圖像，結(jié)合色度文件即可在ProFilemaker軟件中生成自制色卡的ICC文件。

圖1　打印生成的3幅評價圖像

視覺比較表明，基于ECI自制色卡對數(shù)碼相機進行色彩管理的效果明顯優(yōu)于基于CCSG色卡進行的色彩管理。CCSG色卡僅包含140個色塊，在生成ICC文件時大部分顏色需要通過模型算法或插值方法實現(xiàn)RGB值到色度值的轉(zhuǎn)換，顏色轉(zhuǎn)換精度較低，而本文所提出的自制色卡是基于ECI數(shù)字化樣本制作的包含有1 500個色塊的數(shù)字化文件，可以顯著提高ICC文件生成過程中的顏色轉(zhuǎn)換精度；其次，本文在設(shè)計自制色卡時，充分考慮到數(shù)字化文件所依附的介質(zhì)對顏色轉(zhuǎn)換精度的影響，采用與打印圖像相同介質(zhì)的材料得到了ECI自制色卡，有效避免了由于CCSG色卡的材質(zhì)與打印圖像的材質(zhì)不同而引起的顏色預(yù)測誤差；另外，用于色彩管理效果評價的3幅圖像色彩豐富，尤其是包含了藍(lán)天、樹木和草地等藍(lán)綠色，CIELAB色度空間本身對該區(qū)域顏色的描述不均勻[8-9]，再加上CCSG色卡在該顏色區(qū)域的色塊數(shù)較少，極易導(dǎo)致ICC文件在藍(lán)綠色區(qū)域顏色預(yù)測精度較低的問題，而本文提出的ECI自制色卡則包含有更多的藍(lán)綠色塊，且自制色卡的色塊均勻分布在印刷中已經(jīng)廣泛應(yīng)用的CMYK顏色空間中，有利于顏色轉(zhuǎn)換。實際結(jié)果也證明，基于ECI自制色卡可以有效提高ICC文件生成過程中的顏色轉(zhuǎn)換精度。

1.3　顯示器的色彩管理

顯示器的校準(zhǔn)能夠調(diào)整設(shè)備的參數(shù)使其達(dá)到最佳狀態(tài)，在進行色彩管理之前對顯示器進行顏色標(biāo)定[5]保證其色彩復(fù)現(xiàn)的精度。目前一些專業(yè)顯示器帶有自動校準(zhǔn)功能，縮短了對顯示器進行色彩管理的時間。本文選用EIZO CG211液晶顯示器，在開始視覺實驗之前采用X-Rite Eye-one Pro測色儀器對EIZO CG211液晶顯示器進行了顏色標(biāo)定，生成ICC文件并將其應(yīng)用于顯示器的色彩管理中。在此基礎(chǔ)上，分別基于CCSG和ECI自制色卡實現(xiàn)了由數(shù)碼相機到顯示器的色彩管理。

2網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實現(xiàn)及評價

目前在實際應(yīng)用中一般采用Color Checker SG (CCSG)色卡生成數(shù)碼相機的ICC文件，由于其色塊數(shù)較少且介質(zhì)固定，生成的ICC文件用于其它介質(zhì)的顏色轉(zhuǎn)換時精度較低，而sRGB[10]ICC文件則是大部分?jǐn)?shù)碼相機默認(rèn)的配置文件。因此本文分別就基于sRGB ICC、CCSG色卡ICC和自制色卡ICC文件的數(shù)碼相機到顯示器的色彩管理效果進行質(zhì)量評價，并在此基礎(chǔ)上對SaFari、FireFox、Opera、Chrome、IE8、搜狗(IE8內(nèi)核)、遨游(IE8內(nèi)核)共7款瀏覽器分別設(shè)計了視覺實驗，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實現(xiàn)如圖2所示。

圖2網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實現(xiàn)

