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看深圳劲嘉如何利用新技术消除同色异谱现象

发表时间:2018-07-19 17:38:01

  原稿复制是印刷企业每天都面临的工作,但由于不同印刷企业使用的纸张、油墨以及印刷工艺不同,复制出来的印刷品与原稿总是存在一定的差异。比如,同样复制图像的红色,在车间观察与原稿颜色一致,使用色差仪检测也没有明显偏差,但是更换不同光源环境,就发现两种颜色有较大的不同,这也是我们常说的“同色异谱”现象,经过反复试验,我们发现采用高动态多光谱图像分析有助于解决这个问题。
  新技术:高动态范围图像
  高动态范围图像(HDRI)是一种可以表示实际场景中亮度大范围变化的图像类型,相对于普通数字图像的阶调范围来说,高动态范围图像可以更好地表示场景中亮调和暗调的光学特性,使得色彩空间更宽广、层次更丰富。
  高动态范围图像虽然比普通图像具有更大的阶调范围,但与普通图像一样都是RGB图像,其颜色传递和复制过程是以XYZ颜色空间作为特性文件连接空间,XYZ空间存在“同色异谱”,即在视觉上相同的颜色(X、Y、Z三刺激值完全相同)所对应的光谱可能截然不同。一旦改变照明光源,原来相同的两个颜色就变得不同,XYZ值当然也不同。这样对RGB图像的复制是同色异谱复制,严重影响颜色的判别精度。
  对同色异谱现象的解决,必须使用光谱图像,以光谱图像数据作为色彩传递和复制的连接空间。由于减少了同色异谱的可能性,因此也减少了对标准照明、标准观察者要求的必要性。
  在分析现有多通道的光谱图像获取系统基础上,使用科学级CCD相机、滤色片转轮和专业的CMOS相机建立新的基于高动态范围图像的多通道光谱图像获取系统。首先,要收集和整理光谱数据及光谱图像,构成反射率光谱数据库。其次,编写算法在理论基础上实现各种光谱反射率降维模型,并对光谱数据进行估计,测试估计的光谱反射率同原始数据之间的误差,利用优化工具对光谱反射率降维模型进一步优化,再将光谱反射率降维模型用于多色打印机光谱特性化的建立和原稿色料原色的光谱分析。
  技术实施步骤
  1.高动态多光谱成像系统和光谱重构模型研究。

