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多光谱颜色复制技术应用研究

资料来源:《广东印刷》2009年第6期 作者:刘强 更新日期:2010-09-03

对于颜色再现的评价存在着许多种理论。其中,英国著名的色彩专家亨特,通过对各种因素的综合分析,将颜色再现分为六种类型:光谱颜色再现、色度颜色再现、正确颜色再现、等价颜色再现、对应颜色再现以及喜好颜色再现。
传统的颜色复制方式,虽然成功地实现了色度颜色再现及正确颜色再现两种方式,但由于其基于同色异谱的本质特性,无法实现颜色的无条件再现,即光谱颜色再现。而多光谱颜色复制技术采用的是多基色成像方法,通过增大颜色复制的自由度从而增大了颜色色域。其光谱匹配的再现方式消除了同色异谱的问题,从而实现了颜色的无条件匹配。此项技术对高保真印刷技术的发展意义重大,也必将成为未来印刷业发展的方向。

一、传统四色印刷存在的缺陷

传统印刷方式采用CMYK四种基色来实现颜色复制。四色油墨由于本身的局限性,无法涵盖原稿颜色的全部光谱信息。事实上,传统四色印刷都是基于同色异谱原理来实现颜色复制的。同色异谱原理是指在印刷复制中,只要所印颜色与原稿颜色的人眼感觉相同,即使二者光谱组成不同,仍可将其作为正确颜色复制给予认可。此种方式极大地降低了颜色复制的难度,在大多数情况下可以实现颜色的正确再现,因此构成了传统印刷方式实现的基础。然而,在照明光源及观察者变化较大时,其复制效果往往会显现出较大的偏差。这一问题也是传统印刷业中质量纠纷的一个重要根源。此外,四色印刷所能再现的颜色仅约为可见光谱色域的一半,对于鲜艳的颜色及动态范围较大的图像复制效果往往难以令人满意。在当前技术水平条件下,即使人们在复制时进行精确的色彩管理及色域匹配,仍无法从根本上解决同色异谱以及色域过小的问题。
传统印刷方式着重以印刷颜色密度来匹配原稿密度。然而,此种匹配方式过分注重对油墨用量的讨论而忽略了复制颜色色度及亮度的匹配问题。事实上,由于四色印刷自身色域的局限性,其在调控彩色成分及中性灰成分时往往陷入自相矛盾的境地——若要增加彩色成分墨量以提高饱和度,则不可避免的增大了中性灰成分从而降低了亮度。换言之,四色印刷往往过分地强调了饱和度的再现,而不得不采用牺牲亮度的方法。
由于传统复制的上述缺陷,其复制效果往往不尽如人意,主要表现为图像颜色沉重,立体感较差,层次损失较为严重,并存在不同程度的颜色失真现象。

二、多光谱颜色复制技术的优越性

多光谱颜色复制技术通过对多光谱数据的获取,分析及处理从而实现颜色的复制。此项技术以光谱匹配为颜色再现标准,通过增大颜色叠加的自由度从而实现了再现色域的扩大。由于光谱反射曲线的唯一性,不论光源及观察条件如何改变,其再现效果依然可以保持稳定。此外,对光谱反射率多个波段的采样可以尽可能详细的记录颜色特性,有效地解决了传统模式下数据精度过低的问题。
在颜色复制领域,显示器、打印机、扫描仪等数字设备的颜色再现原理与人眼视觉的形成机理存在着极大的差别。传统的四色印刷模式由于其自身的局限性,即使借助色彩管理系统仍无法从根本上解决颜色偏离的问题。而多光谱复制技术通过对采样通道数量的提高,极大地提高了数据采集的完整性,从而实现了高质量的颜色复制。鉴于上述优势,目前此技术已成功地用于名贵艺术作品的复制保存以及网络购物等领域。同时,该技术也为未来高保真印刷及跨媒体出版奠定了坚实的基础。

