（计算机应用技术专业论文）遗传算法及模糊聚类在彩色地图识别中的应用.pdf

摘要 本文重点研究福建省公路局1 ：5 0 万彩色公路地图的分割算法，实现地图的公路层、水系 层、文字层和背景层的分层，准确提取公路形状，为后面制作数字地图提供精确、完整的数 据源。 在地理信息系统中( g i s ) ，地图的数字化对g i s 的应用与推广起着关键的作用，论文研究 国内外对彩色地图分割的情况，提出了颜色间特征和颜色空间特征作为分割的特征向量，结 合改进的遗传算法，克服模糊c 均值聚类( f c m ) 在自动聚类过程中易陷入局部最优问题，准 确获取聚类中心，计算出彩色地图像素在各层的模糊隶属度值，根据颜色空间特征进一步进 行模糊推理分割，较好的解决彩色地图分割中的颜色失真、过度色以及由于图层交错造成的 公路层和水系层断线问题，实现彩色地图的自动分割。论文对遗传算法( g a ) 的选择算子、 交叉算子、变异算子进行详细分析、设计，在对彩色扫描地图产生误差问题研究基础上，设 计了颜色特征算子，对遗传算法进行改进，引入颜色特征算子，避免遗传算法在解决大规模 非线性问题时容易陷入局部最优和早熟现象，同时提高了算法收敛的速度和分割的精度。 本文提出的所有算法均在微机上得以实现。 关键词：遗传算法，模糊聚类，彩色地图分割，局部最优，地理信息系统 a b s t r a c t a f t e rr e s e a r c h i n gl ：5 0 0 0 0 0c o l o rm 叩o fr o a db u r e a u ，f u j i a l lp r o v i n c e ，as e g m e n t a t i o n a l g o r i t h mi sp r o p o s e dt os e p a ：r a t er o a d p a r t a n dr i v e rs y s t e mp a r ta n dc h a r a c t e r sp a r ta n d b a c k g m u n dp a r t 舶mm 印r o a dp a r tp r o v i d e t 1 1 ea c c u r a t ed a t as o u r c ef b rm a k j n gd i g i t a lm a p1 a t e r o n 山eb a s eo fa 1 1 a l y z i n gt h ed o m e s t i ca n da b r o a dc 0 1 0 rm a ps e g m e n t a t i o na l g o r i t m s ，a i m p r o v e dg ai su s e df c m t oa v o j dl o c a lo p t i m i z a t i o np r o b l e m ，a n da c q u i r ea c c u r a t e l yc l u s t e r i n g c e n t e lt h ea l g o r i m mc a l c u i a t e 如z z yb e l o n g i n gv a l u e s ，s o l v et h ep r o b l e mo fc o l o rd i s t o r t i o na n d s c a t t e f i n g a i l dc m s s o v e ri nt h ec o l o rs p a c ec h a r a c t e rb yf u z z yi n f e r e n c es e g m e n t a t i o n i nt h e i m p r o v e dg a ，s e l e c t i o no p e r a t o ra n dc r o s s o v e ro p e r a t o r 趾dm u t a 【o no p e r a t o ri s a n a l y z e da i l d d e s i g n e d o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gc o l o re r r o rp r o d u c e dd u r i n gt h es c a n n i n go fa c 0 1 0 rn l a p ，t h e a l g o r i t h ms o l v ep r o b l e mo fl o c a lo p t i m i z a t i o na n dp r e m a t u r ei n t h e1 a r g e s c a i ea n dn o n i i n e a r p r o b l e mb y 印p l y i n gc 0 1 0 rc h a r a c t e