快速色彩平衡算法分析 - 全文

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　　在圖像采集的過(guò)程中，由于不同光照下獲取的圖片顏色值差異較大，對(duì)圖片的顯示及圖片的分析產(chǎn)生困難。因此，在攝影和圖像處理中，不少學(xué)者提出了通過(guò)色彩平衡來(lái)解決這個(gè)難點(diǎn)。色彩平衡是一種通過(guò)全局調(diào)整圖像的RGB顏色信息使得圖片中出現(xiàn)色偏的顏色正?；姆椒āANG[4]提出了白平衡算法，即通過(guò)調(diào)整R、G、B三個(gè)分量的值使之達(dá)到平衡，然后按照這個(gè)調(diào)整比例對(duì)整幅圖像進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到色彩平衡的效果。LEE Hsien Che[5]提出的算法原理是在CCD或CMOS矩陣表示的原RGB顏色值下將其轉(zhuǎn)換為更加標(biāo)準(zhǔn)的感性顏色。

　　本文提出了一種新型的快速色彩平衡算法，首先取一個(gè)最大值Vmax和一個(gè)最小值Vmin，把小于Vmin的值全部改成Vmin，把大于Vmax的值全部改成Vmax。執(zhí)行過(guò)程中，首先需要優(yōu)化一些極端值，優(yōu)化的極端值數(shù)量由輸入的優(yōu)化率s決定;再根據(jù)s為整幅圖像分別確定一個(gè)合適的最大值Vmax和最小值Vmin，顏色值在[Vmin，Vmax]范圍外的像素即為極端像素，將極端像素的值改在[Vmin，Vmax]范圍內(nèi)，最后再根據(jù)Vmin、Vmax和s按比例來(lái)提高非極端像素的顏色值。

　　1 新型色彩平衡算法

　　本文中算法的理論基礎(chǔ)是在RGB模式中顏色值越高越接近白色，顏色值越低越接近黑色。如果圖像是在黑暗中拍攝的，其像素最高的顏色值一定小于255，則通過(guò)擴(kuò)大顏色值的范圍，圖像就會(huì)變亮。例如，閃電的主要顏色是R和G，那么通過(guò)色彩平衡就要增強(qiáng)B，這樣會(huì)減少一些微黃色色調(diào)，圖像會(huì)更亮一些，不但增加了畫(huà)面的和諧性，而且使圖像看起來(lái)更自然。

　　算法算法可以理解為有基本運(yùn)算及規(guī)定的運(yùn)算順序所構(gòu)成的完整的解題步驟?；蛘呖闯砂凑找笤O(shè)計(jì)好的有限的確切的計(jì)算序列，并且這樣的步驟和序列可以解決一類問(wèn)題。

　　綜上所述，本算法的目的是增加R、G、B三個(gè)顏色通道的顏色值，并使它們的范圍保持在[0，255]。最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式就是給每個(gè)通道ax+b的顏色值。其中，a、b是比例因子，需要通過(guò)計(jì)算得到，x是初始顏色值，ax+b必須在[0，255]的范圍內(nèi)。

　　在實(shí)際圖像中經(jīng)常會(huì)遇到顏色值為0或255的像素。實(shí)際需要優(yōu)化的點(diǎn)或許很多，或許只有一個(gè)，不好確定確切的數(shù)目，所以必須用優(yōu)化率來(lái)決定究竟要改變多少個(gè)點(diǎn)的值。假設(shè)一幅圖像上有N個(gè)像素點(diǎn)，優(yōu)化率為s，則需要優(yōu)化N×s個(gè)點(diǎn)，并使0

　　2 新型色彩平衡算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程

　　本文介紹了排序和直方圖兩種改進(jìn)的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)色彩平衡的過(guò)程，下面闡述兩種算法的實(shí)現(xiàn)和實(shí)用性。

