基于视觉感知的光谱评估尺度

光谱颜色复现和色度精度是评价光谱重建算法准确的基础。简单而直观的评价指标对颜色复现控制是必不可少。该指标需要同时表征复现颜色的光谱差和色度差。在研究光谱匹配评估的方法基础上,提出基于颜色视觉感知的三种光谱评估指标,通过加权人眼视觉匹配函数,实现颜色光谱差与色度的评估。通过孟塞尔颜色系统的光谱数据,该论文分析与验证三种视觉加权的评估指标的有效性。通过孟塞尔颜色系统数据,这些指标在CIELab均匀色空间中分布均匀而稳定,从而证明加权算法的评估指标是既表征到颜色感知又反映出颜色的光谱相似度。实证结果表明,加权的指标可以实现同时表征实际人眼的颜色感知和颜色光谱差异。基于人眼视觉感知的评估指标解决了颜色的原始光谱和重建光谱的光谱匹配精度的定量评价问题。所提出评价指标通过一个简单而直观的数值实现对复现颜色光谱与色度评估。     

孟塞尔色序系统与CIE1931标准色度系统转换新算法

孟塞尔色序系统到CIE标准色度系统的自动转换在颜色和视觉领域是一个很重要的课题.提出了一种基于等色调线和等彩度线插值的新算法,实现孟塞尔色序系统与CIE1931标准色度系统之间颜色的相互转换.实验测试表明,由孟塞尔系统到CIE色度系统的正向转换准确度为ΔY=0.004,Δx=0.000 13,Δy=0.000 13,由CIE色度系统到孟塞尔系统的反向转换准确度达到了ΔV ≈0,ΔH=0.017 5,ΔC=0.013.     

加权视觉特性的PCA空间内光谱域映射模型

针对跨媒体光谱颜色复制过程中出现的设备光谱域不一致问题,在加权人眼视觉特性的主成分分析(PCA)光谱降维空间内构建了一种光谱域映射模型。利用标准色度观察者匹配函数构造权重系数,对高维光谱进行加权,采用PCA提取加权光谱的前三个主元,以构造低维加权PCA空间,在加权PCA空间内引入分区最大化色域边界描述算法描述设备光谱域,对超设备光谱域的颜色光谱进行裁切以映射到设备光谱域内。实验证明,新模型相比于常用的PCA空间内的光谱域映射模型而言,更能达到视觉感受的匹配,可以更为有效地解决设备光谱域不一致的问题。     

符合人眼视觉特性的颜色亮度模型

从色度学基本理论出发,对颜色变量Ｙ进行了深分析,提出了由孟塞尔（Ｍｕｎｓｅｌｌ）颜色体系进行颜色视亮度主观匹配的新方法。实验和理论分析指出孟塞尔色立体的等明度面并非在视觉上是等明度的,建立了人眼主观亮度与孟 明度值Ｉ之间满足线性关系的色亮度模型。     

基于视感知特征的多光谱高保真降维方法研究

为解决多光谱数据在降维压缩过程中的颜色精度保持问题,提出一种基于人眼视觉感知特征的多光谱数据高保真降维压缩方法(VPCM)。研究首先依据人眼视觉响应的非线性解析特征,成功构建了同时综合人眼光谱特征与色度特征的变换函数,并通过进一步构造的优化函数对其进行修正,以针对不同的样本集找到最佳变换方向,而后利用修正后的视觉特征变换函数对光谱样本集进行空间变换(Γ(S)=C),然后利用主成分分析方法对经视觉特征函数变换后样本集光谱数据进行降维压缩处理,并通过逆变换重构出样本集光谱数据(Γ-1(C)=^S),进行降维评价。实验选取四类具有典型代表性的数据集作为测试样本,分别以D50/2°条件下的CIELab色差和75组典型照明光源(钨丝灯、荧光灯和LED灯)下的平均同色异谱指数(MMI)作为色度主要评价指标,同时对比了Lab-PQR和2-XYZ两种较为先进的光谱降维算法。实验结果为VPCM方法的MMI值最小,其次是LabPQR,而2-XYZ的表现较差;VPCM方法在75组光源下对四组样本集的平均重构色差ΔEab也为最小,且最大样本平均色差及方差均要小于其他两种方法;VPCM方法的重构光谱精度介于Lab-PQR和2-XYZ之间,Lab-PQR的重构光谱精度最高。实验结果显示新方法色度压缩精度整体优于对比的两种方法,在变换参考条件下具有良好的色差稳定性,能够较好的应用于多光谱数据色度高保真压缩。     

