（计算机应用技术专业论文）数字照片艺术处理及应用.pdf

摘，要 基于数字照片的计算机艺术处理在计算机艺术和数字娱乐等领域有广阔的 应用前景，如何利用数字图像处理技术，结合艺术家不同艺术风格生成具有艺术 效果的数码作品，不仅可以提供新的艺术作品供人们欣赏，还可以改善人们的生 活质量，现已经成为计算机艺术领域一个活跃的研究热点。本文在分析前人研究 工作的基础上，主要就数字照片的颜色变化效果、铅笔素描画效果、素描肖像效 果、年龄变化效果等艺术处理的一些算法和应用进行探讨，主要成果如下： ( 1 ) 结合专业图像处理软件p h o t o s h o p 的黑白处理实现方法，在分析灰度 变化原理的基础上，提出了具有较好的仿古效果的制作黑白照片的处理方案，实 验表明该方案能够较好地表现出黑白照片在保存过程中所呈现出的历史厚重感。 ( 2 ) 针对黑白照片的彩色复原处理的颜色转移和颜色扩展两类算法，分析 了其各自的优缺点，并具体实现了伪彩色和基于过度分割的彩色化算法。 ( 3 ) 在分析了目前出现的油画效果处理、钢笔画艺术处理等算法的优缺点 的基础上，提出了一种可以避开原有算法在图像分割上的不足的图像边缘生成方 法，在此基础上提出一种结合纹理和轮廓特征的铅笔素描画效果自动生成方法。 实验结果表明，该方法简单有效。 ( 4 ) 在分析人脸数字照片肖像画效果和年龄重建效果生成算法的基础上， 实现了一种结合人脸轮廓信息和纹理信息的肖像生成算法和一种基于小波分解 的人脸年龄变化算法，该算法计算量小而实用。 ( 5 ) 在分析数字图像质量评价机制和分类的基础上，结合数字照片艺术处 理更看重视觉质量而不是自然质量的特点，提出了一种数字图像艺术处理质量的 评价方法。 关键词：数字照片，艺术处理，彩色化，铅笔素描画，肖像画。 6 a b s t r a c t c o m p u t e ra r tp r o c e s s i n gb a s e do nd i g i t a lp h o t o si sb r o a d l ya p p l i e di nc o m p u t e r a r ta n dd i g i t a le n t e r t a i n m e n ta n do t h e ra r e a s i ti sb e c o m i n go n eo ft h em o s ta c t i v e r e s e a r c hf o c u si nc o m p u t e ra r tt h a th o wt ou s ed i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , c o m b i n e dw i t hd i f f e r e n ta r t i s t i cs t y l e so fd i f f e r e n ta r t i s t s ，t og e n e r a t ed i g i t a la r tw o r k s t h e s en e wc o m p u t e ra r tw o r k sc a nn o to n l yb ea p p r e c i a t e db yt h ep e o p l e ，b u ta l s o i m p r o v eo u rd a i l yl i f e sq u a l i t y b a s e do i lt h ea n a l y s i so ft h ep r e v i o u ss t u d i e s ，s o m e a l g o r i t h m sa n da p p l i c a t i o n s ，m a i n l yo nd i g i t a lp h o t o so ft h ec o l o rc h a n g ee f f e c t ， d r a w i n gp e n c i ls k e t c he f f e c t ，s k e t c h i n gp o r t r a i te f f e c ta n dt h ea g ec h a n g ee f f e c t ，a r e p r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h em a i nc o n t e n t si n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s t l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so fc o l o rg r a yt r a n s f o r m a t i o nt h e o r ya n dt h eg r a y p h o t op r o c e s s i n gm e t h o do ft h ep r o f e s s i o n a li m a g ep r o c e s s i n gs o f t w a r ep h o t o s h o