色彩管理原理
随着彩色信息在相关领域得到越来越广泛的应用,人们对色彩再现质量提出了更高的要求。彩色图形图像跨设备准确再现必须借助色彩管理技术,并以准确获知、描述设备的彩色特性为前提,色彩管理引人设备无关的色彩空间来统一描述设备彩色特性,通过色域匹配及对设备输人/输出关系非线性的校正、建立设备相关色彩空间与设备无关色彩空间之间的映射关系,实现彩色信息从输入设备色彩空间到设备无关色彩空间,再到输出设备,色彩空间的准确转换,达到“所见即所得”的目的。
但是，在实际印刷过程中,不同的设备工作在不同的色彩空间,使用不同的技术原理产生色彩,在色彩的产生过程中无法忠实无损地再现原稿的颜色。例如,显示器、数字相机、扫描仪等工作在RGB的色彩空间,它们使用RGB的“加法”着色系统为基础,以黑色开始,然后增加红色,绿色和蓝色以取得色彩;而打印机、打样机、印刷机等工作在CMYK的色彩空间中,它们基于“减法”着色系统,用白色减去RGB(红、绿、蓝)以取得色彩和黑色,因此同一种色彩在不同设备上会出现偏差,并且色彩在不同设备间转换过程中,不同设备对颜色的处理方法也各不相同。
一、色彩管理的发展
对于使用过数码相机或色彩输出设备的人,可能都已经注意到用数码相机拍摄的彩色照片和显示器所呈现的色影并不一样,有的甚至相差很大,同样,从输出设备输出的彩色图像和显示器的颜色也有很大的颜色差异,这是因为在当时的传统色彩控制技术条件下,颜色的复制过程都是在一个较为封闭的生产环境中进行的,色彩设备的色彩表现能力各有不同,同样的色彩值在不同的色彩设备上有可能被解释为完全不同的色彩形态。
色彩管理提出之初,虽然改变了传统的封闭式生产模式,实现颜色信息在不同设备上的准确再现,在特定的设备之间建立了专门的色彩转换关系,解决不同供应商生产的硬件与软件不兼容的情况,但是这在一定意义上来说还是属于封闭式的范畴,因为每两种设备之间采用特定的色彩转换关系,一旦颜色处理需要新的设备,那么之前所建立的颜色转换关系对新的设备就不适用了。没有统一的色彩管理规范,每个适用者都必须要配合硬件的供应商,不断地调整输人设备和输出设备之间的关系,并且在印刷的过程中,一旦设备或生产环境发生变化,就需要对设备信息重新建立,如图8-1，每个源设备都需要对目的设备建立特定的颜色转换关系,当增加新的目的设备的时候,必须重新建立源设备和这台新的目的设备之间的颜色转换关系。也就是说,在目的设备不变时,如果源设备发生了变换,其间的色彩转换关系也需要重新建立。用数学方式来表现则为:当有m台源设备、n台目的设备时,这种管理方式需要建立m*n种颜色转换关系,其过程比较复杂,给颜色转换带来了很大不便。
为了解决这些颜色问题, 1993年,Adobe, Agfa, Apple, Kodak, Microsoft, Silicon Graphics, Sun Micro system以及Taligent等几家公司开始共同研究一种通用的色彩管理方法,称为ICC标准。如此一来,开放式的色彩管理方法产生了,且已成为当今色彩管理的主流。ICC规定了一个标准的文件描述格式,提供了一个贯穿整个色彩重现过程的规范，并且已经成为色彩管理的国际标准。色彩管理实际上是利用软、硬件结合的方式，在生产系统中自动统一地管理和调整颜色,以保证在整个过程中颜色的一致性,其其本方法是将系统中所有设备的颜色特性都用CTE颜色系统来描述,任何设备同的颜色转换都要通过CIE颜色空间间接进行转换。由于CIE颜色空间描述的是人眼对颜色的感觉,它们的色彩数值和设备没有关系,即为设备无关颜色空间(Device-idependent Color),通常为CIE XYZ和CIE LAB，而且任何设备的颜色都可以用CIE颜色系统描述, CIE颜色系统就成为描述各种设备颜色特性的共同语言和标准。在这种方式下,m个设备向n个设备的颜色转换只要有m+n个转换,相比于传统模式下的转换,加法运算要比乘法运算简单得多，极大的简化了色彩管理的复杂度,如图8-2所示。更重要的是,使用这,种色彩管理方法可以建立对设备颜色特性描述的标准方法,不再取决于两个设备之间的特定情况和关系,使色彩管理方法标准化。
