特性文件中的颜色转换模型详解

ICC色彩管理体系中设备特性文件对应三种基本的设备类型，即输入设备、显示设备和输出设备。但无论怎样的设备，其中只用到了两种描述颜色关系的模型，也称为颜色转换模型，它们是“阶调矩阵模型”和“矩阵查找表模型”。

1.阶调矩阵模型

从4.1.3节中特性化关系建立的模型法中我们已经看到，显示器在简单模型下，设备颜色值RGB首先分别经过一个指数变换，变换结果再经过一个3×3矩阵的线性变换关系，转换为CIEXYZ色度值。其中的指数变换对应的是控制信号对应的输出亮度，称为“阶调复制曲线”。于是，显示器的这个呈色过程具有了三个一维阶调曲线和一个3×3线性矩阵变换的特征。

在ICC标准中，就将这种方式标准化为一种颜色关系的表示模式，称为“阶调矩阵模型”。

显然，符合阶调矩阵模型的颜色关系相反的颜色变换也符合这种模式，所以，这种模型常可给出双向的颜色转换，且对应的CIE色度，即PCS（Profile Connection Space，特性文件连接色空间）颜色值为CIEXYZ。对于从设备颜色值RGB到PCS值的颜色转换，称为“前向”转换，而从PCS值到设备颜色值的转换，称为“反向”转换。其流程示意图如图4-7和图4-8所示。

图4-7　阶调矩阵的前向转换流程

图4-8　阶调矩阵的反向转换流程

ICC标准中，简单的显示器特性文件就只含有这种模型的颜色关系。由于关系简单、数据量少，所以，其特性文件的尺寸也相对最小，常为几kb。

一些具有ICC特性文件使用功能的软件可以通过语句很方便看到其中的颜色转换模型信息，如从MATLAB软件中的相关语句得到某一显示器的Profile文件信息如下：

其中，“MatTRC”中的Mat指矩阵（matrix），TRC则指阶调复制曲线（tone reproduction curve），即表示以阶调矩阵的模式表示颜色关系，可实现“前向”和“后向”的颜色转换。

sRGB、Adobe RGB等标准的RGB颜色空间，其ICC特性文件中也采用这种模式。如sRGB的Profile文件信息为：

从中看到，其中仅有“MatTRC”颜色关系信息。此外，其中的“MediaWhitePoint”和“MediablackPoint”表示sRGB空间对应的介质白点和黑点的归一化CIEXYZ值。可以看到，在设计上，sRGB色空间的介质白点为D65标准照明体的白，黑点则为理想的无光色。

Adobe RGB特性文件也有类似的信息如下：

从中看到，Adobe RGB同样只采用阶调矩阵模式记录颜色关系（但具体的关系是不同的），也设计与sRGB同样的介质白点和黑点。

数字相机常按某种标准的RGB颜色特性来设计。比如，一般数字相机对景物色的响应（CCD响应及软件处理两方面作用）设计为符合sRGB关系，而专业级数码相机则设计为符合Adobe RGB的规律，以响应更多的景物色。由于标准RGB颜色关系的这种简单模型，其特性文件很小（几个kb），故常将其内嵌在摄取的每一张影像文件中，而不会因此明显增加影像文件的尺寸。

数字相机特性文件中颜色关系的记录方式同于显示类设备情况，以一维阶调曲线和矩阵的方式记录，连接的PCS值仍为CIEXYZ。(www.xing528.com)

扫描仪与数字相机有不同的颜色响应设计，颜色响应规律也要复杂些，但ICC标准的扫描仪特性文件中也含有阶调矩阵颜色关系，如下：

其中含有的“MatTRC”即为颜色关系的阶调矩阵模式。

需要说明的是，阶调矩阵模型是设备颜色关系的表示方法之一。尽管显示类设备、标准的RGB颜色空间，以及扫描仪等设备都可以选用这种表述方式，但肯定的是，因呈色过程的复杂度不同，所形成的颜色转换精度是有差异的。抛开标准的RGB颜色空间不谈，就显示器和扫描仪的应用作比较，这种方式对显示器更适应些，得到的颜色转换值会更精确些。单就显示类设备而言，也并非仅用这种方式描述颜色关系。为了提高颜色转换的精度，许多学者研究了多项式、神经网络等多种方法，较这里阶调矩阵模型有更高的颜色转换精度。只是，我们应该明白的是，ICC标准采用了最简单的阶调矩阵模型建立显示类设备的特性文件。

