基于圖像幾何變換映射的色盲矯正方法

王 恩,馬 煜,汪源源

1.復(fù)旦大學(xué)專用集成電路與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (上海,200433)

2.復(fù)旦大學(xué)電子工程系 (上海,200433)

基于圖像幾何變換映射的色盲矯正方法

王 恩1,馬 煜1,汪源源2

1.復(fù)旦大學(xué)專用集成電路與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (上海,200433)

2.復(fù)旦大學(xué)電子工程系 (上海,200433)

為了提高色盲患者分辨色彩的能力,提出了基于圖像幾何變換映射的色盲矯正方法。首先根據(jù)圖像中顏色面兩側(cè)的顏色比例對顏色空間各個(gè)平面進(jìn)行相應(yīng)的幾何變換,進(jìn)而劃分不同的顏色映射區(qū)域,通過顏色變換,生成色盲患者較易分辨顏色的圖像。實(shí)驗(yàn)表明,該方法可以改善色盲患者對原本難以區(qū)分的顏色的分辨能力,同時(shí)計(jì)算速度快,有望滿足實(shí)時(shí)處理的需要,性能上優(yōu)于已有的方法。

色盲;圖像處理;幾何變換映射;顏色分辨

0 引 言

色盲及色弱是常見的伴性遺傳病,主要由視網(wǎng)膜錐細(xì)胞的變異或者缺失引起,導(dǎo)致患者不能分辯自然光譜中的某些顏色。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球男性人口中的 8%和女性人口中的 0.5%患有色盲或色弱。色盲分為全色盲和二色盲,絕大多數(shù)為二色盲。二色盲按照視錐細(xì)胞異常的不同又分為紅二色盲、綠二色盲和藍(lán)二色盲,其中紅二色盲和綠二色盲占的比例最多,其癥狀也非常類似。目前,尚缺乏切實(shí)可行的色盲治療方法,主要的研究方向是從圖像處理的角度,通過對被眼睛感知之前的圖像進(jìn)行處理的技術(shù)來對色盲進(jìn)行矯正,以提高色盲患者獲取顏色信息的能力。在色盲模型方面,研究人員根據(jù)三種錐細(xì)胞的視覺原理,提出了視覺的三通道模型[1]以及對色盲患者視覺進(jìn)行研究的模型[1-2]。這些模型都是從視覺的三通道入手建立的,具有一定的相通性。現(xiàn)階段利用這些模型研究色盲、色弱治療或矯正的方法如文獻(xiàn)[3-10]。其中,圖像處理的方法是先對圖像的色彩進(jìn)行變換,然后再提供給色盲患者觀察。由于圖像變換方法是無損的,從操作的可行性和安全性上看,在該領(lǐng)域研究色盲矯正具有很高的價(jià)值。

本文提出了一種基于圖像幾何變換映射的色盲矯正方法,可以改善色盲患者對原本難以區(qū)分的顏色的分辨能力,同時(shí)計(jì)算速度快,有望滿足實(shí)時(shí)處理的需要,性能上優(yōu)于已有的方法。

1 方法

1.1 針對色盲的圖像處理原理

人眼的視網(wǎng)膜上有三種錐體感光細(xì)胞,分別為L、M、S錐細(xì)胞,它們構(gòu)成了人眼觀察顏色的 LMS空間模型[1]。對于一幅圖像,視覺系統(tǒng)將每個(gè)像素顏色的 R、G、B值轉(zhuǎn)變成三種錐細(xì)胞的吸收信號,這個(gè)過程通過一個(gè)從 RGB空間到 LMS空間的變換矩陣U來實(shí)現(xiàn):

得到 LMS空間的信息后,接下來對L、M、S三路信號乘以一個(gè)變換矩陣 T,可以模擬人眼視覺的不同情況。當(dāng) T為單位陣時(shí),所模擬的是正常視覺;當(dāng) T取其它相應(yīng)矩陣時(shí)可以模擬二色盲或色弱的情況:

由于LMS空間對應(yīng)的是錐細(xì)胞上的感知信號,不利于直觀理解。對其進(jìn)行逆變換轉(zhuǎn)換到 RGB空間,可以得到色盲的感知仿真模型,其中紅二色盲的感知仿真模型為[8]:

類似地,綠二色盲和藍(lán)二色盲也有相應(yīng)的感知仿真模型。

圖1 RGB空間顏色沿L軸方向投影圖Fig.1 Colors in RGB cube projected on the color blindness plane along axisL.

