百闻不如一见。据统计，人类在通过眼、耳、鼻、舌等身体器官感知世界和接受外部信息的过程中，约75-80%的信息来源于由眼睛与大脑构成的视觉系统。视觉信息在人类进化、生存和发展过程中起到了举足轻重的作用。数字图像作为目前人类视觉系统获取外界信息的主要来源，可以有效打破时间、地理等限制，足不出户即可随时欣赏到大千世界形形色色的外部信息。例如当我们早晨醒来打开手机，外出旅游拍摄照片，吃到美食通过微信与朋友分享，家庭及影院的影视娱乐，工作中的投影显示，我们订阅的期刊杂志以及身上穿的带有图像的纺织、丝绸衣服等都以不同形式展现着数字图像在不同领域的应用。单单在数字成像领域，据美国德勤公司TMT（技术、媒体和电信）部门预测，2016年全世界范围内将拍摄约2.5万亿张数字图像，其中约75%的图像将被网民或媒体上传至网络与朋友或大众分享。
在实际应用中，数字图像以不同形式展现在用户面前，涉及到的主要数字图像设备有数码相机、数码摄像机、扫描仪，电视、电影、投影仪，计算机显示器，手机，平板电脑，打印机，印刷机和数码印花机等。一般可以将这些设备分为三类，数字图像获取设备（码相机和数码摄像机等）、以电子屏幕显示图像的软拷贝显示设备（手机、显示器等）和以纸张、纺织品、丝绸和陶瓷等媒介显示图像的硬拷贝输出设备（打印机和数码印花机等）。
颜色一致性现有问题
各种数字图像设备在具体应用中，就颜色一致性方面一般会碰到下面两个问题：
（1）经数字图像获取设备获取的图像颜色和我们在现场感受到视觉颜色效果不一致；
（2）所获取图像在不同设备间传输时，比如从显示器到投影仪，从显示器到打印机，从显示器到数码印花机，甚至在不同显示器间复现时出现颜色不一致现象。
以上两个问题即本文标题所说的“所见即所得”问题。在大部分人们心目中，所见即所得，即在图像获取和传输过程中颜色是保持一致的。即使不一致，感觉只要不影响正常使用，颜色有点偏差也没问题。但近年来随着经济社会的发展，人们对生活品质的要求越来越高，尤其是随着电子商务的发展，在涉及服装及装饰品等商品的电子商务过程中，商家需要用数字成像设备对其商品拍照然后传送到网络，消费者通过自己的显示设备查看其视觉效果决定是否购买，由于在这个过程中会出现消费者在自己显示器上看到的图像颜色效果与商品实物颜色效果不一致的现象，经常会出现所购买商品颜色非自己喜好的现象，随之带来一系列纠纷和不愉快。另外近年来越来越风靡的网络艺术馆、网络博物馆、远程医疗、远程设计以及计算机视觉等应用都对物体图像颜色的获取及复现精度提出了越来越高的要求。
颜色失真原因
因此很有必要实现数字图像从获取到显示、以及打印输出过程中颜色的一致。在介绍解决方案之前，我们先了解什么原因会导致数字图像设备所获取图像与实物视觉颜色效果不一致以及数字图像在不同设备间传输时的颜色失真问题。
（1）成像颜色失真问题。数码相机和数码摄像机是目前数字图像获取的主要设备。目前的手机一般都带有数字拍照功能，高端的单反相机和数码摄影机也逐渐得到了广泛应用。但据作者观察，很多消费者纵然买了高端的数字成像设备，在具体使用时一般也只用其在“自动（傻瓜）模式”下拍摄，部分水平较高的消费者为了得到“景深”效果会选用“光圈优先”模式，为了“抓拍”会选用“快门优先”模式，或者在不同的拍摄场景下选择不同的“场景”模式，但大部分情况下都不会根据场景的变化充分挖掘成像设备的潜力而拍摄获得优良的图像。诚然高端数字成像设备本身硬件性能优良，也内嵌了比较复杂的图像增强算法，大部分场景下能得到比较满意的数字图像。但如果需要在极端照明拍摄场景下获得优良图像，或者获取图像的目的除了用于欣赏外，还需要用于打印印刷、机器视觉及计算机视觉等对拍摄图像数据准确性有较高要求的应用领域，就需要充分挖掘数字成像设备的硬件潜力及参数设置，乃至开发相应算法获取满足实际应用需求的数字图像。图1显示了同一相机拍摄同一场景，但ISO参数设置不同时的拍摄效果。图2显示了同一马路场景在不同时相日光照明下的拍摄图像模拟效果。可见相机参数设置及外部照明环境都对相机拍摄结果有很大的影响。
图1 当相机ISO参数设置不同时的拍摄效果
（a）晴日上午
（b）晴日早上
(c) 阴天
图2同一马路场景在不同时相日光照明下的拍摄图像模拟效果
（2）图像传输及复现时的颜色失真问题。下面因素则经常会导致数字图像在传输及不同设备上显示时出现颜色失真现象。