首先在相同條件下，再次生成基于ECI自制色卡的ICC文件，并將sRGB ICC、CCSG色卡ICC和ECI自制色卡ICC文件分別應(yīng)用于拍攝得到的3幅圖像中，3個ICC文件與3幅圖像組合共獲得9幅圖像。利用Dreamweaver軟件將這9幅圖像和3幅原圖像整合到同一個網(wǎng)頁中并保存成HTML格式。然后對EIZO CG211專業(yè)顯示器進行顏色標(biāo)定并置于源拍攝環(huán)境內(nèi)，分別利用上述7款瀏覽器依次打開由12幅圖像整合得到的HTML文件。在視覺實驗中，由于目前還沒有一種現(xiàn)成的數(shù)學(xué)公式用以對視覺圖像進行整體的質(zhì)量評價。因此本文采用視覺評價的方法對圖像的質(zhì)量進行評價，這也是目前在相關(guān)領(lǐng)域普遍采用的一種方法，在保證實驗過程和數(shù)據(jù)分析盡可能客觀的基礎(chǔ)上所取得的實驗結(jié)果比較有代表性。本研究讓5名視覺正常觀察者對顯示圖像與原圖像的顏色一致性進行視覺評價，并根據(jù)其一致性進行五級制評分，評分依據(jù)如表1所示。為了保證實驗數(shù)據(jù)的客觀真實性，在實際的視覺評價過程中，由觀察者首先判斷圖像顏色一致性介于哪兩個評分等級，再根據(jù)與其就近等級的接近程度在兩個等級之間估計出一位有效小數(shù)。5名觀察者對12幅圖像的評分統(tǒng)計結(jié)果如表2所示，表2中的數(shù)據(jù)為5名觀察者評價分?jǐn)?shù)的平均分。

表1　網(wǎng)絡(luò)瀏覽器色彩復(fù)現(xiàn)效果評價依據(jù)

表2　EIZO顯示器中瀏覽器色彩顯示質(zhì)量評價統(tǒng)計表

通過橫向比較表2中各瀏覽器的得分總數(shù)可以看出，在實驗中涉及的7款瀏覽器內(nèi)，色彩復(fù)現(xiàn)質(zhì)量最好的是Opera瀏覽器，其次是SaFari For Windows，第三是FireFox瀏覽器。由于Windows XP系統(tǒng)的色彩管理系統(tǒng)與蘋果(MAC)系統(tǒng)的Colorsync色彩管理系統(tǒng)的色彩管理效果相差甚遠(yuǎn)，因此SaFari For Windows的圖像顯示效果沒有預(yù)想中的好。

對表2進行縱向比較可以看出，對于圖1(c)，基于CCSG色卡的ICC顏色復(fù)現(xiàn)效果要明顯優(yōu)于sRGB ICC，但對于圖1(a)和圖1(b)，其顏色復(fù)現(xiàn)效果較sRGB ICC不是很高。所有圖像基于ECI色卡ICC文件的顏色復(fù)現(xiàn)效果則明顯優(yōu)于其它兩個ICC文件。在試驗過程中，觀察者普遍反映基于ECI色卡ICC顏色管理圖像的對比度和清晰度明顯高于其它兩個ICC文件的顏色管理效果。尤其是對于包含了藍(lán)天、草地和樹木等藍(lán)綠色顏色比較多的圖1(a)，基于ECI色卡ICC的顏色管理效果明顯和原圖像更加一致，其它兩個ICC文件對藍(lán)綠色區(qū)域顏色偏色較嚴(yán)重。其主要原因為ECI色卡中包含了更多藍(lán)綠色色塊，這樣在色彩管理過程中對藍(lán)綠色區(qū)域顏色的色度預(yù)測精度更高，繼而提高了最終的顏色復(fù)現(xiàn)精度。另外ECI色卡的介質(zhì)和用于評價復(fù)現(xiàn)效果的3幅圖像的介質(zhì)相同，進一步提高了RGB值到CIE色度值的顏色預(yù)測精度。

