Цифровые изображения и цветовые характеристики

Размещено на http://www.allbest.ru/

¹ФГБУН Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СОРАН, г. Новосибирск,

²Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет», г. Новосибирск

Цифровые изображения и цветовые характеристики

И.Г. Пальчикова^1,2, Е.С. Смирнов¹, Т.В. Ярушин²

Предложен и рассмотрен способ калибровки процедуры нахождения цветовых характеристик (доминирующей длины волны и насыщенности) цифровых изображений, который позволяет определять длину волны спектральных цветов образцов с точностью ±2 нм в диапазоне 380 _ 645 нм.

В настоящее время в области компьютерного зрения [1] широко обсуждаются вопросы цветового восприятия [2], а методы цветовых измерений являются актуальным инструментом в ряде научно-технических задач, таких как сортировка объектов по цвету [3], определение качества мясного сырья [4], выявление сравнительных цветовых характеристики различных образцов в криминалистике и т.д. Инструментальный метод, основанный на математической обработке цветного цифрового изображения, позволяет объективно выполнить измерения цвета на цифровом изображении и выразить результаты в количественном виде.

В работе предложен метод калибровки цифровых измерительных колориметрических устройств и разработан уточненный алгоритм расчета доминирующей длины волны на цифровом изображении, который позволяет повысить достоверность и точность определения спектральных цветов до значения ± 2 нм. калибровка цветовой цифровой изображение

Основные характеристики цвета [2] (доминирующая длина волны, насыщенность, яркость, светлота) определяются в цветовых пространствах с помощью цветовых координат (компонент). Наиболее известные пространства - это пространство RGB, в котором цвет количественно измеряется и выражается эталонными излучениями, смешиваемыми в определенных пропорциях. Для измерения цвета наиболее часто используется эталонная цветовая модель CIE XYZ, которая была задана в строгом математическом смысле Международной комиссией по освещению (МКО - CIE) в 1931 году.

а)б)

Рисунок 1. (а) - цветовой гамут МКО, (б) - иллюстрация к определению доминирующей длины волны цвета по локусу.

Цветовые пространства можно подразделить на: аппаратно-ориентированные пространства; пространства, ориентированные на визуальное восприятие человеком; пространства, ориентированные на инструментальное использование. Каждый пиксель цифрового цветного изображения содержит три целых значения интенсивности R, G, B в диапазоне от 0 до 255 для 8-битного представлении цвета, от которых зависит и доминирующая длина волны света, излучаемого пикселем, и его насыщенность. Координаты XYZ связаны с RGB следующими соотношениями:

;

;

.

Значения координат цвета x, y определяются по формулам [2]:

, .

Насыщенность s рассчитывается с помощью следующего выражения:

,

где x_src и y_src - координаты цветности источника, W_x и W_y - координаты цветности доминирующей длины волны, полученные в точке пересечения цветового локуса с прямой, соединяющей точку источника (x_src, y_src) с точкой цвета (x, y) измеренного объекта, как показано графически на рисунке 1 б.

Для анализа цвета образцов нами был разработан портативный анализатор цвета [4], внешний вид которого представлен на рисунке 2. Основными элементами измерительного блока являются: осветитель и цветная телевизионная камера «Видеоскан 415Ц USB» (НПК Видеоскан). Размер исследуемого образца, помещаемого в кювету, определяется измерительным объемом анализатора цвета. Площадь поверхности кюветы прибора 50 см². При необходимости образец освещается внутренним (светодиоды), или внешним осветителем (галогенные лампы), источник типа D [5].

Процесс определения цветовых характеристик включает подготовку образца, получение и регистрацию изображений образца цифровой камерой в графическом формате, сохранение в ПК и затем следует обработка файла по алгоритмам, выделяющим цветовые характеристики. С помощью разработанной нами программы VT на основе значений цветовых координат пикселей вычисляется значение доминирующей длины волны и насыщенности в выделенной части кадра.

Доминирующая длина волны (л_d) и насыщенность (s) для каждого пикселя изображения вычисляются с использованием спектрального локуса [1], который является геометрическим местом точек цветности монохроматических излучений. Точки внутри локуса соответствуют видимым цветам. Чтобы определить л_d и s, кроме цветовых координат текущего пикселя, необходимо задать цветовые координаты источника света (ИС). В программе используются координаты равноэнергетического белого цвета E: (3333,3333).

1 - измерительный блок; 2 - кабель USB; 3 - кабель питания внутреннего осветителя; 4 _ компьютер; 5 _ ярлык программы VT; 6 - кювета для исследуемого образца; 7 - лопатка; 8 _ сменные стойки; 9 - сменная верхняя крышка защитного корпуса; 10 - кронштейн световода внешнего осветителя.

Рисунок 2 - Внешний вид портативного анализатора цвета.

Чтобы оценить эффективность передачи цвета, в качестве эталонных образцов сравнения использовались разработанные оттиски цветов в диапазоне длин волн 380 _ 645 нм с шагом 1 нм и специальные атласы для калибровки цветопередачи Datacolor SpyderCheckr™. Исходные изображения для печати в формате RGB были рассчитаны и сохранены в файлы для печати программой Spectra [6].

Изображения цветовых элементов атласа попиксельно нормировались на фоновое изображение. В качестве фона выбрана белая матовая фотографическая бумага для струйной печати. Фон фотографировался перед съёмкой цвета один раз и сохранялся в виде графического файла. По нормированному изображению вычисляется доминирующая длина волны и насыщенность. Координаты источника света Е используются нами для каждого нормированного изображения при нормировании на белый фон.

