CN111798442B - 一种白度测量方法及白度测量中的参数标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种白度测量方法及白度测量中的参数标定方法，属于图像处理技术领域。本发明通过在标准白板上选择参考点，利用色度仪测量得到参考点在CIE‑LAB表色系统的明度坐标L*，色品坐标a*、b*，同时，获取参考点的RGB图像，利用参考点图像RGB数据和CIE‑LAB表色系统L*、a*、b*的值，表示出参考点CIE‑XYZ表色系统的三刺激值，以得到的CIE‑XYZ表色系统三刺激值X_n、Z_n标准偏差最小为目标建立关于待标定参数的模型，求解该模型，即可得到待标定参数，本发明能够在设定光照条件下标定出图像RGB数据转换到CIE‑XYZ表色系统下所需的待标定参数，使得设定光照条件下的图像RGB数据能够根据设定光照条件下的标定参数进行CIE‑XYZ转换，提高了白度测量的准确性。

Description

一种白度测量方法及白度测量中的参数标定方法

技术领域

本发明涉及一种白度测量方法及白度测量中的参数标定方法，属于图像处理技术领域。

背景技术

白度表示物质表面白色的程度，通常以白色含有量的百分率表示。白度测量是光度测量中的一种，主要应用在建材、纺织、化工、造纸、粮食等行业中，白度及其评价也是许多产品质量检验的主要内容。目前，对于白度测量主要依赖分光光度计和白度仪，具有生产成本高、适用范围窄、测量计算过程复杂等缺点。因此，急需一种简便快捷的白度测量方法。

随着机器视觉的发展，相继出现了利用机器视觉进行白度测量的方案。例如公布号为CN109102473A的中国专利申请文件，该文件公开了一种改善彩色数字图像质量的方法，并公开了以下白度测量方法：首先将获取的原始RGB图像逐步转换至CIE-LAB图像，然后确定CIE-LAB图像中L*、a*和b*的坐标值，最后根据L*、a*和b*的坐标值确定图像的白度。其中在进行RGB图像转换的过程中，没有考虑到拍摄环境的影响，采用的是的不变的转换关系，而实际过程中发现拍摄环境，特别是光照条件变化比较大，同一幅图像在不同光照条件下的RGB数据会有很大差异，若直接按照目前的方式进行白度测量，不同光照条件下的白度测量结果会有差异，导致白度测量不够准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种白度测量方法及白度测量中的参数标定方法，以解决目前白度测量存受光照条件影响导致不够准确的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种一种白度测量中的参数标定方法，其特征在于，该参数标定方法包括以下步骤：

1)选择标准白板，在标准白板上选取至少一个点作为参考点，利用色度仪测量参考点在CIE-LAB表色系统下明度坐标L*，色品坐标a*、b*，并获取参考点的RGB数据；

2)根据RGB数据与CIE-XYZ表色系统三刺激值和CIE-LAB表色系统下L*、a*、b*值之间的转换关系，建立待标定参数与CIE-XYZ表色系统下三刺激值之间的关系；

3)利用步骤2)中关系计算各参考点在CIE-XYZ表色系统下三刺激值X_n、Z_n，选取使各参考点三刺激值Xn、Zn的标准偏差之和最小时对应的待标定参数。

本发明通过在标准白板上选择参考点，利用色度仪测量参考点的在CIE-LAB表色系统下明度坐标L*，色品坐标a*、b*，同时，获取参考点的RGB图像，利用参考点图像RGB数据和CIE-LAB表色系统L*、a*、b*的值，表示出参考点CIE-XYZ表色系统的三刺激值，以CIE-XYZ表色系统下三刺激值X_n、Z_n的标准偏差最小为目标建立关于待标定参数的模型，求解该模型，即可得到待标定参数。本发明能够在设定光照条件下标定出RGB图像转换到CIE-XYZ表色系统下所需的待标定参数，使得设定光照条件下的RGB图像能够根据设定光照条件下标定参数在进行CIE-XYZ转换，使CIE-XYZ转换后的数据不受光照条件的影响，为白度的准确测量提供了保障。

进一步地，所述步骤2)中建立的关系为：

a^*＝500[(X/X_n)^1/3-(Y/Y_n)^1/3]

b^*＝200[(Y/Y_n)^1/3-(Z/Z_n)^1/3]

其中α、β为待标定参数，(X,Y,Z)为CIE-XYZ表色系统下的三刺激值，(X_n,Y_n,Z_n)标准白板上参考点在CIE-XYZ表色系统下的三刺激值，(R_8bit，G_8bit，B_8bit)为与设备相关的8位数字RGB信号。

