Implementazione di CIEDE2000 in C

Questa pagina presenta un’implementazione di riferimento della formula della differenza cromatica CIEDE2000 in C. Se si desidera ottenere una corrispondenza esatta con le implementazioni di terze parti fino a 10 cifre decimali, potrebbe essere necessario apportare alcune modifiche al codice sorgente, in particolare (de)commentando alcune righe, che possono essere applicate automaticamente tramite il link sottostante.

La funzione ΔE2000 in C

Consideriamo la più comune e accademica (Sharma, 2005) delle due formulazioni.

// This function written in C is not affiliated with the CIE (International Commission on Illumination),
// and is released into the public domain. It is provided "as is" without any warranty, express or implied.

#include <math.h>

// Expressly defining pi ensures that the code works on different platforms.
#ifndef M_PI
#define M_PI 3.14159265358979323846264338328
#endif

// The classic CIE ΔE2000 implementation, which operates on two L*a*b* colors, and returns their difference.
// "l" ranges from 0 to 100, while "a" and "b" are unbounded and commonly clamped to the range of -128 to 127.
static double ciede_2000(const double l_1, const double a_1, const double b_1, const double l_2, const double a_2, const double b_2) {
	// Working in C with the CIEDE2000 color-difference formula.
	// k_l, k_c, k_h are parametric factors to be adjusted according to
	// different viewing parameters such as textures, backgrounds...
	const double k_l = 1.0;
	const double k_c = 1.0;
	const double k_h = 1.0;
	double n = (sqrt(a_1 * a_1 + b_1 * b_1) + sqrt(a_2 * a_2 + b_2 * b_2)) * 0.5;
	n = n * n * n * n * n * n * n;
	// A factor involving chroma raised to the power of 7 designed to make
	// the influence of chroma on the total color difference more accurate.
	n = 1.0 + 0.5 * (1.0 - sqrt(n / (n + 6103515625.0)));
	// Application of the chroma correction factor.
	const double c_1 = sqrt(a_1 * a_1 * n * n + b_1 * b_1);
	const double c_2 = sqrt(a_2 * a_2 * n * n + b_2 * b_2);
	// atan2 is preferred over atan because it accurately computes the angle of
	// a point (x, y) in all quadrants, handling the signs of both coordinates.
	double h_1 = atan2(b_1, a_1 * n);
	double h_2 = atan2(b_2, a_2 * n);
	h_1 += (h_1 < 0.0) * 2.0 * M_PI;
	h_2 += (h_2 < 0.0) * 2.0 * M_PI;
	n = fabs(h_2 - h_1);
	// Cross-implementation consistent rounding.
	if (M_PI - 1E-14 < n && n < M_PI + 1E-14)
		n = M_PI;
	// When the hue angles lie in different quadrants, the straightforward
	// average can produce a mean that incorrectly suggests a hue angle in
	// the wrong quadrant, the next lines handle this issue.
	double h_m = (h_1 + h_2) * 0.5;
	double h_d = (h_2 - h_1) * 0.5;
	h_d += (M_PI < n) * M_PI;
	// 📜 Sharma’s formulation doesn’t use the next line, but the one after it,
	// and these two variants differ by ±0.0003 on the final color differences.
	h_m += (M_PI < n) * M_PI;
	// h_m += (M_PI < n) * ((h_m < M_PI) - (M_PI <= h_m)) * M_PI;
	const double p = 36.0 * h_m - 55.0 * M_PI;
	n = (c_1 + c_2) * 0.5;
	n = n * n * n * n * n * n * n;
	// The hue rotation correction term is designed to account for the
	// non-linear behavior of hue differences in the blue region.
	const double r_t = -2.0 * sqrt(n / (n + 6103515625.0))
			* sin(M_PI / 3.0 * exp(p * p / (-25.0 * M_PI * M_PI)));
	n = (l_1 + l_2) * 0.5;
	n = (n - 50.0) * (n - 50.0);
	// Lightness.
	const double l = (l_2 - l_1) / (k_l * (1.0 + 0.015 * n / sqrt(20.0 + n)));
	// These coefficients adjust the impact of different harmonic
	// components on the hue difference calculation.
	const double t = 1.0	+ 0.24 * sin(2.0 * h_m + M_PI / 2.0)
				+ 0.32 * sin(3.0 * h_m + 8.0 * M_PI / 15.0)
				- 0.17 * sin(h_m + M_PI / 3.0)
				- 0.20 * sin(4.0 * h_m + 3.0 * M_PI / 20.0);
	n = c_1 + c_2;
	// Hue.
	const double h = 2.0 * sqrt(c_1 * c_2) * sin(h_d) / (k_h * (1.0 + 0.0075 * n * t));
	// Chroma.
	const double c = (c_2 - c_1) / (k_c * (1.0 + 0.0225 * n));
	// Returning the square root ensures that dE00 accurately reflects the
	// geometric distance in color space, which can range from 0 to around 185.
	return sqrt(l * l + h * h + c * c + c * h * r_t);
}

