摘 要：平面圖像在光線和角度的影響下容易出現色彩缺陷的問題，但由于傳統(tǒng)方法設計的平面視覺圖像色彩調整系統(tǒng)的自適應效果較差，導致調整后的圖像色彩差異不明顯。為了解決以上問題，提出一種基于機器視覺的平面視覺圖像色彩自適應調整系統(tǒng)的設計方法。在硬件設計上，開發(fā)以 Tiny6410核心板為基礎的數據采集器，并重新設計其外圍電路中的電源電路和 RS 232電路。在軟件設計上，通過自適應直方圖對平面視覺圖像進行均衡化處理，結合機器視覺技術識別圖像色彩缺陷，通過七色算法設計圖像色彩調整模塊。設計仿真實驗，結果顯示：通過此次設計的系統(tǒng)調整圖像色彩，圖像亮度未受到影響；與2組傳統(tǒng)圖像色彩調整系統(tǒng)相比，所設計的系統(tǒng)色彩調整效果更加符合預期，滿足原始圖像對色彩的要求。

現代科技發(fā)展逐漸走向繁榮，平面圖像色彩調整技術也在不斷完善的過程中。生活和工作中處處充滿著平面圖像，人們日常使用的產品一部分都是通過圖形結合文字來介紹產品信息、產品內容以及使用方式的。為了能夠保證圖像的實際拍攝效果，相關學者對平面視覺圖像色彩調整方法進行研究。在文獻［1?2］的研究內容中，兩者均利用 Photoshop 顏色模式和高級調整技巧對存在色彩缺陷的圖像進行調整，但是兩種傳統(tǒng)方法對圖像色彩的自適應調整能力較差，存在圖像色彩差異不明顯的問題。因此，此次研究在傳統(tǒng)系統(tǒng)［3］的基礎上，融合機器視覺技術，提出一種基于機器視覺的平面視覺圖像色彩自適應調整系統(tǒng)的設計方法，以優(yōu)化系統(tǒng)對圖像色彩的自適應調整功能。

1 平面視覺圖像色彩自適應調整系統(tǒng)硬件設計

為了輔助機器視覺技術在色彩調整系統(tǒng)中的應用效果，在Tiny6410核心板的基礎上設計開發(fā)數據采集器硬件。已知該板集成了S3C6410處理器、JTAG接口、復位電路以及 NAND FLASH等，因此設計該硬件時重點應落在外圍電路上［4］。數據采集器的基本結構如圖1所示。

電源模塊為系統(tǒng)提供工作電源，是實現數據采集的前提。因此利用5V電源輸入，同時利用電壓轉換電路為色彩調整系統(tǒng)提供3.3 V和5V電壓。電源電路的設計結構圖如圖2所示［5］。

為調試系統(tǒng)硬件與軟件設計RS 232電路，如圖3所示，利用該電路控制數據采集器的工作運行狀態(tài)。

采用SP3232作為電平轉換芯片，設計如圖3所示的RS 232電路，轉換電平信號［6］。至此實現平面視覺圖像色彩自適應調整系統(tǒng)的硬件設計。

2 設計平面視覺圖像色彩自適應調整系統(tǒng)軟件

2.1自適應直方圖均衡化平面視覺圖像

為了實現對圖像色彩的自適應調整，在HSI中對圖像強度處理。直方圖均衡化的函數映射方式公式為：

式中：f （λ）表示映射函數；λ表示輸入的灰度級；i表示灰度級；z（i）表示直方圖分量;N表示像素總數;H表示灰度級的數量［7］。在灰度級局部化的情況下，可利用式（1）進行映射。通過機器視覺的感知設置剪輯限值μ，當變化量小于差別閾限值JND時，機器視覺技術無法感覺圖像亮度的變化情況。已知差別閾限值曲線與平均背景亮度有關，因此假設平均背景亮度為A（x，y），則存在下列關系式：

式中：（x，y）表示圖像坐標；K0表示背景灰度級為零時的可見度閾值；k表示較高背景亮度下，函數建模的曲線斜率。如果JND值過高，則不能充分增強圖像色彩的邊緣細節(jié)［8］。因此，為了增強細節(jié)，同時防止光暈偽影，將灰度級λ的斜率設置為與JND相同的值。假設像素強度與背景亮度相似，則灰度級λ的限幅μ（λ）為：

式中f′（λ）表示剪切后直方圖的映射函數。設置色彩對比度增強調節(jié)方案，根據全局直方圖，調整局部直方圖的過度增強問題；根據輸入強度保護局部區(qū)域的相對亮度，得到精確的映射結果。

式中：L（x，y）表示均衡化后的映射結果；ω表示歸一化因子；SN表示近局域的像素數量；xl，yl表示第l個區(qū)域的像素坐標；m表示常數；λil表示修改后的灰度級［9］。根據上述自適應直方圖均衡化方法，設計調整系統(tǒng)的自適應處理程序，實現對圖像的灰度處理。

2.2均衡化處理后基于機器視覺識別圖像色彩缺陷

均衡化處理后，利用機器視覺技術，識別調整圖像存在的色彩缺陷問題。首先將圖像物體色彩與背景色彩進行分割，下列公式為圖像背景色彩分割結果：

式中：IMG0（x，y）表示原始彩色圖像；IMG1（x，y）表示移除背景色彩后的圖像;IMG2（x，y）表示掩模圖像［10］。由于輻射亮度存在動態(tài)變化特性，因此根據朗伯反射定律，假設分割后圖像上隨機一個點的亮度為I1，入射光的強度為I2，光源之間連線的夾角為α，則存在如下所示的關系方程：

