CN109859117A - 一种采用神经网络直接校正rgb值的图像颜色校正方法 - Google Patents

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赵吉松
龚柏春
李爽
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Abstract

本发明公开了一种采用神经网络直接校正RGB值的图像颜色校正方法,属于空气动力学实验测量技术领域,本发明的方法步骤如下:1)建立基于神经网络算法的图像RGB颜色校正模型;2)以颜色校准卡为基准颜色,训练神经网络颜色校正模型的参数;3)校正新图像的RGB值:以相机拍摄的图像RGB值作为神经网络的输入,在其输出端可以得到颜色校正后的图像RGB值。本发明的方法避免了现有技术中图像颜色校正方法用于SSLC涂层实验测量技术时的繁琐的步序,以及变换过程中信息的丢失问题;且本发明方法简单、直接,特别适合用于SSLC涂层测量技术,也可用于其它需要准确测量颜色的场合。

Description

一种采用神经网络直接校正RGB值的图像颜色校正方法
技术领域
本发明属于空气动力学实验测量技术领域,涉及一种图像颜色校准方法,具体是指一种采用神经网络直接校正RGB值的图像颜色校正方法。
背景技术
壁面摩擦力是空气动力学领域的一个重要参数,准确测量壁面摩擦阻力在边界层理论研究、流动控制效果评估、飞行器减阻研究等领域具有重要的意义。剪切敏感液晶(shear-sensitive liquid crystal,SSLC)涂层技术是一种非接触式测量壁面摩擦力矢量场的方法。这种方法的原理是在待测表面喷涂一层SSLC涂层(厚度约为10um),当SSLC涂层受到气流的摩擦力时,在不同方向呈现出不同的颜色,通过对SSLC涂层在不同方向显示的颜色进行分析处理,可以解算出待测壁面的摩擦力矢量场(AIAA Journal,1997,35(4):608-614)。
由SSLC涂层技术的测量原理可知,准确测量颜色是应用SSLC涂层技术测量壁面摩擦力场的一项重要基础技术。由于照射光源、相机质量、相机参数设置、以及周围反射环境的干扰等因素的影响,相机拍摄的颜色和真实颜色之间必然存在差异,需要对相机拍摄的图像颜色进行校正处理,减小误差。以Macbeth色卡为代表的各种颜色校准卡提供了多种标准颜色的色块。目前,传统的颜色校正方法是将相机测量的色卡颜色(即RGB分量值)映射到CIEXYZ色彩空间(或者CIELAB空间)。由于SSLC测量技术需要根据颜色的RGB分量计算颜色的色调(Hue)值用于进一步分析处理和解算摩擦力矢量场,因而如果采用前述传统的颜色校准方法,需要将校准后的CIELAB空间的颜色变换至RGB空间的颜色,但是CIELAB空间的颜色并不能直接变换至RGB颜色,需要首先将其转换至CIEXYZ颜色,然后再转换至RGB颜色,比较繁琐。此外,CIELAB颜色空间比RGB颜色空间的范围更大,这种变换必然会导致信息丢失。
发明内容
本发明结合空气动力学实验中SSLC涂层测量技术的需求,针对现有图像颜色校正技术中存在的缺陷,公开了一种采用神经网络直接校正RGB值的图像颜色校正方法,应用神经网络直接在RGB空间对图像颜色进行校正,并且直接校准到标准的RGB颜色,避免了现有技术中繁琐的转换步序等弊端。
本发明是这样实现的:
本发明公开了一种采用神经网络直接校正RGB值的图像颜色校正方法,具体步骤如下:
步骤一、建立基于神经网络算法的图像RGB颜色校正模型,直接将相机拍摄的图像RGB值校准至的标准的RGB颜色空间;
步骤二、训练上述神经网络RGB颜色校正模型的参数;
步骤三、校正新图像的RGB值:将相机拍摄的图像的RGB值作为步骤一中神经网络的输入,在神经网络的输出端可以得到颜色校正后的图像。
本发明的方法与传统的图像颜色校正方法相比,更加简单直接,并且便于后续计算颜色的Hue值用于SSLC涂层测量技术等特定场合。
进一步,所述的步骤一具体为:
建立的基于神经网络算法的图像颜色校正模型,包括输入层、输出层和隐含层;所述的神经网络隐含层的神经元数量为n1,输入变量和输出变量均为3×1向量,分别表示颜色校正前后的颜色RGB分量;参数ω1是n1×3矩阵,表示输入层与隐含层之间的权重;参数b1是n1×1向量,表示输入层与隐含层之间的偏差;参数ω2是3×n1矩阵,表示隐含层与输出层之间的权重,参数b2是3×1向量,表示隐含层与输出层之间的偏差;隐含层采用对数S型传递函数,输出层采用线性传递函数;神经网络的输入变量是相机拍摄的颜色的RGB三个分量值:RM,GM,BM;输出变量是经过神经网络校正的颜色的RGB分量值:RO,GO,BO
