CIEDE2000 的 Haskell 实现

本页展示了 Haskell 语言的 CIEDE2000 色差公式参考实现。如果您希望获得与第三方实现的精确匹配（精确到小数点后 10 位），可能需要对源代码进行一些修改，特别是通过注释和取消注释几行，这些修改可以通过下面的链接自动应用。

Haskell 中的ΔE2000 函数

让我们考虑一下这两种表述中更常见 和 学术性的（Sharma，2005 年）的一种。

-- 此 Haskell 函数属于公共领域，
-- 与 CIE（国际照明委员会）无关。

-- 经典实现，接受两种颜色 L*a*b* 并返回它们的差值 CIEDE2000。
-- "L" 分量在 0 到 100 之间变化；"a" 和 "b" 理论上无界，通常被映射到 -128 到 127 之间。
ciede_2000 :: Double -> Double -> Double -> Double -> Double -> Double -> Double
ciede_2000 l_1 a_1 b_1 l_2 a_2 b_2 =
  -- 下面是用 Haskell 计算 CIEDE2000 色差公式的过程。
  -- k_l、k_c 和 k_h 是可调的参数因子，
  -- 可根据具体的可视化需求（如纹理、背景）进行调整。
  let
    k_l = 1.0
    k_c = 1.0
    k_h = 1.0
    n = (\() ->
      let
        x = (sqrt(a_1 * a_1 + b_1 * b_1) + sqrt(a_2 * a_2 + b_2 * b_2)) * 0.5
      -- 为更准确地考虑色度的影响，
      -- 与平均色度相关的项被提升至七次方。
        y = x * x * x * x * x * x * x
      in 1.0 + 0.5 * (1.0 - sqrt(y / (y + 6103515625.0)))
      )()
    -- 应用色度校正因子，以补偿其非线性特性。
    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)
    -- 相比 atan，更优先使用 atan2 函数，因为它可以计算
    -- 点 (x, y) 在所有象限中的角度，并考虑 x 与 y 的符号。
    h_1 = (\() -> let x = atan2 b_1 (a_1 * n) in if x < 0.0 then x + 2.0 * pi else x)()
    h_2 = (\() -> let x = atan2 b_2 (a_2 * n) in if x < 0.0 then x + 2.0 * pi else x)()
    -- 避免分支逻辑依赖于编程语言的舍入模式（RoundingMode）。
    n_0 = (\() -> let x = abs(h_2 - h_1) in if pi - 1E-14 < x && x < pi + 1E-14 then pi else x)()
    -- 当色相角位于不同象限时，
    -- 简单的算术平均可能产生错误的角度，
    -- 以下代码对这种角度偏差进行了修正。
    h_m = (\() ->
      let
        x = (h_1 + h_2) * 0.5
        -- 📜 根据Sharma的表述，不使用下一行，而是使用其后的一行。
        -- 注：这两种变体在最终色差上的差异仅为 ±0.0003。
        in if pi < n_0 then x + pi else x
        -- in if pi < n_0 then if x < pi then x + pi else x - pi else x
      )()
    h_d = (\() ->
      let
        x = (h_2 - h_1) * 0.5
        in if pi < n_0 then x + pi else x
      )()
    p = 36.0 * h_m - 55.0 * pi
    n_2 = (\() -> let x = (c_1 + c_2) * 0.5 in x * x * x * x * x * x * x)()
    -- 色相旋转校正项用于调整算法的行为，
    -- 尤其在比较蓝色区域时效果更明显。
    r_t = -2.0 * sqrt(n_2 / (n_2 + 6103515625.0))
                    * sin(pi / 3.0 * exp(p * p / (-25.0 * pi * pi)))
    n_3 = (\() -> let x = (l_1 + l_2) * 0.5 in (x - 50.0) * (x - 50.0))()
    -- 明度。
    l = (l_2 - l_1) / (k_l * (1.0 + 0.015 * n_3 / sqrt(20.0 + n_3)))
    -- 这些系数用于调节谐波分量
    -- 在色相差计算中的影响。
    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_4 = c_1 + c_2
    -- 色相。
    h = 2.0 * sqrt(c_1 * c_2) * sin(h_d) / (k_h * (1.0 + 0.0075 * n_4 * t))
    -- 色度。
    c = (c_2 - c_1) / (k_c * (1.0 + 0.0225 * n_4))
    -- 返回平方根可确保 dE00 表示的是
    -- CIELAB 空间中的几何距离（范围约为 0 到 185）。
    in sqrt(l * l + h * h + c * c + c * h * r_t)