ro p e r a t o li m p r o v cc o n v e r g e n c es p e e d a 1 1 ds e g m e n t a t i o n a c c u r a cy t a l la l g o r i 幽sp r e s e m e di nt h i sp a p e rh a v e b e e ni m p l e m e l l t e do nm ep c k e y w o r d s ： g e n e t i c a l g o f j m m ，f u z z yc l u s t e r i n g ， c o l o r e d m a ps e g m e n t a t i o n ， l o c a l o p t i m i z a t i o n ，g i s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 恫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了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括干0 登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：f i 盔墨! 1 导师签名： 蓟弛期：碰车z 丑珂日 东南大学坝k 学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 地理信息系统对科学的决策和科学的管理有深远的意义。在当今社会中， 不论是个人还是组织每天的活动涉及的信息有7 0 9 0 是属于地理信息的内 容，作为信息最主要表现形式的地图成了人们日常生活和工作的必备工具。可以 说，地图是几个世纪以来最重要的空间信息表达的载体。近年来随着高技术的发 展特别是基于计算机平台地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o n a t i o ns y s t e m ，简称 g i s ) 的发展，地理信息系统得到同益广泛的应用。电予地图，载于各种媒体上 的规模不等的空间数据库逐渐取代了传统地图的主导地位而成为地理信息在社 会生活中表现和交流的主要形式，并逐步显示出了其所具有的价值。然而数字地 图的获取至今仍然是建立地理信息系统的一个难点，现有的各种纸质地图是非常 珍贵的地理数据源，将地图上的静态数据变成数据j 车中的数据首先必须数字化。 目前数字化的手段主要用手动跟踪数字化的方法，由于操作简单而在生产部门获 得了广泛应用，但数字化速度太慢，花费的人力太多且精度取决于数字化工作者 的技能。近年来，随着计算机硬件、软件技术的发展以及通用、高效、功能齐全 的g i s 系统的面世，传统的手工地图数字化方法已远远不能够满足日益增长的 需要。它己成为g i s 应用和发展的“瓶颈”，并严重地阻碍了g i s 的发展和应用。 本文通过对彩色地图图像分割技术现状的研究，提出了一种彩色地图自动分割算 法，实验表明取得一定分割效果，为数字地图的制作提供了一种有效的方法。 1 2 彩色地图图像分割技术的现状 彩色地图图像分割研究的是怎样利用彩色地图图像的色彩信息和空间 信息，选择适当的色彩模型，来分割具有不同颜色特征的目标，以达到彩色地图 图像不同要素层( 黑版、白版、橙版、红版) 自动、快速、高效的识别。国内外 关于它的研究历史不长。但是作为彩色图像处理的重要内容和地理信息系统、地 图模式识别的关键技术，彩色地图图像分割技术在近期得到了一定的研究和应 第l 页 东南大学硕：学位论文 用，取得了较好的效果。 对彩色地图图像分割技术进行认真研究后，总结出几种较成熟的方法：基于 聚类模式识别的方法、基于模糊技术的方法、基于样本学习的分割方法、基于神 经元网络的地图分割方法等，分别介绍如下。 l 、基于聚类模式识别的彩色地图自动分割方法 8 利用模式识别中基于样本间相似性度量的聚类理论来对彩色地图图像分 割。首先把扫描入计算机的彩色地图图像归并到n 种色彩，然后按集群的方法对 颜色空间进行划分，即从n 种颜色分为n 个群开始，每个群只有一种颜色，通过 计算两个群的相似度，不断地将两个最为相似的群合并，使分在同一群中的颜色 彼此之间比其它群的颜色更加相似，最终把n 种颜色分在想要得到的c 个群体中。 2 、基于模糊技术的方法 对于彩色地图中的所以像素点，根据分割的层数要求，建立各层的隶属 度函数，求解所有像素点在各分割层中的隶属度值，然后选用最大隶属度原则对 像素点进行分割。 3 、 基于样本学习的分割算法 彩色地图虽然包含有多种数据，信息含量十分丰富，但是其色彩比较单 一，颜色之间相互区别的特征较明显，所以可选择只含有要提取的颜色信息的目 标区域作为样本，在恰当的色彩模型中对样本进行学习，统计样本均值和方差， 再根据统计结果提取相应的颜色。 