二色盲是三種錐細(xì)胞的一種缺失造成的,這種缺失在LMS空間對應(yīng)的是某一種信號的變化,而其它兩種信號保持不變,因此紅、綠、藍(lán)三種二色盲就相當(dāng)于把 RGB空間的顏色分別沿著 L、M、S三個(gè)方向投射在不同的平面上。由于投影位置相同的顏色會(huì)被色盲患者認(rèn)為是同種顏色,因而造成患者對這些顏色的混淆[8]。如圖1所示,對于紅二色盲,當(dāng)顏色從 RGB空間轉(zhuǎn)變?yōu)?LMS空間時(shí),相當(dāng)于 RGB立方體空間的顏色沿 L軸方向映射到 R=G的顏色面上[3-4],該顏色面稱為紅二色盲顏色面。

1.2 基于圖像幾何變換映射的色盲矯正方法

對于色盲的顏色校正,其關(guān)鍵在于提高對顏色的分辨率,也就是使這些被混淆的顏色能投影到顏色面上的不同顏色區(qū)域。在一幅圖像中,顏色分布一般不是等概率的,并且分布在顏色面兩側(cè)的顏色相差較大,而在同一側(cè)的相差較小。實(shí)踐證明,通過對顏色面的劃分能有效地提高色盲患者對顏色的區(qū)分能力[9]。

下面以紅二色盲為例對本文方法進(jìn)行說明。從紅二色盲的感知仿真模型公式 (3)可以看出,顏色的 RGB三通道中 B分量保持不變,R、G分量變換后相等,這樣我們就可以從表示 RGB顏色空間的立方體中任意抽取出一個(gè)與OB軸方向垂直的平面來研究,以平面和 OB軸相交的點(diǎn)為原點(diǎn) Op,以 OR、OG所在直線為坐標(biāo)軸建立直角坐標(biāo)系,如圖2所示。

紅二色盲的仿真模型在圖2(b)中可以表示為:Rp=Gp這條直線兩側(cè)的顏色沿著箭頭所示方向投射到 Rp=Gp這條線段所在的直線上,當(dāng)該平面內(nèi)兩側(cè)的不同顏色投影到直線上的相同位置時(shí),就會(huì)被認(rèn)為是同一種顏色。為解決這一問題,我們首先統(tǒng)計(jì)出測試圖像在顏色面兩側(cè)的顏色分布,然后按照它們的顏色分布進(jìn)行幾何變換,進(jìn)而劃分相應(yīng)的映射面,建立顏色的映射關(guān)系,然后再按映射關(guān)系對圖像的顏色進(jìn)行變換,最終得到矯正的圖像。

圖2 RGB顏色空間平面抽取示意圖Fig.2 Plane devision diagram in the RGB color space

如圖3所示,θ為紅二色盲的投射方向與 OpRp軸的夾角,稱為投射角,其中θ=arc tan(-0.14/0.86),約為 171°。我們得到分布在 Rp=Gp直線兩側(cè)顏色數(shù)的比例后,可以根據(jù)投射方向和平面兩側(cè)的交點(diǎn) A1、A2劃分出相應(yīng)的映射區(qū)域,具體方法如下:

圖3 根據(jù)色盲投射角度進(jìn)行幾何變換映射示意圖Fig.3 Geometric transformation mapping diagram according to the angle of color blindness projection

首先,統(tǒng)計(jì)圖像中顏色面兩側(cè)顏色的數(shù)目,得到顏色數(shù)比例 ratio(其中 0＜ratio＜1)。

然后,按照統(tǒng)計(jì)比例 ratio,從交點(diǎn) A1、A2沿著與ORp平行的方向劃分平面,將抽取出的每個(gè)平面劃分出如圖3所示的區(qū)域M1和M2。

最后,將兩側(cè)的顏色分別映射到M1和M2區(qū)域中去:對于分界面一側(cè) (R＞G)的顏色,映射到M1區(qū)域:

對于分界面另一側(cè) (R＜G)的顏色,映射到M2區(qū)域:

其中,R和G分別是原來顏色的紅綠分量,R’和G’分別是變換后顏色的紅綠分量。

我們稱該方法為角度自適應(yīng)的幾何變換法。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 色盲圖像矯正效果

采用角度自適應(yīng)的幾何變換法對一幅測試圖像和一幅自然圖像進(jìn)行紅二色盲矯正,并與自適應(yīng)映射方法 I[8]和自適應(yīng)映射方法 II[9]相對照來進(jìn)行測試和說明。測試圖像和自然圖像的尺寸均為 1024×768像素,格式均采用 JPG。

圖4給出了測試圖像“823”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,它們對應(yīng)的定義如下:圖4(a)是原始圖像,圖4(e)是仿真的色盲感知圖像 (即色盲患者眼中的原始圖像);圖4(b)是采用自適應(yīng)映射方法 I的色盲矯正圖像(即校正后提供給色盲患者看的圖像),圖4(f)對應(yīng)圖4(b)的仿真的矯正后色盲感知圖像 (即色盲患者眼中矯正后的圖像);圖4(c)是采用自適應(yīng)映射方法 II的色盲矯正圖像,圖4(g)對應(yīng)圖4(c)的仿真的矯正后色盲感知圖像;圖4(d)是采用本文角度自適應(yīng)的幾何變換法的色盲矯正圖像,圖4(h)對應(yīng)圖4(d)的仿真的矯正后色盲感知圖像。