p ，a k i n do fm a k i n gg r a yp h o t op r o p o s a lw i t h9 0 0 da n t i q u ee f f e c ts t y l ei sp r e s e n t e d t h e e x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ep r o p o s a lc a ns h o wt h eh e a v ys e n s eo fh i s t o r yi nt h e p r e s e r v a t i o np r o c e s so f t h eg r a yp h o t o s s e c o n d l y , t h er e s p e c t i v ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so ft w ot y p e so f a l g o r i t h m sd e a l i n gw i t ht h ec o l o rr e c o v e r yo f b l a c ka n dw h i t ep h o t o g r a p h s ，t h ec o l o r s h i f ta n dt h ec o l o re x p a n s i o na l g o r i t h m , a r ea n a l y z e d ak i n do ft h ep s e u d o - c o l o r a l g o r i t h ma n dt h ef a l s e c o l o ra l g o r i t h mb a s e do no v e r - s e g m e n t a t i o n a r ei m p l e m e n t e d t h i r d l y , b a s e d0 nt h ea n a l y s i so ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h ec u r r e n t o i ld r a w i n ge f f e c tp r o c e s s i n ga n dp e nd r a w i n ge f f e c tp r o c e s s i n ga l g o r i t h m s ，ak i n do f t h ee d g eg e n e r a t i o nm e t h o d ，w h i c hw o u l da v o i dt h es h o r to ft h ep r e v i o u sa l g o r i t h m s i ni m a g es e g m e n t a t i o n , i sp r o p o s e d f u r t h e rm o r e ，aa u t o m a t i c a l l yg e n e r a t i n gm e t h o d o ft h ep e n c i ld r a w i n gs k e t c he f f e c t ，c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft e x t u r ea n d s k e l e t o n ，i sp r e s e n t e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di ss i m p l e a n de f f e c t i v e f o u r t h l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ed i g i t a lp h o t oh u m a nf a c ep o r t r a i te f f e c t 7 a l g o r i t h m sa n dt h ea g er e c o n s t r u c t i o ne f f e c ta l g o r i t h m s ，ap r a c t i c a lp o r t r a i ta l g o r i t h m w h i c hc o m b i n et h ef a c ec o n t o u ri n f o r m a t i o na n dt h et e x t u r ei n f o r r n a t i o na n dal d n do f t h eh u m a na g ec h a n g ee f f e c ta l g o r i t h m8 1 ep r o p o s e da n di m p l e m e n t e d f i n a l l y , a f t e ra n a l y z i n gt h ed i g i t a li m a g eq u a l i t ye v a