СПОСОБ ЦВЕТОКОРРЕКЦИИ СИГНАЛА ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H04N9/00 

Изобретение относится к телевидению, в частности, к методам цветокоррекции сигналов изображения, и может быть использовано для минимизации искажений цветопередачи, вызванных отличием спектральных характеристик цветной телевизионной камеры, или среды, или источника освещения от идеальных.

Под реставрацией понимается процедура восстановления или оценивания элементов изображения, целью которой является коррекция искажений и наилучшая аппроксимация идеального неискаженного изображения. В этом смысле под цветовой реставрацией следует понимать такое преобразование сигналов датчика цветного изображения, имеющего произвольные спектральные характеристики чувствительности, при котором выходные сигналы цветного изображения преобразующего узла минимально отличаются от входных, полученных от цветной камеры с колориметрической системой потребителя (глаза, кинескопа, измерительной системы) при равномерной, в пределах оптического диапазона длин волн λ∈(λ_min, λ_max), спектральной характеристике среды Т(λ) и освещении объектов опорным источником света со спектральной характеристикой δ_о(λ).

Известно несколько способов цветовой коррекции сигналов изображения, позволяющих получить определенное приближение к колориметрически верной цветопередаче или к реставрации цветовой структуры изображения.

В одних из них с целью уменьшения цветоискажений, вызванных несоответствием спектральных характеристик чувствительности датчика кривым смешения колориметрической системы приемника, определяемой координатами основных цветов воспроизводящего устройства (Х, У)_ρ , (Х, У)_γ , (Х, У)_β и координатами равносигнального цвета (Х, У)_Б, используются методы сужения главных ветвей спектральных характеристик и электронной цветокоррекции, при которой выходные сигналы цветного изображения U_квых,U_звых,U_свых формируются из входных U_квх,U_звх, U_свхпри помощи линейной матрицы цветокоррекции

(1) где коэффициенты матрицирования α_ij рассчитываются на ЭВМ методом итераций. Критерием правильности расчета служит получение наименьших искажений цветности для набора испытательных цветов, рекомендованных Международной комиссией по освещению, с нормированными спектральными характеристиками отражения, при заданной (опорной) спектральной характеристике источника освещения δ_о(λ).

С целью адаптации к спектральной характеристике источника освещения коррекция цветопередачи осуществляется путем использования приводных светофильтров со специально подобранными спектральными характеристиками пропускания, которые приводят спектральное распределение излучения используемого источника освещения δ(λ). к опорному распределению δ_о(λ)., т.е. к тому, для которого рассчитывалась цветопередача камеры.

Однако изготовление светофильтров с произвольной спектральной характеристикой пропускания, рассчитанных на любой источник освещения или учитывающих поглощение среды, также, как и формирование спектральных характеристик чувствительности камеры необходимой формы, вызывает практические трудности. Поэтому оказывается затруднительным реализовать вышеперечисленными способами системы коррекции с малыми ошибками.

Недостатком метода матричной цветокоррекции является тот факт, что при необходимости сохранения цветового баланса и верности воспроизведения цвета коэффициенты α_ij зависят от спектрального распределения излучения источника света или спектральных свойств среды. Это вызвано тем, что выходные сигналы камеры U_квх, U_звх,U_свхявляются результатом преобразований вида

(2) где R(λ), G( λ), В(λ ) - спектральные характеристики чувствительности датчика; К_об(λ) - спектральный коэффициент отражения объекта.

Поскольку плавно изменять коэффициенты матрицы цветокоррекции во всем диапазоне цветовых температур источника освещения и при произвольных спектральных характеристиках поглощения среды затруднительно, в большинстве камер несмотря на неполную и неравномерную компенсацию ошибок цветопередачи используются 2-3 переключаемые цветокорректирующие матрицы для определенных цветовых температур источников света.

Наиболее близким по технической реализации к предлагаемому способу является статистический анализатор сигналов цветности телевизионного изображения авт. св., в котором реализован способ коррекции сигналов цветности, заключающийся в том, что исходные сигналы цветного изображения U_к, U_з, U_с подвергают масштабированию, нормировке по отношению к суммарному сигналу U_Σ и аналого-цифровому преобразованию, в результате чего формируются цифровые коды текущих значений координат цветности m и n
m = = ; n = = .

