1.2 彩色圖像的合成

1.2.1 色彩復制

通常情況下，色彩復制是將場景或對象進行轉換以盡可能忠實地呈現原稿，這個過程是通過信息鏈的傳遞來完成的。并且在多數情況下，感光材料（溴化銀或透明/正片）通常被用做中間載體。感光材料在整個復制過程中（如圖像處理），網屏處理、材料、傳遞特性和其他參數也起著重要的作用。

對于忠實復制的一種簡潔性的描述為產生相同的光譜，雖然這在實際中無法實現。忠實復制能夠在所有光照條件下使得復制品的效果與原稿相同，并且在制作合適的樣張時，該要求顯得尤為重要。

與忠實復制相對照，在對報紙和雜志進行編輯時，通常要求原稿的復制圖像要具有吸引力。因此此時就可用“感染力”或“主觀優化”這些術語來表達其效果。

多數情況下，圖片機構所提供的透明片的色域比印刷時所需要用到的色域要大很多，因此在將圖像信息轉換到印刷時，就需要采取折中的方法，如圖1-5所示。

在主觀優化或忠實復制中必須確保說明書和廣告中所展示的公司產品與制造商的色彩要求一致。為了遵循共同的指導方案，視覺匹配的方法就是附加專業色譜樣本的色樣。例如，某公司的專用色彩不能滿意地從三原色中混合出來，那么就需要增加一個單獨的色彩（也稱專色）以達到所需要的結果。通常，在圖像信息數據的分色中不考慮專色，而且專色只用于產生單獨的色版。

在忠實復制的條件下，很大程度上可采用自動的方式；而在主觀優化的條件下，由于圖像處理的自動分析和優化法的發展只有幾年時間，還不能取代手動處理，所以即使是訓練有素的圖像處理專家也不可避免地需要進行手動調節。

決定色彩復制質量的其他主要因素有油墨、承印物、印刷工藝、印刷條件、原稿特性等。在這些因素當中，油墨和承印物的色彩特性對復制色域起著最主要的影響。其他影響色彩復制質量的因素，如加網技術，也起著重要的作用。例如在傳統調幅加網中，加網線數、加網角度及網點大小都將影響印刷品的質量。

若要復制一個物體，那么在整個復制過程中，曝光時物體的照明、可能存在的反射、對比度以及光源的色溫都將對結果產生影響；而在這個過程中，感光材料僅作為中間信息的載體。

影響色彩復制質量的主要因素是實際的色彩被分解或分色的過程。需要強調的是多色印刷主要是三色復制的過程（即所有色彩都由三原色混合而成），盡管在實際生產中加入了第四個顏色“黑色”，但是色彩信息由三原色組成的這一基本事實并未改變。因此為獲得忠實復制的印刷品，則在分色中完成分色作用的濾色片必須與油墨相適應，若該適應性不好就需要進行色彩轉換。

1.2.2 分色

在彩色圖像的合成中，分色是以減色混合為基礎的。在多色印刷中，在某種程度上網點是相互獨立的，但也有可能會重疊；并且減色法混合（單色網點的疊印）和加色法混合（觀察者觀察到的半色調網點的單色的綜合效果）都有可能發生在印張上。

在具有感應磷圖層的彩色顯示屏中，直接相鄰的光柵點創建了一個類似的加色法混合效果（而在印刷中，被照射的半色調網點/彩色區域，反射其光線到達人眼，在人眼中形成相應的色刺激）。

在印刷過程中施加到承印物上的油墨層必須是透明的，即按減色法混合的物理原理才會有效（類似濾色片）。在完全疊印的大面積色彩中，會產生特有的減色法混合。該情況下，若只有減色法混合，那么所得混合色的亮度會隨著墨層厚度的增大而減小。

