现代色度学-第五章 色貌模型

CIE已明确将修改CIECAM97s的任务指定给CIE成立了技 术委员会TC8-01(Colour Appearance Models for Colour Management Systems) ； TC1-34在2002年第10届CIC会议上推出色貌模型 CIECAM02]，它是建立在CIECAM97s 结构和形式上的的简 化和改进； CIE在2004年正式发布[142-CIE2004]。CIE技术委员会第 八分部2005年11月12日在美国Arizona州举行第五次会议宣 布，CIE将结束TC8-01的研究工作，并对主席Moroney和全 体成员卓越的工作和任务的完成表示感谢。这意味着 CIECAM02像最简单的CIELAB一样，将在国际上普遍使用。
5.1 色貌模型基础
5.1.1 色貌模型定义
色貌模型是对基本色度学即三刺激色度学的扩展，目的是预测多 种变化的观察条件下的颜色属性，所以： 一个色貌模型是指能够给出将颜色刺激的物理量(如三刺激值)和 观察条件变换为颜色的相关知觉属性的数学模型或数学表达式。 CIE定义：“色貌模型是任何一个至少包括对相对色貌色属性明度、 彩度、色相的预测；对于一个能够合理预测这些属性的模型，至少 包括一个色适应变换形式；如果预测绝对色貌属性视明度和视彩 度，预测依赖于亮度的Hunt和Stevens色貌现象，预测同时对比和勾 边等空间结构色貌现象，色貌模型要更复杂” 。 定义保证了色空间CIE L*a*b*和CIE L*u*v*是一个最简单的色貌 模型；同时也说明色貌模型中至少包括色适应变换，目的是预测相 关色相对色貌属性；而预测孤立色绝对色貌属性以及解释色貌现象 需要更复杂的模型。
5.2.1 最简单的色貌模型CIELAB 5.2.2 色貌模型发展历程
5.5 色貌模型的测试与评价
5.5.1 色貌数据集 5.5.2 评价实例⎯CIECAM02与 CIECAM97s表现比较
5.3 CIECAM97s色貌模型
5.3.1 计算步骤 5.3.2 使用指导 5.3.3 CIECAM97s逆变换 5.3.4 CIECAM97s的不足
代表性的Hunt、Nayatani、RLAB、LLAB模型特点
5.3 CIECAM97s色貌模型
5.3.1 计算步骤
1．输入数据 • 刺激样品相对三刺激值XYZ； • 背景相对亮度Yb； • 适应场白点的三刺激值XwYw Zw，一般取背景以外 视场白部分作为适应场白点； • 适应场绝对亮度LA，单位是cd/m2。指背景以外视 场的亮度，一般取适应场中白场亮度的20%； • 参考白点XwrYwrZwr，色空间色貌属性参数都必须 在选定的参考条件才有意义。该模型取等能白为参 考：Xwr=Ywr=Zwr=100 (如在RLAB和LLAB中是以 D65为参考条件)；
⎡R⎤ ⎡X /Y ⎤ ⎢G ⎥ = M ⎢ Y / Y ⎥ B⎢ ⎢ ⎥ ⎥ ⎢B⎥ ⎢Z /Y ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦
0.2664 − 0.1614⎤ ⎡ 0.8951 0.0367 ⎥ 其中：M B = ⎢− 0.7502 1.7135 ⎢ ⎥ ⎢ 0.0389 − 0.0685 1.0296 ⎥ ⎣ ⎦
图5-4. a*b*平面感知色相恒常线，CIELAB空间色相是非均匀的， 特别是在蓝区[11-Fairchild1998]。
这些对某些图像处理技术是非常重要的，例如感 知恒常色相线对色域映射是非常关键的。对这样的应 用，专门设计一个色貌模型是非常必要的。
5.2.2 色貌模型发展历程
CIELAB之后，新型色貌模型的研究从九十年代初期开始。 最有代表的模型有： 英国R.W.G. Hunt提出的Hunt模型 日本Y. Nayatani提出的Nayatani模型 美国M. D. Fairchild提出的RLAB模型 英国M. R. Luo的提出的LLAB模型[114-Luo1996]。 这些源于不同应用目的而提出的多种不同色貌模型，对于 任何给定的任务，判断使用哪个模型是困难的，不仅给使用者 选择一种最佳模型带来困难，而且给行业应用和研究带来混淆。 CIE在1994年和1995年发布了有关色貌模型的报告，技术委 员会TC1-34(测试色貌模型)发布了一个指导报告，希望迅速开 展色貌系统研究，解决不同媒体间、不同观察条件下颜色真实 再现已成为当前迫切需要解决的重大课题，尽快找到一个色貌 模型满足目前的应用需求。
