一种高光谱图像的色彩可视化的方法

摘要

本发明公开了一种高光谱图像的色彩可视化的方法，首先提取高光谱图像每个像素的光谱曲线；将平滑后光谱曲线结合CIE1931标准色度系统的色匹配函数计算至CIEXYZ三刺激值，根据显示设备白点将每个像素CIEXYZ三刺激值计算至均匀色彩感知空间CIEL*C*h*的明度、彩度和色调，并根据色彩复现需求设置明度系数、彩度系数和色调系数；将调制后的明度、彩度和色调结合显示设备三通道的伽马系数和原色三刺激值，计算至每个像素的数字驱动值，实现色彩可视化。本发明实现了符合人眼视觉系统感知特性色彩可视化，解决了可视化效果因显示设备而异的问题，并根据不同复现需求进行调节，适用性强，有益于高光谱图像的判读和应用。

说明书

技术领域

本发明属于高光谱成像技术领域，尤其涉及一种高光谱图像的色彩可视化 的方法。

背景技术

近年来，以成像技术和光谱技术相结合的高光谱成像技术发展迅速，在军 事和民用领域均获广泛应用，因此，针对其采集的高光谱图像进行处理和分析 具有重要应用价值。高光谱图像同时表征被测区域的空间信息和连续光谱信息， 即每个谱段均对应一幅二维分布的图像，图像的每个像素又可提取出一条光谱 曲线，如何有效分析高光谱图像所承载的丰富信息，将其以可视化的形式表示 出来并得以准确判读和应用，是高光谱成像技术领域的关键问题之一。通常， 针对高光谱图像的色彩可视化方法是利用一些降维的数学手段(如主元分析法、 独立元分析法等)将多谱段降低为三谱段，从而在红(R)、绿(G)、蓝(B) 三通道的显示设备进行显示。但是，这种方法使得图像每个像素的谱段急剧减 少，丢失了大量有效信息，且选取出的三谱段并未将人眼视觉系统的色彩感知 特性考量在内，与显示设备三通道的响应特性也不匹配，因此会引起色彩失真， 进而影响对被测区域的准确判读。此外，不同显示设备之间红、绿、蓝三通道 的响应特性各不相同，采用一致的算法及参数进行处理会导致色彩可视化效果 因设备而异的状况。

现有高光谱图像色彩的可视化效果因设备而异，容易引起色彩失真，影响 对被测区域准确判读。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高光谱图像的色彩可视化的方法，旨在解决现 有高光谱图像色彩的可视化效果因设备而异，容易引起色彩失真，影响对被测 区域准确判读的问题。

本发明是这样实现的，一种高光谱图像的色彩可视化的方法，所述高光谱 图像的色彩可视化的方法包括：

首先提取高光谱图像每个像素的光谱曲线；

然后将平滑后的光谱曲线结合CIE1931标准色度系统的色匹配函数计算至 CIEXYZ三刺激值，根据显示设备的白点将每个像素的CIEXYZ三刺激值计算 至均匀色彩感知空间CIEL*C*h*的明度、彩度和色调，并根据色彩复现需求设 置明度系数、彩度系数和色调系数；

最后将调制后的明度、彩度和色调结合显示设备三通道的伽马系数和原色 三刺激值，计算至每个像素的数字驱动值，实现色彩可视化。

进一步，所述高光谱图像的色彩可视化的方法具体包括以下步骤：

步骤一，对于高光谱图像数据的每个像素，由各谱段的灰度值计算出辐亮 度值，并进行归一化构成一条光谱曲线；

步骤二，针对每个像素在步骤一所获的光谱曲线，采用Savitzky-Golay滤波 器进行平滑处理，在保留较多曲线特征的基础上消除光谱噪声，得到各像素平 滑后的光谱曲线

步骤三，将步骤二所获各像素平滑后的光谱曲线结合CIE1931标准色 度系统的色匹配函数采用下式计算得CIE1931标准色度系 统下的CIEXYZ三刺激值(X,Y,Z)，其中Δλ是成像光谱仪器的光谱采样间隔；

