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多光譜顏色復(fù)制技術(shù)應(yīng)用研究

[2013/2/18]

　　傳統(tǒng)的顏色復(fù)制方式，雖然成功地實(shí)現(xiàn)了色度顏色再現(xiàn)及正確顏色再現(xiàn)兩種方式，但由于其基于同色異譜的本質(zhì)特性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)顏色的無(wú)條件再現(xiàn)，即光譜顏色再現(xiàn)。而多光譜顏色復(fù)制技術(shù)采用的是多基色成像方法，通過(guò)增大顏色復(fù)制的自由度從而增大了顏色色域。其光譜匹配的再現(xiàn)方式消除了同色異譜的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)了顏色的無(wú)條件匹配。此項(xiàng)技術(shù)對(duì)高保真印刷技術(shù)的發(fā)展意義重大，也必將成為未來(lái)印刷業(yè)發(fā)展的方向。

　　一、傳統(tǒng)四色印刷存在的缺陷

　　傳統(tǒng)印刷方式采用CMYK四種基色來(lái)實(shí)現(xiàn)顏色復(fù)制。四色油墨由于本身的局限性，無(wú)法涵蓋原稿顏色的全部光譜信息。事實(shí)上，傳統(tǒng)四色印刷都是基于同色異譜原理來(lái)實(shí)現(xiàn)顏色復(fù)制的。同色異譜原理是指在印刷復(fù)制中，只要所印顏色與原稿顏色的人眼感覺(jué)相同，即使二者光譜組成不同，仍可將其作為正確顏色復(fù)制給予認(rèn)可。此種方式極大地降低了顏色復(fù)制的難度，在大多數(shù)情況下可以實(shí)現(xiàn)顏色的正確再現(xiàn)，因此構(gòu)成了傳統(tǒng)印刷方式實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。然而，在照明光源及觀察者變化較大時(shí)，其復(fù)制效果往往會(huì)顯現(xiàn)出較大的偏差。這一問(wèn)題也是傳統(tǒng)印刷業(yè)中質(zhì)量糾紛的一個(gè)重要根源。此外，四色印刷所能再現(xiàn)的顏色僅約為可見(jiàn)光譜色域的一半，對(duì)于鮮艷的顏色及動(dòng)態(tài)范圍較大的圖像復(fù)制效果往往難以令人滿意。在當(dāng)前技術(shù)水平條件下，即使人們?cè)趶?fù)制時(shí)進(jìn)行精確的色彩管理及色域匹配，仍無(wú)法從根本上解決同色異譜以及色域過(guò)小的問(wèn)題。

　　傳統(tǒng)印刷方式著重以印刷顏色密度來(lái)匹配原稿密度。然而，此種匹配方式過(guò)分注重對(duì)油墨用量的討論而忽略了復(fù)制顏色色度及亮度的匹配問(wèn)題。事實(shí)上，由于四色印刷自身色域的局限性，其在調(diào)控彩色成分及中性灰成分時(shí)往往陷入自相矛盾的境地——若要增加彩色成分墨量以提高飽和度，則不可避免的增大了中性灰成分從而降低了亮度。換言之，四色印刷往往過(guò)分地強(qiáng)調(diào)了飽和度的再現(xiàn)，而不得不采用犧牲亮度的方法。

　　由于傳統(tǒng)復(fù)制的上述缺陷，其復(fù)制效果往往不盡如人意，主要表現(xiàn)為圖像顏色沉重，立體感較差，層次損失較為嚴(yán)重，并存在不同程度的顏色失真現(xiàn)象。

　　二、多光譜顏色復(fù)制技術(shù)的優(yōu)越性

　　多光譜顏色復(fù)制技術(shù)通過(guò)對(duì)多光譜數(shù)據(jù)的獲取，分析及處理從而實(shí)現(xiàn)顏色的復(fù)制。此項(xiàng)技術(shù)以光譜匹配為顏色再現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)增大顏色疊加的自由度從而實(shí)現(xiàn)了再現(xiàn)色域的擴(kuò)大。由于光譜反射曲線的唯一性，不論光源及觀察條件如何改變，其再現(xiàn)效果依然可以保持穩(wěn)定。此外，對(duì)光譜反射率多個(gè)波段的采樣可以盡可能詳細(xì)的記錄顏色特性，有效地解決了傳統(tǒng)模式下數(shù)據(jù)精度過(guò)低的問(wèn)題。

