高動態(tài)彩色數(shù)字相機特性化標定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光電成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高動態(tài)數(shù)字相機特性化標定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 可見光數(shù)字相機被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)影像、航空航天、軍事預(yù)警等諸多方 面。由于在某些特殊光照環(huán)境下，傳統(tǒng)的8位數(shù)字相機無法滿足圖像高分辨力的實際需求， 因此需要提高CCD或CMOS的A/D采樣量化位數(shù)來提升相機輸出圖像的動態(tài)范圍。sRGB色 度系統(tǒng)是一種面向顯示器、打印機、因特網(wǎng)的標準色度系統(tǒng)，廣泛用于ITU-RBT. 709色彩標 準、HDTV信號傳輸、標準CRT顯示器等。當(dāng)8位相機采集圖像并在8位CRT或LED設(shè)備顯示 時，除自帶顏色配置表設(shè)備外，大多數(shù)標準設(shè)備已具有sRGB色彩空間轉(zhuǎn)換功能，因此無需 對設(shè)備進行特性化處理。對于高動態(tài)彩色數(shù)字相機，相機輸出與顯示設(shè)備間往往不具備標 準sRGB色彩空間的轉(zhuǎn)換功能，個體設(shè)備間的色彩空間存在著顯著差異，再無外界輔助色彩 轉(zhuǎn)換模塊的支持下，無法將各自的色彩空間轉(zhuǎn)化為獨立于設(shè)備的標準色彩空間，并且相機 的光譜響應(yīng)與CIE標準色度觀察者配色函數(shù)存在不一致性，影響了輸出圖像的色彩復(fù)現(xiàn)效 果，因此為了能夠在顯示設(shè)備上復(fù)現(xiàn)場景的真實色彩，需要在圖像輸出顯示前將相機的RGB 色彩空間轉(zhuǎn)換至標準sRGB色彩空間，也就是相機的特性化過程。
[0003] 常用的相機特性化方法主要有：Nichogi等人2001年提出了一種利用8位彩色數(shù) 字圖像進行光譜估計的方法，該方法將原有的色彩空間劃分為不同性質(zhì)的簇，并針對每個 簇采用不同的空間轉(zhuǎn)換模型，以達到特性化效果[1]。Barnard，F(xiàn)unt等人利用相機對不同 光譜的響應(yīng)值，建立了相機響應(yīng)曲線，利用該曲線擬合相機色彩空間與標準sRGB空間的函 數(shù)關(guān)系。Cheung，WeStland等人采用經(jīng)驗法，根據(jù)相機輸入、輸出關(guān)系結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對 相機進行特性化處理。
[0004] 上述常用的相機特性化方法中，光譜估計法計算較為復(fù)雜，需要將原有色彩空間 按不同屬性設(shè)計不同的空間轉(zhuǎn)換模型；響應(yīng)曲線法，首先需要對相機的光譜響應(yīng)曲線進行 標定，在標定的過程中難免引入新的誤差，同時算法復(fù)雜度較高，計算量較大；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 相對于前兩種方法而言，擬合結(jié)果較為準確，但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法本身存在收斂性與訓(xùn)練 時間不確定、泛化精度缺陷等問題，因此該方法也存在較大的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出了一種計算復(fù)雜度較低、易于硬件實現(xiàn)的高動態(tài)彩色數(shù)字相機特性化 標定方法；采用該方法能夠?qū)Ω邉討B(tài)彩色數(shù)字相機的色彩空間轉(zhuǎn)換矩陣進行準確標定，從 而實現(xiàn)對相機的特性化處理。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] 高動態(tài)彩色數(shù)字相機特性化標定方法，包括以下步驟：
[0008] 1)將待標定相機稱為相機，在D65標準光源環(huán)境下，用相機對標準色卡中某一固 定顏色進行重復(fù)拍攝至少3次，獲取每次拍攝的標準色卡圖像的R、G、B分量值，計算出R、 G、B各分量的樣本均值，并以此樣本均值作為該標準色卡在圖像RGB色彩空間下的分量值，i己為Rin、Gin、Bin;
[0009] 2)在與步驟1)相同的光照環(huán)境下，用色度計測量步驟1)中標準色卡的相同顏色 色塊的色度值，經(jīng)重復(fù)實驗至少3次，測定該顏色在CIE1931XYZ2°視場色度系統(tǒng)中三刺 激值X、Y、Z的樣本均值，以此樣本均值作為標準色卡在該色度系統(tǒng)下的三刺激值，記為Xin、 Yin、Zin;
[0010] 3)在與步驟1)相同光源環(huán)境下，對標準色卡中的不同顏色逐一進行步驟1)與步 驟2)，依次得到不同顏色的RGB分量值與XYZ三刺激值；以不同顏色的Rin、Gin、Bin作為輸 入，Xin、Yin、Zin作為輸出，根據(jù)最小二乘原理擬合出圖像RGB色彩空間到CIE1931XYZ2°視 場色度系統(tǒng)的映射矩陣M;
[0011] 4)根據(jù)映射矩陣M，將CIE1931XYZ2°視場色度系統(tǒng)下的三刺激值Xin、Yin、Zin轉(zhuǎn) 換至sRGB標準色彩空間，根據(jù)相機的動態(tài)范圍解算出相機在sRGB標準色彩空間下的實際 色彩分量值，記為ICt、B。#
[0012] 上述步驟3)中的映射矩陣M是一種線性映射矩陣，規(guī)模為3x3的滿秩、可逆方陣 M〇
[0013] 上述步驟1)中Rin、Gin、Bin的計算方法如下：
