Повышение точности оценки цвета устройством для ввода изображений

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛИГРАФИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

И. А. Сысуев С. А. Александров И. С. Соколов

Омский государственный технический университет

УДК 681.3.072.1

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ОЦЕНКИ ЦВЕТА УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ ВВОДА ИЗОБРАЖЕНИЙ

Метамерными называют воспринимаемые одинаковыми цвета, которым соответствуют различные по спектральному составу излучения, испускаемые (для светящихся объектов) или отражаемые (пропускаемые - для несамосветящихся) ими.

Например, если тело излучает или отражает в интервале длин волн 565-580 нм, то цвет его всегда желтый. Однако обратное заключение верно не всегда: по известному цвету испускаемого или отражаемого объектом излучения невозможно уверенно указать его спектральный состав или длину волны. Так, если цвет излучения желтый, то это не значит, что оно занимает названный интервал (565-580 нм) или его часть. Желтой воспринимается и смесь монохроматических излучений, находящихся вне предела этого интервала: зеленого (A¡ =546 нм) с красным (Л-, =700 нм) при определенных соотношениях их мощностей. В общем случае видимое цветовое тождество испускаемых или отражаемых световых пучков не гарантирует их тождества по спектральному составу. Метамер-ность такого рода можно назвать визуальной.

Совершенно очевидно, что техническим устройствам, связанным с регистрацией световых излучений, также присуще свойство метамерности.

Это относится, в частности, к спектрофотометру. Данное устройство, предназначенное для колориметрических измерений, разлагает в спектр отраженное объектом излучение и измеряет с интервалом в 10 нм спектральный коэффициент отражения с последующим расчетом координат цвета по стандартной методике МКО (МКО- Международная комиссия по освещению, CIE) в равноконтраст-

ной колориметрической системе С1Е1_аЬ-1976. Расчет производится через колориметрическую систему С1ЕХУ2-1931, причем вкачестве расчетных данных используются среднестатистические характеристики зрения - удельные координаты цвета - стандартный колориметрический наблюдатель МКО. Метамерность спектрофотометра аналогична визуальной, поскольку при определении координат цвета используется стандартная (МКО) методика расчета, а спектральный состав излучения учитывается с достаточной точностью описания: спектральный интервал 10 нм, как правило, и используется в колориметрических расчетах.

Метамерность, однако иного рода, характерна и для электронных систем воспроизведения изображений на базе компьютера. В электронной издательской системе (системе воспроизведения изображений) регистрирующим световые излучения элементом является устройство ввода изображений (УВИ), например сканер или цифровая камера. Оценка цвета производится УВИ по трем зональным коэффициентам отражения (в синей, зеленой и красной зонах спектра), которые зависят и определяются с учетом спектральной чувствительности светочувствительных элементов УВИ и спектральной характеристики поглощения цветоделительных светофильтров (соответственно красного, зеленого и синего). На практике УВИ измеряют зональные отражения на спектральных интервалах 400-500 нм (синяя зона, В-В1ие), 500-600 нм (зеленая зона, С-Сгееп), 600-700 нм (красная зона спектра, Я-Кес1). Совершенно очевидно, что при такой оценке цвета не учитывается спектральное

Вар. I Вар, 2 Вар. 3 Вар. 4

Рис. 1. Варианты спектрального распределения коэффициента отражения в зоне спектра (Х-,

Вар. 5 - Aj =100нм).

