基于色度學的中醫(yī)舌象顏色校正方法研究

基于色度學的中醫(yī)舌象顏色校正方法研究

一、色差值的計算近年來，計算機數(shù)據(jù)處理技術和數(shù)字圖像設備在中醫(yī)舌診研究中得到了廣泛應用，極大地促進了舌診數(shù)字和量化的發(fā)展。舌色、苔色等舌象顏色特征在中醫(yī)舌診中占有重要的地位。然而,由于光照環(huán)境、圖像采集與顯示等各種因素的影響,舌象的顏色失真難以避免,這種失真影響了圖像分析結果,降低了圖像分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在目前舌象分析研究文獻中采用了顏色校正方法,以獲取顏色真實、恒定的舌圖像。通常以CIEL*a*b*色差公式作為中醫(yī)舌象顏色校正后色差評價的標準。色差是用數(shù)值表示兩種顏色感覺上的差別,可用來衡量顏色校正效果優(yōu)劣,因此對色差的分析和研究就顯得尤為重要。色差計算是在特殊的顏色空間中進行。在這個顏色空間里,不同顏色區(qū)域中的色點數(shù)值變化必須與人眼對顏色的感覺一致,理論上要求相同的數(shù)值變化對應相同的顏色差別感覺。自從國際照明委員會(CIE,CommissionInternationaldel’Eclairage)推薦CIEL*a*b*顏色空間及其色差公式以來,在色差研究領域取得了巨大的進展,提出了各種色差評價模型,其中CIEDE2000色差公式在理論上是和人的視覺最相匹配的公式,已在豬肉顏色分級、墻地磚表面質(zhì)量檢測等方面得到廣泛應用。目前國內(nèi)中醫(yī)舌象研究領域?qū)υ摴降奶接懠皯眠€較少。本文利用CIE兩個重要色差公式對中醫(yī)舌象顏色校正后的色差進行比較和分析,對CIEDE2000色差公式在中醫(yī)舌象色差評價的可行性進行了一定的研究。二、相應的色彩理論1.破色空間cwRGB顏色空間是一個定位顏色參數(shù)的三維坐標空間,分別用紅、綠、藍表示三個坐標軸。它是圖像采集和顯示設備最早使用顏色空間,是彩色圖像處理中最基礎、最常用的顏色空間。RGB顏色空間的主要缺點:①不直觀。從RGB三個值中很難看出其所表示的顏色的認知屬性;②不均勻。兩個色點之間的距離不等于兩個顏色之間的知覺差異。例如,RGB顏色空間中距離為50的(0,0,0)與(50,0,0)在視覺感受上視為同一顏色;而同樣距離為50的(200,150,0)與(200,200,0)則視覺差異很大;③對硬件設備具有依賴性。因此,RGB顏色空間是一個與設備相關的、顏色描述不完全直觀的空間。2.色彩的三種基色用RGB顏色空間匹配等能光譜時存在負匹配(R、G、B三基色比例系數(shù)會出現(xiàn)負值),為了克服這一缺點,1931年CIE規(guī)定了一種新的顏色表示系統(tǒng),稱為XYZ顏色空間。這三種基色是虛擬的(與R、G、B對應的三個坐標軸為X、Y、Z軸),能夠使顏色匹配全部為正值。XYZ顏色模型描述彩色光的表達式為:C=X(X)+Y(Y)+Ζ(Ζ)(1)C=X(X)+Y(Y)+Z(Z)(1)其中,(X)、(Y)、(Z)是XYZ顏色模型的基色量,X、Y、Z為三基色刺激值(比例系數(shù))?？梢酝ㄟ^改變?nèi)齻€分量的系數(shù)值來得到所需要的顏色。XYZ顏色空間不同于RGB顏色空間,是一種與設備無關的顏色空間,通常作為一個“過渡”的顏色空間。3.提供均勻顏色空間的可選擇性CIE早期推薦的顏色模型主要有麥克斯韋三角形、RGB顏色空間、XYZ顏色空間等。提出它們的最初目的只是為了充分而方便地描述自然界的顏色,沒有考慮人眼的顏色分辨特性,所以獨立性和均勻性都較差。為了能更好的描述和衡量色差,CIE在1976年制定CIEL*a*b*顏色空間,它是XYZ顏色空間的改進,以便克服XYZ顏色空間中存在的缺點,即在x-y色度圖上等距離的色點并不等同于所覺察到的等色差的問題。它適用于一切光源色或物體色的表示與計算。CIEL*a*b*顏色空間的定義為:L*=116f(Y/Y0)13-16(2)a*=500(f(X/X0)13-f(Y/Y0)13)(3)b*=200(f(Y/Y0)13-f(Ζ/Ζ0)13)(4)L?=116f(Y/Y0)13?16(2)a?=500(f(X/X0)13?f(Y/Y0)13)(3)b?