步骤四，根据标准照明体D65的三刺激值(X_D65,Y_D65,Z_D65)，通过下式将步 骤三所获每个像素的CIEXYZ三刺激值转换至均匀色彩感知空间CIEL^*C^*h^*，获 得三个色彩感知参量，即明度彩度及色调h₁；

$\left(\begin{array}{c}{L}_1^{*}=116f(Y/Y_{D65})-16\\ a^{*}=500[f(X/X_{D65})-f(Y/Y_{D65})]\\ b^{*}=200[f(Y/Y_{D65})-f(Z/Z_{D65})]\end{array}\right);$

$\left(\begin{array}{c}f(X/X_{D65})=\left(\begin{array}{cc}{(X/X_{D65})}^{1/3}& X/X_{D65}>0.008856\\ 7.787(X/X_{D65})& X/X_{D65}\le 0.008856\end{array}\right)\\ f(Y/Y_{D65})=\left(\begin{array}{cc}{(Y/Y_{D65})}^{1/3}& Y/Y_{D65}>0.008856\\ 7.787(Y/Y_{D56})+16/116& Y/Y_{D65}\le 0.008856\end{array}\right)\\ f(Z/Z_{D65})=\left(\begin{array}{cc}{(Z/Z_{D65})}^{1/3}& Z/Z_{D65}>0.008856\\ 7.787(Z/Z_{D65})+16/116& Z/Z_{D65}\le 0.008856\end{array}\right)\end{array}\right);$

$\left(\begin{array}{c}{C}_1^{*}={[{\left(a^{*}\right)}^2+{\left(b^{*}\right)}^2]}^{1/2}\\ h_1=\arctan (b^{*}/a^{*})\end{array}\right);$

其中，

X_D65＝95.047,Y_D65＝100,Z_D65＝108.883；

步骤五，根据明度系数k_L、彩度系数k_C和色调系数k_h，通过下式调制步骤 四所获各像素的明度彩度及色调h₁，得到调制后的色彩感知参量，即明 度彩度及色调h₂，使可视化效果满足保真复现需求，则k_L＝k_C＝1，k_h＝0， 改变k_L实现调节图像明暗的需求，改变k_C实现调节图像鲜艳程度的需求，改变 k_h实现调节图像白平衡的需求；

$\left(\begin{array}{c}{L}_2^{*}=k_L{C}_1^{*}\\ C_2^{*}=k_C{C}_1^{*}\\ h_2=h_1+k_h\end{array}\right);$

步骤六，根据显示设备的白点三刺激值(X_W,Y_W,Z_W)，通过下式，将步骤 五所获各像素的明度彩度及色调h₂转换至在显示设备上待显示的 CIEXYZ值(X',Y',Z')；

$\left(\begin{array}{c}{L}^{*}=L_2^{*}\\ a^{*}=C_2^{*}·\cos ({\mathrm{\pi h}}_2/180)\\ b^{*}=C_2^{*}·\sin ({\mathrm{\pi h}}_2/180)\end{array}\right);$

$\left(\begin{array}{c}{Y}^{\prime }=\left(\begin{array}{cc}{Y}_W·{[(L^{*}+16)/116]}^{1/3}& {[(L^{*}+16)/116]}^{1/3}>0.008856\\ Y_W·L^{*}/903.3& {[(L^{*}+16)/116]}^{1/3}\le 0.008856\end{array}\right)\\ f_Y=\left(\begin{array}{cc}{(Y^{\prime }/Y_W)}^{1/3}& Y^{\prime }/Y_W>0.008856\\ 7.787(Y^{\prime }/Y_W)+16/116& Y^{\prime }/X_W\le 0.008856\end{array}\right)\\ X^{\prime }=\left(\begin{array}{cc}{X}_W·{(a^{*}/500+f_Y)}^3& {(a^{*}/500+f^Y)}^3>0.008856\\ X_W·(a^{*}/500+f_Y-16/116)/7.787& {(a^{*}/500+f_Y)}^3\le 0.008856\end{array}\right)\\ Z^{\prime }=\left(\begin{array}{cc}{Z}_W·{(f_Y-b^{*}/200)}^3& {(f_Y-b^{*}/200)}^3>0.008856\\ Z_W·(f_Y/b^{*}/200-16/116)/7.787& {(f_Y-b^{*}/200)}^3\le 0.008856\end{array}\right)\end{array}\right);$