Таблица 1

Точность расчетов координат цвета в системе Lab без учета длинноволнового и коротковолнового участков спектра

Цвета Координаты цвета Цветовые отличия

Рассчитанные с учетом коэффициентов отражения на интервале длин волн 380-780 нм Рассчитанные с учетом коэффициентов отражения на интервале длин волн 400-700 нм

L а b L а b

синий 23,63 114,48 -124,82 23,63 114,34 -124,74 ДЕ= 0,160

голубой 81,34 -67,35 -32,14 81,34 -67,45 -32,06 ДЕ= 0,127

зеленый 79,10 -136,27 71,45 79,10 -136,27 71,45 ДЕ= 0,000

желтый 98,44 -26,31 104,63 98,42 -26,53 104,60 ДЕ= 0,220

красный 49,57 85,78 103,44 49,54 85,67 103,38 ДЕ= 0,126

пурпурный 54,07 116,26 -72,35 54,04 116,13 -72,31 ДЕ= 0,143

распределение коэффициента отражения в соответствующей зоне спектра, а цвет для УВИ определяется только интегральйым (т.е. общим, суммарным) отражением света в этой зоне. Это означает, что количество метамерных цветов для УВИ будет значительно большим, чем визуально метамерных. Можно вести речь о том. что метамерность устройства для ввода изображения имеет более высокий порядок, чем визуальная.

1. Метамерность RGB-анализатора

В настоящем, теоретическом, исследовании была изучена метамерность RGB-анализатора устройства для ввода изображений, который анализирует цвет с использованием светофильтров, максимально пропускающих излучение в «своей» соответствующей зоне спектра и максимально поглощающих в «чужих» зонах, а светочувствительные приемники неселективны, т.е. равномерно чувствительны ко всем излучениям видимого диапазона спектра, ограниченного в пределах 400-700 нм.

Для исследования метамерности устройства для ввода изображения, необходимо выбрать цветовые области, в которых метамерность проявлялась бы наиболее заметно.

Очевидно, что наиболее метамерными будут цветовые области, а которых зональный коэффициент отражения равен 0,5; т.к. именно в этой области количество возможных спектральных распределений по зоне -наибольшее.

В качестве базовых цветов для исследования метамерности RGB-анализатора были выбраны:

- ахроматический серый ( р =0,5), поскольку именно по метамерности ахроматического наглядно выявляются особенности оценки цветов УВИ;

- красный, зеленый и синий цвета с зональными коэффициентами отражения р юи в «своей» зоне спектра равными 1, а в «чужих» зонах - 0,5.

Для исследования метамерности были выбраны варианты спектрального распределения коэффициента

Таблица 2

Координаты метамерно синих цветов устройства для ввода изображения с трехкомпонентным 1%СВ-аналиэатором

