文 羅莎

印刷顏色的明度預(yù)測評價

文 羅莎

顏色是評價印刷質(zhì)量的一大重要標準，而明度作為顏色的三屬性之一，是顏色科學(xué)的一個重要研究內(nèi)容，所以印刷顏色的明度預(yù)測對印刷的質(zhì)量控制有很大的作用。本文通過現(xiàn)有的數(shù)據(jù)集客觀評價Wyszecki、Nayatani、Fairchild提出的三類明度預(yù)測公式和Nayatani、Hunt、CIECAM97s、CIECAM02四種色貌模型中的明度預(yù)測模型。通過客觀的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)明度預(yù)測公式的預(yù)測準確性高于色貌模型，其中Fairchild提出的第三種預(yù)測模型最能準確預(yù)測人眼的明度感覺，但在亮調(diào)區(qū)域，尤其是亮調(diào)的黃、品、藍色相上預(yù)測效果不佳。本文深入研究彩色色塊的明度預(yù)測，為準確預(yù)測印刷品最終印刷效果 起到一定的作用。

印刷質(zhì)量 H-K效應(yīng) 明度預(yù)測模型 明度數(shù)據(jù)集

前言

顏色科學(xué)作為一門交叉學(xué)科，總是與其他科學(xué)技術(shù)的發(fā)展相得益彰。顏色科學(xué)的研究推動了對人眼視覺特性的深入研究和認識。明度作為顏色三屬性之一，深入研究該屬性對顏色控制起到重要的作用。印刷質(zhì)量在印刷業(yè)備受關(guān)注，而色彩再現(xiàn)的準確度直接影響著印刷質(zhì)量，所以，很好的把控印刷色彩對印刷品質(zhì)量起到很重要的影響。

明度描述的是人眼感受到的顏色的明亮程度，是一個與心理、生理有關(guān)的色貌屬性，它屬于色度學(xué)的概念，不易定量描述。所以如何準確定量描述感知明度是一個很復(fù)雜的問題。色空間的出現(xiàn)解決了這一難題，它將明度量化，用一定的數(shù)值量來表示人的心理感知量。在實際運用中，人們常用CIELab色空間中的L值表示明度。但研究H-K效應(yīng)（Helmholtz-Kohlrausch效應(yīng)）發(fā)現(xiàn)，該明度表示方法與人眼視覺感受有一定的差異。（國際照明委員會CIE將H-K效應(yīng)定義為［1］：在明視覺狀態(tài)下，保持色刺激亮度不變，改變其純度，感知亮度也會相應(yīng)改變），所以如何更準確的預(yù)測明度值便成為一大難題。

明度預(yù)測模型研究概述

關(guān)于顏色與明度的研究從1825年至今，已有近兩百年的歷史。它們之間的關(guān)系即赫姆霍茲-科爾勞斯效應(yīng)。研究者們深入研究H-K效應(yīng)，以此為切入點，進一步研究彩色刺激的明度。

1957年［2］，Wyszecki和其團隊在明度數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上提出兩種明度預(yù)測模型。首先在C光源下完成明度視覺匹配實驗，獲取明度數(shù)據(jù)集，在該數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，采用最小二乘法建立了明度預(yù)測值與顏色三刺激值之間的關(guān)系，分別構(gòu)建了一次方程（Wyszecku L1）與二次方程明度預(yù)測模型（Wyszecku L2）。但這次的視覺實驗觀察者人數(shù)較少，實驗精度低，數(shù)據(jù)可靠性差。所以在1967年［3］，Wyszecki對明度視覺匹配實驗進行了改進，并獲得新的明度數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集為明度預(yù)測研究者們研究明度預(yù)測做出很大貢獻。

1991年［4］，Nayatani建立了關(guān)于H-K效應(yīng)的明度預(yù)測數(shù)學(xué)模型（Nayatani L3），該模型是在NCS顏色系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建的。Nayatani多年致力于H-K效應(yīng)的研究，并提出了兩種明度視覺匹配法：VAC法與VCC法，并于1997年發(fā)表了適用于光源色和物體色、VAC和VCC實驗方法的4種明度預(yù)測模型以及模型驗證，該實驗方法以及所建立的模型是H-K效應(yīng)研究方面的一大重要理論基礎(chǔ)。

