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多光谱颜色复制技术应用研究上

2022年04月29日 包头机械设备网

多光谱颜色复制技术应用研究(上)

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。(未完待续)

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