При этом изменения входных сигналов изображения U_к и U_з в αи β раз соответственно без изменения величины суммарного сигнала U_Σ и осуществление сдвига постоянных составляющих этих сигналов на U_ко и U_зосоответственно, выполняемые блоком масштабирования, приводят к формированию на выходе устройства новой системы координат цветности m' и n' с законом преобразования координатной системы
m'= αm-m_o; n'= βn-n_o, где
m_o= и n_o= ..

Минимизация цветоискажений при этом может быть частично достигнута в результате того, что при обработке сигналов цветного изображения параметры масштабирования α, β, m_o, n_o определяются априорными данными о цветовом составе изображения и спектральных характеристиках искажающих факторов.

Недостатком прототипа является линейность связи исходной цветовой системы с формируемой, что в реальном случае нелинейных преобразований не может полностью устранить ошибок цветопередачи при появлении спектральных свойств среды либо источника освещения. Кроме того, не осуществляется коррекция суммарного сигнала, несущего информацию о яркости элементов изображения и не восстанавливаются скорректированные сигналы цветного изображения.

Цель изобретения - минимизация искажений при цветовой реставрации изображений.

Цель достигается тем, что при способе цветовой реставрации изображения, заключающемся в формировании из сигналов цветного изображения суммарного сигнала U_Σ^I и цифровых кодов сигналов цветности, цифровые коды сигналов цветности формируют путем нормирования исходных сигналов цветного изображения и аналого-цифрового преобразования, а формирование цифровых кодов скорректированных сигналов цветности осуществляют путем перекодировки цифровых кодов сигналов цветности, формируют скорректированный при помощи коэффициентов коррекции яркости ζ_iсуммарный сигнал U_Σ^* =ζ_i U_Σ^I , а восстановленные сигналы цветного изображения формируют путем цифроаналогового преобразования цифровых кодов скорректированных сигналов цветности и денормирования их по отношению к скорректированному суммарному сигналу, при этом перекодировку цифровых кодов сигналов цветности осуществляют при помощи изначально сформированного матричного оператора θ, присваивающего значениям искаженных координат цветности (m' , n' )_i значения скорректированных координат цветности (m*, n*)_i так, что mm_i,nn_i, c этой целью предварительно определяют параметры оптимальных спектральных характеристик S_i(λ), i= , для каждой области (m, n)_i из N областей нормированного цветового пространства колориметрической системы потребителя, определяемой кривыми смешения ρ(λ), γ(λ),β(λ) и спектральной характеристикой опорного источника освещения δ_о(λ), путем решения системы уравнений

(3)
вычисляют для каждой оптимальной спектральной характеристики значения искаженных координат цветности (m' , n' )_i как

(4) и коэффициенты коррекции яркости ζ_i= .

(5)
Неизвестны технические решения, в которых для цветовой реставрации изображения предварительно рассчитываются преобразующий оператор перекодировки цветности θи коэффициенты коррекции яркости ζ_iколориметрического (цветового) пространства потребителя при известных спектральных характеристиках опорного и применяемого источников освещения, поглощающей среды и спектральных характеристиках чувствительности телевизионного датчика, формируются цифровые коды сигналов цветности и в результате перекодировки в соответствии с оператором θ цифровые коды скорректированных сигналов цветности, производится коррекция суммарного сигнала и формируются восстановленные сигналы цветного изображения. Так как реставрация осуществляется для всех дискретных значений цветового пространства, то такое преобразование приводит по сравнению с известными способами к снижению ошибок цветопередачи, определяемых числом элементарных областей цветности и таким образом осуществляет более точное приближение к реставрации изображения. На этом основании делается заключение о существенности отличий предлагаемого способа.

На фиг. 1 представлено нормированное цветовое пространство (НЦП) системы и вид оптимальных спектральных характеристик для некоторых точек НЦП; на фиг. 2 - структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Предложенный способ заключается в том, что на основе известных кривых смешения колориметрической системы потребителя ρ(λ),γ(λ),β(λ) , определяемых по координатам основных цветов (Х, У)_ρ, (Х, У)_γ , (Х, У)_β и координатам опорного (равносигнального) цвета (Х, У)_Б в системе ХУZ, вычисляют параметры оптимальных спектраль- ных характеристик для координат цветности (m, n)_i каждой области этой системы. Под оптимальными спектральными характеристиками (ОСХ) понимаются зависимости спектрального коэффициента отражения или пропускания от длины волны имеющие на участке оптического диапазона значения равные 0 или 1 при наличии не более двух переходов между этими значениями и математически записываемые
S_i(λ) = где а_i=. При этомλ_min≅λ_1i≅λ_2i≅λ_max.

