多光譜顏色復制技術(shù)應用研究

　　傳統的顏色復制方式，雖然成功地實(shí)現了色度顏色再現及正確顏色再現兩種方式，但由于其基于同色異譜的本質(zhì)特性，無(wú)法實(shí)現顏色的無(wú)條件再現，即光譜顏色再現。而多光譜顏色復制技術(shù)采用的是多基色成像方法，通過(guò)增大顏色復制的自由度從而增大了顏色色域。其光譜匹配的再現方式消除了同色異譜的問(wèn)題，從而實(shí)現了顏色的無(wú)條件匹配。此項技術(shù)對高保真印刷技術(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、傳統四色印刷存在的缺陷

　　傳統印刷方式采用CMYK四種基色來(lái)實(shí)現顏色復制。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，傳統四色印刷都是基于同色異譜原理來(lái)實(shí)現顏色復制的。同色異譜原理是指在印刷復制中，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制給予認可。此種方式極大地降低了顏色復制的難度，在大多數情況下可以實(shí)現顏色的正確再現，因此構成了傳統印刷方式實(shí)現的基礎。然而，在照明光源及觀(guān)察者變化較大時(shí)，其復制效果往往會(huì )顯現出較大的偏差。這一問(wèn)題也是傳統印刷業(yè)中質(zhì)量糾紛的一個(gè)重要根源。此外，四色印刷所能再現的顏色僅約為可見(jiàn)光譜色域的一半，對于鮮艷的顏色及動(dòng)態(tài)范圍較大的圖像復制效果往往難以令人滿(mǎn)意。在當前技術(shù)水平條件下，即使人們在復制時(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。

　　傳統印刷方式著(zhù)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)分注重對油墨用量的討論而忽略了復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)分地強調了飽和度的再現，而不得不采用犧牲亮度的方法。

　　由于傳統復制的上述缺陷，其復制效果往往不盡如人意，主要表現為圖像顏色沉重，立體感較差，層次損失較為嚴重，并存在不同程度的顏色失真現象。

　　二、多光譜顏色復制技術(shù)的優(yōu)越性

　　多光譜顏色復制技術(shù)通過(guò)對多光譜數據的獲取，分析及處理從而實(shí)現顏色的復制。此項技術(shù)以光譜匹配為顏色再現標準，通過(guò)增大顏色疊加的自由度從而實(shí)現了再現色域的擴大。由于光譜反射曲線(xiàn)的唯一性，不論光源及觀(guān)察條件如何改變，其再現效果依然可以保持穩定。此外，對光譜反射率多個(gè)波段的采樣可以盡可能詳細的記錄顏色特性，有效地解決了傳統模式下數據精度過(guò)低的問(wèn)題。

　　在顏色復制領(lǐng)域，顯示器、打印機、掃描儀等數字設備的顏色再現原理與人眼視覺(jué)的形成機理存在著(zhù)極大的差別。傳統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仍無(wú)法從根本上解決顏色偏離的問(wèn)題。而多光譜復制技術(shù)通過(guò)對采樣通道數量的提高，極大地提高了數據采集的完整性，從而實(shí)現了高質(zhì)量的顏色復制。鑒于上述優(yōu)勢，目前此技術(shù)已成功地用于名貴藝術(shù)作品的復制保存以及網(wǎng)絡(luò )購物等領(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實(shí)的基礎。

　　三、多光譜復制技術(shù)工藝流程

　　多光譜顏色復制技術(shù)通過(guò)對顏色光譜反射率或透射率的描述，以光譜數據來(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.數據獲取

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

　　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，不受背景光干擾;可采集高分辨率數據，多種數據支持模式，高成像對比度。

　　在獲取光譜數據后，需要對其進(jìn)行分析處理從而實(shí)現高精度的光譜重建�，F將多光譜數據獲取的數學(xué)模型的矩陣表示方法介紹如下：

　　設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(cháng)的數量，T表示矩陣的轉秩運算。在多光譜相機中，m個(gè)濾色片的光譜透射特性可由矩陣F表示，

