基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的牛仔服裝色差檢測(cè)評(píng)級(jí)系統(tǒng)

黃嘉俊， 柯 薇， 王 靜， 鄧中民

(武漢紡織大學(xué) 紡織纖維及制品教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430073)

色差是紡織品微觀質(zhì)量測(cè)評(píng)的重要檢測(cè)項(xiàng)目之一，測(cè)定的結(jié)果準(zhǔn)確與否, 會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的判定產(chǎn)生影響[1]。其中牛仔服裝行業(yè)不同于傳統(tǒng)的服裝行業(yè)，常見牛仔服裝的顏色以黑色或者靛藍(lán)為主，水洗后在色彩的改變上比傳統(tǒng)服裝明顯，而目前大部分檢測(cè)機(jī)構(gòu)和企業(yè)仍參照ISO或AATCC變色灰卡來(lái)進(jìn)行色牢度評(píng)定[2-3]。這種評(píng)定方式屬于主觀目測(cè)上的評(píng)定，其評(píng)定結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性在很大程度上都取決于評(píng)級(jí)人自身，并且會(huì)隨著評(píng)級(jí)人自身心理和生理上等多種因素的改變而改變，特別在牛仔服裝行業(yè)，對(duì)色差辨別的影響更為明顯。

儀器法在色差檢測(cè)中的應(yīng)用已有數(shù)十年，主要分為光電積分法和光譜光度測(cè)色2種[4-5]。這2種儀器法在檢測(cè)織物顏色和計(jì)算織物色差上比主觀目測(cè)法要準(zhǔn)確，但是至今仍然沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，主要原因在于光譜光度測(cè)色儀雖然可精確測(cè)量顏色，但是儀器價(jià)格昂貴，儀器結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，測(cè)色時(shí)操作較困難；光電積分法測(cè)色速度快，但是由于測(cè)量原理上存在數(shù)據(jù)偏差，測(cè)量精度和準(zhǔn)確度只具有參考性，不能作為最終的判定依據(jù)[6]。計(jì)算機(jī)視覺(jué)的色差檢測(cè)方法及系統(tǒng)在近年取得進(jìn)展[7-9]；但是由于牛仔服裝的色彩特殊性，牛仔色差檢測(cè)在評(píng)定結(jié)果時(shí)比較模糊，沒(méi)有具體的指標(biāo)依據(jù)[10]，因此，探索新的色差評(píng)價(jià)方式且受外界等因素影響較小的牛仔服裝色差評(píng)級(jí)系統(tǒng)成為了一種新的研究趨勢(shì)。

本文首先對(duì)牛仔服裝色差系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，選取合理的圖像采集設(shè)備及圖像預(yù)處理方法，通過(guò)色差計(jì)算提出一個(gè)差異度-色差值百分比的概念，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明差異度-色差值百分比與專家測(cè)評(píng)結(jié)果具有較高一致性和客觀性。

1 色差檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所研究的牛仔服裝色差檢測(cè)系統(tǒng)主要包括2個(gè)系統(tǒng)，分別為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)包括3個(gè)部分，分別是CCD相機(jī)和光學(xué)鏡頭組成的圖像采集系統(tǒng)、D65標(biāo)準(zhǔn)光源箱的照明系統(tǒng)、整個(gè)系統(tǒng)框架的支撐系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)包括4個(gè)部分，分別為圖像預(yù)處理模塊、顏色空間轉(zhuǎn)換模塊、色差值計(jì)算模塊和最終評(píng)級(jí)模塊。圖1為牛仔服裝色差檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)工作圖。

圖1 牛仔服裝色差檢測(cè)系統(tǒng)工作圖Fig.1 Denim clothing color detection system working chart

2 圖像采集模塊

圖像采集是圖像處理和進(jìn)行評(píng)級(jí)的基礎(chǔ)與前提，圖像質(zhì)量?jī)?yōu)劣會(huì)直接影響系統(tǒng)評(píng)級(jí)的準(zhǔn)確性。

