数字图像设备颜色特征化及其再现理论与技术研究

论文摘要

彩色显示器、彩色扫描仪和彩色打印机等数字图像设备在生产、生活和科学研究中的应用日益广泛。由于不同图像设备的颜色获取、显示和输出原理以及颜色表现能力不同，所以颜色信息的直接传递难以实现跨媒介保真再现，严重制约了彩色数字图像设备在现代和传统颜色工业、计算机辅助设计、生物医学等各方面的应用。颜色管理系统通过精确定义彩色图像设备的颜色特征、颜色管理意图、照明与观察条件等影响颜色外貌的参数，通过不同图像设备颜色空间的映射，实现颜色的真实再现。另一方面，颜色是刺激物、视觉系统以及照明与观察条件（如照明光源、观察环境、观察几何条件等）综合作用的结果。因此，颜色管理系统非常复杂，其中的诸多问题仍然是国际上颜色科学和计算机图形图像技术的研究热点。本论文着重研究颜色管理系统中的数字图像设备颜色特性表征这一关键技术问题，针对不同的数字图像设备，比较并优化了颜色特征化的技术方法及其数学模型。同时，研究了数字图像设备的色域描述方法，分析了彩色图像设备的色域特性。最后，基于设备的精确颜色特征化，以ANSI IT8.7／2标准色卡为例，实现了从扫描仪输入、经CRT软拷贝显示到打印机硬拷贝输出的颜色传输和再现的完整应用过程。彩色扫描仪是一种重要的数字图像输入设备。扫描仪的颜色特性表征方法主要有两种，即色度特征化和光谱特征化。扫描仪的色度特征化着重研究了多项式回归模型，通过优化多项式项数、输入预处理并选择合适的输出颜色空间，实现了高精度的扫描仪色度特征化。但是，扫描仪的多项式回归色度特征化模型存在同色异谱问题，因此本文提出了基于主元分析法（PCA）和神经网络技术实现扫描仪颜色光谱特征化的算法模型，解决了同色异谱的问题，并且获得了比国际上同类研究更高的图像光谱重构精度。对于广泛应用的阴极射线管（CRT）显示器，比较了几种不同模型的颜色特征化精度。采用对颜色测试数据进行去除黑点的预处理，有效地提高了模型的精度。当每个通道采用17个标定颜色时，假定色品恒定的线性插值（PLCC）模型的颜色表征精度最高；如果每个通道采用5个标定颜色，则增益-偏置-伽玛（GOG）模型的颜色表征性能最优。由于液晶显示器（LCD）的颜色显示原理与CRT显示器不同，因而基于LCD阶调复现特性（TRC）的测试和分析，本文提出了适合LCD颜色特征化的S-Shape模型，并通过与已有描述LCD阶调特性的S-Curve模型比较表明，在达到同等精度的前提下，S-Shape模型的参数设置更合理，应用更方便。喷墨打印机的颜色特征化相对于扫描仪和显示器则更为复杂，通常采用三维查表插值法来实现其颜色空间的变换。三维立方体插值能方便地应用于打印机设备相关颜色空间到CIE色度空间的变换，但其逆向变换通常难以实现。因此，本文提出了一种基于立方体细分的三维查表插值匹配算法，并通过实验证明该方法可以实现高精度的打印机颜色空间逆向变换。数字图像设备准确的色域描述是实现不同设备之间色域映射的前提。相对于目前广泛应用的离散描述方法，色域的解析描述能降低数据存储空间，并提高色域映射的计算效率。本文基于三维空间中曲面拟合的思想并结合色域特征，提出了色域的双变量高阶多项式（TVHOP）解析描述方法及其数学模型。通过对彩色CRT显示器的色域描述实验研究表明，TVHOP模型基于少量的色域表面颜色的测试即可以获得较高的色域描述精度。在详细研究了数字图像设备颜色特征化技术的基础上，以ANSI IT8.7／2标准色卡为测试彩色图像，通过扫描仪输入到显示器软拷贝再现和打印机硬拷贝输出，实现了完整的颜色信息传输过程，并对各设备的颜色特征化模型以及颜色再现能力进行了综合的测试、分析和评价。然后，将本论文的实验结果与国内外相关研究进行比较，验证了本研究中数字图像设备的颜色特征化模型与颜色再现的高精度和有效性。最后，对本论文研究工作的主要结论和创新点进行了阐述和总结，并对今后进一步的研究工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景、目的和意义
• 1.1.1 课题的研究背景
• 1.1.2 研究目的和意义
• 1.2 国内外研究概述
• 1.2.1 相关国际研究机构及其成果
• 1.2.2 数字图像设备颜色特征化和色域描述相关研究
• 1.3 本论文的研究内容
• 1.4 论文的组织结构