1995年ICC颁布了ICC Profile Vesion3.2,到2003年, ICC加入了ISO/TC130以及国际色彩联盟之间的合作协约,2004年ICC又颁布了最新版本Vesion4.2.0,这一版本是这一协约之下的第一个国际标准。现在, ICC标准被普遍认为是到目前为止用于改善颜色控制现状的最理想解决策略。ICC标准已被许多操作系统接受,现支持有Apple、Microsoft、Sun、SGI、Java等工作平台,全球已有超过50个著名公司加入ICC成为会员,总会员数达70多个,越来越多的软件(系统软件或应用软件)也已经支持ICC标准。
综上所述：色彩管理（CMS ，Color Management System)是一个关于色彩信息正确解释和处理的技术领域,其目的是保证同一图像的色彩从输入到显示、输出中所表现的外观尽可能匹配,达到一致的颜色,最终达到原稿与复制品色彩一致。在色彩失真最小的前提"下将图像的色彩数据从一个色彩空间转换到另一个色彩空间的过程,也是建立设备相关颜色空间与设备无关颜色空间转换关系的过程。设备相关颜色空间(Device-dependent Color)通常为RGB和CMYK颜色空间，即颜色的视觉效果是基于设备和材料，会随着设备及材料的改变而改变。
二、色彩管理的分类
从目前发展来看,色彩管理可以外为操作系统级色彩管理、应用程序级色彩管理和驱动程序级色彩管理三类：
(1)操作系统级色彩管理：操作系统级的色彩管理系统可以充分利用计算机技术为其他应用软件提供一个色彩管理的环境,利用操作系统提供一系列函数实现对用户来说是透明的并且几乎不需要应用程序的色彩管理,但从所起的作用来看，操作系统级色彩管理所做的事情是有限的。比如，它不能改变打印机的色域来匹配所用的显示器，它对于RGB=(0, 0, 255)这个超出打印机色域高饱和蓝色没有无中生有的本事，只是通过超色域颜色的映射处理和颜色转换实现两者的颜色接近。它不仅作为色彩管理系统存在、而且可以提供一整套的服务,应用软件可以调用它的功能完成各项有用的工作。具体讲来,操作系统级的色彩管理目前主要使用的是两种,苹果公司的Macintosh以及微软公司的Windows，而所谓的操作系统色彩管理,即是指在这两种操作系统中的色彩管理功能。在Macintosh和Windows操作系统中的颜色管理模块分别是ColorSync和ICM.其最主要的组成都是程序模块,简称为API,这些程序模块由大量的程序代码组成,不但程序开发人员可以直接通过系统进行调用,而且对于CMM的存在提供了一个整体的构架。
(2)应用程序级色彩管理：应用程序级色彩管理是指那些与特定的输入输出设备相配套的彩色管理软件,通常都是由生产这些设备的厂家开发出来的,它们可以利用系统级色彩管理的功能,也可以使用单独的颜色计算算法。单从应用软件的角度来看色彩管理的问题,包括具有和不具有色彩管理功能的软件,具有色彩功能的应用软件都具有配置源设备特性文件和目的设备特性文件的功能,以及可能配置的显示特性文件功能,比如Adobe公司提供的三个最主要的具有色彩功能的应用软件Photoshop, InDesign和llustrator。
在色彩管理的应用中,应用软件的流程包括三个方面,一个是对文档特性文件的处理,即在同一个应用软件中如何对标记和未标记的文档进行处理的过程。一个是软打样的控制,所谓的软打样,就是将颜色暂时地转移到显示器上,用显示器模拟最终颜色输出效果的方法。另外一个是打印中的色彩管理控制。