對(duì)于圖像處理來(lái)說(shuō)，分辨率越高，采集的圖像數(shù)據(jù)量則越大，會(huì)直接導(dǎo)致圖像處理速度降低；但是若分辨率太低又不能真實(shí)地反映出采集圖像的顏色特征，因此，針對(duì)系統(tǒng)需求及各個(gè)方面綜合考慮，選用UI-5240CP-M-GL高性能工業(yè)相機(jī)，其具有分辨率較高，還原性真實(shí)，圖像噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。

光學(xué)鏡頭是計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)中影響成像質(zhì)量高低的重要部分，影響圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)與最終效果。根據(jù)實(shí)際采集視場(chǎng)范圍、分辨率和通光量等因素，最終選擇了視場(chǎng)范圍為54.27～67.84 mm，系統(tǒng)精度為0.05 mm的50 mm工業(yè)鏡頭。

標(biāo)準(zhǔn)光源的采用在圖像采集和顏色測(cè)量中起著至關(guān)重要的作用，本文系統(tǒng)中采用的光源模擬CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體D65。將D65特殊燈管和電源控制器組合在一起，光源體由2組燈管構(gòu)成，可根據(jù)光照需求來(lái)選擇其中1組或者2組燈管來(lái)提供光源，安裝在1個(gè)光源箱內(nèi)，做成標(biāo)準(zhǔn)光源箱。并且代替人眼檢測(cè)的圖像采集設(shè)備垂直放置于待檢測(cè)的牛仔服裝上方，即采用45/0觀測(cè)方式作為照明觀測(cè)條件。

3 圖像預(yù)處理模塊

由于數(shù)字圖像在獲取、傳輸?shù)倪^(guò)程中經(jīng)常受到噪聲污染，且噪聲對(duì)數(shù)字圖像的輸入、處理的各個(gè)環(huán)節(jié)以及最終的輸出結(jié)果都會(huì)產(chǎn)生一定影響，去噪效果的好壞直接影響后續(xù)的圖像處理，所以需要在圖像色差檢測(cè)前要進(jìn)行必要的去噪處理。

3.1 RGB顏色空間轉(zhuǎn)化HSI顏色空間

由于去噪處理時(shí)圖像顏色空間轉(zhuǎn)化的需要，并根據(jù)HSI顏色空間具有灰度信號(hào)與色度信號(hào)相互分開的特性，所以先將RGB顏色空間轉(zhuǎn)化為HSI空間，然后使用灰度圖去噪的算法處理其中I分量，最后將去噪后的灰度圖還原為彩色圖，達(dá)到不改變圖像中所包含色彩信息的目的。

HSI顏色空間可由RGB空間轉(zhuǎn)換而得[11]，其轉(zhuǎn)換公式如下：

式中：I表示亮度值，通常以0%(黑色)到100%(白色)的百分比來(lái)衡量；S表示飽和度，以0%(灰色)到100%(完全飽和)來(lái)衡量；H表示色調(diào)，取0°～360°的數(shù)值來(lái)衡量；R、G、B分別表示三原色在顏色空間中的數(shù)值。

在MatLab平臺(tái)中，獲取圖像采集牛仔樣布真彩圖的R、G、B數(shù)值，將RGB圖像轉(zhuǎn)化為double類型，然后按照式(1)轉(zhuǎn)化為HSI顏色空間，從而獲取所需亮度圖像，其轉(zhuǎn)化圖像如圖2所示。

圖2 牛仔樣布的RGB圖像和亮度圖像Fig.2 Denim clothing RGB image (a) and brightness image (b)

3.2 圖像去噪選擇

在得到亮度圖像后，為便于比較并選擇合適的濾波方法，使用MatLab中的imnoise函數(shù)將均值為0且均方差為0.01的高斯白噪聲添加到亮度圖像中，然后分別使用均值濾波(3像素×3像素濾波器)和中值濾波(3像素×3像素窗口)2種方法進(jìn)行濾波處理。牛仔服裝試樣的濾波實(shí)驗(yàn)圖像如圖3所示。

圖3 牛仔樣布濾波對(duì)比Fig.3 Comparison of denim clothing. (a) 3 pixel×3 pixel median filter; (b) 3 pixel×3 pixel mean filter

