一种基于光谱域映射来实现跨媒体颜色再现的方法与流程

本发明涉及光谱域映射的技术领域，特别涉及一种基于光谱域映射来实现跨媒体颜色再现的方法。

背景技术：

随着数字成像设备如显示器、扫描仪、移动终端、数字相机等迅速发展和广泛应用，跨媒体颜色再现在日常生活中已不可避免。然而，不同数字成像设备的呈色机理、物理特性等不一致，所能呈现的颜色范围（称为色域）之间存在较大的差异，导致跨媒体颜色再现失真，严重影响了设备之间进行颜色信息的转换与再现。多元化数字成像设备之间色域不匹配是导致彩色图像跨媒体颜色再现失真最主要的因素；因此，在跨媒体颜色再现过程中，色域映射一直都是国内外跨媒体颜色再现研究的核心问题。

色域映射（colorgamutmapping）是一种将其他媒体下的颜色转换到目标设备所能呈现的色域范围内的技术，按照颜色信息再现媒介分为基于色度的色域映射和基于光谱的色域映射（简称光谱域映射）两种。基于色度的色域映射是建立在物体表面的光谱特性、照射光源、观察者的视觉特性三者积分得到的色度值基础上，当外界照射光源或观察者发生变化时，两者不再等效，属于条件等色的范畴，不能解决颜色随光源和观察者改变而发生颜色不匹配的问题，即“同色异谱”问题。基于光谱的色域映射以被称为物体“指纹”的光谱反射率为颜色媒介，独立于外界观察环境，包括光源、观察者、周围环境等因素，可实现在任意观察环境和光源下复制颜色与原稿颜色之间的匹配，即无条件的相互替代。光谱域映射是对当前跨媒体颜色再现带来本质上的提升，是真正实现跨媒体颜色再现的根本途径。

光谱域映射技术包括设备无关颜色空间的选择、光谱域边界描述及光谱域映射方法。由于光谱数据是多维数据，在其被用于跨媒体颜色再现和色彩传递时，存在数据冗余、计算量大、存储空间大等方面的问题，这为光谱域的描述及可视化、映射方向选择带来了极大地难度，光谱反射率不适合直接进行光谱-图像处理、光谱域描述、光谱域映射。因此，设备无关颜色空间的选择直接决定着光谱域描述和光谱域映射方法，是实现跨媒体光谱颜色再现的前提条件。

基于跨媒体的光谱域映射技术都是采用在基于数据降维原理的设备无关颜色空间（ics,interimconnectionspace）内进行。ics按照数据降维原理分为两种：一种是基于多元统计分析法，另一种是基于同色异谱黑补偿法。基于多元统计分析法主要是基于光谱数据之间的相关性或波段之间的相关性利用多元统计理论进行光谱数据降维，研究方法主要有主成分分析法（pca）、独立主成分分析法、非负主成分分析法等；这类方法得到的降维结果仅是数学上的最优解，而非人眼视觉上的最优匹配和还原，且对应的系数空间为非均匀空间。因此，使用该模型进行光谱域映射没有得到广泛地认可。

基于同色异谱黑补偿法主要是依据颜色光谱信息可分解成基本光谱和同色异谱黑光谱；基本光谱决定着光谱的色度信息，而同色异谱黑光谱决定着光谱的光谱精度，从一组具有相同色度的光谱中确定最终的重构光谱；其主要算法有labpqr以及根据labpqr特征改进的模型（labrgb、wlabpqr、xyzlms、lablab等）。该模型是由色度色域空间和同色异谱黑降维空间组成，能够同时兼顾传统色彩管理系统且保持了颜色的光谱信息，所以在其空间进行光谱颜色处理方面得到了广泛地应用。然而，以上基于同色异谱黑理论构建的ics是一种嵌套（nested）空间，导致色域可视化程度及空间均匀性方面欠佳；同时，ics需要在针对地固定光源下进行构建，存在光源变换时色差鲁棒性差的问题。

技术实现要素：

本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种消除光源变换鲁棒性差、色域可视化程度高、空间均匀性好、不同空间维数的基于光谱域映射来实现跨媒体颜色再现的方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于光谱域映射来实现跨媒体颜色再现的方法，其特征是，包括以下步骤：