(3)驱动程序级色彩管理：除了显示设备之外,输入和输出设备都是颜色传递过程中不可缺少的设备,这里以打印机为例,进行简单的介绍：从应用软件处接受的文件数据发送到打印设备进行输出,假设文件数据打印时,可以将打印数据以及源设备特性文件一起递交,其后由打印驱动规定目标特性文件,最后由操作系统(ColorSync或ICM)将颜色转换到打印的色空间,这就要求打印驱动具有处理各种不同源设备特性文件的能力,但是由于打印驱动本身的色彩管理能力不同,在实际上是做不到的。另一种办法是对具有色彩管理功能的应用软件,可以在操行系统进行打印处理之前,将颜色处理好后,使其不必携带源特性文件,而对于不具有色彩管理功能的软件,则可以使用打印机驱动的色彩管理功能来执行颜色转换工作。
三、色彩管理的基本要素
ICC色彩管理体系有四个重要的组成部分,分别是特性文件(Pofile)、特性文件连接色空间(PCS)、再现意图(Rendering Intent)和色彩管理模块(CMM)。
特性文件：
国际色彩联盟(International Color Consortium, ICC)定义了一个国际标准,用于规定profile的标准文件格式,定义该文件格式的主要目的是为了提供一个跨平台的设备profile格式。用这些设备profile可以将一个设备创建的色彩数据转化到另一个设备的自带的色彩空间。
颜色特征文件ICC Profile既可作为独立的文件形式出现,也可以作为图像的嵌入文件,无论哪种形式,其中的地址字段都是相对于Profile的初始字节而言的。作为独立文件的Profile文件结构如图8-3所示,特性文件中描述了两部分的内容,作用是用于描述设备的色域信息和非线性特征的校正转换关系。特性文件中的内容一方面是对设备本身各种参数和设置描述文本,另一方面是设备的本地颜色数据,以及设备无关颜色空间的进行颜色转换的相关数据。同一RGB或CMYK颜色数值,在不同的设备上会产生不同的颜色感觉,特性文件并不是改变了设备原始的颜色数值,而是转换为这个颜色数值所表示的特定的颜色感觉。故而,设备特性文件只是对设备的行为进行描述,并没有改变设备的行为。
根据ICC标准,将ICC Profile分为7种不同的类型,包括3种基本设备的特性描述文件Profile,即输入设备(扫描仪、数码相机等) Profile、显示设备(显示器)Profile,、输出设备(打印机、印刷机等) Profile以及4个附加的特征描述文件,即设备连接Profile,、颜色空间转换特性Profile,抽象的Profile和命名颜色Profile。
设备连接空间Profile是将一系列设备Profile连接成一个Profile,节省色彩转换时间;颜色空间转换特性Profile提供设备无关色空间与PCS之间的转换,可嵌入图像文件;抽象的Profile提供PCS空间内数据转换的方法,以满足用户的特定需求,不能嵌人具体的图像文件;命名颜色Profile可视为设备Profile的同属文件,是建立命名颜色系统的颜色名与设备无关颜色空间颜色值之间的关系。ICC Profile采用的标签文件格式,即色彩转换时所用到的各种信息以标签的形式组织,适用于色彩管理复杂的应用环境.ICC Profile按照ICC发表的特性文件格式规范写成，为各个设备之间的颜色交流提供了一个标准语言，是一种开发且跨平台的标准，ICC Profile的文件格式主要有三个部分组成：文件头、标记索引表和标记对应的数据，他们在文件中顺序储存。
特性文件连接色空间PCS：
设备文件连接色空间(Profile Connection Space)简称PCS,是一个与设备无关的颜色空间,用来标定和定义颜色视觉感受,是作为不同设备之间颜色转换的中间体,其本质来说就是一个虚拟的、与设备无关的中转站。比如说,将照相机内的RGB图像显示到不同的显示器上,首先色彩管理系统会根据输入显示器的特性文件,将RGB图像,的各颜色信息与PCS颜色空间进行一一对应后,再利用输出显示器的特性文件,将PCS颜色值与输出设备颜色值进行转换,从而在输出设备上得到与输人显示器相同的颜色图像。