2.矩阵查找表模型

从前面的内容知道，对于处理非线性程度较高的复杂呈色体系，简单的阶调矩阵模式是不行的，需要诸如多项式、多维查找表、神经网络等方法。因此，ICC标准规定，对于复杂的呈色体系，特别是由减色色料呈色的输出设备情况，特性文件中采用以多维查找表LUT（Look_Up Table）为特征的模式。由于除了多维查找表外，往往还需要连接某些矩阵关系共同形成颜色关系，所以将这种模式称为“矩阵查找表模型”。其数据流程如图4-9所示。相反的过程可实现由PCS到设备颜色的转换。

图4-9　矩阵查找表模型的转换流程

与阶调矩阵模型不同，当使用矩阵查找表模型时，PCS值为CIELAB。

这种模型下，用A代表设备颜色值，B代表PCS值。AToB用于表示从设备颜色值到PCS颜色值的转换，BToA则代表相反的转换。

前面谈到，扫描仪的颜色相应规律较显示器复杂些。所以，除了简单的阶调矩阵模型外，也用精度更高的矩阵查找表模型表征颜色关系，进行颜色转换。如上面扫描仪特性文件信息中就含有AToB的三种形式AToB0、AToB2和AToB1，均表示从设备颜色到PCS颜色的转换模型。只是这里没有相反过程的颜色关系，因为对扫描仪而言，在色彩传递流程中最常用的就是根据响应的设备颜色值RGB，得到对应的CIE色度。此外，这里 AToB后面的“0、1、2”分别代表不同的色域映射方法，其含义在第5章中给予介绍。

颜色关系的矩阵查找表模型主要应用在输出设备的特性文件中。这是因为输出类设备的颜色关系相对最为复杂，为程度较高的非线性关系。因此，ICC标准规定，这类设备的特性文件中只用矩阵查找表模型记录颜色关系。

实际应用中，由于由输出设备颜色控制值（RGB或CMYK）到PCS颜色值，以及相反的过程都会需要，所以，特性文件中总是包含两个方向的颜色变换关系。如由MATLAB读取的某一打印输出设备的特性文件信息如下：

从中看到，没有MatTRC信息，即没有简单的一维阶调曲线和转换矩阵关系，只有由AToB和BToA两个方向的矩阵查找表。同样，0、1、2表示不同的色域映射方法。此外，注意到多了一个“Gamut（色域）”信息，该信息记录这个设备的色域边界表示值，在第5章将给出相关讲解。

对输出设备，无论哪个方向的颜色变换，由于变换关系很复杂，所以其中查找表数据量都会很大，再加上双向的变换需要，因而形成了较大的特性文件，常在几百kb以上。此外，为了提高颜色转换精度的需要，有时需要建立格点密度很大的查找表，特性文件的尺寸会大大提高，可达到M级字节数。

需要特别说明的是，设备特性文件Profile尽管只有上述两种颜色转换模型，但并不意味着颜色关系的建立过程也只有这两种方式。前述的各种不同的数学方法均可用于建立特性文件所需要的颜色关系，仅是得到的颜色关系最终再转换为用“阶调矩阵模型”或“矩阵查找表模型”表示。例如，对于输出设备的情况，由于颜色关系复杂，由设备颜色到输出色度间的关系（理论指导下）可分解为符合图4-9的几个环节步骤，其中有较为简单的变量间线性矩阵关系和单变量一维线性关系，仅几个简单的参数即可关联，但也有中间变量间很复杂的非线性关系，此时，可用各种不同的有效数学方法关联，再由其计算查找表关联中所需要的格点数据，即将变量关系记录为查找表的形式。