多光譜顏色復制技術應用研究
發布時間：2024-06-23 點擊：178
對于顏色再現的評價存在著許多種理論。其中，英國著名的色彩專家亨特，通過對各種因素的綜合分析，將顏色再現分為六種類型：光譜顏色再現、色度顏色再現、正確顏色再現、等價顏色再現、對應顏色再現以及喜好顏色再現。
傳統的顏色復制方式，雖然成功地實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特性，無法實現顏色的無條件再現，即光譜顏色再現。而多光譜顏色復制技術采用的是多基色成像方法，通過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題，從而實現了顏色的無條件匹配。此項技術對高保真印刷技術的發展意義重大，也必將成為未來印刷業發展的方向。
一、傳統四色印刷存在的缺陷
傳統印刷方式采用cmyk四種基色來實現顏色復制。四色油墨由于本身的局限性，無法涵蓋原稿顏色的全部光譜信息。事實上，傳統四色印刷都是基于同色異譜原理來實現顏色復制的。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現顏色的正確再現，因此構成了傳統印刷方式實現的基礎。然而，在照明光源及觀察者變化較大時，其復制效果往往會顯現出較大的偏差。這一問題也是傳統印刷業中質量糾紛的一個重要根源。此外，四色印刷所能再現的顏色僅約為可見光譜色域的一半，對于鮮艷的顏色及動態范圍較大的圖像復制效果往往難以令人滿意。在當前技術水平條件下，即使人們在復制時進行精確的色彩管理及色域匹配，仍無法從根本上解決同色異譜以及色域過小的問題。
傳統印刷方式著重以印刷顏色密度來匹配原稿密度。然而，此種匹配方式過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題。事實上，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。[next]
二、多光譜顏色復制技術的優越性
多光譜顏色復制技術通過對多光譜數據的獲取，分析及處理從而實現顏色的復制。此項技術以光譜匹配為顏色再現標準，通過增大顏色疊加的自由度從而實現了再現色域的擴大。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，其再現效果依然可以保持穩定。此外，對光譜反射率多個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低的問題。
在顏色復制領域，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的形成機理存在著極大的差別。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法從根本上解決顏色偏離的問題。而多光譜復制技術通過對采樣通道數量的提高，極大地提高了數據采集的完整性，從而實現了高質量的顏色復制。鑒于上述優勢，目前此技術已成功地用于名貴藝術作品的復制保存以及網絡購物等領域。同時，該技術也為未來高保真印刷及跨媒體出版奠定了堅實的基礎。
三、多光譜復制技術工藝流程
多光譜顏色復制技術通過對顏色光譜反射率或透射率的描述，以光譜數據來描述顏色信息。其具體工藝流程可分為如下步驟：
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，此系統具有如下優勢：
光源啟動過程短，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，需要對其進行分析處理從而實現高精度的光譜重建。現將多光譜數據獲取的數學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表示采樣波長的數量，t表示矩陣的轉秩運算。在多光譜相機中，m個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，由色度學積分計算公式可得，采集顏色的顏色值為t=(df)tsr. 隨后，通過相應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）來選擇最佳濾色片設計以及實現更精確的光譜重建。此種方法常用于攝影技術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，需要對其進行數據分析。通過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最大限度的逼近原稿顏色的光譜分布。在實際操作中，通常采用主成分分析的方法對光譜數據進行分析處理，隨后通過受限旋轉變換預測出實際可能的最佳色料選擇。最后，通過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（簡稱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點面積率在各個波長上的對應關系，并將光學網點擴大問題考慮在內，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為基色的網點面積率。
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是多光譜顏色復制技術的核心，通常采用ynsn模型的逆變換來實現。在利用ynsn方程求得油墨網點的光譜值時，應采用適當的非線性化優化迭代方法來確定各基色油墨的分色設置。此種分色技術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行多基色印刷。相比于傳統的印刷方式，多光譜復制技術擁有更大的色域空間，可以復制更為鮮艷真實的顏色。此外，其印品層次感更為真實，視覺變化效果更貼近原稿光譜。
四、 多光譜顏色復制技術的研究現狀及相關機構
1.多光譜復制技術的研究內容
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方向，而每一個方向又可細分為若干個子方向：
數據獲取：設備特征化方法，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.相關機構
目前，世界上許多的國際組織、實驗室及研究機構都在致力于多光譜顏色復制技術的研究。比較著名的有美國羅切斯特理工學院的孟塞爾顏色科學實驗室、美國北卡羅萊那州立大學、英國利茲大學以及日本千葉大學等高校。此外，成像科學與技術學會is&t、國際光學工程學會spie、國際電氣和電子工程師協會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，北京理工大學及江南大學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題
雖然多光譜顏色復制技術在光譜匹配方面的優勢毋庸置疑，但相比于成熟的傳統印刷技術，該技術的完善與普及仍需要印刷業界與研究者的共同努力。目前階段，此項技術高昂的成本及復雜的操作技術使大多數人對此望而卻步。另外，此項技術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研究所所做的相關研究顯示，在光譜數據無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，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差異的減小并無直接聯系。可見，盡管其優勢在原理上顯而易見，但其具體實施其實具有比較大的難度。
五、結束語
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，越來越多的人將目光聚焦于可以實現無條件顏色復制的多光譜顏色復制技術。盡管目前此項技術仍處于起步發展階段，但其對顏色精準復制的優勢使其必將成為今后業界研究的熱點，并為高保真印刷的實現打下堅實的基礎。
全球印刷設備器材發展迅速 五年內將超210億美元
原真色彩Hi-FiColour簡說
“CIP4”在印刷中的概念解析
無線膠訂聯動線工藝簡析
