Implementação do CIEDE2000 em Prolog

Esta página apresenta uma implementação de referência da fórmula de diferença de cor CIEDE2000, escrita na linguagem de programação Prolog. 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 Prolog

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

% This function written in Prolog 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.
ciede_2000(L1, A1, B1, L2, A2, B2, DeltaE2000) :-
	% Working in Prolog 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 is 1.0,
	K_C is 1.0,
	K_H is 1.0,
	Pi_1 is 3.14159265358979323846,
	Pi_3 is 1.04719755119659774615,

	% 1. Compute chroma magnitudes ... a and b usually range from -128 to +127
	A1_sq is A1 * A1,
	B1_sq is B1 * B1,
	C_orig_1 is sqrt(A1_sq + B1_sq),
	A2_sq is A2 * A2,
	B2_sq is B2 * B2,
	C_orig_2 is sqrt(A2_sq + B2_sq),

	% 2. Compute chroma mean and apply G compensation
	C_avg is 0.5 * (C_orig_1 + C_orig_2),
	C_avg_3 is C_avg * C_avg * C_avg,
	C_avg_7 is C_avg_3 * C_avg_3 * C_avg,
	G_denom is C_avg_7 + 6103515625.0,
	G_ratio is C_avg_7 / G_denom,
	G_sqrt is sqrt(G_ratio),
	G_factor is 1.0 + 0.5 * (1.0 - G_sqrt),

	% 3. Apply G correction to a components, compute corrected chroma
	A1_prime is A1 * G_factor,
	C1_prime_sq is A1_prime * A1_prime + B1 * B1,
	C1_prime is sqrt(C1_prime_sq),
	A2_prime is A2 * G_factor,
	C2_prime_sq is A2_prime * A2_prime + B2 * B2,
	C2_prime is sqrt(C2_prime_sq),

	% 4. Compute hue angles in radians, adjust for negatives and wrap
	H1_raw is atan2(B1, A1_prime),
	H2_raw is atan2(B2, A2_prime),
	(H1_raw < 0.0 -> H1_adj is H1_raw + 2.0 * Pi_1 ; H1_adj = H1_raw),
	(H2_raw < 0.0 -> H2_adj is H2_raw + 2.0 * Pi_1 ; H2_adj = H2_raw),
	Delta_h is abs(H1_adj - H2_adj),
	H_mean_raw is 0.5 * (H1_adj + H2_adj),
	H_diff_raw is 0.5 * (H2_adj - H1_adj),

	% Check if hue mean wraps around pi (180 deg)
	Wrap_dist is abs(Pi_1 - Delta_h),
	(1.0e-14 < Wrap_dist, Pi_1 < Delta_h -> Hue_wrap = 1.0 ; Hue_wrap = 0),
	H_diff is H_diff_raw + Hue_wrap * Pi_1,
	% 📜 Sharma’s formulation doesn’t use the next line, but the three after it,
	% and these two variants differ by ±0.0003 on the final color differences.
	H_mean is H_mean_raw + Hue_wrap * Pi_1,
	% (Hue_wrap =:= 1, H_mean_raw < Pi_1 -> H_mean_hi = Pi_1 ; H_mean_hi = 0.0),
	% (Hue_wrap =:= 1, H_mean_hi =:= 0.0 -> H_mean_lo = Pi_1 ; H_mean_lo = 0.0),
	% H_mean is H_mean_raw + H_mean_hi - H_mean_lo,

	% 5. Compute hue rotation correction factor R_T
	C_bar is 0.5 * (C1_prime + C2_prime),
	C_bar_3 is C_bar * C_bar * C_bar,
	C_bar_7 is C_bar_3 * C_bar_3 * C_bar,
	Rc_denom is C_bar_7 + 6103515625.0,
	R_C is sqrt(C_bar_7 / Rc_denom),
	Theta is 36.0 * H_mean - 55.0 * Pi_1,
	Theta_denom is -25.0 * Pi_1 * Pi_1,
	Exp_argument is Theta * Theta / Theta_denom,
	Exp_term is exp(Exp_argument),
	Delta_theta is Pi_3 * Exp_term,
	Sin_term is sin(Delta_theta),

