Implementacja CIEDE2000 w F#

Na tej stronie przedstawiono referencyjną implementację wzoru na różnicę kolorów CIEDE2000, napisaną w języku programowania F#. Jeśli chcesz zapewnić idealną kompatybilność (do dziesiątego miejsca po przecinku) z niektórymi zewnętrznymi implementacjami, może być konieczne zmodyfikowanie komentarzy w kodzie źródłowym. Aby to ułatwić, poniższy link automatyzuje tę operację.

Funkcja ΔE2000 w F#

Rozważmy bardziej powszechne i akademickie (Sharma, 2005) z dwóch sformułowań.

// This function written in F# 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.

open System

// 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.
let ciede_2000 (l_1: float) (a_1: float) (b_1: float) (l_2: float) (a_2: float) (b_2: float) : float =
    // Working in F# 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...
    let k_l = 1.0
    let k_c = 1.0
    let k_h = 1.0
    let mutable n = (Math.Sqrt(a_1 * a_1 + b_1 * b_1) + Math.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 - Math.Sqrt(n / (n + 6103515625.0)))
    // Application of the chroma correction factor.
    let c_1 = Math.Sqrt(a_1 * a_1 * n * n + b_1 * b_1)
    let c_2 = Math.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.
    let mutable h_1 = Math.Atan2(b_1, a_1 * n)
    let mutable h_2 = Math.Atan2(b_2, a_2 * n)
    if h_1 < 0.0 then h_1 <- h_1 + 2.0 * Math.PI
    if h_2 < 0.0 then h_2 <- h_2 + 2.0 * Math.PI
    n <- Math.Abs(h_2 - h_1)
    // Cross-implementation consistent rounding.
    if Math.PI - 1E-14 < n && n < Math.PI + 1E-14 then n <- Math.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.
    let mutable h_m = (h_1 + h_2) * 0.5
    let mutable h_d = (h_2 - h_1) * 0.5
    if Math.PI < n then
        h_d <- h_d + Math.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 <- h_m + Math.PI
        // h_m <- h_m + (if h_m < Math.PI then Math.PI else -Math.PI)
    let p = 36.0 * h_m - 55.0 * Math.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.
    let r_t = -2.0 * Math.Sqrt(n / (n + 6103515625.0))
                        * Math.Sin(Math.PI / 3.0 * Math.Exp(p * p / (-25.0 * Math.PI * Math.PI)))
    n <- (l_1 + l_2) * 0.5
    n <- (n - 50.0) * (n - 50.0)
    // Lightness.
    let l = (l_2 - l_1) / (k_l * (1.0 + 0.015 * n / Math.Sqrt(20.0 + n)))
    // These coefficients adjust the impact of different harmonic
    // components on the hue difference calculation.
    let t = 1.0     + 0.24 * Math.Sin(2.0 * h_m + Math.PI / 2.0)
                    + 0.32 * Math.Sin(3.0 * h_m + 8.0 * Math.PI / 15.0)
                    - 0.17 * Math.Sin(h_m + Math.PI / 3.0)
                    - 0.20 * Math.Sin(4.0 * h_m + 3.0 * Math.PI / 20.0)
    n <- c_1 + c_2
    // Hue.
    let h = 2.0 * Math.Sqrt(c_1 * c_2) * Math.Sin(h_d) / (k_h * (1.0 + 0.0075 * n * t))
    // Chroma.
    let 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.
    Math.Sqrt(l * l + h * h + c * c + c * h * r_t)

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

// L1 = 79.1   a1 = 50.5   b1 = 2.2
// L2 = 78.5   a2 = 44.8   b2 = -1.9
// CIE ΔE00 = 2.8082542128 (Bruce Lindbloom, Netflix’s VMAF, ...)
// CIE ΔE00 = 2.8082675897 (Gaurav Sharma, OpenJDK, ...)
// Deviation between implementations ≈ 1.3e-5

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

Parametry k_l, k_c i k_h

Parametry k_l, k_c i k_h we wzorze CIEDE2000 to współczynniki wagowe stosowane odpowiednio do składowych jasności (ΔL*), chromu (ΔC*) i odcienia (ΔH*). Są one zdefiniowane jako stałe w kodzie źródłowym. W kodzie źródłowym są one zdefiniowane jako stałe z domyślną wartością 1, która odpowiada standardowym warunkom obserwacji określonym przez Międzynarodową Komisję Oświetlenia (CIE). W praktyce może być konieczne dostosowanie tych współczynników w celu odzwierciedlenia określonych warunków: na przykład k_l = 2 jest czasami używane, aby nadać większą wagę różnicom w jasności (powszechne zjawisko w przemyśle tekstylnym), podczas gdy k_c lub k_h można zmniejszyć, aby zwiększyć tolerancję na zmiany nasycenia lub odcienia. Podsumowując, współczynniki te wahają się zazwyczaj między 0,5 a 2, przy czym 1 jest wartością najczęściej spotykaną.

