Розглянуто принципи локальної корекції з вікном кольоровості мінімальних розмірів. Показано, що мінімальні розміри вікна кольоровості визначаються порогами цветоразличения і чутливістю до зміни кольоровості при формуванні меж вікна. Використання функцій чутливості дозволяє описати процедуру формування вікна мінімальних розмірів і з заданою вірогідністю встановити його розміри.

Анотація наукової статті за медичними технологіями, автор наукової роботи - Биков Роберт Євгенович.


Local color correction with a chromaticity window of the minimum sizes

The principles of local color correction with a chromaticity window of the minimum sizes are considered. It is shown that the minimum sizes of a chromaticity window are defined by thresholds of color discrimination and sensitivity to chromaticity change when forming borders of a window. Use of sensitivity functions allows to describe the formation procedure of a window of the minimum sizes and to establish its size with the set probability.


Область наук:
  • Медичні технології
  • Рік видавництва діє до: 2013
    Журнал
    Известия вищих навчальних закладів Росії. Радіоелектроніка
    Наукова стаття на тему 'ЛОКАЛЬНА кольорокорекції З вікном КОЛЬОРОВОСТІ МІНІМАЛЬНИХ РОЗМІРІВ'

    Текст наукової роботи на тему «ЛОКАЛЬНА кольорокорекції З вікном КОЛЬОРОВОСТІ МІНІМАЛЬНИХ РОЗМІРІВ»

    ?Телебачення і обробка зображень

    УДК 615.471.03: 616-072 / 073

    Р. Є. Биков

    Санкт-Петербурзький державний електротехнічний університет "ЛЕТІ" ім. В. І. Ульянова (Леніна)

    Локальна корекція з вікном кольоровості мінімальних розмірів

    Розглянуто принципи локальної корекції з вікном кольоровості мінімальних розмірів. Показано, що мінімальні розміри вікна кольоровості визначаються порогами цветоразличения і чутливістю до зміни кольоровості при формуванні меж вікна. Використання функцій чутливості дозволяє описати процедуру формування вікна мінімальних розмірів і з заданою вірогідністю встановити його розміри.

    Телебачення, локальна корекція, пороги цветоразличения, кольоровість, якість зображення

    У завданнях, пов'язаних зі сприйняттям кольорового телевізійного зображення, методи оцінки та корекції якості відтворення досить добре досліджені. У пристроях автоматичної класифікації елементів зображення виникають проблеми, викликані змінами спектрального складу джерела освітлення, метамерією і іншими зовнішніми факторами, що в ряді випадків призводить до необхідності використання еталонів кольоровості або корекції сигналів зображення [1].

    Колірну корекцію в системах відтворення зображення можна віднести до всього зображення - глобальна корекція, до виділеної частини зображення - локальна корекція або до окремих елементів - поелементно.

    Глобальна корекція широко використовується для мінімізації спотворень, викликаних, наприклад, зміною спектрального складу джерела освітлення: Р1 (А) ^ р (АХ

    В цьому випадку при Р1 (А) і Р> (А) для кожного елемента зображення в] -м квіткоділенням каналі координати кольоровості т: ( »21, т2) визначаються наступним чином:

    А "

    т

    I

    Ж ^ 1) (А) у у (А) й А

    А Атаху (Т) \

    ? | Ж) р) (А) у (А) йА

    1 _1 АТТ

    т

    (Р2) __Ат

    тах

    I

    Р2) (А) у (А) й А

    А Атаху

    ? | Ж) Р2 ЧА) у (А) йА

    ] _1 Ат, п

    де Ат, п, Атаху - спектральний діапазон чутливості перетворювача зображення; А - довжина хвилі вхідного випромінювання; А - кількість спектральних інтервалів; Ж (А) _ Р (А) р (А); у (А) - спектральна чутливість перетворювача зображення, причому Р (А), р (А) -спектральние характеристики джерел освітлення і відображення ділянки досліджуваної сцени відповідно.

    Маніпулюючи сигналами в кожному з кольорово-ділених каналів, колір (кольоровість) в колірному

    (Р2)

    просторі можна скорегувати: т \ '_

    (Р) (Р)

    _ До ^ т ^ 2 '_ т ^ 1, де kj - коефіцієнт корекції (посилення).

    При глобальної корекції це співвідношення виконується для всіх елементів зображення, т. Е. Не дивлячись на відмінність р (А) для різних елементів зображення реалізується тотожність

    | Р (А) [Р1 (А) - кр (А)] й А _ 0. (1)

    40

    © Биков Р. Е., 2013

    З урахуванням того, що р (А,) - невід'ємна безперервна функція, співвідношення (1) виконується тільки за умови Р1 до] Р2 = 0.

