基于計算機視覺的皮革測配色

吳林林，寧 鐸

（陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安710021）

0 引 言

顏色是影響皮革產(chǎn)品質(zhì)量的一大重要因素。我國皮革生產(chǎn)中的配色工序仍然采用人工配色方式，這種方式不僅效率低，需對待配色皮革進行多次配色、打樣及顏色比對以完成一次皮革的成功配色，而且配色效果沒有嚴格統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)，皮革配色的好壞很大程度上取決于工作人員的經(jīng)驗水平。該方式已嚴重影響到皮革產(chǎn)品的質(zhì)量及其經(jīng)濟效益。

為提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，有些企業(yè)曾嘗試將計算機測配色技術(shù)應(yīng)用于皮革的測配色生產(chǎn)工序中，但都由于未達到預(yù)期效果而處于閑置狀態(tài)。其主要原因是基本模仿紡織品染色的應(yīng)用方法，而非專門針對皮革表面顏色特征開發(fā)的專用測配色系統(tǒng)或儀器［1］。同時，這些測配色系統(tǒng)及儀器在顏色檢測和配色時，需先采用不同的光譜檢測儀器或直接利用傳感器來檢測標(biāo)樣顏色的各分量光譜值，通過標(biāo)準(zhǔn)化公式將其轉(zhuǎn)換為可用于配色的顏色值，因此該種方式的測配色結(jié)果精確度依賴于檢測儀器的精度，而檢測儀器的精度越高，其成本也越高；且這些檢測儀器存在很大的測量誤差，其精度會受使用時間、周圍環(huán)境等因素的影響［2］。本文提出了一種基于計算機視覺技術(shù)的皮革測配色方法，依據(jù)皮革表面的顏色特征，將計算機視覺技術(shù)應(yīng)用于皮革的測配色工序中，不但可以提高生產(chǎn)效率和配色質(zhì)量，而且可以降低成本和企業(yè)對配色人員的依賴，為皮革業(yè)向自動化、智能化方向發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 顏色識別

由于皮革一般出自不同動物身上，即使是同類動物，像人的膚色一樣其個體間的表面顏色都會存在差異，而且各批次染料在生產(chǎn)過程中溫度、人員操作等的差異均會導(dǎo)致其批次之間顏色有所不同，而這些都會給皮革配色過程中使用同一配色方案達到著色一致的目的帶來困難。因此，在皮革測配色過程中，需對每批染料、每塊生皮分別進行顏色檢測，依據(jù)這些顏色特征分別給出皮革的配色方案。

準(zhǔn)確測色是得到最佳配色方案的基礎(chǔ)。由于計算機視覺不受人為因素影響，能夠?qū)Ρ粶y物的表面特征進行精確量化［3］，所以在配色之前，需利用計算機視覺技術(shù)對皮革表面的顏色特征進行識別。顏色特征識別主要包括皮革表面顏色一致性檢測和顏色值測定2部分。

1.1 一致性檢測

要給一塊皮革配色，其表面顏色具有一致性是準(zhǔn)確測色配色的前提。否則，例如皮革表面本身存在較大面積的胎記、疤痕，斑點等顏色不一致區(qū)域［4］，不僅會影響顏色檢測結(jié)果，而且皮革配色的質(zhì)量更是無法保證。所以在對皮革表面顏色值測定之前，要先對整塊皮革表面顏色是否具有一致性進行判斷。本文采用灰度直方圖法判定，如圖1所示，上圖為采集到的待檢測皮革圖像，下圖為其所對應(yīng)的灰度直方圖，其中橫坐標(biāo)表示灰度級，縱坐標(biāo)表示該灰度級所出現(xiàn)的頻率。當(dāng)皮革表面顏色具有一致性時，其灰度直方圖中有且僅有一個峰值 （如圖1 （a）所示）；否則其灰度直方圖中將會有2 個甚至多個峰值 （如圖1 （b）所示），所以在判斷皮革表面顏色是否具有一致性時，只需分析其灰度直方圖中峰值的個數(shù)即可，當(dāng)峰值個數(shù)為1 時，即可判斷出該皮革表面顏色具有一致性；否則，該皮革表面顏色不具有一致性。

圖1 直方圖判定顏色一致性

運用灰度直方圖法判斷后，對表面顏色具有一致性的皮革進行顏色值測定、計算配色方案等進一步處理；而對表面顏色不具有一致性的皮革，采集不一致區(qū)域的大小、位置和顏色值等信息對其進行分割或顏色處理后，使得整張待配色皮革的表面顏色基本一致后再對其進行顏色值測定等進一步處理。

1.2 顏色值測定

R （紅色）、G （綠色）和B （藍色）三基色通過不同比例的混合可以產(chǎn)生所有顏色，由三基色原理可知，已知構(gòu)成各種顏色的三基色的值，就可以知道所測物體的顏色［5］。攝像頭獲得的物體的顏色數(shù)據(jù)是其RGB值，在圖像處理過程中，所需的其它顏色空間均是由RGB顏色空間通過一定的轉(zhuǎn)換方式得到的，因而利用計算機視覺技術(shù)對染料、標(biāo)樣，以及待配色皮革表面進行顏色檢測時所得到的是其顏色的RGB值。

