使用 Java 把 RGB 转为 CMYK

00 前言

最近接到了一个需求，要把 RGB 的图片转为 CMYK 的颜色模式，用于印刷。

网上对于 RGB 转为 CMYK 的资料较少，Java 也没有内置的方法。主流方法有两种，一种是手搓强转，另一种则是借助 ICC 文件来转换。

该需求对于分辨率、物理尺寸有一定的要求，且原途径就是通过 PS 处理的，正好用同样的 ICC 文件转换，能达到相对一致的颜色要求。

01 色彩空间转换

1.1 关键概念

RGB 模式是以色光三原色为基础建立的色彩模式，红、绿、蓝，是电脑、手机、投影仪、电视等屏幕显示的最佳颜色模式。

CMYK（青色、品红色、黄色、黑色）是印刷材料的色彩空间。CMY 是 3 种印刷油墨名称的首字母：青色 Cyan、洋红色 Magenta、黄色 Yellow，由于目前制造工艺还不能造出高纯度的油墨，CMY 相加实际得到的是深灰色或深褐色，故加入纯黑色。

ICC Profile 色彩特性文件，是一组用来描述色彩空间的特性的数据集合，因由国际色彩联盟（ICC）主持制定其规范而得名。RGB 转为 CMYK 就是把 RGB 值转为 CMYK 值。

像素（Pixel）是指构成图片的小色点。 分辨率（单位 DPI）是指每英寸（Inch）上的像素数量，++1 英寸 = 2.54 厘米++。像素相同时，分辨率越高则像素密度越大，实际打印尺寸越小，图像也越细腻。

1.2 转换步骤

首先，引入 JAI（Java Advanced Imaging），最新版 1.1.3，这个库好几年没更新了：

<dependency>
    <groupId>javax.media.jai</groupId>
    <artifactId>com.springsource.javax.media.jai.codec</artifactId>
    <version>1.1.3</version>
</dependency>
<!-- 这个库只用到了 TIFF 的静态变量，可以不引入 -->
<dependency>
    <groupId>com.github.jai-imageio</groupId>
    <artifactId>jai-imageio-core</artifactId>
    <version>1.4.0</version>
</dependency>

然后，加载 ICC 文件，这里选择 JapanColor2001Coated.icc（按需选择即可），安装 PS 就有，在 C:\Program Files (x86)\Common Files\Adobe\Color\Profiles\Recommended 目录下，路径不一样找不到的搜一下就可以。

private static void readICCProfile() throws IOException {
    if (cmykColorSpace == null) {
        synchronized (CMYKUtil.class) {
            if (cmykColorSpace == null) {
                try (InputStream inputStream = CMYKUtil.class.getClassLoader().getResourceAsStream("icc/JapanColor2001Coated.icc")) {
                    ICC_Profile cmykProfile = ICC_Profile.getInstance(inputStream);  // 如果是读取外部文件，把文件的绝对路径传入即可
                    cmykColorSpace = new ICC_ColorSpace(cmykProfile);
                }
            }
        }
    }
}

需要注意的是，这里我是从 resources 直接加载的配置文件，需要额外配置 Maven，否则编译时 ICC 文件会被 Maven 修改，报错 Invalid ICC Profile Data：

<!-- pom.xml -->
<build>
    <resources>
        <!-- 保留其他文件的处理方式 -->
        <resource>
            <directory>src/main/resources</directory>
            <filtering>true</filtering>
            <includes>
                <include>**/*.xml</include>
                <include>**/*.properties</include>
                <include>**/*.y*ml</include>
                <include>banner.txt</include>
            </includes>
        </resource>
        <!-- 禁止编译时修改 ICC 文件 -->
        <resource>
            <directory>src/main/resources</directory>
            <!-- 默认会替换文件中的占位符属性，导致文件被修改 -->
            <filtering>false</filtering>
            <includes>
                <include>**/*.icc</include>
            </includes>
        </resource>
    </resources>
    
    <!-- ... -->
</build>

如果不想修改项目配置，只能通过读取外部文件，把 ICC 文件放到指定目录去读取即可。

然后, 准备需要的编码参数，用来调整图片：

private static TIFFEncodeParam prepareEncodeParams(int dpi) {
    TIFFEncodeParam params = new TIFFEncodeParam();

    // 加点压缩, 不然图片太大了
    // params.setCompression(TIFFEncodeParam.COMPRESSION_LZW); // 不支持
    params.setCompression(TIFFEncodeParam.COMPRESSION_DEFLATE);