Спектральное распределение коэффициента отражения L а b

Зона спектра

Синяя Зеленая Красная

t'Ollil Вар ! Вар. 1 79,70 8,05 -34,82

Вар 1 Вар 2 78,55 1,73 -36,80

Вар I Вар 3 75,37 -12,33 -42,28

Вар I Вар 4 71.86 -30,81 -48,33

Вар 1 Вар. 5 70,58 -40,99 -50,54

Вар 2 Вар. 1 80,11 16,32 -33,77

Вар. 2 Вар. 2 78,97 10,50 -35,73

Вар. 2 Вар. 3 75,82 -2,16 -41,16

Вар. 2 Вар. 4 72,35 -18,47 -47,15

Вар. 2 Вар. 5 71,08 -27,41 -49,33

Вар. 3 Вар. 1 82,03 30,63 -29,05

Вар. 3 Вар. 2 80,94 25,70 -30,93

Вар 3 Вар. 3 77,91 15,44 -36,14

Вар 3 Вар 4 74,60 2,69 -41,84

Вар 3 Вар 5 73,40 -4.23 -43,91

Вар -1 Вар 1 83.53 44,10 -25.01

Вар 4 Вар 2 82,47 39,84 -26,84

Вар 4 Вар. 3 79.54 31,35 -31,88

Вар. 4 Вар. 4 76,35 21,07 -37,38

Вар 4 Вар. 5 75,19 15,46 -39,37

Вар 5 Вар 1 84,25 49,55 -23,43

Вар. 5 Вар 2 83,21 45,54 -25,23

Вар 5 Вар 3 80,33 37,69 -30,19

Вар. 5 Вар. 4 77,19 28,28 -35,59

Вар. 5 Вар 5 76,06 23,13 -37,55

1 0.5 0,5

Зональные коэффициенты отражения

отражения в пределах зоны спектра (^ - Л, =100 нм), соответствующие зональному коэффициенту отражения, равному 0,5 (рис. 1), с наибольшей степенью отличия друг от друга. В результате всех возможных комбинаций описанных выше вариантов спектрального распределения в зоне были полумены 125 метамерно серых для УВИ цветов и по 25 -метамерно красных, зеленых и синих. Пример расчетов для метамерно синих цветов RGB-анализатора показан в табл. 2.

Координаты цветов, воспринимаемых метамерными устройством для ввода изображений, рассчитывались в программе Microsoft Excel в колориметрической системе CIELab-1976 для стандартного излучения МКО D65 с учетом спектральных коэффициентов отражений на интервале длин волн 400-700 нм.

Оценка точности расчетов координат цвета в системе Lab, связанная с усечением коротковолнового

-74-

и длинноволнового (700-780) участков спектра, приведена в табл. 1.

Расчетные данные - координаты L, a, b метамерных цветов RGB-анализатора устройства для ввода изображений: серых, красных, зеленых и синих, приведены на рис. 2-6.

На основе проведенного исследования была выявлена ось метамерности, направленная от голубого к красному, красно-оранжевому, оранжевому (рис. 2). В результате этого было определены наиболее критичные области метамерности устройств для ввода изображения.

Из вышесказанного следует, что для наиболее корректного ввода изображения необходимо использовать дополнительные цветовые анализаторы. Для корректировки наиболее критичных областей необходимо использовать четвертый - голубой (Cyan - С, 480-510 нм) и пятый -оранжевый (Orange-O,580-610 нм) анализаторы.

Ъ у—

-1D0

i Í

> -**

•

. «ж

21* $ *

-25-

-5G-

-7-5-

25

X

X XJ 1 **

X'

75

• Ахроматический серый  Синий д 3елеиыЙ X Красны й

Рис. 2. Точки RGB-метамерных цветов УВИ на диаграмме цветности ab.

-90,00

71,0й -6(i00 ' -4Í

00

-Э<

',00

45,00

-ЗОЛ»

-15,00.

Ю

. 13;00

--15,00

-30,00

30

00

45

00

60,00

Рис. 3. Точки метамерно серых цветов устройства для цветности аЬ: базовый цвет в точке с координатами 0,0.

ввода изображения с трехиомпонентным RGB-анализатором на диаграмме

-45.OU

-30.00

—:-----15,00 ;—

-15.00 0,p0

15j,00

30

-30,00

-45,00

00

45

00

60,00

-60,00

Рис. 4. Точки метамерно синих цветов устройства для ввода изображения с трехкомпонентным НСВ-анализатором на диаграмме

цветности аЬ: крупной точкой обозначен базовый цвет.

60,00-1

-60.00

-15,00'

15,00

зс.оо

45,00

60.00

-45.00

-15,00

Рис. 6. Точки метамерно красных цветов устройства для ввода изображения с трехкомпонентным НСВ-анализатором на диаграмме цветности аЬ: крупной точкой обозначен базовый цвет.

Рис. 5. Точки метамерно зеленых цветов устройства для ввода изображения с трехкомпонентным НБВ-анализатором на диаграмме цветности аЬ: крупной точкой обозначен базовый цвет.

2. Метамерность RGBC-анализатора

Расчеты производились в программе Microsoft Excel. Первоначально вводилась спектральная характеристика цвета в соответствие с комбинацией вариантов спектрального распределения, те тех цветов, которые были использованы для исследования метамерности RGB-анализатора: 125 RGB-метамерно серых и по 25 RGB-метамерно красных, зеленых и синих. Далее рассчитывалось зональное отражение в голубой зоне (480510 нм), и производились расчеты координат L, a, b RGB-метамерных цветов с учетом «сигнала» (т.е. зонального коэффициента отражения) дополнительного голубого анализатора.

