工業(yè)機(jī)器視覺(jué)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(rèn)為是由于不同波長(zhǎng)的光作用于視覺(jué)系統(tǒng)，并引起不同刺激的結(jié)果. 光是由不同波段的光譜組成的，每個(gè)波段稱(chēng)為一個(gè)通道，各種波長(zhǎng)的光的不同比例，形成不同的顏色，如短波光能量較大時(shí)呈現(xiàn)藍(lán)色，相反呈現(xiàn)紅色. 顏色 對(duì)應(yīng)多個(gè)光譜的圖像稱(chēng)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(fù)雜性，目前在機(jī)器視覺(jué)中應(yīng)用顏色進(jìn)行圖像分析與理解還很困難.10.1 人類(lèi)顏色感知 可見(jiàn)光的波長(zhǎng)分布在380nm到780nm之間，人的顏色感覺(jué)是不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光刺激人的視覺(jué)器官的結(jié)果.

2、人類(lèi)視網(wǎng)膜上有兩類(lèi)細(xì)胞：桿體細(xì)胞和錐體細(xì)胞. 對(duì)顏色的區(qū)分主要由錐體細(xì)胞完成.Young-Helmholtz三色假說(shuō)(Trichromacy) 存在三種具有不同響應(yīng)的錐體感受器. 當(dāng)光線(xiàn)同時(shí)作用于這三種感受器時(shí)，三者產(chǎn)生的刺激不同，不同刺激的組合形成不同的顏色感覺(jué).(Young-Helmholtz, 1891） 三色假說(shuō)得到了現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的證明三色假說(shuō)得到了現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的證明: 在人類(lèi)視網(wǎng)膜中確實(shí)含有三種不同的光敏感性在人類(lèi)視網(wǎng)膜中確實(shí)含有三種不同的光敏感性視色素，它們對(duì)光譜不同部位的敏感性是不同視色素，它們對(duì)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(lán)(Blue, )三種顏色作為三基色，通過(guò)三基色的加權(quán)混合形成各種顏色. RGB模型構(gòu)成顏色表示的基礎(chǔ)，其他顏色表示方法可以通過(guò)對(duì)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(chēng)顏色模型，顏色系統(tǒng)等等）都對(duì)應(yīng)一個(gè)顏色空間(color space)，一種顏色是相應(yīng)顏色空間中的一個(gè)點(diǎn)或矢量. 線(xiàn)性顏色空間（RGB模型的線(xiàn)性變換） RGB, CMY, XYZ, YIQ, YUV 非線(xiàn)性顏色空間（RGB模型的非線(xiàn)性變換） L*a*b*, L

4、*u*v*, HSV(HSI)10.2.1 線(xiàn)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(lán)三基色作為以具有確定光通量的紅、綠、藍(lán)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(lán)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(fù)值（負(fù)刺激值），這是因?yàn)榇渖珵閱紊?，其飽和度很高，而三原色光混合后飽和度必然降?/p>

5、，無(wú)法和待配色實(shí)現(xiàn)匹配。為了實(shí)現(xiàn)顏色匹配，在實(shí)驗(yàn)中須將上方紅、綠、藍(lán)一側(cè)的三原色光之一移到待配色一側(cè)，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(quán)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(duì)色度感興趣，希望顏色不依賴(lài)于亮度變化，則只需考慮R,G,B之間的比例關(guān)系:BGRBbBGRGgBGRRr, r, g, b稱(chēng)為色度坐標(biāo)，只有兩個(gè)坐標(biāo)是獨(dú)立稱(chēng)為色度坐標(biāo)，只有兩個(gè)坐標(biāo)是獨(dú)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(guān)系 在RGB顏色空間中，顏色的形成是由黑到白的增色處理過(guò)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(guò)程，用于繪圖和打印的彩色輸出.BGRYMC111CMYK由于在印刷時(shí)CMY模型不可能產(chǎn)生真正的黑色，因此在印刷業(yè)中實(shí)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(zhuǎn)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(quán)組合: )()()(ZZYYXXC(X),(Y),(Z)是

7、基色量，是基色量，X,Y,Z是比例系數(shù)是比例系數(shù)滿(mǎn)足以下條件：滿(mǎn)足以下條件：1. 三色比例系數(shù)三色比例系數(shù)X,Y,Z大于零；大于零；2. Y的數(shù)值等于彩色光的亮度；的數(shù)值等于彩色光的亮度；3. 當(dāng)當(dāng)X=Y=Z時(shí)表示標(biāo)準(zhǔn)白光時(shí)表示標(biāo)準(zhǔn)白光.XYZ顏色空間 根據(jù)上述條件，可以得到根據(jù)上述條件，可以得到XYZ與與RGB之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：BGRZYX5943. 50565. 00000. 00601. 05907. 40000. 11302. 17517. 17689. 2)()()(規(guī)范化XYZ顏色空間(Nxyz) 對(duì)X,Y,Z三基色規(guī)范化：ZYXZzZYXYyZYXXx, 只需考慮兩個(gè)獨(dú)立分