l u a t i o nm e c h a n i s ma n dt h e c l a s s i f i c a t i o nr u l ew i t hc o n s i d e r i n gt h es p e c i a l i t yo ft h ev i s u a lq u a l i t yp l a y i n gm o r e i m p o r t a n tr o l et h a nt h eq u a l i t yo ft h en a t u r a lc h a r a c t e r i s t i c si nt h ed i g i t a lp h o t oa r t p r o c e s s i n g ，an e wd i g i t a li m a g e a r tq u a l i t ye v a l u a t i o nm e t h o di sp r o p o s e d k e y w o r d s ：d i g i t a lp h o t o s ，a r tp r o c e s s i n gc o l o r i z a t i o n , p e n c i ls k e t c hp a i n t i n g s ， p o r t r a i t s 8 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：& 日期：幽 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着计算机及通讯技术的发展，非真实感图形学成了计算机图形学一个非常 重要的研究领域，自2 0 世纪8 0 年代以来，这一领域得到了快速发展，除了大量的 学术论文外，许多国际会议开始设立专题来讨论非真实感图形学的算法和应用。 谈到非真实感图形学的研究，不能不提到计算机艺术的发展。一般来说，计 算机艺术是以计算机为主要创作手段的造型艺术。计算机艺术可分为纯画创作 和实用美术设计两种，前者包括计算机模拟水彩、版画国画、素描等，后者包括 计算辅助建筑设计、工业产品设计、服装设计、广告设计、书籍装帧、海报以及 新兴起的影视特技、动画、多媒体和网络产品设计等。计算机艺术拓展了艺术表 现的空间，使艺术家在一个更加开放的空间里进行创作，他们具有更多的表现形 式，超越时空界限，出入自如，所以计算机艺术一出现就受到艺术家们的亲睐， 特别是青年艺术家的喜爱和关注。 艺术家用计算机进行艺术创作的方式主要有两种n 1 ，一种是使用某种计算机 语言，根据数学公式或某种算法，编写程序创作艺术作品，另一种是用某种交互 式软件创作。最初一些数学家在很偶然的情况下用计算机编程，将某些数学公式 表现出来得到了奇妙的图形，人们事先并不知道这些数学公式表现出来是什么样 子，而计算机却根据公式绘制出了这些作品，c a n t o r 、p e a n o 、k o c h 等人开始用 公式绘制出奇特的几何线，引起人们关注。其中较著名的有d e h l i n g e r 的线画艺 术，他的线画是由非常多的随机拆线构成的，具有独特的表现效果，如图1 - 1 所 示。还有一种基于混沌法或分形法创作出的图形，不仅种类更多，色彩也更迷人， 如图1 - 2 。 第一种艺术创作方法要求创作者能掌握一种计算机语言，并对计算机工作原 理较为熟悉，这对专门从事艺术创作的工作人员有一定难度。第二种方式使用最 广泛，目前大多数美术作品都是创作者通过此类软件交互工作完成的，这种方法 的特点是易学、易用、表现方式较多，只要掌握操作和使用软件的方法就可以进 行创作了，而且随着技术的进步，此类软件具有越来越多的功能，对创作者将会 有更自由的表现空间。目前几种主要流行的交互软件有：a d o b ep h o t o s h o p 、 i l l u s t r a t o r 、c o r e l d r a w 、3 d sm a x 、m a y a 等，这些软件主要用于各种半商图形进 行填色、渲染、变形以及进行三维创作等。在“造梦工j 的好莱坞，几乎所有 的太片都使用了计算机束制作特殊的动嘶效果，以达到良好的视觉冲击效果。 鱼幽 幽1 1d e h l i n g e r 绘制的肖像酗1 2 分形创作的作品 虽然第二种方法是目前影响最大，使j j 最“的方法，但我们作为研究j ：作者 必须做更底层的工作，这有利丁产生更好的二类方法中的软件和埘第一类方法中 进行创新并丌拓人工智能在这一领域的更多应i f j ，基于这一点，我们针对具体 的数字照片的计算机艺术处理进行探索。 计算机艺术的目标是能在形式上指定种可展现绘画作品的方式，并随之编 写生成艺术作品的计算机程序。在真实感绘制中，成助的量度标准是所得图像与 照片的接近度，但是在计算机艺术中，并不存在这样的量度标准。然而，为什么 说进行计算机艺术是个有用的- l 作呢。首先，通过计算机绘制出类似r 人类艺 术作品的行为，本身是一种对人的智能行为的模拟，可以| 兑计尊机在艺术创作上 具有了人的智能。其次，有大量证据表明，训算机艺术作品在许多情mf ，在传 达特定信息方面实际上比照片或真实感绘制作品更为有效口】。