步骤七，根据显示设备红、绿、蓝三通道的原色三刺激值(X_Rmax,Y_Rmax,Z_Rmax)、 (X_Gmax,Y_Gmax,Z_Gmax、(X_Bmax,Y_Bmax,Z_Bmax)结合三通道的伽马系数γ_R、γ_G、γ_B， 建立起如下式的特征化模型，通过特征化模型，步骤六所获各像素的CIEXYZ 值(X',Y',Z')计算至对应的数字驱动值(d_R,d_G,d_B)，即完成了高光谱图像的 色彩可视化，其中N是显示设备单通道的存储位数；

$\left(\begin{array}{c}{T}_R\\ T_G\\ T_B\end{array}\right)={\left(\begin{array}{ccc}1& X_{G\max }/Y_{G\max }& X_{B\max }/Z_{B\max }\\ Y_{R\max }/X_{R\max }& 1& Y_{B\max }/Z_{B\max }\\ Z_{R\max }/X_{R\max }& Z_{G\max }/Y_{G\max }& 1\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{X}^{\prime }\\ Y^{\prime }\\ Z^{\prime }\end{array}\right);$

$\left(\begin{array}{c}{d}_R\\ d_G\\ d_B\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}(2^N-1)·{\left(T_R\right)}^{1/{\gamma }_R}\\ (2^N-1)·{\left(T_G\right)}^{1/{\gamma }_G}\\ (2^N-1)·{\left(T_B\right)}^{1/{\gamma }_B}\end{array}\right).$

进一步，所述步骤一包括以下步骤：

第一步，对于光谱成像仪器进行定标，选取5个～10个定标灰度值D测量 对应的定标辐亮度值F，采用最小二乘法拟合出下式映射表达式的参数α、β、 ε，从而对被测区域的每个像素，将各谱段的灰度值代入下式计算辐亮度值；

D＝αF^β+ε；

第二步，以最大灰度值D_max对应的辐亮度值F_max为基准，将每个像素在各 谱段的辐亮度值进行归一化，构成一条光谱曲线。

本发明提供的高光谱图像的色彩可视化的方法，适用于桌面显示器、电视 机、投影仪等多种类型显示设备的高光谱图像呈现过程，可以有效引入不同显 示设备间表色参数方面的影响，使不同设备以不同数字驱动值显示相同的色彩 感知参量，有效解决了色彩可视化效果因设备而异的问题；此外，本发明提出 了以明度因数k_L、彩度系数k_C和色调系数k_h调节色彩感知参量的方法，可以通 过制定对明度、彩度、色调等参量的调制要求，满足不同类型的色彩复现需求。 本发明针对高光谱图像进行色彩可视化，色彩复现结果与人眼视觉感知一致性 好，方法实施简单，实用，适用性强。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高光谱图像的色彩可视化的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明首先将各像素的光谱曲线结合CIE1931标准色度系统的色匹配函数 计算出CIEXYZ三刺激值，并计算至CIEL*C*h*空间，CIE1931标准色度系统 和明度、色调、彩度三个色彩感知参量的引入使色彩的表征与人眼视觉系统的 色彩感知特性相符；而色彩可视化的过程中，通过显示设备三通道的伽马系数、 原色三刺激值建立起由明度、色调、彩度三个色彩感知参量到数字驱动值的特 征化模型。

本发明提出符合人眼视觉感知且能显示设备的色彩可视化方法，使最终显 示图像更加接近被测区域物体的真实色彩复现，解决色彩可视化效果因设备而 异的问题，且能够根据具体图像分析的复现需求进行色彩感知参量的调节，从 而为高光谱图像的可视化分析奠定技术准备，这对于高光谱成像技术在应用中 的推广具有一定的必要性。