进一步,所述的步骤二具体为:
2.1,拍摄颜色校准卡:将颜色校准卡置于需要测量颜色的位置,采用相机对其拍照,得到相机拍摄的颜色校准卡中的每个彩色色块的RGB值;
2.2,训练神经网络参数:对相机测量得到的颜色校准卡的彩色色块的RGB值进行归一化处理,作为神经网络的输入,对颜色校准卡的彩色色块的实际RGB值进行归一化处理,作为神经网络的期望输出值,以实际输出和期望输出的误差的平方和最小为目标,应用梯度算法训练神经网络的参数,即神经网络的权重和偏差;
2.3,检验神经网络参数的训练效果:计算经过神经网络校正之后数码相机测量的每个纯彩色色块的RGB值相对于实际值的误差,统计出误差的均值和均方差;计算经过神经网络校正之后相机测量的每个纯彩色色块的颜色Hue值相对于实际值的误差,统计出均值和均方差;
从图像颜色的RGB值计算颜色Hue值的方法如下:
其中,H表示颜色的Hue值,R、G、B分别为颜色的RGB值的红、绿、蓝分量,θ为参数。这种色彩空间变换方法将红色(R=255,G=0,B=0)变换至0rad(即0°),绿色(R=0,G=255,B=0)变换至2π/3rad(即120°),蓝色(R=0,G=0,B=255)变换至4π/3rad(即240°)。
进一步,所述的步骤二中网络参数的训练算法具体为:将输入和期望输出的颜色RGB值归一化至区间[-1,1],按照误差反向传播原理,采用负梯度法优化网络参数,使得实际输出和期望输出的误差的平方和最小化。
进一步,所述的步骤二中采用的颜色校准卡的m个纯彩色色块作为标准颜色训练神经网络颜色校正模型的参数,具体步骤如下:
拍摄颜色校准卡:将颜色校准卡置于颜色测量对象的位置,采用相机对其拍照,得到相机拍摄的颜色校准卡的每个纯彩色色块的RGB值;
训练神经网络参数:对相机测量的颜色校准卡的m个纯彩色色块的RGB值进行归一化处理,作为神经网络的输入,对颜色校准卡的m个纯彩色色块的实际RGB值进行归一化处理,作为神经网络的期望输出值,以实际输出和期望输出的误差的平方和最小为训练目标,应用梯度算法,训练神经网络的参数;在神经网络的参数训练算法中,xM为3×m矩阵,表示相机拍摄得到的颜色校准卡的m个纯彩色色块的RGB值,每列对应1种颜色的RGB值;xH为n1×m矩阵,表示隐含层的输出;xO为3×m矩阵,表示输出层的输出,每列对应1种颜色的RGB值;xE为3×m矩阵,表示颜色校准卡的m个纯彩色色块的实际RGB值,每列对应1种颜色的RGB值;η是神经网络的学习速度;Nmax为网络参数的最大训练次数;ε是用于判断网络参数训练过程中是否达到精度要求的误差限,默认值为ε=0.0001。
进一步,相机在拍照时的参数设置和工作环境,包括光照环境、周围光线反射环境、以及光源、相机和观测对象之间的位置关系必须与颜色校正时一致,前述颜色校正才是有效的;否则,需要重复步骤二,重新训练神经网络的参数。
本发明与现有技术相比的有益效果在于:
本发明结合SSLC涂层测量技术的需求,给出一种基于神经网络校正的图像颜色的方法,其特色之处是:应用神经网络直接在RGB空间对图像颜色进行校正,避免了现有技术中的图象颜色校正方法用于SSLC涂层实验测量技术时需要反复进行颜色空间变换的繁琐的步序,以及变换过程中颜色信息的丢失问题;且本发明方法简单、直接,特别适合用于空气动力学实验中的SSLC涂层测量技术,也可用于其它需要准确测量颜色的场合。
附图说明
图1为本发明基于神经网络建立的图像颜色校正模型示意图;
图2为本发明的神经网络参数训练方法的流程图;
图3为本发明实施案例中拍摄的Macbeth颜色校准卡;
图4为本发明实施案例中Macbeth颜色校准卡的RGB值校正效果;
图5为本发明实施案例中Macbeth颜色校准卡的Hue值校正效果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚,明确,以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