　　在顏色復(fù)制領(lǐng)域，顯示器、打印機(jī)、掃描儀等數(shù)字設(shè)備的顏色再現(xiàn)原理與人眼視覺(jué)的形成機(jī)理存在著極大的差別。傳統(tǒng)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統(tǒng)仍無(wú)法從根本上解決顏色偏離的問(wèn)題。而多光譜復(fù)制技術(shù)通過(guò)對(duì)采樣通道數(shù)量的提高，極大地提高了數(shù)據(jù)采集的完整性，從而實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的顏色復(fù)制。鑒于上述優(yōu)勢(shì)，目前此技術(shù)已成功地用于名貴藝術(shù)作品的復(fù)制保存以及網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物等領(lǐng)域。同時(shí)，該技術(shù)也為未來(lái)高保真印刷及跨媒體出版奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　三、多光譜復(fù)制技術(shù)工藝流程

　　多光譜顏色復(fù)制技術(shù)通過(guò)對(duì)顏色光譜反射率或透射率的描述，以光譜數(shù)據(jù)來(lái)描述顏色信息。其具體工藝流程(如圖一)可分為如下步驟：

　　1.數(shù)據(jù)獲取

　　利用帶有多色濾色片的多光譜相機(jī)獲取原稿或事物的多光譜圖像數(shù)據(jù)。通常，采集系統(tǒng)由多光譜光源、濾色片以及多光譜相機(jī)組成。相比于傳統(tǒng)的基于三色的圖像獲取方式，此系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì)：

　　光源啟動(dòng)過(guò)程短，光譜較寬，輻射效率高;濾色鏡選擇透射性強(qiáng)，不受背景光干擾;可采集高分辨率數(shù)據(jù)，多種數(shù)據(jù)支持模式，高成像對(duì)比度。

　　在獲取光譜數(shù)據(jù)后，需要對(duì)其進(jìn)行分析處理從而實(shí)現(xiàn)高精度的光譜重建，F(xiàn)將多光譜數(shù)據(jù)獲取的數(shù)學(xué)模型的矩陣表示方法介紹如下：

　　設(shè)多光譜光源的光譜功率分布為S，

　　物體的光譜放射率為r，r=[r1，r2，...rn]T，其中n表示采樣波長(zhǎng)的數(shù)量，T表示矩陣的轉(zhuǎn)秩運(yùn)算。在多光譜相機(jī)中，m個(gè)濾色片的光譜透射特性可由矩陣F表示，

　　探測(cè)器的光譜靈敏度由矩陣D表示，

　　綜合上述矩陣，由色度學(xué)積分計(jì)算公式可得，采集顏色的顏色值為t=(DF)TSr.隨后，通過(guò)相應(yīng)的線性及非線性變換，即可求得顏色的三刺激值XYZ以及CIELAB坐標(biāo)等顏色值。

　　除上述方法之外，也可以采用主成分分析的方法(PCA)來(lái)選擇最佳濾色片設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)更精確的光譜重建。此種方法常用于攝影技術(shù)中積分密度與解析密度的相互轉(zhuǎn)換，也常用于掃描儀高精度設(shè)備特性文件的建立。

　　2.原稿色料的預(yù)測(cè)及最佳墨色選擇

　　在多光譜數(shù)據(jù)獲取完成后，需要對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。通過(guò)對(duì)采集顏色光譜分布的預(yù)測(cè)，從而確定顏色復(fù)制的最佳墨色選擇，最大限度的消除同色異譜現(xiàn)象對(duì)顏色匹配的影響。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)制顏色與原稿顏色的最佳匹配，必須保證復(fù)制顏色光譜分布曲線最大限度的逼近原稿顏色的光譜分布。在實(shí)際操作中，通常采用主成分分析的方法對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，隨后通過(guò)受限旋轉(zhuǎn)變換預(yù)測(cè)出實(shí)際可能的最佳色料選擇。最后，通過(guò)將預(yù)測(cè)色料組合與數(shù)據(jù)庫(kù)中油墨組合的對(duì)照比較，最終確定最佳墨色選擇方案。

　　3.油墨疊印模型的建立與光譜預(yù)測(cè)

　　關(guān)于顏色復(fù)制中半色調(diào)模型的建立，目前存在多種理論。通常，人們較多的采用Kubelka-Munk理論來(lái)計(jì)算尤爾-尼爾森修訂的涅格伯爾模型基色反射率。其中，尤爾-尼爾森修訂的涅格伯爾模型(簡(jiǎn)稱YNSN模型)是最為常用的反射率預(yù)測(cè)模型，該模型闡明了半色調(diào)印刷顏色光譜反射率與網(wǎng)點(diǎn)面積率在各個(gè)波長(zhǎng)上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并將光學(xué)網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)大問(wèn)題考慮在內(nèi)，其具體公式為：

　　λ=1…8(4)

　　其中，Rprint，λ代表打印顏色的反射率，n為尤爾尼爾森因數(shù)。Rp，λ為涅格伯爾第p種基色的光譜反射率，αp為基色的網(wǎng)點(diǎn)面積率。