• 参考文献
• 第二章 颜色与数字图像设备
• 2.1 颜色的基本概念
• 2.2 颜色科学基本理论
• 2.2.1 CIE1931标准色度系统和CIE1964补充标准色度系统
• 2.2.2 标准照明体和标准光源
• 2.2.3 均匀颜色空间与色差评价
• 2.3 数字成像和颜色再现设备
• 2.3.1 颜色管理系统
• 2.3.2 数字成像设备
• 2.3.3 颜色再现设备
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 扫描仪的颜色特征化
• 3.1 引言
• 3.2 通用的的色度特征化模型
• 3.2.1 三维查表插值法
• 3.2.2 BP神经网络法
• 3.2.3 多项式回归模型
• 3.3 基于多项式回归模型的扫描仪色度特征化
• 3.3.1 实验设备和设置
• 3.3.2 实验数据采集和处理
• 3.3.3 实验结果和分析
• 3.3.4 实验结论
• 3.4 基于主元分析法和神经网络技术的扫描仪光谱特征化
• 3.4.1 主元分析法
• 3.4.2 神经网络法
• 3.4.3 实验设备和材料
• 3.4.4 实验结果和分析
• 3.4.5 实验结论
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 显示设备的颜色特征化
• 4.1 引言
• 4.2 显示设备颜色特征化理论
• 4.3 显示设备的评估测试
• 4.3.1 测试条件
• 4.3.2 预热时间
• 4.3.3 图像稳定时间
• 4.3.4 通道相加性
• 4.3.5 色品恒常性
• 4.3.6 空间均匀性和空间独立性测试
• 4.4 CRT显示器颜色特征化实验
• 4.4.1 实验方法
• 4.4.2 模型总体性能比较
• 4.4.3 模型各色区性能比较
• 4.4.4 与同类研究的比较
• 4.5 LCD显示器颜色特征化S-Shape模型
• 4.5.1 实验方法
• 4.5.2 模型参数优化
• 4.5.3 模型的比较
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 打印机的颜色特征化
• 5.1 引言
• 5.2 RGB到CIEXYZ颜色空间的正向变换
• 5.2.1 实验设备、材料和方法
• 5.2.2 颜色空间转换算法
• 5.2.3 实验结果和分析
• 5.3 打印机颜色空间的逆向变换
• 5.3.1 立方体细分查表插值匹配算法
• 5.3.2 CIEXYZ到设备RGB颜色空间的变换实验
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 数字图像设备的色域描述
• 6.1 引言
• 6.2 等明度色域边界算法确定CRT色域
• 6.2.1 等明度色域边界算法
• 6.2.2 CRT显示器的颜色特征化
• 6.2.3 CRT显示器色域的确定
• 6.3 色域的双变数高阶多项式解析模型
• 6.3.1 TVHOP模型
• 6.3.2 CRT显示器的色域解析描述
• 6.4 彩色图像设备色域的比较
• 6.4.1 打印机和CRT比较
• 6.4.2 扫描仪和CRT的比较
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 数字图像设备的颜色再现及其评价
• 7.1 引言
• 7.2 实验方法和色差评价
• 7.2.1 颜色再现流程
• 7.2.2 色差评价
• 7.3 CRT显示器的颜色再现
• 7.3.1 PLCC模型的变换可逆性色差
• 7.3.2 PLCC模型的预测色差
• 7.3.3 CRT显示器的颜色再现色差
• 7.3.4 扫描仪到显示器的颜色传递色差
• 7.4 打印机的颜色再现
• 7.4.1 打印机的颜色空间变换可逆性色差
• 7.4.2 打印机三维查表插值法的预测色差
• 7.4.3 打印机的颜色再现色差
• 7.4.4 扫描仪经显示器到打印机的颜色传递色差
• 7.5 本章小结
• 参考文献
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 本论文创新点
• 8.3 存在问题与研究展望
• 博士在读期间发表的论文
• 致谢