對于應用機器視覺的調整系統(tǒng)來說，任意點的入射光強度可默認為相等，因此夾角α是導致色彩不均勻的主要原因。則可以根據下列方程，對圖像亮度進行校正：

式中：IRi表示第i個像素校正后的亮度值；Ii表示某一區(qū)間內，第i個像素的亮度值;IH表示所有像素點的平均亮度。當存在Ii《IH時，則式（7）的計算結果［11］小于255。根據校正后的亮度，識別存在色彩缺陷的圖像像素位置，得到：

式中：SD值表示識別到的缺陷指數；M表示缺陷候選區(qū)內的像素數目；qi表示缺陷候選區(qū)的第i個像素灰度值；qˉ表示所有的像素灰度平均值。根據上述結果確定圖像色彩缺陷區(qū)域，實現系統(tǒng)對圖像色彩缺陷的識別定位［12］。

2.3 設計圖像色彩調整模塊

根據七色算法和上述對圖像的處理過程，設計圖像色彩調整模塊。整個算法模塊由RGB信號合成模塊、七色拆分模塊、調整模塊組成。

首先，利用七色拆分模塊拆分RGB圖像信號，發(fā)送到七色調整模塊中，對各個參數進行調整，更改RGB圖像的色彩分量。然后，將運算結果上傳到信號合成模塊，疊加單色RGB色彩分量，得到調整后的平面視覺圖像色彩并輸出［13］。要求每個七色算法模塊均支持24位色彩輸入，根據實際添加的模塊數，支持48位、72位的圖像色彩輸出［14］。最后，經過拆分利用不同的系統(tǒng)參數，在白色調整模塊中進行調整，得到白色的RGB色彩分量。該過程中的部分關鍵代碼如下：

其中P_Wr，P_Wg以及P_Wb用來描述拆解后白色RGB的參數，其取值在（0，1）范圍內。利用基色調整模塊對圖像的色調、飽和度、亮度增益進行再次調整，從而實現基色的調整。再利用補色調整模塊對色調、飽和度、亮度增益進行補色調整［15］。最后根據色彩相加原理，將調整后的七色RGB色彩分量進行組合，得到最終的RGB數據并輸出。至此實現基于機器視覺的平面視覺圖像色彩自適應調整系統(tǒng)的設計。

3 仿真實驗

3.1圖像亮度測試

利用此次設計的色彩調整系統(tǒng)，對某一存在色彩缺陷的平面視覺圖像進行色彩自適應調整，結合13點法對調整后的圖像進行亮度測試。圖4為13點分布狀態(tài)圖。

圖中，W，H分別表示系統(tǒng)顯示屏幕的寬度和高度。采用xyY色度，測試圖像調整后中心點的色坐標和亮度參數。

1）測試圖像的屏前亮度。在相同亮度的測試環(huán)境中，默認其白色的屏前亮度值為L，將亮度計貼在圖4中的第5點處。

2）測試色度不均勻程度。保證亮度條件不變，通過下列公式計算調整后的圖像色度不均勻程度：

式中：Δx，Δy表示圖像色度不均勻的位置;i∈［0，N］，表示單元個數；xi，yi表示各顯示單元中心點，也就是第5點的坐標。

3）測試圖像的亮度均勻性。實驗測試條件相同，測試白色亮度顯示的一致性，計算公式為：

式中：L0表示亮度平均值；N表示測試點個數;L1，L2表示不同測試點的亮度;Li表示中心點亮度值;F表示亮度一致性。利用上述3個步驟，測試圖像的亮度效果，發(fā)現得到的數據與預期相近，說明此次設計的系統(tǒng)在調整平面視覺圖像色彩缺陷等問題時能夠保證圖像的亮度，滿足使用要求。

3.2 增益和亮度線性關系測試

測試系統(tǒng)調整色彩過程中，調整白色增益值后的屏前亮度值，結果如表1所示。

根據表1中的測試數據，繪制增益、亮度變化關系曲線。根據曲線變化趨勢，可以證明增益與亮度之間存在線性關系，因此驗證了此次設計的調整系統(tǒng)，可以用來調整平面視覺圖像進行色彩缺陷。

3.3 圖像色彩調整效果測試

將本文設計系統(tǒng)與兩個傳統(tǒng)色彩調整系統(tǒng)進行對比，對同一存在色彩缺陷問題的圖像進行自適應調整。圖5為不同系統(tǒng)應用下，圖像的差異色彩的分布狀態(tài)示意圖。

從圖5所示的3組測試結果可以看出，只有文中系統(tǒng)應用下的圖像，其差異色彩坐標集中在中心位置，而兩個傳統(tǒng)系統(tǒng)調整后，圖像的差異色彩坐標分布相對分散，可見其色彩調整效果并不理想。

4 結 語

為了提高平面圖像色彩的自適應調整能力，提出基于機器視覺的平面視覺圖像色彩自適應調整系統(tǒng)設計方法。在機器視覺技術的幫助下，結合硬件與軟件的雙重設計，實現了對平面視覺圖像色彩的自適應調整，一定程度上改善了平面圖像經過調整后的色彩差異度的問題。但在設計過程中發(fā)現，該系統(tǒng)的運算程序較為復雜，可能會影響系統(tǒng)的運行效率。因此，在今后的研究工作中，可以優(yōu)化系統(tǒng)軟件設計步驟，將圖像數量作為測試變量，分析長時間的工作條件下，系統(tǒng)是否可以高效運行，進一步提升系統(tǒng)對平面圖像的自適應調整能力。

審核編輯 ：李倩