（光学工程专业论文）基于影像技术的珠光瓶体色貌评估.pdf

摘要 摘要 珠光效果表面特殊的颜色感知决定了对其色貌评估技术的复杂性，而色貌 评估是确保珠光效果产品颜色稳定及其高品质颜色再现的方法基础，在珠光效 果产品质量评价、油墨颜色特性匹配以及计算机特殊效果颜色模拟等应用中具 有重要意义。本论文以珠光瓶体为研究对象，首先讨论了基于多角度测量方式 的光谱辐射度计和人眼视觉色貌评估方法，然后探索了以数码相机为影像摄取 设备对珠光瓶体进行多角度的色貌评估技术，克服了测色仪昂贵、庞大、效率 低等缺点，并能集成到智能系统达到稳定且空间连续的样本颜色提取，从而实 现对样本色貌的多角度测量。最后，建立了珠光瓶体色貌差异的影像检测模型， 并验证了该模型的可行性和有效性。 在色貌评估实验中，以样本上多个区域代表不同的几何观测条件，分别进 行了基于光谱辐射度计( t s r ) 的仪器测量和基于幅度估计心理物理学方法的 视觉实验，视觉实验精度和国际同行的研究在同一水平。基于色貌模型 c i e c a m 0 2 的转换，对仪器测量和视觉评估数据进行了比较和分析，结果显示 两者具有较好吻合性，其中彩度和色调的相关性分别为相关系数r 2 为0 9 0 以 上( 差异指数c v 在2 0 0 以下) 和r 2 为0 9 5 以上( c v 在1 5 o 以下) ，而明 度由于仪器测量和视觉评估方法之间尺度的不同造成了基于c i e c a m 0 2 模型 对渐变表面色貌的差异，为此本文提出了一种明度线性校正模型，并经实验表 明修j 下后两者明度的相关性显著提高，其c v 值从修j 下前的1 2 0 - 2 3 0 降低至 修正后的6 8 9 8 。 为了研究基于影像技术的珠光瓶体色貌评估方法，首先采用多项式模型对 数码相机进行颜色特征化，实现从设备相关的r g b 空间到设备无关的c i e x y z 标准颜色空间的转换，其对g r e t a g m a c b e t hc o l o rc h e c k e rd c 色卡的平均预测精 度达到约1 3c i e d e 2 0 0 0 色差单位。实验结果表明，影像测色方法的可重复性 高于t s r 测量，并能在图像上通过提取不同样本区域的方式替代多角度测量 而进行快速的数据处理。影像方法与视觉评估结果的相关性r 2 达到o 6 0 以上， c v 值在2 4 以下，经过明度修正后明度的相关性和和色调具有同样较佳的相关 p a g ec o f 7 1 基于影像方式的珠光瓶体色貌评价 性，而彩度吻合度相对略差，视觉实验和相机的结果相关性验证了基于影像技 术进行珠光瓶体色貌评估方法的有效性。同时，对捕获的样本图像分析发现珠 光表面在对称的几何观测条件呈现对称的色貌感知，而非光泽区域与光泽区域 之间的色貌差异与其相应的明度差异具有r 2 = 0 8 2 和c v = 8 5 的正相关性。 针对珠光色貌的质量判定目标，在本文的研究中提出了珠光瓶体色貌差异 的影像检测方法。通过心理物理学的排序法确定样本对的色貌差异最佳观测角 度并应用于基于灰阶法评估指定样本对色貌差异的视觉量化实验，在同样的观 测条件下进行影像方法的样本图像捕获，经过图像定位后提取具有代表光泽区 域、非光泽区域以及过渡区域的三组颜色参数以及基于统计方法的明度对比度 和过渡系数。然后，采用先前c i e c a m 0 2 转换后的明度修正建立珠光色貌差异 的影像检测模型。对实验数据的详细分析表明，基于影像技术的色貌差异模型 预测结果与对应的视觉评估数据之间的相关性为r 2 = o 8 1 和c v = 2 7 8 ，因此该 模型可通过设定阈值或结合机器统计学习方式应用于相关工业产品的质量检测 领域。 关键词：色貌评估，影像技术，珠光色泽表面，光谱辐射度测量，视觉评估，色貌模型， 数码相机，图像处理，颜色特征提取，色貌差异检测。 p a g ed o f 7 1 摘要 a s s e s s i n gt h ec o l o ra p p e a r a n c eo np e a r l e s c e n tb o t t l e s ll 一 b a s e do ni m a g i n g t e c h n o l o g y a b s t r a c t ：刀 eu n i q u ec o l o rs e n s a t i o no fp e a r l e s c e n ts u r f a c e sr e q u i r e sc o m p l e xc o l o r a p p e a r a n c ea s s e s s m e n tt e c h n i q u e s w h i c hi saf u n d a m e n t a la p p r o a c hf o rt h ec o l o r s t a b i l i t ya n dh i g h - q u a l i t yc o l o rr e n d e r i n go fp e a r l e s c e n tp r o d u c t s a s s e s s i n gt h e c o l o ra p p e a r a n