认知和教育心理学 家们的许多研究显示出人们通过计算机艺术的图像束进行学习时可以提高学习 的速度和准确性。另外，在些数字娱乐项目中需要对图像进行计算机艺术处理， 比如面向移动的夸张人脆肖像生成，如果纯粹采用对照片变形则在表现上缺少艺 术感和娱乐性，如果先用计算机艺术处理把照片变为素描效果，则可以让结果具 有更好的表现力和感染力，因此更具有幽默感，也更具有娱乐性。 另外，根据传统绘画艺术中铅笔i 画的定义，般认为，由木炭，铅笔，钢笔 等，以线条、明暗关系、质感、色彩、形体和空间束厕表现出物象，称为素描p 】， 只用铅笔米表现的素描嘶则称为铅笔索描画。素描是切绘i 面的基础，这是研究 的过程中所必须经过的一个阶段。轮廓和线条是素描的主要的表现手法。素描具 备了自然律动感，观者从欣赏过程中可感受这一点。不同的笔触营造出不同的线 条及横切关系，并包括节奏，主动与被动的周围环境，平面，体积，色调，及质 感。素描也是一种正式的艺术创作，以单色线条来表现直观世界中的事物，亦可 以表达思想、概念、态度、感情、幻想、象征甚至抽象形式。它不像绘画那样重 视总体和彩色，而是着重结构和形式。正因为素描具有使用工具简单、表现力丰 富才流传极广，成为一种受大众喜爱的艺术，由此也成为了一种受大众接受的艺 术表现手法。因此用计算机生成具有艺术效果的图形具有很好的应用前景。 摄影师路易斯卡斯塔内达曾说过：拍摄彩色图片只是赚钱的一种手段，只 有黑白图片才是真正摄影师创作上的精神食粮。 其实黑白摄影和彩色摄影各具魅力：彩色摄影包含了丰富的信息，传达着现 实的感动，彩色照片的色彩能够吸引人的注意力，从而忽视了照片中的其它缺点 而黑白摄影是观察世界的独特视角，是观察、想象、情感和控制的综合体，给人 以历史的“距离 感，欣赏者会赋予它更多的审美内涵，黑白照片必须在主题、 主体上多加考虑。黑白照片上虽然只有黑白灰三种颜色，但要讲求的是色调、层 次、反差等等，比起彩色照片，黑白照片承载的信息的确少了不少，但是作为一 种艺术品来看它却往往更有味道，正如国画所追求的“似与不似之间 的境界， 黑白照片中的世界与我们的眼睛直接看到的世界有一种距离，这是彩色照片所不 具备的。黑白照片可以把无数纷繁的颜色化为黑、白和无数种不同层次的灰。就 像素描和水墨画一样，过滤掉色彩的画面显得更加凝重和素雅，它让人排除许多 干扰去思考事物的本质和一些深层的东西。由于颜色都化为不同的灰色调子，因 此对构图和用光等因素的要求也要比彩色照片显得更为严格，于是拍摄一幅好的 黑白照片往往要比拍摄彩色照片更难一些。虽然彩色照片较黑白更为真实，但是 常常过于真实，不能给人以更深刻、更抽象的形象。黑白照片相对于彩色照片， 有更好的质感、空间感和层次，比彩色照片具有更好的表现力和冲击力。许多摄 影家仍然喜欢黑白摄影的抽象能力，以及更鲜明地线条和结构、光线和阴影。适 合拍成黑白的照片，首先是一些主题严肃、纪实性强的事件，其次是一些要反应 光线高反差的情况，还有一些是人像作品。 可现在一般的相机，拍出来的大都是彩色照片，传统的摄影师可以在暗房中 辛苦劳作得到满意的照片，普通的摄影爱好者也可以利用计算机数字处理技术将 彩色照片进行黑白化艺术处理，其方便、快捷、质量好的特点得到了越来越多的 关注。 此外，对数字照片的艺术处理还有通过人物图像得到艺术夸张的肖像画，模 拟多年以后或以前人物的样子等。 1 2 国内外研究现状 。自2 0 世纪8 0 年代中期开始，计算机艺术逐渐成为计算机图形学的研究热点 之一。一般认为，计算机艺术指的是利用计算机生成不具有照片真实感，而是具 有手绘风格的图形技术。其目标不在于图形的真实性，而主要在于表现图形的艺 术特质、模拟艺术作品【2 1 。这一目标要求计算机图形工作者具有更广博的知识， 并在人工智能方面有更好的创新，才能有所成就。 计算机艺术涉及到通常使用的计算机图形学的所有阶段，它最早出现于2 0 世纪8 0 年代早期的论文中【2 1 。在1 9 9 0 年的s i g g r a p h 会议上发表了两篇非常 有影响力的论文，但这两篇论所展示的技术当时被孤立对待。1 9 9 4 年，随着更 多的论文在s i g g r a p h 会议和e u r o g r a p h i c s 会议上发表，这个新领域的轮廓才 逐渐显示出来，这些论文开辟了一个新的研究方向，即计算机艺术( 在图形学领 域也称非真实感图形学) 【2 1 。1 9 9 4 年以后，国际会议开始设立专题，以专门讨论 非真实感图形学算法的发展和应用【2 】。 计算机艺术处理涉及许多方面，下面我们举几个例子来展示这些研究者们的 研究成果。在艺术画的模拟方面，艺术素描产生于中世纪，从1 9 世纪开始成为 一门艺术，然而用计算机模拟艺术绘画却是2 0 世纪9 0 年代的事情了。由于艺术 素描与传统的图形学绘制方法差别很大，所以研究起来难度也颇大，但是很多学 者已经在这方面做了卓有成效的工作，如w i n k e r b a c h ，s a l i s b u r y 和a n d e r s o n 等开发的钢笔画生成技术【4 ，5 一，h e r t z m a n n 开发的油画生成技术 7 1 ，c u r t i s 和 a n d e r s o n 等开发的水彩画生成技术【8 】，s o u s a 和b u c h a n a n 等开发的铅笔画生成 技术【9 j ，近年来国内天津大学孙济洲课题组开发的中国水墨画生成技术等【1 0 】，都 在各种艺术风格上进行了大量尝试，给人一种耳目一新的感觉，充分体现了他们 的创造精神以及这一领域无可限量的发展空间。 