    Корекція здійснюється на всіх ділянках зображення обраного кольору (кольоровості) за умови

    до, - = т \ '' / т

    (Р2)]

    (2)

    При цьому виникають зміни кольору окремих ділянок зображення можуть носити характер колірних спотворень. Це призводять до необхідності обмеження ступеня корекції (до-) обраного кольору. В реальних умовах

    "Одноколірні" об'єкти, колір яких не виходить за область, задану порогами розрізнення по кольоровості і за яскравістю, зустрічаються рідко. Як правило, колір об'єкта охоплює певну область в колірному просторі. Отже, необхідна точність реалізації співвідношення (2) повинна бути обмежена порогами розрізнення по кольоровості і яскравості в реальних умовах спостереження телевізійного зображення або заданим допустимим рівнем колірних спотворень. В автоматизованих системах цей компроміс встановлюється умовами розв'язуваної задачі.

    При глобальної корекції по кольоровості в якості критерію оптимізації в мовному телебаченні використовують якість відтворення "значущих" квітів (колір шкіри людини, колір білого і ін.), А в якості обмежуючого чинника виступає неминуче спотворення кольору інших ділянок зображення.

    Локальна корекція на телевізорі може бути реалізована заміною в кольоровому зображенні ділянок (елементів) обраного кольору (кольоровості) коригувати за кольором фрагментами зображення або встановленими заздалегідь "квітами з пам'яті". Виділені по кольоровості ділянки можна обробляти незалежно від основної частини поля зображення, включаючи повну заміну кольоровості або яскравості.

    Локальні цветокорректор для відеосистем, т. Е. Для обробки не тільки статичних, але і динамічних зображень, можуть бути реалізовані за допомогою використання цифрових фільтрів кольоровості [1]. Кольоровий фільтр дозволяє сформувати за зразком або інтерактивно на діаграмі кольоровості перетворювача зображення деякий вікно Н і реалізувати його в каналі обробки відеосигналів. При цьому задаються

    Т20 +8/2

    Т20 Т20 - // 2

    Т20

    Р (т0, /)

    О (т0, е)

    0 тю - // 2 тю тю + // 2

    Мал. 1

    форма, координати Т10, Т20 і розмір вікна кольоровості, що виділяє з усього простору кольоровості перетворювача зображення М (т1, т2)

    підпростір Н з розмірами, наприклад / г / (рис. 1). З'являється можливість виділити з усього поля зображення елементи, що мають кольоровість, відповідну елементам підпростору Н, і обробляти їх незалежно від елементів М \ Н. Вибір розмірів вікна кольоровості, в тому числі мінімізація його розмірів, в ряді прикладних задач має принципове значення [2], [3].

    Аналіз характеристик вікна кольоровості. В околиці будь-якої точки діаграми кольоровості М (т1, т2) (рис. 1) може бути обрана її е-околиця

    0 (т0, е) = | т: т0 е М, р (т0, т) < е} або прямокутна околиця т: тд е М;

    рК, /) =

    (Тю - // 2)< т1 < (Тю + // 2); (3) (Т20 - / 2) < т2 < (Т20 + // 2).

    В даному варіанті фільтр кольоровості ділить простір кольоровості на два підпростори: Н з М і М \ Н. До простих технічних рішень призводять методи класифікації, які використовують лінійні вирішальні правила. Прямокутне вікно Р (т0, /) заданих розміру і орієнтації визначається співвідношенням (3). Межі вікна можуть бути обрані в залежності від конкретних завдань з урахуванням статистики розподілу кольоровості в окремих об'єктах зображення або автоматично за ознакою обраної кольоровості.

    т

    2

    т

    т

    Якщо ввести двійкову змінну

    ?(Т) _ | 1, т Е Н; [0, т € Н,

    то двозначний предикат? (т) для прямокутного вікна кольоровості матиме вигляд

    4

    ?(Т) _ П? Г (т) _

    г_1

    _ [(Ацт1 + а12т2 + а ^ > 0) П

    П (а21т1 + а22т2 + А23 > 0) П

    П (а31т1 + а32т2 + А33 > 0) П П (а41т1 + а42т2 + А43 > 0)] _ 1, (4)

    де (т), г _ 1, 4 - вирішальні двозначні предикати, які відповідатимуть чотирьом прямим, що створює вікно; [•] - відображення, яке ставить у відповідність істинним предикатам значення 1, хибним - значення 0.

    Коефіцієнти ау, г,] _ 1, 4, встановлюють положення вікна, можуть бути визначені через координати кутів вікна Р (т0, 8) (див. Рис. 1). Наприклад, для вікна з координатами кутів та _ (0.3; 0.4); ть _ (0.4; 0.3); тс _ (0.35; 0.25);

    тй _ (0.25; 0.35) розрахунок відповідно до виразами (4) дає:

    ?(Т) _ [(0.7 -т-Т2 > 0) П (т1 + т2 -0.6 > 0) П П (0.1 -т-Т2 > 0) П (т1 Т2 + 0.1 > 0)] _ 1.