色彩再现的多光谱图像压缩

针对多光谱图像在色度高保真再现等领域的应用,为提高压缩效率,进一步存储传输,提出了WF系列编码方法,设计了APWS_RA算法,进而提出了一种低复杂度、光照稳定性好且支持跨设备再现的WF_APWS_RA压缩算法。首先研究了现有的基于光谱均方误差的小波嵌入编码原理,提出了色感应失真准则和视觉特性矩阵W;同时,优化了APWS编码算法的码率分配,形成APWS_RA编码算法;最后,结合以上技术,以色度误差准则指导编码,对视觉加权后的多光谱图像数据进行aPWS_rA编码,命名为WF_APWS_RA。WF_APWS_RA算法融合人眼视觉特性矩阵W,利用吸引力传播(Affinity Propagation)聚类挖掘加权图像的谱间冗余,小波变换去除其空间冗余,最后结合误差补偿机制和码率分配策略进行小波编码。实验表明,在相同比特率下,较现有低复杂度经典编码算法,WF系列编码方法能更有效地保留光谱中的色度信息,APWS_RA算法的重建光谱误差最小,WF_APWS_RA算法的重建色度精度优势明显。     

色彩再现的多光谱图像压缩

针对多光谱图像在色度高保真再现等领域的应用, 为提高压缩效率, 进一步存储传输, 提出了WF系列编码方法, 设计了APWS_RA算法, 进而提出了一种低复杂度、光照稳定性好且支持跨设备再现的WF_APWS_RA压缩算法。首先研究了现有的基于光谱均方误差的小波嵌入编码原理, 提出了色感应失真准则和视觉特性矩阵W;同时, 优化了APWS编码算法的码率分配, 形成APWS_RA编码算法;最后, 结合以上技术, 以色度误差准则指导编码, 对视觉加权后的多光谱图像数据进行aPWS_rA编码, 命名为WF_APWS_RA。WF_APWS_RA算法融合人眼视觉特性矩阵W, 利用吸引力传播(Affinity Propagation)聚类挖掘加权图像的谱间冗余, 小波变换去除其空间冗余, 最后结合误差补偿机制和码率分配策略进行小波编码。实验表明, 在相同比特率下, 较现有低复杂度经典编码算法, WF系列编码方法能更有效地保留光谱中的色度信息, APWS_RA算法的重建光谱误差最小, WF_APWS_RA算法的重建色度精度优势明显。     

基于宽带多通道的光谱反射率重建方法研究

复制的多光谱数据获取要求图像数据具有设备无关、场景无关特性,能够真实客观表征物体颜色信息。针对获取系统扰动、噪声误差以及光谱重建中训练样本典型代表性与相关性要求,提出了基于正交回归的光谱重建算法,并通过子空间跟踪的训练样本选择算法,选择重建样本与训练样本集中相关性与代表性最好的样本参与光谱重建。实验通过改造后的仙娜宽带多通道成像系统进行验证,数据表明本文提出的方法,所选训练样本能较好的表征样本空间并具有较好的正交性,在宽带多光谱成像方面,重建光谱平均色度误差为3.6,其光谱精度与色度精度较其他方法具有明显提高。     

