1 引言

　　當(dāng)光源的色溫[1]發(fā)生改變時(shí)，人眼視覺(jué)系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整光敏感度，使人眼對(duì)物體顏色的感知近似保持不變，這種現(xiàn)象稱為色彩恒常性[2]。然而數(shù)碼相機(jī)等攝像設(shè)備不具備色彩恒常性功能，因此設(shè)備采集的圖像顏色與物體表面的真實(shí)顏色之間存在偏差，即偏色。為了對(duì)物體進(jìn)行色彩的還原，需要利用自動(dòng)白平衡技術(shù)[3]進(jìn)行顏色的校正。

　　2 偏色檢測(cè)方法

　　2.1 顏色空間的選擇

　　在衡量2種顏色之間的偏差程度時(shí)，RGB顏色空間所計(jì)算出的2種顏色之間的距離無(wú)法正確表征人們實(shí)際所感知到的這2種顏色之間的真實(shí)差異。本文采用的是1976年國(guó)際照明委員會(huì)制定的CIELAB顏色空間，其接近人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)色彩的感知特性，具有設(shè)備無(wú)關(guān)性，在輸出顯示中色彩不失真。在Lab顏色空間中，L表示像素亮度，色度分量a為從綠到紅，分量b為從藍(lán)到黃。從RGB空間到Lab空間的轉(zhuǎn)換要經(jīng)由中間參考空間XYZ空間的過(guò)渡[4]。

　　2.2 基于等效圓的偏色檢測(cè)方法

　　根據(jù)文獻(xiàn)[5]，引入等效圓的概念。采用偏色因子K來(lái)衡量圖像的偏色程度，定義為圖像平均色度D和色度中心距C的比值，計(jì)算方法如下：

　　(1)

　　，， (2)

　　，，

　　(3)

　　其中，M、N分別為圖像的寬和高，以像素為單位，P(a)、P(b)分別為a、b位置對(duì)應(yīng)的直方圖。在ab色度平面上，等效圓的中心坐標(biāo)為(da，db)，半徑為C，等效圓的中心到原點(diǎn)的距離為D。記偏色因子閾值為Kfold，若K>Kfold，則認(rèn)為圖像存在偏色，否則認(rèn)為無(wú)色偏，一般取Kfold為1。

　　當(dāng)存在偏色時(shí)，通過(guò)等效圓在ab色度平面上的具體位置來(lái)判斷圖像偏色。偏色等級(jí)分為偏紅、偏藍(lán)、偏綠和偏黃。da≥0，-da≤db≤k1da，為偏紅色;da<0，da≤db≤k2da，為偏綠色;db<0，|da|<|db|為偏藍(lán)色;其他情況為偏黃色。偏色劃分示意圖如圖1所示，通過(guò)對(duì)多幅圖像的測(cè)評(píng)分析，取k1為2，k2為-2。

　　圖1 不同偏色在ab色度平面顯示等效圓

　　3 自動(dòng)白平衡算法

　　3.1 典型的白平衡算法

　　(1)灰度世界法[6]。該算法假設(shè)場(chǎng)景中所有物體表面的平均反射是無(wú)色差的(灰色的)，那么圖像的R、G、B通道統(tǒng)計(jì)平均值相等，表現(xiàn)為一灰度值。根據(jù)該灰度值來(lái)確定各個(gè)通道的增益，進(jìn)而對(duì)圖像進(jìn)行調(diào)整。

　　(2)完美反射法[7]。該算法假設(shè)圖像中最亮點(diǎn)就是白點(diǎn)，即最亮點(diǎn)的R、G、B值均為255。通過(guò)將圖片各通道的值歸一化到最大值來(lái)完成白平衡校正過(guò)程。

　　上述2種顏色校正方法原理比較簡(jiǎn)單，方便硬件實(shí)現(xiàn)。但是當(dāng)其假設(shè)的前提條件不成立時(shí)，比如圖像中存在大面積色塊等明顯的偏色，或者當(dāng)圖像中最亮的點(diǎn)也偏離白色很多的時(shí)候，上述算法的處理結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)明顯的偏差，不能達(dá)到白平衡調(diào)整的效果。