4 、基于神经元网络和计算机彩色视觉的地图分割算法 彩色地图图像分割通常应用k o h o n e n 网络。在进行彩色分割计算时把图 像三个基色的值作为网络输入层的输入值，网络输出层的输出值代表各个不同颜 色类别。利用网络进行彩色地图图像自动分割，网络首先根据输入样本进行学习 以确定网络中的各个神经元之间相互连接强度，然后网络可根据输入的各像素的 彩色特征实现自动分割。 1 3 对现有分割方法的评价 基于最小二乘准则的集群的分割方法不需要样本进行训练，在聚类算法 中运用最小二乘原理，结合色度理论，较好地实现了颜色的聚类。但是在聚类过 第2 页 东南大学硕士学位论文 程中，很难说出不同的3 种颜色中哪2 种颜色距离更近一些，像素点的颜色距离 有上限，超过一定值两点颜色就根本不同，无论这两点之间像素点如何密集，也 不能把它们归为一类所以，在聚类分割时，会出现个别像素点应当归类到一种 选定色，而所选用的聚类距离公式却把它归并到另一种选定色的误差，这在很大 程度上影响了分割的质量。 基于模糊技术的分割方法对于高质量的系列比例尺地图是很有效的，但是其 隶属函数的设计有一定的难度，且计算量大，对地图的印刷质量要求高，对于日j 刷质量一般的地图分割效果较差。 基于彩色因子的分割方法简便快速，但它要事先统计出样本的均值、方差， 而且要求各种颜色的像素点应正态分布于各均值附近，无明显的色差；基于调色 板的交互式分色方法也很简单快速，对黑色、蓝色的分离效果比较好，但对棕色、 黑色的分割效果不好。 利用神经元网络进行彩色地图图像的自动分割，图像大部分像素可以根据其 在r 、g 、b 构成的特征空间中被有有效地区分。然而由于某种颜色的色相是由颜 色中三基色的分量值的相互比例所决定，而不是仅由r 、g 、b 值的大小所决定， 用像素的r 、g 、b 值作为输入值和用r g b 颜色空间的欧氏距离作为分类决策的测 度是不合适的。它没有能够反应r 、g 、b 值之闸的相互比例关系，它不仅会将不 同明度和不同饱和度的同一色相的像素误分为其它类别，而且还会出现其它错 误。所以，利用上述神经网络进行彩色地图图像自动分层时，应对其输入值及分 类决策的测度进行研究，以改善分类结果。基于计算机彩色视觉的地图分割方法 自动化程度比较高，但是其过程复杂，计算量大，得到的各颜色要素图并不理想。 利用以上几种主要的分色方法对彩色地图图像分割，都有各自的特点和优 点，在某些方面较好地实现了彩色地图图像的分割，但是它们大多只是把单个像 素的r 、g 、b 值作为分层的依据，并没有充分利用彩色地图图像的颜色信息和空 间相关信息，只在一定程度上解决了彩色地图图像分割问题，分割后的单版图效 果不很理想，并不能满足实际工作的需要，所以还要从理论和实践上对此问题进 行更深入的探索和研究。 1 4 论文的思路及主要工作 在对彩色地图图像分割技术的现状的分析、研究基础上，本文提出一 第3 页 东南大学硕i 二学位论文 种彩色地图的自动分割方法，解决对地图分割产生影响的地图颜色失真、偏 色、过渡色和图层交错问题。 1 、解决问题的思路 ( 1 ) 、地图颜色失真、偏色、过渡色的部分与相邻部分的颜色具有一定 的相似，人可以很快分辨出这些颜色属于哪一图层。论文采用了无监督自动聚类 的模糊c 均值算法( f u z z ycm e a n ，简称f c m ) ，不需建立每个图层的隶属度函 数，而计算出彩色地图中像素点在各个图层的隶属度值，通过实验确定每个层的 分割阀值，即可以进行地图的分割。模糊c 均值算法在对彩色地图分割这种大规 模、非线性问题的应用中，极易陷入局部最优。 ( 2 ) 、实际上在模糊c 均值算法中，为获取彩色地图中像素点在各个图 层的隶属度值的核心是如何解出分割的聚类中心，根据模糊c 均值算法中的误差 平方和函数 ，：主窆酏牡一蚶 ，= l ，= l 式中： ，( 一) 代表像素点一在鳓层中的隶属度值，m ，是每层的聚类中心， c 是分层数，n 是像素点数 从上式可以得出，模糊c 均值算法是一种优化问题，因此论文引入遗传算法 ( g e n e t i ca l g or jt h m s 简称g a ) ，解出地图分割的最优聚类中心，。论文根据 地图分割的实际情况，对遗传算法进行改进，提出了基于颜色特征遗传模糊c 均值算法，提高了分割的效果。 ( 3 ) 、解决图层交错问题，引入像素点的空问特征。在彩色地图分割中 由于图层交错，比如公路层和水系层的交错，分割时交错的地方被分割进文字层， 根据文字层像素在公路层和水系层相邻空间位置上的像素点数来计算文字层新 的隶属度值，通过模糊分割，将交错部分提取出来归并到文字层和水系层。 在以上方法的基础上，进行了软件系统的实现，通过实际运行，实验表 明，基于颜色特征的遗传模糊c 均值算法和模糊分割算法实现了彩色地图的自 动分割，对于解决地图分割中的颜色失真、偏色、过渡色和图层交错问题具有一 定的效果。 