a.数字图像设备的颜色表征机理不同。不同数字图像设备采用不同的软硬件方法表征颜色，例如数码相机等数字图像获取设备通过电荷耦合器件（CCD或CMOS）对物体成像的方法来表征颜色，显示器通过背光及控制滤光片滤光量的方式显示颜色，而打印机则通过控制青（cyan）、品（magenta）、黄（yellow）和黑（black）等墨量的比例打印出不同的颜色。这些设备都在各自的设备相关颜色空间中表示颜色，同样的数字驱动值在不同设备上所代表的颜色往往不同，因此当彩色图像在这些设备之间传输时，若数字驱动值之间不经过任何转换，很容易出现颜色失真现象。
b.数字图像设备的色域不同。色域是指数字图像设备所能表现的颜色范围。数字图像设备色域的大小和形状取决于设备的颜色表征机理、参数设置及照明与观察环境等因素，不同数字图像设备的色域往往不同。当源彩色图像的色域大于复现目标设备的色域时，其复现图像中的颜色和源彩色图像相比必然失真。
c.外界环境对彩色图像视觉感知的影响。外界照明与观察环境除了对设备的色域大小和形状有影响外，也会对人眼的视觉感知产生影响。例如，在同样的照明环境下，一幅图像在暗背景下观察会感觉比较亮，而在亮背景下会感觉比较暗，这就是同时对比效应。此外，还有诸如光源色度及亮度、环境亮度等许多其它因素也会影响彩色图像在不同设备之间传输时的颜色保真度。
d.观察者对颜色的感知和喜好不同。颜色的感知和喜好受观察者民族、性别、年龄、职业和经历等因素的影响。对于同一幅彩色图像，不同的观察者可能有不同的视觉感知和解释。
现有色彩管理方案
上述各方面的因素都会影响彩色图像在数字图像设备间传输时的颜色保真度，因此如何提高跨媒体的颜色复现精度这一课题受到了广大从事颜色科学与影像技术相关科研机构以及数字图像软硬件生产商的广泛重视，并在国内外展开了大量的研究。目前比较公认的方案是通过颜色管理系统来解决彩色图像在不同数字图像设备间传输时颜色失真这一问题。到目前为止，主要有三种颜色管理系统得到了广泛应用，分别是闭环颜色管理系统、sRGB（Standard RGB）颜色管理系统和ICC（International Color Consortium）颜色管理系统。这些系统都不同程度地解决了彩色图像在不同数字图像设备间传输时的颜色失真问题。下面分别对这三种颜色管理系统予以简要概述。
（1）闭环颜色管理系统
闭环颜色管理系统是一种较为直接和简单的颜色管理系统，其基本原理如图3所示，任何两种数字图像设备间都需建立一一对应的颜色映射关系，从而实现彩色图像在这两种设备间的颜色复现。由于数字图像设备通常能表征大量的颜色，例如三通道的8位彩色显示器可显示16777216（224＝16777216）种颜色，很难对每种颜色都建立相应的映射关系。这种颜色管理系统在实现较少的设备间的彩色图像传输时能够达到较好的颜色复现效果，但随着数字图像设备数目的增加，会大大增加设备间映射的次数。另外，随着网络技术的发展，一幅彩色图像可能会传输到世界上任何一台显示器或打印机上，几乎不可能在任意两台数字图像设备间都建立准确的映射关系，因此其应用范围受到很大限制。目前这种颜色管理系统主要用于数码印刷和数码印花等涉及的数字图像设备数量少且针对性强的应用领域。
图3 闭环颜色管理系统
（2）sRGB颜色管理系统
为了弥补闭环颜色管理系统的缺点，微软（Microsoft）和惠普（Hewlett-Packard）公司于1996年定义了sRGB标准颜色空间，期望数字图像设备都在sRGB颜色空间中表示颜色，以简化数字图像设备间的颜色复现步骤并提高复现精度。1998年，国际电工委员会（IEC，International ElectrotechnicalCommission）将sRGB颜色空间推荐为国际标准。sRGB颜色空间是通过对一台在特定照明环境及设置下的阴极射线管（CRT，Cathode Ray Tube）显示器来定义的，对显示器的背景、环境、照度及照明环境的色度信息等都做了详细规定，如显示器的亮度应设置为80cd/m2, 白场为D65，伽玛值为2.2等。基于sRGB颜色管理系统的彩色图像跨媒体复现原理如图4所示，任何一台数字图像设备都通过sRGB颜色空间表示其颜色或建立其设备相关颜色空间与sRGB空间之间的对应关系，所以数字图像设备间可以简单地通过sRGB空间实现彩色图像的跨媒体颜色复现。但sRGB颜色管理系统仍存在下述两方面的缺点：