1 4 誉1 2 图卜3 印象派油画 7 】闰卜4 水彩画 8 】 矗警 圈1 ss a l i s b u r y 绘制的熊”凹1 - 6 w i a k e n b a c h 绘制的壶和碗 在计算机人脸肖像画绘制生成方面，1 9 8 6 年b r e n n a n 提出了一套以互动方 式产生夸张肖像的系统【l “，该系统首先根据视觉注意力模型手动标点i 0 0 个特 征点和建立了一个给定名字和次序的数据库，采用插值法描绘出光滑的轮廓线， 把要夸大的区域手动标定并乘以一定的系数形成夸张的人脸肖像画。但是该方法 最大的缺点是特征点的标定和夸大区域完全需要的人的交互完成，艺术性的效果 取决于人的审美感觉。也有人提出基于统计基础的肖像画生成系统。梁林等提出 了一种新的基于样本学习的方法来生成不同风格的肖像画【1 3 1 。此算法使用了非 均匀的马尔科夫随机场模型来描述肖像图像和人脸图像之间的统计关系和肖像 图像内的统计特性基于这个模型和贝叶斯优化框架，使用选代采样的优化策略， 可以自动产生非常逼真于给定人脸图像的肖像作品陈洪等提出了基于样本学 习的具有艺术风格的人脸线条画生成算法，使用非参数化采样的方法来捕捉 线条画与人脸图像之间的统计关系，同时使用一个灵活的模板来学习线条画的先 验但是，这种方法局仅限于线条画的生成。后来又在这个基础上用统计的方法结 台一幅漫画家的漫画可以生成特定风格的夸张肖像，但需要依赖手工标注特征 点的位置。近年来，出现了一些基于人脸特征的肖像画或结合夸张效果的漫画肖 像画生成算法 1 4 1 $ , 1 6 , 1 7 。 在人脸年龄变化研究方面，经过多年的发展，现已经取得了些有用的成果 1 8 1 9 2 0 2 - 1 】，但实践和经验表咀人脸年龄变化的研究还远来成熟。尤其是在自动化 生成和通用化上有一定困难。主要是由于人脸构造的复杂性、个性和年龄变化的 多因素性等造成的。人的年龄是一个随时间变化的长期的过程，在人的外部表现 比较明显，如：人脸轮廓的变化、人脸皮肤的变化等。老化是一个不可避免的过 程，随着年龄的增长，人脸外貌会产生很大变化。老化的原因是多方面的，有些 方面是不可控制的，主要来自于遗传因素的影响，而另外一些方面是可以控制的， 主要来自于社会因素，比如说抽烟、压力以及生活方式等。在多种因素的综合影 响下，不同人的老化程度也呈现不同的效果。 1 3 本文的主要研究内容 本文主要就数字照片的艺术处理的一些算法和应用进行探讨，讨论了数字照 片彩色和黑白处理的一些方法，数字照片艺术处理的一些算法，如铅笔素描画效 果生成，肖像画效果生成和年龄变化效果处理等，还对图像艺术处理后的质量评 价进行探讨，着重讨论了数字照片的铅笔素描画效果实现方法。全文安排如下： 第一章主要综述数字照片的计算机艺术处理的研究背景和意义，对目前研究 的现状进行分析，并概述章节安排。 第二章主要讨论彩色照片黑白艺术处理的方法。在分析灰度变化原理的基础 上，结合目前常用的专业图像处理软件p h o t o s h o p 的黑白处理实现方法，提出了 不只在于将彩色照片黑白化，还要表现出黑白照片在保存过程中所呈现出的历史 厚重感，即制作旧照片效果的处理方案，从实验看，具有较好的仿古效果。 第三章主要讨论黑白照片彩色化的艺术处理。由于黑白照片的彩色信息丢 失，真正的彩色复原是不可能的，目前的处理主要有颜色转移和颜色扩展两种， 经过分析发现，借助彩色参考图像实施颜色转移的方法处理结果欠精细，简单的 颜色转移不适用于处理电影一类的实际影像，而利用人工初步涂色进行颜色扩展 的处理更接近于实际的绘画创作，可以取得较为理想的彩色化效果。本文还具体 实现了两种不同彩色化算法，各有其优缺点。 第四章是本文的重点，主要探讨数字照片的铅笔素描画效果实现。在分析了 目前出现的油画效果处理、钢笔画艺术处理等算法的优缺点的基础上，本文提出 了一种可以避开原有算法在图像分割上的不足的图像边缘生成方法，在此基础上 提出一种结合纹理和轮廓特征的铅笔素描画效果自动生成方法。实验结果表明， 该方法简单有效。 1 6 第五章简单分析了人脸数字照片肖像画效果生成的算法原理和生成流程，并 提出一种结合人脸轮廓信息和纹理信息的肖像生成算法，该算法简单有效，但没 有考虑艺术夸张的效果。 第六章讨论对数字照片中的人物图像进行年龄重建的研究背景和意义，分析 了目前常见的特征提取算法和年龄模拟模型，并实现了一种基于小波分解的人脸 年龄变化算法。 第七章对数字图像的质量评价的定义和分类进行探讨，并结合数字照片艺术 处理更看重视觉质量而不是自然质量的特点，提出了一种数字图像艺术处理质量 的评价方法。 第八章对本文的研究工作进行了总结，并指出了下一步研究的方向。 1 7 第二章彩色照片黑白化艺术处理 2 1 彩色照片黑白化处理方法 2 1 1 彩色照片黑白化的原理 图像由彩色转化为灰度的过程叫做灰度化。