專利名稱：基于光譜反射特性與三色成像原理的灰度化方法
技術領域：
本發明涉及數字圖象處理領域，尤其是一種基于光譜反射特性與三色成像原 理的灰度化方法。
背景技術：
數字圖像處理即是采用計算機對數字圖像進行系列操作，從而獲得某種預期 結果的技術。數字圖像處理與計算技術以及成像技術的發展緊密相連，同時還涉 及數學、光學、電子學、心理學等領域。由于人類對視覺機理的研究起歩較早， 因此可見光波段的成像及數字圖像處理技術深受人們的關注。
具有重要意義的三色成像機制，是可見光成像器件的設計基礎，它的原理是 根據人眼的光譜量化特點將可見光譜分為紅、綠、藍三個波段，分別形成三色圖 像，并利用三色圖像的疊加來表示彩色圖像。這種彩色圖像經數字化后即成為數 字圖像處理的基本對象，其中像素的R、 G、 B分量分別反映了成像器件在三原 色波段內對物體反射光譜的采樣與量化。詳見文獻Kenneth R. Castleman著， 朱志剛等譯，數字圖像處理，電子工業出版社，456-460， 1998。
對灰度圖像處理技術的研究起步較早，應用范圍非常廣泛，至今已形成了一 種較為完善的體系。將彩色圖像轉化成灰度圖像幾乎是所有灰度圖像處理手段的 第一歩，因此灰度化效果將對后續處理過程產生深遠影響。另一方面，在與圖像 處理緊密相關的計算機視覺、模式識別等應用領域廣泛存在一類研究對象，即目 標和局部背景具有顏色分立特征的彩色圖像，如文字識別中的彩色文本圖像，智 能交通系統中研究的車牌圖像、交通標志圖像等。因此，研究這類彩色圖像的灰 度化問題具有重要的實際意義。
而現有灰度化技術從數據源上限制了目標和局部背景之間的對比度，對下一 步圖像增強手段緩解材料污染，陰影、弱光照等成像條件的影響，提高圖像質量 的能力起瓶頸作用。同時這些圖像增強手段本身也存在針對性差等缺點，即無法 對目標區域進行直接作用，對背景噪聲非常敏感。 發明內容本發明的目的是提供一種基于光譜反射特性與三色成像原理的灰度化方法， 以解決現有技術從數據源上限制目標和局部背景之間對比度的問題，同時提供一 種有效的圖像增強手段。
為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為-
基于光譜反射特性與三色成像原理的灰度化方法，其特征在于所述方法步 驟為
(1) 獲取三色成像設備的三原色光譜響應曲線；
(2) 利用三色成像設備對具有顏色分立特征的目標及其局部背景進行成像， 得到彩色數字圖像，采用RGB顏色空間表示；
(3) 分析目標和局部背景在可見光波段內的光譜反射特性，分別在三原色 波段內，采用觀察法、統計法、測量計算法中的一種或多種方法，比較目標及其 局部背景之間光譜反射特性的差異；
所述觀察法為在目標及其局部背景均呈現出肉眼容易辨別的單色或合成色 時，采用肉眼觀察直接推斷目標及其局部背景在三原色波段內光譜反射特性的
所述統計法為通過肉眼不容易辨別出目標及其局部背景在三原色波段內光 譜反射特性的差異時，在各種強度的光照及不同拍攝角度的情況下，采集大量目 標及其局部背景的彩色圖像，利用公式
S》,/《-》,/《
w 「《 / <
計算所有彩色圖像
中目標及其局部背景的平均對比度"、式中/表示i 、 G、 S分量之一，c表示 圖像序號，？《、A^分別表示目標和局部背景區域的像素總數，iV表示圖像總
數，統計并比較i)W、 ￡^、 Z^的數值大小；