	% Rotation factor ... cross-effect between chroma and hue
	R_T is -2.0 * R_C * Sin_term,

	% 6. Compute lightness term ... L nominally ranges from 0 to 100
	L_avg is 0.5 * (L1 + L2),
	L_delta_sq is (L_avg - 50.0) * (L_avg - 50.0),
	L_delta is L2 - L1,

	% Adaptation to the non-linearity of light perception ... S_L
	S_l_num is 0.015 * L_delta_sq,
	S_l_denom is sqrt(20.0 + L_delta_sq),
	S_L is 1.0 + S_l_num / S_l_denom,
	L_term is L_delta / (K_L * S_L),

	% 7. Compute chroma-related trig terms and factor T
	Trig_1 is 0.17 * sin(H_mean + Pi_3),
	Trig_2 is 0.24 * sin(2.0 * H_mean + 0.5 * Pi_1),
	Trig_3 is 0.32 * sin(3.0 * H_mean + 1.6  * Pi_3),
	Trig_4 is  0.2 * sin(4.0 * H_mean + 0.15 * Pi_1),
	T is 1.0 - Trig_1 + Trig_2 + Trig_3 - Trig_4,
	C_sum is C1_prime + C2_prime,
	C_product is C1_prime * C2_prime,
	C_geo_mean is sqrt(C_product),

	% 8. Compute hue difference and scaling factor S_H
	Sin_h_diff is sin(H_diff),
	S_H is 1.0 + 0.0075 * C_sum * T,
	H_term is 2.0 * C_geo_mean * Sin_h_diff / (K_H * S_H),

	% 9. Compute chroma difference and scaling factor S_C
	C_delta is C2_prime - C1_prime,
	S_C is 1.0 + 0.0225 * C_sum,
	C_term is C_delta / (K_C * S_C),

	% 10. Combine lightness, chroma, hue, and interaction terms
	L_part is L_term * L_term,
	C_part is C_term * C_term,
	H_part is H_term * H_term,
	Interaction is C_term * H_term * R_T,
	Delta_e_squared is L_part + C_part + H_part + Interaction,
	DeltaE2000 is sqrt(Delta_e_squared).

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

% L1 = 14.8   a1 = 33.5   b1 = 2.4
% L2 = 16.6   a2 = 38.1   b2 = -2.7
% CIE ΔE00 = 3.6462011992 (Bruce Lindbloom, Netflix’s VMAF, ...)
% CIE ΔE00 = 3.6461873926 (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.

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*?

Vá para a página AWK, C, Dart, Java, JavaScript, Kotlin, Lua, PHP, Python, Ruby ou Rust onde esse conversor (utilizando o iluminante D65) já está implementado para além da função de comparação de cores.

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 Prolog

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

color_1([69.5, 43.6, -1.8]).
color_2([70.2, 37.9, 1.6]).

extract_lab([L, A, B], L, A, B).

compute_delta_e :-
	color_1(C1),
	color_2(C2),
	extract_lab(C1, L1, A1, B1),
	extract_lab(C2, L2, A2, B2),
	ciede_2000(L1, A1, B1, L2, A2, B2, DeltaE),
	format('Delta E 2000 = ~10f~n', [DeltaE]).

% .................................................. This shows a ΔE2000 of 2.8044781137
% As explained in the comments, compliance with Gaurav Sharma would display 2.8044649638

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 Prolog é interoperável com as 41 outras linguagens de programação que disponibilizamos.

CIEDE2000 Verification Summary :
  First Verified Line : 27,-123,101,44,-30,122,29.98937281745311
             Duration : 254.09 s
            Successes : 10000000
               Errors : 0
      Average Delta E : 63.2072
    Average Deviation : 5.0e-15
    Maximum Deviation : 1.1e-13

Ficheiros para descarregar

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

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