本发明还提供了一种图像的白度测量方法，该测量方法采用上述白度测量中的参数标定方法得到RGB图像和CIE-XYZ表色系统之间的转换关系，利用该转换关系将获取的待测物质的RGB图像转换成CIE-XYZ表色系统下的数据，利用得到的CIE-XYZ表色系统下的数据确定待测物质的白度。

本发明利用在设定光照条件下标定出RGB图像转换到CIE-XYZ表色系统下的转换关系，利用该转换关系将设定光照条件下的RGB图像进行CIE-XYZ转换，使CIE-XYZ转换后的数据不受光照条件的影响，提高了白度测量的准确性。

进一步地，为避免背景图像的干扰，提高白度测量的准确性，该方法还包括在对待测物质的RGB图像转换之前进行分割的步骤，将待测物质从RGB图像的背景中分离出来。

进一步地，为了提高白度测量的准确性，在对待测物质的RGB图像转换前对获取的RGB图像进行区域划分，将其划分成至少两个RGB区域图像，对每个RGB区域图像分别按照标定后RGB图像和CIE-XYZ表色系统之间的转换关系进行转换，得到每个RGB区域图像对应的CIE-XYZ表色系统数据，从而得到每个区域图像的白度，根据各区域的白度确定待测物质的白度。

进一步地，待测物质的白度等于各区域白度的均值。

进一步地，所述白度采用的计算公式为：

W＝Y+800(x_n-x)+1700(y_n-y)

其中W为待测物质的白度值，X、Y和Z是待测物质在CIE-XYZ表色系统下的三刺激值，x_n、y_n是待测物质完全漫反射体的色品坐标，x、y是待测物质的色品坐标。

附图说明

图1是本发明白度测量中的参数标定方法的流程图；

图2是本发明图像的白度测量方法的流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步地说明。

白度测量中的参数标定方法的实施例

本发明的参数标定方法选用标准白板，利用色度仪在设定的光照环境下进行标定实验，以确定唯一的α、β值，使得标定后的α、β值能够使通过转换计算得到的各参考点在CIE-XYZ表色系统下三刺激值Xn、Zn的标准偏差之和最小。该参数标定方法的流程如图1所示，具体过程如下：

1.获取参考点在色度仪测量下的数据。

本发明选择一标准白板，在标准白板上选取至少一个点作为参考点，参考点个数越多，将来标定的精度越高，同时计算越复杂，因此参考点的个数根据实际需求进行选择本实施例选择7个参考点。利用RGB相机对各参考点进行拍照，获取各参考点的RGB数据，同时利用色度仪测量各参考点，得到各参考点在CIE-LAB表色系统下明度坐标L*，色品坐标a*、b*。

2.确定待标定参数β与RGB信号转换前后之间的关系，待标定参数α与CIE-XYZ信号转换之前的关系。

本发明中的待标定参数有两个，分别为α和β，其中β存在在与设备相关的RGB信号和与设备无关的RGB信号的转换关系中。步骤1中获取标准白板上参考点的RGB数据指的是与设备相关的8位数字RGB信号(R_8bit，G_8bit和B_8bit)，将与设备相关的8位数字RGB信号(R_8bit，G_8bit和B_8bit)转换到设备无关的RGB值(R'_RGB、G'_RGB和B'_RGB)，采用的转换关系为：

β值表示从一个成像系统到另一个成像系统的不同，该转换关系体现了待标定参数β与RGB信号转换前后之间的关系。

与设备无关的归一化RGB值可以通过以下矩阵转换为归一化三刺激值(X′,Y′,Z′)：

将归一化的X，Y，Z值线性转换为CIE-XYZ表色系统下的三刺激值(X,Y,Z)，如下所示：

3.建立待标定参数与CIE-LAB表色系统L*、a*、b*值和CIE-XYZ表色系统下三刺激值的关系。

根据归一化RGB数据和归一化CIE-XYZ表色系统下三刺激值之间的转换关系、归一化CIE-XYZ表色系统下三刺激值与CIE-XYZ表色系统下的三刺激值之间的关系、以及CIE-XYZ表色系统与CIE-LAB表色系统之间的关系确定出参考点在CIE-XYZ表色系统下的三刺激值，得到参考点在CIE-XYZ表色系统下三刺激值X_n、Z_n与待标定参数之间的关系。

