专利名称：基于光谱反射特性与三色成像原理的灰度化方法
技术领域：
本发明涉及数字图象处理领域，尤其是一种基于光谱反射特性与三色成像原 理的灰度化方法。
背景技术：
数字图像处理即是采用计算机对数字图像进行系列操作，从而获得某种预期 结果的技术。数字图像处理与计算技术以及成像技术的发展紧密相连，同时还涉 及数学、光学、电子学、心理学等领域。由于人类对视觉机理的研究起歩较早， 因此可见光波段的成像及数字图像处理技术深受人们的关注。
具有重要意义的三色成像机制，是可见光成像器件的设计基础，它的原理是 根据人眼的光谱量化特点将可见光谱分为红、绿、蓝三个波段，分别形成三色图 像，并利用三色图像的叠加来表示彩色图像。这种彩色图像经数字化后即成为数 字图像处理的基本对象，其中像素的R、 G、 B分量分别反映了成像器件在三原 色波段内对物体反射光谱的采样与量化。详见文献Kenneth R. Castleman著， 朱志刚等译，数字图像处理，电子工业出版社，456-460， 1998。
对灰度图像处理技术的研究起步较早，应用范围非常广泛，至今已形成了一 种较为完善的体系。将彩色图像转化成灰度图像几乎是所有灰度图像处理手段的 第一歩，因此灰度化效果将对后续处理过程产生深远影响。另一方面，在与图像 处理紧密相关的计算机视觉、模式识别等应用领域广泛存在一类研究对象，即目 标和局部背景具有颜色分立特征的彩色图像，如文字识别中的彩色文本图像，智 能交通系统中研究的车牌图像、交通标志图像等。因此，研究这类彩色图像的灰 度化问题具有重要的实际意义。
而现有灰度化技术从数据源上限制了目标和局部背景之间的对比度，对下一 步图像增强手段缓解材料污染，阴影、弱光照等成像条件的影响，提高图像质量 的能力起瓶颈作用。同时这些图像增强手段本身也存在针对性差等缺点，即无法 对目标区域进行直接作用，对背景噪声非常敏感。 发明内容本发明的目的是提供一种基于光谱反射特性与三色成像原理的灰度化方法， 以解决现有技术从数据源上限制目标和局部背景之间对比度的问题，同时提供一 种有效的图像增强手段。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为-
基于光谱反射特性与三色成像原理的灰度化方法，其特征在于所述方法步 骤为
(1) 获取三色成像设备的三原色光谱响应曲线；
(2) 利用三色成像设备对具有颜色分立特征的目标及其局部背景进行成像， 得到彩色数字图像，采用RGB颜色空间表示；
(3) 分析目标和局部背景在可见光波段内的光谱反射特性，分别在三原色 波段内，采用观察法、统计法、测量计算法中的一种或多种方法，比较目标及其 局部背景之间光谱反射特性的差异；
所述观察法为在目标及其局部背景均呈现出肉眼容易辨别的单色或合成色 时，采用肉眼观察直接推断目标及其局部背景在三原色波段内光谱反射特性的
所述统计法为通过肉眼不容易辨别出目标及其局部背景在三原色波段内光 谱反射特性的差异时，在各种强度的光照及不同拍摄角度的情况下，采集大量目 标及其局部背景的彩色图像，利用公式
S》,/《-》,/《
w 「《 / <
计算所有彩色图像
中目标及其局部背景的平均对比度"、式中/表示i 、 G、 S分量之一，c表示 图像序号，？《、A^分别表示目标和局部背景区域的像素总数，iV表示图像总
数，统计并比较i)W、 ￡^、 Z^的数值大小；
所述测量计算法为采用精密仪器测量目标及其局部背景在可见光波段内的
光谱反射特性，利用公式at/二 J i^(义)l^(;i)cu计算二者在三原色波 段内的有效响应率差，式中(;i,a')表示三原色波段，f'(;i)和i^(;i)分别表示目
标和局部背景材料的光谱反射率，为成像设备的三原色光谱响应特性函
5数，/表示i 、 G、 S分量之一，通过计算得到A/7"、 △<、 A^，并比较它们 的数值大小；
(4) 比较目标及其局部背景对应三原色波段的三种反射特性差异，并定义 灰度色-
采用所述观察法时，若观察出在某一个三原色波段内目标及其局部背景的光 谱反射特性差异最为明显，则定义该三原色波段对应的原色为灰度色，若观察结 果是两个或三个三原色波段内差异都比较显著时，按照人眼对三色光谱的敏感性 绿光 > 红光 > 蓝光，定义人眼敏感性较差的光谱色为灰度色；
采用所述统计法时，定义D"、 Z)6、 i^中数值最大的iy所对应的原色为灰
度色，如i)"、 Z)G、""三者数值接近，或其中两者数值较大但接近时，按照人
眼对三色光谱的敏感性绿光 > 红光 > 蓝光，定义人眼敏感性较差的光谱色为灰度 色；