c eo fp e a r l e s c e n ts u r f a c ei sc o n t r i b u t i v ei nm a n u f a c t u r eq u a l i t y e v a l u a t i o n ，p a i n tc o l o rm a t c h i n go rc a ds p e c i a le f f e c tm a t e r i a lr e n d e r i n g t h i s d i s s e r t a t i o nt o o kp e a r l e s c e n tb o t t l e sa st h ee x p e r i m e n t a ls a m p l e s a i m i n gt oe s t a b l i s h an o v e li m a g i n gm e t h o df o rt h ec o l o ra p p e a r a n c ea s s e s s m e n to fb o t t l es u r f a c e s a sa m o d e mi m a g i n gs y s t e m t h ec a m e r ai s c o m p e t e n tf o re 衢c i e n ta n de c o n o m i c a l c a p t u r e so fc o l o ri m a g e s ，w h i c hc a nb em e r g e dt oaw h o l er o b u s ts y s t e mo fo n l i n e q u a l i t yc o n t r o lf o rp e a r l e s c e n tp r o d u c t s t h em a i np r o c e d u r e so ft h ep r o p o s e d m e t h o d si n c l u d e d1 ) m u l t i a n g l eb a s e dt e l e s p e c t r o r a d i o m e t e r ( t s 鼬m e a s u r e m e n t a n dv i s u a le v a l u a t i o nf o rt h ec o l o ra p p e a r a n c ea s s e s s m e n to fp e a r l e s c e n tb o t t l e s ，2 ) d i g i t a lc a m e r ab a s e di m a g i n gm e t h o d sf o rt h ec o l o ra p p e a r a n c ee v a l u a t i o n ，a n d3 ) m o d e l i n go fc o l o ra p p e a r a n c ed i f f e r e n c ed e t e c t i n gu s i n gi m a g i n gt e c h n o l o g y i nt h ee x p e r i m e n t so ft s rm e a s u r e m e n ta n dv i s u a la s s e s s m e n t t h ed i f f e r e n t p o s i t i o n sw e r es e l e c t e do nt h es u r f a c eo ft h es a m p l e s ，w h i c hr e p r e s e n t e dd i f f e r e n t v i e w i n gg e o m e t r i cc o n d i t i o n s t h ev i s u a la s s e s s m e n tu s i n gm a g n i t u d ee s t i m a t i o no f p s y c h o p h y s i c a lm e t h o dh a da c c e p t a b l er e p e a t a b i l i t y , c o m p a r e dw i t ht h er e l a t e d i n t e m a t i o n a ls t u d i e si nc o l o rs c i e n c e t h et s rm e a s u r e dd a t aw e r et r a n s f o r m e dt o t h ev i s u a la t t r i b u t e s ( 1 i g h t n e s s ，c o l o r f u l n e s sa n dh u e ) ，v i at h ec o l o ra p p e a r a n c e m o d e lo fc i e c a m 0 2 ，a n dt h e nc o u l db ec o m p a r e dw i t ht h ed