打印業務減少 噴墨打印當道
綠色包裝成為行業發展的共識與潮流
圖文快印企業網絡營銷的5個手段！
精裝書的印后加工，就是這么簡單！
傳統的顏色復制方式，雖然成功地實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特性，無法實現顏色的無條件再現，即光譜顏色再現。而多光譜顏色復制技術采用的是多基色成像方法，通過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題，從而實現了顏色的無條件匹配。此項技術對高保真印刷技術的發展意義重大，也必將成為未來印刷業發展的方向。
一、傳統四色印刷存在的缺陷
傳統印刷方式采用cmyk四種基色來實現顏色復制。四色油墨由于本身的局限性，無法涵蓋原稿顏色的全部光譜信息。事實上，傳統四色印刷都是基于同色異譜原理來實現顏色復制的。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現顏色的正確再現，因此構成了傳統印刷方式實現的基礎。然而，在照明光源及觀察者變化較大時，其復制效果往往會顯現出較大的偏差。這一問題也是傳統印刷業中質量糾紛的一個重要根源。此外，四色印刷所能再現的顏色僅約為可見光譜色域的一半，對于鮮艷的顏色及動態范圍較大的圖像復制效果往往難以令人滿意。在當前技術水平條件下，即使人們在復制時進行精確的色彩管理及色域匹配，仍無法從根本上解決同色異譜以及色域過小的問題。
傳統印刷方式著重以印刷顏色密度來匹配原稿密度。然而，此種匹配方式過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題。事實上，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。[next]
二、多光譜顏色復制技術的優越性
多光譜顏色復制技術通過對多光譜數據的獲取，分析及處理從而實現顏色的復制。此項技術以光譜匹配為顏色再現標準，通過增大顏色疊加的自由度從而實現了再現色域的擴大。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，其再現效果依然可以保持穩定。此外，對光譜反射率多個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低的問題。
在顏色復制領域，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的形成機理存在著極大的差別。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法從根本上解決顏色偏離的問題。而多光譜復制技術通過對采樣通道數量的提高，極大地提高了數據采集的完整性，從而實現了高質量的顏色復制。鑒于上述優勢，目前此技術已成功地用于名貴藝術作品的復制保存以及網絡購物等領域。同時，該技術也為未來高保真印刷及跨媒體出版奠定了堅實的基礎。
三、多光譜復制技術工藝流程
多光譜顏色復制技術通過對顏色光譜反射率或透射率的描述，以光譜數據來描述顏色信息。其具體工藝流程可分為如下步驟：
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，此系統具有如下優勢：
光源啟動過程短，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，需要對其進行分析處理從而實現高精度的光譜重建。現將多光譜數據獲取的數學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表示采樣波長的數量，t表示矩陣的轉秩運算。在多光譜相機中，m個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，由色度學積分計算公式可得，采集顏色的顏色值為t=(df)tsr. 隨后，通過相應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）來選擇最佳濾色片設計以及實現更精確的光譜重建。此種方法常用于攝影技術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，需要對其進行數據分析。通過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最大限度的逼近原稿顏色的光譜分布。在實際操作中，通常采用主成分分析的方法對光譜數據進行分析處理，隨后通過受限旋轉變換預測出實際可能的最佳色料選擇。最后，通過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（簡稱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點面積率在各個波長上的對應關系，并將光學網點擴大問題考慮在內，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為基色的網點面積率。
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是多光譜顏色復制技術的核心，通常采用ynsn模型的逆變換來實現。在利用ynsn方程求得油墨網點的光譜值時，應采用適當的非線性化優化迭代方法來確定各基色油墨的分色設置。此種分色技術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行多基色印刷。相比于傳統的印刷方式，多光譜復制技術擁有更大的色域空間，可以復制更為鮮艷真實的顏色。此外，其印品層次感更為真實，視覺變化效果更貼近原稿光譜。
四、 多光譜顏色復制技術的研究現狀及相關機構
1.多光譜復制技術的研究內容
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方向，而每一個方向又可細分為若干個子方向：
數據獲取：設備特征化方法，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.相關機構
目前，世界上許多的國際組織、實驗室及研究機構都在致力于多光譜顏色復制技術的研究。比較著名的有美國羅切斯特理工學院的孟塞爾顏色科學實驗室、美國北卡羅萊那州立大學、英國利茲大學以及日本千葉大學等高校。此外，成像科學與技術學會is&t、國際光學工程學會spie、國際電氣和電子工程師協會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，北京理工大學及江南大學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題
雖然多光譜顏色復制技術在光譜匹配方面的優勢毋庸置疑，但相比于成熟的傳統印刷技術，該技術的完善與普及仍需要印刷業界與研究者的共同努力。目前階段，此項技術高昂的成本及復雜的操作技術使大多數人對此望而卻步。另外，此項技術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研究所所做的相關研究顯示，在光譜數據無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，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差異的減小并無直接聯系。可見，盡管其優勢在原理上顯而易見，但其具體實施其實具有比較大的難度。
五、結束語
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，越來越多的人將目光聚焦于可以實現無條件顏色復制的多光譜顏色復制技術。盡管目前此項技術仍處于起步發展階段，但其對顏色精準復制的優勢使其必將成為今后業界研究的熱點，并為高保真印刷的實現打下堅實的基礎。
全球印刷設備器材發展迅速 五年內將超210億美元
原真色彩Hi-FiColour簡說
“CIP4”在印刷中的概念解析
無線膠訂聯動線工藝簡析
打印業務減少 噴墨打印當道
綠色包裝成為行業發展的共識與潮流
圖文快印企業網絡營銷的5個手段！
精裝書的印后加工，就是這么簡單！