--  GitHub 项目 : https://github.com/michel-leonard/ciede2000-color-matching
--      在线测试 : https://michel-leonard.github.io/ciede2000-color-matching

-- L1 = 7.2    a1 = 38.5   b1 = -3.1
-- L2 = 9.7    a2 = 33.4   b2 = 3.4
-- CIE ΔE00 = 4.5328074831 (Bruce Lindbloom, Netflix’s VMAF, ...)
-- CIE ΔE00 = 4.5327941344 (Gaurav Sharma, OpenJDK, ...)
-- 不同实现之间的差异 ≈ 1.3e-5

-- 请参阅源代码中的注释，以在这些 ΔE*00 实现变体之间进行切换。

源代码的准确性和可靠性

Sharma 和 Lindbloom 公式之间的差异在最终 ΔE2000 上从未超过 ±0.0003，这相当于两个 32 位实现之间的通常差异，肉眼无法察觉。我们的 64 位实现相互一致，并保证至少正确到小数点后 10 位，因此选择使用哪种公式取决于所需的互操作性。本页介绍的默认公式是最常用的公式（它的微观优势是基于社区，矢量化稍显容易）。

✎ 如果您在源代码中发现与其他语言不对应的注释，请通知网站作者，他将研究您的建议并将其纳入源代码。

如何将 RGB 颜色转换为 L*a*b*？

请访问 AWK、 C、 Dart、 Java、 JavaScript、 Kotlin、 Lua、 PHP、 Python、 Ruby 或 Rust 页面，除了颜色比较功能外，这里已经实现了这种转换器（使用 D65 照明）。

CIELAB 中的数值范围和 ΔE2000 的解释

在 CIELAB 色彩空间中，L* 表示明度，通常在 0（黑色）到 100（白色）之间变化。a* 和 b* 则表示颜色轴：a* 从绿色到红色，b* 从蓝色到黄色。实际应用中，a* 和 b* 的数值一般在 -128 到 +127 之间，但在颜色转换时可能会略微超出该范围。

ΔE2000（CIEDE2000）用于量化两种颜色的感知差异：0 表示完全相同，数值越大（在极端情况下可达约 185）表示差异越明显。例如，ΔE2000 约为 5 表示颜色较接近，而约为 15 则表示颜色明显不同。

Haskell 中的使用示例

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

let (l1, a1, b1) = (46.9, 56.7, -2.5)
let (l2, a2, b2) = (46.6, 50.7, 2.3)

let deltaE = ciede_2000 l1 a1 b1 l2 a2 b2
print deltaE

-- .................................................. This shows a ΔE2000 of 2.9263291321
-- As explained in the comments, compliance with Gaurav Sharma would display 2.9263153756

测试结果

用 C99 语言编写的驱动程序经过 250 次精确的静态测试，证明该 Haskell 函数与其他编程语言中的 CIEDE2000 函数具有互操作性。

CIEDE2000 Verification Summary :
  First Verified Line : 12.4,99.83,118.99,89,-20.83,-36,98.92538006135425000
             Duration : 193.11 s
            Successes : 10000000
               Errors : 0
      Average Delta E : 62.9407
    Average Deviation : 6.5393301024174734e-15
    Maximum Deviation : 2.7000623958883807e-13

要下载的文件

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社区

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