　　3.2 基于圖像偏色檢測(cè)的自動(dòng)白平衡算法

　　(1)白點(diǎn)檢測(cè)[8]

　　在RGB顏色空間中，獲取圖像的原始數(shù)據(jù)(Rorg，Gorg，Borg)，分別對(duì)R、G、B這3個(gè)通道進(jìn)行直方圖均衡化。然后將圖像從RGB顏色空間轉(zhuǎn)換至YCrCb顏色空間[9]，獲得圖像的直方圖均衡化數(shù)據(jù)(YHist，CrHist，CbHist)。從中找出滿足式(4)的所有白像素點(diǎn)：

　　(4)

　　在滿足式(4)的像素點(diǎn)中，以具有最大的YHist值和最接近于零的CrHist、CbHist值找出亮度最高像素點(diǎn)。同時(shí)計(jì)算滿足式(4)所有像素點(diǎn)的平均值。從圖像的直方圖均衡化數(shù)據(jù)中找出滿足式(5)的所有像素點(diǎn)：

　　(5)

　　其中，YL和YH分別為選自和間的最小值和最大值，CrL、CrH、CbL和CbH同理。從該圖像原始數(shù)據(jù)中選取滿足式(5)的對(duì)應(yīng)位置的像素點(diǎn)作為參考白像素，計(jì)算參考白像素的平均值(Rw，Gw，Bw)。

　　(2)增益計(jì)算

　　計(jì)算第一尺度因子(Rscale，Gscale，Bscale)，具體如式(6)所示：

　　(6)

　　Yw為參考白點(diǎn)的亮度平均值。

　　計(jì)算第二尺度因子(RGWA，GGWA，BGWA)，具體如式(7)所示：

　　(7)

　　其中，Gray=(Raver+Gaver+Baver)/3，而(Raver，Gaver，Baver)是圖像RGB顏色空間中的原始數(shù)據(jù)(Rorg，Gorg，Borg)的平均值。

　　當(dāng)圖像偏紅時(shí)，以(RGWA，Gscale，Bscale)為尺度因子進(jìn)行增益計(jì)算。當(dāng)圖像偏藍(lán)時(shí)，以(Rscale，Gscale，BGWA)為尺度因子進(jìn)行增益計(jì)算。當(dāng)圖像偏綠時(shí)，以(Rscale，GGWA，Bscale)為尺度因子進(jìn)行增益計(jì)算。當(dāng)圖像偏黃時(shí)，以(RGWA，GGWA，Bscale)為尺度因子進(jìn)行計(jì)算。

　　(3)偏色校正

　　對(duì)圖像進(jìn)行偏色判斷，若認(rèn)為無(wú)色偏則不對(duì)圖像做任何處理;若判斷存在色偏，根據(jù)偏色等級(jí)得到對(duì)應(yīng)的尺度因子，應(yīng)用Von Kries[10]轉(zhuǎn)化對(duì)圖像的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　4.1 白平衡卡偏色檢驗(yàn)和白平衡處理分析 　　測(cè)試圖像是在色溫為2700K的光源下實(shí)拍的標(biāo)準(zhǔn)白平衡卡，它能提供任意光線下絕對(duì)準(zhǔn)確的白色還原。如圖2(a)所示，算法求得其等效圓圓心為(5.246，23.018)，偏色因子K=8.95，滿足偏黃色條件，所以圖像整體嚴(yán)重偏黃，與主觀評(píng)測(cè)一致。

　　分別用灰度世界法、完美反射法和本文提出的方法進(jìn)行白平衡處理，結(jié)果如圖2所示。采用專業(yè)測(cè)評(píng)軟件Imatest測(cè)試白平衡卡，在CIELAB顏色空間中，考察白平衡誤差△C，計(jì)算式ΔC=((Δa*)2+(Δb*)2+(Δb*)2)1/2，測(cè)試結(jié)果列入表1中。

　　由圖2、表1可以看出，灰度世界方法、完美反射法的處理結(jié)果并不理想。相比之下，本文所提方法的處理結(jié)果顏色誤差小，同時(shí)沒(méi)有基于任何假設(shè)，具有普遍適用性。