Dokładność i niezawodność kodu źródłowego

Różnica między akademickim sformułowaniem Sharmy a uproszczonym sformułowaniem Lindblooma nie przekracza ±0,0003 na końcowym ΔE2000. Przedstawiona tutaj implementacja jest 64-bitowa i zapewnia dokładność na ponad 10 miejsc po przecinku; wybór jednej z formuły zamiast drugiej jest zatem kwestią techniczną. Na górze strony można wybrać jedną z dwóch formuł; obecnie wyświetlana jest formuła uproszczona.

Jak można ustalić, czy dana implementacja CIEDE2000 jest typu akademickiego, czy uproszczonego?

• Oceń ciede_2000(56.6, 43.6, 41.1, 68.4, 9.4, -8.6)
• Jeśli wynik wynosi 30.0001, jest to typ akademicki (jak Sharma, OpenJDK itp.)
• Jeśli wynik wynosi 29.9999, jest to typ uproszczony (jak Lindbloom, Netflix VMAF itp.)

Jak przekonwertować kolory RGB na L*a*b*?

Przejdź do strony AWK, C, Dart, Java, JavaScript, Kotlin, Lua, PHP, Python, Ruby lub Rust, gdzie taki konwerter (wykorzystujący iluminant D65) jest już zaimplementowany oprócz funkcji porównywania kolorów.

Zakresy wartości w CIELAB i interpretacja ΔE2000

W przestrzeni barw CIELAB składnik L* oznacza jasność i zwykle mieści się w zakresie od 0 (czarny) do 100 (biały). Składniki a* i b* opisują osie barw: a* przechodzi od zielonego do czerwonego, a b* od niebieskiego do żółtego. W praktyce wartości a* i b* prawie zawsze mieszczą się w przedziale od -128 do +127, chociaż norma nie określa oficjalnego ograniczenia dla tych dwóch składowych.

ΔE2000 (CIEDE2000) określa percepcyjną różnicę między dwoma kolorami: 0 oznacza identyczne kolory, a wyższe wartości (do 185 i więcej) wskazują na większą różnicę. Na przykład wartość ΔE2000 około 5 oznacza kolory podobne, natomiast około 15 oznacza kolory wyraźnie różne. Gdy wartość ΔE2000 przekracza 40, porównywane kolory nie mają już praktycznie nic wspólnego i nie można z nich wyciągnąć żadnych konkretnych wniosków.

Przykład zastosowania w F#

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

let l1, a1, b1 = 3.9, 16.9, -4.9
let l2, a2, b2 = 3.1, 11.8, 3.6

let deltaE = ciede_2000 l1 a1 b1 l2 a2 b2
printfn "%f" deltaE

// .................................................. This shows a ΔE2000 of 7.0799401968
// As explained in the comments, compliance with Gaurav Sharma would display 7.0799265161

Wyniki testów

Nasz program testowy, napisany w języku C99, zawiera 250 precyzyjnych testów statycznych. Testy te gwarantują, że obliczenia zostaną przeprowadzone bezbłędnie, nawet w krytycznych sytuacjach granicznych, na przykład gdy funkcja arctangens zwraca wartość matematycznie nieokreśloną. Wyniki pokazują, że ta funkcja CIEDE2000 w F# jest interoperacyjna z 41 innymi językami programowania, które proponujemy.

CIEDE2000 Verification Summary :
  First Verified Line : 73.2,-34,-46,97.09,38.44,-65,39.669742389892633
             Duration : 51.98 s
            Successes : 10000000
               Errors : 0
      Average Delta E : 62.9404
    Average Deviation : 4.2576547981676426e-15
    Maximum Deviation : 1.1368683772161603e-13

Pliki do pobrania

Zachęcamy do korzystania z tych plików udostępnionych przez Michela, nawet w celach komercyjnych.

Społeczność

Co sądzisz o tym kodzie źródłowym lub CIEDE2000? Twoja opinia jest dla nas ważna! Księga gości zawiera już 9 wiadomości - w tym 1 w języku polskim. Zajrzyj i podziel się swoją opinią.