Выбор вида ОСХ, т.е. параметра а_i для заданных координат, осуществляется по принципу определения принадлежности (m, n)_i к одной из двух областей НЦП
a_i= где функции F₁(m,n), F₂(m,n) являются решением систем уравнений (6) и (7) соответственно
(6)

(7) где D(x)=0, если х x∉(0, λ_max - λ_min) и D(x)=1, если х∈[0, λ_max- λ_min], а функция F₃(m,n) определяется F₃(m,n)= (μ₂-μ₁)n+(ν₁-ν₂)m+(ν₂-ν₁)μ₁+(μ₁-μ₂)ν₁ , где
μ₁= m ; μ₂= m ;
ν₁= m ; ν₂= m .
Параметры (λ₁, λ₂)_i вычисляются путем решения системы уравнений (8), являющейся результатом преобразования системы (3)

(8) где q(λ)=ρ(λ)+γ(λ)+β(λ) .

Системы (6), (7) и (8) могут быть решены различными методами, например, методом наискорейшего спуска. Таким образом, с каждой областью с координатами цветности (m, n)_i сопоставляется своя ОСХ с параметрами (λ₁,λ₂,a)_i , при этом общее число N таких областей при равномерном квантовании НЦП равно
N = , где р - число уровней квантования по каждой из ординат m и n; затем вычисляются смещения цветностей ОСХ, вызванные отличием спектральных характеристик чувствительности датчика R(λ), G(λ), B(λ) от кривых смешения колориметрической системы потребителя и в результате влияния спектральных свойств среды Т(λ) и источника освещения δ(λ) путем решения системы уравнений (9), являющейся результатом преобразования системы (4),

(9)
где Q(λ)=R(λ)+G(λ)+B(λ) .

Таким образом, можно установить однозначные соответствия между исходными координатами цветности (m, n)_i и смещенными - в результате влияния искажающих факторов - координатами (m' , n' )_i и на основании этих соответствий, сформировать обратные им, т.е. реставрирующий матричный оператор θпреобразования (m' , n' )_i в (m*, n*)_i, где m_i*=m_i, n_i*=n_i, если (m ', n ')_i являются искаженными координатами только одной ОСХ S_i(λ) и m_i* ≈m_i, n_i*≈n_i, если (m' , n' )_i являются искаженными координатами нескольких ОСХ; при этом за m_i*, n_i* принимаются результаты усреднения значений исходных координат всех, порождающих данную искаженную цветность (m' , n' )_i, ОСХ. Кроме того, осуществляется коррекция суммарного сигнала; это проводится при помощи коэффициентов коррекции яркости ζ_i, вычисляемых по (10), в результате преобразования (5)
ζ_i = .

(10)
При этом U_Σ^*=ζ_i U_Σ'.

Эти предварительные расчеты могут быть осуществлены при помощи программных средств.

Данным оператором θи коэффициентами коррекции яркости ζ_i можно осуществить достаточно точную реставрацию цвета объектов со спектральными характеристиками отражения, близкими к S_i(λ). В то же время влияние искажающих факторов или неколориметричности цветового пространства датчика на объект с гладкой спектральной характеристикой К_об(λ) и значениями координат цвета

(11) и на оптимальный цвет с ОСХ S_i(λ), параметры ( λ₁, λ₂, а)_i, которого таковы, что координаты цветности соответствуют координатам цветности К_об(λ), т. е. m_i=m_об, n_i=n_об, а суммарный сигнал U_Σi цвета с характеристикой h_iS_i (λ) равен суммарному сигналу объекта, т.е. U=U, при этом U= h_ia_iq(λ)δ_o(λ)dλ+h_i(1-2a_i) q(λ)δ_o(λ)dλ вызывает смещения координат
и (m' , n' , U_Σ')_i соответственно, где
U= h_ia_iQ(λ)δ(λ)Tλ(λ)dλ+h_i(1-2a_i) Q(λ)δ(λ)T(λ)dλ , при этом значения смещенных координат объекта и оптимального цвета h_iS_i(λ) близки друг к другу, т.е. m'm'_i, n'n'_i,UU', и попадают в центральные части зон разброса цветности и яркости, полученных по методу спектральных метамеров.