2 、主要工作 ( 1 ) 、提出基于颜色特征的遗传模糊c 均值算法，准确获取地图分割中的聚类 第4 页 东南大学硕十学位论文 中心，避免模糊c 均值聚类时，聚类中心陷入局部最优的问题。 ( 2 ) 、利用色彩的空间信息和颜色特征信息进行模糊分割，进一步提高了分割 的效果。 ( 3 ) 、对遗传算法算子在彩色地图分割中的应用进行详细的分析与设计，并对 g a 进行改进，提高收敛速度和避免算法陷入局部最优。 ( 4 ) 、对彩色地图扫描数据颜色误差的原因进行分析，研究彩色地图分割中的 特征向量：颜色空间的性质，分析彩色地图色彩间特征和色彩空间信息特征， 并应用于地图分割中，获得较好分割效果。 ( 5 ) 、应用论文的算法可解决彩色地图颜色失真、偏色、过渡色和图层色彩交 错造成分割断线问题。 1 5 论文的组织结构 本文共分四章。第一章论述目前彩色地图分割的研究情况，总结各种 分割算法的优缺点，在此基础上阐述本文工作内容及其基本思路。第二章对 彩色地图、彩色地图扫描数据颜色误差的原因及彩色地图色彩进行分析。第 三章在分析各种彩色地图分割算法的基础上，提出新的分割算法，并对算法 的设计及性能进行详细分析，在彩色地图分割中获得一定的效果。第四章是 论文的总结与展望。 第5 页 东南大学硕上学位论文 第二章彩色地图及色彩分析 在对彩色地图分割前，我们先来了解彩色地图的知识，以及分析彩色地 图扫描数据中颜色失真及色散现象，为针对性的提出分割算法作准备。 2 1 彩色地图知识 2 1 ，l 地图知识 1 5 】 地图，是按照一定的数学法则，用特定的图形符号、颜色和文字注记， 将地球表面的自然和社会现象，经过一定的制图综合测绘于平面图纸上的图。从 地理学的角度来说，它有以下几个特点： ( 1 ) 有一定的数学法则：即采用适当的投影方法和一定的比例关系。 ( 2 ) 有特定的图形符号：地面上的物体种类繁多，形状大小不一，有些依 比例尺，有些不依比例尺，为了将这些地物恰当地表示在地图上，就 必须采用特定的体式符号，才能使地图清晰醒目，便于识别和使用。 ( 3 ) 有规律的有颜色：为了增强地图的地理景观和艺术感，规定在地图上 用与自然相类似的颜色来表示各物体，如文字用黑色，森林用绿色， 水系用蓝色，地貌用棕色。我国地形中一般采用四色印刷。 ( 4 ) 有规定的文字、数字注记：为了表达物体的名称、质量、数量，提高 地球的表现力和使用价值，在地图上以规定的文字和大小，有文字和 数字予以注明。 ( 5 ) 经过一定的制图综合：制图时必须按制图规范进行取舍简化，以保证 地图更加清晰易读。 因此地图的制作必须满足两点，即科学性保证精度和使用价值；清晰 易读性即人阅读时直观明确。 2 ，1 2 地图的特征 地图是复杂的地理信息载体，一幅地图一般含有水系、地貌、植被、居 民点、交通、境界以及独立物等七大类要素，此外，还有各种文字、数学注记。 地图分解开，基本要素也就是点、线、面、文字、几何图形等的复杂组合。这些 点、线、面、几何图形称为地图符号，简称为图符。图符有以下几类：线状符号、 第6 页 东南大学硕士学位论文 轮廓符号、点状符号、说明配置符号、文字和数字注记符号等。这些符号按一定 的空间关系进行变化组合，构成了整幅地图，如图2 1 所示。 图2 1 彩色公路地图 彩色地l 茎l 是采用分版套色印刷叠印而成的，一般在某一分版层中只包含除底 色之外的某一颜色图符，地图中不同性质的要素是用不同的颜色束表示的，在地 图上，图的底色为白色，而地形符号分四色描述：黑色表示文字：棕色和红色表 示公路：蓝色表示水系和与水有关的区域。 彩色地图的这种印刷特征为我们的研究提供了一个好的解决的途径：若能将 彩色地图按不同的印刷用色分解为相应的数据层，每一数据层表示不同的地图要 素，则可降低对地图要素目标识别的难度，并为各地图要素的过一步分割、提取 提供了准确的数据。因此这就是我们的研究的部分彩色地图自动分割。 取任何一幅彩色地图给任意一个非专业人士看，他一定可以很轻松、快速而 且正确地找出任何我们所需要的颜色图符，尽管他并不理解这些符n 的含义、设 置，但这并不妨碍他进行正确的选择，并能很准确是描述这些符号的形状、大小、 位置、颜色以及对文字、数字的认知，也能轻松地分出哪里是图符，哪里是背景， 而不会混淆。然而，当给既没有生物眼睛，又没有丰富知识的汁算机这样一幅地 形图时，各种图式的颜色信息、图形信息以及文字、数字等字符信息错综复杂地 交织在一起，将会使它无所适从，从而使得图象分割变得非常困难。那么如何让 计算机识图具有人的视觉系统的这种优秀的识别判断能力，即快速跟踪搜索，集 中注意力，模糊地快速判断处理，直观特征的提取，图符的快速识别，文字识别 第顽 东南大学硕士学位论文 能力，定性推理能力，联想能力，颜色的人眼特殊效应等等，使得计算机也能很 快按我们的需要理解地图上的要素，实现自动分割这是我们重点研究的问题。