1991年［5］Fairchild在Wyszecki（1967）明度數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上建立了基于LCH色空間的明度預(yù)測模型，在CIE LAB色空間的L參數(shù)中引入了Chroma變量（Fairchild L4）和Hue變量（Fairchild L5），并以Wyszecki （1958） 數(shù)據(jù)集作為模型驗證數(shù)據(jù)。為了獲得更加精準的預(yù)測模型，F(xiàn)airchild隨后進行了明度視覺匹配實驗，獲得明度數(shù)據(jù)集。并在該數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上修正之前提出的明度預(yù)測模型，構(gòu)建最終模型（Fairchild L6），該模型對明度預(yù)測簡單準確，在明度預(yù)測方面做出重大貢獻。針對現(xiàn)今社會顯示器、手機等設(shè)備使用越來越頻繁的狀況，2002年Fairchild還對顯示器進行了簡單的明度匹配實驗，發(fā)現(xiàn)自發(fā)光顏色的六種色相（RGBCMY）中，藍色H-K效應(yīng)最強，而黃色最弱。

預(yù)測明度的模型不僅包括這些簡單的數(shù)學(xué)模型，還包括很多的色貌模型，大多數(shù)色貌模型在建立時考慮到了H-K效應(yīng)的影響，具有預(yù)測不同觀察條件的明度的功能。如Nayatani（JN）、Hunt（JH）、CIECAM97s（ J97S）、CIECAM02（J02）等色貌模型中的明度預(yù)測數(shù)學(xué)模型［6］。

明度預(yù)測模型評價與分析

明度預(yù)測模型的種類多種多樣，本文詳細分析三種明度預(yù)測模型（Wyszecki 模型、Nayatani模型和Fairchild模型）和四種色貌模型（Nayatani色貌模型、Hunt色貌模型、CIECAM97s和CIECAM02）中的明度預(yù)測。

根據(jù)明度預(yù)測模型計算得出顏色 的預(yù)測明度。將計算得到的預(yù)測值與明度視覺匹配實驗的觀測值對比，以均方根誤差以及配對T檢驗值作為分析數(shù)值，評價明度預(yù)測模型。本次評價使用的數(shù)據(jù)集為Wyszecki1967數(shù)據(jù)集和Fairchild1991數(shù)據(jù)集。

圖3-1 明度預(yù)測值與觀察值均方根誤差

分析圖3-1，發(fā)現(xiàn)明度預(yù)測模型較色貌模型明度預(yù)測更匹配人眼視覺感知的明度。明度預(yù)測模型的明度預(yù)測相較于LAB中的L預(yù)測都有很大的進步，均方根誤差從6.32減小到3.27～4.7，且三種明度預(yù)測模型中，F(xiàn)airchild提出的L6模型的明度預(yù)測最精準，與視覺感知明度值的均方根誤差僅為3.27。在四種色貌模型中Nayatani模型的明度預(yù)測最準確，但也僅是將均方根誤差從6.32降低至6.03，改進效果不大 。Hunt模型與CIECAM02預(yù)測效果最差，均方根誤差達到了1.69，甚至是16.9。

配對樣本是指對同一樣本進行兩次測試所獲得的兩組數(shù)據(jù)，或?qū)蓚€完全相同的樣本在不同條件下進行測試所得的兩組數(shù)據(jù)。雙側(cè)配對T檢驗用于檢驗兩個樣本是否來自具有相同均值的總體，即兩組數(shù)據(jù)之間是否有顯著差異。用t值與sig.值來體現(xiàn)。本文將觀察明度值與明度預(yù)測模型或色貌模型明度預(yù)測計算得到的數(shù)據(jù)作為配對樣本，完成配對樣本T檢驗。設(shè)置置信區(qū)間為95%，若sig.值小于0.05，則說明兩組數(shù)據(jù)差異顯著，反之則說明兩組數(shù)據(jù)之間差異不顯著，即明度預(yù)測效果好。配對T檢驗用SPSS完成，分析→比較均值→配對樣本T檢驗，完成檢驗得到結(jié)果，如圖3-2所示：