光谱成像的图像颜色恒常性计算方法

光谱成像可以记录拍摄场景的光谱信息,从而实现颜色的高保真复现,图像的光谱信息通常同时混合了物体的光谱信息和光源信息,所以现有的光谱成像颜色还原需要通过提前放置的标定板或已知光谱特性的物体获取拍摄环境的光源信息,再进行图像的颜色恒常性校正。但光谱相机在实际使用过程中,通常难以满足上述条件,从而对图像高保真颜色还原提出挑战。针对此问题,提出一种光谱成像的图像颜色恒常性计算方法,将光谱成像系统获得光谱数据转换到XYZ颜色空间,并将图像分区域进行统计得到图像的统计点,通过大量常见光源的分布规律,给统计点施加位置权重和色温权重,同时设置亮度权重去除图像中过暗和过饱和的统计点,利用加权平均获得环境光的色度参数,根据需求将图像的XYZ颜色空间数据转换到RGB颜色空间,根据环境光的色度参数计算图像不同通道的增益,从而完成光谱图像的颜色恒常性计算。为了验证所提出算法的有效性,对140张光谱图像进行处理,计算算法得到的环境光色度参数和真实光源色度之间的再现角误差,对校正结果进行评价,结果表明提出的算法明显优于光谱图像不做处理和灰度世界法。为进一步分析算法校正结果与人眼感知之间的联系,设计颜色心理物理学实验...     

基于人眼视觉和残差补偿的光谱降维模型的研究（英文）

传统主成分(PCA)光谱降维方法利用数学的方法,保证降维后的重构光谱与原光谱在形状上尽可能相似,但是传统PCA降维过程中无差别的对待每一个波段的光谱数据,而人眼视觉对不同波段的光谱敏感程度不同,会造成有时候虽然光谱误差较小,但是人眼看上去色差较大的情况。在保证光谱误差的同时,为了能够有效的减少源光谱与重构光谱的色度误差,提出了两种基于人眼视觉的加权函数对传统PCA降维方法进行优化,并利用残差光谱对模型进行补偿。实验过程以Munsell色卡作为训练样本,Munsell色卡和多光谱图像"young girl"作为测试样本,然后利用本文提出的加权函数进行PCA降维并重构,并与相关文献提出的方法进行了对比。实验结果表明,提出的两种加权算法,与其他算法相比,无论是色度精度还是在变光源的稳定性方面,都有显著地提高。     

基于人眼视觉和残差补偿的光谱降维模型的研究

传统主成分(PCA)光谱降维方法利用数学的方法,保证降维后的重构光谱与原光谱在形状上尽可能相似, 但是传统PCA降维过程中无差别的对待每一个波段的光谱数据,而人眼视觉对不同波段的光谱敏感程度不同,会造成有时候虽然光谱误差较小,但是人眼看上去色差较大的情况。在保证光谱误差的同时,为了能够有效的减少源光谱与重构光谱的色度误差,提出了两种基于人眼视觉的加权函数对传统PCA降维方法进行优化,并利用残差光谱对模型进行补偿。实验过程以Munsell色卡作为训练样本,Munsell色卡和多光谱图像“young girl”作为测试样本,然后利用本文提出的加权函数进行PCA降维并重构,并与相关文献提出的方法进行了对比。实验结果表明, 提出的两种加权算法,与其他算法相比,无论是色度精度还是在变光源的稳定性方面,都有显著地提高。     

基于人眼视觉特性的光谱降维模型研究

针对传统光谱降维方法其降维重构后的光谱数据仅是对原始光谱的数学逼近,会出现光谱误差较小但颜色色差较大的缺点,创新性的提出三种将人眼视觉特性与光谱降维相结合的方法。其中,VPCA法直接将光谱光视效率函数加权到原始光谱上再进行降维,LMSPCA方法用LMS视稚响应构建加权矩阵对原始光谱加权后再进行降维,在LMSPCA法中加权矩阵的构建有两种方式,其主要区别在于视稚响应偏差的求取方式不同。方式一中,L,M,S视稚响应偏差是各对应波长上的偏差取绝对值,而方式二中,其偏差是各对应波长上的偏差平方。LMSPCAs法在LMSPCA法基础上再采用PCA(主成分分析)方法对损失的光谱进行降维。实验结果表明VPCA法降维效果较差,LMSPCA法的两种加权矩阵降维效果接近,皆可显著提高降维模型的色度精度,但会降低模型的光谱精度,LMSPCAs法由于针对LMSPCA法因光谱加权引起的光谱损失再进行光谱补偿,其在光谱精度、色度精度以及变光照条件下的色差稳定性这三个方面都能较好地表征原始高维光谱反射率,满足光谱颜色复制的要求。     