На рисунке 3 представлены графики, характеризующие цветопередачу разными камерами. По оси абсцисс указана доминирующая длина волны паспортизованных элементов атласа, по оси ординат - определенная анализатором цвета. Линия в крупную точку соответствует передаче длин волн камерой EVS (ООО ЭВС), линия в мелкую точку и сплошная показывают передачу длин волн камерой «Видеоскан 415Ц USB» с разными (ярким и темным) источниками освещения. Пунктирная линия показывает идеальное соответствие паспортных и вычисленных величин доминирующих длин волн элементов атласа. Графики цветопередачи для разных камер, с разными матрицами идентичны и практически совпадают друг с другом, что позволяет сделать вывод о наличии связи хода кривой графика с параметрами локуса. Точки графиков расположены таким образом, что координаты значений можно скорректировать до совпадения с пунктирной линией идеальной цветопередачи. То есть для получения достоверных количественных данных о цвете, возможно провести корректировку для используемой камеры.

Рисунок 3 - Цветопередача анализатора с различными камерами.

Проанализируем цветовой локус. Его форма (рисунок 1б) в значительной степени влияет на величину коррекции вычисленных длин волн.

Исследование формы локуса выявило (см. рисунок 4), что в точке на локусе (496,2 нм), в которой угол между касательной к локусу и осью абсцисс составляет 90є, происходит смена знака угла б (разрыв) в зависимости б(л), где б - угол наклона кривой локуса. Зависимость tgб(л) представлена графически на рисунке 4а, где пунктирной линией показан график изменения угла наклона касательной к локусу, и сплошной линией - тангенс этого угла. На рисунке 4б совмещены: пунктирная кривая - угол наклона касательной к локусу, {дополнительная ось значений, масштаб 20:1, градусы}; точечная линия - величина поправки для работы с камерой EVS; сплошными линиями показаны величины поправок, вносимых при работе с камерой «Видеоскан 415Ц USB» для яркого светодиодного освещения и для тусклого освещения - тонкая и жирная линии, соответственно.

Внесение корректировок согласно данным, представленным на рисунке 3, позволяет определить доминирующую длину волны с точностью, не хуже ±2 нм.

а)б)

Рисунок 4 - К исследованию формы локуса для колориметрического наблюдателя с углом зрения 10є.

Прежде чем остановиться на выборе в качестве координат осветителя источник E, мы проанализировали возможность нахождения координат ИС, расположенных на локусе Планка (рисунок 5) с различными цветовыми температурами в зависимости от определенных по локусу доминирующих длин волн и известных значений длин волн с шагом 5 нм. В качестве локуса Планка использована аппроксимация точек координат различных источников от 3000 до 12000єK.

Рисунок 5 - Локус для колориметрического наблюдателя с углом зрения 10є с источниками света на локусе Планка.

На рисунке 5 сплошная линия с черными треугольниками отмечает локус, координаты которого внесены в алгоритм программы. Длины волн, цветовые координаты которых лежат между внесенными точками интерполируются линейно. Координаты подобранных ИС обозначены точками на локусе Планка.

На рисунке 6 представлены результаты подбора единого ИС. Такого источника не оказалось. На графике образовалось два разрыва в местах, для которых без изменения цветового тона ИС не существует точек пересечения локуса Планка с прямой линией, содержащей координаты известной и рассчитанной доминирующих длин волн.

Способ корректировки доминирующей длины волны в изображении путем смещения координат ИС на локусе Планка несомненно, представляется не вполне корректным и может вызвать значительную критику.

Рисунок 6 - Зависимость температуры ИС от длины волны образца атласа.

Выводы

Установлен инструментальный метод определения цветовых характеристик (длина волны и насыщенность) и цветовых различий поверхностей образцов, как образцов мясного сырья, так и пигментированных лакокрасочных материалов, чернил и покрытий. Показана возможность и обоснована необходимость проведения калибровки цифровых измерительных колориметрических устройств и уточнения алгоритма расчета доминирующей длины волны.

Разработанный способ расчета поправок в значения доминирующих длин волн цифровых изображений позволяет повысить достоверность и точность определения спектральных цветов до значения не более ± 2 нм в диапазоне 380 - 645 нм.

Разработан портативный анализатор цвета, в качестве основного элемента измерительного блока используется цветная телевизионная камера «Видеоскан 415Ц USB».

Анализатор не только определяет количественные параметры цвета образцов, но и позволяет контролировать величину их изменения с высокой точностью. В частности, с помощью разработанного анализатора возможно выявление элементов цветовых эталонов, подвергающихся старению, которое приводит к изменению цвета со временем.

Увеличение точности определения доминирующих длин волн в изображении позволяет использовать полученные значения для оценки не только визуальных, но и количественных характеристик образцов.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №12-08-00396-а.

Литература

1. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений // Москва: Техносфера, 2012. - 1104 с.

2. Луизов А.В. Цвет и свет // Л.: Энергоатомиздат, 1989. - 256 с.: ил.

3. Завьялова М.А., Обидин Ю.В. Быстродействующий колориметрический метод для автоматической классификации алмазов по цвету // Вестник СГГА. -2010. - Вып. 2(13) - С.101 - 106.

4. Алейников А.Ф., Пальчикова И.Г., Обидин Ю.В., Гляненко В.С., Смирнов Е.С., Чугуй Ю.В., Швыдков А. Н. Установки для экспресс-оценки свежести мяса // Достижения науки и техники АПК.- 2013- № 4.- С. 74-77.

5. ГОСТ 7721-89. Источники света для измерений цвета. Типы. Технические требования. Маркировка. // Москва: Государственный комитет по стандартам. Издательство стандартов, 1989: [сайт]. URL: http://standartgost.ru/ГОСТ%207721_89.

6. Efg's Computer lab: [сайт]. URL: http://www.efg2.com/Lab/ScienceAndEngineering/Spectra.htm.

Размещено на Allbest.ru