基于光照颜色补偿的在线色彩测量方法
印刷品色彩质量的度量是色度/色差，色度测量是与人眼视觉灵敏度相关的心理物理测量"新闻出版行业标准CY/T3一1999明确印刷行业观察颜色样品的照明和观察条件，包括光源的种类、方向、明暗、色彩等对图像效果的影响。但是由于标准光源价格昂贵，实际的印刷质量在线检测系统，照明系统不能满足国家标准，从而影响印刷品色度检测的精度，因此颜色校正是急待解决的问题。
本文首先分析印刷质量检测定量测量色彩的观测条件和测量方法。根据照明的要求，设计一种基于双色反射模型和有限维线性模型的光照颜色补偿方法，将非标准光照下的图像还原为标准光照D65下的图像。为解决光谱功率分布估计难的问题，采用双色反射模型估计光源的颜色；采用有限维线性模型，求出物体表面的反射率基函数系数，得到物体表面在标准光源下的颜色值。在比较分析CIELAB，CIEDEZOOO色差公式颜色测量方法的基础上，采用改进型RGB色差计算，在保证色差计算精度的同时，提高计算速度。
一、印刷品颜色测量条件分析
在复制技术领域，色彩理论目标是：不管是采用技术支持还是色彩系统分类，都必须与观察者眼睛所看到的色觉效果一致。类似人眼感受器的光谱灵敏度的3种传感器,能够测量色彩,3个测量值确定后能够转换为CIE标准值。只有测量的所有条件（照明、滤色片、传感器、图像的几何尺寸）都与标准测量条件完全吻合，三刺激值的测量仪器才能够完全正确地导出CIE标准色度值的简化标准。
国家新闻出版行业标准《色评价照明和观察条件》规定了印刷行业观察颜色样品的照明和观察条件。
（1）照明条件
物体的颜色与照明光源有关,同一物体在不同光源下会呈现不同的颜色，给颜色测量带来了不便。为了统一颜色的评价标准和进行色度计算，CIE对于颜色的测量和计算推荐了几种标准光源，对颜色的评价可以在CIE规定的光源下进行，具有了统一的标准。
普朗克体在最接近色彩时的温度称为色温，用来描述光源的色彩刺激值。当光源的总辐射能量随温度上升，其光谱分布(也就是“色彩”)也随温度上升而改变。尽管色温的数值并不能准确表述色刺激，但它是一种经过测试的!可靠描述光源及其主要属性的大致模型，而且色温可以表示色彩的细微变化。为了更精确地描述光源,C正推荐了几种标准照明体。
CIE优先推荐采用标准照明体D65，CIE标准照明体D65是以在地球上不同地点对日光进行光谱辐射检测的大量数据为基础，总结出的一组相对光谱功率分布数据，它的相关色温是6500K。标准照明体D65与整个天空的散射光和阳光同时照射在一个水平面上的情况有很好的一致性。CIE同时推荐有标准照明体D50，D55和D75，其相关色温分别为5000K，5500K和7500K。为了达到颜色测量的标准化，在可能的情况下，应尽量使用标准照明体D65，而D75和D55一般作为在特定场合下的替代光源。标准照明体A的相关色温为2856K，可由充气螺旋钨丝灯实现。标准照明体A、D50、D55、D65和D75的相对光谱功率分布如图1所示。
图1 标准照明体A、D50、D55、D65和D75的相对光谱功率分布
CIE规定的标准照明体是指特定的光谱功率分布，是规定的光源颜色标准"标准照明体不一定必须由一个光源直接提供，也并不一定用某一光源来实现。为了实现CIE规定的标准照明体要求，还规定了相关的标准光源，以实现标准照明体所要求的光谱能量分布。
观察透射样品所采用的参照照明体为CIE标准照明体D50，所用光源为D50的模拟体。光源应均匀漫射照明观察面，使观察面的亮度为(1000±250)cd/m²。在观察面上不应看到光源的轮廓或有亮度突变,亮度的均匀度不应小于80%。
观察反射样品所采用的参照照明体为CIE标准照明体D65，所用光源为D65的模拟体。用于观察反射样品的光源应在观察面上产生均匀的漫射光照明，照度范围为500lx一1500lx，视被观察样品的明度而定。观察面不应有照度突变,照度的均匀度不小于80%。
（2）观察条件
