基于光學(xué)光學(xué)的人體顏色恒常性模型

基于光學(xué)光學(xué)的人體顏色恒常性模型

1環(huán)境光照條件測量顏色仍然是機(jī)械視覺領(lǐng)域的研究內(nèi)容之一。在醫(yī)學(xué)真正的圖像采集和分析領(lǐng)域，顏色恢復(fù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性高于通常的應(yīng)用，具有比普通應(yīng)用更高級的專業(yè)要求。圖像采集設(shè)備和分析方法應(yīng)盡可能具有顏色多樣性的特點，并確保顏色分析的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。人類的視覺是藍(lán)色的，具有一定的色彩強(qiáng)度，不干擾光的元素對顏色的影響，正確地反應(yīng)實物本身的固有顏色。機(jī)器視覺的顏色多樣性問題也是機(jī)器視覺研究的難點之一。在顏色衡量版的模型中，通常使用白色標(biāo)準(zhǔn)樣品，在監(jiān)測下應(yīng)用顏色恒性色彩，或使用在線監(jiān)控板，將其與物體一起捕獲，并確定攝影環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境的顏色對應(yīng)關(guān)系。顏色恢復(fù)可以通過測量和校正環(huán)境的光刻條件來執(zhí)行。一般來說，一系列射光燈和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可以將顏色轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的顏色值。一系列和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可以通過實際栽培環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境獲得的色度顏色數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和確定。然而，測量和校正環(huán)境的光刻條件和校正方法相對復(fù)雜，對設(shè)備的依賴性最強(qiáng)。光學(xué)設(shè)備的昂貴測量成本高，臨床應(yīng)用的可行性差。在臨床色彩采集和分析應(yīng)用中，需要具有高顏色的實際反射和圖像傳感器的性能。在醫(yī)學(xué)需要的圖像采集應(yīng)用中，光譜儀的性能、場景反射的性能和圖像傳感器的性能相對穩(wěn)定。光條件主要針對符合cc設(shè)備使用的室內(nèi)自然光，光線的范圍在5000-7000k的相對穩(wěn)定變化范圍內(nèi)。圖像采集對象主要是臉、嘴唇、舌頭、指甲等。相對較小。在同一幅圖像中，圖像的性能和場景反射的性能基本穩(wěn)定。大多數(shù)ct相機(jī)采用具有穩(wěn)定性能的高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)（ddl），穩(wěn)定的圖像接收性能為建立準(zhǔn)確的顏色恢復(fù)奠定了重要基礎(chǔ)。對于這些特定的圖像采集條件，我們設(shè)計了一種基于均勻噪聲測試原理、篩選和使用標(biāo)準(zhǔn)色彩的trm模型。該模型以標(biāo)準(zhǔn)色度作為恢復(fù)的基礎(chǔ)，在不同條件下接收到的圖像顏色根據(jù)trm函數(shù)返回到標(biāo)準(zhǔn)條件。2原則和方法2.1色度空間的“剖分-映射-還原”CCD圖像顏色的變化受光照的性能、場景反射性能、圖像傳感器性能等多種因素影響,圖像中的顏色改變,屬于非線性變化.如果可以通過某種方法將這種總體的非線性變化分解轉(zhuǎn)化成局部的近似線性變化,再求解近似線性變化規(guī)律,最大限度地降低這種顏色的變化,就可以實現(xiàn)圖像顏色分析的恒常性.根據(jù)拓?fù)鋵W(xué)原理,將非線性變化的空間進(jìn)行剖分,剖分得到的空間與標(biāo)準(zhǔn)條件下的該空間具有對應(yīng)的同胚影射關(guān)系.