3結(jié)束語

本文在嚴(yán)格控制數(shù)碼相機照明環(huán)境和參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上，分析了彩色數(shù)字圖像在不同設(shè)備和不同瀏覽器間傳輸產(chǎn)生顏色差異的關(guān)鍵因素，實現(xiàn)了基于普通商用CCSG色卡的數(shù)碼相機色彩管理，并對其顏色管理效果較差的原因進行了歸納分析。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于ECI數(shù)字化樣本的自制色卡，并通過實驗實現(xiàn)了基于自制色卡ICC、CCSG色卡ICC及sRGB ICC的數(shù)碼相機到顯示器的色彩管理。視覺實驗結(jié)果表明，Opera瀏覽器對彩色圖像的顏色復(fù)現(xiàn)效果在本文所涉及的瀏覽器中表現(xiàn)最佳；與普通商用CCSG色卡和日常默認(rèn)的sRGB色卡相比，基于ECI自制色卡生成的ICC文件可以明顯提高從數(shù)碼相機到顯示器的顏色復(fù)現(xiàn)精度。

參考文獻

[1]J.Morovic.Color gamut mapping[M].Chichester，England：John Wiley & Sons，2008：1-5.

[2]ISO 15076-1.Image technology colour management-Architecture,proFile Format and data structure-Part 1:Based on ICC.1[S].

[3]張顯斗,徐海松.液晶顯示器顏色特征化的分段分空間模型[J].光學(xué)學(xué)報,2007,27(9):1719-1724.

[4]Berns R S,Motta R J,Gorzynski M E.CRT colorimetry.Part I:Theory and practice[J].Color Research & Application,1993,18(5): 299-314.

[5]陳凌云，徐海松，張顯斗.基于ICC規(guī)范的顯示設(shè)備顏色管理研究[J].光電子·激光,2008，19(3)：322-325.

[6]Hong G W,Luo M R,Rhodes P A.A study oF digital camera colorimetric characterization based on polynomial modeling[J].Color Research and Application,2001,26(1)，76-84.

[7]European Color Initiative.ECI-Guidelines[EB/OL].[1999-11-14].http://www.eci.org/en/start.

[8]黃小喬,石俊生.IPT色空間及其均勻性研究[J].光學(xué)學(xué)報,2010,30 (7)：2170-2174.

[9]Braun G J,Fairchild M D，Ebner F.Color gamut mapping in a hue-linearized CIELAB color space[C]//Color and Imaging ConFerence，6th Color and Imaging ConFerence Final Program and Proceedings.SpringField：Society For Imaging Science and Technology，1998: 163-168.

[10]IEC 61966-2-1.Colour measurement and management in multimedia systems and equipment，Part 2.1: DeFault RGB colour space-sRGB[S].

Digital Internet Color Management From Digital Cameras to

Display Based on SelF-made Color Chart

Yang Yuechuan， Wang Mengmeng， He Siyi， Gong Bin， Zhang Xiandou

(SchooloFMedia&Design，HangzhouDianziUniversity，HangzhouZhejiang310018，China)

Abstract:In order to improve the consistency between image colors displayed on the Internet and the original， the ECI color chart was designed and printed based on the ECI date set， and the corresponding colorimetric date File was designed according to the ISO 12640 standard. In this Foundation， the ICC proFiles used by digital camera color management were generated based on the selF-made color chart. Then the ICC proFile was embedded into pictures displayed on the diFFerent internet browsers to implement the color management From camera to display. The visual experiment results indicated that diFFerent internet browsers have diFFerent color reproduction ability， and the images displayed on the internet were most similar to the original object with the ICC proFile generated by the selF-made color chart comparing to the ICC generated by the deFault sRGB ICC and ordinarycommercial color checker SG color chart．

Key words:vision and color; cross-media color reproduction; color management; ICC; digital camera; color chart

中圖分類號：TP391.41

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-9146(2015)03-0106-05

通信作者：

作者簡介：楊躍川(1993-)，男，山西太谷人，在讀本科生，色彩管理.張顯斗副教授，E-mail: xiandouzhang@126.com.

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(61205168)；國家科技支撐計劃課題資助項目(2012BAH91F03)；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目 (XJ201316)

收稿日期：2014-06-23

DOI:10.13954/j.cnki.hdu.2015.03.023