为了估计标准白板上参考点在在CIE-XYZ表色系统下的三刺激值X_n、Y_n、Z_n，利用CIE-LAB 1976亮度定义将L*a*b*坐标中的L*值链接到CIE-XYZ表色系统下的X、Y、Z坐标中的Y值，可以得到：

Y＝Y_n[(L^*+16)/116]³

式中，Y_n＝100，该式的有效性要求不等式Y/Y_n>0.008856，这适用于双孢菇色度范围。

根据CIE-LAB表色系统中a*和b*的定义可得到：

a^*＝500[(X/X_n)^1/3-(Y/Y_n)^1/3]

b^*＝200[(Y/Y_n)^1/3-(Z/Z_n)^1/3]

参考点的CIE-XYZ表色系统下三刺激值X_n和Z_n的参考值的计算公式为：

由此可建立起待标定参数和CIE-LAB表色系统与CIE-XYZ表色系统下三刺激值之间的关系。

4.求解待标定参数。

以步骤3中参考点在CIE-XYZ表色系统下的三刺激值Xn和Zn标准偏差之和最小为目标函数，求解该目标函数，得到的待标定参数就是本发明所要的标定参数。

通过上述过程，本发明能够在设定光照条件下标定出测量白度所需的参数，使得设定光照条件下的RGB数据能够根据设定光照条件下的标定参数进行CIE-XYZ表色系统下三刺激值的转换，使CIE-XYZ表色系统下三刺激值转换后的数据不受光照条件的影响，为白度的准确测量提供了保障。

图像的白度测量方法的实施例

下面以双孢菇的白度测试为例对整个白度测量过程进行详细说明，该方法是在标定出相关参数的基础上实现的，该方法的流程如图2所示，具体实现过程如下：

1.获取双孢菇的RGB图像。

对本实施例而言，将双孢菇目标放置到一个基座上，打开光源，使光照强度与标定过程中的光照强度一致，相机在手动模式下操作，调整镜头光圈为f＝8，速度为1/20(无变焦、无闪光)，获取双孢菇样品的位彩色RGB图像，分辨率为600×1200。

2.对获取的双孢菇RGB图像进行预处理。

本发明的预处理主要是将双孢菇图像从带有背景图像的彩色RGB图像中分离出来，根据双孢菇图像与背景图像的差异选取阈值，根据所选阈值实现图像分割。本对本实施例而言，由于双孢菇是在一个蓝色的基座上拍摄的，在进行阈值选择时，可通过绘制原始RGB图像的直方图，对所有像素点进行统计，确定出分割阈值，利用该分割阈值实现背景与双孢菇的分割。

3.对分割后得到的双孢菇图像进行区域划分，将每个区域的RGB数据转为CIE-XYZ数据。

为减少边缘干扰的，对分割出的双孢菇进行最大内接矩形计算，得到一个矩形的双孢菇图像，将该矩形图像还分成多个区域，本实施例选取最大内矩形面积的十分之一作为小矩形，通过小矩形对上述矩形双孢菇图像进行遍历，得到多个小矩形的双孢菇局部图像。

按照参数标定方法实施例中的方式对RGB图像与CIE-XYZ图像转换涉及到的参数进行标定，利用参数标定后转换关系得到每个双孢菇局部对应的CIE-XYZ图像，过程如下：

1)将与测量设备相关RGB信号转换到测量设备无关的RGB信号。

采用与标定时同样的光照条件获取双孢菇的RGB图像，本实施例将与测量设备相关的8位数字RGB信号(R_8bit，G_8bit和B_8bit)进行归一化处理，再转换到与设备无关的RGB值(R'_RGB、G'_RGB和B'_RGB)，所采用的公式如下：

其中β值表示从一个成像系统到另一个成像系统的不同，本发明采用标定方法实施例中方式标定得到。

2)将与测量设备无关的RGB信号转换成CIE-XYZ信号。

首先将与设备无关的归一化RGB值通过以下矩阵转换为归一化CIE-XYZ表色系统下三刺激值(X′,Y′,Z′)，采用的转换矩阵为：

然后归一化CIE-XYZ表色系统下三刺激值(X′,Y′,Z′)转换成CIE-XYZ表色系统下三刺激值(X,Y,Z)，采用的公式为：

其中参数α可根据参数β计算得到，采用的公式为：

其中L^*为参考点在标定光照条件下CIE-LAB表色系统的明度坐标平均值，R_8bit、G_8bit、B_8bit为参考点在标定光照条件下RGB三通道数据的平均值。