圖4 紅二色盲測試圖像仿真結(jié)果Fig.5 Si mulation results of a color test picture

對于測試圖像,從圖4(e)中可以看出紅二色盲較難讀出其中的數(shù)字“823”。相比之下,圖4(f)、(g)、(h)表明紅二色盲能從這三種方法的矯正圖像中很容易地讀出數(shù)字“823”,原始圖像中紅二色盲不能看到的信息經(jīng)三種方法處理后能夠清晰地顯現(xiàn)出來。對比圖4(f)、(g)、(h)后發(fā)現(xiàn),自適應(yīng)映射方法 I顯示比較清晰,增強(qiáng)顏色對比的能力較強(qiáng),但局部失真較多;自適應(yīng)映射方法 II增強(qiáng)顏色對比的能力不強(qiáng),所得圖像對比度較低,但矯正圖像比較平滑,保持了原圖的顏色連續(xù)性;而本文角度自適應(yīng)的幾何變換法在增強(qiáng)顏色對比方面效果最好,并且也能保持原圖的顏色連續(xù)性。

對于自然圖像進(jìn)行測試的結(jié)果如圖5所示,其圖的定義與圖4中類似。圖5(e)表明果實(shí)和樹葉容易被紅二色盲混淆;圖5(f)(自適應(yīng)映射方法I)中果實(shí)和樹葉的顏色能被區(qū)分,但引入了一些非常嚴(yán)重的局部顏色失真;圖5(g)(自適應(yīng)映射方法 II)中果實(shí)和樹葉能被區(qū)分,并且顏色連續(xù)性被保留;圖5(h)(本文角度自適應(yīng)的幾何變換法)中果實(shí)和樹葉的區(qū)分度最高,并能夠保持原圖的顏色連續(xù)性。

圖5 自然圖像仿真結(jié)果Fig.5 Si mulation results of a natural picture

2.2 算法速度測試

更進(jìn)一步地,為了實(shí)時(shí)處理的需要,我們比較了幾種算法的速度。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試條件為:處理器Intel Core i5 650 3.2GHz,內(nèi)存 3.0GB,顯卡 Intel G MA X5700 HD Graphics;軟件系統(tǒng)為 Matlab R2010a。實(shí)驗(yàn)中,選取了 10幅紅綠色盲測試圖像、10幅以紅綠為主色調(diào)的自然圖像作為紅二色盲矯正的素材,十次取平均得到表格 1中兩幅圖像分別用 3種方法處理的時(shí)間數(shù)據(jù)。

表1 幾種算法對兩種圖像的處理速度比較Tab.1 Comparison of the algorithm s’processing speed for i mages

可見,本文方法相比自適應(yīng)映射方法 I速度有很大的提高,相比自適應(yīng)映射方法 II也有所改善。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

根據(jù)仿真結(jié)果,表2給出了幾種算法的性能比較:

表2 幾種算法性能比較Tab.2 Comparison of the algorithms’performance

可見,本文角度自適應(yīng)的幾何變換法在增強(qiáng)顏色對比的能力方面效果最好,同時(shí)保持了原圖顏色連續(xù)性,在計(jì)算速度方面也有所改善,適應(yīng)于圖像實(shí)時(shí)處理的需要。

3 結(jié)論與展望

本文提出了一種基于圖像幾何變換映射的色盲矯正方法,通過在紅綠色盲患者視覺系統(tǒng)外對圖像進(jìn)行處理,把紅綠色盲容易混淆的顏色分別映射到不同的映射區(qū)域,從而增強(qiáng)了紅綠色盲患者分辨色彩的能力,使得原始圖像中看不到的信息在變換圖像中清楚地呈現(xiàn)出來。

該算法具有增強(qiáng)顏色對比的能力強(qiáng)、算法運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)在圖像校正過程中帶來的顏色不連續(xù)情況相對較少,也適應(yīng)于自然圖像的矯正。作為一種實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較低、計(jì)算速度快的色盲矯正算法,非常適合集成到便攜設(shè)備中去,有望給色盲的測試與輔助矯正帶來便利。

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Color Blindness Rectification Based on Geometric Transformation Mapping of I mages

Wang Eric1,Ma Yu1,Wang Yuanyuan2
1.State KeyLaboratory ofASIC&System,Fudan University(Shanghai,200433)
2.Department of Electronic Engineering,Fudan University(Shanghai,20043)

In order to improve the ability of color discrimination for dichromats,a color blindness rectification method is proposed based on geometric transfor mation mapping of i mages.According to the color ratio on both sides of the specific plane in the color space,each plane is divided into differentmapping regions by geometric transfor mation.Then the colorsof the image are transfor med into the oneswhich dichromats can distinguish.Experimental results show that thismethod can improve the color discrimination ability for dichromats.Meanwhile,this method is fast so that it is appropriate for real-ti me applications.It has a better perfor mance compared with previousmethods.

color blindness,image processing,geometric transformation mapping,color resolution

R445.9

A

1674-1242(2011)02-0063-05

10.3969/j.issn.1674-1242.2011.02.001

復(fù)旦大學(xué)專用集成電路與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主項(xiàng)目(09MS015)

王恩(1987-),碩士生,研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)圖像處理。E-mail:082021096@fudan.edu.cn

2011-04-02)