Поэтому применение матричного оператора θи коэффициентов коррекции яркости ζ_i, рассчитанных на реставрацию оптимальных цветов h_iS_i(λ) к реальным объектам, практически всегда имеющим гладкую спектральную характеристику К_об(λ), приведет к восстановлению координат цвета объекта m_об*, n_об*, U так, что mm_об, nn_об, U U, с последующим формированием путем цифроаналогового преобразования цифровых кодов скорректированных сигналов цветности и денормирования их по отношению к скорректированному суммарному сигналу отреставрированных сигналов цветного изображения U, U, U .

При этом параметры m_об, n_об, U_об, вычисленные по системе (II) и соответствующие выходным сигналам U_квх, U_звхиU_свх датчика с колориметрической системой потребителя и при отсутствии искажающих факторов, будут минимально отличаться от полученных при помощи матричного оператора θи коэффициентов коррекции яркости ζ_iпараметров m_об*, n_об*, U и соответствующих им сигналов U_квых^*,U_звых^*, U_свых^*,формируемых по правилу

Устройство для осуществления способа цветовой реставрации изображений содержит (фиг. 2) сумматор 1, функциональные аналого-цифровые преобразователи (ФАЦП) 2 и 3, цветоанализирующую матрицу (ЦАМ) 4, матрицу корректоров яркости (МКЯ) 5, функциональные цифроаналоговые преобразователи (ФЦАП) 6, 7 и 8, блок вычитания 9, и работает следующим образом.

Сигналы цветного изображения, красный U_квх' и зеленый U_звх', в общем случае искаженные, поступают на вход ФАЦП 2 и вход ФАЦП 3 соответственно и суммируются с сигналом синего U_свх' на сумматоре 1. Выходной сигнал сумматора 1, представляющий собой суммарный сигнал U_Σ'=U_квх'+ U_звх'+U_свх', поступает на вторые входы ФАЦП 2 и ФАЦП 3. ФАЦП 2 и ФАЦП 3 выполняют одновременно функции нормировки и аналого-цифрового преобразования, в результате чего формируются цифровые коды сигналов цветности m'_i=U_квх'/U_Σ' и n'_i= U_звх'/U_Σ' cоответственно. Таким образом, на выходах ФАЦП 2 и ФАЦП 3 формируются цифровой код сигнала цветности, являющийся комбинацией цифрового кода координаты m'_iи цифрового кода координаты n'_i. На выходах ЦАМ 4, представляющей собой запоминающее устройство, в качестве адресного сигнала которого выступает цифровой код сигнала цветности (m' , n' )_i, формируется содержимое адресуемых ячеек памяти - цифровой код скорректированного сигнала цветности (m*, n*)_i, являющийся результатом перекодировки цветности в соответствии с матричным оператором θ, вычисленным согласно заявляемому способу.

Заполнение ЦАМ 4 значениями матричного оператора θ может производиться различными способами, в частности при помощи ЭВМ, путем коммутации адресных входов ЦАМ 4 на шину ЭВМ и занесения данных по шине данных.

Цифровой код скорректированного сигнала цветности поступает на адресные входы запоминающего устройства МКЯ 5 и вызывает содержимое адресуемой ячейки памяти, соответствующее цифровому коду коэффициента коррекции яркости ζ_i, вычисленному (10) также в соответствии с заявляемым способом. Заполнение МКЯ 5 значениями может производиться способом, аналогичным способу заполнения ЦАМ 4 значениями матричного оператора.