    У тимчасовій області можна сформувати ключовий сигнал:

    () _

    [1, т (() е Н,? 0, т (0е Н.

    Цей сигнал використовують для управління кольорово-коректором, що здійснює перетворення сигналів Е ^, Е (3, Єв в моменти, коли Sm (t) _ 1, т. Е. Сигналів, відповідних ділянках зображення, для яких кольоровість (т1, т2) е Н. Точність

    формування кордонів вікна кольоровості і його положення на площі діаграми кольоровості визначається порогами цветоразличения і чутливістю до зміни кольоровості вхідного зображення.

    Функціональна схема локального цветокор-ректора, котрий використовує фільтрацію сигналів зображення по кольоровості, наведена на рис. 2. Загальна побудова схеми аналогічно вико-

    Мал. 2

    мому в відомих пристроях суміщення зображень методом амплітудної або колірної (хроматичної) рірпроєкциі [4], [5].

    Методи і пристрої розглянутого типу використовуються також для більш складної обробки сигналів зображення, наприклад в системах виявлення, ідентифікації та вимірювання параметрів об'єктів заданого кольору. При вирішенні прикладних задач "еталон заданої кольоровості" часто вибирається з реального кольорового зображення, проводиться усереднення по кольоровості і формується вікно фільтра кольоровості необхідних розміру і форми [2], [3]. Використання набору вікон кольоровості, одержуваних в результаті квантування колірного простору, дозволяє описати охоплення по кольоровості окремого фрагмента зображення.

    У процедурах сегментації ділянок зображення з використанням колірних ознак точність опису сегмента визначається мінімальними розмірами вікон кольоровості. У граничному випадку вікно кольоровості можна "стягти" в точку. У реальних системах при виборі в якості еталону об'єкта на самому зображенні мінімальні розміри вікна фільтра кольоровості визначаються в основному ставленням "сигнал / шум" в цветоделенних сигналах.

    Мінімізація вікна кольоровості. Мірою відмінності цветностей, що відображаються двома точками на площині колірної діаграми, служить відстань між ними. Це твердження справедливо навіть в афінному просторі кольоровості в силу малості розглянутих відстаней. Мінімальна відстань між точками, що відображають на кольоровій діаграмі дві кольоровості, при автоматичній селекції визначається мінімальними розмірами формованих вікон фільтра кольоровості (при використанні розглянутого методу селекції). Це мінімальна відстань визначає граничну чутливість системи комп'ютерного зору до колірних відмінностей, т. Е. Найменше прирощення кольоровості, яке може бути зареєстровано системою. У тому випадку, коли зміна кольоровості в площині зображення носить безперервний характер, передбачається існування критичної точки в конті-

    нууме цветностей, що розділяє безліч одних цветностей від інших. Саме ця критична точка стає елементом кордону розділу в задачах сегментації по кольоровості.

    Розглянемо механізм фільтрації сигналів зображення по кольоровості при використанні в якості "зразка" обраного елемента оброблюваного зображення. Завдання зводиться до визначення точності формування кордонів вікна М (1, т2) в просторі кольоровості перетворювача зображення або, при використанні прямокутного вікна, - Р (т0, /).

    Визначимо рівень колірного порога Агт ^ п як мінімальна відстань між двома елементами на діаграмі кольоровості, які можуть бути з заданою вірогідністю ідентифіковані як різні по кольоровості елементи зображення. Поріг цветоразличения Агт ^ п і чутливість до зміни кольоровості ^ = 1 / Агт ^ п в цьому випадку обмежені ставленням "сигнал / шум" у 0 в каналі формування вікна.

    При аналізі схеми (див. Рис. 2) характеристики її порогових елементів вважаємо ідеальними, а відношення "сигнал / шум" в каналах сигналу зображення - не надто низьким. Розмір вікна кольоровості визначається чутливістю до змін окремих сигналів кольоровості АІГ / иг, Аі ^ / і ^, АЩ / щ.

    З огляду на, що ставлення "сигнал / шум" для кожного кольороподіленого сигналу у- = і ^ (и-) ,

    ] = Г, g, Ь () - дисперсія кольороподіленого сигналу), прийнявши це відношення однаковим у всіх цветоделенних каналах і відповідним цьому значенню в білому у0, чутливість до змін окремих кольороподілених сигналів в одиницях колірних координат (1, т2) для будь-якого елемента діаграми кольоровості складе [6]

    § (т1, т2) = У0 х х {до [12 (т! + Т2) + 3 (т2 + т2) 12}, (5)

    де до характеризує ймовірність р реалізації для обраного елемента М (1, т2) діаграми кольоровості співвідношення (5). Наприклад, при к = 3 р = 0.997.