　　2.1 排序算法

　　算法流程如下：

　　(1)排序

　　排序是計(jì)算機(jī)內(nèi)經(jīng)常進(jìn)行的一種操作，其目的是將一組“無(wú)序”的記錄序列調(diào)整為“有序”的記錄序列。分內(nèi)部排序和外部排序。若整個(gè)排序過(guò)程不需要訪問(wèn)外存便能完成，則稱此類排序問(wèn)題為內(nèi)部排序。反之，若參加排序的記錄數(shù)量很大，整個(gè)序列的排序過(guò)程不可能在內(nèi)存中完成，則稱此類排序問(wèn)題為外部排序。內(nèi)部排序的過(guò)程是一個(gè)逐步擴(kuò)大記錄的有序序列長(zhǎng)度的過(guò)程。

　　將N個(gè)像素存入矩陣，并將它們按顏色值大小從低到高進(jìn)行排序(排序之前要先將矩陣備份，因?yàn)橐院筮€要用到)。

　　(2)確定優(yōu)化數(shù)量和最大最小值

　　輸入優(yōu)化率s，則優(yōu)化數(shù)量為N×s，需要優(yōu)化的點(diǎn)是排序后的矩陣的前N×s/2和后N×s/2。因此，Vmin、Vmax分別產(chǎn)生在N×s/2和N×(1-s/2)-1的點(diǎn)。

　　(3)優(yōu)化像素

　　將顏色值小于Vmin的全部改為Vmin，將顏色值大于Vmax的全部改為Vmax。

　　(4)生成顏色值范圍為[min，max]的新圖像

　　假設(shè)新顏色值為f(x)=ax+b(x為舊顏色值)，則有：

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　　2.2 直方圖算法

　　N個(gè)像素顏色值排序的時(shí)間復(fù)雜度是O(Nlog(N))。還有一種更高效的方法，即以直方圖為基礎(chǔ)的改編版本，最壞情況下其時(shí)間復(fù)雜度也僅為O(N)。

　　算法流程如下：

　　(1)建立一個(gè)關(guān)于像素顏色值的直方圖

　　橫向i表示顏色值，縱向表示≤i的像素?cái)?shù)量q。

　　(2)確定優(yōu)化數(shù)量和最大最小值

　　根據(jù)直方圖表示的意義，柱的高度>N×s/2的最小顏色值i，即為Vmin;同理，柱的高度≤N×(1-s/2)的最大顏色值i，即為Vmax。如果s=0，那么i的最小值即為Vmin，i的最大值即為Vmax。

　　(3)優(yōu)化像素

　　將顏色值小于Vmin的全部改為Vmin，將顏色值>Vmax的全部改為Vmax。

　　(4)生成顏色值范圍為[min，max]的新圖像

　　假設(shè)新顏色值為f(x)=ax+b(x為舊顏色值)，則有：

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　　對(duì)于16位像素值，直方圖算法是非常好的算法，只需要大約256 KB的內(nèi)存，得到Vmin和Vmax的速度非?？?，其速度可與二分法媲美。

　　但對(duì)于32位像素值，直方圖算法大約需要耗費(fèi)18 MB內(nèi)存。這種情況下，最好采用排序算法。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　將本文提出的算法用于改善曝光不足或采光條件不好或特殊光線下(如日落)生成的圖像的一種算法。該算法可以運(yùn)用于大部分圖像，即使原圖是在正常光線下拍攝的也同樣適用。

　　圖1分別展現(xiàn)了原圖分別經(jīng)優(yōu)化率為0%、1%、2%和3%的色彩平衡算法優(yōu)化后的結(jié)果。由圖可以看出，其圖像的優(yōu)化率不同，優(yōu)化結(jié)果也不同。

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　　與基于CCD或CMOS矩陣轉(zhuǎn)換原RGB顏色為更加標(biāo)準(zhǔn)的感性顏色及白平衡算法等傳統(tǒng)的色彩平衡算法不同，本文提出的新型快速色彩平衡算法，通過(guò)獲取一個(gè)由優(yōu)化率s決定的區(qū)間[Vmin，Vmax]，然后將這個(gè)區(qū)間外的像素點(diǎn)改在[Vmin，Vmax]內(nèi)，最后再根據(jù)Vmin、Vmax和s按比例來(lái)提高區(qū)間[Vmin，Vmax]內(nèi)像素的顏色值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本算法能得到較好的效果，與其他算法相比更為簡(jiǎn)明、快速。