下 面我们对地图的制作、扫描等对分割产生影响的因素进行分析。 2 2 彩色地图扫描数据中颜色失真及色散现象的分析 由2 1 2 我们知道，彩色地图一般是由彩色印刷而得到的，现行彩色地图的 印刷是通过彩色印刷来实现的。彩色印刷是将待印刷的彩色图案制成四个单版， 然后用这四个单版和其相应的四种颜色分四次印刷，层层迭加而形成最终的彩色 图案，这一过程在彩色印刷中称为四色套印。一般用于四色套的四个单版色为黄 色、品红色、青色和黑色，而彩色地图扫描数据是对由四色套印而得到的彩色地 图再经彩色扫描仪分光扫描而得到的红色，绿色和蓝色三个分版地图的图像。 所得到的扫描图数据中出现如下现象：一种图符颜色变成若干深浅不同的同 色调颜色，例如，水系不是由单一的蓝色( 像素) 组成，而包括好几种深浅不同 的蓝色；公路也由不只由一种棕色组成，而包括好几种深浅不同的棕色，还杂以 黄色等。同时图符边缘出现散射现象，造成颜色信息出现交叉，例如，黑色图符 边缘出现棕色、绿色。而棕色图符中出现了狄色、黄绿色等。扫描图像背景上出 现大量黄色的点；而在绿色和蓝色的区域、又出现了白色的点，这种情况是由于 地图在印刷时采用半调技术造成的。另外，还有因纸面不洁而造成的噪声，大多 呈棕色。因此，我们最终得到的彩色地图扫描数据的质量受印刷工艺及印刷过程， 扫描仪质量和扫描过程的影响。 第8 页 东南大学硕l 学位论文 图2 2彩色滤光片的透光率 图23 印刷过程对彩色地图扫描数据的影响，除了印刷时的随机因素所引起的随 机噪音外，非单版图案在四色套印时套印不准所引起的颜色失真和伪彩色，另外 普染区印刷( 丝网印刷) 是用一定大小的网点和密度的丝网来透色，这样印刷所 得到的普染区的颜色不均匀。在彩色地图扫描时所采用图纸的质量( 印刷质量及 保存期问的褪色) ，扫描过程中光照的均匀程度，扫描仪的光电稳定性能直接影 响所得到的r 、g 、b 三分色单版图像的灰度，除此之外，扫描仪滤光片的非理想 性所引起的颜色误差 7 。如图2 2 ，图2 3 所示。 图2 3 的透光率之差将引起扫描数据的偏色，实际滤光片的透光率对其所响 应的光谱范围的非均匀性及实际滤光片响应光谱范围的相互重迭将引起描数据 颜色的失真。另外，由于图像边缘效应现象的容观存在，其色相变化呈连续性( 图 24 ) 。当扫描仪扫描头经过图像的颜色变化的边缘删会产生中间颜色，也称过渡 颜色。 k x 图2 4 彩色图像中颜色变化的边缘效应 由于人眼的生理机制及人脑的处理机能使得人眼具有相当强的颜色融合能 力，因此这些过渡颜色对人眼来说不易觉察，但对于高分辨率的扫描仪来说却不 容忽视。当扫描仪的扫描头经过这些颜色变化的边缘时便会产生中间颜色，它在 r 、g 、b 三基色图像上的扫描扶度值为 第9 页 东南人学硕l 学位论文 踟( x 。) = r 了，。( x ) 出 嗡n 一= g 。( ) = f 。了乇( x ) 出 目o 一： 踟( ) = r 0 孑( x ) 出 。： 其中，。( z ) ，t g l ，。( x ) 分别为彩色图像经过滤光片后的强度分布函数。 由于普染区域的印刷用色是用一定比例的网点构成，印刷时网点的扩大 形成非均匀色点，当扫描仪的扫描头经过这些色点之间时必然形成大量的杂色 点。不难想象当扫描仪的扫描头经过图像颜色变化的边缘时所得到的彩色图像扫 描数据中的过渡色点的数量( d ) 与彩色扫描仪扫描头的孔径( d ) 的大小成正比： 与扫描仪扫描头的空间移动步距( ，) 成反比，即 d ：t 旦 ， k 为比例系数 当扫描仪扫描头孔径大小定时，过渡色点的数量与扫描分辨率成正比。即 分辨率越高，过渡色点越多。反之，过渡色点越少。 7 综上所述，产生彩色地图扫描数据的颜色误差的主要因素有： 彩色印刷过程中的随机因素所产生的随机颜色噪音： 彩色印刷过程中四色套印不准确所产生的颜色失真和伪彩色； 由于扫描的彩色地图的图纸质污染引起的颜色误差： 扫描仪扫描过程中的光照条件及光电不稳定性所产生的颜色随机误差： 扫拙仪的分光滤光片的非理想性所产生的偏色及颜色失真； 由于彩色图像边缘效应的客观存在所产生的过渡色； 由于普染区印刷工艺所造成的非均色点，经扫描后产生的杂色； 如果用计算机进行彩色分析和颜色变换，还需考虑颜色空间相互转换的 模型误差，如经非线性变换后得彩色特征值的分布呈现假模式。 在以上诸因素中，由于扫描仪的原因所产生的彩色图像扫描数据的颜色误 差的因素，在扫拙仪的设计和制作中， 一般能得到较好的控制和校正。对于由印 刷过程中的随机因素所产生的颜色误差在印刷作业过和中也能得到一定的控制。 东南大学碗士学位论文 因此，我们所得到的彩色地图扫描数据所存在的颜色误差主要有三种，即( 1 ) 印刷 过程中和四色套印不准所产生的颜色误差；( 2 ) 由于彩色图像边缘效应的客观存在 导致扫描时所产生的过渡颜色；( 3 ) 以及普染区印刷工艺所造成的非均匀色点经扫 描后产生的杂色。对于发黄、被污染的地形图还存在由于扫描图纸质量引起的颜 色误差。 