  图1 同色同谱光谱颜色复制技术路线
  步骤一,以测量的光谱作为实验样本,分别使用三色数字相机加双光源和三色数字相机在某光源下加有无滤色片这两种方式构建两个理想的7通道虚拟成像系统,再针对典型的线性和非线性光谱重构模型,进行实验仿真和分析,比较这些光谱重构模型在两种成像系统中色度精度和光谱精度之间的差别。
  步骤二,在分析现有多通道光谱图像获取系统基础上,建立新的基于高动态范围图像的多通道光谱图像获取系统。使用三色相机分别拍摄无滤色片的/有滤色片或两种不同光源的不同曝光量的图像,而后对同组图像进行高动态图像处理,再编写MATLAB程序读取图像编码,并验证该图像数据编码是否能有效的提高光谱重建精度。
  步骤三,确定拍摄标准,以确保多通道的光谱获取系统能有效地获取拍摄目标的数码响应值。
  步骤四,对直接获取的数码响应值进行优化校准和光源照明的空间均匀性校正等预处理,建立数码响应值的优化模型。方法有两种,其一是线性化校准方法研究,其目标是建立起实际响应值与线性响应值的数学转换模型。在建立该数学转换模型时需要对训练样本进行先验性分析,但由于相机的光谱灵敏度函数一般是未知的,要直接得到训练样本的线性响应值比较困难,因此需要寻找与线性响应值呈近似线性的物理量来代替线性响应值。其二是光源照明空间均匀性校正,由于光源照明和数码相机光学系统在空间上存在不均匀性,需对线性校正后的数据进行空间均匀性校正。
  步骤五,获取系统特征光谱向量空间的建立。基于着色剂的混合线性空间建立特征光谱向量空间,在进行原稿的光谱复制中,光谱反射率空间并不适合用于要对原稿的颜料组份(基础着色剂)进行识别和映射,即光谱反射率空间不适合于减色混合系统,其与着色剂的数量并不成构成线性关系,研究适合着色剂混合的线性空间,并以此空间为基础建立特征光谱向量空间。
  步骤六,建立符合人眼视觉特性的多通道光谱图像重构模型,首先将颜色光谱分解为基本光谱和同色异谱黑,确保分解得到的基本光谱决定图像的色度信息,图像的光谱信息则由基本光谱和同色异谱黑共同决定。然后再分别建立数码响应值到基本光谱,数码响应值到同色异谱黑的转换,并以此为基础建立新的基于多光源技术的多通道光谱图像重构算法,满足光谱重构精度和色度精度的需要。
  2.多基色输出设备光谱特性化方法研究。
  利用建立的降维模型,将高维光谱数据投影至低维空间。以这个低维空间作为光谱反射率空间和多色打印机设备空间之间的连接空间,采用多维的查找表技术进行从光谱反射率空间到设备色空间的转换,完成多色打印机的光谱特性化。具体方案是选择一多色打印机,对其M个打印基色空间进行均匀采样,形成色靶。用多色打印机打印其色靶,获取光谱反射率数据,再对其进行降维处理,得到对应的低维空间数据。这样就可以建立起分色数据和低维空间数据之间的对应关系,建立正向查找表。同样,将光谱反射率空间变换到低维空间,在低维空间进行均匀采样,生成色靶。再采用优化方法得到与低维空间采样点对应分色数据,建立反向查找表。
  利用上述多光谱图像获取系统,按照标准拍摄流程获取清晰、无明显几何形变的多通道图像。通过光谱重构算法从多通道的响应值中,间接计算得到光谱反射率,利用提出的重构算法,重构光谱反射率曲线与原始光谱反射率曲线非常接近,误差较小,由此可证明搭建的多光谱图像获取系统基本可实现高精度光谱图像获取目标。
  我们的成果
  高动态多光谱图像获取系统设计,实现由高动态范围图像(HDRI)数据编码到光谱数据的转换。在设计的获取系统中,与光谱对应的不再是数码相机响应值,而是通过数码响应值合成得到高动态范围图像的数据编码。
  基于多色同谱技术的高动态多光谱图像分析处理系统设计,以实现对原稿基色色料光谱的准确预测,分析处理系统在用于光谱特征分析时,会出现特征向量和其对应权重系数出现负值,因而在物理上没有任何意义的情况,因此处理系统自动建立一个全正数的特征向量空间,该空间的维度又与实际原色维度相吻合。
  多基色输出设备的光谱转换。由于多基色输出设备的非线性特点和光谱反射率空间的高维性特点,直接建立由光谱反射率空间向设备色空间的转换模型,计算复杂,可靠性差。采用多维查找表的方式来实现光谱空间与设备空间的转换,在构建多维查找表时,因为查找表的大小与输入维度呈指数关系,因此在进行低维空间构造时,所构造空间的维度应适宜于采用查找表法,需充分考虑建表,查表的复杂度和耗时的可接受性。其次建立该查找表时采样点的采样原则和插值算法相比三维查找表都要复杂得多,将三维查找表的建立方法扩展到多维查找表,特别是建立从低维空间采样点到多基色输出设备分色数据之间对应关系。
  通过上述技术研究,这个方法可以应用于指导印刷企业具体工作中。印刷企业在原稿复制前,先对原稿图像进行多光谱处理,通过高动态多光谱图像分析处理系统及相关算法研究和多基色输出设备光谱特性化方法研究,开发数字化同色同谱复制平台,实现基于高精度同色同谱的颜色复制,减少复制印刷品与原稿之间的颜色偏差。
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