所以,如果確定合理的剖分尺度,那么,將非線性變化的顏色空間分解成若干個近似線性變化的子空間,就可以在相應(yīng)的子空間中,對顏色進(jìn)行線性的近似還原.因此,實驗應(yīng)用均勻色空間,通過標(biāo)準(zhǔn)色在均勻色度空間的變化,進(jìn)行“剖分-影射-還原”,將發(fā)生變化了的圖像顏色影射回對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)條件下色空間內(nèi),求解圖像標(biāo)準(zhǔn)條件下在色空間中影射對應(yīng)的色度值.又因為,在LAB色空間中,亮度L空間與色度AB空間具有相互獨立性,因此,可以分別對一維L值和二維AB空間進(jìn)行還原分析.主要過程:(1)針對人體的膚色、粘膜顏色特點,在L*a*b*色度空間中選擇相應(yīng)的色度范圍;(2)根據(jù)剖分精度選取SG色標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)色;(3)建立相應(yīng)的影射函數(shù),依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo),分別對一維L*空間和二維a*b*空間進(jìn)行拓?fù)淦史?影射還原,求解與圖像顏色對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)條件下的L、a、b色值.2.2圖像采集設(shè)備在運用函數(shù)進(jìn)行顏色還原的過程中,要求色度空間的距離能夠準(zhǔn)確的反映顏色的差別,即應(yīng)用均勻色度空間.因此色度空間選擇國際照明委員會(CIE)推薦的CIE1976L*a*b*均勻色空間(簡稱LAB).原始圖像從RGB到LAB的轉(zhuǎn)換方法見文獻(xiàn).由于人臉、皮膚、口唇、指甲、黏膜等部位顏色特征具有相對的穩(wěn)定范圍,因此在通過對這些研究對象在LAB顏色空間的色度值分布范圍的總結(jié)和歸納,實驗篩選的LAB色空間范圍為:L值10-100,A值10-40,B值10-40.實驗所研究的圖像采集條件是,在室內(nèi)自然光條件下,對人臉、舌體等局部區(qū)域應(yīng)用穩(wěn)定的CCD圖像采集設(shè)備進(jìn)行圖像采集,所以在人臉、舌體等局部圖像區(qū)域內(nèi),光照的性能、場景反射性能和圖像傳感器三個影響顏色性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié),在每一幅圖像中顏色變化是相對穩(wěn)定和均勻的,即用監(jiān)督的標(biāo)準(zhǔn)色板能夠反映整個圖像的顏色變化.圖像采集設(shè)備采用NIKOND70單鏡反光數(shù)碼相機(jī)(DSLR);圖像采集環(huán)境為自然光照充分的室內(nèi)環(huán)境.實驗的標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo)選用GretagmacbethDigitalColorCheckerSG(簡稱SG),該色板提供了140個標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo),其中有針對皮膚顏色設(shè)計的D-J(7-8)色標(biāo).2.3圖像中n塊監(jiān)督色的實驗選擇SG標(biāo)準(zhǔn)色卡中n個標(biāo)準(zhǔn)灰度色作為監(jiān)督色和還原依據(jù),將L值的一維空間10-100分成n-1個空間段,以色標(biāo)提供的L值Ni為標(biāo)準(zhǔn),將采集得到的圖像中的L值利用相應(yīng)的比例關(guān)系進(jìn)行影射還原.