通過(guò)實(shí)驗(yàn)圖像比對(duì)分析可以發(fā)現(xiàn)，中值濾波在對(duì)牛仔服裝亮度圖像處理方面與均值濾波相比有如下優(yōu)點(diǎn)：1)可克制線性濾波導(dǎo)致的圖像細(xì)節(jié)處模糊，使圖像輪廓信息得以保留；2)降低噪聲的效果更為明顯；3)亮度圖像中孤立噪聲點(diǎn)和線段抑制效果更好。因此本文系統(tǒng)選用中值濾波進(jìn)行去噪處理。

3.3 HSI顏色空間轉(zhuǎn)化RGB顏色空間

經(jīng)去噪處理后的圖像仍為灰度圖像，為便于后續(xù)圖像處理進(jìn)行，需要將灰度圖像進(jìn)行合成，轉(zhuǎn)化為RGB圖像，從而達(dá)到不改變圖像色彩信息的目的。

圖像由HSI顏色空間到RGB顏色空間轉(zhuǎn)換，設(shè)H在(0,2π)，S、I的值在[0,1]之間，R、G、B的值也在[0,1]之間，轉(zhuǎn)化公式如下：

當(dāng)0≤H<2π/3時(shí)，

當(dāng)2π/3≤H<4π/3時(shí)，

當(dāng)4π/3≤H<2π時(shí)，

利用式(2)轉(zhuǎn)化到RGB顏色空間，重新合成后的RGB圖像如圖4所示。通過(guò)對(duì)比可以看出，重新合成的RGB圖像較原圖像較好地濾除了噪聲，且同時(shí)圖像的模糊程度較小，較大程度地保留了原始圖像的有效信息，為后續(xù)處理保證準(zhǔn)確性。

圖4 重新合成的RGB圖像Fig.4 Re-synthesized RGB image

4 顏色空間轉(zhuǎn)換的色差計(jì)算模塊

色差的計(jì)算過(guò)程先由RGB顏色空間轉(zhuǎn)化為XYZ顏色空間，然后再由XYZ顏色空間轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)ab顏色空間，最后再計(jì)算色差。

從RGB模型轉(zhuǎn)換為XYZ模型通過(guò)乘以3×3矩陣而轉(zhuǎn)換，且它們之間存在著線性關(guān)系。由于相機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)不同，分為PAL(帕爾制)制式和NTSC(美國(guó)國(guó)家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì))制式，且本文系統(tǒng)采用的是德國(guó)相機(jī)，屬于PAL制式的數(shù)碼相機(jī)，因此采用下式進(jìn)行RGB顏色空間到XYZ顏色空間的轉(zhuǎn)化。

Lab顏色空間可以由CIEXYZ色度系統(tǒng)通過(guò)數(shù)學(xué)的方法轉(zhuǎn)換而得到，如下：

計(jì)算機(jī)視覺(jué)的色差檢測(cè)是基于傳統(tǒng)人眼目測(cè)而進(jìn)行開發(fā)的，因此計(jì)算機(jī)檢測(cè)到的色差應(yīng)與人眼所感受到的色差一致。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算機(jī)色彩研究者提出了很多色差公式，目前計(jì)算機(jī)配色系統(tǒng)使用最多的是由國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)制定的CIELab顏色空間，如下式所示。

式中：ΔE為色差值；ΔL>0，說(shuō)明原樣本比對(duì)照樣本顏色深，明度要低，反之則高；Δa>0，說(shuō)明原樣本比對(duì)照樣本偏向綠色，反之偏紅；Δb>0，說(shuō)明原樣本比對(duì)照樣本偏向藍(lán)色，反之偏黃。但是此公式在使用過(guò)程中，由于人眼敏感度與該公式的定義存在某些差別，從而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)進(jìn)行色差評(píng)價(jià)時(shí)與人眼目測(cè)結(jié)果存在較大出入。

本文系統(tǒng)使用的色差公式為國(guó)際照明委員會(huì)的一個(gè)最新的色差公式，簡(jiǎn)稱為CIEDE2000[12]，該色差公式同樣也是基于CIELab均勻顏色空間上計(jì)算的，是目前理論上最接近人眼視覺(jué)的公式。

