一种新的彩色图像颜色不变性阈值分割方法

摘要

本发明公开了一种新的彩色图像颜色不变性阈值分割方法。它解决了目前无法有效解决噪声和光照等因素对图像颜色识别的干扰，影响图像分割的精确性等问题，具有能有效消除点光源环境下，漫反射表面和镜面反射表面对阈值精确分割的影响，并满足点光源环境下阈值分割的精确性和鲁棒性等优点。其方法为通过推导出Phong光照模型的颜色不变性提出了一种新的测量漫反射表面和镜面反射表面反射性的方法，并采用高斯颜色相似性模型实现一个目标象素级的自适应阈值分割方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种图像处理方法，尤其涉及一种新的彩色图像颜色不变性阈值分割方法。

背景技术

图像阈值分割的目的是将图像中的背景和目标像素分离。在图像阈值分割后，对象像素就可以用一种和背景像素不同的颜色表示。理想的情况是所有的对象象素都被完全选择出来，但由于受噪声和光照等影响，通常很难找到可以对任意的彩色图像有效的单阈值方法，即使对一张图像采用单阈值也是不理想的。因此，目前消除光照影响的方法主要有三种：一种是梯度法，一种是色彩统计预测法，一种是基于双色调模型的统计预测法。前两种算法对于漫反射表面具有很好的识别作用，但没有考虑镜面反射效应。第三种双色调方法虽考虑了镜面反射的影响，但都是对自然世界的一般框架式的描述，没有对特定环境(如点光源环境)的光照几何变化的精确描述。

发明内容

本发明的目的就是为了解决目前无法有效解决噪声和光照等因素对图像颜色识别的干扰，影响图像分割的精确性等问题，提供一种具有能有效消除点光源环境下，漫反射表面和镜面反射表面对阈值精确分割的影响，并满足点光源环境下阈值分割的精确性和鲁棒性等优点的一种新的彩色图像颜色不变性阈值分割方法。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种新的彩色图像颜色不变性阈值分割方法，它的方法为，

(1)利用图像采集设备采集物体表面的图像，并在物体上方任意位置设置至少一个点光源，在物体图像上取点光源的法向投影点P_s；同时图像上确定与其不同的至少一个任意参考点P_i，并对图像的RGB三种颜色分量分别进行以下处理；

(2)对各参考点P_i根据物体表面的漫反射性和镜面反射性建立对应的Phong光照模型，分别对漫反射表面和镜面反射表面进行如下处理；

(3)对于漫反射表面，确定其Phong光照模型的漫反射系数，然后整合RGB三色分量，建立颜色相似性混合高斯模型，进行彩色图像颜色不变性阈值分割，完成图像的处理；

(4)对于镜面反射表面，则先根据步骤(3)确定Phong光照模型的漫反射系数；然后再确定Phong光照模型的镜面反射系数和光照强度指数，最后整合RGB三色分量，建立颜色相似性混合高斯模型，进行彩色图像颜色不变性阈值分割，完成图像处理。

所述步骤(2)中，Phong光照模型为$$ >>>I>\lambda >>=>>I>L\lambda >>cos>\theta >+>>I>S\lambda >>>cos>>n>\lambda >>>\alpha >,>>$$其中I_λ为反射光照，I_Lλ为漫反射系数，I_Sλ为镜面反射系数，λ为RGB三色分量，θ为光照方向和目标法线的夹角，α为反射光方向和视点方向的夹角，n_λ为反射强度指数的倍数，I_Lλcosθ和I_Sλcos^nλα分别代表了Phong光照模型的漫反射分量和镜面反射分量。

所述步骤(3)中，对漫反射表面，镜面反射系数取为I_Sλ≈0，则Phong光照模型简化为I_λ＝I_Lλcosθ，通过I_λ+I″_λ|_θ＝0得到候选漫反射区域，并通过公式I_λ＝I_Lλcosθ计算得到候选漫反射区域集合{I_i，Lλ}；由各I_i，Lλ值计算出各点的I_λ的值并和选定的背景参考点P分别进行比较从而得到理想的{I_i，Lλ}并求其均值作为漫反射系数I_Lλ。