在计算机显示器巾用红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) 三个电子枪来控制颜色的 各分量，它们遵循颜色加法混色原则，但计算机控制彩色打印时采用减法混色原 则。显示终端将计算机内部信息转换成人眼能够直接观察和识别的光信息，一般 采用自动会聚式c r t 。存储图像的b m p 文件数据也为像素点的r 、g 、b 三色， 由此，我们选择在r g b 空间中对图像数据进行线性处理，设计特征函数，可避 免颜色空间相互转换所产生的模型误差。 由于上述因素的存在，使得彩色地图扫描数据的颜色比地图原图更加丰富多 彩。这样便给彩色地图扫描数据的自动分割带来了困难如何处理这些颜色误差 并对其进行识别和正确分类，是影响彩色地图扫描数据自动分割的质量优劣的关 键因素。色彩影响了分割的效果，下节将对有关色度学的基本知识进行介绍。 2 3 彩色地图图像分色技术的研究基础 彩色地图图像分割是建立在对颜色正确认识的基础上。分割方法的优劣及所 得结果的好坏和颜色紧密相关，所以，色彩是研究彩色地图图像分色技术要了解 和掌握的基础知识，下面介绍一些有关色度学的基本知识。 2 3 1 颜色及其属性 颜色可分为非彩色和彩色两大类，颜色是非彩色和彩色的总称。非彩色指白 色、黑色和各种深浅不同的灰色，它们可以排成一个系列，叫做白黑系列。白黑 系列中由白到黑的变化可以用一条垂直线表示，一端是纯白，另一端是纯黑，中 间有各种过渡的灰色。纯白是理想的完全反射的物体，其光反射率等于l ，纯黑 是理想的无反射的物体，其光反射率等于o 。在现实生活中，并没有纯白和纯黑 的物体。氧化镁只能接近白、黑绒接近纯黑。白黑系列的非彩色代表物体的光反 射率的变化，在视觉上是明度的变化。愈接近白色，明度愈高；反之，愈接近黑 色。明度愈低。 笫1 l 页 东南人学坝 ：学位论文 彩色是指白黑系列以外的各种颜色。为了辨别和比较自然界各种各样的颜 色，国际上统一规定了鉴别色彩的三个特定心理物理量即彩色的三种属性：色调 ( h u e ) 、明度( v a l u e ) 、饱和度( s a t u r a t i o n ) 。任何色彩均有上述三个心理物 理量表征的特性。两个刁i 同的色彩一定有一个或两个甚至三个心理物理量特征互 不相等，只有三个心理物理量全部相等的色彩才是完全相同的。对于非彩色物体， 只有明度和反射光线多少的差别。能反射全部白光的表面呈白色，按比例无选择 地吸收一部分光线的表面呈各种灰色，能全部吸收光线的则呈黑色。而彩色物体 之间除了明度的差别外，还有邑调和饱和度的差别。 色调是彩色彼此相区分的特性，是区分别色与色之问的最主在特征。可见光 谱不同波长的辐射在视觉上表现为各种色调，如红、橙、黄、绿、蓝等。光源的 色调决定于辐射的光谱组成对人眼所产生和感觉。物体的色调决定于光源的光谱 组成和物体表面所反射( 透射) 的各波长辐射和比例对人眼所产生和感觉。 由于反射率、透射率或光能量的不同，在人眼色感细胞的刺激不同而引起不 同的视觉效果，称为物体的明度或亮度不同。明度是判断一个物体比另一个物体 能够反射较多或较少的光的色彩感觉属性，它取决于光线反射、透射或辐射光能 量的大小。彩色物体表面的光反射率愈高，它的明度就越愈高，彩色光的亮度愈 高，人眼就愈感觉明亮、或者说具有较高的明度。色彩的明度就是人眼所感觉到 的色彩的明暗程度。 饱和度是指彩色的纯洁性，表示反射或透射光线接近光谱色的程度，又称颜 色的纯度、彩度。可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色。当光谱色掺入白光成 份愈多时，就愈不饱和。物体色的饱和度决定于该物体表面反射光谱辐射的选择 性程度。物体对光谱某一较窄波段的反射率很高，而对其它波长的反射率很低或 没有反射，表明它有很高的光潜选择性，这一颜色的饱和度就高，愈饱和的颜色 愈和灰色不相同。 颜色三要素色度、明度、饱和度之间的变化是相互因果，彼此影响的。颜色 的色调、明度、饱和度只有在亮度适中的时候才能充分体现出来。在亮度极低的 场合，色彩变成了暗色，就很难区别色彩的色调和饱和度：如果在极亮的光照下， 眼睛接受刺激的程度己达到了极限，使人产生了刺眼或耀眼的感觉，这时也无法 分辨色彩的一切属性。 2 3 2 颜色空间 1 0 第1 2 页 东南人学7 士学位论文 目前世界上的比较著名的描述色彩的表色系统和方法可分为颜色的显色系 统表色法和颜色的混色系统表色法。每种表色法都有各自的颜色空间。 1 颜色的显色系统表色法 这种表示方法是在大量荟集各种实际色彩样的基础上，根据色彩的外貌，按 直观颜色视觉的心理感受，将色彩进行系统规律的归纳和排列，并给各色样以相 应的文字的数宁标记，以及固定的空间位置，是建立在真实样品基础上的色序系 统。主要有孟塞尔颜色和自然色系统。 