所述測量計算法為采用精密儀器測量目標及其局部背景在可見光波段內的
光譜反射特性，利用公式at/二 J i^(義)l^(;i)cu計算二者在三原色波 段內的有效響應率差，式中(;i,a')表示三原色波段，f'(;i)和i^(;i)分別表示目
標和局部背景材料的光譜反射率，為成像設備的三原色光譜響應特性函
5數，/表示i 、 G、 S分量之一，通過計算得到A/7"、 △<、 A^，并比較它們 的數值大小；
(4) 比較目標及其局部背景對應三原色波段的三種反射特性差異，并定義 灰度色-
采用所述觀察法時，若觀察出在某一個三原色波段內目標及其局部背景的光 譜反射特性差異最為明顯，則定義該三原色波段對應的原色為灰度色，若觀察結 果是兩個或三個三原色波段內差異都比較顯著時，按照人眼對三色光譜的敏感性 綠光 > 紅光 > 藍光，定義人眼敏感性較差的光譜色為灰度色；
采用所述統計法時，定義D"、 Z)6、 i^中數值最大的iy所對應的原色為灰
度色，如i)"、 Z)G、""三者數值接近，或其中兩者數值較大但接近時，按照人
眼對三色光譜的敏感性綠光 > 紅光 > 藍光，定義人眼敏感性較差的光譜色為灰度 色；
采用所述測量計算法時，定義A/^、 A7e、 A/^中數值最大的A7/'所對應的 原色為灰度色，若A;/"、 A//e、 A;^三者數值接近，或其中兩者數值較大但接近
時，按照人眼對三色光譜的敏感性綠光>紅光>藍光，定義人眼敏感性較差的光 譜色為灰度色；
(5) 利用灰度色在RGB彩色空間中對應的分量灰度化彩色圖像，采用公式 = 刀進行轉換，式中/表示圖像的行位置，y表示圖像的列位置，
表示灰度圖像中的第/行第/列的像素的灰度值，/(/J)表示彩色圖像中第M亍第
y列的像素對應于灰度色的i 、 G、 B分量值。
所述的基于光譜反射特性與三色成像原理的灰度化方法，其特征在于所述 三色成像設備可采用數碼相機、攝像機或彩色CCD，所述精密儀器可采用分光 光度計。
本發明首次利用成像材料的光譜反射特性與三色成像原理的內在聯系實現 彩色圖像的灰度化，與現有技術相比具有一些突出的優點在灰度化過程中盡可 能地使目標與局部背景具有較大的對比度是本發明的突出優勢，從數據源上增強 了目標區域對比度；同時，該對比度增強法的作用對象非常具體，與傳統的圖像
6增強方法相比具有得天獨厚的優勢；此外，還可以有效地削弱材料污染、陰影、
弱光照等成像條件對圖像質量的影響，從而提高圖像質量。
圖l為目標與局部背景顏色分離特性示意圖。 圖2為典型CCD攝像機的三原色光譜響應曲線示意圖。 圖3本發明的流程示意圖。
具體實施例方式
基于光譜反射特性與三色成像原理的灰度化方法，所述方法步驟為
(1) 獲取三色成像設備的三原色光譜響應曲線，三色成像設備是指具有近 似于人眼光譜量化特點的可見光成像設備，其特點如下分別在紅、綠、藍三 個可見光波段上成像，然后將三種圖像疊加在一起形成彩色圖像，這種疊加近 似產生了真實場景在視網膜上的效果，因此人眼看起來是正常的。通常使用的 彩色照相機、數碼相機、攝像機、彩色電視機、彩色CCD都是三色成像設備， 現有真彩色成像幾乎都采用三色成像設備。而且這些成像設備的光譜響應曲線 非常相近，均與人眼感光細胞敏感曲線類似，易于獲得且通用性強。
(2) 利用三色成像設備對具有顏色分立特征的目標及其局部背景進行成像，
得到彩色數字圖像，采用RGB顏色空間表示。所謂目標及其局部背景具有顏色