a t af r o mv i s u a l e x p e r i m e n t t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e yh a dg o o da g r e e m e n t w i t ht h e c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tr b e i n ga b o v e0 9 0 ( c o e f f i c i e n to fv a r i a t i o n c vb e i n gb e l o w 2 0 0 ) f o rt h ec o l o r f u l n e s sa t t r i b u t ea n dr za b o v e0 9 5 ( c vb e l o wl5 o ) f o rh u e ； w h i l ef o rl i g h t n e s st h em e t h o d so ft s rm e a s u r e m e n ta n dv i s u a la s s e s s m e n th a d s l o p es h i f td u et ot h e i rd i f f e r e n ts c a l e s ，b u tt h e i rl i n e a rr e l a t i o n s h i pw a sp r e s e r v e d 。 b a s e dw h i c h ，h e n c e ，al i g h t n e s sl i n e a rc o r r e c t i o na l g o r i t h mw a sp r o p o s e di n t h i s s t u d yt or e d u c et h ec vv a l u ef o rl i g h t n e s sa t t r i b u t ef r o ma b o u t1 2 0 2 3 0t o6 8 9 8 i no r d e rt os t u d yt h ec o l o ra p p e a r a n c ea s s e s s m e n to fp e a r l e s c e n tb o t t l e sb a s e d i m a g i n gt e c h n o l o g y , t h ep o l y n o m i a lm o d e lw a su s e dt oc h a r a c t e r i z et h ed i g i t a l c a m e r af o rt h et r a n s f o r m a t i o nf r o mt h ed e v i c e - d e p e n d e n tr g bc o l o rs p a c et o d e v i c e i n d e p e n d e n tc i e x y zs t a n d a r dc o l o rs p a c e ，w i t ht h em e a nc h a r a c t e r i z a t i o n a c c u r a c yo f1 3 c i e d e 2 0 0 0u n i t so nt h ec o l o rt a r g e to fg r e t a g m a c b e t hc o l o r c h e c k e rd c t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ei m a g i n gm e t h o dh a db e t t e r r e p e a t a b i l i t yt h a nt s rm e a s u r e m e n tb e c a u s ei tn e e d e dl e s sm a n u a lo p e r a t i o n s d u r i n gt h ee n t i r ep r o c e d u r e s i n c et h eb o t t l e sa r ec u r v e d ，a n g l e d e p e n d e n tp r o p e r t i e s a r ea l r e a d yp r e s e n t e da ts o m es p e c i f i cl o c a t i o n si nt h e i ri m a g e sc a p t u r e db yt h e p a g ee o f 7 1 基于影像方式的珠光瓶体色貌评价 c a m e r a ，w h i c hc o u l dp e r f o r mt h er a p i dm u l t i a n g l em e a s u r e m e n t ss i m u l t a n e o u s l y t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ec