透射样品应由来自背后的均匀漫射光照明，在垂直于样品的表面观察时应尽量将样品置于照明面的中部，使其至少在三个边以外有50mm宽的被照明边界。当所观察透射样品的面积总和小于70rnn×70mm时，应适当减小被照明边界的宽度，使边界面积不超过样品面积的4倍，被照明边界要用透射密度为(l.0士0.1)D的透射漫射材料遮盖，遮盖材料颜色与中性灰的偏差ΔC应小于0.08。
观察反射样品时，光源与样品表面垂直,观察角度与样品表面法线成45°夹角。作为替代观察条件，也可以用与样品表面法线成45°角的光源照明，垂直样品表面观察"但此时观察面不应有照度突变，照度的均匀度不小于80%。
当观察光泽度较大的样品时，观察角度可以在一定范围内调整，以找出最佳的观察角度。
观察面周围的环境色应当是孟塞尔明度值6-8的中性灰(N6/-N8/)，其彩度值越小越好，一般应小于孟塞尔彩度值的0.3。若观察面周围的墙壁和地面不符合上述要求，则应用符合上述要求的挡板将样品围起来，或者使用环境反射光，在观察面上产生的照度小于100lx，观察反射样品时的背景应是无光泽的孟塞尔颜色N5/-N7/，彩度值一般小于0.3，对于配色等要求较高的场合，彩度值应小于0.2。
二、印刷品色度和色差测量方法分析和设计
颜色测量中，获取准确的色差值是进行颜色评价的重点。色差值的大小直接影响着产品质量等级的评定，以及客户对产品的认同程度。理想的色差计算结果应该和人眼的视觉感受完全一致。
彩色印刷样品计算色差，得出客观色差评价，大致需要以下三个步骤：
第一步，测量样品，使用合适的颜色测量仪器（光谱光度计等）以获得代表样品光学特性的分光反射率R(λ)或分光透过率T(λ)。
第二步，计算三刺激值，通过色度学的基础数据和测得的样品分光反射率，按规定公式求取三刺激值。
第三步，计算色差值（ΔE），即按一定的色差公式，计算出两样品间的色差，可以反映两个不同的色刺激在大脑中产生的感觉上的差别。
1、印刷品色度测量方法分析
颜色测量仪器是根据人眼视觉特性,对颜色进行客观度量的工具。测色从对象上分源色和物体色，而物体色又分荧光物体色和非荧光物体色。根据获得三刺激值的方式不同，测色仪器可分两大类：分光式测色仪器和光电积分式测色仪器。
（1）分光式色度测量法
分光式仪器不直接测量颜色的三刺激值本身，而是测量物体的光谱反射或透射特性，也就是测得物体的光谱辐亮度因数或光谱透射比，再选用CIE推荐的标准照明体和标准观察者，通过积分计算求得颜色的三刺激值。
分光光度计测量光谱透射比或光谱反射比都是采用比较法，比较法测量能够补偿测量中由于光源的不稳定和探测器灵敏度、光学系统透射比、分光元件效率等随波长而变化的各种因素的影响。
在实际测量中，一般以5-20nm的等距波长间隔，在380-780lun的波段内测得各波长的光谱反射率（或透射率）。颜色三刺激值的计算方法是用颜色刺激函数分别乘以CIE光谱三刺激值，并在整个可见光谱范围内对这些乘积进行积分。由此可以求出颜色三刺激值，达到颜色测量目的。
根据光谱信号采集方式的不同，分为光谱扫描法和光电摄谱法两种。
光谱扫描法是单通道测色方法。它按一定波长间隔，采用机械扫描结构，逐个波长采集光谱信号，经信号处理后显示数据。其优点是精度较高，缺点是光路和结构复杂，测量速度慢，且波长重复性差，对光源的稳定性要求较高，受光源的不稳定性等因素影响严重，不适合在线测量。
光电摄谱法可同时探测全波段光谱，通过分光系统由多通道光电探测器探测待测物整个空间光谱能量的分布信息，然后将光谱信息产生的时序信号送入处理电路进行处理和计算，最后显示数据。与使用单色仪和光电倍增管的传统光谱扫描测量系统相比，具有测量时间极短，信噪比较高等优点，对光源稳定性要求低，不必使用机械扫描就能获取空间分辨和时间分辨光谱，特别适用于瞬态和大数据量的光谱测量。
因为一般颜色样品的光谱曲线随波长变化比较平缓，而且计算颜色参数时总是在整个可见光范围内进行，所以波长误差和分辨力对测色准确度影响较小。测色分光光度计必须满足有关标准规定的照明观察条件。
（2）光电积分式色度测量法