基于同色异谱黑理论的非线性复合模型光谱重建研究

同色异谱现象是光谱反射率重建与颜色再现中的一个重要问题。采用三基色CCD相机采集CIE标准光源D65下的颜色样品信号,建立非线性复合模型,使用主成分分析结合神经网络的方法(PCA-NET)改进基于同色异谱黑理论的R矩阵算法,对标准Munsell色卡光谱重建进行研究。在保证给定照明条件下的色度精度同时,对光谱重建的结果进行了实验评价和讨论。实验结果表明,在给定的照明条件下,PCA-NET算法能够准确的拟合相机输出信号与主成分系数之间的非线性关系, 将其代替线性算法应用于R矩阵算法中时,测试集的平均均方根值是未改进R矩阵算法的0.76,平均标准差是R矩阵算法的0.85,可有效提高光谱反射率的重建精度。改进后的R矩阵算法具有精度较高、操作简单易实现的特点, 可用于对重建色度精度及光谱精度均要求较高的领域。     

基于光谱连接空间的彩色相机光谱重构研究

针对彩色相机三通道响应值重构光谱反射率精度低的问题,提出了基于光谱连接空间的彩色相机光谱反射率重构方法。首先通过光谱反射率已知的训练样本集和多项式拟合方法建立相机响应值到光谱连接空间的转换矩阵,然后利用该矩阵将待重构样本的相机响应值映射到光谱连接空间,最后选用合适的光谱重构算法在光谱连接空间内实现光谱反射率重构,并利用色度误差和光谱误差两个指标对重构结果进行评价。在上述过程中,鉴于转换矩阵的重要性,采用了基于反距离加权的最小二乘法计算转换矩阵以提高相机响应值到光谱连接空间的转换精度。实验结果表明:本文方法切实可行且精度可靠,与基于彩色相机三通道响应值的光谱重构方法相比,色度重构精度和光谱重构精度均显著提高,平均色差和谱差分别为1.145 2和0.010 3,可在较大程度上满足数字典藏、高保真颜色复制等的需要。     

基于改进的主成分分析法宽带光谱反射率重建

为了降低光谱反射率重建设备的复杂度和成本并且在宽带光谱上进行更高精度的反射率重建,采用宽带多光谱成像的方法,将投影仪的红、绿、蓝三色光作为光源,用彩色数码相机对光谱图像进行采样。在主成分分析法的基础上引入加权系数,以及误差校正函数,利用改进后的方法重建色卡、染色纸张、油画表面的反射率。选取表征反射率重建精度的均方根误差、拟合度系数、光谱匹配偏度指数3个指标,对所提方法与主成分分析法和加权伪逆法的重建结果进行对比,结果表明：所提方法的重建精度较主成分分析法提高了约45%,较加权伪逆法提高了约30%;由所提方法计算的反射率重建的颜色色差值也优于后两者。     

