Г Л А В А 1 9

АППАРАТНО%НЕЗАВИСИМОЕ ЦВЕТОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ

странству CIE XYZ значений. Последние на основе данных колориметриче ской характеризации выводного устройства преобразовываются в аппаратные координаты (например, CMYK), необходимые для воспроизводства стимулов желаемого выходного изображения. Следующие разделы текущей главы дета лизируют данный процесс.

Отметим, что программная реализация процессов аппаратно независимого цветовоспроизведения требует больших вычислительных ресурсов, поэтому во избежание серьезных ошибок квантования обработка изображений в промежу точных пространствах цветового восприятия выполняется обычно по т.н. дан ным с плавающей запятой (floating point image data) и при той же точности вы числений. Такой подход вполне пригоден для научных исследований, но не практичен в отношении большинства «бытовых» систем цветовоспроизведе ния, в частности тех, что ограничены 24 битовым (8 бит на канал) представле нием цветовых данных: в этих случаях описанные выше процессы, хоть и ис пользуют для конструирования систем и алгоритмов, но самое исполнение воз лагают на интерполяцию в рамках многомерных восьмибитовых (на канал) таблиц соответствия (look up tables — LUTs).

Любопытно, что в отличие от полиграфии отрасль компьютерной графики чаще всего работает по данным с плавающей запятой и высокоточными целы ми. Есть вероятность, что в результате слияния двух отраслей исторически сло жившиеся вычислительные проблемы и ограничения будут преодолены.

19.5 КАЛИБРОВКА И ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВ

Калибровка — это приведение устройства визуализации к заданному состоя нию, например, в случае CRT мониторов, к определенной белой точке, опреде ленным усилению и смещению (bias) или же точным взаимоотношениям меж ду оптическими плотностями колорантов и управляющими сигналами принте ра. Калибровка гарантирует, что цветовоспроизводящая система изо дня в день и от аппарата к аппарату, будет выдавать стабильные результаты. Однако ка либровка может быть выполнена при полном отсутствии информации о взаи моотношениях между аппаратными и колориметрическими координатами, в то время как колориметрическая характеризация устройства требует обяза тельного наличия такой информации.

Калибровка устройства — это скорее задача производителя, нежели пользо вателя (решение которой в основном зависит от технологии производства). Та ким образом, калибровку мы более обсуждать не будем и лишь подчеркнем ее важность: если стабильные результаты необходимы изо дня в день и/или от устройства к устройству, то необходима регулярная и частая калибровка.

Характеризация устройства — это процесс диагностики и протоколирова ния взаимоотношений между аппаратными координатами и аппаратно неза висимым цветовым пространством (первый шаг на рис. 19.1).

Между калибровкой и характеризацией существует некий компромисс: если регулярная калибровка невозможна, то желаемая точность репродуциро вания может быть достигнута за счет частой характеризации. Если же имеется

367

Г Л А В А 1 9

АППАРАТНО%НЕЗАВИСИМОЕ ЦВЕТОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ

техническая возможность выполнения отличной калибровки, то на весь пери од регулярных калибровок можно ограничиться единожды выполненной ха рактеризацией.

Три подхода к характеризации устройств

Существует три принципиальных подхода к характеризации устройств:

1.Физическое моделирование.

2.Эмпирическое моделирование.

3.Полное измерение.

Разумеется, существуют процедуры, комбинирующие перечисленные мето ды.

В большинстве случаев исходом характеризации является построение трех мерной таблицы соответствий (LUT), используемой для связи с процедурой ин терполяции (которая, в свою очередь, предназначена для обработки гигант ских массивов данных).

Характеризация путем физического моделирования

Характеризация устройств визуализации путем физического моделирова ния осуществляется через построение аналитических моделей, связывающих колориметрические координаты элементов входного (или выходного) изобра жения с сигналами, выдаваемыми входным устройством или сигналами, управляющими выходным устройством. Физические модели характеризации могут быть построены для цветовоспроизводящих устройств всех типов и всех уровней сложности.

Физическая модель характеризации сканера содержит первичную стадию линеаризации аппаратных сигналов по отношению к фотометрической ярко сти стимулов (или к коэффициенту поглощения поверхности) и завершающую стадию, на которой выполняется преобразование аппаратных координат в CIE трехстимульные значения. Плюс к тому, иногда требуются данные о фи зических свойствах сканируемых материалов (зависит от устройства сканера). Отметим, что перечисленных хлопот можно было бы избежать, если бы скане ры конструировались как колориметры, а не как устройства с произвольными RGB чувствительностями.

Физическая модель характеризации CRT дисплея задействует нелинейное преобразование управляющих потенциалов в технически согласованные ярко сти RGB люминофоров c их последующим линейным преобразованием в трех стимульные значения CIE XYZ.

Физическая модель характеризации выводного печатающего устройства (hard copy output device) требует преобразования управляющих сигналов в по казатели концентрации красителей, пигментов или чернил, с последующей об работкой последних т.н. моделью краскосмешения (color mixing model), необ ходимой для прогноза спектральных коэффициентов отражения (СКО) или пропускания (СКП) закрашенных поверхностей. СКО или СКП поверхностей,

368

Г Л А В А 1 9

АППАРАТНО%НЕЗАВИСИМОЕ ЦВЕТОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ

в свою очередь, могут быть использованы для вычисления трехстимульных значений CIE XYZ.