步骤一,基于神经网络建立图像RGB颜色校正模型,如图1所示,本发明建立的神经网络包括输入层、输出层和隐含层。隐含层的神经元数量取n1=10,输入变量和输出变量均为3×1向量,分别表示颜色校正前后的颜色RGB分量;参数ω1是n1×3矩阵,表示输入层与隐含层之间的权重;参数b1是n1×1向量,表示输入层与隐含层之间的偏差;参数ω2是3×n1矩阵,表示隐含层与输出层之间的权重,参数b2是3×1向量,表示隐含层与输出层之间的偏差;隐含层采用对数S型传递函数,输出层采用线性传递函数;神经网络的输入变量是相机拍摄的RGB颜色值:RM,GM,BM;输出变量是校正后的RGB颜色值:RO,GO,BO
步骤二:训练神经网络RGB颜色校正模型的参数,本实施例中采用Macbeth颜色校准卡的前18个纯彩色色块训练神经网络颜色校正模型的参数,需要说明的是本专利中的神经网络参数训练不局限于采用Macbeth颜色校正卡,也可采用其它颜色内容更加丰富的颜色校正卡:
2.1,拍摄Macbeth颜色校准卡,采用20W卤钨小灯泡置于色卡正上方120cm处提供照射光源,采用单反数码相机(Canon 80D,日本生产)进行拍照,相机采用手动模式(光圈半径F=11,曝光时间T=1/4s,感光度ISO=3200,采用18%灰度卡自定义白平衡)。图3为拍摄的Macbeth颜色校准卡。
2.2,训练神经网络参数:从相机拍摄的Macbeth颜色校准卡的照片中提取前18个纯彩色色块的RGB值(Macbeth颜色校准卡的最后一行的6种颜色为灰度颜色,本实施案例校准彩色颜色时不需要用到),结果如表1所示。
表1相机拍摄测量的Macbeth颜色校准卡的RGB值
作为常用的标准颜色校准卡之一,Macbeth颜色校准卡中每个彩色色块的实际RGB值是已知的,具体如表2所示。
表2Macbeth颜色校准卡的实际RGB值
对Macbeth颜色校准卡的18个纯彩色色块的RGB颜色的相机测量值和实际值进行归一化处理,分别作为神经网络的输入和期望输出,以实际输出和期望输出的误差的平方和最小为训练目标,应用梯度算法训练神经网络的参数,即神经网络的权重和偏差,具体算法如图2所示。其中,网络参数的初值在区间(0,1)上随机生成,神经网络的学习速度η=0.035,参数的最大训练次数Nmax=10000,判断训练是否达到要求精度的误差限采用默认值。
2.3,检验神经网络参数的训练效果。图4给出了颜色校正前后相机测量的Macbeth颜色校准卡的每个纯彩色色块的RGB值和这些色块的实际RGB值的对比。可见,在颜色校正之前,相机测量的色卡的每个色块的RGB值与实际RGB值差别较大(测量误差的均值为E=63.6,标准差为σ=63.6);采用本专利的方法进行颜色校正之后,相机测量的颜色校准卡的每个色块的RGB值和其实际值非常接近(测量误差的均值为E=0.0,标准差为σ=0.4)。
图5给出了颜色校正前后相机测量的Macbeth颜色校准卡的每个彩色色块的Hue值和其实际Hue值的对比。可见,经过颜色校正,显著提高了相机测量颜色校准卡的每个彩色色块的Hue值的精度。在颜色校正前,相机测量的Hue值误差的均值为E=6.4°,标准差为σ=12.9°;颜色校正之后,相机测量的Hue值误差均值为E=0.0°,标准差为σ=0.3°。进一步测试表明,对于非样本颜色,该神经网络颜色校正模型仍然能够起到较好的颜色校正作用,并且随着颜色校准卡所包含的彩色色块颜色种类增加,颜色校正模型变得更加鲁棒。
步骤三,校正新图像的RGB颜色值;采用相机对观察对象进行拍照(即测量颜色),将拍摄得到的图像的每个像素的RGB颜色值进行归一化处理,作为神经网络的输入,在神经网络的输出端可以得到归一化的校正RGB颜色值,将其按照归一化的方法进行逆变换,即可得到颜色校正后的图像RGB值。
需要说明的是,相机在拍照时的参数设置和工作环境(包括照射光源、周围光线反射环境、以及光源、相机和观测对象之间的位置关系)必须与颜色校正时一致,前述用于颜色校正的神经网络模型的参数才是有效的;否则,需要重复步骤二,重新训练神经网络模型的参数。
以上所述仅是本发明的实施方式案例,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进,这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种采用神经网络直接校正RGB值的图像颜色校正方法,其特征在于,步骤如下:
步骤一、建立基于神经网络算法的图像RGB颜色校正模型,直接将相机拍摄的图像RGB值校准至的标准的RGB颜色空间;