(1)所選SG色板中n塊L值監(jiān)督色標(biāo)準(zhǔn)分別為Ni(i=1,…,n);(2)采集得到圖像中,該n塊監(jiān)督色對應(yīng)的L值則分別為Mi(i=1,…,n);(3)圖像中測試對象的L值為l,l值在Mi中的某兩值Mi1,Mi2之間,(Mi1<l<Mi2);Mi1,Mi2對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)L值分別為Ni1、Ni2(Ni1<Ni2);(4)則,測試對象影射到原始標(biāo)準(zhǔn)條件的L值l0,與Mi1、Mi2、Ni1、Ni2、l在拓?fù)淇臻g影射關(guān)系可以表示為:l0?Ni1Ni2?Ni2=l?Mi1Mi2?Mi1(1)l0-Νi1Νi2-Νi2=l-Μi1Μi2-Μi1(1)則l0=Ni1+(1?Mi1)(Ni2?Ni1)(Mi2?Mi1)(2)l0=Νi1+(1-Μi1)(Νi2-Νi1)(Μi2-Μi1)(2)(5)若l=Mi1則l0=Ni1;實驗中,n取6,即選擇SG色卡中E6、F6、G6、H6、I6、J6灰度色塊的L值作為監(jiān)督和還原標(biāo)準(zhǔn).2.4恢復(fù)a值和b值的方法2.4.1ab色坐標(biāo)的映射還原實驗根據(jù)拓?fù)淦史衷韺B空間應(yīng)用三角剖分,圖像顏色特征空間與標(biāo)準(zhǔn)色值空間具有一一對應(yīng)關(guān)系,三角形作為色度空間剖分的基本單元,每一對對應(yīng)的三角形之間也具有拓?fù)溆吧潢P(guān)系.圖像顏色坐標(biāo)向標(biāo)準(zhǔn)顏色坐標(biāo)的影射還原,實際上就是求解圖像顏色空間與標(biāo)準(zhǔn)空間的對應(yīng)關(guān)系.根據(jù)膚色在AB色坐標(biāo)的分布范圍,實驗選擇a:10-40,b:10-40范圍作為剖分區(qū)間范圍.本實驗考慮主要以SG色卡中具有膚色特征的色標(biāo)作為測試對象,所以,剖分的三角形盡可能多地涵蓋膚色色塊,選取了B9、G3、I9作為AB坐標(biāo)中剖分三角形的三個頂點,選取了落在同一個剖分三角形內(nèi)的13個色塊:E2、F2、D8、E7、E8、F7、F8、G7、G8、H7、H8、I8、J7作為測試色標(biāo).三角剖分方法見圖1.2.4.2基于監(jiān)督色標(biāo)的三角形重心蝦體的圖像特征AB色度坐標(biāo)變化前后的二維空間影射關(guān)系,還原主要方法:(1)選擇監(jiān)督色標(biāo),以色標(biāo)的a*、b*值確定AB坐標(biāo)空間N,并根據(jù)上述規(guī)則進(jìn)行該二維三角剖分;(2)把監(jiān)督色標(biāo)在圖像中的a*、b*值構(gòu)成坐標(biāo)空間看成N的同胚拓?fù)渥儞Q,并形成了新的拓?fù)淇臻gM和三角剖分;(3)以監(jiān)督色坐標(biāo)點為影射依據(jù),坐標(biāo)空間M與N具有對應(yīng)三角形影射關(guān)系,應(yīng)用三角形重心逼近方法,對圖像中的顏色測試對象所在剖分三角建立影射函數(shù)F(Xi):Ni→Mi;(4)則圖像中的顏色測試對象AB值坐標(biāo)點m(a,b)∈Mi,應(yīng)用影射函數(shù)F(Xi)可得到m在影射空間Ni內(nèi)的影射坐標(biāo)點m’(a’,b’)∈Ni.2.4.3案例1:美國gs1s2、gs1s3、gs2s3的幾何模型已知兩個三角形所有頂點坐標(biāo),它們的頂點是拓?fù)溆吧鋵?yīng)關(guān)系.(1)三角形△S為監(jiān)督色標(biāo)的AB坐標(biāo)拓?fù)淇臻gM的一個拓?fù)浠?m∈△S為已知坐標(biāo)點;三角形S’是對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo)AB坐標(biāo)構(gòu)成,△S與△S’的重心分別為G和G’;m’∈△S’,m’為需要求解的點m影射還原點.(2)判斷坐標(biāo)點m是哪一個△GS1S2、△GS1S3、△GS2S3的內(nèi)點,并計算該三角形的重心G1,循環(huán)該步驟,直至點m所在的△GiSjSk重心Gi與m點的距離小于0.01計算停止,即|Gi-m|<0.01,Gi近似逼近點m.(3)用同樣的重心逼近方法,在△S’中求得△GiSjSk的同胚影射△Gi′Sj′Sk′重心Gi′,Gi′近似逼近點m′,由于坐標(biāo)AB的值精度<0.01時,已經(jīng)接近無色差,因此,可以近似認(rèn)為點m′(a′,b′)等于Gi′坐標(biāo)(aGi′,bGi′),即最終求得m在影射空間Mi內(nèi)的影射坐標(biāo)點m’.由于本實驗的AB坐標(biāo)范圍a*、b*值在10-40,剖分的三角形邊長尺度在20左右,所以三角形重心逼近的次數(shù)一般在5-10次即可完成,如圖2.2.5基于trt-pcr的染色條件優(yōu)化實驗的色標(biāo)均從SG色標(biāo)中選取,色標(biāo)都取D50光源10°角條件下L*a*b*的標(biāo)準(zhǔn)色值.在剖分AB兩維坐標(biāo)空間時,剖分尺度主要以SG色卡中膚色色塊為主要測試對象,選擇了B9、G3、I9三個色標(biāo)的AB坐標(biāo)值作為一個主要的剖分三角形的三個頂點,從14塊膚色色標(biāo)中選擇落在該剖分三角形內(nèi)的13個色標(biāo)作為測試樣本.實驗在室內(nèi)自然光條件下,用NIKOND70在不同光照條件下拍攝SG色卡,得到10張圖像,然后應(yīng)用TRM模型對13個色標(biāo)顏色校正還原,并將還原的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)色值比較,評價顏色的校正還原效果.同時,實驗還與專業(yè)照片處理軟件NIKONCAPTURE的自動白點平衡(WB)校正結(jié)果進(jìn)行比較,標(biāo)準(zhǔn)白選用SG色卡中A1色標(biāo).LAB色度空間中色值(L1,a1,b1)與(L2,a2,b2)之間的色差距離計算方法:ΔL=L1-L2(3)Δab=(a1?a2)2+(b1?b2)2??????????????????√(4)Δab=(a1-a2)2+(b1-b2)2(4)ΔE=(L1?L2)2+(a1?a2)2+(b1?b2)2????????????????????????????√(5)ΔE=(L1-L2)2+(a1-a2)2+(b1-b2)2(5)3結(jié)果3.1校正前后l值的變化對L值的校正結(jié)果顯示,校正前130個色標(biāo)△L值的總體均值為3.56±2.13,經(jīng)過校正以后△L值的總體均值為1.95±1.47,校正后△L值明顯小于校正前,校正過的L值更加精確地接近標(biāo)準(zhǔn)值,而且校正后的L值離散度小,穩(wěn)定性好.3.2g/b校正實驗在AB坐標(biāo)中,色度值a*、b*共同確定了一個坐標(biāo)點,△ab則反映兩坐標(biāo)點間的歐氏距離.以SG標(biāo)準(zhǔn)色值為校正依據(jù),130個總樣本,在校正前△ab的平均值為11.96±5.93,應(yīng)用專業(yè)軟件進(jìn)行WB校正后△ab的均值為4.68±2.29;而三角型重心逼近校正后△ab的均值2.94±1.57,距離SG提供的標(biāo)準(zhǔn)色點誤差最小,離散度也最小.3.3wb和t落實模型的校正效果130個總樣本次數(shù),與標(biāo)準(zhǔn)色值比較,未校正時平均色差△E0為11.58±2.51,WB校正后平均色差△Ewb為11.65±2.46,TRM方法校正后平均色差△Etrm僅為3.77±1.68,TRM模型校正的色差和離散度都很小,最接近標(biāo)準(zhǔn)色.結(jié)果顯示:該模型具有良好的顏色還原性和穩(wěn)定性.4tr模型的建立:基于生物資本在醫(yī)學(xué)圖像采集分析中,顏色的準(zhǔn)確還原具有更加精確的要求和更重要的意義.現(xiàn)有的顏色校正方法,往往僅針對RGB顏色空間中R、G、B進(jìn)行不同系數(shù)的校正,由于RGB空間不是均勻色度空間,因此也很難實現(xiàn)穩(wěn)定精確的顏色校準(zhǔn).本文提出了一種基于LAB均勻色空間的TRM顏色恒常性模型,建立了精確的顏色恒常還原模型,并通過對