Для большей наглядности на рис. 7 представлен пример различения RGBC-анализатором метамерно серых цветов RGB-анализатора На рис. 8-11 изображены точки различенных RGBC-анализатором RGB-метамерных цветов.

3. Метамерность RGBCO-анализатора

Расчеты производились в программе Microsoft Excel. Первоначально вводилась спектральная характеристика

цвета в соответствие с комбинацией вариантов спектрального распределения, аналогично расчетам для RGB- и RGBC-анализаторов. Далее рассчитывалось зональное отражение в голубой (480-510 нм) и оранжевой зонах (580-610 нм), и производились расчеты координат L, a, b RGB-метамерных цветов с учетом «сигналов» дополнительных голубого и оранжевого анализаторов.

На рис. 12-15 изображены точки различенных RGBCO-анализатором метамерных цветов RGB-анализатора.

4. Оценка метамерности

Поскольку в настоящее время не существует стандартизированных характеристик метамерности устройств и органов восприятия цвета в качестве критерия оценки были определены следующие характеристики метамерности устройства для ввода изображения:

1. Показатель метамерности - величина показывающая количество различенных анализатором цветов из их общего количества.

Например, если из 25 цветов устройство различило 5 отличных друг от друга цветов, то его показатель

---------ю.оо-1 —.------

Рис. 7. Пример различения четырехкомпонентным анализатором устройства для ввода изображения ЯвВ-метамерно серых цветов (на диаграмме цветности аЬ):

• Метамерно серые цвета устройства для ввода изображения с НБВ-анализатором, х Различенные четырехкомпонентным (ЗСВС-анализатором метамерно серые цвета НСВ-анализатора.

Ь

I

- 45.00

-ШЮ-

15.00

» .0.0&.

-90.00

,00" • -45.00 -ЗС

<И" I • .

-30-.00

Рис. 8. Различение четырехкомпонентным анализатором ЯОВ-метамерно серых цветов (на диаграмме цветности аЬ):

• Метамерно серые цвета устройства для ввода изображения с ИбВ-анализатором,

* Различенные четырехкомпонентным КЭБС-анализатором метамерно серые цвета 1*СВ-анализатора.

метамерности оценивается как 25:5 или 5:1. Таким образом, чем меньше показатель метамерности, тем, следовательно, ниже метамерность устройства восприятия цвета. Абсолютный анализатор будет иметь показатель метамерности равный 1. В проводимых исследованиях показатель метамерности носит условный характер, так как количество исследуемых цветов ограничено. Однако, он позволяет в определенной степени оценить метамерность различных анализаторов.

2. Относительный показатель метамерности -отношение показателей метамерности различных устройств восприятия цвета. Он необходим для сравнения точности оценки цвета различными устройствами.

3. Область метамерности - расстояние между точками

крайних метамерных цветов конкретного устройства восприятия цвета, рассчитываемое как цветовые отличия по формуле ДЕ>Ь.

В табл. 3-4 приведены характеристики метамерности различных анализаторов устройства для ввода изображения.

Выводы

1. Проведенные исследования метамерности устройства для ввода изображения с РКЗВ-анапизатором показали, что данное устройство обладает высокой степенью метамерности. Так, например, показатель метамерности ахроматического серого равен 125, т.е. 125 цветов с различным спектральным распределением

-45.00

.00

-н^оо

,00 о,

00

^00

15,00

-60.00-

о

зс

00

45,00

60,00

Рис. 9. Различение четырехкомпонентным анализатором ЯСВ-метамерио синих цветов (на диаграмме цветности аЬ): • Метамерно синие цвета устройства для ввода изображения с РШВ-анализатором, . Различенные четырехкомпонентным ЯОВС-анализатором метамерно синие цвета (ТСВ-анализатора.

