基于齐次多项式数码相机参数可变的获取三刺激值方法

摘要

本发明公开了一种基于齐次多项式数码相机参数可变的获取三刺激值方法。该方法将数码相机拍摄设置参数引入作为输入变量，建立实测样本和训练样本不同参数设置下相机响应值关联，基于一阶齐次多项式模型，将等效RGB值转换为实测样本的XYZ三刺激值。本发明克服了传统方法中要求相机必须固定拍摄参数进行训练和实测的缺陷，使得数码相机可以在固定一种拍摄参数下训练，而在实际拍摄测量时则可以自由变化拍摄参数，从而为数码相机作为一种成像式测色仪器提供了便利。

说明书

技术领域

本发明涉及颜色管理系统中的基于数码相机成像式获取颜色三刺激值的方法，尤其是在 数码相机的设置参数变化的情况下训练和实际测量的方法。

背景技术

目前，相对传统的测色设备，使用商用的数码相机作为一种成像式的测色仪器具有成本 低，操作简便等优点，因而在定量捕获场景色度信息的领域得到了越来越多的应用。然而， 相机的RGB空间是设备相关的空间，相同的场景使用不同的相机会得到不同的RGB值，因此需 要建立相机RGB颜色空间到CIEXYZ标准颜色空间的映射关系，这就是相机的色度特征化。为 保证得到原始相机捕获数据，一般基于数码相机的Raw文件进行数据处理。

ISO规定的数码相机特征化方法分为两种：基于光谱法和基于目标样本法。基于光谱法 虽然精度较高，但需要使用专业设备如单色仪，搭建和调试系统比较复杂；而基于目标样本 法由于其实验环境易于构建，得到广泛的应用。目前研究的基于目标样本的相机特征化方法 有三维查找表法、多项式法等。其中，多项式特征化方法具有项数可扩展，方法简单易于使 用，精度高等特点，故在相机特征化中优势明显。

基于目前的目标样本特征化方法将相机应用于场景颜色三刺激值时存在局限：相机是一 种多个参数可以调节的成像式设备，其中主要影响Raw文件的可控参数有：ISO感光度、快门 时间、光圈数、焦距(若使用变焦镜头)。但是，传统的特征化方法并没有将这些因素考虑 在模型中，因此在训练和测试时相机的参数必须保持固定，不可变动。一旦测试场景需要相 机改变参数，相机必须重新在训练环境中以改变后的参数来训练模型，这大大限制了传统特 征化方法的使用，给实际使用带来了不便。

发明内容

为了克服现有相机测色方法在训练和实测时相机参数必须固定的缺陷,本发明提供一种 基于齐次多项式数码相机参数可变的获取三刺激值方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于齐次多项式数码相机参数可变的 获取三刺激值方法，包括以下步骤：

(1)对数码相机进行特征化训练：获得训练样本均匀性校正后的RGB值和CIE三刺激值 XYZ，以及变换系数矩阵M，记录训练时的相机拍摄参数；具体包括以下子步骤：

(1.1)拍摄训练样本：选择颜色信息丰富的标准色卡作为训练样本，在光谱稳定的光源 照明条件下，设置相机拍摄参数：ISO感光度、光圈、快门、焦距，使得拍摄图像包含训练 样本，且曝光正确；同时设置相机储存参数，使得输出图像包含Raw文件格式；拍摄获取色 卡照片，得到色卡色块的RGB值；移除色卡，用一张均匀灰卡放置于色卡位置再次拍摄得到 灰卡照片用于均匀性校正；均匀性校正后的色卡RGB值记为RGB_Si,角标Si表示第i个训练样 本，同时记录相机的拍摄参数：快门时间、ISO感光度、光圈数，分别记为T_S、S_S、N_S；