1）采用多元统计分析法提取不同光源光谱特性的主成分，采用数值变换的方式构造出所需数量的虚拟光源；

2）采集多光谱图像的光谱反射率和数字成像设备最大化的光谱域所包含颜色的光谱反射率；计算多光谱图像的光谱反射率和数字成像设备光谱反射率在虚拟光源下对应的cielab值；然后根据数字成像设备的cielab值进行基于色度的色域边界描述，建立数字成像设备的色度色域空间；

3）判断多光谱图像样本点的cielab值是否在目标设备的色度色域空间之内：

（a）若不包含在目标设备的色度色域空间中，即可判断样本点不在数字成像设备光谱域范围内；这时根据多光谱图像样本点对应的cielab值在数字成像设备的色度色域空间内进行映射，找到与其最合适的映射点；

（b）若包含在目标设备的色度色域空间中，多光谱图像样本点对应的cielab值保持不变。

4）根据实际的生产需求，按照虚拟光源数量的不同，根据步骤3）计算出其他虚拟光源下每个多光谱图像样本点在数字成像设备色度色域空间内对应的cielab值三刺激值；

5）根据多光谱图像样本点在数字成像设备色度色域空间内对应的cielab值，按照主成分形成的光源顺序进行排列形成cielab集；最后，多光谱图像样本点的cielab集通过多光源基本光谱补偿模型得到映射光谱。

所述步骤1）的具体操作步骤如下：

（a）对不同光源的相对光谱功率分布按照每个光源的最大功率值进行归一化处理，得到光源光谱功率归一化集；

（b）采用多元统计分析法提取光源光谱归一化集的主成分；

（c）对每一个主成分进行归一化处理，使主成分线性转换到数值范围为[0,1]得到转换主成分；根据需求，根据主成分贡献率大小选取不同转换主成分作为虚拟光源；

归一化处理得到转换主成分的公式为：

式中，分别代表每一个主成分数值的最大值和最小值。

所述步骤2）的具体操作步骤如下：

（a）采集多光谱图像的光谱反射率和数字成像设备最大化的光谱域所包含颜色的光谱反射率；

（b）计算多光谱图像的光谱反射率和数字成像设备最大化的光谱域所包含颜色的光谱反射率在虚拟光源下对应的cielab值：

其中，k为调整因数，为物体表面光谱反射率，为虚拟光源相对光谱功率分布，为cie颜色匹配函数，ciexyz在光谱可视范围内通过积分得到，颜色点的cielab值可以通过ciexyz值转换得到；

（c）将目标设备的lab值转换到cielch颜色空间，在cielch颜色空间采用分区最大边界描述进行基于色度的色域边界描述，建立目标设备的色度色域空间。

所述步骤5）的具体操作步骤为：

（a）根据数字成像设备色度色域空间内在不同虚拟光源下对应的cielab值，记为，按照主成分形成的光源顺序进行排列形成cielab集：

（b）将cielab集c转换为规范化颜色值，计算数字成像设备最大化的光谱域所包含颜色的光谱反射率集与其规范化颜色激值之间的转换矩阵h，即；

（c）根据多光谱图像样本点在数字成像设备色度色域空间内对应的cielab值，按照主成分形成的光源顺序进行排列形成cielab组；将cielab组转换为规范化颜色值；从重构出光谱反射率：

即是多光谱图像在数字成像设备所对应地光谱域映射光谱，从而完成基于光谱域映射的跨媒体颜色再现。

所述多元统计分析法是指主成分分析法、独立主成分分析法或非负主成分分析法。

所述光源是指cie照明体、led、th或荧光灯。

本发明的有益效果是：

本发明充分考虑实际生产的需求，选择相对应空间维数；利用虚拟光源构建了解决光源变换时色差鲁棒性差问题的ics,并根据ics的自身特性设计出了光谱域描述方法和光谱域映射方法；色域可视化程度高、空间均匀性好，利于光谱颜色管理系统建立，并且相对用户使用而言也较为方便。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为建立基于光谱域映射的跨媒体颜色再现方法流程图；