a m e r aa n dv i s u a lr e s u l t sa c h i e v e d1 0 0 6 0a n dc v 2 4 0 t h el i g h t n e s sc o r r e c t i o nw a sc a r r i e do u ts ot h a tt h el i g h t n e s sh a da l m o s tt h e s a m eg o o dc o r r e l a t i o nw i t ht h a ti nh u ea t t r i b u t eb e t w e e nt h et w om e t h o d s ；w h i l et h e a t t r i b u t eo fc o l o r f u l n e s sh a dr e l a t i v e l yt h ep o o r e s tc o r r e l a t i o n f r o mt h ed a t aa n a l y s i s o fc a p t u r e di m a g e si tw a sf o u n dt h a tt h ep e a r l e s c e n ts u r f a c eh a ds y m m e t r i c a lc o l o r a p p e a r a n c ed i s t r i b u t i o na l o n gw i t ht h es y m m e t r i c a lv i e w i n gg e o m e t r y ，a n dt h ec o l o r a p p e a r a n c ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h en o n - g l o s s ya r e aa n dt h em o s tg l o s s ya r e a p r e s e n t e dg o o da g r e e m e n t ，r z = 0 8 2a n dc v = 8 5 ，w i t ht h e i r c o r r e s p o n d i n g l i g h t n e s sd i f f e r e n c e i nt h ep u r p o s eo ft h ec o l o rq u a l i t ye v a l u a t i o no np e a r l e s c e n tb o t t l e s ，ac o l o r a p p e a r a n c ed i f f e r e n c ed e t e c t i n gm e t h o dw a sd e m o n s t r a t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e p s y c h o p h y s i c a lm e t h o do fr a n k i n go r d e rw a su s e dt od e t e r m i n et h eb e s tt w ov i e w i n g g e o m e t r i ca n g l e sf o rs a m p l e p a i r se x h i b i t i o n w h i c hw e r et h e na p p l i e dt ot h ev i s u a l e x p e r i m e n tf o rq u a n t i f y i n gc o l o ra p p e a r a n c ed i f f e r e n c et h r o u g hg r a y s c a l et e c h n i q u e u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n sf r o mt h es a m p l ei m a g e sc a p t u r e db yt h ec a m e r as o m e s u b i m a g e so nt h ec o r r e s p o n d i n gr e g i o n so fd i f f e r e n tb o t t l e sw e r ee x t r a c t e d ，f r o m w h i c ht h r e es e t so fc o l o rp a r a m e t e r so fg l o s s y , n o n g l o s s ya n dt r a n s i t i o n a la r e a s a s w e l la st h el i g h t n e s sc o n t r a s ta n di t st r a n s i t i o n a li n d e xv i as t a t i s t i c a la n a l y s i s w e r e r