三、多光谱复制技术工艺流程

多光谱颜色复制技术通过对颜色光谱反射率或透射率的描述,以光谱数据来描述颜色信息。其具体工艺流程(如图一)可分为如下步骤:
1.数据获取
利用带有多色滤色片的多光谱相机获取原稿或事物的多光谱图像数据。通常,采集系统由多光谱光源、滤色片以及多光谱相机组成。相比于传统的基于三色的图像获取方式,此系统具有如下优势:
光源启动过程短,光谱较宽,辐射效率高;滤色镜选择透射性强,不受背景光干扰;可采集高分辨率数据,多种数据支持模式,高成像对比度。
在获取光谱数据后,需要对其进行分析处理从而实现高精度的光谱重建。现将多光谱数据获取的数学模型的矩阵表示方法介绍如下:
设多光谱光源的光谱功率分布为S,
物体的光谱放射率为r, r=[r1, r2, … rn]T,其中n表示采样波长的数量,T表示矩阵的转秩运算。在多光谱相机中,m个滤色片的光谱透射特性可由矩阵F表示,
探测器的光谱灵敏度由矩阵D表示,
综合上述矩阵,由色度学积分计算公式可得,采集颜色的颜色值为t=(DF)TSr. 随后,通过相应的线性及非线性变换,即可求得颜色的三刺激值XYZ以及CIELAB坐标等颜色值。
除上述方法之外,也可以采用主成分分析的方法(PCA)来选择最佳滤色片设计以及实现更精确的光谱重建。此种方法常用于摄影技术中积分密度与解析密度的相互转换,也常用于扫描仪高精度设备特性文件的建立。
2.原稿色料的预测及最佳墨色选择
在多光谱数据获取完成后,需要对其进行数据分析。通过对采集颜色光谱分布的预测,从而确定颜色复制的最佳墨色选择,最大限度的消除同色异谱现象对颜色匹配的影响。为了实现复制颜色与原稿颜色的最佳匹配,必须保证复制颜色光谱分布曲线最大限度的逼近原稿颜色的光谱分布。在实际操作中,通常采用主成分分析的方法对光谱数据进行分析处理,随后通过受限旋转变换预测出实际可能的最佳色料选择。最后,通过将预测色料组合与数据库中油墨组合的对照比较,最终确定最佳墨色选择方案。
3.油墨叠印模型的建立与光谱预测
关于颜色复制中半色调模型的建立,目前存在多种理论。通常,人们较多的采用Kubelka-Munk理论来计算尤尔-尼尔森修订的涅格伯尔模型基色反射率。其中,尤尔-尼尔森修订的涅格伯尔模型(简称YNSN模型)是最为常用的反射率预测模型,该模型阐明了半色调印刷颜色光谱反射率与网点面积率在各个波长上的对应关系,并将光学网点扩大问题考虑在内,其具体公式为:
λ=1…8 (4)
其中,Rprint,λ代表打印颜色的反射率,n为尤尔尼尔森因数。Rp,λ为涅格伯尔第p种基色的光谱反射率,αp为基色的网点面积率。
4.基于光谱数据的分色及印刷
基于多光谱数据的分色技术是多光谱颜色复制技术的核心,通常采用YNSN模型的逆变换来实现。在利用YNSN方程求得油墨网点的光谱值时,应采用适当的非线性化优化迭代方法来确定各基色油墨的分色设置。此种分色技术的颜色查找表与四色基于相同的原理,所不同的是需要对颜色空间的色相区间进行合理的划分,使油墨颜色匹配输入色能够保持最小程度的同色异谱,提高匹配的精度。由于分色效果可以最大限度的逼近原稿,故此项技术常应用于高保真印刷。
在分色完成后,可以利用多色打印机或印刷机进行多基色印刷。相比于传统的印刷方式,多光谱复制技术拥有更大的色域空间,可以复制更为鲜艳真实的颜色。此外,其印品层次感更为真实,视觉变化效果更贴近原稿光谱。

四、 多光谱颜色复制技术的研究现状及相关机构

1.多光谱复制技术的研究内容
按照颜色处理的不同阶段,多光谱颜色复制大体可分为数据获取、数据处理以及颜色输出三个方向,而每一个方向又可细分为若干个子方向:
数据获取:设备特征化方法,滤色片的设计,多光谱相机的调教以及数据的记录等等。
数据处理:色空间转换,色域匹配,光谱数据的编码与解码等。
数据输出:对照表的建立,分色算法的研究,墨色选择等。
2.相关机构
目前,世界上许多的国际组织、实验室及研究机构都在致力于多光谱颜色复制技术的研究。比较著名的有美国罗切斯特理工学院的孟塞尔颜色科学实验室、美国北卡罗莱那州立大学、英国利兹大学以及日本千叶大学等高校。此外,成像科学与技术学会IS&T、国际光学工程学会SPIE、国际电气和电子工程师协会IEEE等组织也在对此项研究做出了极大贡献。
在国内,武汉大学,北京理工大学及江南大学等高校也对此课题做出了不同方向的研究。
3.现阶段研究存在的问题
虽然多光谱颜色复制技术在光谱匹配方面的优势毋庸置疑,但相比于成熟的传统印刷技术,该技术的完善与普及仍需要印刷业界与研究者的共同努力。目前阶段,此项技术高昂的成本及复杂的操作技术使大多数人对此望而却步。另外,此项技术对数据采样及处理的精度要求非常高,据意大利国家研究院多媒体信息技术研究所所做的相关研究显示,在光谱数据无法达到要求精度的情况下,多光谱颜色复制的效果非常的不尽人意。也就是说,尽管光谱匹配是最高级的颜色匹配这一结论毋庸置疑,但光谱匹配程度的增高与色差及人眼视觉差异的减小并无直接联系。可见,尽管其优势在原理上显而易见,但其具体实施其实具有比较大的难度。

五、结束语

传统的四色印刷,存在这同色异谱的根本缺陷,其颜色匹配只能维持在特定条件下。为此,越来越多的人将目光聚焦于可以实现无条件颜色复制的多光谱颜色复制技术。尽管目前此项技术仍处于起步发展阶段,但其对颜色精准复制的优势使其必将成为今后业界研究的热点,并为高保真印刷的实现打下坚实的基础。

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