Преимущество физических моделей характеризации заключается в том, что они устойчивы, не требуют большого числа колориметрических измерений и позволяют легко «перехарактеризовать» устройство, если изменен какой то из его компонентов.

Недостаток физических моделей состоит в том, что, во первых, их довольно сложно построить; во вторых — еще сложнее ими управлять. Отметим также, что физические модели наиболее часто используются для характеризации CRT дисплеев.

Характеризация путем эмпирического моделирования

Характеризация путем эмпирического моделирования требует сбора боль шого числа данных с последующей статистической подгонкой взаимоотноше ний аппаратных координат с координатами колориметрическими. Такие моде ли обычно используются для непосредственного преобразования аппаратных данных в CIELAB координаты, дабы избежать трудностей дискретизации CIE XYZ значений.

Эмпирические модели характеризации часто представляют собой много мерные полиномы n порядка или, альтернативно, модели нейронных сетей вы сокой сложности. Эмпирические модели требуют меньшего числа измерений, чем LUT методы, но большего, чем физические модели.

Эмпирические модели характеризации зачастую плохо работают в пригра ничных и граничных областях цветовых охватов устройств, выдавая весьма большую систематическую ошибку. Поскольку эмпирические модели не име ют отношения к физике устройств визуализации, их приходится перестраи вать всякий раз, как только меняется какой либо компонент системы.

Эмпирические модели чаще всего используются для характеризации ска неров.

Характеризация путем полного измерения

Третьим подходом к характеризации устройств является полное измерение всех выходных характеристик устройства, необходимое для т.н. репрезента тивной выборки его цветового охвата (для характеризации сканера использу ются сигналы по большому числу заранее известных входных стимулов). Обычно выводится и колориметрически измеряется некая карта с выборкой аппаратных сигналов 9 9 9 (то есть в сумме 729 измерений). Отметим, что для характеризации устройств со слабой повторяемостью внутри тиража (то есть, от изображения к изображению) или от аппарата к аппарату может понадо биться много большее число измерений.

Массив колориметрических данных в дальнейшем должен быть нелинейно интерполирован с целью заполнения высокоплотной (например, 33 33 33) таблицы соответствий (LUT), которую можно использовать для обработки дан ных изображения посредством многомерной интерполяции.

369

Г Л А В А 1 9

АППАРАТНО%НЕЗАВИСИМОЕ ЦВЕТОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ

Недостатками метода (помимо необходимости выполнения большого числа измерений) являются:

—трудность интерполяции сильно нелинейных данных;

—необходимость возврата к полной процедуре характеризации, когда ме няется какой либо из параметров устройства;

—трудность в построении обратной схемы действий (которая необходима

вбольшинстве случаев).

Преимуществом характеризации путем полного измерения (которое делает ее весьма популярной) является то, что она не требует полноты информации о физических свойствах устройств.

Характеризация путем полного измерения и методы LUT интерполяции чаще всего используются для характеризации принтеров.

Виды колориметрических измерений

Для характеризации цветовоспроизводящих устройств требуются колори метрические измерения различных видов.

Характеризация CRT или LCD мониторов требует спектрорадиометриче ских или колориметрических измерений цветности люминофоров (данные о которой необходимы для выполнения RGB XYZ преобразования), а также относительных радиометрических или фотометрических измерений, необхо димых для получения функций нелинейной передачи (nonlinear transfer functions) по каждому каналу.

В 1993 г. Бернс и колл. детально описали схему колориметрических измере ний и характеризации CRT мониторов, а в 1996 г. Бернс дал краткий обзор практической процедуры их калибровки и характеризации. Позднее, в 2003 г., он опубликовал детальное описание техники измерений и методов характери зации LCD мониторов.

Принтеры и прочие выводные устройства для характеризации своих аппа ратных колорантов и получения их колориметрических координат при различ ных осветителях и источниках требуют спектрофотометрических измерений спектрального коэффициента отражения или пропускания, а для характериза ции функций тонопередачи этих устройств могут понадобиться дополнитель ные денситометрические измерения.1

Проблемы колориметрической характеризации бинарных (полутоновых монохромных) и многоуровневых (полутоновых полноцветных) устройств ото бражения в свое время обсуждались различными авторами, в частности: Ярви сом (1976), Энгельдрумом (1986), Гентилем и колл. (1990), Роллестоном и Ба ласубраманианом (1993), Бернсом (1993), Ханейши и колл. (1996).

Характеризация сканеров и цифровых фотокамер требует спектрорадио метрической оценки спектральной чувствительности каналов или же эмпири ческого определения этих чувствительностей. В совокупности со спектрора

1	В денситометрических измерениях, как правило, не возникает необходимости, поскольку

все денситометрические показатели могут быть рассчитаны на основании спектрометрических данных. — Прим. пер.

370