m u n s e l l 颜色系统 美国画家盂塞尔所创立的颜色表示系统，是从心理学的角度，根据人的视觉 特性，把各种表面色的三种基本属性：色相、明度、彩度作为三维空间的坐 标，以按目视色彩感觉等间隔( 相邻两个色样) 的排列方式，把各种表面色 的特性表示出来，并给每一特定部位的颜色一定的标号。 孟塞尔色相( h u e ，记为h ) 是以红( r ) ，黄( y ) ，绿( g ) ，蓝( b ) ，紫( p ) 五色为基础， 作为色相环，再加上它们的中间色相黄红( y r ) ，绿黄( g y ) ，蓝绿( b g ) ，紫蓝( p b ) ， 红紫( r p ) 成为十个主要色相，然后，再进一步把这十个色相各自从一到i 一细划分， 总计得到一百个刻度的色相环，孟塞尔明度( v a u e ，记为v ) 以色立体的中央轴代 表无彩色黑、白系列的消色轴，并按感觉上的差距相等( 等明度差) ，从0 1 0 共 分为1 1 个等级，在o ( 黑) 到1 0 ( 白) 之间加入等明度渐变的九个灰色，用n o 、n l 表示，对不同色相的彩色则用与它等明度的灰色来表示该彩色的明度，记为v 1 ， v 2 孟塞尔彩度( c h r o a ，记为c ) 表示颜色离开相同孟塞尔明度值灰色的程 度。在一个从0 到2 0 的标尺，用视觉上色彩感觉相等的间隔来划分等级，并用 2 ，4 ，2 0 表示。由于彩度是根椐色相的明度的不同来划分等级的，即使是 同样的彩度，如果色相的明度不同，则包含色昧的比例也不同。 m u n s e l l 颜色空间表示色彩的标号是色相、明度值彩度值，即h v c 。如 “1 0 y 8 1 2 ”，1 0 y 为色相，是黄与绿黄的中间色，明度值是8 ，彩度是1 2 。由 标号可知，该色是较明亮并具有较高彩度的颜色。对于无彩色的白黑系列中性色 用n 表示，在n 后面写出明度值v ，因其彩度为o ，斜线后不写彩度，即n v 。 例如：n 5 为明度值为5 的中性灰色。 自然颜色系统 瑞典的h a r d 和s i v i k 提出了一个自然色系统( n a t u r a lc o l o rs y s t e m ，简称 第1 3 页 东南人学硕l 学位论文 n c s ) ，它确定颜色方法是基于人的颜色知觉；是按颜色外貌的自然表现分类和排 列的。以六个心理原色白、黑、黄、红、蓝、绿为基础；向黑是非彩色，黄、红、 蓝、绿四个原色为单色相色，按人们的颜色视觉的特点，黄色可以和红、绿色相 似，而绝不能和蓝色相似：蓝色可以和红、绿色相似，而绝不能和黄色相似：红、 绿彼此不相似；所有其它色相的颜色都可看作是和白、黑、黄、红、蓝、绿这六 种原色有不同程度相似性的颜色。根据这些特点，n c s 设计出特有的色彩感觉空 问立体几何模型，立体的两端是两种非彩色原色；顶端是门色；底端是黑色，中 间部位白黄、红、蓝、绿四种彩色原色形成一个色相环。在这个立体系统中，每 一种颜色都占有一个特定的位置，并且和其它的颜色有准确的关系。 n c s 规定，任何一种颜色所含的颜色总量为1 0 0 ，即白度( w ) + 黑度( s ) + 彩度 ( y + r + b + g ) = 1 0 0 其具体计算与表示方法如下： 若某颜色目测含各原色的数量为： w ( 白)s ( 黑)y ( 黄)r ( 红)b ( 蓝)g ( 绿) 1 01 02 45 6oo 黑色：s = 1 0彩度：c = 2 4 + 5 6 = 8 0 yr 相对比例：中= 5 6 ( 2 4 + 5 6 ) 1 0 0 = 7 0 表示彩度 性腓。例 由此可见，该颜色标号是1 0 8 0 y 7 0 r 它说明了一个颜色在n c s 三维颜色立体 内部的精确位置，虽然在标号中没有写出白度的多少，但是可以根椐n c s 的规定 求得：1 0 0sc = 1 0 0 一1 0 8 0 = 1 0 因此颜色标号1 0 8 0 r 7 0 r 表示该颜色中黑度( 含黑 量) 是1 0 ，彩度( 含彩量) 是8 0 ，在彩度中，红一黄的相对比例：黄3 0 ，红7 0 2 颜色的混色系统表色法 这种表示方法不需要荟集实际色彩样品，而是基于三原色光( 红、绿、蓝) 能 够混合匹配出各种不同的色彩所归纳的系统，是根据色度学理论与实验证明任何 色彩都可以由色光三原色混合匹配得到而建立的。主要有国际照明委员会 东南人学硕1 学位论文 ( c o m m i s s i o no fi n t e r n a t i o n a ld ei 7 e c l a i r a g e c i e ) 确定的表色法。 三刺激值色彩空间 利用三原色光可混合匹配所想要的任何色彩的色光。对于所选定的色料，需 要用仪器测定其所反射和透射的三原色光的数量，此三原色光的作用量称为色彩 的三刺激值。在几何上用三个互相垂直的轴所构成的空间坐标系统来表示任何一 种颜色均可用红、绿、监三原色光混合匹配所产生，这一空间就称为三刺激值色 彩空间。 