    // 分辨率 DPI
    // doc: https://download.java.net/media/jai-imageio/javadoc/1.1/constant-values.html
    params.setExtraFields(new TIFFField[]{
            // DIP，x y 统一，不统一图片会被拉伸或压缩
            new TIFFField(BaselineTIFFTagSet.TAG_X_RESOLUTION,               // 282
                    TIFFField.TIFF_RATIONAL, 1, new long[][]{{dpi, 1}}),
            new TIFFField(BaselineTIFFTagSet.TAG_Y_RESOLUTION,               // 283
                    TIFFField.TIFF_RATIONAL, 1, new long[][]{{dpi, 1}}),
            // 分辨率单位 2 (inch)
            new TIFFField(BaselineTIFFTagSet.TAG_RESOLUTION_UNIT,            // 296
                    TIFFField.TIFF_SHORT, 1,
                    new char[]{BaselineTIFFTagSet.RESOLUTION_UNIT_INCH}), 
            // 位深度 8*4 (无效)
            // new TIFFField(BaselineTIFFTagSet.TAG_BITS_PER_SAMPLE,
            //         TIFFField.TIFF_SHORT, 1, new char[]{8})
    });

    return params;
}

由于需求是要打印固定的尺寸的图片，但是图片的分辨率不固定，所以每次都要计算 DPI。
其他特殊需求, 需要自己去查去摸索了，参考 BaselineTIFFTagSet 内的代码，内部有些许说明。

到这里，可以封装一个转换方法了：

public static ByteArrayOutputStream rgb2Cmyk(BufferedImage rgbImage, int dpi)
        throws IOException {

    // 加载 ICC 配置文件
    readICCProfile();
    // 准备编码的各种参数
    TIFFEncodeParam params = prepareEncodeParams(dpi);

    // 创建颜色转换实体：从源色彩空间转到 cmyk 色彩空间
    ColorConvertOp op = new ColorConvertOp(
                                rgbImage.getColorModel().getColorSpace(),
                                cmykColorSpace,
                                null);

    // 转换, 第二个是目标图像源, 为空则自动创建合适的
    BufferedImage cmykImage = op.filter(rgbImage, null);

    // 用指定的参数转换为 CMYK, 放到 ByteArrayOutputStream 只是为了返回给其他地方使用
    // 如果不需要可以直接写入文件等即可
    ByteArrayOutputStream baoStream = new ByteArrayOutputStream();
    ImageEncoder encoder2 = ImageCodec.createImageEncoder("TIFF",
                                baoStream,
                                params);
    // 编码为 TIFF
    encoder2.encode(cmykImage);
    return baoStream;
}

最后，可以把转换好的图片写入文件（或者其他具体操作）：

public static void writeImage(ByteArrayOutputStream outputStream, String filepath) {
    try (FileImageOutputStream fo = new FileImageOutputStream(new File(filepath))) {
        fo.write(outputStream.toByteArray());
    } catch (IOException e) {
        log.error("写入文件失败, {}, {}", filepath, e.getMessage(), e);
    }
}

封装好后，使用步骤很简单了：

@Test
public void test_rgb2Cmyk() throws IOException {
    // 读取图片
    BufferedImage rgbImage = ImageIO.read(new File("D:\\image\\rgb.png"));
    // 计算 DPI, 取宽/高最大值, 如果取小的那边偏差较多
    // 分辨率越高偏差越大, 固定 DPI 或不在乎物理尺寸的可以忽略
    int dpi = CMYKUtil.getDpi(rgbImage.getWidth(), 100);  // 像素, 厘米
    ByteArrayOutputStream bs = CMYKUtil.rgb2Cmyk(rgbImage, dpi);
    CMYKUtil.writeImage(bs, "D:\\image\\cmyk.tif");
}

03 总结

要把 RGB 图片转为 CMYK 等其他色彩空间的图片，使用 ICC 是比较方便的。但是 JAI 许久未更新了，有些功能还不支持，好几个参数试了没效果，如果有其他更详细的需求，未必能够用它来实现。

总结一下转换的步骤：

引入 JAI 依赖，读取 ICC 配置文件（把 ICC 放到项目 Resources 下的需要注意过滤）。
为转换准备相应的参数。
初始化源色彩空间（ColorConvertOp op），转换原图为目标格式（op.filter）。
使用准备的参数编码转换后的图像。
对转换好多图片进行自定义处理。

注意，同时压缩太多图片的话，建议压缩（优先使用 TIFFEncodeParam 配置），否则很容易内存不足。

完整代码

package fun.springx.image.utils;

import cn.hutool.core.util.StrUtil;
import com.github.jaiimageio.plugins.tiff.BaselineTIFFTagSet;
import com.sun.media.jai.codec.ImageCodec;
import com.sun.media.jai.codec.ImageEncoder;
import com.sun.media.jai.codec.TIFFEncodeParam;
import com.sun.media.jai.codec.TIFFField;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import javax.imageio.stream.FileImageOutputStream;
import java.awt.color.ColorSpace;
import java.awt.color.ICC_ColorSpace;
import java.awt.color.ICC_Profile;
import java.awt.image.BufferedImage;
import java.awt.image.ColorConvertOp;
import java.io.*;