从色空间定义上来讲, CIE XYZ以及CIE LAB包含了所有肉眼能分辨的不同颜色根据这个色空间所对应的颜色信息,可以使正常颜色视觉的人产生相同的颜色感觉。另一方面是与设备相关颜色空间所产生的颜色信息与颜色感觉具有对应关系,这样就可以在不同设备上实现颜色的一致性。但是PCS也具有一定的局限性,因为色空间之间的不同条件与要求,比如说2°视场和10°视场、照明和观察条件,以及一系列的光源等。故基于国际标准《ISO 13655: 1996,图像技术一图像的光谱测量和色度计算), ICC定义PCS是采用CIE 1931标准色度2"观察者、D50标准光源、对于反射介质采用0°/45°或45°/0°的照明/观察条件(反射介质)而得到的CIE XYZ (或者CIE LAB)的值。
再现意图：
在色彩管理系统中,颜色信息再现的大致过程就是通过将颜色信息在不同的色空间中进行转换得到的，但是对于不同类型或者不同设备的黄色空间来说,它们的色空间范围是不一样的,也就是说对于不同的设备、其色城是相互不匹配的。
在进行转换时, 色彩来源的设备称为源设备、输出色彩的设备称为目的设备,在印刷过程中，显示设备、输出设备既可以作为源设备也可以作为目的设备,而输入设备常常只是作为输人设备。一般来说,输人设备的色域(Gamut)即该设备所能表示的最亮的白色、最黑的黑色和最饱和的颜色所构成的范围和动态范用通常是大于输出设备的,所以在彩色复制中,激设备可以表现的颜色不可能全部被目的设备复制再现，这些不能复制的源设备色彩就称为色域外颜色,为了能够实现目的设备对源设备颜色的准确再现,就必须在转换的过程中对源设备的色域进行色域压缩。
当前国际色联盟ICC标准定义了四种异色城的色彩转换方式,称为再现意图,即指从整体上,希望复制图像的颜色以怎样的特征再现原图像的颜色。四种再现意图分别是感知意图(Perceptual Intent)、饱和度意图(Saturation Intent)、相对色度意图(Media-relativeColorimetric Intent)和绝对色度意图(Absolute Colorimetric Intent),如图所示：
在ICC定义的四种色彩再现意图中,相对色度意图和绝对色度意图处理色彩转换的、方法相似,可以统称为色度意图，色度意图在图像颜色转换的主要目标是尽量保持图像的色彩值不变；感知意图在颜色复制的过程中,主要作用是保持图像色彩的整体效果不变，而饱和度意图的主要目标是实现较高的饱和度还原。
色彩管理模块：
色彩管理模块(Color Mangement Module)简称CMM,它的作用是使用特性文件中的颜色数据进行颜色转换, CMM提供了从源设备颜色空间到PCS，以及PCS到任意目的设备空间进行颜色转换的方法,解释图像设备彩色特性描述文件，并将彩色图像的色彩信息在源设备和目的设备的色彩空间之间进行转换,转换时所用到的算法及相关信息由设备Profile提供,例如将显示器上的图像通过打印机输出, CMM首先利用显示器的Profile将图像的色彩数据由RGB空间转换到LAB空间,再根据打印机的Profile将色彩数据由LAB空间转换到CMYK空间,打印机利用此时得到的CMYK数据输出图像,通过两次转换,打印机输出图像的色彩可与显示器所显示的色彩取得较为一致的效果,即达到色彩在不同图像设备之间准确传输。