下面结合附图1及对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明提出了一种符合人眼视觉感知特性、适用性强的高光谱图像色彩可 视化方法，以一台zolix成像光谱仪GaiaSorterVNIR以2.8nm间隔在400～1000 nm获得的高光谱图像数据、一台24位显示设备HP显示器2840zx以及一台24 位显示设备Eizo显示器ColorEdgeCG241w为例，通过色彩可视化方法的实施， 使zolix成像光谱仪GaiaSorterVNIR的高光谱图像在HP显示器2840zx和Eizo 显示器ColorEdgeCG241w上呈现，本发明的实施过程包括以下步骤：

一、对于高光谱图像数据的每个像素，由其各谱段的灰度值计算出辐亮度 值，并进行归一化构成一条光谱曲线，具体过程包括以下步骤：

1)对于光谱成像仪器进行定标，选取5～10个定标灰度值D测量其对应的 定标辐亮度值F，采用最小二乘法拟合出式(1)所示映射表达式的参数α、β、ε， 从而对被测区域的每个像素，均可将其各谱段的灰度值代入式(1)计算辐亮度值；

D＝αF^β+ε(1)

2)以最大灰度值D_max对应的辐亮度值F_max为基准，将每个像素在各谱段的 辐亮度值进行归一化，构成一条光谱曲线；

二、针对每个像素在步骤一所获的光谱曲线，采用Savitzky-Golay滤波器进 行平滑处理，在保留较多曲线特征的基础上消除光谱噪声，得到各像素平滑后 的光谱曲线

三、将步骤二所获各像素平滑后的光谱曲线结合CIE1931标准色度系 统的色匹配函数采用式(2)～(3)计算得CIE1931标准色度系 统下的CIEXYZ三刺激值(X,Y,Z)，其中Δλ是成像光谱仪器的光谱采样间隔；

四、根据标准照明体D65的三刺激值(X_D65,Y_D65,Z_D65)，通过式(4)～(7)将步 骤三所获每个像素的CIEXYZ三刺激值转换至均匀色彩感知空间CIEL^*C^*h^*，获 得三个色彩感知参量，即明度彩度及色调h₁；

$\left(\begin{array}{c}{L}_1^{*}=116f(Y/Y_{D65})-16\\ a^{*}=500[f(X/X_{D65})-f(Y/Y_{D65})]\\ b^{*}=200[f(Y/Y_{D65})-f(Z/Z_{D65})]\end{array}\right)---\left(4\right)$

$\left(\begin{array}{c}f(X/X_{D65})=\left(\begin{array}{cc}{(X/X_{D65})}^{1/3}& X/X_{D65}>0.008856\\ 7.787(X/X_{D65})& X/X_{D65}\le 0.008856\end{array}\right)\\ f(Y/Y_{D65})=\left(\begin{array}{cc}{(Y/Y_{D65})}^{1/3}& Y/Y_{D65}>0.008856\\ 7.787(Y/Y_{D56})+16/116& Y/Y_{D65}\le 0.008856\end{array}\right)\\ f(Z/Z_{D65})=\left(\begin{array}{cc}{(Z/Z_{D65})}^{1/3}& Z/Z_{D65}>0.008856\\ 7.787(Z/Z_{D65})+16/116& Z/Z_{D65}\le 0.008856\end{array}\right)\end{array}\right)---\left(5\right)$

$\left(\begin{array}{c}{C}_1^{*}={[{\left(a^{*}\right)}^2+{\left(b^{*}\right)}^2]}^{1/2}\\ h_1=\arctan (b^{*}/a^{*})\end{array}\right)---\left(6\right)$

其中，

X_D65＝95.047,Y_D65＝100,Z_D65＝108.883(7)