数字彩色照片的每一个像素点由 r 、g 、b 三个分量组成，r 、g 、b 三个分量的变化可以产生1 6 0 0 多万种颜色。 灰度化可以有多种方法实现，比如： ( 1 ) 求出每一个像素点r 、g 、b 三个分量的平均值，然后把这个平均值赋 给该像素点的r 、g 、b 三个分量。 ( 2 ) 求出每一个像素点r 、g 、b 三个分量的最大值，然后把这个最大值赋 给该像素点的r 、g 、b 三个分量。 ( 3 ) 根据y u v 颜色空间，y 分量的物理含义是亮度，它包含了灰度图的 所有信息，只用y 分量就能表示出一幅灰度图。y u v 和r g b 之间有着如下的 对应关系： y = 0 2 9 9 r + 0 5 8 7 g + 0 1 1 4 b( 2 1 ) 根据r 、g 、b 三个分量的值求出y 值，将r 、g 、b 三个分量的值都赋值成y ， 这就是2 4 位真彩色图转化为灰度图的原理。 ( 4 ) 将r 、g 、b 三个分量的值任意搭配( 可以根据经验和要求进行实验得 到相应的权系数) 求出y 值，将r 、g 、b 三个分量的值都赋值成y ，这不是中 规中矩的方法，但往往能得到特殊的效果。 2 1 2p h o t o s h o p 软件的处理方法 p h o t o s h o p 是一款功能非常强大的图像处理软件，应用范围广泛，在将彩色 照片转化为黑白照片时，有多种方法进行选择。这里首先假设原图色彩模式为 r g b 模型。 ( 1 ) 直接去色法。步骤为：依次点击“图像 、“调整 、“去色。该方法的 原理是将每一个像素点的r 、g 、b 三个分量中的最大值与最小值相加除以2 ， 将该值赋给r 、g 、b 三个分量。这种方法虽然非常简洁，但在转换过程中不能 1 8 进行任何参数的调节，而且对某些颜色的还原和真正的黑白胶卷拍出来的照片有 较大的偏差，图像细节丢失过多，对比度损失较严重，图像会产生扁平失真，有 较明显的人工修饰痕迹，真实感不强，易产生灰蒙蒙和层次不强的感觉，无法区 分不同的色彩。 ( 2 ) 降饱和度法。步骤为依次点击“图像 、“调整、“色相饱和度 ，将 饱和度调至为1 0 0 。其效果与“去色 法相同。 ( 3 ) 直接转灰度法。步骤为依次点击“图像 、“模式 、“灰度 。将彩色照 片直接转换为灰度模式，比去色法的效果好，照片的影调的对比鲜明了很多，灰 阶和层次也较为丰富了，对于一些色彩或明暗对比强烈的照片直接使用灰度模式 就能获得不错的效果，但使用这种转换方法会对图像对比度产生影响，损失图像 细节，转换后图像层次感受损。 ( 4 ) 单取l i g h m e s s 信道( 转l a b 颜色) 。步骤为依次点击“图像、“模式 、 “l a b 颜色 、“窗口 、“通道、“明度”。这种方法是先将原始照片转换为l a b 模式，在通道面板中点取它的明度通道，再把明度通道全图复制到一个新的文件。 这种方法的效果对肤色的感觉很好，反差比以上的方法控制得要好，整体明暗适 中，效果不错。但其通透性、层次感仍未能充分体现出来，高光区反差和对比度 很小。 ( 5 ) 通道混合法。步骤为依次点击“图像 、“调整、“通道混合、“选单 色 ，可以根据希望达到的效果来调节各个通道的比例。通过这种方法制作黑白 照片时，各色调转换成的灰阶都可以被随意地控制调节。 ( 6 ) 取单一通道。步骤为在通道面板中依次点取各通道，并观察图像的变 化，取出认为效果最好的通道做成一个新的文件。选取红色通道得到的黑白照片 反差较高，色调比较明亮，单亮度细节几乎完全丢失。选取绿色通道做成的效果， 反差较红色通道的要小，但比蓝以通道的反差要高，效果较为适中。蓝色通道做 成的效果，反差最低，颗粒也较大，尤其是曝光不足时，噪声在蓝色通道中非常 集中。 ( 7 ) 使用“渐变映射( g r a d i e n tm a p ) 调节。首先打开图像，设置前景色 为黑色，背景色为白色，然后依次点击“图像 、“调整 、“渐变映射，在弹出 的渐变映射设定对话框中，勾选“仿色( d i t h e r ) 选项以增加渐变的平滑。渐变 1 9 会自动依照图像的灰阶数值，自动套用到图像上，成为黑白照片。 ( 8 ) 运算法。查看图像质量较好的两通道，然后依次点击“图像”、“运算。 源1 源2 分别选用刚才的两个通道，通常比较亮的通道作为源1 ，还可以通过改 变混合模式和不透明度得到多种效果。运算后得到一个新的a l p h a 通道，另存 为文件后得到灰度图像文件。这种方法得到的图像层次仍然不够丰富，细节表现 欠佳，即使用对比度作调整效果仍不是特别理想。 ( 9 ) 外挂插件法。c o n v e r tt ob w 是一个专i - n 作黑白照片的p s 插件，可 以对照片运用不同的滤镜，包括红橙黄绿青蓝紫，还可以选择不同的密度，甚至 还可以选择不同胶卷的特性，包括a g f ap a na p x 、i l f o r dd e lt a 、k o d a k t - m a x 等等，非常专业。 黑白照片的主要指标有对比度和反差，各种转化方法的效果不一致，有的差 异很大，并且有些方法不能直接改变对比度和反差，例如直接去色法、降饱和度 法、直接转灰度法、单取l i g h t n e s s 信道、取单一通道法。