在多色印刷的加網過程中，網屏結構和色彩套印的調整不可避免地會產生一個不同于加色法和減色法的復雜組合，這就需要對油墨的光譜特性提出特定的要求，即無論承印材料上網點是相鄰的（加色法）還是疊加的（減色法），觀察者所感受到的色彩是相同的。而要達到這一要求則需要理想的原色具有矩形的光譜分布，并且這些不連續的值必須在0和1之間，且間斷點不能超過兩個。另一個因素是，必須將這些不連續點與三原色光譜分布相適應，而且要選擇出這些間斷點使得生成的實地顏色的色彩范圍盡可能大。經測試表明，第一個理想間斷點在489～495nm，第二個在574～575nm，相應的光譜分布如圖1-6所示。

通過理想色彩能夠很容易地計算出色彩復制。若把品紅色、青色和黃色作為油墨，則通過減色法可以由三原色混合產生紅色、綠色和藍紫色。如果把三原色的位置以及第一次減色混合的顏色位置加入u′v′坐標平面中，可以發現原色恰好位于混合色的連線上，如圖1-7所示，圖中E點（中性色）由原色和相對的混合色連接得到。將三原色以相同的比例混合可以得到理想的中性灰，而色域則由u′v′坐標平面中三角形的位置和大小來確定。該圖是用u′v′系統的投影來替代 x, y系統的投影，它與圖1-5是等效的。

在這個理想的色彩轉換中，將RGB數據和CMY數據進行轉換就變成了一個很微小的操作。第一代PostScript頁面描述語言的色彩轉換程序就是根據這個簡單的色彩光譜分布模型選擇的：

C=1.0-R；

M=1.0-G；

Y=1.0-B。

在實際的印刷中，印刷油墨并不完全接近于理想色彩。圖1-8給出了多色印刷中油墨的典型光譜分布，它同時也說明了與“理想色彩”的間斷點。從圖中可以得出，實際的三原色并沒有反射或吸收光譜的理想成分，并且還產生了大量不需要的負效應光譜，這就導致了無法獲得印刷理論中可實現的色域。

此外，在印刷色彩區域內，加色法混合產生的效果與減色法并沒有產生相同的色彩，這就使得在加網過程中導致了圖像合成上的偏差。這也就造成了相同比例的三原色無法生成中性灰，并且RGB值也不能僅通過“轉換”來變成CMY值的事實。

而在實際生產中，將不同比例的三原色混合能夠生成一個中性灰（如膠印中獲得一個深灰的分色版/膠片值為青70%，品紅60%，黃60%；淺灰為青24%，品紅18%，黃18%）。這些數據考慮了實際印刷中三原色的色彩特性，并作為一種確定灰平衡過程的有效控制工具。然而它不能直接轉換為其他色彩標準和印刷方式，但對于理想油墨是可行的。

概括可得，在印刷中理想三原色混合的需求如下：

（1）三原色的光譜反射系數或吸收特性應與理想原色盡可能地接近；

（2）三原色位置的選擇應盡可能產生大的色域；

（3）在印刷中，相同比例的三原色通過加色法或減色法混合，應該產生一個盡可能中性的灰色調（在理想的承印材料上）。

在色彩環或色彩空間中，一階混合色（二次色）應盡可能地位于兩個原色的中間位置。

1.2.3 復制工藝

與選擇理想的基色和分色濾色片相似，在色彩復制過程中，制版過程和材料的相互協調也是十分重要的。通過拍照將一個真實的場景轉換為一個印刷品，這其中包含了一個多級信息的傳遞鏈。這個鏈的接口和參數通常由操作者有目的地干預。

在實際生產中，若一些圖像變化/復制是靜態的，那就需要這個鏈條中的其他可操作鏈環來適應這個靜態特性。因此，例如前面所指出只有某些真實的顏料可用于印刷，但它們的光譜特性與最佳的原色是不同的。所以在制作分色膠片時，在假定理想的色彩方案下，分色濾色片就必須以“錯誤補償”的方法來適應這些特性。