    Аналіз виразу (5) показує, що чутливість до змін кольоровості нижче в зоні

    насичених кольорів і вище в ділянках квітів слабонасищенних. Наприклад, при к = 3, уд = 40 дБ для кольоровості И \ (0.1, 0.5) вона становить E, a = = 43.77, а для елемента M2 (1/3, 1/3) - ^ =

    = 57.76 умовних одиниць (рис. 3).

    При визначенні мінімальних розмірів вікна кольоровості зручно користуватися одиницями порогів і визначати розмір вікна як 8 > nArmin, n = 1,2, ____ Конкретне значення може бути встановлено автоматично: 8 = Armin, або задано інтерактивно: 8>Armjn. Залежність Arm | n (m ^ m)

    показана на рис. 4.

    Наведені результати відносяться безпосередньо до фільтру кольоровості. При вирішенні завдань виявлення, розпізнавання та інших перетворень сигналів повинні бути враховані всі джерела шумів і визначена їх роль в загальній даної проблеми [7].

    Результати експериментальних досліджень з управління кольором фрагментів зображення розглянутим методом проводилися на метричної таблиці Gretag Macbeth Image Reproduction Checker 2005 [2], що включає 24 калібрувати-

    Мал. 4

    них кольорових елемента, а також на реальних зображеннях біологічних мікроструктур. Підхід до вирішення задач обробки кольорових зображень, заснований на використанні цифрових фільтрів кольоровості, підтвердив ефективність їх застосування в процедурах локальної корекції кольорових зображень при селекції інформативних ділянок та суміщення їх з фоновим зображенням. Можливості аналізу кольорових зображень в діапазоні реальних умов роботи зазначених систем можуть бути розширені за рахунок використання фільтрів кольоровості, адаптивних до зміни спектрального складу джерела освітлення. Експериментальні дослідження розглянутого методу на прикладі вивчення реальних біологічних макро- і мікрооб'-

    ектов підтвердили перспективність використання розглянутих методів цифрової фільтрації і локальної корекції.

    З викладеного випливає, що локальна корекція елементів формується на телевізорі може бути реалізована за допомогою використання фільтрів кольоровості. Мінімальні розміри вікна кольоровості визначаються порогами цветоразличения і чутливістю до зміни кольоровості при формуванні меж вікна. Використання функцій чутливості до змін окремих коль-тоделенних сигналів дозволяє описати процедуру формування вікна мінімальних розмірів і з заданою вірогідністю встановити його розміри.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Биков Р. Е. Адаптивні алгоритми виявлення об'єктів по колірних ознаками // Радіотехніка. 2012. № 7. С. 97-103.

    2. Биков Р. Е. Цифрові фільтри кольоровості в задачах обробки зображень // Біотехносфера. 2010. № 3 (9). С. 42-48.

    3. Бочко В. А., Биков Р. Е. багатоспектральну інтерактивна система виявлення і вимірювання параметрів об'єктів // Изв. вузів Росії. 1998. Вип. 1. С. 50-54.

    4. Самарін М. С., Котельников А. В. Способи побудови систем електронної рірпроєкциі // Техніка кіно і телебачення. 1966. № 10. С. 12-18.

    R. E. Bykov

    Saint-Petersburg state electrotechnical university "LETI"

    5. Биков Р. Е., Ігнатьєва Н. В. Метод та експериментальна система колірної рірпроєкциі // Техніка кіно і телебачення. 1981. № 11. С. 52-55.

    6. Bykov R. E. Chromatic thresholds of vision systems for multispectral image analysis // Proc. of 3-d Int. conf. on multispectral color science MCS'01, Joensuu, Finland, June 18-20, 2001. Joensuu: Joensuu university PH, 2001. P. 57-60.

    7. Биков Р. Е., Мазуров А. І. Квантова ефективність систем реєстрації і відтворення зображень // Изв. вузів Росії. Радіоелектроніка. 2012. Вип. 1. С. 75-82.

    Local color correction with a chromaticity window of the minimum sizes

    The principles of local color correction with a chromaticity window of the minimum sizes are considered. It is shown that the minimum sizes of a chromaticity window are defined by thresholds of color discrimination and sensitivity to chromaticity change when forming borders of a window. Use of sensitivity functions allows to describe the formation procedure of a window of the minimum sizes and to establish its size with the set probability.

    Television, local color correction, color discrimination thresholds, chromaticity, image quality

    Стаття надійшла до редакції 20 грудня 2013 р.


    Ключові слова: ТЕЛЕБАЧЕННЯ / TELEVISION / ЛОКАЛЬНА кольорокорекції / ПОРОГИ цветоразличения / LOCAL COLOR CORRECTION / COLOR DISCRIMINATION THRESHOLDS / кольоровості / ЯКІСТЬ ЗОБРАЖЕННЯ / IMAGE QUALITY / CHROMATICITY

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити