工業(yè)機器視覺課程12顏色感知

1、第第 10 章章 顏色感知Chapter 10 Color Perception顏色 顏色通常認為是由于不同波長的光作用于視覺系統(tǒng)，并引起不同刺激的結果. 光是由不同波段的光譜組成的，每個波段稱為一個通道，各種波長的光的不同比例，形成不同的顏色，如短波光能量較大時呈現(xiàn)藍色，相反呈現(xiàn)紅色. 顏色 對應多個光譜的圖像稱為多光譜(multi-spectral) 圖象. 顏色是一種令人感興趣的圖像特征，但由于其豐富性和復雜性，目前在機器視覺中應用顏色進行圖像分析與理解還很困難.10.1 人類顏色感知 可見光的波長分布在380nm到780nm之間，人的顏色感覺是不同波長的可見光刺激人的視覺器官的結果.

2、人類視網膜上有兩類細胞：桿體細胞和錐體細胞. 對顏色的區(qū)分主要由錐體細胞完成.Young-Helmholtz三色假說(Trichromacy) 存在三種具有不同響應的錐體感受器. 當光線同時作用于這三種感受器時，三者產生的刺激不同，不同刺激的組合形成不同的顏色感覺.(Young-Helmholtz, 1891） 三色假說得到了現(xiàn)代技術發(fā)展的證明三色假說得到了現(xiàn)代技術發(fā)展的證明: 在人類視網膜中確實含有三種不同的光敏感性在人類視網膜中確實含有三種不同的光敏感性視色素，它們對光譜不同部位的敏感性是不同視色素，它們對光譜不同部位的敏感性是不同的的.三種錐體感受器的光譜敏感示意圖三種錐體感受器的光譜敏

3、感示意圖(Wald, 1964)顏色的RGB模型 用紅(Red, )、綠(Green, )、藍(Blue, )三種顏色作為三基色，通過三基色的加權混合形成各種顏色. RGB模型構成顏色表示的基礎，其他顏色表示方法可以通過對RGB模型的變換得到.nmG1 .546nmR0 .700nmB8 .43510.2 顏色表示 不同的顏色表示方法（或稱顏色模型，顏色系統(tǒng)等等）都對應一個顏色空間(color space)，一種顏色是相應顏色空間中的一個點或矢量. 線性顏色空間（RGB模型的線性變換） RGB, CMY, XYZ, YIQ, YUV 非線性顏色空間（RGB模型的非線性變換） L*a*b*, L

4、*u*v*, HSV(HSI)10.2.1 線性顏色空間 RGB CMY XYZ NTSC-YIQ PAL-YUV（1）RGB顏色空間 以具有確定光通量的紅、綠、藍三基色作為以具有確定光通量的紅、綠、藍三基色作為三維空間的基三維空間的基.通常把光通量為1 光瓦的紅光，4.5907光瓦的綠光，0.0601光瓦的藍光作為三基色的“單位基色量”，用(R)、(G)、(B)表示因此，任何一種具有一定亮度的彩色光的光通量為：)()()()(BBGGRRC0601. 0:5907. 4:1:bgr在很多情況下光譜三刺激值是負值（負刺激值），這是因為待配色為單色光，其飽和度很高，而三原色光混合后飽和度必然降低

5、，無法和待配色實現(xiàn)匹配。為了實現(xiàn)顏色匹配，在實驗中須將上方紅、綠、藍一側的三原色光之一移到待配色一側，并與之相加混合，從而使上下色光的飽和度相匹配。 )( r )(g )(b 規(guī)范化RGB顏色空間（Nrgb） 三基色的加權混合，不僅反映了顏色的色度，而且反映了顏色的亮度. 如果只對色度感興趣，希望顏色不依賴于亮度變化，則只需考慮R,G,B之間的比例關系:BGRBbBGRGgBGRRr, r, g, b稱為色度坐標，只有兩個坐標是獨立稱為色度坐標，只有兩個坐標是獨立的，形成二維色度空間的，形成二維色度空間.1bgr圖10.4 r-g 色度圖 （2）CMY顏色空間 以青（Cyan），品紅（Mage

6、nta），黃（Yellow）為三基色，其余同RGB顏色空間.RGB空間與CMY空間的關系 在RGB顏色空間中，顏色的形成是由黑到白的增色處理過程，用于屏幕的彩色輸出. 在CMY顏色空間中，顏色的形成是由白到黑的減色處理過程，用于繪圖和打印的彩色輸出.BGRYMC111CMYK由于在印刷時CMY模型不可能產生真正的黑色，因此在印刷業(yè)中實際上使用的是CMYK彩色模型，K為第四種顏色，表示黑色：從CMY 到CMYK的轉換： : min( , ):KC M YCCKMMKYYK(3) CIE XYZ顏色空間 定義顏色是三基色X, Y, Z的加權組合: )()()(ZZYYXXC(X),(Y),(Z)是