在此色彩空间用r 、g 、b 表示各坐标轴，用( r ) 、( g ) 、( b ) 表示其单 位矢量，则任何一种颜色都可以用该空间中的矢量来确定，矢量c 称为颜色矢量。 在色光混合匹配时，构成该颜色所需要的红、绿、蓝三原色的数量，就是颜色矢 量c 在坐标轴r 、g 、曰上的投影坐标，记为r 、g 、b ( 即三刺激值) 。其矢量 表达式如下： c = 尺( r ) + g ( g ) + b ( b ) 矢量的方向表示颜色的色度( 色相和饱和度) ，长度表示颜色的亮度。 c i e l 9 3 卜r g b 色彩空间 为了标定颜色，首先必须研究人眼的颜色视觉特性，然而，不同观察者的颜 色特性多少是有差异的，这就要求根据许多观察者的颜色视觉实验，确定一组为 匹配等能光谱色所需的三原色数据，即标准色度观察者光谱三刺激值，来代表人 眼的平均颜色视觉特性，用于色度计算和标定颜色。1 9 3 1 年c i e 规定了7 0 0n m 的红、5 4 6 1 n m 的绿和4 3 5 8 n m 的蓝为色光三原色，三原色能相加匹配出等能白 色( e 光源) ，然后在颜色匹配仪上匹配出等能光潜色的r 、g 、b 分量，称 1 9 3 1 c i e r g b 系统标准色度观察者光谱三刺激值，用r 、g 、b 表示。 c i e l 9 3 卜x y z 颜色空问 1 9 3 1 年c i e 在r g b 系统的基础上，改用三个设想的原色x 、y 、z 建立 1 9 3 1 c i ex y z 色度图。为避免1 9 3 1 c i er g b 系统中光谱三刺激值的色度坐标 出现负值，所选择的三个设想的原色所组成的三角形色度图能包括整个光谱 轨迹，即这三个原色在色度图上必须落在光谱轨迹之外，而不能在光谱轨迹 的范围之内。这三个原色虽不真实存在，但x 、y 、z 所形成的虚线三角形却 包含了整个光谱轨迹，因而在此系统中光谱轨迹上及轨迹以内的色度坐标都 为正值。 第1 5 页 东南大学硕一j 二学位论文 c i e l 9 7 6 一f u + 矿+ 均匀颜色空间 为了进一步评价颜色差别的方法，并使测量结果更客观的完善，1 9 7 6 年c i e 推荐了c i e l 9 7 6 一f u + y + 均匀颜色空问。规定如下： 4 x “= 一 x + 1 5 ，r + 3 z k ：! l 一 蜀+ 1 5 k + 3 2 0 4 x q 甄+ 1 5 + 3 z o 。，= 竺! 丑+ 1 5 y + 3 z 式中x 、y 、z 为颜色样品的三刺激值， ，v 为颜色样品的色度坐标：。，k 乙为 c i e 标准照明体( 如d 、c 或a ) 的三刺激值。y o = 1 0 0 ，v 。，为测色所用光源 的色度坐标。f 称为明度指数，“+ ，v + 称为色度指数。 c i e l 9 7 6f + 6 + 均匀颜色空间 为了获得物体颜色在知觉上均匀的空间，c j e 于1 9 7 6 年又推荐了第二个均 匀颜色空问一c i e l 9 7 6 ( r d 6 + ) 均匀颜色空间。 f = 1 1 6 ( y 虼) ”3 1 6 ，( ，厂k 0 0 1 ) 口+ = 5 0 0 ( r x 。) “3 一( y j 厂o ) “3 ， 式( 22 ) 6 = 2 0 0 ( y y o ) “3 一( z z o ) ”3 ， 式中x 、y 、z 为颜色样品的三刺激值，凰，虼，z 0 为c i e 标准照明休( 如d 、c 或 a ) 的三刺激值，f 称为心理明度或明度指数，d + 6 称为心理色度或色度指数。 在上述颜色空间中，孟塞尔颜色空间与人的视觉有很好的一致性，r g b 颜色 空问是彩色图像处理常用的空间，而计算色差时则选用几种均匀颜色空间。 3 介绍几种常见的颜色模型 y u v 模型 在多媒体计算机中主要用y u v 模型，其基本特征是将亮度信号与色度信号分 离表示，y 代表亮度，u 、v 是两个彩色分量，表示色差，一般是蓝、红的相 对值，由于人眼对亮度的变化更敏感，模型中y 分量所占带宽大于等于彩色 第l 硕 o吼 y6一 尸啪啪 圪 一 一 颤f f 1 1 j 3 1 | = i i f。v 而 东南火学碗l 学位论文 分量所占带宽。它和r g b 模型之间的线性关系如下： o 5 8 6 0 5 8 6 0 5 8 6 h i s 颜色模型 此模型咀人眼的视觉特征为基础，用颜色的色调( h u e ) 、饱和度( s a t u r a t i o n ) 和亮度( i n t e n s i t y ) 柬表示颜色，它建立在柱坐标系中，其中心轴为r g b 空间中 的直线r = g = b = 1 。i i i s 系统巾可显示的颜色为包含在r g b 锥体内的颜色，光强度 大( 靠近白色) 和光强度小( 靠近黑色) 的颜色的饱和度取值范围都很小a 它和 r g b 模型的转换关系如下： 阡萋鬟妇