e c o r d e da st h es a m p l e s c o l o rf e a t u r e sf o rb o t hv i e w i n gg e o m e t r i e s t h e nw i t ht h e l i g h t n e s sc o r r e c t i o nt h ec o l o ra p p e a r a n c ed i f f e r e n c ed e t e c t i n gm o d e lw a ss e tu pf o r p e a r l e s c e n tb o t t l e s t h eg o o dc o r r e l a t i o no ft h i sm o d e l ，r 一= 0 81a n dc v = 2 7 7 ，w i t h v i s u a li n s p e c t i o ni m p l i e dt h a ti tc o u l db eab a s i sf o rt h ef u t u r ea p p l i c a t i o ni nt h e c o l o rq u a l i t ye v a l u a t i o no fr e l a t e dp r o d u c t sw i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h r e s h o l ds e t t i n g o rm a c h i n el e a r n i n gt e c h n i q u ei nt h ec o l o rc o m p u t e rv i s i o ns y s t e m k e yw o r d s c o l o ra p p e a r a n c ea s s e s s m e n t ，i m a g i n gt e c h n o l o g y , p e a r l e s c e n ts u r f a c e ， s p e c t r o r a d i o m e t r i cm e a s u r e m e n t ，v i s u a le v a l u a t i o n ，c o l o ra p p e a r a n c em o d e l ( c a m ) ， d i g i t a lc a m e r a , i m a g i n gp r o c e s s i n g ，c o l o rf e a t u r ee x t r a c t i o n ，c o l o ra p p e a r a n c e d i f f e r e n c ed e t e c t i n g p a g ef o f 7 l 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘姿盘堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：鹏凌j 生 签字同期：伊l 。年 【月2 争同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿态鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：饯友迎 导师签名：彳飘眵于厂 签字日期：1 口fo 年f 月1 牛日 签字同期：勘c o 年1 月妒同 致谢 本论文所述研究课题是在浙江大学徐海松教授和英国利兹大学m r o n n i e r l u o 教授的指导下完成。由于该课题为国际合作项目，包括了在英国利兹大学 ( u n i v e r s i t yo f l e e d s ) 部分的实验和在浙江大学的实验，受到了双方无微不至 的关怀。两位导师及相关研究工作者j t l g u i h u ac u i 博士、w e ij i 博士、c h a n g j ul i 博士、p r h o d s 博士、j n o b b s 博士、a g i l c h r i s t 博士在这一领域上对我的教导 和帮助表示深深感谢! 是他们的帮助让我在颜色科学、影像技术、图像处理， 计算机视觉，模式识别以及相应的数学统计学科领域上有质的飞跃，与他们共 处的时光让我受益匪浅，并且在研究经验、科研能力、实验技巧等方面从他们 身上获得了极大的锻炼和提高，为我今后的发展打下坚实的基础。 感谢科莱恩( 中国) 公司对浙江大学信息学院和英国利兹大学颜色科学系 联合培养项目的资助，他们的支持让我拥有一段难忘的国外求学和研究的经历， 并在人生视野得到扩展。 感谢在两个大学中我所在实验室的各位“前辈”和“后进”，是他们让我 享受到集体的团结互助和友爱关怀、以及相互讨论、共同研究的乐趣。 感想我的老同学们和我的朋友们，在研究的阶段里众多细节来源于你们的 帮助和鼓励。 借此机会、感谢我的父母和我的家人们，他们的默默支持和付出是我前进 的动力，也是我能走向成功的源泉! 最后，感谢牛年末虎年处阶段正处于百忙之中的评阅教师和学者! 