=200(f(Y/Y0)13?f(Z/Z0)13)(4)其中:f(t)={t13t＞0.0088567.787t+116t≤0.008856(5)f(t)={t137.787t+116t＞0.008856t≤0.008856(5)式(5)中,參數(shù)t代表X/X0、Y/Y0、Z/Z0。X、Y、Z分別為顏色的三刺激值,X0、Y0、Z0為CIE標準照明體(D65)照射到標準白漫射體后,反射到觀察者眼中對應的三刺激值,X0=95.04,Y0=100.00,Z0=108.89。如圖1所示,L*代表明度,a*、b*代表色度。與XYZ顏色空間比較,CIEL*a*b*顏色空間更適合于人眼的感覺。利用CIEL*a*b*,顏色的亮度、色度可以單獨修正。這樣,圖像的顏色都可以在不改變圖像亮度的情況下進行調(diào)整。若兩個顏色樣品都按L*、a*、b*標定顏色,則兩者之間的總色差ΔE*ab以及單項色差可用下列公式計算:明度差:ΔL*=L*1-L*2(6)色度差:Δa*=a*1-a*2,Δb*=b*1-b*2(7)總色差:ΔE*ab=√(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2(8)ΔE?ab=(ΔL?)2+(Δa?)2+(Δb?)2?????????????????????√(8)彩度差:ΔC*=√(a*1)2+(b*1)2-√(a*2)2+(b*2)2ΔC?=(a?1)2+(b?1)2??????????√?(a?2)2+(b?2)2??????????√ΔE*ab色差公式在均勻顏色空間中描述了一個橢球,橢球的中心點即標準色樣的坐標點,其在L*、a*、b*三個方向的半軸長分別為|L*1-L*2|,|a*1-a*2|,|b*1-b*2|。給定一個色差容限后,即確定了一個橢球。規(guī)定橢球內(nèi)的顏色滿足色差容限的要求,則橢球外的顏色與標準色樣的色差超出了色差容限范圍,便不滿足色差的要求。雖然EIEL*a*b*顏色空間是CIE推薦的均勻顏色空間,顏色的均勻性較XYZ顏色空間有很大改善,但實際上CIEL*a*b*顏色空間對均勻性的描述相對人眼的顏色感覺來說還是不夠完美。從圖2可以發(fā)現(xiàn)這樣一些特點:接近中性色的橢圓最小;隨著彩度的增加橢圓變大變長;除了藍色區(qū)域外,大多數(shù)橢圓都指向原點。也就是說,在不同的顏色區(qū)域,顏色的寬容量數(shù)值是不相等的。例如在CIEL*a*b*空間的某兩個區(qū)域(如紅色區(qū)域和綠色區(qū)域)中任取兩個等距離的色樣點作比較,會發(fā)現(xiàn)在紅色區(qū)域的兩個色樣的視感覺差別和綠色區(qū)域的兩個色樣的視感覺差別不一樣。在使用CIEL*a*b*顏色空間進行顏色轉(zhuǎn)換和校正時,如果在紅色區(qū)域和綠色區(qū)域按照同樣的尺度和比例進行調(diào)整,就會因為顏色空間的不均勻性而產(chǎn)生色偏。因此有必要對顏色空間進行均勻性研究,減少顏色的轉(zhuǎn)化和校正時由于顏色空間的不均勻而帶來的誤差。4.標準色和旋轉(zhuǎn)角由于CIEL*a*b*顏色空間和色差公式仍然存在不均勻性等缺陷,國際照明委員會一直在尋找更理想的公式。在CIEL*a*b*等色差公式的基礎上,通過大量視覺實驗和色差評估實驗,于2001年正式推出一個新的色差公式,命名為CIE2000(ΔL′,ΔC′,ΔH′),簡稱CIEDE2000,其色差符號為ΔE00。該公式被認為是目前理論上最好的色差公式。ΔE00=√(ΔL′ΚLSL)2+(ΔC′ΚCSC)2+(ΔΗ′ΚΗSΗ)2+RΤ(ΔC′ΚCSC)(ΔΗ′ΚΗSΗ)(9)ΔE00=(ΔL′KLSL)2+(ΔC′KCSC)2+(ΔH′KHSH)2+RT(ΔC′KCSC)(ΔH′KHSH)????????????????????????????????????????√(9)計算過程及各參數(shù)的意義如下:第一步,在CIEL*a*b*顏色空間中計算L*、a*、b*。第二步,計算L′、a′、b′、彩度C′、色調(diào)h′。L′=L*a′=(1+G)a*b′=b*C′=√(a′)2+(b′)2h′=180°πtan-1(b′/a′)(10)G=0.5(1-√ˉC*ab7ˉC*ab7+257)L′=L?a′=(1+G)a?b′=b?C′=(a′)2+(b′)2??????????