所述步骤(4)中，在镜面反射中，将得到的I_Lλ作为镜面发射表面的漫反射系数。对I_λ+I″_λ|_θ≠0的各点利用$$ >>>n>\lambda >>=>>sup>>I>\lambda >\prime sup>>>|>\theta >>+>>I>L\lambda >>sin>\theta >>>(>>I>\lambda >>->>I>L\lambda >>cos>\theta >)>>>·>>>cos>\alpha >>>(>->sin>\alpha >)>>>·>>1>>>\alpha >\prime >>>|>\theta >>>>>$$得到候选镜面反射强度指数的集合{n_i，λ}，并利用$$ >>>I>S\lambda >>=>>>>I>\lambda >>->>I>L\lambda >>cos>\theta >>>>cos>n>>\alpha >>>>$$得候选镜面反射系数的集合{I_i，Sλ}，最终根据背景参考点选择理想的{n_i，λ}和{I_i，Sλ}，最后求均值得到光照强度指数n_λ和镜面反射系数I_Sλ。

所述颜色相似性混合高斯模型表示为$$ >>Pr>>(>>I>>P>j>>>)>>=>>\Sigma >>k>=>1>>>>3>>>>w>>j>,>k>>>>G>k>>>(>>m>>j>,>k>>>,sup>>\sigma >>j>,>k>>2sup>>)>>,>>$$其中I_Pj为图像上第j点的像素，W_j，k为第j点像素第k分量高斯模型的加权系数，k代表RGB三种分量，m_j，k，σ_j，k²分别为第k分量的高斯模型G_k的均值和偏差。

本发明的有益效果是：本发明通过推导出Phong光照模型的颜色不变性提出了一种新的测量漫反射表面和镜面反射表面反射性的方法，并采用高斯颜色相似性模型实现一个目标象素级的自适应阈值分割方法。图像分割的结果和大量测试数据显示了该颜色不变性对彩色物体表面反射性的测量稳定性和分辨率以及图像阈值分割的准确性和鲁棒性。该方法不仅可以成功消除背景高光、光照漫反射和镜面反射的光照变化和噪声等影响，而且由于该方法建立在物理模型和统计测量的基础上，因而该方法对阈值分割具有更好的适应性。

附图说明

图1为本发明的信号采集示意图；

图2为稳定性和分辨率测试对比图；

图3为不变性相似比和测量误差对比图；

图4为参考点相似比和测量误差对比图；

图5为漫反射表面阈值分割示例图；

图6为镜面反射表面阈值分割。

其中，1.点光源，2.图像采集设备。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图1中，利用图像采集设备2(如数码相机)采集物体表面的图像，并选取至少一个点光源1及其在图像上任意位置的法向投影点P_s和与该投影点不重叠的若干个任意参考点P_i；h1和h2分别为光源和摄像机到平面的距离。

采用的Phong光照模型为$$ >>>I>\lambda >>=>>I>L\lambda >>cos>\theta >+>>I>S\lambda >>>cos>>n>\lambda >>>\alpha >,>>$$其中I_λ为反射光照，I_Lλ为漫反射系数，I_Sλ为镜面反射系数，λ为RGB三色分量，θ为光照方向和目标法线的夹角，α为反射光方向和视点方向的夹角，n_λ为反射强度指数的倍数，I_Lλcosθ和I_Sλcos^nλα分别代表了Phong光照模型的漫反射分量和镜面反射分量。

对于漫反射表面，Phong光照模型的镜面反射系数可以视为I_Sλ≈0，因此I_λ＝I_Lλcosθ；两边分别求对入射角θ的一阶和二阶导数并做变换得到，I_λ+I″_λ|_θ＝0