傅凌进 西子湖畔求是园 2 0 1 0 0 1 第一章引言 1 1 研究背景及意义 由于具有独特的颜色特性，带有珠光色泽的产品在市场上倍受青睐，珠宝、 化妆品、装饰等领域常利用珠光效果以吸引消费群体而占领市场份额。直观 地来说，珠光效果是由于微薄片层对光线的选择性反射而形成的，这种选择性 反射包括光谱上和空间( 角度) 上的选择性反射【2 3 】。若为均匀色物体，只需一 组色品坐标便可精确表示，而对于珠光效果，则必须以多个角度的颜色数据才 可能准确描述其色彩特征，这是珠光瓶体颜色测量的理论基础【3 羽。同样地，目 前色貌的评估也主要是对单一颜色在特定条件下的评价，而对实际物体特别是 对随角异色( 因角变色) 物体的色貌描述更为复杂，因为光照条件、几何观测 角度、样本点位置等均会影响颜色差异的感知，因此这种特殊效果使色貌评估 富有挑战性。色貌评估的结果亦可作为衡量两样本之间的差异依据，并被期望 服务于相关产品生产的在线质量控制，通过测试相应点的颜色参数以获取样本 与标准的差异，并预测这一差异是否为“明显”的或是否可以被用户接受。本论 文采用数码相机作为取色装置高效率地对具有珠光效果的瓶体( 简称珠光瓶体) 进行多角几何测量条件的色貌评估，并建立色貌差异模型对测试样本和标准样 本之间的差异进行量化。本文建立的颜色预测模型具有实时性，并比专业颜色 检测仪器更加廉价，同时提高其便携性以满足一般用户的使用要求【_ 7 1 。 颜色的描述对产品的质量至关重要，一则它保证了产品的颜色恒定，给消 费者高品质的视觉感受，二则颜色的精确性对如油墨印刷装饰应用层面上能保 证前后颜色的统一，三则作为可记录的数据能保证颜色精确的传播和再现。作 为具有特殊效果的珠光色，其颜色描述较传统颜色更具挑战性，但同样拥有以 上三方面的重要性，而且有时由于实际需求必须同时研究珠光表面的纹理和颜 色分布特征【引。 目前相关企业在规模和品牌定位上更为谨慎，如瓶体类的包装设计在市场 的激烈竞争中容不得半点闪失，拥有高质量的颜色控制技术是在行业里生存和 p a g e1 0 f 7 1 罐于蟛像方式的珠瓶体乜貌详价 发展的必然趋势。越来越多的厂商选择珠光颜料，国外也用“特殊效果颜料” ( s p e c i a le f f e c tp i g m e n t ) 代替“珠光颜料”，当然特殊效果中还包含金属色泽8 ”， 其与珠光色泽较为接近，故通常用的颜色测量方法也与珠光表面一致，图1 中 展现丁4 例带有珠光特性的物体表面。 围1 珠光色泽的物体寰面 本论文的研究对象为带珠光效果的商用瓶体，通过评估珠光瓶体样本的色 貌( 包括其多角度色貌) ，讨论总结其颜色特性，采用仪器测量和视觉实验的 方法选取瓶身指定区域作为评估对象，验证两者结果的相关性，以此特性建立 一种基于数码相机影像技术柬评估珠光瓶体色貌的模型，井以与视觉结果的比 较验证该模型的可靠性。由于图像中的不同区域实际代表了不同几何观测条件， 故所采用的影像方法能进行即时连续多角度测量样本色貌。通过相机百万像素 缴的颜色采集，再建立基于影像方式的模型，根据视觉实验中得到的样本最佳 色貌差异呈现角度以及样本对的视觉差异幅度，利用对整个图像区域中颜色的 统计分折可预测样本对的颜色感知差异，达到与视觉评价结果较好的相关性， 从而取代人工的质量分检。 影像方法可高效便捷地获取目标颜色的各种参数，其微秒级的运行时耗可 胜任在线质量控制。由于比专业仪器更易操作，自动化程度更高，且造价低廉， 所以这种技术受到工业界的重视。研究空间实物的色貌比色块的色貌更具有实 际应用价值：在线摄取样本影像，进行物体特征识别，井提取物体颜色参数， 然后通过模型可获取有用信息以与数据库中样本的相关信息进行比对，最终可 获得两者的差值，以判断样本的色貌差异是否明显或可被接受。该算法构想近 年柬在模式识别、颜色科学上有广泛的应用，而珠光物体的影像测量方法及其 模型的研究对提高相关工业产品的质量控制水平和生产效率具有重要意义。 丑 引言 1 2 国内外研究现状 尽管珠光材料的发现已有年限，但对它颜色的测量研究并不常见。如文献 果的原料进行了总结，详细的研究了各种“层状”薄 不同的观测角度有不同的颜色和光泽感知，这在视觉 由多角度分光光度计测试出来，以作为它的颜色特性。 再如文献【4 中通过同样详细阐述了珠光表面颜色特性的物理机理，认为珠光表 面的颜色感知由其表面对光的光泽、干涉、散射以及它们之间的相互作用从而 产生调制形成的。通过系统的实验和足够多不同角度的测量，认为在1 5 0 、4 5 0 和6 5 0 的照明角度以及对应1 5 0 、3 5 0 、4 5 0 、7 0 0 和8 5 0 的逆定向反射角作为观测 角度的颜色属性( 明度、彩度及色调) 足够胜任对珠光表面颜色的描述。相关 研究的文献 5 中采用珠光表面的理论光学模型去预测其b r d f ( b i d i r e c t i o n a l r e f l e c t a n c ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ) ，可得到较好的吻合程度。国外这些对珠光 表面的研究均为基于光学模型出发的多角度测量理论，尚且处于如果去进行颜 色的测量、建模上，而非面向工业界的应用雏形；而国内相关的研究尚且处于 空白阶段，并无有实质意义的文献存在。 