8、量只需考慮兩個(gè)獨(dú)立分量.CIE 1931年年x-y色度圖色度圖純彩色純彩色紫色線(xiàn)紫色線(xiàn)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(xiàn)段或多邊形色度圖中的顏色范圍可以表示成直線(xiàn)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(guó)國(guó)家電視系統(tǒng)委員會(huì)（National Television System Committee，NTSC）采用YIQ彩色模型，其主要的優(yōu)點(diǎn)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(chǔ)，其參數(shù)Y 與XYZ中的模型參數(shù)相同，是圖像的亮度信息在沒(méi)有色度的情況下，Y也就對(duì)應(yīng)于黑白圖像，或者說(shuō)，黑白電視只接收Y信號(hào) 亮度信號(hào)Y為 ：BGRY114. 0587. 0299. 0規(guī)定如下色差信號(hào)：)(41. 0)(48. 0)(27. 0)(74. 0YBYRQYBYRIYIQ與

10、RGB間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為： BGRQIY312. 0523. 0211. 0322. 0274. 0596. 0114. 0587. 0299. 0(5) PAL制式-YUV亮度信號(hào) ：BGRY114. 0587. 0299. 0色差信號(hào)：UBYVRY線(xiàn)性顏色空間的問(wèn)題 通過(guò)基色的比例關(guān)系定義不同色彩，難以用準(zhǔn)確數(shù)值表示，定量分析比較困難. 各基色成分的相關(guān)性很高，受亮度變化影響大. 人眼通過(guò)顏色的亮度、色調(diào)以及飽和度區(qū)分物體，不能直接感覺(jué)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(jìn)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(wú)法與橢圓表示人眼無(wú)法與橢圓中心顏色進(jìn)行區(qū)分的中心顏色進(jìn)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(xiàn)性顏色空間 HSV L*a*b*, L*u*v*（1）HSV顏色空間顏色的三個(gè)基本屬性： Hue: 色調(diào); Saturation: 色飽和度; Value: 明度 色調(diào)由物體反射光中占優(yōu)勢(shì)的波長(zhǎng)決定(主波段)，是顏色的最重要屬性，決定基本的顏色感覺(jué). 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(qiáng)度.HSV顏色空間 根據(jù)色調(diào)（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(chēng)為HSI, HSB,HSL. 從RGB表示可以推導(dǎo)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(diào)的相對(duì)比例）色飽和度（白色和色調(diào)的相對(duì)比例）色調(diào)（主波段）色調(diào)（主波段）HSV顏色空間 明度值：明度值：)(31BGRV 色調(diào)：色調(diào)：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(duì)于全飽和色的比例相對(duì)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(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)白光對(duì)應(yīng)的是標(biāo)準(zhǔn)白光對(duì)應(yīng)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(biāo)，其中a *代表紅-綠軸， b*代表黃-藍(lán)軸，它們的值從0 到10。a* = b* = 0表示無(wú)色，因此L

14、 * 就代表從黑到白的比例系數(shù)。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(guān)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(jì)算顏色模型：RGB、CIE XYZ、 L*a*b*、L*u*v*2、視覺(jué)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(lèi)顏色模型的分類(lèi)10.3 顏色不變性(Color Constancy) 對(duì)物體顏色的判斷不受照明條件的影響. 人類(lèi)視覺(jué)具有顏色不變性. 可以認(rèn)為是從圖像顏色中恢復(fù)表面顏色(surface color from image color)的問(wèn)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(xiàn)在物體上反射和吸收的情況，以及攝像機(jī)的光譜響應(yīng)情況決定的.如藍(lán)色物體在日光下呈現(xiàn)藍(lán)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(diǎn)反射的光譜由物體表面光譜反射物體表面一點(diǎn)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(shè)攝像機(jī)在每個(gè)成像位置有假設(shè)攝像機(jī)在每個(gè)成像位置有p個(gè)敏感器，第個(gè)敏感器，第k個(gè)敏感器的光譜響應(yīng)為個(gè)敏感器的光譜響應(yīng)為 ，則圖像上一點(diǎn)處，則圖像上一點(diǎn)處該敏感器的輸出為：該敏感器的輸出為：)(kRdEyxSRyxkk)(),()(),(0 圖像上一點(diǎn)處的顏色信息為：圖像上一點(diǎn)處的顏色信息為：)(),.,(),(21XXXp顏色不變性 顏色不變性就是根據(jù)這些彩色信息恢復(fù)場(chǎng)顏色不變性就是根據(jù)這些彩色信息恢復(fù)場(chǎng)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(xiàn)性模型對(duì)表面光譜反射和通常用有限維線(xiàn)性模型對(duì)表面光譜反射和光源光譜進(jìn)行建模：光源光

17、譜進(jìn)行建模：niiiSyxyxS1)(),(),(mjjjEE1)()( 基于這種有限維線(xiàn)性模型，獲得攝像機(jī)一個(gè)光敏感器的輸出為： ijkmnjijijikmnjijimjjjniiikkkGyxyxdESRyxyxdEyxSyxRdEyxSRyx,1, 1,1, 111, , , ,顏色不變性 dESRGjikijk已知已知問(wèn)題轉(zhuǎn)化為根據(jù)上述等式求解問(wèn)題轉(zhuǎn)化為根據(jù)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(xiàn)性方程組，可寫(xiě)成矩陣形式：形成線(xiàn)性方程組，可寫(xiě)成矩陣形式：當(dāng)當(dāng)p等于等于n時(shí)，求封閉解；時(shí)，求封閉解；p大于大于n時(shí)，求時(shí)，求最小二乘解最小二乘解（2）環(huán)境照明未知首先恢復(fù)環(huán)境照明，然后求解表面反射 假設(shè)環(huán)境照明對(duì)所有點(diǎn)一樣，用多個(gè)場(chǎng)景點(diǎn)信息計(jì)算環(huán)境照明. 從s個(gè)不同的空間點(diǎn)上，可得到sp個(gè)