7、基色量，是基色量，X,Y,Z是比例系數是比例系數滿足以下條件：滿足以下條件：1. 三色比例系數三色比例系數X,Y,Z大于零；大于零；2. Y的數值等于彩色光的亮度；的數值等于彩色光的亮度；3. 當當X=Y=Z時表示標準白光時表示標準白光.XYZ顏色空間 根據上述條件，可以得到根據上述條件，可以得到XYZ與與RGB之間的關系：之間的關系：BGRZYX5943. 50565. 00000. 00601. 05907. 40000. 11302. 17517. 17689. 2)()()(規(guī)范化XYZ顏色空間(Nxyz) 對X,Y,Z三基色規(guī)范化：ZYXZzZYXYyZYXXx, 只需考慮兩個獨立分

8、量只需考慮兩個獨立分量.CIE 1931年年x-y色度圖色度圖純彩色純彩色紫色線紫色線白色白色規(guī)范化XYZ顏色空間 色度圖中的顏色范圍可以表示成直線段或多邊形色度圖中的顏色范圍可以表示成直線段或多邊形.RGBNTSC 制式(0.670,0.323)(0.214,0.710)(0.140,0.084)PAL 制式(0.640,0.330)(0.290,0.600,)(0.150,0.060)CIE 模型(0.735,0.265)(0.274,0.717)(0.167,0.009)彩色監(jiān)視器(0.628,0.346)(0.268,0.588)(0.150,0.070)幾種顏色模型在幾種顏色模型在x

9、-y色度圖中的位置：色度圖中的位置：（4） NTSCYIQ表色模型 美國國家電視系統(tǒng)委員會（National Television System Committee，NTSC）采用YIQ彩色模型，其主要的優(yōu)點是可以保證彩色電視和黑白電視的兼容，即可以用彩色收看黑白電視圖像。YIQ是以CIE的XYZ顏色模型為基礎，其參數Y 與XYZ中的模型參數相同，是圖像的亮度信息在沒有色度的情況下，Y也就對應于黑白圖像，或者說，黑白電視只接收Y信號 亮度信號Y為 ：BGRY114. 0587. 0299. 0規(guī)定如下色差信號：)(41. 0)(48. 0)(27. 0)(74. 0YBYRQYBYRIYIQ與

10、RGB間的轉換關系為： BGRQIY312. 0523. 0211. 0322. 0274. 0596. 0114. 0587. 0299. 0(5) PAL制式-YUV亮度信號 ：BGRY114. 0587. 0299. 0色差信號：UBYVRY線性顏色空間的問題 通過基色的比例關系定義不同色彩，難以用準確數值表示，定量分析比較困難. 各基色成分的相關性很高，受亮度變化影響大. 人眼通過顏色的亮度、色調以及飽和度區(qū)分物體，不能直接感覺基色的比例. 不是一致的顏色空間，即不能用一致的尺度度量顏色差異，因此不能有效的比較顏色. 主要用于顏色顯示，難以進行圖像的處理與分析.Nxyz空間非一致性示意

11、圖空間非一致性示意圖橢圓區(qū)域（放大顯示）橢圓區(qū)域（放大顯示）表示人眼無法與橢圓表示人眼無法與橢圓中心顏色進行區(qū)分的中心顏色進行區(qū)分的顏色范圍，橢圓的大顏色范圍，橢圓的大小、方向隨著中心位小、方向隨著中心位置的變化而變化，因置的變化而變化，因此不能用空間中的歐此不能用空間中的歐式距離度量顏色差異式距離度量顏色差異10.2.2 非線性顏色空間 HSV L*a*b*, L*u*v*（1）HSV顏色空間顏色的三個基本屬性： Hue: 色調; Saturation: 色飽和度; Value: 明度 色調由物體反射光中占優(yōu)勢的波長決定(主波段)，是顏色的最重要屬性，決定基本的顏色感覺. 色飽和度指顏色的鮮

12、明程度，飽和度越高，顏色越深，如深紅、淺紅等. 明度是光波作用于感受器的強度.HSV顏色空間 根據色調（hue）、色飽和度（saturation）和明度值(value)建立 HSV顏色模型. 有的用intensity, brightness, lightness等代替value，稱為HSI, HSB,HSL. 從RGB表示可以推導出HSV表示.RGB空間到空間到HSV空間的變換空間的變換CSSCCS)1 (1色飽和度（白色和色調的相對比例）色飽和度（白色和色調的相對比例）色調（主波段）色調（主波段）HSV顏色空間 明度值：明度值：)(31BGRV 色調：色調：顏色矢量與參考矢量的夾角顏色矢量與