而运算法、通道混合 法、外挂插件法有较多的选择可以直接改变对比度和反差。各类方法对不同的图 像效果也会不一致，在实际应用中，应该根据具体要求选择最为合适的方法。上 述各类方法中，“渐变映射法实现方式简单，多数情况下转换效果较理想，是 比较普遍使用的方法。 2 1 3 黑白化艺术处理方案 本文讨论的黑白艺术化处理，不只在于将彩色照片黑白化，还要表现出黑白 照片在保存过程中所呈现出的历史厚重感，即制作旧照片效果。准确地讲，黑白 化艺术处理分为两大步骤：彩色照片黑白化及黑白照片仿古艺术化。在实际的处 理过程中，这两大步骤并没有绝对的分界线，即极有可能将彩色照片直接进行仿 古黑白化处理。 从广义上来讲，黑白照片算是单色调照片，因为它只有灰度。通常所说的单 色调照片就是只有一种颜色的照片，例如红、黄、蓝等色调。恰到好处地运用单 色调效果，常常能达到别具一格的艺术效果。比如蓝色调的照片，会有一种娴静 幽远的氛围，而棕色调的照片，会产生老照片一样的历史厚度。其实年月已久的 老照片通常只有一个颜色，最常见的就是呈现出淡淡的土黄色或深褐色，即主要 以棕色调为主。其底片颗粒没有现在的胶片这样幼细，并可能有灰尘和划痕，反 映在照片上就是颗粒、模糊、斑点、污损等。一般而言，在图像处理中，只要修 改了图像亮度，就应该调整对比度，如果不调整对比度而只加亮图像，阴影看上 去就会太亮，从而使图像看上去像一张褪色照片；通过降低颜色的饱和度，也可 以在图像中仿制出陈旧照片褪色的效果。 根据上节的分析比较，我们可以利用p h o t o s h o p 软件来对彩色照片进行黑白 艺术化处理，主要处理过程归纳如下： ( 1 ) 将源图去色，调整亮度对比度。 ( 2 ) 制作发黄的基调时，加深图像的黄色调和红色调。 ( 3 ) 可用“胶片颗粒 选项产生颗粒和灰尘。 ( 4 ) 制作污点时，可以采用“加深”工具，在照片较浅的部分随意拖动， 使局部区域亮度减低，产生照片被弄脏的效果。 ( 5 ) 制作划痕和毛发污染时，可将像素设置为1 ，随意画直线或曲线。 ( 6 ) 减低图像的分辨率。 借鉴p h o t o s h o p 的处理过程，可得出，如果源图是黑白照片，可以直接对其 进行仿古黑白化操作；如果源图是彩色照片，可以将其变成黑白照片再处理，也 可以只改变其色调、饱和度、对比度、亮度等使其呈现老照片状态。 黑白照片讲究的是色调、层次、反差等等，所以若产生老照片感觉，至少应 包括以下几个方面的操作：改变色调；改变对比度和亮度；颗粒处理；添加刮痕。 其中，改变对比度和亮度相当于岁月侵蚀的褪色处理，颗粒处理和添加刮痕是为 了增加存放时间已久的真实感。 对于彩色照片，其处理过程与黑白照片类似，只是并不需要完全改变原有色 彩，仅需要改变相应的参数值，使整体色彩呈现出一种褪色感觉。主要处理过程 包括：调整色相、饱和度、亮度；调整r 、g 、b ，使图像变亮，又不失去太多 对比度；为彩色图像应用淡褐色色调；褪色处理：颗粒处理；添加刮痕。或者先 将彩色照片黑白化，例如p p h o t o s h o p 中的“渐变映射方法，再按照黑白照片 来进行处理。 观察老照片，会发现照片普遍色彩暗淡，甚至模糊不清，辨认不出细节部分， 如何做到使照片有模糊感也是需要考虑的问题之一，这和褪色处理、颗粒处理、 2 l 添加刮痕有一些相通之处，但区别足可以将照片模糊理解为整张照片的不均匀雾 化效果，但实质上，从图像处理角度柬讲，这几种处理都是为图像增加噪声，而 且要力求真实感，尽量看不出有人工修饰过的痕迹。 在数字图像处理中，表示颜色的办法即颜色空问有很多种，人们普遍认为， h s v 颜色空间比r g b 颜色空更适台人们对颜色的使用，例如，研家就可能更 喜欢用这种亮度( v a l u e ) 、色调( h u e ) 、饱和度( s a t u r a t i o n ) 分离的颜色空问。 通过前面的分析，照片的年龄艺术化j 下需要改变h u e v a l u e s a t u r a t i o n ，而彩色照 片的年龄艺术化同样需要改变r g b ，所以在宴验时要注意色彩空间的转换。 2 2 实验结果及分析 221 实验结果 ( 1 ) 颜色空间的转换。将照片颜色空间由r g b 变换到h s v ，并调整饱和 度和亮度及色调，使照片变得黯淡，如下罔2 - 1 所示： ( c ) 削21 ( a ) 和( c ) 为 i 嘲( b ) 目l ( d ) 为转换颜色空间斤调牡饱和l 度和亮度的弛累凹 ( 2 ) 可以直接更改图片的r 、g 、b 值，如f 闰所示： ( c )( d ) 图2 - 2 ( a ) 和( c ) 为源图，( b ) 和( d ) 为直接更改图像r 、g 、b 值的效果图 由图2 - 2 的源图可知，两幅图中太多数像素呈现出绿色，其相应的调整r 、 g 、b 三分量的效果图，基本令人满意，极有可能是因为g 分量的调整参数最大， 调整公式如下： n e w r = 03 9 3 r + 0 7 6 9 g + 0 1 8 9 b n e w g = 03 4 9 月+ 06 8 6 g + 0 1 6 8 b n e w b = 0 2 7 2 r + 05 3 4 g + 0 1 3 i b 由此设想对一幅照片做仿古黑白化时，可先判断r 、g 、b 三分量中哪一个 分量所占比例最大，相应地对其采用较大的参数。