　　(a)原始偏色圖像 (b)灰度世界法

　　(c)完美反射法 (d)本文提出的方法

　　圖2 標(biāo)準(zhǔn)白平衡卡白平衡處理結(jié)果

　　表1 白平衡處理后圖像顏色誤差

　　白平衡誤差

　　白平衡方法 △C

　　原始偏色圖像 61.8

　　灰度世界方法 30.7

　　完美反射方法 32.0

　　本文所提方法 4.1

　　4.2 ColorChecker標(biāo)準(zhǔn)色卡白平衡處理和色彩分析

　　在色溫為2700K的光源下拍攝24色標(biāo)準(zhǔn)色卡，其符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3556-1983，得到存在偏色的原始圖像，分別用灰度世界法、完美反射法和本文提出的方法進(jìn)行白平衡處理，結(jié)果如圖3所示：

　　(a)原始偏色圖像 (b)灰度世界法處理

　　(c)完美反射法處理 (d)本文方法處理

　　圖3 ColorChecker標(biāo)準(zhǔn)色卡白平衡處理結(jié)果

　　采用Imatest比較理想值(方塊)和實(shí)際測(cè)量值(圓圈)之間的偏差，結(jié)果如圖4所示。在CIELAB顏色空間中，考察經(jīng)過(guò)飽和度校準(zhǔn)的△C*ab、△E*ab，結(jié)果列入表2。ΔE除計(jì)算顏色誤差ΔC外，還包含明度差，計(jì)算式ΔE=((ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2)1/2。

　　(a)原始圖像顏色誤差 (b)灰度世界法顏色誤差

　　(c)完美反射法顏色誤差 (d)本文所提方法顏色誤差

　　圖4 白平衡處理后圖像顏色誤差比較

　　表2 白平衡處理后圖像顏色誤差

　　顏色誤差

　　(均值)

　　白平衡方法 △C*ab △E*ab

　　原始偏色圖像 32.7 48.3

　　灰度世界方法 17.1 22.5

　　完美反射方法 23.2 31.2

　　本文所提方法 9.53 13.0

　　由圖4、表2可以看出，原始偏色圖像顏色誤差較大，經(jīng)灰度世界法和完美反射法處理后的圖像有所改進(jìn)，而本文所提方法將顏色誤差大幅降低，圖像還原準(zhǔn)確度高。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　從大量圖像的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，本文提出的方法能準(zhǔn)確地反映圖像的色偏程度和白平衡校正。同時(shí)將Imatest軟件應(yīng)用到白平衡檢測(cè)中，使結(jié)果分析更為系統(tǒng)客觀。依據(jù)該方法，筆者已經(jīng)在PC系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了圖像檢測(cè)和白平衡校正系統(tǒng)。將該方法加以延伸，應(yīng)用于視頻圖像的實(shí)時(shí)檢測(cè)和處理中將是下一步努力的方向。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 岡薩雷斯. 數(shù)字圖像處理[M]. 阮秋琦，譯. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2007： 224-228.

　　[2] Ebner M. Evolving color constancy[J]. Pattern Recognition

　　Letters， 2006，27(11)： 1220-1229.

　　[3] Mancuso M， Battiato S. An Introduction to the Digital Still Camera Technology[J]. ST Journal of System Research， 2001，2(2)： 1-9.

　　[4] 劉浩學(xué). CIE均勻顏色空間與色差公式的應(yīng)用[J]. 北京印刷學(xué)院學(xué)報(bào)， 2003，11(3)： 3-8.

　　[5] 徐曉昭，蔡軼珩，劉長(zhǎng)江，等. 基于圖像分析的偏色檢測(cè)及顏色校正方法[J]. 測(cè)控技術(shù)， 2008，27(5)： 10-12.

　　[6] D A Forsyth. A novel algorithm for color constancy[J]. International Journal of Computer Vision， 1990，5(1)： 5-35.

　　[7] Gasparini F， Schettini R. Color balancing of digital photos using simple image statistics[J]. Pattern Recognition， 2004，37(6)： 1201-1217.

　　[8] 哈小美，傅楸善，薛雅全. 白平衡方法[P]. 中國(guó)專利： 200510054583.7， 2006-09-20

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自：http://www.jinnzone.com/dianzijishulw/52373.html