步骤二、训练上述神经网络RGB颜色校正模型的参数;
步骤三、校正新图像的RGB值:将相机拍摄的图像的RGB值作为步骤一中神经网络的输入,在神经网络的输出端即可得到颜色校正后的图像RGB值。
2.根据权利要求1所述的一种采用神经网络直接校正RGB值的图像颜色校正方法,其特征在于,所述的步骤一具体为:
建立的基于神经网络算法的图像颜色校正模型,包括输入层、输出层和隐含层;所述的神经网络隐含层的神经元数量为n1,输入变量和输出变量均为3×1向量,分别表示颜色校正前后的颜色RGB值;参数ω1是n1×3矩阵,表示输入层与隐含层之间的权重;参数b1是n1×1向量,表示输入层与隐含层之间的偏差;参数ω2是3×n1矩阵,表示隐含层与输出层之间的权重,参数b2是3×1向量,表示隐含层与输出层之间的偏差;隐含层采用对数S型传递函数,输出层采用线性传递函数;神经网络的输入变量是相机拍摄的颜色的RGB三个分量值:RM,GM,BM;输出变量是经过神经网络校正的颜色的RGB分量值:RO,GO,BO
3.根据权利要求1所述的一种采用神经网络直接校正RGB值的图像颜色校正方法,其特征在于,所述的步骤二具体为:
2.1,拍摄颜色校准卡:将颜色校准卡置于需要测量颜色的位置,采用相机对其拍照,得到相机拍摄的颜色校准卡中的每个彩色色块的RGB值;
2.2,训练神经网络参数:对相机测量得到的颜色校准卡的彩色色块的RGB值进行归一化处理,作为神经网络的输入,对颜色校准卡的彩色色块的实际RGB值进行归一化处理,作为神经网络的期望输出值,以实际输出和期望输出的误差的平方和最小为目标,应用梯度算法训练神经网络的参数,即神经网络的权重和偏差;
2.3,检验神经网络参数的训练效果:计算经过神经网络校正之后数码相机测量的每个纯彩色色块的RGB值相对于实际值的误差,统计出误差的均值和均方差;计算经过神经网络校正之后相机测量的每个纯彩色色块的颜色色调Hue值相对于实际值的误差,统计出误差的均值和均方差;
从图像颜色的RGB值计算颜色的Hue值的方法如下:
其中,H表示颜色的Hue值,R、G、B分别为颜色的RGB值的红、绿、蓝分量,θ为参数。
4.根据权利要求3所述的一种采用神经网络直接校正RGB值的图像颜色校正方法,其特征在于,所述的步骤二中网络参数的训练算法具体为:将输入和期望输出的颜色RGB值归一化至区间[-1,1],按照误差反向传播原理,采用负梯度法优化网络参数,使得实际输出和期望输出的误差的平方和最小化。
5.根据权利要求3所述的一种采用神经网络直接校正RGB值的图像颜色校正方法,其特征在于,所述的步骤二中采用的颜色校准卡的m个纯彩色色块作为标准颜色训练神经网络颜色校正模型的参数,具体步骤如下:
拍摄颜色校准卡:将颜色校准卡置于颜色测量对象的位置,采用相机对其拍照,得到相机拍摄的颜色校准卡的每个纯彩色色块的RGB值;
训练神经网络参数:对相机测量的颜色校准卡的m个纯彩色色块的RGB值进行归一化处理,作为神经网络的输入,对颜色校准卡的m个纯彩色色块的实际RGB值进行归一化处理,作为神经网络的期望输出值,以实际输出和期望输出的误差的平方和最小为训练目标,应用梯度算法,训练神经网络的参数;在神经网络的参数训练算法中,xM为3×m矩阵,表示相机拍摄得到的颜色校准卡的m个纯彩色色块的RGB值,每列对应1种颜色的RGB值;xH为n1×m矩阵,表示隐含层的输出;xO为3×m矩阵,表示输出层的输出,每列对应1种颜色的RGB值;xE为3×m矩阵,表示颜色校准卡的m个纯彩色色块的实际RGB值,每列对应1种颜色的RGB值;η是神经网络的学习速度;Nmax为网络参数的最大训练次数;ε是用于判断网络参数训练过程中是否达到精度要求的误差限,默认值为ε=0.0001。
6.根据权利要求1所述的一种采用神经网络直接校正RGB值的图像颜色校正方法,其特征在于,相机在拍照时的参数设置和工作环境,包括光照环境、周围光线反射环境、以及光源、相机和观测对象之间的位置关系必须与颜色校正时一致,前述颜色校正才是有效的;否则,需要重复步骤二,重新训练神经网络的参数。
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Application publication date: 20190607

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