Implementação do CIEDE2000 em Java

Esta página apresenta uma implementação de referência da fórmula de diferença de cor CIEDE2000, escrita na linguagem de programação Java. Se quiser assegurar uma compatibilidade perfeita (até à décima casa decimal) com algumas implementações de terceiros, poderá ter de modificar os comentários no código fonte. Para facilitar isto, a seguinte ligação automatiza esta operação.

A função ΔE2000 em Java

Consideremos a mais comum e académica (Sharma, 2005) das duas formulações.

// This function written in Java 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.
static double ciede_2000(final double l_1, final double a_1, final double b_1, final double l_2, final double a_2, final double b_2) {
	// Working in Java 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...
	final double k_l = 1.0, k_c = 1.0, k_h = 1.0;
	double 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.
	final double c_1 = Math.sqrt(a_1 * a_1 * n * n + b_1 * b_1);
	final double 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.
	double h_1 = Math.atan2(b_1, a_1 * n), h_2 = Math.atan2(b_2, a_2 * n);
	h_1 += 2.0 * Math.PI * Boolean.compare(h_1 < 0.0, false);
	h_2 += 2.0 * Math.PI * Boolean.compare(h_2 < 0.0, false);
	n = Math.abs(h_2 - h_1);
	// Cross-implementation consistent rounding.
	if (Math.PI - 1E-14 < n && n < Math.PI + 1E-14)
		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.
	double h_m = (h_1 + h_2) * 0.5, h_d = (h_2 - h_1) * 0.5;
	if (Math.PI < n) {
		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 += Math.PI;
		// h_m += h_m < Math.PI ? Math.PI : -Math.PI;
	}
	final double 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.
	final double 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.
	final double 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.
	final double t = 1.0 + 0.24 * Math.sin(2.0 * h_m + Math.PI * 0.5)
			+ 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.
	final double h = 2.0 * Math.sqrt(c_1 * c_2) * Math.sin(h_d) / (k_h * (1.0 + 0.0075 * n * t));
	// Chroma.
	final 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 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 = 24.8   a1 = 36.7   b1 = -3.4
// L2 = 23.9   a2 = 31.4   b2 = 4.1
// CIE ΔE00 = 4.9864120463 (Bruce Lindbloom, Netflix’s VMAF, ...)
// CIE ΔE00 = 4.9863986991 (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.

Parâmetros k_l, k_c e k_h

Os parâmetros k_l, k_c e k_h na fórmula CIEDE2000 são factores de ponderação aplicados aos componentes de brilho (ΔL*), croma (ΔC*) e matiz (ΔH*), respetivamente. São definidos como constantes no código fonte. No código-fonte, são definidos como constantes com um valor por defeito de 1, que corresponde às condições de observação padrão estabelecidas pela Comissão Internacional da Iluminação (CIE). Na prática, pode ser necessário ajustar estes coeficientes para refletir condições específicas: por exemplo, k_l = 2 é por vezes utilizado para dar mais peso a diferenças de brilho (uma ocorrência comum na indústria têxtil), enquanto k_c ou k_h podem ser reduzidos para aumentar a tolerância a variações de saturação ou matiz. Em resumo, estes coeficientes variam normalmente entre 0,5 e 2, sendo 1 o valor mais comum.

Precisão e fiabilidade do código fonte

A diferença entre a formulação académica de Sharma e a formulação simplificada de Lindbloom não excede ±0,0003 no ΔE2000 final. A implementação aqui apresentada é de 64 bits e garante uma precisão superior a 10 casas decimais; a escolha de uma formulação em detrimento de outra é, portanto, um pormenor técnico. No topo desta página, pode escolher entre as duas formulações; a que está atualmente a ser apresentada é a formulação simplificada.

Como determinar se uma determinada implementação do CIEDE2000 é acadêmica ou simplificada?

• Avaliem ciede_2000(56.6, 43.6, 41.1, 68.4, 9.4, -8.6)
• Se o resultado for 30.0001, trata-se do tipo acadêmico (como Sharma, OpenJDK, etc.)
• Se o resultado for 29.9999, trata-se do tipo simplificado (como Lindbloom, Netflix VMAF, etc.)

Como é que se convertem cores RGB em L*a*b*?

Terá de utilizar o espaço de cor intermédio XYZ para a conversão e, se precisar de ajuda, o código fonte é fornecido no final desta página (utilizando o ponto branco D65 formalizado em 1964).

Intervalos de valores no CIELAB e interpretação do ΔE2000

No espaço de cor CIELAB, o componente L* representa a luminosidade e normalmente varia de 0 (preto) a 100 (branco). Os componentes a* e b* representam os eixos de cor: a* vai do verde ao vermelho, enquanto b* vai do azul ao amarelo. Na prática, os valores de a* e b* estão quase sempre limitados a um intervalo entre -128 e +127, embora a norma não especifique um limite oficial para estes dois componentes.

ΔE2000 (CIEDE2000) mede a diferença perceptível entre duas cores: 0 significa cores idênticas, e valores maiores (até 185 e mais) indicam uma diferença mais significativa. Por exemplo, um valor ΔE2000 em torno de 5 indica cores próximas, enquanto em torno de 15 indica cores claramente diferentes. Quando o valor ΔE2000 ultrapassa 40, as cores comparadas já não têm praticamente nada em comum, e não é possível obter informações precisas a partir delas.

Exemplo de utilização em Java

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

// Color 1: l1 = 6.3    a1 = 39.4   b1 = 3.6
// Color 2: l2 = 6.5    a2 = 33.4   b2 = -2.0

double deltaE = ciede_2000(l1, a1, b1, l2, a2, b2);
System.out.println(deltaE);

// .................................................. This shows a ΔE2000 of 3.9368581959
// As explained in the comments, compliance with Gaurav Sharma would display 3.9368724643

Resultados dos testes

O nosso programa de testes, escrito em C99, inclui 250 testes estáticos precisos. Estes testes garantem que os seus cálculos serão efetuados sem erros, mesmo em casos-limite críticos, por exemplo, quando a função arcotangente devolve um valor matematicamente indefinido. Os resultados mostram que esta função CIEDE2000 em Java é interoperável com as 41 outras linguagens de programação que disponibilizamos.

CIEDE2000 Verification Summary :
  First Verified Line : 93.6,-78,-117.9,12,-93,-7.72,86.22963867911595000
             Duration : 59.55 s
            Successes : 10000000
               Errors : 0
      Average Delta E : 62.9317
    Average Deviation : 5.3488200396634159e-15
    Maximum Deviation : 2.8421709430404007e-13

Ficheiros para descarregar

Pode utilizar livremente estes ficheiros disponibilizados pelo Michel, mesmo para fins comerciais.

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