[0014] 步驟1)中，設(shè)相機輸出的圖像尺寸為mXn，第p次拍攝第i個固定顏色的RGB分 量值定義為：
[0015]
【主權(quán)項】
1. 高動態(tài)彩色數(shù)字相機特性化標定方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 將待標定相機稱為相機，在D65標準光源環(huán)境下，用相機對標準色卡中某一固定顏 色進行重復(fù)拍攝至少3次，獲取每次拍攝的標準色卡圖像的R、G、B分量值，計算出R、G、B 各分量的樣本均值，并以此樣本均值作為該標準色卡在圖像RGB色彩空間下的分量值，記 為Rin、Gin、Bin; 2) 在與步驟1)相同的光照環(huán)境下，用色度計測量步驟1)中標準色卡的相同顏色色塊 的色度值，經(jīng)重復(fù)實驗至少3次，測定該顏色在CIE1931XYZ2°視場色度系統(tǒng)中三刺激值 X、Y、Z的樣本均值，以此樣本均值作為標準色卡在該色度系統(tǒng)下的三刺激值，記為Xin、Yin、 Zin; 3) 在與步驟1)相同光源環(huán)境下，對標準色卡中的不同顏色逐一進行步驟1)與步驟 2)，依次得到不同顏色的RGB分量值與XYZ三刺激值；以不同顏色的Rin、Gin、Bin作為輸入，Xin、Yin、Zin作為輸出，根據(jù)最小二乘原理擬合出圖像RGB色彩空間到CIE1931XYZ2°視場 色度系統(tǒng)的映射矩陣M; 4) 根據(jù)映射矩陣M，將CIE1931XYZ2°視場色度系統(tǒng)下的三刺激值Xin、Yin、Zin轉(zhuǎn)換 至sRGB標準色彩空間，根據(jù)相機的動態(tài)范圍解算出相機在sRGB標準色彩空間下的實際色 彩分量值，記為ICt、B。#
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的特性化標定方法，其特征在于：所述步驟3)中的映射矩陣M 是一種線性映射矩陣，規(guī)模為3x3的滿秩、可逆方陣M。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的特性化標定方法，其特征在于： 所述步驟1)中Rin、Gin、Bin的計算方法如下： 步驟1)中，設(shè)相機輸出的圖像尺寸為mXn，第p次拍攝第i個固定顏色的RGB分量值 定義為：
其中，1彡i彡N，若標準色卡有Y種顏色，Y彡9,則N=Y;3彡p彡5; 經(jīng)歸一化處理后，相機所拍攝的標準色卡中第i個顏色最終的圖像RGB輸出值為：
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的特性化標定方法，其特征在于： 所述步驟2)中Xin、Yin、Zin的計算方法如下： 步驟2)中，設(shè)第p次重復(fù)實驗中，第i個顏色在CIE1931XYZ2°視場色度系統(tǒng)中三刺 激值為4、，<〗，則經(jīng)歸一化處理后，該顏色最終的XYZ三刺激輸出值為：
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的特性化標定方法，其特征在于：所述步驟3)中，對至少9個 不同顏色逐一進行步驟1)與步驟2)，得到至少9組實驗數(shù)據(jù)，
建立圖像RGB色彩空間與CIE1931XYZ2°視場色度系統(tǒng)的線性映射關(guān)系：
利用最小二乘法解算出矩陣M中的待定參數(shù)ai?a9，確定出圖像RGB色彩空間到CIE1931XYZ2°視場色度系統(tǒng)的映射關(guān)系：
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的特性化標定方法，其特征在于：根據(jù)解算出的映射矩陣M的， 步驟4)中，將CIE1931XYZ2°視場色度系統(tǒng)下的三刺激值Xin、Yin、Zin轉(zhuǎn)換至sRGB標準色 彩空間的方法為： 首先，將Xin、Yin、Zin轉(zhuǎn)換至線性sRGB色彩空間，線性sRGB色彩空間的色彩分量值記為 ^Linear? ^Linear? ^Linear*
^Linear? ^Linear? -^Linear ^ [〇，1]; 其次，對線性sRGB色彩空間進行非線性化處理，得到非線性化后的三分量值RsK；B，GsKeB， bsEGB：
Rsrgb，GsRGB，BsRGBG[Q，l]; 設(shè)相機輸出p比特圖像，則圖像的灰度級范圍為[〇,r-1]，轉(zhuǎn)換后sRGB標準色彩空間 下像素的實際色彩分量值為：
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高動態(tài)彩色數(shù)字相機特性化標定方法，包括以下步驟：1)在D65標準光源環(huán)境下，用相機拍攝標準色卡中某一固定顏色，計算出R、G、B各分量的樣本均值；2)在與步驟1)相同的光照環(huán)境下，用色度計測量步驟1)中的標準色卡的相同顏色色塊的色度值，測定該顏色在CIE1931？XYZ？2°視場色度系統(tǒng)中三刺激值X，Y，Z的樣本均值；3)得到不同顏色的RGB分量值與XYZ分三刺激值；以不同顏色的Rin、Gin、Bin作為輸入，Xin、Yin、Zin作為輸出，擬合出圖像RGB色彩空間到CIE1931？XYZ？2°視場色度系統(tǒng)的映射矩陣M；4)解算出相機在sRGB標準色彩空間下的實際色彩分量值。本發(fā)明減少了中間轉(zhuǎn)換流程，減小了標定系統(tǒng)誤差，具有計算復(fù)雜度較低、易于硬件實現(xiàn)的特點。
【IPC分類】G06T7-00, H04N17-02, H04N17-00
【公開號】CN104574371
【申請?zhí)枴緾N201410804859
【發(fā)明人】郭惠楠, 曹劍中, 徐偉高, 張建, 周祚峰, 張輝, 宋曉冬, 趙曉冬
【申請人】中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月20日