(1.2)获取训练样本的色度值，使用分光光度计测得色卡和灰卡的光谱反射比R_Si和 R_Grey，使用分光辐射度计测得灰卡在步骤1.1中所在位置的光谱功率分布L_Grey，由下式计算得 到此光源照明条件下色卡的光谱功率分布L_Si，进而得到其CIE三刺激值XYZ，记为XYZ_Si；

$L_{Si}=L_{Grey}\frac{R_{Si}}{R_{Grey}}$

(1.3)由下式得到最小二乘的训练样本RGB值到XYZ值的变换系数矩阵M：

M＝HR^T(R^TR)^-1

式中，R为可以拓展项数的RGB_Si齐次多项式矩阵，必须保证齐次多项式次数为一阶，R矩阵大 小为m*n，m为齐次多项式项数，n为训练样本的色块个数；H为色卡的三刺激值XYZ_Si构成的 XYZ矩阵，大小为3*n；变换系数矩阵M大小为3*m。一阶齐次多项式矩阵R的第k行第i列的通 式可以表示为下式，其中r_i、g_i、b_i分别表示第i个训练样本的红、绿、蓝通道响应值，l、m、 n为无公约数不全为0的非负整数；

${\rho }_{ki}=\sqrt[l+m+n]{r_i^l{g}_i^m{b}_i^n}$

(2)将数码相机应用于实际的成像式测色：由拍摄到的待测物体色的图像RGB值和拍摄 时的拍摄参数，计算得到待测物体颜色的三刺激值XYZ；具体包括以下子步骤：

(2.1)在实际成像式测色应用中，为了获取待测试物体的高质量图像，重新设置相机拍 摄参数：ISO感光度、光圈、快门、焦距，使得拍摄图像包含测试物体，且曝光正确；同时 设置相机储存参数，使得输出图像包含Raw文件格式；对于测试图像中任一待测点RGB值，记 为RGB_Tj，角标Tj表示第j个测试点；记录相机的拍摄参数：快门时间、ISO感光度、光圈数， 分别记为T_T、S_T、N_T；

(2.2)将测试拍摄参数下得到的RGB响应值RGB_Tj转换至等效RGB值RGB_Ej，如下式：

${\mathrm{RGB}}_{Ej}=\frac{T_S{S}_S{N}_T^2}{T_T{S}_T{N}_S^2}{\mathrm{RGB}}_{Tj}$

(2.3)按照步骤1.3训练过程中的齐次多项式形式，扩展等效RGB值RGB_Ej成为形式上一致 的一阶齐次多项式R_E；

(2.4)利用变换系数矩阵M，得到待测点的颜色三刺激值H_T，计算方法如下式：

H_T＝MR_E

本发明的有益效果是：本发明通过建立拍摄参数和响应值的关系，将相机拍摄参数引入 特征化模型，可以方便地将不同参数的RGB响应值转换到训练参数对应的等效RGB响应值， 通过拍摄一次训练样本就可以建立基于齐次多项式的颜色特征化模型，根据测试场景的需求 自由调整相机参数以对场景进行色度数据采集和计算。本发明克服了传统数码相机特征化模 型必须在固定相机参数下使用的局限，大大增加了数码相机作为测色设备的自由度，显著提 高其适应性和实用性。针对目前普遍使用的多项式模型，一阶齐次多项式模型兼顾了等效 RGB值与CIEXYZ色度值之间的全局线性特征和局部非线性特征，提高了预测的精度。相比 于复杂的缩放搜索方法，齐次多项式模型的数学表达和程序实现都更简单，实际应用时运算 速度更快，可以满足针对图像实时测量的要求。

附图说明

图1是基于齐次多项式数码相机参数可变的获取三刺激值方法的流程图；

图2是模型训练时实验装置图；

图3是实例中用作训练和检验的样本色卡；

图4是不同参数下的测试结果图。

具体实施方式

以尼康数码单反相机D3x配尼康AF-S尼克尔24-120mmf/4GEDVR镜头为例，阐述使用这 台数码相机成像式获取物体颜色三刺激值的方法。需说明的是，本发明不限于尼康数码单反 相机，只要能获取到Raw文件格式的数码相机均适用于本发明。