13、參考矢量的夾角)()(22cos2BGBRGRBGRHHSV顏色空間 色飽和度：色飽和度： 相對于全飽和色的比例相對于全飽和色的比例wpwpSs),min(31BGRBGRS（2）CIE L*a*b*與L*u*v*顏色空間 CIE在XYZ顏色空間的基礎上，定義了兩種一致顏色空間：L*a*b*空間，L*u*v*空間，用于度量顏色之間的微小差異. L*a*b*空間：是標準白光對應的是標準白光對應的X,Y,Z值值L * 值代表光亮度，其值從0(黑色)100(白色)。a * 和b * 代表色度坐標，其中a *代表紅-綠軸， b*代表黃-藍軸，它們的值從0 到10。a* = b* = 0表示無色，因此L

14、 * 就代表從黑到白的比例系數。L*u*v*顏色空間色差(Color Difference) 用（L*,a*,b*）或（L*,u*,v*）空間中的歐氏距離度量色差.HSV與L*a*b*(L*u*v*)的關系 可以很方便的從可以很方便的從L*a*b*(L*u*v*)空間變換到空間變換到HSV空間空間. L*a*b*空間到空間到HSV空間空間: ,*arctanbaH ,*22baS*LV L*u*v*空間到空間到HSV空間空間:,*arctanvuH ,*22vuS*LV 1、計算顏色模型：RGB、CIE XYZ、 L*a*b*、L*u*v*2、視覺顏色模型：HSV、HSI、CMYK3、工業(yè)顏色

15、模型： NTSC-YIQ、PAL-YUV顏色模型的分類顏色模型的分類10.3 顏色不變性(Color Constancy) 對物體顏色的判斷不受照明條件的影響. 人類視覺具有顏色不變性. 可以認為是從圖像顏色中恢復表面顏色(surface color from image color)的問題.圖像顏色模型 圖像中物體的顏色是由照射光源的光譜成分、光線在物體上反射和吸收的情況，以及攝像機的光譜響應情況決定的.如藍色物體在日光下呈現(xiàn)藍色，在紅光照射下，呈現(xiàn)紅紫色.圖像顏色模型 物體表面一點反射的光譜由物體表面光譜反射物體表面一點反射的光譜由物體表面光譜反射和光源光譜決定：和光源光譜決定：)(),(

16、EyxS 假設攝像機在每個成像位置有假設攝像機在每個成像位置有p個敏感器，第個敏感器，第k個敏感器的光譜響應為個敏感器的光譜響應為 ，則圖像上一點處，則圖像上一點處該敏感器的輸出為：該敏感器的輸出為：)(kRdEyxSRyxkk)(),()(),(0 圖像上一點處的顏色信息為：圖像上一點處的顏色信息為：)(),.,(),(21XXXp顏色不變性 顏色不變性就是根據這些彩色信息恢復場顏色不變性就是根據這些彩色信息恢復場景表面光譜反射景表面光譜反射 ，而忽略光源光，而忽略光源光譜譜),(yxSE( ) 通常用有限維線性模型對表面光譜反射和通常用有限維線性模型對表面光譜反射和光源光譜進行建模：光源光

17、譜進行建模：niiiSyxyxS1)(),(),(mjjjEE1)()( 基于這種有限維線性模型，獲得攝像機一個光敏感器的輸出為： ijkmnjijijikmnjijimjjjniiikkkGyxyxdESRyxyxdEyxSyxRdEyxSRyx,1, 1,1, 111, , , ,顏色不變性 dESRGjikijk已知已知問題轉化為根據上述等式求解問題轉化為根據上述等式求解i分為兩種情況：分為兩種情況：1. 環(huán)境照明已知，即環(huán)境照明已知，即j已知已知2. 環(huán)境照明未知環(huán)境照明未知（1）環(huán)境照明已知 pkKyxGyxyxyxniikiijkmnjijik, 1, ,1,1, 1形成線性方程組，可寫成矩陣形式：形成線性方程組，可寫成矩陣形式：當當p等于等于n時，求封閉解；時，求封閉解；p大于大于n時，求時，求最小二乘解最小二乘解（2）環(huán)境照明未知首先恢復環(huán)境照明，然后求解表面反射 假設環(huán)境照明對所有點一樣，用多個場景點信息計算環(huán)境照明. 從s個不同的空間點上，可得到sp個