多角度测量已有市场成品，如d a t a c o l o r 公司的f x 1 0 多角度分光光度计【1 0 】 可以一次性测量l o 个几何观测条件的颜色数据，覆盖了a s t m 和d i n 中对应 于多角度测量的标准。尽管这种仪器测量可靠性高，但是昂贵、复杂、效率低 使得其只能在少数实验室中使用而非可应用于工业生产上，另外，多角度测量 的一起也没有能测量最有光泽区域的几何观测条件，以及难以和计算机相连， 这也是它们的两个显著缺点。而基于如以上三例文献的研究，我们可以设计影 像探测方法，可快速的捕获图像并进行处理提取多角度颜色，于是依据该方式 深化到工业生产中进行珠光表面颜色( 含色貌、色差等) 的评估，从而弥补专 业仪器实际应用的缺点。 1 3 本论文的主要研究内容 本课题的研究目标即是通过构建评估珠光瓶体颜色外貌的实验装置，建立 一种与视觉感知结果相近的预测珠光瓶体色貌的模型，结合相机拍摄的影像技 p a g e3 0 f 7 1 雉十影像方式的珠光瓶体色貌评价 术经图像处理获取两样本间的色貌差异，以对样本的颜色外貌进行质量控制和 评级。 针对本课题的研究目标，本论文的主要内容大致分为如下三个部分。 第一部分是准备阶段，包括作为色貌评估样本的珠光瓶体及其颜色差异的 制备和模拟。色貌评估可以任意颜色瓶体为样本，而颜色差异的样本须用盛装 不同颜色液体的珠光瓶体来模拟其不同的色貌，亦即相应实际生产中颜色“噪 音”的体现，其中一个或多个样本被筛选出来作为参照即标准瓶，其它作为测试 瓶。实验环境的布置包括光源的设置、观察者和仪器测量的位置标定、样本的 布局等。需采用多角度方法对样本进行评估，如采用固定的平台或者多角度旋 转台观测器等。同时，准备的材料还包括色貌评估和色差评估所需的参照色样 等。 第二部分是色貌的评估，包括光谱辐射度计( t s r ) 的测量以及相机的拍 摄，这两种仪器的测量条件、方式、位置应与视觉评估时的条件相同。相机在 使用前需经过标定和颜色特征化，以使仪器测量的结果与视觉评估数据具有可 比性。 第三部分以样本色貌参数为特征建立可接受性模型。通过影像方法评估参 照瓶和测试瓶的多个角度的色貌参数，根据颜色科学以及图像处理相关技术预 测符合视觉评价数据的色貌差异模型，达到相关色貌差异的评估。 实验获得的数掘需经过科学的处理而得到结论，包括仪器测量和视觉评估 的可重复性分析、相关性评价、珠光的颜色特性以及所建立模型的评估与优化 臆 寸0 本文在框架结构上分为四个方面，第一方面包括本研究的背景和意义以及 论文大致涉及的科学技术范围，即第一章引言部分；第二方面主要阐述本研究 涉及的基本理论和概念，如颜色科学、色貌模型、心理物理学方法、图像基本 理论等：第三方面是本论文的核心部分，包括实验设计、器材和流程以及对实 验结果的描述和讨论，该部分从研究内容上分为珠光瓶体样本色貌评估的传统 p a g e 4 0 f 7 1 引言 方法、影像方法以及基于影像技术的样本间色貌差异的检测；第四方面是对本 论文研究工作的总结与展望。 p a g e5 0 f 7 1 第二章相关技术基本理论 2 1 颜色与颜色视觉 波长为3 8 0 - - - 7 6 0 纳米的电磁波能被人眼接受而引起视觉感知( v i s u a l p e r c e p t i o n ) ，正常人对不同波长的光能产生不同的感受，称之为色觉( c o l o r s e n s a t i o n ) 。大致上，可见光谱从长波到短波的颜色感知依次为红、橙、黄、 绿、青，蓝、紫。而物体表面的颜色取决于其反射和吸收的相应光波组分， 如一个表面在白光照射下呈现蓝色，是由于它吸收了长波的光而形成。通常 光的传播形式有直射、反射、透射、漫射、折射等：光源或发光体( 太阳、 灯泡等) 直接将光能量传入人眼，视觉则感受到光源色；当一个物体受到照 射时，光从物体表面反射入人眼，感受到的是物体表面色；当光透过如玻璃 类的透明体后进入人眼，视觉感受的则是穿透色。因此，人眼对颜色的感知 由进入人眼的光谱决定【。 人类对光的视觉效应研究源远流长，并且人眼视觉对颜色的感知远多于 所谓的七色。自从牛顿用三棱镜发现太阳光可分离成若干有色彩的光线后， 人们对颜色的研究也悄然开始。t h o m a sy o u n g 认为颜色由红、绿和蓝这三种 基色( p r i m a r i e s ) 混合形成，即y o u n g h e l m h o l t z 三色视觉理论( t r i c h r o m a t i c t h e o r y ) ；随后h e r i n g 提出了一种对抗色理论( o p p o n e n tt h e o r y ) ，认为人 眼视觉系统受三对神经信号影响，分别是黄蓝、红绿和黑白颜色对 1 2 。 事实上，按目前的共识，这两者不能完全独立解释人眼视觉机理，而两者的 结合则是一个比较合理的颜色视觉理论，m u l l e r 提出的阶段学说( s t a g e t h e o r y ) 便是结合前两位学者的成果，如图2 所示，p 、v 和d 分别是对红、 绿和蓝敏感的视觉细胞，它们经过神经元分离出h e r i n g 的三组对抗色信号： p v ，2 p + v + p 2 0 和p + v 2 p ，最后传输进大脑被感知。 