色選機(jī)物料多維色彩空間模型建立研究

蘇向宇 張磊 雍泉

摘要：隨著科技水平的進(jìn)步，色選機(jī)已成為提高生產(chǎn)力水平的重要工具。在現(xiàn)有的色選機(jī)系統(tǒng)中，普遍采用單一的 RGB色彩空間模型，但此顏色模型在應(yīng)用在色選中有著不可避免的缺陷，針對(duì)此問題，本文在分析 RGB、HSV、YUV色彩空間模型的優(yōu)劣及適用范圍的基礎(chǔ)上，提出物料多維色彩空間模型。對(duì)色選機(jī) CCD相機(jī)獲取的物料圖像進(jìn)行多維色彩空間下的處理分析，并將其轉(zhuǎn)化為 HSV、YUV色彩空間模型，并將此模型運(yùn)用到大米等級(jí)分選中，提高了色選機(jī)的準(zhǔn)確度，擴(kuò)大了適用范圍，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中具有較高價(jià)值。

關(guān)鍵詞：色選機(jī)；色彩空間；圖像處理；色彩空間轉(zhuǎn)換

1研究背景、目的及意義

色選技術(shù)是綜合光學(xué)技術(shù)、圖像處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制等學(xué)科知識(shí)為一體的新興技術(shù)。該技術(shù)轉(zhuǎn)化為色選機(jī)之后，成為生產(chǎn)中廣泛使用的裝備。色選機(jī)適用于分揀體積、密度相近，顏色差異較大的物體顆粒。目前廣泛使用的RGB 顏色空間模型通過紅、綠、藍(lán)三個(gè)基準(zhǔn)色的線性組合來產(chǎn)生其他顏色，但由于三個(gè)顏色間的相關(guān)性很強(qiáng)，并不適用于所有使用場景。因此，建立物料多維色彩空間模型對(duì)擴(kuò)大色選機(jī)的應(yīng)用場景，提升色選機(jī)的工作效率具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.三維色彩空間原理及定義

2.1色彩空間原理

色彩空間”源于西方的“Color Space”一詞。色彩可以由建立在一到四維空間中的坐標(biāo)系來表示，色彩空間即多維坐標(biāo)系所能表示色彩的分布范圍。

顏色空間也被稱為彩色模型，其用途是用更加直觀的方式對(duì)彩色加以說明。從原理上說，彩色模型是對(duì)坐標(biāo)系及其附屬空間的描述，系統(tǒng)的每種顏色都對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的點(diǎn)。目前使用了多種彩色模型，是因?yàn)樯士茖W(xué)應(yīng)用極廣，且不同的彩色模型優(yōu)缺點(diǎn)不盡相同，因此在彩色圖像處理中，選擇合適的彩色模型尤為重要。

2.2三維色彩空間定義及特性

常用的三維色彩空間模型主要有RGB、HSV、YUV等。

2.2.1 RGB色彩空間

以R（Red）、G（Green）、B（Blue）三色為基本色，其他顏色均由其疊加而來，俗稱三基色模式。當(dāng)三原色重疊時(shí)，由于其亮度不同，故產(chǎn)生了不同的中間色。RGB色彩空間有著直觀的表示方法，但是 R、G、B分量間的相關(guān)性很強(qiáng)，僅改變其中其中的一個(gè)分量值，總體顏色很可能也會(huì)發(fā)生改變，并且由于人類的感知能力有限，給其帶來了非常差的均勻性。

2.2.2 HSV色彩空間

以H（色調(diào)）、S（飽和度）、V（明度）為三個(gè)度量值。其中，色調(diào)H以角度進(jìn)行度量，其取值范圍為0°-360°。飽和度S表征顏色接近光譜色的程度，飽和度越高代表顏色接近光譜色的程度越高。通常取值范圍為0%-100%，取值越大，飽和度越高。明度V表征顏色明暗的程度，與發(fā)光體的發(fā)光度有關(guān)，取值一般為0%（黑）-100%（白）。

2.2.3 YUV色彩空間

用Y、U、V來表示顏色。其中Y表征顏色灰度值，U和 V表示色度，作用是表示圖像色彩即飽和度，可用來指定像素顏色，亮度信號(hào) Y和色差信號(hào) U、V是分離的。

3.物料圖像三維色彩空間轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

3.1 RGB色彩空間轉(zhuǎn)換至HSV色彩空間

分別對(duì)RGB中的三個(gè)分量值進(jìn)行變換即可得到HSV色彩空間下的坐標(biāo)值。

用R、G、B分別表示一個(gè)顏色的三個(gè)分量值，取值范圍為0-1。設(shè) max 等價(jià)于 R，G 和 B 中的最大者。設(shè) min 等于這些值中的最小者。要將其轉(zhuǎn)化為HSV值，用H表示角度，取值范圍為0-360，而 S，V∈[0，1]是飽和度和亮度，原理如下：

3.2 RGB色彩空間轉(zhuǎn)換至YUV色彩空間

YUV色彩空間的顏色表示方法是非線性的，Y值代表對(duì)非色彩的度量，U、V值表示對(duì)顏色的具體描述。亮度（Y）通過RGB分量值計(jì)算得到，具體計(jì)算方法是RGB中特殊部分的累加，色度由色調(diào)和飽和度計(jì)算得到，其中，用U表示顏色藍(lán)色部分與RGB亮度值的差異，用V表示顏色紅色部分與RGB亮度值的差異。

用R、G、B分別表示一個(gè)顏色的三個(gè)分量值，取值范圍為0-1。（Y，U，V）為YUV色彩空間下對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值。RGB色彩空間與YUV色彩空間的相互轉(zhuǎn)換的計(jì)算方法如下：

4.色彩空間模型適用性分析

將建立的色彩空間模型運(yùn)用到大米的色選中，進(jìn)行適用性分析。

（1）將原始圖像進(jìn)行去背景處理。

由表2、表3可以清晰的發(fā)現(xiàn)HSV色彩空間中的H值分布、YUV色彩空間中的U值分布有明顯差距，所以可以根據(jù)表中分布范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值設(shè)定。

5 模型綜合評(píng)價(jià)

RGB色彩空間模型是由紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三種顏色疊加產(chǎn)生的，具有很強(qiáng)的相關(guān)性，當(dāng)采用RGB色彩空間模型對(duì)物料進(jìn)行區(qū)分時(shí)，色選機(jī)效率較低。通過對(duì)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，HSV和YUV色彩空間對(duì)不同物料的閾值劃分有更高的分辨效果。由此可以得知，HSV和YUV色彩空間的引入，擴(kuò)大了色選機(jī)的適用范圍，符合實(shí)際的生產(chǎn)需求。

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基金項(xiàng)目：

沈陽建筑大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助—基于物料多維色彩空間分布的色選機(jī)多窗口閾值設(shè)定方法研究（2017J01092）