分立特征是指彩色圖像中目標呈現出一種較均勻的顏色，相對于圖像整體背 景將包含目標的某一區域定義為目標的局部背景，而且局部背景呈現出區別于 目標的另一種較均勻的顏色。
(3) 分析目標和局部背景在可見光波段內的光譜反射特性，分別在三原色
波段內，采用觀察法、統計法、測量計算法中的一種或多種方法，來比較目標和
局部背景之間光譜反射特性的差異；
所述觀察法為在目標及其局部背景均呈現出肉眼容易辨別的單色或合成色 時，如目標為白色，局部背景為藍色，或目標為紅色，局部背景為綠色時，采 用肉眼觀察直接推斷目標及其局部背景在三原色波段內光譜反射特性的差異； 所述統計法為通過肉眼不容易辨別出目標及其局部背景在三原色波段內光 譜反射特性的差異時，在各種強度的光照及不同拍攝角度的情況下，采集大量目 標及其局部背景的彩色圖像，利用公式
7中目標及其局部背景的平均對比度D'，式中/表示i 、 G、 S分量之一，c表示 圖像序號，A^、 7《分別表示目標和局部背景區域的像素總數，iV表示圖像總 數，統計并比較""、0(;、""的數值大小；
所述測量計算法為采用精密儀器測量目標及其局部背景在可見光波段內的
光譜反射特性，利用公式厶//= J" r(義)lr'(;i)^i計算二者在三原色波
段內的有效響應率差，式中(/i，義')表示三原色波段，i^(/i)和/^(/i)分別表示目 標和局部背景材料的光譜反射率，7^(/L)為成像設備的三原色光譜響應特性函
數，/表示及、G、 S分量之一，通過計算得到A;^、 A"g、 A;/B，并比較它們 的數值大小；
(4)比較目標及其局部背景對應三原色波段的三種反射特性差異，并定義 灰度色
采用所述觀察法時，若推斷出在某一個三原色波段內目標及其局部背景的光 譜反射特性差異最為明顯，則定義該三原色波段對應的原色為灰度色，若推斷結 果是兩個、甚至三個三原色波段內這種差異都比較顯著時，如白色目標，藍色背 景時，通過觀察只能推斷出二者在紅、綠波段具有較顯著的反射特性差異，按照 人眼對三色光譜的敏感性綠光 > 紅光 > 藍光，定義人眼敏感性較差的光譜色為灰 度色；
采用所述統計法時，定義Z^、 Z)g、 z/中數值最大的iy所對應的原色為灰
度色，如D"、 De、 D^三者數值接近，或其中兩者數值較大但接近時，按照人
眼對三色光譜的敏感性綠光 > 紅光 > 藍光，定義人眼敏感性較差的光譜色為灰度 色；
采用測量計算法時，定義A^、 A;/3、 A^中數值最大的A^所對應的原色
為灰度色，如Az^、 A//6'、 A/^三者數值接近，或其中兩者數值較大但接近時， 按照人眼對三色光譜的敏感性綠光 > 紅光 > 藍光，定義人眼敏感性較差的光譜色為灰度色；
(5)利用灰度色在RGB彩色空間中對應的分量灰度化彩色圖像，采用公式 /(/,刀=/(/,力進行轉換，式中/表示圖像的行位置，/表示圖像的列位置，/(/,_/)
表示灰度圖像中的第/行第J'列的像素的灰度值，/(/,力表示彩色圖像中第/行第
y列的像素對應于灰度色的i 、 G、萬分量值。
權利要求