图2为实施例中cielab空间中采用分区最大边界描述（segmentmaximagbd,smgbd）方法示意图；

图3为实施例中色域映射方向示意图。

具体实施方式

附图为本发明的具体实施例。如图1至图3所示，该种基于光谱域映射来实现跨媒体颜色再现的方法，包括以下步骤：

1）采用多元统计分析法（如主成分分析法、独立主成分分析法、非负主成分分析法等）提取不同cie照明体、led、th和荧光灯等光源光谱特性的主成分，采用数值变换的方式构造出所需数量的虚拟光源；具体操作步骤为：

（a）对不同cie照明体、led、th和荧光灯等光源的相对光谱功率分布按照每个光源的最大功率值进行归一化处理，得到光源光谱功率归一化集；归一化处理达到归一化光源光谱功率集的公式为：

式中，分别代表每一个主成分竖直中的最大值；

（b）采用多元统计分析法（如主成分分析法、独立主成分分析法、非负主成分分析法等）提取光源光谱归一化集的主成分：

式中，是第i个特征向量，是特征向量第i对应的系数；

（c）由于主成分中含有负值，需要对每一个主成分进行归一化处理，使主成分线性转换到数值范围为[0,1]得到转换主成分；为了满足需求，根据主成分贡献率大小选取不同转换主成分作为虚拟光源；

归一化处理得到转换主成分的公式为：

式中，分别代表每一个主成分数值的最大值和最小值。

2）采集多光谱图像的光谱反射率和数字成像设备最大化的光谱域所包含颜色的光谱反射率；计算多光谱图像的光谱反射率和数字成像设备光谱反射率在虚拟光源下对应的cielab值；然后根据数字成像设备的cielab值进行基于色度的色域边界描述，建立数字成像设备的色度色域空间；具体操作如下：

（a）采集多光谱图像的光谱反射率和数字成像设备最大化的光谱域所包含颜色的光谱反射率；

（b）计算多光谱图像的光谱反射率和数字成像设备最大化的光谱域所包含颜色的光谱反射率在虚拟光源下对应的cielab值：

其中，k为调整因数，为物体表面光谱反射率，为虚拟光源相对光谱功率分布，为cie颜色匹配函数，ciexyz在光谱可视范围内通过积分得到，颜色点的cielab值可以通过ciexyz值转换得到；

（c）将数字成像设备的lab值转换到cielch颜色空间，在cielch颜色空间采用分区最大边界描述（segmentmaximagbd,smgbd）进行基于色度的色域边界描述，建立目标设备的色度色域空间。

3）判断多光谱图像样本点的cielab值是否在目标成像设备的色度色域空间之内：

（a）若不包含在目标设备的色度色域空间中，即可判断样本点不在数字成像设备光谱域范围内；这时根据多光谱图像样本点对应的cielab值在数字成像设备的色度色域空间内进行映射，找到与其最合适的映射点；

（b）若包含在目标设备的色度色域空间中，多光谱图像样本点对应的cielab值保持不变。

4）根据实际的生产需求，按照虚拟光源数量的不同，根据步骤3）计算出其他虚拟光源下每个多光谱图像样本点在数字成像设备色度色域空间内对应的cielab值三刺激值；

5）根据多光谱图像样本点在数字成像设备色度色域空间内对应的cielab值，按照主成分形成的光源顺序进行排列形成cielab集；最后，多光谱图像样本点的cielab集通多光源基本光谱补偿模型得到映射光谱，具体操作步骤为：

（a）根据数字成像设备色度色域空间内在不同虚拟光源下对应的cielab值，记为，按照主成分形成的光源顺序进行排列形成cielab集：

（b）将cielab集c转换为规范化颜色值，计算数字成像设备最大化的光谱域所包含颜色的光谱反射率集与其规范化颜色激值之间的转换矩阵h，即；

（c）根据多光谱图像样本点在数字成像设备色度色域空间内对应的cielab值，按照主成分形成的光源顺序进行排列形成cielab组；将cielab组转换为规范化颜色值；从重构出光谱反射率：

即是多光谱图像在数字成像设备所对应地光谱域映射光谱，从而完成基于光谱域映射的跨媒体颜色再现。

除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术。