Implementacja CIEDE2000 w Python

Na tej stronie przedstawiono referencyjną implementację wzoru na różnicę kolorów CIEDE2000, napisaną w języku programowania Python. 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 Python

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

# This function written in Python 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.

# 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.
def ciede_2000(l_1, a_1, b_1, l_2, a_2, b_2) :
	from math import pi, sqrt, atan2, sin, exp
	# Working in Python 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...
	k_l = k_c = k_h = 1.0
	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.
	c_1 = sqrt(a_1 * a_1 * n * n + b_1 * b_1)
	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.
	h_1 = atan2(b_1, a_1 * n)
	h_2 = atan2(b_2, a_2 * n)
	h_1 += 2.0 * pi * (h_1 < 0.0)
	h_2 += 2.0 * pi * (h_2 < 0.0)
	n = abs(h_2 - h_1)
	# Cross-implementation consistent rounding.
	if pi - 1E-14 < n and n < pi + 1E-14 :
		n = 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.
	h_m = (h_1 + h_2) * 0.5
	h_d = (h_2 - h_1) * 0.5
	if pi < n :
		h_d += 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 += pi
		# h_m += pi if h_m < pi else -pi
	p = 36.0 * h_m - 55.0 * 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.
	r_t = -2.0 * sqrt(n / (n + 6103515625.0)) \
			* sin(pi / 3.0 * exp(p * p / (-25.0 * pi * pi)))
	n = (l_1 + l_2) * 0.5
	n = (n - 50.0) * (n - 50.0)
	# Lightness.
	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.
	t = 1.0	+ 0.24 * sin(2.0 * h_m + pi * 0.5) \
		+ 0.32 * sin(3.0 * h_m + 8.0 * pi / 15.0) \
		- 0.17 * sin(h_m + pi / 3.0) \
		- 0.20 * sin(4.0 * h_m + 3.0 * pi / 20.0)
	n = c_1 + c_2
	# Hue.
	h = 2.0 * sqrt(c_1 * c_2) * sin(h_d) / (k_h * (1.0 + 0.0075 * n * t))
	# Chroma.
	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)

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

# L1 = 56.7   a1 = 35.7   b1 = 1.8
# L2 = 56.4   a2 = 30.4   b2 = -1.5
# CIE ΔE00 = 2.9300617784 (Bruce Lindbloom, Netflix’s VMAF, ...)
# CIE ΔE00 = 2.9300753540 (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.

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*?

Do konwersji należy użyć pośredniej przestrzeni kolorów XYZ, a jeśli potrzebujesz pomocy, kod źródłowy znajduje się na dole tej strony (przy użyciu punktu bieli D65 sformalizowanego w 1964 r.).

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 Python

# L*a*b* coordinates for first color
l1, a1, b1 = 29.2, 9.8, 3.7
# L*a*b* coordinates for second color
l2, a2, b2 = 31.8, 25.6, -4.6

delta_e = ciede_2000(l1, a1, b1, l2, a2, b2)
print(delta_e)

# .................................................. This shows a ΔE2000 of 6.5165064755
# As explained in the comments, compliance with Gaurav Sharma would display 6.5164865319

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 Python jest interoperacyjna z 41 innymi językami programowania, które proponujemy.

CIEDE2000 Verification Summary :
  First Verified Line : 73,42,15,53.7,-9.04,-51.3,51.254604281273956
             Duration : 54.14 s
            Successes : 10000000
               Errors : 0
      Average Delta E : 62.9478
    Average Deviation : 3.4565876161352096e-15
    Maximum Deviation : 8.5265128291212022e-14

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.