1、基于光譜反射特性與三色成像原理的灰度化方法，其特征在于所述方法步驟為(1)獲取三色成像設備的三原色光譜響應曲線；(2)利用三色成像設備對具有顏色分立特征的目標及其局部背景進行成像，得到彩色數字圖像，采用RGB顏色空間表示；(3)分析目標和局部背景在可見光波段內的光譜反射特性，分別在三原色波段內，采用觀察法、統計法、測量計算法中的一種或多種方法，比較目標及其局部背景之間光譜反射特性的差異；所述觀察法為在目標及其局部背景均呈現出肉眼容易辨別的單色或合成色時，采用肉眼觀察直接推斷目標及其局部背景在三原色波段內光譜反射特性的差異；所述統計法為通過肉眼不容易辨別出目標及其局部背景在三原色波段內光譜反射特性的差異時，在各種強度的光照及不同拍攝角度的情況下，采集大量目標及其局部背景的彩色圖像，利用公式計算所有彩色圖像中目標及其局部背景的平均對比度DI，式中I表示R、G、B分量之一，c表示圖像序號，分別表示目標和局部背景區域的像素總數，N表示圖像總數，統計并比較DR、DG、DB的數值大小；所述測量計算法為采用精密儀器測量目標及其局部背景在可見光波段內的光譜反射特性，利用公式計算二者在三原色波段內的有效響應率差，式中(λ，λ′)表示三原色波段，RT(λ)和RB(λ)分別表示目標和局部背景材料的光譜反射率，TI(λ)為成像設備的三原色光譜響應特性函數，I表示R、G、B分量之一，通過計算得到ΔηR、ΔηG、ΔηB，并比較它們的數值大小；(4)比較目標及其局部背景對應三原色波段的三種反射特性差異，并定義灰度色采用所述觀察法時，若觀察出在某一個三原色波段內目標及其局部背景的光譜反射特性差異最為明顯，則定義該三原色波段對應的原色為灰度色，若觀察結果是兩個或三個三原色波段內差異都比較顯著時，按照人眼對三色光譜的敏感性綠光>紅光>藍光，定義人眼敏感性較差的光譜色為灰度色；采用所述統計法時，定義DR、DG、DB中數值最大的DI所對應的原色為灰度色，如DR、DG、DB三者數值接近，或其中兩者數值較大但接近時，按照人眼對三色光譜的敏感性綠光>紅光>藍光，定義人眼敏感性較差的光譜色為灰度色；采用所述測量計算法時，定義ΔηR、ΔηG、ΔηB中數值最大的ΔηI所對應的原色為灰度色，若ΔηR、ΔηG、ΔηB三者數值接近，或其中兩者數值較大但接近時，按照人眼對三色光譜的敏感性綠光>紅光>藍光，定義人眼敏感性較差的光譜色為灰度色；(5)利用灰度色在RGB彩色空間中對應的分量灰度化彩色圖像，采用公式f(i，j)＝I(i，j)進行轉換，式中i表示圖像的行位置，j表示圖像的列位置，f(i，j)表示灰度圖像中的第i行第j列的像素的灰度值，I(i，j)表示彩色圖像中第i行第j列的像素對應于灰度色的R、G、B分量值。
2、根據權利要求1所述的基于光譜反射特性與三色成像原理的灰度化方法， 其特征在于所述三色成像設備可采用數碼相機、攝像機或彩色CCD，所述精 密儀器可采用分光光度計。
全文摘要
本發明涉及一種基于光譜反射特性與三色成像原理的灰度化方法，它適用于目標和局部背景具有顏色分立特征的彩色圖像。該方法首先對目標和局部背景在可見光波段內的光譜反射特性進行分析；其次，分別在成像設備的三原色波段內比較兩種光譜反射特性的差異；然后，將差異最大的波段所對應的顏色定義為灰度色；最后，利用灰度色在RGB彩色空間中對應的分量灰度化彩色圖像。與現有的方法相比，本發明方法兼具灰度化功能以及從數據源上有針對性地增強目標區域對比度的功能，同時還可以有效地削弱材料污染、陰影、弱光照等成像條件對圖像質量的影響。
文檔編號G01J3/42GK101499167SQ20091011637
公開日2009年8月5日 申請日期2009年3月17日 優先權日2009年3月17日
發明者周哲帥, 華 楊, 星 楊, 黃超超 申請人:星 楊