60,001

-30.00

-15,00

0.00

Рис. 10. Различение четырехкомпонентным анализатором РвВ-метамерно зеленых цветов (на диаграмме цветности аЬ):

. Метамерно зелёные цвета устройства для ввода изображения с ЯСВ-анализатором,

- Различенные четырехкомпонентным ПСВС-анапизатором метамерно зелёные цвета НбВ-анализатора.

О

60,00

Рис. 11. Различение четырехкомпонентным анализатором РбВ-метамерно красных цветов (на диаграмме цветности аЬ):

. Метамерно красные цвета устройства для ввода изображения с ЯСВ-анализатором,

х Различенные четырехкомпонентным ГГСВС-анализатором метамерно красные цвета РСВ-анализатора.

Таблица 3

Характеристика метамерности 1?СВ и РСВС-анализаторов

Цвет

Серый | Синий ! Зеленый Красный

I. Степень метамерности

КОВ-аня;шзаюр 125:1 | 25:1 ! 25:1 25:.

ЯСВС-аналиэатор 125:13 | 25:5 25:5 1 25:13

2 Снижение степени М(Ламрностп 13 | 5 1 5 13

* Об.маь метамерности

.Я , КС|В-ана:ииато(1а 127.0-4 ; 95,00 53.28 62,37

ДЬ„[, ЯОВС-ана.иштора 24.33 I 13,77 1 10,23 28,24

4 Уменьшение области меглисрпост 4.30 6.90 5.20 2.20

Таблица 4

Характеристика метамерности (ТСВ и (ЗСВСО-анализаторов

Цвет

Серый | Синий | Зеленый | Красный

1. Степень метамерности

{ЮВ-анализатор 125:1 25:1 25:1 25:1

ЯСВСО-анал иэатор 125:97 25:25 25:25 25:25

2. Снижение степени метамркости 96,2 25 25 25

3 Область метамерности

ДЕ,Ь НО В-анализатора 127,04 95 53,28 62,37

ДЕ* ЯСВСО-аиалиэатора 70,06 -

4 Уменьшение области метамерности 1.8

'45,001

щю-

-90.00

-75,00

-6Й.ОО

-45,00

-30,00

--"-0,-00

;,6о о,

оо

15,00

зс

,00

45

,00

60,00

......-30,0(г-----------

Рис. 12. Различение пятикомпонентным анализатором РвВ-метамерно серых (на диаграмме цветности аЬ): л Метамерно серые цвета устройства для ввода изображения с РБВ-анализатором, л Различенные пятикомпонентным ЯСВСО-анализатором метамерно серые цвета РвВ-анализатора.

а

60,00

-45.00

-30.00

-15,00

00

I

------=45^

,00

О

зс

,00

,00

-60,ост —

Рис. 13. Различение пятикомпонентным анализатором ИйВ-метамерно синих цветов (на диаграмме цветности аЬ): О Метамерно синие цвета устройства для ввода изображения с НОВ-анализатором, л Различенные пятикомпонентным НСВСО-анализатором метамерно синие цвета 1«ЗВ-аналиэатора.

коэффициента отражения РЮВ-анализатор воспринял как один серый цвет (|_ = 76.07; а = -0,18; Ь = 0,04).

В синей, зеленой и красной областях показатели метамерности равны 25, т.е. 25 цветов с различным спектральным распределением коэффициента отражения, !ЗСВ-анализатор воспринял как один цвет.

Область метамерности имеет явно выраженную ось направленную от голубого к красному, красно-оранжевому, что характерно для всех исследуемых цветов, т.е. ахроматического серого, синего, зеленого и красного.

Область метамерности достаточно объемна, показатель АЕаЬ находится в пределах от 53 для зеленых цветов до 127 для ахроматического серого.