圖3-2 配對T檢驗結(jié)果

分析圖3-2，可看出明度預(yù)測公式的t值明顯小于色貌模型，即明度預(yù)測公式的明度預(yù)測準確度高于色貌模型。sig.數(shù)據(jù)表明色貌模型的明度預(yù)測與觀察明度值差異顯著，而Nayatani與Fairchild的明度預(yù)測公式明度預(yù)測與觀察值無顯著差異，其中Fairchild提出的三種預(yù)測模型t值小，sig.值大，預(yù)測效果較其他兩種明度預(yù)測模型更佳。Hunt模型與CIECAM02色貌模型t值都很大，差異很顯著。

總結(jié)前面兩種數(shù)據(jù)分析，可知明度預(yù)測模型的t值與RMSE值都明顯小于色貌模型中的明度預(yù)測。在三種明度預(yù)測模型中，Wyszecki1957年提出的模型預(yù)測效果最次，F(xiàn)airchild提出的明度預(yù)測模型與Nayatani提出的明度預(yù)測模型在L基礎(chǔ)上都有很大的改進。而在四種色貌模型中，Hunt模型與CIECAM02色貌模型明度預(yù)測結(jié)果都不準確，甚至次于LAB模型。

深入分析L與L6明度預(yù)測模型，找出預(yù)測效果最次的三個色塊，L預(yù)測效果較次的色塊Lab值分別為：（51，0.7，-46）；（30，2，-28）；（30，5，-44）；L6預(yù)測效果不佳的三個色塊分別是：（71，52，-27）；（72，1，-6）；（72，1，87）；由以上數(shù)據(jù)可知，L雖然總體預(yù)測結(jié)果不如L6，但其在亮調(diào)黃、藍、品色相上優(yōu)于L6，且Fairchild提出的L6模型的亮調(diào)預(yù)測效果不佳。

結(jié)論

本文分析評價了各明度預(yù)測模型的明度預(yù)測準確性。評價發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的明度預(yù)測模型為Fairchild1991年提出的明度預(yù)測公式，該模型總體明度預(yù)測準確性高，但在亮調(diào)區(qū)域，尤其是亮調(diào)的黃、品、藍色相上預(yù)測效果不佳。色貌模型的明度預(yù)測效果均次于明度預(yù)測公式，且Hunt與CIECAM02色貌模型預(yù)測準確性最差。

綜上所述，在印刷過程中要想更準確的預(yù)測最終印刷品顏色的明度屬性，可以使用Fairchid在1991年提出的L6明度預(yù)測公式，若選擇色貌模型來預(yù)測，則可參照CIECAM97s中的明度預(yù)測公式。

［1］ Robert L.Donofrio.Review Paper：The Helmholtz-Kohlrausch effect［J］.Journal of the Society for Information Display，2011，658-664.

［2］ G.L.Sanders ，G.Wyszecki.Correlate for Lightness in Terms of CIE-Tristimulus Values. Part I［J］.Journal of the Optical Society of America，1957， 47（5） ：398-404.

［3］ G.Wyszecki .Correlate for Lightness in Terms of CIE Chromaticity Coordinates and Luminous Reflectance［J］.Journal of the Optical Society of America，1967，57（2） ：254-257.

［4］ Yoshinobu Nayatani，Hiroaki Sobagaki.Lightness Chromatic Perception of Object Colors［J］.Color Research and Application，1991，16（1） ：16-25.

［5］ Mark D.Fairchild.Predicting the lightness of chromatic object colors using CIELAB［J］.Color Research and Application，1991，16（6） ：385-393.

［6］ Mark D.Fairchild.Color appearance model［M］. John Wiley & Sons Ltd，2005.

（作者單位 江西傳媒職業(yè)學(xué)院）