CIE色度值向孟塞尔再标记的非结性转换法

采用三阶拉格朗日插值逼近孟塞尔恒定色调线和恒定彩度线,首次提出了CIE色度值向孟塞尔再标记的非线性转换法,并重新评价了线性转换法的精度。     

兼顾色度和光谱精度的多光谱图像LabW2P编解码

针对可见光多光谱图像在通用领域的应用,为提高压缩效率,有效提升重建光谱曲线的色度及光谱精度,进一步存储传输,提出了一种非线性光谱反射率模型,并基于此设计了复杂度适中、光照稳定性好且支持光谱跨设备再现的LabW2P编解码算法。首先根据多光谱图像物理特性,提出非线性光谱反射率模型,将光谱数据表示为线性成分和差别光谱,线性成分由六维变换空间及光谱投影系数组成,差别成分为非线性表示成分,该模型用于光谱数据至不同基变换空间的分解及表示,为算法的构建,光谱及色度重建性能的提升,提供了理论基础;然后,根据人眼视觉系统特征、光照条件,借助CIE标准色度空间转换函数,提取光谱反射率中的三维色度信息Lab,保证重建图像的色度精确性;基于光谱非线性表示模型,采用类视觉曲线的三角函数基,提取线性成分前两维投影系数作为光谱编码的后两维W₁和W₂,用于近似描述CIERGB色度空间中R和G通道,同时有效提高光谱数据的色度和光谱还原度;利用误差补偿机制生成预测差别光谱,采用主成分分析（PCA）法提取其第一维主成分作为编码值P,补偿了线性光谱重建误差,并进一步提升了光谱精确性;最后,组合提取的三部分数据,形成LabW2P编码。LabW2P解码即编码的逆过程。首先,根据Lab及W₁和W₂,结合CIELAB至CIEXYZ色度空间转换函数、光照条件、CIE标准观察者色匹配函数、及三角函数基,采用最小二乘回归,获得变换空间上的重建投影系数,进而重建线性光谱数据;然后,根据P值,采用PCA逆变换,获取重建预测差别数据,最后,结合两部分重建数据,获得光谱重建图像。实验分析显示,LabW2P算法的平均色度精度为0.207 6,较经典的PCA,LabPQR和LabRGB法分别提升了81.54%,55.48%,32.29%,最大平均色差为0.507 0,此外均处于0～0.5之间,达到了视觉难以辨认的可忽略色差的色彩重建水平;平均光谱精度为0.012 7,较PCA性能稍弱,较LabPQR和LabRGB法分别提升了13.01%,6.62%,表明LabW2P编码法的色度和光谱重建性能优势明显。此外该算法可直接用于物体色估计,较PCA和LabPQR法,传输附加信息少,可达压缩比更高。     

基于多尺度叠加的视觉距离模糊算法的研究

为能够模拟观察距离变大时引起的颜色视觉效应,研究了人眼视觉的视锐度特性和对比敏感度特性。通过对人眼视锐度原理的分析,实现了视锐度方法模拟视觉距离增大时的视觉模糊算法;通过对对比敏感度模型测试原理的分析,结合人眼视觉空间频率的多通道特性,实现了基于对比敏感度函数模型模拟视觉距离增大时的视觉模糊算法。视锐度方法可简单模拟视觉距离增大时的模糊效果,可用于观察灰度物体情况。观察彩色物体时,通过使用反差敏感度模型算法,能够模拟视觉感知的多尺度特性、低通和带通滤波特性、局部适应性和颜色感知的叠加性。     

彩色扫描仪的光谱反射率估计方法

为从扫描仪获取精确的、设备无关的颜色描述,必须对扫描仪进行颜色表征(Characterization)。考虑到实际扫描仪的成像过程往往偏离线性反射模型,并且训练样本在颜色空间中的不同分布对颜色估计的精度有较大影响,提出了一种基于有限样本加权训练的彩色扫描仪光谱表征方法,从而可以从低维的RGB颜色值计算得到精确的光谱反射率。 实验结果表明,该方法在色度及反射率精度方面均明显优于先前的方法。     

基于扩展三通道响应项的光谱反射率重构算法

光谱反射率是颜色的固有属性不受外界条件的影响,能尽最大可能保留颜色的信息,被广泛应用在纺织、彩色印刷、古字画颜色修复等领域。为了缩短获取多光谱图像周期以及避免多光谱图像之间像素匹配不准问题,提高三通道光谱反射率重构精度。提出一种基于扩展三通道响应项光谱反射率重构算法。实验结果证明[rg~2 rb~2 gr~2 gb~2 br~2 bg~2]三次立方根项的引入可以提高光谱重构反射率色度精度和光谱精度;客观验证24个色块光谱反射率重构精度优于现有算法,提出的算法具有一定的应用价值。