与视觉认知过程相关的图像色貌建模的研究

发布时间：2019-04-09 12:01

【摘要】：不同类型成像设备的涌现,使得印刷图像原稿的来源变得更加复杂,为印刷图像跨媒体高保真再现提出了新的挑战。虽然颜色形成的现代阶段学说理推动了颜色数字化的进程,涌现了一系列视觉均匀颜色空间和色貌模型,开始逐步满足印刷图像颜色跨媒体再现的需要,但是图像获取设备在许多环境条件中获取的印刷图像原稿,以当前的ICC色彩管理技术手段还不能很好地再现图像获取时的原始场景图像色貌,也即是说很难再现人眼视觉系统的颜色感知效果。因此,印刷图像跨媒体再现应以模拟人眼视觉颜色感知效果为目标,有关人眼视觉系统成像机制的研究仍是一个长期的研究热点。本文致力于研究数字图像跨媒体再现时因图像观察环境复杂而不能高保真再现的问题,开展对人眼视觉系统成像机制的研究,研究目标是建立与视觉认知过程相关的图像色貌模型,实现人眼视觉计算颜色恒常性算法的开发,预测不同环境条件下的视觉图像的色貌再现。依据颜色现代阶段学说的理论,以及视觉生理学、解剖学、视觉神经电学等相关学科的新发现,本文研究中认识到颜色感知不仅存在“多通道性”,还存在“多频道性”;还认识到视网膜层神经传导不是简单的三原色通道到四色对立通道的传导,还存在着“拮抗”机制;视觉通路中的视觉神经元表现出不同的感受野,感受野之间的信号传递是由低级到高级正向传递,高级对低级有反向反馈等。由此,本文创新性地设想人眼视觉图像色貌再现与颜色视觉形成过程中的两个重要阶段密切相关,即光源色适应阶段和颜色拮抗对比阶段。论文的研究技术路线是将人眼视觉颜色传递的多通道性和空间频率传递的多频道性有机融合,建立模拟人眼颜色感知恒常性的图像色貌模型框架。为研究视觉空间频率的多通道处理机制,设计心理物理实验,测量了人眼视觉对立色空间中“黑-白”、“红-绿”、“黄-蓝”颜色通道中颜色与空间频率变量相关的视觉辨色特性,提出了能够描述人眼视觉空间频率传递的10条空间频率调谐曲线。为便于印刷图像处理的应用,将空间频率通道调谐曲线设计为与观察条件相关的多尺度滤波算子,解决了Retinex理论在数字图像增强算法开发中滤波尺度选择盲目性的问题,发展了多尺度Retinex理论。经发展的多尺度Retinex理论算法可以实现人眼颜色感知的“中心-环绕”拮抗对比机制的模拟。基于论文的理论创新和心理物理实验测量数据,论文的重要实验和结论有:第一,研究了对立色空间CIELAB明度轴、色度轴平面上颜色的空间频率传递特性,得到了5个明度值的对比度敏感度函数和12个不同明度饱和色的对比度敏感度函数,不同的对比度敏感度函数曲线对比可用于描述CIELAB色空间中人眼颜色视觉的辨色特性;第二,依据理论创新中的空间频率传递调谐曲线,设计了与观察条件相关的10个低通滤波算子,这10个低通算子用于模拟视觉对立颜色通道信号处理的多尺度特征,算子的调节作用不仅表现出调节尺度范围而且还与调节范围的中心频率相关,起到了加权调节周围像素与中心像素颜色对比;第三,依据理论创新模型,开发了计算颜色恒常性算法,算法模拟了视觉认知过程中从三原色颜色处理机制到对立色颜色处理机制的转换,在三色处理阶段实现光源色适应的调节,完成适应场“白图像”的估计,在对立色阶段实现“中心-环绕”拮抗机制模拟,完成对比关系的计算。通过测试实验证实,论文开发与人眼视觉认知过程相关的颜色恒常性算法能够预测多种场景条件下人眼视觉图像色貌再现,该算法的性能进一步满足了印刷图像跨媒体高保真色彩再现的需要。该算法也能应用到与视觉图像成像技术相关的行业中,如3D图像获取、高动态范围图像压缩、图像质量测量等。模拟人眼视觉机制的图像色貌建模研究是非常有意义的,应用前景也是非常广泛的。
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【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41;TS801.3

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