// Compilation is done using GCC or CLang :
// - gcc -std=c99 -Wall -Wextra -pedantic -Ofast -o ciede-2000-compiled ciede-2000.c -lm
// - clang -std=c99 -Wall -Wextra -pedantic -Ofast -o ciede-2000-compiled ciede-2000.c -lm

// GitHub Project : https://github.com/michel-leonard/ciede2000-color-matching
//   Online Tests : https://michel-leonard.github.io/ciede2000-color-matching

// L1 = 65.4   a1 = 32.8   b1 = -3.5
// L2 = 64.1   a2 = 26.8   b2 = 4.2
// CIE ΔE00 = 5.5643553151 (Bruce Lindbloom, Netflix’s VMAF, ...)
// CIE ΔE00 = 5.5643412178 (Gaurav Sharma, OpenJDK, ...)
// Deviation between implementations ≈ 1.4e-5

// See the source code comments for easy switching between these two widely used ΔE*00 implementation variants.

Precisione e affidabilità del codice sorgente

La differenza tra le formulazioni di Sharma e Lindbloom non supera mai ±0,0003 sul ΔE2000 finale, il che corrisponde alla differenza abituale misurata tra due implementazioni a 32 bit ed è impercettibile a occhio umano. Le nostre implementazioni a 64 bit, tutte coerenti tra loro, garantiscono almeno 10 cifre decimali corrette, quindi la scelta di una formulazione rispetto a un’altra dipende principalmente dall’interoperabilità desiderata. La formulazione che appare di default in questa pagina è la più comunemente utilizzata (il suo micro-vantaggio è che si basa sulla comunità ed è più leggera del suo analogo quando viene vettorializzata).

✎ Se trovate un commento nel codice sorgente che non corrisponde a un’altra lingua, informate l’autore del sito, che studierà il vostro suggerimento e lo incorporerà nel codice sorgente.

Come si convertono i colori RGB in L*a*b*?

Per la conversione è necessario utilizzare lo spazio colore intermedio XYZ; se avete bisogno di aiuto, il codice sorgente è disponibile in fondo a questa pagina (utilizzando il punto di bianco D65 formalizzato nel 1964).

Intervalli di valori in CIELAB e interpretazione del ΔE2000

Nello spazio colore CIELAB, la componente L* rappresenta la luminosità e varia tipicamente da 0 (nero) a 100 (bianco). Le componenti a* e b* definiscono gli assi cromatici: a* va dal verde al rosso, mentre b* va dal blu al giallo. In pratica, i valori di a* e b* si collocano solitamente tra -128 e +127, anche se possono superare leggermente questi limiti in base alle conversioni cromatiche.

Parametri k_l, k_c e k_h

I parametri k_l, k_c e k_h sono fattori di ponderazione applicati ai termini di luminosità (ΔL*), croma (ΔC*) e tinta (ΔH*) nella formula CIEDE2000. Il loro valore predefinito è 1, che corrisponde alle condizioni di osservazione standard raccomandate dalla Commissione internazionale per l’illuminazione. In pratica, questi coefficienti vengono regolati per riflettere condizioni specifiche: ad esempio, k_l = 2 viene talvolta utilizzato per dare maggiore peso alle differenze di luminosità (comune nella stampa), mentre k_c o k_h possono essere ridotti per aumentare la tolleranza alle variazioni di saturazione o tinta a seconda delle esigenze del controllo qualità. A seconda del contesto, questi coefficienti variano tipicamente tra 0,5 e 2.

ΔE2000 (CIEDE2000) misura la differenza percepita tra due colori: 0 significa colori identici, e valori più alti (fino a circa 185 nei casi estremi) indicano una differenza più evidente. Per esempio, un ΔE2000 intorno a 5 indica colori vicini, mentre intorno a 15 indica colori chiaramente distinti.

Esempio di utilizzo in C

// Compute the Delta E (CIEDE2000) color difference between two L*a*b* colors in C99

const double l_1 = 28.9, a_1 = 47.5, b_1 = 2.0;
const double l_2 = 28.8, a_2 = 41.6, b_2 = -1.7;

const double delta_e = ciede_2000(l_1, a_1, b_1, l_2, a_2, b_2);
printf("%.12f\n", delta_e);

// .................................................. This shows a ΔE2000 of 2.7749016764
// As explained in the comments, compliance with Gaurav Sharma would display 2.7749152801

I risultati dei test

Questa funzione C è stata testata con il driver Julia multi-precision progettato per questo scopo.

CIEDE2000 Verification Summary :
  First Verified Line : 48,104,115.93,93,27,56.7,40.47788983936747087
             Duration : 18.26 s
            Successes : 10000000
               Errors : 0
      Average Delta E : 62.9586
    Average Deviation : 6.0772934018515914e-15
    Maximum Deviation : 2.4158453015843406e-13

File da scaricare

Sentitevi liberi di utilizzare questi file messi a disposizione da Michel, anche per scopi commerciali.

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