/**
 * CMYK 工具类
 *
 * @author Spring
 * @since 2024-07-25
 */
@Slf4j
public class CMYKUtil {
    private static final double INCH_2_CM = 2.54d;

    static volatile ColorSpace cmykColorSpace = null;

    private static void readICCProfile() throws IOException {
        if (cmykColorSpace == null) {
            synchronized (CMYKUtil.class) {
                if (cmykColorSpace == null) {
                    try (InputStream inputStream = CMYKUtil.class.getClassLoader().getResourceAsStream("icc/JapanColor2001Coated.icc")) {
                        ICC_Profile cmykProfile = ICC_Profile.getInstance(inputStream);
                        cmykColorSpace = new ICC_ColorSpace(cmykProfile);
                    }
                }
            }
        }
    }

    private static TIFFEncodeParam prepareEncodeParams(int dpi) {
        TIFFEncodeParam params = new TIFFEncodeParam();
    
        // 加点压缩, 不然图片太大了
        // params.setCompression(TIFFEncodeParam.COMPRESSION_LZW); // 不支持
        params.setCompression(TIFFEncodeParam.COMPRESSION_DEFLATE);
    
        // 分辨率 DPI
        // doc: https://download.java.net/media/jai-imageio/javadoc/1.1/constant-values.html
        params.setExtraFields(new TIFFField[]{
                new TIFFField(BaselineTIFFTagSet.TAG_X_RESOLUTION,               // 282
                        TIFFField.TIFF_RATIONAL, 1, new long[][]{{dpi, 1}}),
                new TIFFField(BaselineTIFFTagSet.TAG_Y_RESOLUTION,               // 283
                        TIFFField.TIFF_RATIONAL, 1, new long[][]{{dpi, 1}}),
                new TIFFField(BaselineTIFFTagSet.TAG_RESOLUTION_UNIT,            // 296
                        TIFFField.TIFF_SHORT, 1,
                        new char[]{BaselineTIFFTagSet.RESOLUTION_UNIT_INCH}), // 分辨率单位 2 (inch)
                // new TIFFField(BaselineTIFFTagSet.TAG_BITS_PER_SAMPLE,
                //         TIFFField.TIFF_SHORT, 1, new char[]{8}) // 位深度 8*4 (无效)
        });
    
        return params;
    }

    public static ByteArrayOutputStream rgb2Cmyk(BufferedImage rgbImage, int dpi)
            throws IOException {
    
        // 加载 ICC 配置文件
        readICCProfile();
        // 准备编码的各种参数
        TIFFEncodeParam params = prepareEncodeParams(dpi);
    
        // 创建颜色转换实体：从源色彩空间转到 cmyk 色彩空间
        ColorConvertOp op = new ColorConvertOp(
                                    rgbImage.getColorModel().getColorSpace(),
                                    cmykColorSpace,
                                    null);
    
        // 转换, 第二个是目标图像源, 为空则自动创建合适的
        BufferedImage cmykImage = op.filter(rgbImage, null);
    
        // 用指定的参数转换为 CMYK, 放到 ByteArrayOutputStream 只是为了返回给其他地方使用
        // 如果不需要可以直接写入文件等即可
        ByteArrayOutputStream baoStream = new ByteArrayOutputStream();
        ImageEncoder encoder2 = ImageCodec.createImageEncoder("TIFF",
                                    baoStream,
                                    params);
        // 编码为 TIFF
        encoder2.encode(cmykImage);
        return baoStream;
    }

    public static int getDpi(int pixel, int cm) {
        double d = pixel / (cm / INCH_2_CM);
        log.info("Pixel={}, cm={}, DPI={}", pixel, cm, d);
        // 四舍五入偏差比较小
        return Double.valueOf(Math.round(d)).intValue();
    }

    public static void writeImage(ByteArrayOutputStream outputStream, String filepath) {
        try (FileImageOutputStream fo = new FileImageOutputStream(new File(filepath))) {
            fo.write(outputStream.toByteArray());
        } catch (IOException e) {
            log.error("写入文件失败, {}, {}", filepath, e.getMessage(), e);
        }
    }
}

References

[1] 艺海拾贝Design. RGB 和 CMYK 色彩模式的区别与用途. https://www.shejidaren.com/rgb-cmyk-qu-bie-yu-yong-tu.html .
[2] SMILE嘻嘻. Maven 编译后资源文件发生改变问题. https://blog.csdn.net/zt_16KK/article/details/72459160 , 2017-05-18.
[3] whyMyHelloWorld. java 多张jpg合成tif后避免tif文件过大的方法. https://blog.csdn.net/sinat_29048381/article/details/80006951 , 2018-04-19.

00 前言#

01 色彩空间转换#

1.1 关键概念#

1.2 转换步骤#

03 总结#

完整代码#

References#