5.1.2 观察条件
一个被人眼视觉系统观察到的“刺激”的色貌不仅取 决于刺激本身有关，而且还与进入视觉系统所有作为刺 激的场景有关，这个场景称作视野(即视场)，通常又称 作观察条件(viewing conditions)。 简化了的视场元素定 义如图5-1： • 刺激或色元(Stimulus) • 近场(Proximal field) • 背景(Background) • 周围环境(Surround) • 适应场(Adapting field)
C ab * = (a*) 2 + (b*) 2
hab = tan −1 (b * / a*)
CIELAБайду номын сангаас作为一个色貌模型，还存在诸多问题，具体表现在： （1）错误的色适应变换。色适应即白点标准化不是 在生理学上的锥响应空间进行，而是在XYZ三刺激空间 进行。
(a) (b) (c) 图5-3. 使用Breneman1987对应色数据来评价色适应变换的预测效 果[11-Fairchild 1998]：(a)CIELAB；(b)CIELUV；(c) von Kries。 小圆代表日光光源下色度，空三角代表白炽灯光源视觉数 据，实三角代表白炽灯光源色适应变换预测结果。
5.6 ICC中应用CIECAM02指南
5.6.1 ICC使用色貌模型流程 5.6.2 ICC中使用CIECAM02的目的 5.6.3 CIECAM02参数的确定 5.6.4 ICC PCS Lab编码值与 CIECAM02值的变换
5.7 结束语
前言
色适应变换可以预测不同观察条件下的对应色，没有提 供与相对和绝对知觉色貌属性的关联，本章将全面描述色 貌模型。 首先定义色貌模型及其相关的观察条件，然后从色貌模 型角度重新分析最简单的色貌模型CIELAB色空间，并且简 单描述色貌模型发展过程以及色貌模型研究过程几个代表 性模型的特点。 重点描述CIE推荐并发布的CIECAM97s模型和最新的 CIECAM02模型，最后简单描述评价色貌模型表现的方法 和一个评价实例，更加便于实际应用和研究。
图5-1. 典型观察条件或视场各元素定义[11-Fairchild1998]
5.1.3 色貌模型基本架构
色貌向前模型计算步骤总结如下： （1）CIE XYZ变换到与人眼锥细胞 响应。这个锥响应更适应于下一步 色适应变换。 （2）适应前锥响应变换到适应后 锥响应。这个过程需要输入参数， 如适应场白点三刺激值、参考白点 三刺激值、适应场绝对亮度、适应 因子。 （3）色空间变换。将适应后锥响 应变换到适合于到计算色貌属性的 色空间，一般采用描述锥细胞生物 响应的HPE空间。 （4）非线性压缩。模拟视觉系统 动态非线性特性。 （5）色貌属性计算。基于以上给 定的色空间，给出人眼知觉色貌属 性值。
5.2.1 最简单的色貌模型CIELAB
• 虽然CIELAB是为计算色差设计的一个均匀色空间，而 不是作为一个色貌模型而设计，但是由于它可以预测明 度、彩度、色相，所以属于一个色貌模型。
b* = 200[ f (Y / Yn ) − f ( Z / Z n )]
⎧(ω )1/ 3 其中：f (ω ) = ⎨ ⎩ 7.787(ω ) + 16 / 116
5-2. 色貌正向模型
5-2. 色貌逆向模型
色貌模型解决跨 媒体颜色再现问题 时，必须使用正向模 型和逆向模型。 逆向色貌模型中 的色适应变换，来源 端变成了参考条件， 目标端是另一种观察 条件。逆向模型完全 是正向模型的逆过程。
5-2. 色貌正向与逆后模型及其 应用在不同媒体上颜色再现
5.2 色貌模型简介
• 环境因子 c： 周围环境影响因子 Nc：色诱导因子 FLL：亮度水平适应因子即明度对比因子 F： 决定色适应程度的因子