調整階調或反差曲線可以適配復制技術中的有關技術環節，并且該技術已經在實踐中證明了其價值。而在實際中，用戶對模擬信息傳遞鏈的精細協調幾乎沒有其他選擇。因此，CMYK的分色數據使用極其廣泛。

盡管從信息論的觀點來看，RGB或CIE LAB色彩系統中的圖像數據的處理具有許多好處，但是經驗豐富的專家最終還是選擇印刷基色用于處理數據，這是因為可以在最終色調上進行干預調整。另一方面，在沒有實際色彩管理的系統中，調節RGB的色調不可能對CMYK色彩系統產生特定的影響。

現在的復制技術得出了基色的色調足以代表一個圖像復制系統的復制曲線的投影這一假設。但這種假設是不正確的，至少在許多輸出系統中是不成立的（例如，膠版印刷和其他傳統的印刷技術）。實際中，混合顏色的色調并不與原色成比例變化。

為了更好地理解這個問題，就需要借助視覺等距的色度參考系統（如CIE LAB）。要做到這一點，就需要一個色度計和Lab坐標系中7個坐標點在 a*b*上的投影平面，來確定三原色和青色、品紅色、黃色、紅色、綠色和藍色的實地面積以及印刷紙張空白處的色彩位置。若確定了6個單色色調的實際Lab坐標，那么就能夠產生起始于白點（紙張的顏色），終止于實地面積的6條曲線。從圖1-9可以得出，三原色和二次色的色調呈非線性變化。

假設在CIE LAB圖表中，色度的投影在視覺上是等距的，那么就可以得出這樣一個結論，即原色的色調不足以代表滿足復制要求的特性曲線。這種特性在許多輸出系統中是相當典型的，因此基于色調變化的圖像調節是不可靠的。由于缺乏其他合適的方法，所以該技術在模擬復制技術中還是十分必要的，但幾乎不用于數字處理。而實踐證實了，專業人員在色調上的有意干預措施更多的是依靠直覺，很少依據數字。

通過色調曲線來協調處理模擬和數字中的子模塊也被稱為特性曲線的傳遞。它可由密度計或類似密度計的設備來控制（如圖像處理軟件），但只能在下列條件下成立：

（1）在子模塊中使用相同的色彩模式（如CMYK）；

（2）三原色的色彩位置相同；

（3）子模塊具有相同的復制特性曲線。

只有當上述需求都滿足時，設備才能通過色調曲線/特性曲線來適配，而在其他情況下就需要運用更加復雜的色彩空間轉換了，這種情況下就需要色度計來確定色彩空間轉換的參數了。

首先，只有采用相同的色彩模式，色調曲線才能用于過程控制。由于在復制過程之前已經產生了4個相關分色通道和印刷系統的CMYK色彩空間轉換，所以只要協調膠片到印版，或印版到印刷品的工藝就能夠輕松地達到這些要求。這種情況下，原色的色彩位置并沒有發生改變。在數字印刷系統的控制中，常常會出現許多不同的情況，如PostScript數據文件。如果利用RGB數據來控制打印機，那么該輸出就不能只通過色調曲線來變成打印機的CMYK數據，因此就不能滿足特性曲線傳輸的第一個要求。

即使信息傳遞鏈的兩個子模塊的色彩模式相同，特性曲線的傳輸也不可能實現。事實上，有兩種基于CMYK的印刷系統可用于適應彩色復印機到膠版印刷的復制，但通常三原色的顏色位置有很大的差異，因此不能滿足第二個條件。

近來，基于NIP技術的數字打樣系統不再通過選擇特別合適的著色劑來調節適合印刷復制過程的色度特性。在此就用到了借助于色彩管理系統和色度測量技術的多維色彩轉換調節設備。

1.2.4 黑色

從根本上說，多色印刷中所采用的黑色是用黑色油墨直接生成的，它用來減少以三原色生成黑色或灰色的技術花費，并用來降低高質量彩色油墨的使用，同時還能夠穩定印刷過程，使單獨顏色的變化在整個印刷中不敏感。