√h′=180°πtan?1(b′/a′)(10)G=0.5(1?C?abˉˉˉˉˉ7C?abˉˉˉˉˉ7+257??????√)其中:G表示CIEL*a*b*顏色空間的a*軸的調(diào)整因子,是彩度的函數(shù)?！*ab是要計算的標準色和樣本色的C*ab的算術平均值?！*ab=C*ab,b+C*ab,s2(11)下標b和s分別表示要計算色差的一對顏色中樣本色和標準色,下同。第三步,計算明度差ΔL′、彩度差ΔC′ab、色調(diào)差ΔH′ab。ΔL′=L′b-L′SΔC′ab=C′ab,b-C′ab,sΔh′ab=h′ab,b-h′ab,s(12)ΔΗ′ab=2×√C′ab,b?C′ab,s×sin(Δh′ab2)第四步,計算SL、SC、SH,以及RT、RC。SL、SC、SH稱為權重函數(shù),定義了橢圓半軸的長度,允許在CIEL*a*b*顏色空間中根據(jù)區(qū)域的不同進行各自的調(diào)整,以校正該空間的均勻性。其定義如下:SL=1+0.015+(ˉL′-50)2√20+(ˉL′-50)2SC=1+0.045×ˉC′ab(13)SΗ=1+0.015×ˉC′ab×Τ式中,Τ=1-0.17×cos(ˉh′ab-30°)+0.24×cos(2ˉh′ab)+0.32×cos(3ˉh′ab+6°)-0.20×cos(4ˉh′ab-63°)(14)ˉL′、ˉC′ab、ˉh′ab分別表示用CIEDE2000公式計算的標準色和樣本色明度、彩度、色調(diào)(以度為單位)的算術平均值。在CIEL*a*b*顏色空間中藍色區(qū)域?qū)捜萘繖E圓并不指向原點,為了對橢圓進行旋轉(zhuǎn),引入了旋轉(zhuǎn)函數(shù)RT:RΤ=-sin(2Δθ)×RCΔθ=30×exp(-(ˉh′ab-275°25)2)(15)RC=2×√ˉC′ab7ˉC′ab7+257其中:Δθ是由色調(diào)決定的旋轉(zhuǎn)角,RC是根據(jù)彩度變化的旋轉(zhuǎn)幅度。第五步,KL、KC、KH的選擇。參數(shù)因子KL、KC、KH是與使用條件相關的校正系數(shù),它們是影響色差感覺的因素。本文研究中取KL=KC=KH=1。三、分散試驗及其結果分析1.中醫(yī)舌象顏色校正文獻設計了由非飽和色、飽和色、非彩色3種類型顏色構成的色標,其中非飽和色取自舌圖像中的常見顏色。這樣保證了以較小數(shù)量的色標(22塊),盡可能全面地重現(xiàn)舌體區(qū)的顏色,如圖3所示。設計色標的目的是在色標與舌體同時拍攝的圖像中,利用色標數(shù)據(jù)求解多項式回歸模型參數(shù),以得到校正模型,隨后將模型作用于整幅圖像。這樣將色標數(shù)據(jù)校正為標準數(shù)據(jù)的同時,將舌體區(qū)的顏色也校正為較真實的顏色。一般采用CIEL*a*b*色差公式作為中醫(yī)舌象顏色校正后色差評價的標準,認為ΔE*ab<2為較好的顏色重現(xiàn)。在本文實驗中從22個色標中選取10個非飽和色作為標準色標,如圖4所示。D65光源下顏色校正后的相同色標作為樣本色標,色差計算界面如圖5所示。實際VC++編程計算色差時應注意以下兩點:①求色調(diào)值時角度和弧度的相互轉(zhuǎn)換。②RGB顏色空間到CIEL*a*b*顏色空間的轉(zhuǎn)換及標準白三刺激值的選擇。采用兩種色差公式計算出的數(shù)值分布如圖6、圖7所示,色差值如表1所示。2.彩度差的影響因素從表1可看出:分別采用ΔE*ab、ΔE00色差公式計算得到的色差值服從以下的分布規(guī)律:ΔE*ab>ΔE00。從圖6色差值分布圖中可看出:色差的分布曲線ΔE*ab較為陡峭,ΔE00較為平緩。從圖7彩度差數(shù)值分布圖可看出:彩度差也同于該分布規(guī)律。影響色差有三大要素:明度差ΔL、彩度差ΔCab、色調(diào)差ΔHab。在色差公式ΔE*ab中僅直接利用了明度差、彩度差,而色調(diào)差沒有被引入。而明度差和彩度差又易于受部分偏離平均值的異常點的影響,導致計算結果偏大。通過對色差計算結果的分析也證實了該結論,這也正是其色差曲線陡