a. sRGB颜色空间是通过在特定照明环境下对一台典型设置的CRT显示器定义的，对其它类型的数字图像设备，或者设备的照明环境及设置不同于sRGB空间的定义，其颜色空间并非真正的sRGB空间，因而仍会导致彩色图像在不同设备间复现时出现失真现象。
b. 任何两种数字图像设备都通过sRGB这单一颜色空间实现彩色图像的跨媒体颜色复现，所以只能达到一种颜色复现目的，而当使用者要求其它颜色复现目的时，仍需另外的复杂处理。
图4 sRGB颜色管理系统
c. 当前数字图像设备的亮度及色域等性能都越来越好。以色域为例，图5显示了sRGB色域与目前已经取得广泛应用的adobeRGB以及未来超高清电视（UHDTV）色域的比较结果，可见sRGB色域远远小于adobeRGB和UHDTV色域。
图5 sRGB、adobeRGB和超高清电视（UHDTV）色域比较
总之，sRGB颜色管理系统在对颜色复现精度要求不太高的一般消费者群体中得到了广泛应用，但对于从事专业图像处理或对图像复现精度有较高要求的用户而言，还需要利用其它更高级的颜色管理系统才能满足其应用需求。
（3）ICC颜色管理系统
ICC颜色管理系统于1993年由Adobe、Agfa、Apple、Eastman Kodak、Fogra、Microsoft、Silicon Graphics、Sun 和Taligent等八家公司组成的国际色彩联盟（ICC, InternationalColorConsortium）提出，ICC的宗旨是推进和建立一个开放、互利、跨平台的颜色管理系统。ICC颜色管理系统是目前应用较为广泛的专业颜色管理系统，2005年成为ISO国际标准，该系统也事实上已经成为专业彩色图像复现应用领域的标准。类似于sRGB颜色管理系统，ICC颜色管理系统也是通过设备无关颜色空间实现数字图像设备间的颜色复现，不同的是ICC系统中采用CIE色度空间作为设备无关的颜色连接空间。由于这种颜色复现方式不需要数字图像设备在特定的照明环境及设置下实现复现，这很大程度上扩大了ICC颜色管理系统的应用范围并提高了颜色复现精度。在实际应用中，ICC颜色管理系统主要以ICC文件的方式实现彩色图像在数字图像设备间的复现。ICC文件以标签形式记录了设备类型及属性、设备无关颜色连接空间类型、颜色复现目的及设备相关颜色空间与设备无关颜色空间之间的转换关系等信息。要实现彩色图像从源设备到目标设备的复现，首先需要生成这两个设备的ICC文件。基于ICC文件的颜色管理系统框架如图6所示，整个颜色管理系统通过颜色管理框架接口实现应用程序、ICC文件及颜色管理模块之间的交互。颜色管理模块（又称颜色管理引擎）通过调用源设备与目标设备的ICC文件建立这两种设备间颜色空间的映射关系。颜色管理模块可分为操作系统级和应用程序级的颜色管理模块，用户也可以开发第三方的颜色管理模块，应用程序一般默认采用操作系统或自带的颜色管理模块实现颜色管理。这样，应用程序就可以调用颜色管理模块建立的源设备与目标设备的颜色空间转换关系实现彩色图像或图形在这两种设备间的颜色复现。
图6 ICC颜色管理系统
目前，部分商业软件（AdobePhotoshop）及大部分浏览器都支持ICC颜色管理系统。实际上在Adobe Photoshop软件中，ICC颜色管理系统无时无刻不在起作用。无奈大部分普通用户并没有认识到这一点，即使知道有此功能也不能灵活应用，这很大程度上影响了软件的使用性能。另外虽然大部分浏览器支持ICC颜色管理系统，但由于其本身性能欠佳，大部分用户也没有意识到浏览器有该功能，更不会生成相应设备的ICC文件并嵌入到图像中，因此该色彩管理功能在实际应用中很少使用。
未来色彩管理发展
上述颜色管理系统某种程度上可以提高物体颜色的获取及复现精度，但都是以色度方式实现彩色图像在不同数字图像设备间的颜色复现。这种颜色复现方式只能对特定的观察者在特定的外界照明环境下实现颜色匹配，当观察者或照明环境发生变化时，原本在视觉上感知一样的颜色却不再匹配，这种现象被称为同色异谱。光谱颜色管理系统可以有效解决同色异谱问题。光谱颜色管理系统是近年来国内外从事颜色科学研究的一个热点问题，ICC也在尝试推出新的ICC文件版本（iccMAX）以支持光谱颜色管理。但受制于目前所开发的软硬件性能，大部分用户对该应用也缺乏认识，光谱颜色管理系统目前还缺乏实际应用。但光谱颜色复现被认为是最准确的颜色复现方式，光谱颜色管理系统在文化艺术品的数字典藏及复制、数字出版及发行、远程医疗、电子商务等众多对彩色图像跨媒体复现精度有较高需求等领域仍具有巨大的应用潜力。