式中：ΔE為色差值；ΔL，ΔC，ΔH分別表示明度差、彩度差和色相差；SL，SC和SH為權(quán)重函數(shù)，定義橢圓半軸的長(zhǎng)度，可以在CIELab顏色空間中根據(jù)區(qū)域不同而進(jìn)行調(diào)整，以校正該空間的均勻性；KL、KC和KH為與使用條件相關(guān)的參數(shù)因子，并且是與諸如顏色檢測(cè)或照明條件等相關(guān)的校正系數(shù)。CIE也給定在一定條件下的系數(shù)值，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)反復(fù)認(rèn)證，最終選用了紡織類常用取值，即KL=2，KC=1，KH=1，可滿足牛仔服裝色差計(jì)算條件。

5 基于曲線擬合的色差評(píng)級(jí)模塊

根據(jù)顏色空間轉(zhuǎn)換的色差計(jì)算模塊，現(xiàn)在已經(jīng)可以得到檢測(cè)后的色差值，但是在日常檢測(cè)機(jī)構(gòu)實(shí)際檢測(cè)中，這些色差值僅僅為模糊的數(shù)值[13]，并且不能夠直接準(zhǔn)確地得到變色樣布和標(biāo)準(zhǔn)樣布之間的差別。目前主流的5級(jí)9階灰度色卡評(píng)級(jí)制度，對(duì)顏色變化較大的牛仔服裝來(lái)說(shuō)，效果不如傳統(tǒng)服裝顯著。根據(jù)此種具有實(shí)際意義的需求，本文提出了差異度百分比的概念作為牛仔服裝色差檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)評(píng)級(jí)指標(biāo)。差異度在本文中具體指2塊牛仔服裝顏色的差異程度。采用ΔE指標(biāo)作為尺度來(lái)獲得差異度這個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用模糊綜合評(píng)判的原理，確定一個(gè)差異度-色差值曲線。

5.1 差異度與色差值極值的確定

為獲得更符合人眼的臨界色差值，選取50組顏色相近的牛仔樣布，分別讓20名視覺(jué)正常的觀察者進(jìn)行辨別，并讓每名觀察者將50組牛仔樣布分類為可辨別和不可辨別樣本，通過(guò)式(6)(KL=2、KC=1、KH=1)計(jì)算每組色差值，最終取20名觀察者分類的色差臨界值平均數(shù)，確定最小辨別色差值ΔE=0.285 8，定義此時(shí)差異度為0%。由于人眼所能辨別的區(qū)別最大的顏色為黑色和白色，因此在確定人眼所能辨別的色差最大值時(shí)，分別采集黑白2種樣本的圖像，且得到黑、白樣卡的L、a、b值，并通過(guò)牛仔服裝色差檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)得其之間的色差值，此時(shí)色差最大值為ΔE=59.011 2，即定義此時(shí)差異度的值為100%。

5.2 差異度與色差值特殊點(diǎn)的確定

將50組牛仔樣布在無(wú)外界干擾和標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)條件下讓5名紡織品色差專家進(jìn)行評(píng)級(jí),并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)灰卡各等級(jí)樣照的灰度值差異度[7]，將專家評(píng)定等級(jí)為5級(jí)和4～5級(jí)的樣布，差異度定義為5%；評(píng)定等級(jí)為4級(jí)和3～4級(jí)的樣布，差異度定義為10%；評(píng)定等級(jí)為3級(jí)樣布，差異度定義為15%；3級(jí)以下的樣布，定義為40%。

通過(guò)對(duì)每組樣布色差值計(jì)算，并運(yùn)用加權(quán)后取平均值的原理，最終可以得到各差異度的色差值，如表1所示。

5.3 差異度與色差值曲線擬合

將表1中所得差異度與其對(duì)應(yīng)的色差值進(jìn)行曲線擬合，構(gòu)建差異度-色差值關(guān)系方程。在曲線擬合中，分別選擇二次、三次和有理函數(shù)曲線擬合差異度與色差值之間的函數(shù)關(guān)系，擬合結(jié)果如圖5所示。