如图1所示，本发明一种基于齐次多项式数码相机参数可变的获取三刺激值方法，具体 包括以下步骤：

(1)对数码相机进行特征化训练：获得训练样本均匀性校正后的RGB值和CIE三刺激值 XYZ，以及变换系数矩阵M，记录训练时的相机拍摄参数；具体包括以下子步骤：

(1.1)拍摄训练样本。选择GretagMacbethColorCheckerDC色卡为训练色卡，如图3所 示。照明环境选择在LED灯箱中，使用D65色温50lx照度的照明条件。D3x的影像记录选项中 选择NEF(RAW)格式输出，其他参数调整至构图包含训练样本，曝光正确(EV＝0)，ISO感光 度为100，光圈数为5.6，快门为1s，焦距为30mm。由此，得到了色卡的RGB值。再用一张灰色 均匀色卡放置于DC色卡前拍摄，用于色卡RGB值的均匀性校正。校正后的DC色卡RGB值记为 RGB_Si,角标Si表示第i个训练色块，除去外围一圈重复的灰阶，训练样本总共为180个色块。

(1.2)获取训练样本的色度值，使用SP64分光光度计测得色卡和灰卡的光谱反射比R_Si和 R_Grey，使用CS-2000分光辐射度计测得灰色色卡在步骤1.1中色卡位置的光谱功率分布L_Grey，如 图2实验设置所示，CS-2000分光辐射度计放置在相机拍摄训练样本的位置，以保证相同的观 察几何条件。由此，可计算得到此光源照明条件下色卡的CIE三刺激值XYZ，记为XYZ_Si,角标Si 表示第i个训练色块。

(1.3)由下式得到最小二乘的RGB到XYZ的变换系数矩阵M

M＝HR^T(R^TR)^-1

其中R选择使用7项多项式即分别为矩阵大小为7*180，变换系数 矩阵为3*7大小。

(2)将数码相机应用于实际的成像式测色：由拍摄到的待测物体色的图像RGB值和拍摄 时的拍摄参数，计算得到待测物体颜色的三刺激值XYZ；具体包括以下子步骤：

(2.1)获取测试图像，仍然使用DC色卡做测试，但是照明条件改变，分别在12lx， 25lx，100lx，200lx，400lx，800lx共六种照明环境下使用合适的相机设置参数。在本次实 验中，不改变ISO感光度、光圈、焦距，只改变快门，对应的快门分别为4s，2s，1/2s， 1/4s，1/8s，1/15s，由此分别拍摄得到测试图像。

(2.2)将测试拍摄参数下得到的RGB响应值RGB_Tj转换至等效RGB值RGB_Ej，如下式：

${\mathrm{RGB}}_{Ej}=\frac{T_S{S}_S{N}_T^2}{T_T{S}_T{N}_S^2}{\mathrm{RGB}}_{Tj}$

式中N_T、T_T、S_T表示拍摄测试样本的光圈数、曝光时间，在此次实验中以12lx条件为例，分别 为5.6、4s、100；N_S，T_S，S_S表示拍摄训练样本的光圈数、曝光时间和ISO感光度，在此次实 验中分别为5.6、1s、100。N、T、S这些参数均可以在Raw或者jpg的头文件中读取，可通过编 写程序来自动读取，从而实现特征化的自动化过程。至此，完成了不同参数下的特征化映 射。

(2.3)按照训练过程1.3步骤中的齐次多项式形式,扩展等效RGB值RGB_Ej成为形式上一致 的一阶齐次多项式R_E；

(2.4)利用变换系数矩阵M，得到待测点的颜色三刺激值H_T，计算方法如下式：

H_T＝MR_E

实验测试结果如图4所示，不同参数设置条件下的特征化精度均在2个CIELAB色差单位以 内，实现了数码相机在不同参数设置下对待测物体进行颜色三刺激值的测量。