对于具有镜面反射性的表面，首先根据I_λ+I″_λ|_θ＝0近似求得Phong光照模型的漫反射系数I_Lλ；其次，对I_λ+I″_λ|_θ≠0的区域，两边作变换并求对数导数，从而得到一个独立于I_Sλ的镜面反射强度指数n_λ的颜色不变性，即$$ >>>n>\lambda >>=>>sup>>I>\lambda >\prime sup>>>|>\theta >>+>>I>L\lambda >>sin>\theta >>>(>>I>\lambda >>->>I>L\lambda >>cos>\theta >)>>>·>>>cos>\alpha >>>(>->sin>\alpha >)>>>·>>1>>>\alpha >\prime >>>|>\theta >>>>,>>$$将得到的n_λ和I_Lλ代入I_λ＝I_Lλcosθ+I_Sλcosnα后，即求得镜面反射系数I_Sλ，即$$ >>>I>S\lambda >>=>>>>I>\lambda >>->>I>L\lambda >>cos>\theta >>>>cos>n>>\alpha >>>.>>$$

利用参数化微分求导法则计算I′_λ|θ、I″_λ|_θ和α′|_θ，其中，$$ >>>>I>\prime >>\lambda >>>|>\theta >>=>>>dI>\lambda >>d\theta >>=>>>>>I>\prime >>\lambda >>>|>P>>>>>\theta >\prime >>>|>P>>>>,>>$$

$$ >sup>>I>\lambda >>\prime >\prime >sup>>>|>\theta >>=>>sup>>I>\lambda >>\prime >\prime >sup>>>|>P>>·>>\theta >\prime >>>|>P>>->>>I>\prime >>\lambda >>>|>P>>·>>\theta >>\prime >\prime >>>>|>P>>>>>(>>\theta >\prime >>>|>P>>)>>2>>>,>>\alpha >\prime >>>|>\theta >>=>>d\alpha >d\theta >>=>>>>\alpha >\prime >>>|>P>>>>>\theta >\prime >>>|>P>>>>.>>$$

为了消除阈值分割的噪声误差，利用RGB混合高斯模型来实现阈值分割，第P_j点的RGB混合高斯模型可以表示为：

$$ >>Pr>>(>>I>>P>j>>>)>>=>>\Sigma >>k>=>1>>3>>>w>>j>,>k>>>>G>k>>>(>>m>>j>,>k>>>,sup>>\sigma >>j>,>k>>2sup>>)>>,>>$$其中I_Pj为图像上第j点的像素，W_j，k为第j点像素第k分量高斯模型的加权系数，k代表RGB三种分量，m_j，k，σ_j，k²分别为第k分量的高斯模型G_k的均值和偏差。

该方法的实现步骤：

(1)利用数码相机采集物体表面的图像，并在物体上方任意位置设置至少一个点光源，在物体图像上取各点光源的法向投影点P_k，S，k取点光源的个数；同时图像上确定与其不同的至少一个任意参考点P_i；

(2)对各参考点P_i根据物体表面的漫反射性和镜面反射性建立对应的Phong光照模型，分别对漫反射表面和镜面反射表面进行如下处理；

(3)对于漫反射表面，将公式$$ >sup>>I>\lambda >>\prime >\prime >sup>>>|>\theta >>=>>sup>>I>\lambda >>\prime >\prime >sup>>>|>P>>>>·>\theta >>\prime >>>|>P>>-sup>>I>\lambda >\prime sup>>>|>P>>>>·>\theta >>>\prime >\prime >>>>|>P>>>>>(>>\theta >\prime >>>|>P>>)>>2>>>>$$得到的I_λ″|_θ代入公式I_λ+I″_λ|_θ＝0中，按满足I_λ+I″_λ|_θ＝0的相似比r0_L得到候选漫反射区域，并通过公式I_λ＝I_Lλcosθ计算得到候选漫反射系数的集合{I_i，Lλ}；将候选的各I_i，Lλ值计算出对应I_λ的估计值并和选定的背景参考点P_i分别进行比较，根据一定的相似比rP_L得到理想漫反射系数的集合{I_i，Lλ}并将其均值作为漫反射系数I_Lλ；整合RGB三颜色分量建立颜色相似性混合高斯模型实现背景分割；