　　4.基于光譜數(shù)據(jù)的分色及印刷

　　基于多光譜數(shù)據(jù)的分色技術(shù)是多光譜顏色復(fù)制技術(shù)的核心，通常采用YNSN模型的逆變換來(lái)實(shí)現(xiàn)。在利用YNSN方程求得油墨網(wǎng)點(diǎn)的光譜值時(shí)，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆蔷性化優(yōu)化迭代方法來(lái)確定各基色油墨的分色設(shè)置。此種分色技術(shù)的顏色查找表與四色基于相同的原理，所不同的是需要對(duì)顏色空間的色相區(qū)間進(jìn)行合理的劃分，使油墨顏色匹配輸入色能夠保持最小程度的同色異譜，提高匹配的精度。由于分色效果可以最大限度的逼近原稿，故此項(xiàng)技術(shù)常應(yīng)用于高保真印刷。

　　在分色完成后，可以利用多色打印機(jī)或印刷機(jī)進(jìn)行多基色印刷。相比于傳統(tǒng)的印刷方式，多光譜復(fù)制技術(shù)擁有更大的色域空間，可以復(fù)制更為鮮艷真實(shí)的顏色。此外，其印品層次感更為真實(shí)，視覺(jué)變化效果更貼近原稿光譜。

　　四、多光譜顏色復(fù)制技術(shù)的研究現(xiàn)狀及相關(guān)機(jī)構(gòu)

　　1.多光譜復(fù)制技術(shù)的研究?jī)?nèi)容

　　按照顏色處理的不同階段，多光譜顏色復(fù)制大體可分為數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理以及顏色輸出三個(gè)方向，而每一個(gè)方向又可細(xì)分為若干個(gè)子方向：

　　數(shù)據(jù)獲。涸O(shè)備特征化方法，濾色片的設(shè)計(jì)，多光譜相機(jī)的調(diào)教以及數(shù)據(jù)的記錄等等。

　　數(shù)據(jù)處理：色空間轉(zhuǎn)換，色域匹配，光譜數(shù)據(jù)的編碼與解碼等。

　　數(shù)據(jù)輸出：對(duì)照表的建立，分色算法的研究，墨色選擇等。

　　2.相關(guān)機(jī)構(gòu)

　　目前，世界上許多的國(guó)際組織、實(shí)驗(yàn)室及研究機(jī)構(gòu)都在致力于多光譜顏色復(fù)制技術(shù)的研究。比較著名的有美國(guó)羅切斯特理工學(xué)院的孟塞爾顏色科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)北卡羅萊那州立大學(xué)、英國(guó)利茲大學(xué)以及日本千葉大學(xué)等高校。此外，成像科學(xué)與技術(shù)學(xué)會(huì)IS&T、國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)SPIE、國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)IEEE等組織也在對(duì)此項(xiàng)研究做出了極大貢獻(xiàn)。

　　在國(guó)內(nèi)，武漢大學(xué)，北京理工大學(xué)及江南大學(xué)等高校也對(duì)此課題做出了不同方向的研究。

　　3.現(xiàn)階段研究存在的問(wèn)題

　　雖然多光譜顏色復(fù)制技術(shù)在光譜匹配方面的優(yōu)勢(shì)毋庸置疑，但相比于成熟的傳統(tǒng)印刷技術(shù)，該技術(shù)的完善與普及仍需要印刷業(yè)界與研究者的共同努力。目前階段，此項(xiàng)技術(shù)高昂的成本及復(fù)雜的操作技術(shù)使大多數(shù)人對(duì)此望而卻步。另外，此項(xiàng)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)采樣及處理的精度要求非常高，據(jù)意大利國(guó)家研究院多媒體信息技術(shù)研究所所做的相關(guān)研究顯示，在光譜數(shù)據(jù)無(wú)法達(dá)到要求精度的情況下，多光譜顏色復(fù)制的效果非常的不盡人意。也就是說(shuō)，盡管光譜匹配是最高級(jí)的顏色匹配這一結(jié)論毋庸置疑，但光譜匹配程度的增高與色差及人眼視覺(jué)差異的減小并無(wú)直接聯(lián)系？梢(jiàn)，盡管其優(yōu)勢(shì)在原理上顯而易見(jiàn)，但其具體實(shí)施其實(shí)具有比較大的難度。

　　五、結(jié)束語(yǔ)

　　傳統(tǒng)的四色印刷，存在這同色異譜的根本缺陷，其顏色匹配只能維持在特定條件下。為此，越來(lái)越多的人將目光聚焦于可以實(shí)現(xiàn)無(wú)條件顏色復(fù)制的多光譜顏色復(fù)制技術(shù)。盡管目前此項(xiàng)技術(shù)仍處于起步發(fā)展階段，但其對(duì)顏色精準(zhǔn)復(fù)制的優(yōu)勢(shì)使其必將成為今后業(yè)界研究的熱點(diǎn)，并為高保真印刷的實(shí)現(xiàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。