CMM是进行色彩管理的核心,实现了色彩在不同空间、不同介质和环境下的一致转换,因此CMM又被称为色彩管理的引擎。源设备特性文件是对图像信息的来源进行描述,并指出图像颜色所表示的真实感觉。目的设备特性文件是说明图像信息输出的位置,并利用新的颜色数值在输出设备上呈现出相同的颜色感觉。图8-6阐述了CMM工作的基本原理,图中的虚线箭头表示非图像的数据流动,实线箭头表示的是颜色数据的流动,在实际运算过程中, CMM会将源设备特性文件与目的设备特性文件连接,形成一个中间的多维颜色查找表MCLUT,源图像色彩值作为输人,利用该MCLUT作为查找和插值,插值结果就是目的色彩值,在这个过程中,色彩转换可以视作设备间简单的映射,没有考虑图像的彩色特征。
四、色彩管理的基本工作过程
1、色彩管理的工作流程
文档中的一个对象为由数字相机拍摄得到的一幅RGB位图图像。这幅图像每个像素的RGB值代表的应是其对应的景物颜色感觉。进一步, RGB值与其对应景物颜色值(即CIE色度值)的对应关系由其特性文件Profile所记载。我们要实施色彩管理的两类对象文档中的对象可包含点阵图像,矢量图形或文字。那么,以怎样的方式,在什么时间载入这个Profile文件呢?所对应的颜色感觉在输出环节又必须转换为输出设备所需要的设备颜色控制数值,又该怎样转换?何时转换为好呢?此外,文档中也会有CMYK模式的对象、矢量形式的对象,都会有类似的问题如此类,正是色彩管理流程所要解决的,从技术实施的角度讲,色彩管理流程则是利用设备的特性文件完成文档中各个颜色对象在各个设备间进行颜色数值转换和传递的方式方法。
根据ICC色彩管理系统的各个部分的工作内容如图8-7所示,色彩管理系统是通过CIEXYZ或CIELAB颜色空间对来自设备的颜色值进行定义，在颜色传递过程中保持CIEXYZ或CIELAB颜色值不变,然后将这种颜色感觉翻译成其他设备对应的颜色值,并在该设备上再现颜色,同时保持颜色感觉一致。简单来说，色彩管理就是一种在文档中用什么数值定义什么颜色感觉，以及怎么样定义的技术和方法。在实际使用色彩管理系统时，有3个重要的操作步骤,简称为3C,分别是设备校准(Calibration)、设备特征化(Characterization)和色彩转换(Conversion)。
设备校准：
对设备进行色彩管理首先要对设备呈现的颜色进行测量,而设备的状态决定了所呈现的颜色,所以在测量设备呈现的颜色前,先要让设备处于最佳状态,使行为达到一致,这个调整设备状态的步骤,称为设备的校准。校准的目标有三个:保证设备的稳定性、优化设备、用一个设备模拟另一个设备。不同设备具有不同的输入/输出特性,这种特性可通过设备相关色彩空间(如RGB或CMYK)和设备无关色彩空间(如CIELAB)之间的关系来描述。由于设备非理想设备,上述关系通常随设备和再现过程而异。为了准确输入/输出彩色信息,需要对设备的输人/输出特性进行描述,并基于其特性描述建立校正模型进行校正。对输人设备而言,校正模型的作用是将输入色彩在设备相关色彩空间内的色度值准确转换为设备无关色彩空间内的色度值，对输出设备而言,校正模型的作用则是将设备无关色彩空间内的色度值准确转换为输出设备色彩空间的色度值。
(1)输入校正：输入校正的目的是对输入设备的亮度、对比度、白场(RGB三原色的平衡)进行校正。以对扫描仪的校正为例,当对扫描仪进行初始化归零后,对于同一份原稿,不论什么时候扫描,都应当获得相同的图像数据。
(2)显示校正：显示器校正使得显示器的显示特性符合其自身设备描述文件中设置的,理想参数值,使显示卡依据图像数据的色彩资料,在显示屏上准确显示色彩。
(3)输出校正：输出校正是校正过程的最后一步,包括对打印机和照排机进行校正,以及对印刷机和打样机进行校正。依据设备制造商所提供的设备描述文件、对输出设备的特性进行校正,使该设备按照出厂时的标准特性输出。在印刷与打样校正时,必须使该设备所用纸张、油墨等印刷材料符合标准。