表5-1. CIECAM97s 环境因子表
观察条件(Viewing Condition)
c
Nc
FLL 0.0 1.0 1.0 1.0 1.0
F 1.0 1.0 0.9 0.9 0.9
为此，CIE在1996年5月关于图像技术的颜色标准的 CIE专家论坛，将测试现有色貌模型的任务分配给TC134； TC1-34在 1997年5月京都召开的会议上，推出了一个 称作简单模型CIECAM97s(Simple version) 主要针对实际 应用。模型吸收了上述提交到TC1-34各模型的优点和实 验的测试情况； 同时给出了一个完全模型CIECAM97c(Comprehensive version)，可以说明较大范围的色貌现象，而实际上CIE 没有考虑这个模型； Fairchild从提交到TC1-34的各模型和CIECAM97s中获 得的有一个简单模型ZLAB，希望在图像再现应用中使用。 同时，发现CIECAM97s存在的问题；
a* = 500[ f ( X / X n ) − f (Y / Yn )]
L* = 116 f (Y / Yn ) − 16
ω > 0.008856 ω ≤ 0.008856
CIELAB提供了一个色貌模型雏形的例子。按照色貌模型 定义，色貌模型是任何一个至少包括对相对色貌色属性明度、 彩度、色相的预测，至少包括一个色适应变换形式。以上方 程包括了三个处理步骤： （1）参考白点作为XYZ值的标准化，即(X/Xn,Y/Yn,Z/Zn) 就是模拟von Kries色适应变换； （2）接着是一个非线性立方根，是模拟视觉非线性压缩， 后来的色貌模型也都有考虑； （3）给出了明度L*，而且由对立色坐标a*和b*可以计算 彩度C*ab和色相hab：
第五章 色貌模型
内容
5.1 色貌模型基础
5.1.1 色貌模型定义 5.1.2 观察条件 5.1.3 色貌模型基本架构
5.4 CIECAM02色貌模型
5.4.1 对CIECAM97s的改进 5.4.2 计算步骤 5.4.3 CIECAM02使用说明与特点 5.4.4 CIECAM02逆变换
5.2色貌模型简介
CIE在1996年会议上提出测试已有色貌模型的十二项原则
色貌模型主要考虑的方面包括： • 色适应； • 照明光源亮度水平影响； • 近场、背景、周围环境的影响； • 至少预测色貌属性相对量：明度、彩度、色相； • 有时需要预测色貌属性绝对量：视明度、视彩度、色相。 其次考虑的方面包括： • 适应于许多应用(Comprehensive for many applications) • 适应于大范围的刺激值、适应值和观察条件； • 为了容易应用，从CIE光谱三刺激到锥细胞的光谱敏感响应 要采用线性变换； • 大范围的适应，从完全不适应到完全适应； • 模型可以进行反变换； • 不太复杂，对于特殊应用有简单模型； • 模型预测效果最佳； • 模型也适应于非相关色。
（2）明度L*的预测问题。非线性立方根幂函数目的是 模拟物理测量与心理感知的压缩关系，对于一个很暗的 刺激，立方根幂函数应该被一个线性函数代替。 （3）CIELAB仅仅考虑了照明光源色对色貌的影响， 没有考虑光源的亮度水平(即绝对亮度)、背景、周围环 境、视觉认知等方面的因素。 （4）CIELAB假设100%对白点的适应，没有考虑不完 全适应；不能预测绝对色貌属性视亮度和视彩度，不可 能要求作为一个完全的色貌模型。 （5）CIELAB空间色相是非均匀的。如图5-4是等感知 色相线，色相是非均匀的，特别是在蓝区。 （6）亮度与色度不独立[100-Braun1997]。
一般环境(Average)（样品视场角>4°） 0.69 1.0 一般环境(Average)（样品视场角<4°） 0.69 1.0 微暗环境(Dim) 0.59 1.1 暗室环境(Dark) 0.525 0.8 灯箱观察环境(Cut-sheet) 0.41 0.8
2．计算步骤
第一步：色适应变换第一步是将三刺激值CIE XYZ变 换到标准化锥响应空间RGB