采用所述测量计算法时，定义A/^、 A7e、 A/^中数值最大的A7/'所对应的 原色为灰度色，若A;/"、 A//e、 A;^三者数值接近，或其中两者数值较大但接近
时，按照人眼对三色光谱的敏感性绿光>红光>蓝光，定义人眼敏感性较差的光 谱色为灰度色；
(5) 利用灰度色在RGB彩色空间中对应的分量灰度化彩色图像，采用公式 = 刀进行转换，式中/表示图像的行位置，y表示图像的列位置，
表示灰度图像中的第/行第/列的像素的灰度值，/(/J)表示彩色图像中第M亍第
y列的像素对应于灰度色的i 、 G、 B分量值。
所述的基于光谱反射特性与三色成像原理的灰度化方法，其特征在于所述 三色成像设备可采用数码相机、摄像机或彩色CCD，所述精密仪器可采用分光 光度计。
本发明首次利用成像材料的光谱反射特性与三色成像原理的内在联系实现 彩色图像的灰度化，与现有技术相比具有一些突出的优点在灰度化过程中尽可 能地使目标与局部背景具有较大的对比度是本发明的突出优势，从数据源上增强 了目标区域对比度；同时，该对比度增强法的作用对象非常具体，与传统的图像
6增强方法相比具有得天独厚的优势；此外，还可以有效地削弱材料污染、阴影、
弱光照等成像条件对图像质量的影响，从而提高图像质量。
图l为目标与局部背景颜色分离特性示意图。 图2为典型CCD摄像机的三原色光谱响应曲线示意图。 图3本发明的流程示意图。
具体实施例方式
基于光谱反射特性与三色成像原理的灰度化方法，所述方法步骤为
(1) 获取三色成像设备的三原色光谱响应曲线，三色成像设备是指具有近 似于人眼光谱量化特点的可见光成像设备，其特点如下分别在红、绿、蓝三 个可见光波段上成像，然后将三种图像叠加在一起形成彩色图像，这种叠加近 似产生了真实场景在视网膜上的效果，因此人眼看起来是正常的。通常使用的 彩色照相机、数码相机、摄像机、彩色电视机、彩色CCD都是三色成像设备， 现有真彩色成像几乎都采用三色成像设备。而且这些成像设备的光谱响应曲线 非常相近，均与人眼感光细胞敏感曲线类似，易于获得且通用性强。
(2) 利用三色成像设备对具有颜色分立特征的目标及其局部背景进行成像，
得到彩色数字图像，采用RGB颜色空间表示。所谓目标及其局部背景具有颜色
分立特征是指彩色图像中目标呈现出一种较均匀的颜色，相对于图像整体背 景将包含目标的某一区域定义为目标的局部背景，而且局部背景呈现出区别于 目标的另一种较均匀的颜色。
(3) 分析目标和局部背景在可见光波段内的光谱反射特性，分别在三原色
波段内，采用观察法、统计法、测量计算法中的一种或多种方法，来比较目标和
局部背景之间光谱反射特性的差异；
所述观察法为在目标及其局部背景均呈现出肉眼容易辨别的单色或合成色 时，如目标为白色，局部背景为蓝色，或目标为红色，局部背景为绿色时，采 用肉眼观察直接推断目标及其局部背景在三原色波段内光谱反射特性的差异； 所述统计法为通过肉眼不容易辨别出目标及其局部背景在三原色波段内光 谱反射特性的差异时，在各种强度的光照及不同拍摄角度的情况下，采集大量目 标及其局部背景的彩色图像，利用公式
7中目标及其局部背景的平均对比度D'，式中/表示i 、 G、 S分量之一，c表示 图像序号，A^、 7《分别表示目标和局部背景区域的像素总数，iV表示图像总 数，统计并比较""、0(;、""的数值大小；
所述测量计算法为采用精密仪器测量目标及其局部背景在可见光波段内的
光谱反射特性，利用公式厶//= J" r(义)lr'(;i)^i计算二者在三原色波
段内的有效响应率差，式中(/i，义')表示三原色波段，i^(/i)和/^(/i)分别表示目 标和局部背景材料的光谱反射率，7^(/L)为成像设备的三原色光谱响应特性函
数，/表示及、G、 S分量之一，通过计算得到A;^、 A"g、 A;/B，并比较它们 的数值大小；
(4)比较目标及其局部背景对应三原色波段的三种反射特性差异，并定义 灰度色
采用所述观察法时，若推断出在某一个三原色波段内目标及其局部背景的光 谱反射特性差异最为明显，则定义该三原色波段对应的原色为灰度色，若推断结 果是两个、甚至三个三原色波段内这种差异都比较显著时，如白色目标，蓝色背 景时，通过观察只能推断出二者在红、绿波段具有较显著的反射特性差异，按照 人眼对三色光谱的敏感性绿光 > 红光 > 蓝光，定义人眼敏感性较差的光谱色为灰 度色；
采用所述统计法时，定义Z^、 Z)g、 z/中数值最大的iy所对应的原色为灰
度色，如D"、 De、 D^三者数值接近，或其中两者数值较大但接近时，按照人