由于圖像是由像素組成的，而顏色值測定時不可能將每個像素點的顏色值一一讀出，更不可能采用個別像素點的值直接代表整個被測物的顏色。因此，在顏色值測定時不僅要考慮檢測結(jié)果能夠準(zhǔn)確代表被測物的顏色信息，而且其結(jié)果必須要接近人眼對于顏色的視覺感知，所以本文在顏色值測定時主要采取塊提取的方式［6］，如圖2 所示，將像素按照3X3的方法，9個像素點的RGB值作為一個基本單元，分別求R、G、B的均值，再在4個不同方向上分別取這樣一個單元，求其R、G、B的均值為最終顏色值。

圖2 顏色檢測塊提取

如圖2所示，每個單元均包含9 個像素點，每個像素點均有一個RGB 值，例如第一個單元中的像素點記為（R1j，G1j，B1j），其中j＝1，……，9。而且每個單元都能確定一個RGB值，即

最終確定出檢測物的顏色值的R、G、B 分別為

2 配色原理

2.1 配色方案

顏色采集時得到的是圖像顏色的RGB 值，而RGB 顏色空間存在不直觀和不均勻兩大缺點，即RGB值無法表示人們對于顏色的認知屬性，而且RGB顏色空間中2種顏色間的距離無法表達其在視覺上的差異。因此，RGB顏色空間不能直接用于計算皮革的配色方案，本文采用三刺激值配色法［7］。三刺激值法是依據(jù)標(biāo)樣顏色的三刺激值來配色，盡管配色后物體的反射光譜可能不同于標(biāo)準(zhǔn)樣，但由于三刺激值相等即可實現(xiàn)視覺等色。而且無論廠商還是消費者，在交貨或購買時一般通過視覺判斷來決定是否購買產(chǎn)品，所以本文采用三刺激值配色法，使配色后的皮革與標(biāo)樣在事先約定的條件 （相同光源）下實現(xiàn)視覺等色。

配色的目的在于得到與標(biāo)樣同色時染料的數(shù)量比例，而且任何一個物體的顏色均可用X、Y、Z 三刺激值來表示，將RGB顏色空間轉(zhuǎn)化為CIEXYZ顏色空間的方法有很多種［8］，主要有多項式回歸法、模型法、3D－LUT 查找表插值法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，利用標(biāo)準(zhǔn)色卡及數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練。顏色空間轉(zhuǎn)化后設(shè)標(biāo)樣的三刺激值為 （XS，YS，ZS），待配色生皮的三刺激值為（XD，YD，ZD），染料R、G 和B 的三刺激值分量分別為（XR，YR，ZR），（XG，YG，ZG）和 （XB，YB，ZB），利用三刺激值的線性疊加性［11，12］求得配色方案，計算公式如下

式中：c1、c2、c3——染料R、G、B 的配色向量，依據(jù)該配色向量將各色染料按比例混合對待配色皮革進行染色，理論上即可實現(xiàn)與標(biāo)樣視覺等色。

2.2 配色效果評價

衡量配色方案好壞的關(guān)鍵在于該配色方案是否能夠達到預(yù)期的配色目標(biāo)，色差是控制染色制品質(zhì)量的重要指標(biāo)。為使色差評價與視覺感知相一致，本文采用在CIELAB（或CIEL＊a＊b＊）均勻顏色空間中進行色差計算。CIEL＊a＊b＊系統(tǒng)是CIE （國際照明委員會）規(guī)定的適用于一切光源色和物體色的表示與計算的顏色空間及其相關(guān)色差公式，現(xiàn)已是國際通用的測色標(biāo)準(zhǔn)［9，10］，其計算公式如下

式中：X、Y、Z——被 測 物 體 的 三 刺 激 值，X0、Y0、Z0——選定參考白的三刺激值，L＊——心理明度，a＊、b＊——心理色度?？偵瞀為

式中：ΔL＊和Δa＊、Δb＊——標(biāo)樣與配色后皮革的明度差和色度差。

當(dāng)色差ΔE≤1時，人眼幾乎感覺不到顏色差別；而當(dāng)1＜ΔE≤2時，人眼對色差感覺很?。划?dāng)ΔE≥2時，人眼將對色差的感覺較為明顯，所以實際生產(chǎn)中一般以ΔE≤2為判斷標(biāo)準(zhǔn)，如果打樣結(jié)果與標(biāo)樣之間的色差滿足此條件，則運用該配色方案對待配色皮革進行配色；否則需對色差結(jié)果進行分析，修正配色方案再進行打樣、色差判斷，直至達到預(yù)期的配色目標(biāo) （ΔE≤2）。