　　探測器的光譜靈敏度由矩陣D表示，

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

　　除上述方法之外，也可以采用主成分分析的方法(PCA)來(lái)選擇最佳濾色片設計以及實(shí)現更精確的光譜重建。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換，也常用于掃描儀高精度設備特性文件的建立。

　　2.原稿色料的預測及最佳墨色選擇

　　在多光譜數據獲取完成后，需要對其進(jìn)行數據分析。通過(guò)對采集顏色光譜分布的預測，從而確定顏色復制的最佳墨色選擇，最大限度的消除同色異譜現象對顏色匹配的影響。為了實(shí)現復制顏色與原稿顏色的最佳匹配，必須保證復制顏色光譜分布曲線(xiàn)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光譜數據進(jìn)行分析處理，隨后通過(guò)受限旋轉變換預測出實(shí)際可能的最佳色料選擇。最后，通過(guò)將預測色料組合與數據庫中油墨組合的對照比較，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測

　　關(guān)于顏色復制中半色調模型的建立，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(chēng)YNSN模型)是最為常用的反射率預測模型，該模型闡明了半色調印刷顏色光譜反射率與網(wǎng)點(diǎn)面積率在各個(gè)波長(cháng)上的對應關(guān)系，并將光學(xué)網(wǎng)點(diǎn)擴大問(wèn)題考慮在內，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。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.基于光譜數據的分色及印刷

　　基于多光譜數據的分色技術(shù)是多光譜顏色復制技術(shù)的核心，通常采用YNSN模型的逆變換來(lái)實(shí)現。在利用YNSN方程求得油墨網(wǎng)點(diǎn)的光譜值時(shí)，應采用適當的非線(xiàn)性化優(yōu)化迭代方法來(lái)確定各基色油墨的分色設置。此種分色技術(shù)的顏色查找表與四色基于相同的原理，所不同的是需要對顏色空間的色相區間進(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，故此項技術(shù)常應用于高保真印刷。

　　在分色完成后，可以利用多色打印機或印刷機進(jìn)行多基色印刷。相比于傳統的印刷方式，多光譜復制技術(shù)擁有更大的色域空間，可以復制更為鮮艷真實(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、多光譜顏色復制技術(shù)的研究現狀及相關(guān)機構

　　1.多光譜復制技術(shù)的研究?jì)热?

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

　　數據獲�。涸O備特征化方法，濾色片的設計，多光譜相機的調教以及數據的記錄等等。

　　數據處理：色空間轉換，色域匹配，光譜數據的編碼與解碼等。

　　數據輸出：對照表的建立，分色算法的研究，墨色選擇等。

　　2.相關(guān)機構

　　目前，世界上許多的國際組織、實(shí)驗室及研究機構都在致力于多光譜顏色復制技術(shù)的研究。比較著(zhù)名的有美國羅切斯特理工學(xué)院的孟塞爾顏色科學(xué)實(shí)驗室、美國北卡羅萊那州立大學(xué)、英國利茲大學(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、國際光學(xué)工程學(xué)會(huì )SPIE、國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì )IEEE等組織也在對此項研究做出了極大貢獻。

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

　　3.現階段研究存在的問(wèn)題

　　雖然多光譜顏色復制技術(shù)在光譜匹配方面的優(yōu)勢毋庸置疑，但相比于成熟的傳統印刷技術(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，此項技術(shù)高昂的成本及復雜的操作技術(shù)使大多數人對此望而卻步。另外，此項技術(shù)對數據采樣及處理的精度要求非常高，據意大利國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，在光譜數據無(wú)法達到要求精度的情況下，多光譜顏色復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的顏色匹配這一結論毋庸置疑，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、結束語(yǔ)

　　傳統的四色印刷，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)現無(wú)條件顏色復制的多光譜顏色復制技術(shù)。盡管目前此項技術(shù)仍處于起步發(fā)展階段，但其對顏色精準復制的優(yōu)勢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)現打下堅實(shí)的基礎。