眼对三色光谱的敏感性绿光 > 红光 > 蓝光，定义人眼敏感性较差的光谱色为灰度 色；
采用测量计算法时，定义A^、 A;/3、 A^中数值最大的A^所对应的原色
为灰度色，如Az^、 A//6'、 A/^三者数值接近，或其中两者数值较大但接近时， 按照人眼对三色光谱的敏感性绿光 > 红光 > 蓝光，定义人眼敏感性较差的光谱色为灰度色；
(5)利用灰度色在RGB彩色空间中对应的分量灰度化彩色图像，采用公式 /(/,刀=/(/,力进行转换，式中/表示图像的行位置，/表示图像的列位置，/(/,_/)
表示灰度图像中的第/行第J'列的像素的灰度值，/(/,力表示彩色图像中第/行第
y列的像素对应于灰度色的i 、 G、万分量值。
权利要求
1、基于光谱反射特性与三色成像原理的灰度化方法，其特征在于所述方法步骤为(1)获取三色成像设备的三原色光谱响应曲线；(2)利用三色成像设备对具有颜色分立特征的目标及其局部背景进行成像，得到彩色数字图像，采用RGB颜色空间表示；(3)分析目标和局部背景在可见光波段内的光谱反射特性，分别在三原色波段内，采用观察法、统计法、测量计算法中的一种或多种方法，比较目标及其局部背景之间光谱反射特性的差异；所述观察法为在目标及其局部背景均呈现出肉眼容易辨别的单色或合成色时，采用肉眼观察直接推断目标及其局部背景在三原色波段内光谱反射特性的差异；所述统计法为通过肉眼不容易辨别出目标及其局部背景在三原色波段内光谱反射特性的差异时，在各种强度的光照及不同拍摄角度的情况下，采集大量目标及其局部背景的彩色图像，利用公式计算所有彩色图像中目标及其局部背景的平均对比度DI，式中I表示R、G、B分量之一，c表示图像序号，分别表示目标和局部背景区域的像素总数，N表示图像总数，统计并比较DR、DG、DB的数值大小；所述测量计算法为采用精密仪器测量目标及其局部背景在可见光波段内的光谱反射特性，利用公式计算二者在三原色波段内的有效响应率差，式中(λ，λ′)表示三原色波段，RT(λ)和RB(λ)分别表示目标和局部背景材料的光谱反射率，TI(λ)为成像设备的三原色光谱响应特性函数，I表示R、G、B分量之一，通过计算得到ΔηR、ΔηG、ΔηB，并比较它们的数值大小；(4)比较目标及其局部背景对应三原色波段的三种反射特性差异，并定义灰度色采用所述观察法时，若观察出在某一个三原色波段内目标及其局部背景的光谱反射特性差异最为明显，则定义该三原色波段对应的原色为灰度色，若观察结果是两个或三个三原色波段内差异都比较显著时，按照人眼对三色光谱的敏感性绿光>红光>蓝光，定义人眼敏感性较差的光谱色为灰度色；采用所述统计法时，定义DR、DG、DB中数值最大的DI所对应的原色为灰度色，如DR、DG、DB三者数值接近，或其中两者数值较大但接近时，按照人眼对三色光谱的敏感性绿光>红光>蓝光，定义人眼敏感性较差的光谱色为灰度色；采用所述测量计算法时，定义ΔηR、ΔηG、ΔηB中数值最大的ΔηI所对应的原色为灰度色，若ΔηR、ΔηG、ΔηB三者数值接近，或其中两者数值较大但接近时，按照人眼对三色光谱的敏感性绿光>红光>蓝光，定义人眼敏感性较差的光谱色为灰度色；(5)利用灰度色在RGB彩色空间中对应的分量灰度化彩色图像，采用公式f(i，j)＝I(i，j)进行转换，式中i表示图像的行位置，j表示图像的列位置，f(i，j)表示灰度图像中的第i行第j列的像素的灰度值，I(i，j)表示彩色图像中第i行第j列的像素对应于灰度色的R、G、B分量值。
2、根据权利要求1所述的基于光谱反射特性与三色成像原理的灰度化方法， 其特征在于所述三色成像设备可采用数码相机、摄像机或彩色CCD，所述精 密仪器可采用分光光度计。
全文摘要
本发明涉及一种基于光谱反射特性与三色成像原理的灰度化方法，它适用于目标和局部背景具有颜色分立特征的彩色图像。该方法首先对目标和局部背景在可见光波段内的光谱反射特性进行分析；其次，分别在成像设备的三原色波段内比较两种光谱反射特性的差异；然后，将差异最大的波段所对应的颜色定义为灰度色；最后，利用灰度色在RGB彩色空间中对应的分量灰度化彩色图像。与现有的方法相比，本发明方法兼具灰度化功能以及从数据源上有针对性地增强目标区域对比度的功能，同时还可以有效地削弱材料污染、阴影、弱光照等成像条件对图像质量的影响。
文档编号G01J3/42GK101499167SQ20091011637
公开日2009年8月5日 申请日期2009年3月17日 优先权日2009年3月17日
发明者周哲帅, 华 杨, 星 杨, 黄超超 申请人:星 杨