设备的校准与特性文件的准确性是息息相关的,设备经校准后处于最佳的、稳定的状态,才能得到最大的动态范围和色域,保证特性文件的准确性,因而特性文件必须是在设备校正的基础之上,色域(Gamut)是指设备能实现的最亮白色、最亮黑色和最饱和颜色所构成的颜色范围。在设备校准之后,只要应用的媒介和外部的环境不发生变化，设备的特性也是不会发生改变的,所以为了保证色彩信息传递过程中的稳定性、可靠性和可持续性,要求对输入设备、显示设备、输出设备进行校准,以保证它们处于标准工作状态。设备校准本身并不能保证色彩的匹配性,它只是对设备本身的性能进行校准，只能保证设备(如扫描仪、显示器、打印机等)达到标准规定指标,以保证它在一段时间内稳定工作。
设备特征化：
设备特征化即建立Profile的过程。在设备特征化这一步中,要给设备发送一系列已知的设备颜色值,并测量由这些设备值所产生的颜色值,建立设备值与CIE颜色测量值之间的对应关系,即建立设备颜色与PCS颜色间的转换关系,并将这个转换关系记录在特性文件中,而生成这些特性文件,需要一个用于测量的目标图像,如扫描仪可使用个中等尺寸的照片,其中扫描反射稿最好采用IT8.7/2标准色标,而扫描透射稿采用IT8.7/1标准色标,因为打印机要用包含色块的印刷品,所以最好采用1T8.7/3标准色标,它包含928个色块,而显示器则需要更多色块的目标图像。
特性文件制作软件是与测试图像一起提供的,为了能够生成打印机和显示器的特性文件,要评测扫描仪和数码相机的透射片和反射片,还应该有Macbeth提供的特定色标,用于评测数码相机系统。特性文件制作软件公司有爱克发(Agfa)、富士(Fuji)、 GretagMacbeth、海德堡(Heidelberg)、柯达(Kodak),Monaco等。测量设备公司有GretagMacbeth、爱色丽(X-rite), Alwan Color Expertise, Color Savvy等。因此,特性文件记录的是设备再现被测颜色样品时的状态,确定设备的色彩表现范围,并以数学方式记录设备的颜色特性,使得能够用数字来描述设备所能够表达色彩空间的特性,将复杂的色彩复制与再现问题简化为两个色彩空间的数学变换问题。
色彩转换：
色彩转换是实现色彩管理的最后一步,它决定了色彩在各种设备和介质间传递时是否能尽可能地保持一致,通过颜色转换将设备的颜色值定义为相应的颜色感觉,并且通过颜色转换将颜色感觉转换为其他设备对应的设备颜色值,以保证设备使用这个颜色值能够再现出正确的颜色感觉。该i麦处带再恢害,将长1划通身带国恢想,五楚i接(请平的这个过程需要将不同设备的特性文件进行组合,这就需要一个色彩管理模块(CMM),通过CMM使图像在不同色彩空间的设备之间转换,并产生可预测的色彩。不同的厂商所制作的CMM是不同的, ICC没有明确推荐使用哪一家的CMM,因为有些CMM通过拾取特性文件中的专用标签信息,作为特殊应用更有意义。许多高端RIP包含一个CMM和一个Photoshop程序,使人们能使用简单的特性文件组合,因为Photoshop中也包含了一个CMM.苹果计算机中的CMM是操作系统的一个组成部分,叫做ColSync, PC机中Windows的CMM是ICM,大多数特性文件制作的软件厂商,也能用他们的软件制作特定的CMM。
实际工作时,色彩转换过程要在四个方面做设置,首先是源设备特性文件,说明图像的颜色信息来源及其所表示的真实颜色感觉,该文件可以由用户设置,也或者由操作系统和应用操作的默认设置提供。其次是目的设备特性文件,说明图像信息来源传递到哪里,,以便设备再现出相同的颜色感觉。接着是选择CMM模块,可以是设备默认的CMM模块选项,也可以由用户在进行颜色转换进行选择。最后是选择一个再现意图,根据不同的图像再现要求,选择需要采用的再现意图,执行颜色转换。由于在色彩转换过程中各种设备的色域不同,因此需要进行色域压缩,这其中涉及许多数学计算方法,这里不做介绍。