光电积分式仪器是模拟人眼的三刺激值特性，用光电积分效应,直接测得颜色的三刺激值。使用颜色滤光片，对所用的光电探测器的光谱响应进行滤色修正，使它与CIE标准观察者相一致。同时对照明光源也加以滤色修正，使之符合标准照明体的相对光谱功率分布。
光电积分式仪器对颜色的绝对测量精度不高，但对颜色的相对测量，尤其对色差测量比较常见。光电积分测色的测量误差主要取决于色传感器的匹配，实际上很难将其匹配成完全符合卢瑟条件，所以存在严重的系统误差,需要通过软件修正来减少系统误差。
2、印刷品色度和色差计算方法设计
理想的色差评价模型应基于真正视觉感知均匀的颜色空间，其预测的色差应与目视判断具有良好的一致性，而且可以采用统一的色差宽容度来进行颜色质量控制，即对所有颜色产品用相同的色差容限来判定其合格与否，而与标准色样在颜色空间中所处的位置或所属的色区无关，这是色差研究的最终目标。色差公式的发展过程可大致分为两个阶段，1976年以前，因无统一的标准和约定，颜色工作者纷纷以所涉及到的数据、产品和领域为基础，提出了各自的色差公式。为了统一色差评定的方法，在1976年,国际照明协会正式推荐两个色空间及相应的色差公式，即CIE1976L*u*v*色差公式和CIE1976L*a*b*色差公式,为方便起见,CIE1976L*a*b*通常写作CIELAB；1976年之后,为了改进CIELAB色差公式的计算结果与目测的一致性,先后出现了几十种新的色差公式。
（1）CIE1976L*a*b*色差方法
1976年,CIE推荐CIE1976L*a*b*颜色空间（也称为CIELAB颜色空间），主要用于印刷、纺织等表面色料工业减混色(subtractive mixture)的表示和评价。
在CIELAB颜色空间中，不同区域的色差容限相对比较接近，颜色样品在此空间中的位置由三维的直角坐标表示。L*!a*!b*的值可以从三刺激值(X，Y，Z）计算出来，其中L*表示颜色的明度，a*表示该颜色在红一绿轴方向的投影位置，b*则表示颜色在黄一蓝轴方向的投影位置。
（2）CIEDE2000色差方法
为了进一步改善工业色差评价的视觉一致性，CIE工业色差评价的色调与明度相关修正专业委员会TCI-47对现有色差模型和视觉评价数据进行大量分析和测试，在2000年提出的新色差评价公式，并于2001年获得国际照明委员会的正式推荐,其色差符号为ΔE00。
（3）改进型RGB色差公式
RGB颜色空间是图像处理中使用最广泛的一种色彩模式。
三、基于有限维线性模型的颜色校正算法
印刷质量检测研究中，色差值的大小直接影响着产品质量等级的评定，以及客户对产品的认同程度。获取准确的色差值是对彩色图像中印品质量进行正确检测的前提,为了避免外界环境对颜色测量的影响，需要建立稳定的标准采集环。国家新闻出版行业标准《色评价照明和观察条件》规定了印刷行业观察颜色样品的照明和观察条件。但是，实际的印刷质量在线检测系统中，照明系统很明显不满足颜色测量的标准光源和观测几何条件，因而必须对采集到的图像进行光照补偿，将非标准光源下采集到的图像还原为标准光源D65下的图像，再与标准图像进行比较。本节针对印刷质量检测系统等高精度色差检测的场合，提出基于有限维线性模型的光照颜色补偿算法。
四、小结
本章在深入分析印刷质量检测中色彩测量的观测条件和测量方法的基础上，确定了在线颜色测量的主要问题，提出了基于光照颜色补偿的在线测量基本框架，从光照颜色补偿!色差计算两个方面详细地介绍了基于光照颜色补偿的在线测量的原理和应用步骤，为解决高精度快速在线测量提供了有效途径。在光照颜色补偿设计中，提出了以光照颜色估计和表面反射率模型为基础，采用基于双色反射模型和有限维线性模型的光照颜色补偿方法，结合标准图像的光谱功率分布，将非标准光照下的图像还原为标准光照D65下的图像。在比较分析CIELAB，CIEDE2000色差公式颜色测量方法的基础上，采用改进型RGB色差计算，在保证色差计算精度的同时，提高了计算速度"实验结果证明，该方法应用于色度在线测量符合行业测量标准，满足印刷品色彩测量精度的要求。