控制黑色分色版有多種方式，可使用青、品紅、黃色和黑色來完善彩色結構：

（1）由底色去除（UCR）組成的彩色結構；

（2）非彩色結構（或GCR：灰成分替代）；

（3）由底色增益（UCA）組成的非彩色結構。

這些過程會由以下的例子來結束說明，圖1-10只是給出了一個例子，并沒有精確的度量和全面的理解。

1.彩色結構

在彩色結構中，所有的色相（色調）都是由三原色——青（C）、品紅（M）、黃（Y）組成的。黑色（K）也可能被用于強調圖像的暗調，改善圖像的輪廓，暗色調是通過將三原色以適當的比例混合而來的。

例如，若要印刷較深的青色，則根據所需要的黑度值，將品紅和黃色等量地加入青色，但所加的品紅和黃色的量都要小于青色。這部分品紅和黃色與等量的青色混合成為黑色，這混合而成的黑色就使得剩余的青色顏色加深。該情況可以通過一個例子來清楚地表達。圖1-10（a）中的棕色由70%青、80%品紅和90%黃色組成，因此總覆蓋面積為240%，在這當中沒有使用黑色，但由于三個色彩的比例都很高，因此就不能容易地保持色彩平衡。

圖1-10（a）中棕色的彩色結構包含一個彩色部分和非彩色部分。其中非彩色部分由70%青、70%品紅和70%黃色組成，它們在疊印后產生了一個很接近灰色的顏色，而剩下的10%品紅和20%黃色就形成了彩色部分。

2.底色去除

底色去除是彩色結構的一種變形，其中一部分非彩色部分由黑色來替代。假設在圖1-10（b）中的棕色采用30%的UCR，因此由青、品紅、黃色組成的非彩色部分就從70%減少到40%，減少的部分就由黑色來替代。因此覆蓋面積就不再是240%，而是以180%的覆蓋面積來表現相同的色調外觀。由于其大大降低了油墨沾污的危害（收紙時已印刷的圖像轉移到上一張紙的背面），且更容易把握色彩平衡 ，因此它大大簡化了印刷機的任務。

3.非彩色結構

與彩色結構不同，在非彩色結構原理中，所有非彩色成分都由黑色來替代（GCR：灰成分替代）。因此顏色的加深不再通過增加彩色的方法來實現，僅僅使用黑色來完成。圖1-10（c）中的棕色只由品紅、黃、黑組成，且覆蓋面積僅為100%。因此在全圖和全色調中，青、品紅、黃的比例大大降低，印刷過程更加穩定，油墨的吸附程度也顯著地提高了。

4.底色增益

底色增益（UCA）是非彩色結構的一種變形。如果中性黑的油墨不充足，那么為了強調中性灰圖像的暗調，則在非彩色部分增加青、品紅和黃的比例并降低黑色的成分[圖1-10（d）中使用了25%的比例]。在圖像構成中，該方法被廣泛地使用并在實踐中證明了其價值。通過這種方法，圖像質量和印刷品質量能夠很好地保持一致。

1.2.5 高保真彩色印刷

為了在多色印刷中獲得更大的色彩范圍，就需要：

（1）盡可能與人眼視覺敏感性所反映的色彩空間相一致；

（2）獲得高級顯示器或照片的色域。

而且對于特殊的印刷行業甚至可以利用超過4色的顏色來完成（例如在CMYK色彩系統中添加補色系統中的R、G、B）。

例如，可以采用7個印刷機組的單張紙膠印機來完成，這也稱高保真彩色印刷。在圖1-11中就描繪了該方法在CIE標準色彩空間中的色域與傳統多色印刷的比較。

使用6色印刷的方式，即除了C、M、Y、K之外再加上兩種顏色，也能擴大色彩范圍。因此在高保真彩色印刷中，也存在“高保真六色系統”，例如用橙色和綠色這樣的專色來進行印刷。