p a g e7 0 f 7 1 幕十影像方式的珠光瓶伴色貌评价 n e u r o n s n e r d s 田2 阶段学说的颜色视觉机理图解 2 2 物体表面的色貌 2 2 1 物体的颜色与色貌 物体表面的颜色由其本身的材料、纹理、光谱吸收特性等决定，而物体 表面的色貌还受光照、环境及背景等因素的影响，某一颜色的物体在不同环 境中呈现不同的色貌。从人眼的颜色匹配曲线( c o l o r m a t c h i n g f u n c t i o n ) 得 到的标准观察者( s t a n d a r do b s e r v e r ) 可精确描述一个物体的颜色，但是这只 描述了在标准环境下的方法，实际应用中的环境并非理想，于是颜色感知可 能会与计算结果不同，如图3 中两个一样颜色的色块在不同背景下的视觉感 知并不相同。颜色外貌对实际生产有着重要意义，因为它直接反映了产品颜 色的实际感知。照明与观测角度( 或称几何观测条件) 也是影响人眼对物体 表面颜色感知的重要因素。c i e ( 国际照明委员会) 推荐了几个测量表面反 射色的几何条件4 5 0 ，0 4 5 ，帅葫d 0 s e ，0 d s ia n d0 d s e 旧。另外，人眼的 差异以及仪器的误差同样会影响对色貌的描述偏差。因此，影响色貌的因素 主要有光源、照明与观测几何角度、背景和接收器等。 一薛8 0 f7 1 田3 不同背景下同一颜色产生不同的艇色盛知 相关技术基本理论 2 2 2c i e c a m 0 2 色貌模型 量化物体色貌以及描述其颜色的心理属性的模型称为色貌模型。经过几 十年的研究，在国际上已有多种色貌模型被提出，如h u n t 、n a y a t a n i 、r l a b 、 l l a b 【1 3 】等( 如图4 ) 。目前，由c i e 推荐的最新色貌模型c i e c a m 0 2 1 1 4 1 已得 到了广泛的应用，该模型由其前身c i e c a m 9 7 s 经修证及简化而建立。 图4 常见的色貌模型 色貌模型c i e c a m 0 2 在考虑了c i e c a m 9 7 s 稳定性与兼容性基础上能更 准确地预测物体的色貌，明显优于如c i e l a b 、v o nk r i e s 色适应等相关模型。 c i e c a m 0 2 将三刺激值在相应环境参数中转换为亮度( b r i g h t n e s s ) 、明度 ( 1 i g h t n e s s ) 、色调( h u e ) ，而鲜艳度( c h r o m a ) 、彩度( c o l o r f u l n e s s ) 和 饱和度( s a t u r a t i o n ) 1 4 , 1 5 1 为相关心理属性参数。c i e c a m 0 2 的主要计算步骤： ( 1 ) 确定观测条件参数； ( 2 ) 色适应变换； ( 3 ) 非线性响应转换； ( 4 ) 计算视觉感知属性值。 c i e c a m 0 2 的输入参数包括测试样本的颜色参数、参考白、条件参数等， 其输出参数包括各种与心理属性相关的颜色感知量，具体如表1 所示。 根据c i e 技术报告【1 4 1 ，色貌模型c i e c a m 0 2 中提到的三种色调( h u e ) 概念的具体表述为： h c ：色调成分，用于视觉实验中，将红、黄、绿、蓝视作参考色调，观 察者评价某样本的色调时以此为依据确定其比例，如4 0 r 6 0 y 表示这个 样本由红和黄组成，其中红色占4 0 ，黄色占6 0 。 h ：色调弦，与胁同义但不同的表示方法。色调弦的取值范围为 o ，4 0 0 ) ， p a g e9 0 f 7 1 基十影像方式的珠光瓶体色貌评价 如表2 所示，色调4 0 r 6 0 y 位于红和黄之间( o 与1 0 0 之间) ，由线性插 值可知其色调弦值为6 0 ( 离黄色更近) 。 办：色调角，常在数学计算式中使用，其取值范围为 0 ，3 6 0 ) ，表2 和公 式( 1 2 ) 表述了它与日色调弦的转换关系。 表1c ie c a m 0 2 输入参数与输出参数 输入参数输出参数 xy 丕三刺激值 工kz ：参考白点三刺激值 肫愚：周边条什参数 l a ：适应场亮度( c d m 2 ) k ，：背景亮度 ：色调角( h u ea n g l e ) h c - 色调成分( h u ec o m p o n e n t ) 胁色调弦( h u eq u a d r a t u r e ) j ( 或l ) ：明度( b r i g h t n e s s ) o 亮度( 1 i g h t n e s s ) 胁鲜艳度( c h r o m a ) & 彩度( c o l o r f u l n e s s ) s ：饱和度( s a t u r a t i o n ) a t 红绿分量( r e d g r e e n ) 6 ：黄蓝分量( y e ll o w b l u e ) 表2 中f 表示对应的四个参考色调红、黄、绿、蓝的标号，其中为计