在一幅以红色为主的照片中聚 用上述公式以及改变三分量的调整参数并且r 分量的调整参数最大，实验结 果如下： ( 8 )伯)( c ) 图23( 幻为源图( b ) g 值参数较大的效果图，( c ) r 值参数较大的效果图 由图2 - 3 可知，上述设想是可行的，从人眼的感觉来判断，图2 3 ( c ) 的仿 古化比( b ) 更其有真实感，似乎图像表面有一层模糊的褐色调。 依据这种假设，其他实验结果如下： ( c )( d ) 图24 ( a ) 和( b ) 为源国( c ) 和( d ) 为效果陶 在上面的两幅效果图中，色调已经比较真实，可以进步调整亮度值，在感 观上改变照片的存放时间，产生历史厚重感。 ( 3 ) 为加入模糊感觉。可先在原照片中加入噪声再采用中值滤波做平滑 处理，实验结果如下： ( a ) 图2 7 采用椒盐噪声的效果图 ( b ) 噪声系数分别为01 5 ，02 叠? ? 嗯 - 二 0 k 。一 ( a )( b ) 图2 - 8 采用乘性噪声的效果图噪声系数分别为00 2 ，00 4 噪声得到不同的效果，盎口图2 - 6 ，2 - 7 ，2 - 8 所示。 通过对彩色照片进行黑白化艺术处理的实验，可看出并不需要将彩色照片先 去色变为黑白照片，相反直接对彩色照片的r g b 分量进行调整或者转换到h s v 色彩空间后对色调、饱和度、亮度进行调整，使图像呈现老照片的褐色调，方法 简便，参数物理意义明确，并且效果非常不错。圉像的颗粒效果、刮痕效果、模 糊效果均可用对图像掭加噪声后的滤波处理来实现，其中，椒盐噪声可实现较理 想的颗粒处理，高斯噪声和乘性噪声对模糊现象有一定的作用，并且可以通过改 变噪声参数来改变老照片的历史感。 第三章黑白数字照片彩色化艺术处理 3 1 彩色化研究及应用 3 1 1 彩色化处理分类 颜色是图像的一种强有力的描述与特征，在人类认知世界的过程中担当着重 要角色。对现存的黑白图像加以适当的颜色，极有可能改善其视觉效果。一般而 言，图像的彩色化处理包括假彩色( f a l s ec o l o r i z a t i o n ) 和伪彩色( p s e u d oc o l o r a t i o n ) 两大类。 学术界对“假彩色 这个术语的解释不尽相同。有的文献并不严格区分假彩 色和伪彩色。一般来讲，“假彩色”有三种： 第一种是把真实景物图像的像素逐个地映射为另一种颜色，使目标在原图像 中更突出。例如蓝天上有银灰色飞机，蓝天可映射为红色，飞机、草地可映射为 蓝色，只要对突出飞机有利就行。这种映射可以是一一对应的，也可以是非一一 对应的，因此又叫做假彩色指定。 第二种是把多光谱图像中任意三个光谱图像映射为可见光红、绿、蓝三种可 见光谱段的信号，再合成为一幅彩色图像。通常这种映射的图像有接近于自然光 彩色的效果。例如遥感卫星将不在可见光光谱段的波段映射到可见光波段去模拟 自然彩色以便于观看。 第三种是把黑白图像，用灰度级映射或频谱映射而成为类似真实彩色的处 理，着色时可以任选出彩色，通常尽量模拟自然的彩色。传统意义上的黑白照片、 黑白电影等，由于成像条件所限造成了原本彩色的场景的颜色被动丢失。对于这 类影像的处理要求为其添加自然的、接近真实的颜色，以最大限度地模拟或再现 场景的原貌。本文的“假彩色 主要指这类彩色化处理，处理结果实例如下图所 示： 图3 - 1 灰度图像的假彩色处理，来源于l e v i n 算法实例 伪彩色相当于假彩色的一个特例，也就是指定某灰度为某种彩色。伪彩色处 理的图像在实际应用中通常是间接视觉成像，这类黑白影像由成像机理决定了其 记录的内容本身没有颜色，甚至并非常规意义上的图像，是表示非可见电磁波穿 透特性的数据显示。如医学上为检查人体病变采用的x 光透视成像，人体各器 官及正常器官与病变器官对x 光的吸收率不同，经x 光透视成像后体现在灰度 差异上，从而间接反映体内器官的状况。目前绝大多数医学图像是黑白图像，除 x 光线外。还有c t 、m r i 、b 超图像、电镜显微图像等。虽然这类图像本身没 有颜色，但为了使图像更便于观察，常根据图像灰度添加不同的颜色以突出细节。 简单地讲，伪彩色处理是通过一种色彩映射，把一种颜色指定给灰度图像的个 灰度级，让反度图像也有色彩。通常，这种指定昂多为1 6 级左右，最高也不超 过3 0 级，否则指定彩色太多无法已忆和区分。由于人的视觉系统对彩色的敏感 程度要比灰色的敏感程度高出很多，即人眼对彩色的分辨率远高于对灰度差的分 辨率，一般来讲，人眼只能区别二十几个灰色等级，但是却能区分有不同亮度、 色调和饱和度的数百种彩色颜色，所以伪彩色技术可用来识别灰度差较小的像 素。根据这一特点，对医学图像采用伪彩色处理方法以突出图像细节信息，可大 大提高医学图像的视觉可识别性，更有利于医学早期诊断与治疗，所以这种视觉 效果明显而技术又不是很复杂的图像增强技术在医学图像中有着广泛的应用，处 理实例如下图所示： 圉3 - 2 伪彩色医学图像 312 彩