3 皮革配色

基于計算機視覺的皮革測配色的目的是通過檢測每塊待配色皮革表面的顏色特征，結(jié)合染料和標(biāo)樣的顏色特征，給出能使每塊待配色皮革與標(biāo)樣的顏色實現(xiàn)視覺等色的配色方案。因此，基于計算機視覺的皮革測配色過程主要包括圖像采集，圖像處理和計算配色方案3部分。圖像采集部分主要是利用攝像頭對標(biāo)樣、染料、待配色皮革，以及打樣結(jié)果的圖像進行采集；圖像處理部分主要是對采集到的圖像進行預(yù)處理、特征識別，并將顏色特征進行精確的數(shù)字化；計算配色方案部分主要是依據(jù)數(shù)字化的標(biāo)樣、染料和待配色皮革表面的顏色特征，計算出能夠使得配色后的皮革與標(biāo)樣之間實現(xiàn)視覺等色的配色方案。

由于光源、物體和觀察者 （攝像頭）是影響顏色檢測結(jié)果的三大主要因素，因而為避免外界光強變化和攝像頭角度對顏色檢測結(jié)果的影響［11］，圖像采集是在一個密閉且四周無光反射的環(huán)境下，采用低能耗、發(fā)熱量小的環(huán)形白色LED 來覆蓋整個可見光區(qū)域，將攝像頭置于白色環(huán)形LED 的正上方，分別采集標(biāo)樣、生皮和染料圖像中相同位置的多個像素點的RGB 值［12］。其中圖像采集裝置的內(nèi)部光源設(shè)計如圖3所示。

圖3 光源設(shè)計

圖像處理部分是運用計算機對采集到的圖像進行分析處理的過程，主要包括對圖像進行預(yù)處理和顏色特征的識別。由于圖像在傳輸過程中難免會引入噪聲，這些噪聲不僅會影響圖像的質(zhì)量，而且會對圖像的特征分析結(jié)果產(chǎn)生影響。因而圖像處理過程中首先要對采集到的圖像進行預(yù)處理，提高圖像質(zhì)量。顏色特征識別主要是對待配色皮革表面的顏色一致性進行判斷，以及將染料、標(biāo)樣和待配色皮革表面的顏色信息轉(zhuǎn)化為方便計算機處理的數(shù)字。

計算配色方案部分主要是依據(jù)染料、標(biāo)樣和待配色皮革表面的顏色信息，運用三刺激值配色原理，分別給出能夠使得每張待配色皮革配色后與標(biāo)樣實現(xiàn)視覺等色的配色方案。為提高皮革配色的質(zhì)量和效率，在給出配色方案后，需依此方案進行打樣或者仿真來檢驗依此配色方案是否可以達到預(yù)期的配色效果，即判斷打樣結(jié)果與標(biāo)樣之間的色差是否在色差允許范圍內(nèi)。如果色差在允許范圍內(nèi)，則可依此配色方案對待配色皮革進行配色；否則，需根據(jù)色差信息對配色方案進行修正，重新打樣或仿真進行色差判斷，直至其滿足預(yù)期配色效果為止。皮革配色過程的整體流程如圖4所示。

圖4 皮革測配色軟件流程

4 仿真實驗

為驗證該方法的可行性，本實驗在實驗室環(huán)境下，采用406＊30mm，22 W 的環(huán)形白色LED，像素為800萬的攝像頭，在30cm×30cm×40cm 的密閉箱中進行。表1為部分仿真實驗的色差及視覺感知結(jié)果，R、G、B 分別為打樣后皮革表面顏色值，L、A、B 分別為其所對應(yīng)的心理明度和心理色度，ΔE 為總色差。

從表1中色差結(jié)果可以看出，其大部分色差小于1，此時人眼對色差的感知極其微??；部分在1到2之間，即人眼對色差的感知較?。黄渲械?3 組的色差值ΔE＝3.14，人眼對色差易察覺，觀察其色差分量中Δb＜0，且距離原點較遠，則整個配色方案偏藍，因而需對該配色方案就需適當(dāng)?shù)卣{(diào)整藍色染料的比例，再依據(jù)調(diào)整后的配色方案進行打樣、色差判斷及分析，直至其達到預(yù)期配色效果（ΔE≤2）。

5 結(jié)束語

由于皮革表面顏色特征的多樣化，給皮革測配色工序?qū)崿F(xiàn)自動化帶來很多難題，本文提出了一種新的皮革測配色方法，利用計算機視覺技術(shù)實現(xiàn)皮革的測配色。依據(jù)染料、標(biāo)樣以及皮革表面的顏色特征，利用三刺激值法進行配色方案的計算，采用CIE規(guī)定的色差公式進行色差判斷，對于滿足色差要求的配色方案，依此進行配色；否則，需對色差結(jié)果的分析，調(diào)整配色方案，再進行打樣、色差判斷，直至得到滿足色差要求的配色方案。該方法使得皮革測配色過程更加客觀、標(biāo)準(zhǔn)，不僅可以提高皮革配色的質(zhì)量和效率，而且減少了人員操作對測配色結(jié)果的影響，降低了成本。仿真實驗結(jié)果表明，該方法可以有效應(yīng)用于皮革的測配色生產(chǎn)中。

表1 色差及視覺感知結(jié)果

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