(4)对于镜面反射表面，将得到的I_Lλ作为镜面发射表面漫反射系数的近似，对I_λ+I″_λ|_θ≠0的各点利用$$ >>>n>\lambda >>=>>sup>>I>\lambda >\prime sup>>>|>\theta >>+>>I>L\lambda >>sin>\theta >>>(>>I>\lambda >>->>I>L\lambda >>cos>\theta >)>>>·>>>cos>\alpha >>>(>->sin>\alpha >)>>>·>>1>>>\alpha >\prime >>>|>\theta >>>>>$$得到候选镜面反射强度指数的集合{n_i，λ}，并利用$$ >>>I>S\lambda >>=>>>>I>\lambda >>->>I>L\lambda >>cos>\theta >>>>cos>>n>\lambda >>>\alpha >>>>$$得候选镜面反射系数的集合{I_i，Sλ}。根据背景参考点的相似比rP_S选择理想的{n_i，λ}和{I_i，Sλ}，并求均值得到光照强度指数n_λ和镜面反射系数I_Sλ。最后，整合RGB建立镜面反射颜色相似性混合高斯模型实现镜面反射表面阈值分割。

本发明的测试数据分析和实验结果表述如下：

为了测试RGB三个分量的漫反射系数I_Lλ得稳定性，在图2所示的512×384漫反射表面背景图像上分别在行列等间隔取得50个点，形成一个50×50的参考点P矩阵。通过计算分别得到漫反射性系数I_Lλ和颜色相似性高斯模型的均值和偏差，以及测量像素误差值diff_P的均值和偏差的变化图。从图2上行左图可以看出，在P点集合的灰度差异为100～200的情况下，其所得到的漫反射系数I_Lλ基本稳定在0～10个像素范围内，并且diff_P的均值也仅仅在6～10个灰度范围内，偏差仅为1～2个灰度范围，从而证明了该方法的稳定性。

另一方面，为了得到最佳近似比，取背景图像任意一个参考点并绘制出r0_L按比例增加后的diff_P值随r0_L增加的变化趋势图。以任意两个参考点的变化趋势图为例(如图3所示)，从图中可以看出diff_P值随r0_L的增加总体呈现阶段性上升趋势，起初呈现下降趋势但在到达一定比例后呈现上升趋势。这个现象说明，随着I_λ+I″_λ|_θ得值接近0的比例提高，其精确度随着提高的，并在一定范围内保持稳定。另一方面，由于参与计算的像素数目减少了，因此当到一定程度后，误差总体趋势变大，但误差范围仍保持在6～7个灰度范围内。

同样，为了得到最佳的rP_L，本文通过分析图4所示的任意两个参考点的相似比rP_L和测量误差变化趋势图，可以看出diff_P值随rP_L的增加总体呈现由大变小，再由小变大的连续抛物线上升趋势，在rPL＝0.3附近处达到最小。这个现象说明，参考点近似比对精度影响明显，尽管随着相似比地提高，误差随着减少，但由于参与计算的像素数目也减少了，因此当到一定程度后，误差开始增加，但误差范围仍保持在6~10个灰度范围内。

实验证明，当r0L＝0.95，r_PL＝0.3左右，以及漫反射阈值取为3～4*σ_Lλ时，在该背景图像下所取得的字符图像(图5)和得到的阈值分割结果。

对于具有强镜面反射性的表面，首先得到镜面反射表面的漫反射系数；其次，在非漫反射点上得到漫反射强度指数和漫反射系数I_Sλ。在镜面反射阈值分割中，分别建立RGB镜面反射相似性高斯模型G(m_Sλ；σ_Sλ)实现颜色不变性阈值分割。图6为一幅普通白炽光照射到瓷砖地板的镜面反射图像，经过大量分析发现当漫反射系数r0_L＝0.96，rP_L＝0.5，并且漫反射阈值取4～6σ_Lλ而镜面反射阈值取6～7σ_Sλ时，其阈值分割结果见图6。