表1 色差值與差異度結(jié)果Tab.1 Results of color difference and diversity factor

參照表1中參數(shù)，由二次、三次和有理函數(shù)擬合曲線對(duì)應(yīng)的差異度與色差值方程如表2所示。其中：y表示差異度；x表示色差值；R2代表相關(guān)系數(shù)，其系數(shù)值越接近1，則表示方程的變量對(duì)y值解釋能力越強(qiáng)，即曲線擬合的效果越好。由圖5和表2可看出，有理函數(shù)擬合結(jié)果最好，因此選擇其對(duì)應(yīng)的有理函數(shù)擬合式作為牛仔服裝色差評(píng)級(jí)方程。

6 色差檢測(cè)評(píng)級(jí)系統(tǒng)準(zhǔn)確性測(cè)試

6.1 色差檢測(cè)評(píng)級(jí)系統(tǒng)

牛仔服裝色差檢測(cè)評(píng)級(jí)系統(tǒng)的界面主要包括圖像采集窗口和色差檢測(cè)評(píng)級(jí)主窗口。色差檢測(cè)主窗口主要包括交互式操作模塊、圖像處理顯示模塊、顏色空間轉(zhuǎn)換和色差值顯示模塊、相似度顯示和文字描述模塊。圖6示出色差檢測(cè)評(píng)級(jí)系統(tǒng)主窗口界面。其中圖6上方2個(gè)圖為原樣和對(duì)比樣原圖，圖6下方2個(gè)圖為經(jīng)過(guò)去噪處理后的圖像。

6.2 系統(tǒng)準(zhǔn)確性測(cè)試

在經(jīng)過(guò)水洗后的牛仔服裝中，隨機(jī)選擇100組樣本進(jìn)行評(píng)級(jí)，將評(píng)級(jí)結(jié)果與另外2位紡織品色差專家目測(cè)評(píng)級(jí)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果證明本文系統(tǒng)評(píng)級(jí)結(jié)果準(zhǔn)確性可靠，其中選取10組牛仔服裝樣布檢測(cè)結(jié)果，如表3所示。

分析結(jié)果表明，本文系統(tǒng)得到的差異度結(jié)果基本上符合專家目測(cè)評(píng)定結(jié)果。經(jīng)過(guò)對(duì)樣布和檢測(cè)結(jié)果分析，人眼測(cè)評(píng)樣布為4級(jí)和3～4級(jí)時(shí)，因?yàn)闃硬贾g色差微小，很容易產(chǎn)生判斷差別；而使用本文系統(tǒng)進(jìn)行色差檢測(cè)，并轉(zhuǎn)化到差異度百分比指標(biāo)更加準(zhǔn)確，減少了測(cè)試的誤差。

圖6 牛仔服裝色差檢測(cè)評(píng)級(jí)系統(tǒng)界面Fig.6 Denim clothing color difference detection rating system interface

表3 牛仔服裝色差評(píng)級(jí)結(jié)果和專家目測(cè)結(jié)果Tab.3 Denim clothing color detection rating results compared with expert visual inspection results

注：目標(biāo)評(píng)級(jí)結(jié)果中3級(jí)以下為不合格。

7 結(jié) 論

本文基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)提出一種牛仔服裝色差檢測(cè)評(píng)級(jí)系統(tǒng)，使用計(jì)算機(jī)對(duì)牛仔服裝的色差等級(jí)進(jìn)行評(píng)定。結(jié)果表明，計(jì)算機(jī)圖像檢測(cè)不僅提高了牛仔服裝色差等級(jí)評(píng)定的客觀性、一致性，大量消除了各方面的客觀因素，而且本文系統(tǒng)對(duì)色差值轉(zhuǎn)換為色差等級(jí)的轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行了擬合，使用擬合后的色差值轉(zhuǎn)換為色差等級(jí)的色差擬合轉(zhuǎn)換公式計(jì)算得到的織物的色差等級(jí)百分比，進(jìn)一步提高了織物色差等級(jí)評(píng)定的準(zhǔn)確性。

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