五、根据明度系数k_L、彩度系数k_C和色调系数k_h，通过式(8)调制步骤四所 获各像素的明度彩度及色调h₁，得到调制后的色彩感知参量，即明度彩度及色调h₂，若使可视化效果满足保真复现需求，则k_L＝k_C＝1，k_h＝0，改 变k_L可以实现调节图像明暗的需求，改变k_C可以实现调节图像鲜艳程度的需求， 改变k_h可以实现调节图像白平衡的需求；

$\left(\begin{array}{c}{L}_2^{*}=k_L{C}_1^{*}\\ C_2^{*}=k_C{C}_1^{*}\\ h_2=h_1+k_h\end{array}\right)---\left(8\right)$

六、根据显示设备的白点三刺激值(X_W,Y_W,Z_W)，通过式(9)～(10)，将步骤 五所获各像素的明度彩度及色调h₂转换至在显示设备上待显示的 CIEXYZ值(X',Y',Z')；

$\left(\begin{array}{c}{L}^{*}=L_2^{*}\\ a^{*}=C_2^{*}·\cos ({\mathrm{\pi h}}_2/180)\\ b^{*}=C_2^{*}·\sin ({\mathrm{\pi h}}_2/180)\end{array}\right)---\left(9\right)$

$\left(\begin{array}{c}{Y}^{\prime }=\left(\begin{array}{cc}{Y}_W·{[(L^{*}+16)/116]}^{1/3}& {[(L^{*}+16)/116]}^{1/3}>0.008856\\ Y_W·L^{*}/903.3& {[(L^{*}+16)/116]}^{1/3}\le 0.008856\end{array}\right)\\ f_Y=\left(\begin{array}{cc}{(Y^{\prime }/Y_W)}^{1/3}& Y^{\prime }/Y_W>0.008856\\ 7.787(Y^{\prime }/Y_W)+16/116& Y^{\prime }/X_W\le 0.008856\end{array}\right)\\ X^{\prime }=\left(\begin{array}{cc}{X}_W·{(a^{*}/500+f_Y)}^3& {(a^{*}/500+f^Y)}^3>0.008856\\ X_W·(a^{*}/500+f_Y-16/116)/7.787& {(a^{*}/500+f_Y)}^3\le 0.008856\end{array}\right)\\ Z^{\prime }=\left(\begin{array}{cc}{Z}_W·{(f_Y-b^{*}/200)}^3& {(f_Y-b^{*}/200)}^3>0.008856\\ Z_W·(f_Y/b^{*}/200-16/116)/7.787& {(f_Y-b^{*}/200)}^3\le 0.008856\end{array}\right)\end{array}\right)---\left(10\right)$

七、根据显示设备红、绿、蓝三通道的原色三刺激值(X_Rmax,Y_Rmax,Z_Rmax)、 (X_Gmax,Y_Gmax,Z_Gmax、(X_Bmax,Y_Bmax,Z_Bmax)结合三通道的伽马系数γ_R、γ_G、γ_B， 建立起如式(11)～(12)所述的特征化模型，通过该模型，步骤六所获各像素的 CIEXYZ值(X',Y',Z')可以计算至对应的数字驱动值(d_R,d_G,d_B)，即完成了 高光谱图像的色彩可视化，其中N是显示设备单通道的存储位数。

$\left(\begin{array}{c}{T}_R\\ T_G\\ T_B\end{array}\right)={\left(\begin{array}{ccc}1& X_{G\max }/Y_{G\max }& X_{B\max }/Z_{B\max }\\ Y_{R\max }/X_{R\max }& 1& Y_{B\max }/Z_{B\max }\\ Z_{R\max }/X_{R\max }& Z_{G\max }/Y_{G\max }& 1\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{X}^{\prime }\\ Y^{\prime }\\ Z^{\prime }\end{array}\right)---\left(11\right)$

$\left(\begin{array}{c}{d}_R\\ d_G\\ d_B\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}(2^N-1)·{\left(T_R\right)}^{1/{\gamma }_R}\\ (2^N-1)·{\left(T_G\right)}^{1/{\gamma }_G}\\ (2^N-1)·{\left(T_B\right)}^{1/{\gamma }_B}\end{array}\right)---\left(12\right).$

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。