2 Проведенное исследование метамерности устройства для ввода изображения с РЮВС-анализатором показало, что данное устройство обладает меньшей степенью метамерности, чем - с ИСВ-анализатором. Так,

например, показатель метамерности в области ахроматического серого равен 10, т.е. 125 цветов с различным спектральным распределением коэффициента отражения РЮВС-аналиэатор воспринял как 13 отличных друг от друга цветов. Относительный показатель метамерности равен 13, те. метамерность уменьшилась в 13 раз, а область метамерности уменьшилась в 4,3 раза по сравнению с устройством для ввода изображения с РЮВ-анализатором.

В синей и зеленой областях показатели метамерности равны 5, т.е. 25 цветов с различным спектральным распределением коэффициента отражения, КСВС-анализатор воспринял, как пять цветов. Показатель метамерности уменьшился в 5 раз, а область метамерности - 6,9 и 5,2 раза, соответственно

В красной области показатель метамерности равен 2, те. 25 цветов с различным спектральным

60.0&1 ь

да

-()ОЛК>

-45.00

-30.00

-15,00

0,00

45,00т*

30,00

15,00

-15,00

-ftee- о.

-I5.001

Рис. 14. Различение пятикомпонентным анализатором RGB-ме-тамерно зелёных цветов (на диаграмме цветности ab):

. Мета мерно зелёные цвета устройства для ввода изображения с RGB-анализатором,

д Различенные пятикомпонентным RGBCO-анализатором мета-мерно зелёные цвета RGB-анализатора.

распределением коэффициента отражения RGBC-анализатор воспринял, как 13 цветов, а область метамернссти уменьшилась в 2,2 раза.

3. Проведенное исследование метамерности устройства для ввода изображения с RGBCO-анапизатором показали, что данное устройство обладает меньшей степенью метамерности, чем - с RGB- и RGBC-анализаторами. Так, например, показатель метамерности ахроматического серого равен 1,3, т.е. 125 цветов с различным спектральным распределением коэффициента отражения, RGBCO-анализатор воспринял как97 отличных друг то друга цветов. Метамерность уменьшилась в 96 раз, а область метамерности - в 1,8 раза по сравнению с устройством для ввода изображения с RGB-анализатором.

В синей, зеленой и красной областях показатели метамерности равны 25, т.е. 25 цветов с различным спектральным распределением коэффициента отражения, RGBCO-анализатор воспринял, как 25 различных цветов. Относительный показатель метамерности равен 1, т.е. все цвета были восприняты отличными друг от друга. Область метамерности отсутствует

5 Из вышесказанного следует, что использование четырех- и пятикомпонентных анализаторов цвета

Рис. 15. Различение пятикомпонентным анализатором РСВ-ме-тамерно красных цветов (на диаграмме цветности аЬ):

. Метамерно красные цвета устройства для ввода изображения с КСВ-анализатором,

д Различенные пятикомпонентным ЯСВСО-анализатором метамерно красные цвета RGB-aнaлизaтopa.

позволяет значительно повысить точность восприятия цвета анализирующей системой устройств для ввода изображения, и, тем самым, повысить качество обработки цветных изображений.

Учитывая конструктивную простоту современных планшетных сканеров и их невысокую стоимость, можно утверждать, что оснащение их дополнительными анализирующими ПЗС-линейками для считывания сигналов в голубой и оранжевой зонах не вызовет значительных конструктивных затруднений и повышения стоимости.

Кроме того, последнее не повлияет на характер обработки цвета в прикладных программах, поскольку выходные RGB-cигнaлы устройства для ввода изображений будут откорректированы с учетом С- и О-сигналов, т.е. изменится не форма представления и передачи данных о цвете в прикладную программу, а конкретные значения РСВ-сигналов.

СЫСУЕВ Игорь Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Дизайн, реклама и технология полиграфического производства».

АЛЕКСАНДРОВ Сергей Александрович, студент 5-го курса химико-полиграфического факультета. СОКОЛОВ Игорь Станиславович, студент 5-го курса химико-полиграфического факультета.