基于上述关系可将归一化CIE-XYZ表色系统下三刺激值(X′,Y′,Z′)转换成CIE-XYZ表色系统下三刺激值(X,Y,Z)。

3.白度计算

根据步骤2中得到各区域的CIE-XYZ三刺激值(X,Y,Z)计算各区域的白度值，以此确定双孢菇的白度值。

本发明采用CIE(国际照明委员会)认证的甘茨白度公式计算各区域的白度值，对于第i个区域而言，其对应的白度值为：

W_i＝Y_i+800(x_n-x_i)+1700(y_n-y_i)

式中，W_i为第i个区域的白度值，X_i、Y_i和Z_i是第i个区域的CIE-XYZ表色系统下三刺激值，x_n、y_n是完全漫反射体的色品坐标，x_i、y_i是第i个区域色品坐标，通常x_n＝0.3310，y_n＝0.3138。

根据每个区域的白度值，计算双孢菇的白度值，本实施例是将各区域的白度值的平均值作为双孢菇的白度值，具体公式如下：

其中W为双孢菇的白度值，N为区域的个数。

通过上述过程，即可实现对双孢菇白度的测量。该白度测量方法也可适用于其他对象的白度测量。

作为其他实施方式，也可以不用区域划分，直接对分割后RGB图像进行转换，根据转换后的图像进行白度计算。

本发明的白度测量方法是在对转换过程中参数标定的基础上实现的，通过在特定光照条件下的利用标准白板对涉及到的参数进行标定，保证了RGB图像和CIE-XYZ之间转换的准确性，从而提高了白度测量的准确性实现了利用机器视觉进行白度测量。

Claims (6)

1.一种白度测量中的参数标定方法，其特征在于，该参数标定方法包括以下步骤：

1)选择标准白板，在标准白板上选取至少一个点作为参考点，利用色度仪测量参考点在CIE-LAB表色系统的明度坐标L*，色品坐标a*、b*，并获取参考点的RGB数据；

2)根据RGB数据与CIE-XYZ表色系统和CIE-LAB表色系统下三刺激值之间的转换关系，建立待标定参数与CIE-LAB表色系统L*、a*、b*、CIE-XYZ表色系统三刺激值之间的关系；

3)利用步骤2)中关系计算各参考点在CIE-XYZ表色系统下的三刺激值X_n、Z_n，得到每个参考点的标准偏差，选取使各参考点三刺激值Xn、Zn的标准偏差之和最小时对应的待标定参数；

所述步骤2)中建立的关系为：

a^*＝500[(X/X_n)^1/3-(Y/Y_n)^1/3]

b^*＝200[(Y/Y_n)^1/3-(Z/Z_n)^1/3]

其中α、β为待标定参数，(X,Y,Z)为CIE-XYZ表色系统下的三刺激值，(X_n,Y_n,Z_n)为标准白板上参考点在CIE-XYZ表色系统下的三刺激值，(R_8bit，G_8bit，B_8bit)为与设备相关的8位数字RGB信号。

2.一种白度测量方法，其特征在于，该测量方法采用权利要求1所述的白度测量中的参数标定方法得到RGB图像和CIE-XYZ表色系统之间的转换关系，利用该转换关系将获取的待测物质的RGB图像转换成CIE-XYZ表色系统下的数据，利用得到的CIE-XYZ表色系统下的数据确定待测物质的白度。

3.根据权利要求2所述的白度测量方法，其特征在于，该方法还包括在对待测物质的RGB图像转换之前进行分割的步骤，将待测物质从RGB图像的背景中分离出来。

4.根据权利要求2所述的白度测量方法，其特征在于，在对待测物质的RGB图像转换前对获取的RGB图像进行区域划分，将其划分成至少两个RGB区域图像，对每个RGB区域图像分别按照标定后RGB图像和CIE-XYZ表色系统之间的转换关系进行转换，得到每个RGB区域图像对应的CIE-XYZ表色系统数据，从而得到每个区域图像的白度，根据各区域的白度确定待测物质的白度。

5.根据权利要求4所述的白度测量方法，其特征在于，待测物质的白度等于各区域白度的均值。

6.根据权利要求2所述的白度测量方法，其特征在于，所述白度采用的计算公式为：

W＝Y+800(x_n-x)+1700(y_n-y)

其中W为待测物质的白度值，X、Y和Z是待测物质在CIE-XYZ表色系统下的三刺激值，x_n、y_n是待测物质完全漫反射体的色品坐标，x、y是待测物质的色品坐标。