Цифровой код коэффициента коррекции яркости преобразуется вместе с суммарным сигналом U_Σ^Iнас ФЦАП 8, включенном в умножающем режиме, в аналоговый скорректированный суммарный сигнал U_Σ^* = ζ_iU_Σ' , и этот последний поступает на вторые входы ФЦАП 6 и ФЦАП 7, на первые входы которых поступают цифровые коды скорректированных сигналов цветности m_i* и n_i* соответственно. В процессе обработки на ФЦАП 6 и ФЦАП 7 производится цифроаналоговое преобразование цифровых кодов m_i* и n_i*, их денормировка по отношению к скорректированному сигналу U_Σ^* и формирование на выходах ФЦАП 6 и ФЦАП 7 восстановленных красного и зеленого сигналов цветного изображения U_квых^*= m_i^* U_Σ^*и U_звых^*=n_i^* U_Σ^*соответственно. Блок вычитания 9 формирует восстановленный синий сигнал изображения: U_свых^*=U_Σ^*-U_квых^*-U_звых^*. Все преобразования (при заполненных ЦАМ 4 и МКЯ 5) производятся со скоростью поступления входной информации, т.е. в реальном времени. Поскольку метод масштабирования не учитывает нелинейности преобразования (2), коррекция данным методом приводит к более заметным искажениям цвета, нежели коррекция, реализованная предлагаемым способом. Таким образом, подтверждается достижимость положительного эффекта и к преимуществам данного способа следует отнести следующее: реальное осуществление коррекции с малыми ошибками (реставрации) искажений цвета, вызванных несоответствием спектральных характеристик чувствительности телевизионного датчика кривым смешения колориметрической системы потребителя, несоответствием спектральной характеристики применяемого источника освещения спектральной характеристике опорного источника, влиянием спектральных свойств среды, причем эта коррекция осуществляется для всех дискретных областей НЦП; возможность осуществления коррекции сигналов цветного изображения в реальном времени при отсутствии флуктуаций нормированных спектральных характеристик источника освещения, среды и спектральных характеристик чувствительности датчика, и при наличии таких флуктуаций возможность достаточно быстрой замены реставрирующих матричного оператора θи коэффициентов коррекции яркости; осуществимость преобразования колориметрической системы датчика в колориметрическую систему приемника; малые технические и стоимостные затраты на изготовление устройства, реализующего предложенный способ, и возможность выполнения устройства в малых габаритах при помощи технологии больших интегральных схем.

Использование: в телевидении, в частности при цветокоррекции сигналов изображения. Сущность изобретения: способ цветокоррекции сигнала изображения, при котором формируют суммарный сигнал из сигналов цветного изображения, преобразуют суммарный сигнал в цифровой код сигнала цветности, при этом после формирования суммарного сигнала цветного изображения определяют параметры оптимальных спектральных характеристик для каждой координаты из N участков нормированного цветового треугольника, замещают цифровые коды сигналов цветности на цифровые коды скорректированных сигналов цветности. Устройство цветокоррекции сигнала изображения содержит сумматор 1, два аналого-цифровых преобразователя 2, 3, цветоанализирующую матрицу 4, матрицу корректоров яркости 5, три цифроаналоговых преобразователя 6, 7, 8, блок вычитания 9. Цель изобретения - повышение точности. 2 ил.

СПОСОБ ЦВЕТОКОРРЕКЦИИ СИГНАЛА ИЗОБРАЖЕНИЯ, при котором формируют суммарный сигнал U из сигналов цветного изображения R, G, B, преобразуют их и полученный суммарный сигнал в цифровой код сигнала цветности путем перекодировки цифровых кодов сигналов цветности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности цветокоррекции, после формирования суммарного сигнала цветного изображения определяют параметры оптимальных спектральных характеристик S_i(λ) , i = 1 для каждой координаты (m, n) из участков нормированного цветного треугольника, решая систему уравнений

где ρ(λ) , γ(λ) , β(λ) - кривые смещения;
δ₀( λ ) - спектральная характеристика опорного источника освещения,
вычисляют для каждой оптимальной спектральной характеристики значения искаженных координат цветности (m′ , n′)_i как

где R( λ ) , G(λ) ,B( λ ) - спектральные характеристики чувствительности источников цветного изображения;
δ( λ ) - спектральная характеристика используемого источника освещения;
T( λ ) - спектральная характеристика поглощения среды;
замещают цифровые коды сигналов цветности, соответствующие искаженным координатам цветности (m,n)_i , на цифровые коды скорректированных сигналов цветности соответствующих координат (m^* , n^*) , при этом за m_i^* , n_i^* принимают усредненные значения координат цветности (m, n_i) оптимальных спектральных характеристик, формируют скорректированный суммарный сигнал U*Σ

= ζU , при этом цифровые коды коэффициентов коррекции яркости определяют как
ζ_i= ,
преобразуют цифровой код в аналоговый сигнал, полученный сигнал цветного изображения денормируют по отношению к скорректированному суммарному сигналу.