２０１０年５月 安徽大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒｌａ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｍａｙ ２０１０ 第３４卷第３期 Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．３ 一种与ＣＩＥＤＥ２０００相关的彩色图像视觉研究 杨 杨，明 军 （安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室，安徽合肥２３００３９） 摘要：国际照明委员会公布的最新色差公式ＣＩＥＤＥ２０００是目前最好的色差公式．为了考察 ＣＩＥＤＥ２０００色差公式与图像视觉主观感受的关系，作者建立图像质量的评价方法，从而在运用ＸＹＺ色 度图解决彩色图像三要素计算方法的基础上，编制了两个彩色信号问的ＣＩＥＤＥ２０００色差计算通用程序， 从大量的实验结果中给出了一系列的色调差、饱和度差和亮度差彩色图像．实验结果表明ＣＩＥＤＥ２０００色 差公式与人眼视觉感受基本吻合，为建立基于ＣＩＥＤＥ２０００的彩色图像质量评价方法提供了新的依据． 关键词：ＣＩＥＤＥ２０００色差公式；彩色图像；视觉实验 中图分类号：ＴＮ９１１．７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—２１６２（２０１０）０３—００４９—０６ Ａ ｃｏｌｏｒ ｉｍａｇｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｌａｔｅｄ、 ｔｈ ＣＩＥＤＥ２０００ ｃｏｌｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ＹＡＮＧ Ｙａｎｇ，ＭＩＮＧ Ｊｕｎ （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｙｒ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３００３９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＣＩＥＤＥ２０ｏ０ ｃｏｌｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒｍｕｌａ ｉｓｓｕｅｄ ｂｙ ＣＩＥ ｉＳ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｆｏｒｍｕｌａ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｅｓｓｅｎｔｉａｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｃｏｌｏｒ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｂｌｅｍ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ ｗｏｒｋｅｄ ｏｕｔ ａ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ＣＩＥＤＥ２０００ ｃｏｌｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｔｏ ｓｅｅ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ＣＩＥＤＥ２０００ ｃｏｌｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｉｍａｇｅ ｖｉｓｉｏｎ ｆｅｌｌｉｎｇ．Ａ ｌ０ｔ ｏｆ ｈｕｅ—ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ．ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ—ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ａｎｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ—ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｃｏｌｏｒ ｉｍａｇｅｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｃｏｌｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ＣＩＥＤＥ２０００ ｗａｓ ｃｌｏｓｅｒ ｔｏ ｖｉｓｉｏｎ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔ．ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａ ｎｅｗ ｇｉｓｔ ｆｏｒ ｆｏｕｎｄｉｎｇ ｃｏｌｏｒｅｄ ｉｍａｇｅ ｑｕａｌｉｔｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｔｈａｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＩＥＤＥ２０００ ｃｏｌｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒｍｕｌａ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＣＩＥＤＥ２０００ ｃｏｌｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒｍｕｌａ；ｃｏｌｏｒｅｄ ｉｍａｇｅ；ｖｉｓｕａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ 彩色图像质量评价方法的研究，长期以来一直采用两个色差信号沿袭黑白图像质量的评价方 法 ，不能与色调和饱和度的物理概念直接对应，影响了色度视觉感受的考察和彩色图像质量评价方 法的发展．在混色系统颜色空间及色差公式的迅速发展过程中，已发展了近４０种色差公式，其中曾经最 有影响的为ＣＩＥ１９７６ＬＡＢ色差公式，我国及一些国家目前仍将其作为对颜色复制检测的标准，然而 ＣＩＥ１９７６ＬＡＢ颜色空间对小色差来说是不太均匀的颜色空间，从１９７６年至今的３０多年里，色差公式有 很大的发展，基于ＣＩＥ１９７６ＬＡＢ先后发展了４种较好的色差公式ＣＭＣ（１：ｃ） 、ＣＩＥ９４ Ｊ、ＢＦＤ －５１和 ＬＣＤ，并且在一定的运用范围内对小色差都能做出很好的评价且各有优势，但是这些色差公式都有或多 收稿日期：２００９—１１—１７ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０８７２１６２） 作者简介：杨授，硕士生导师． 杨（１９８Ｏ一），女，安徽合肥人，安徽大学助教，硕士；明军（１９５２一），男，江西南康人，安徽大学教 引文格式：杨杨，明军．一种与ＣＩＥＤＥ２０００相关的彩色图像视觉研究［Ｊ］．安徽大学学报：自然科学版，２０１０，３４（３）： ４９—５４． ５０ 安徽大学学报（自然科学版） 第３４卷 或少不尽人意的地方．在综合上面４个色差公式的基础上，通过大量视觉实验和色差评估实验，国际照 明委员会（ＣＩＥ）于２０００年正式公布了ＣＩＥＤＥ２０００标准，它是目前均匀色差特性的最好标准，包含了亮 度、色调和饱和度综合色差视觉感受标准，已经引起了广泛的注意 Ｊ． 从而，作者考虑是否可以将ＣＩＥＤＥ２０００色差公式对彩色图像的计算特性以及其较好的主观视觉特 性进一步扩展到彩色图像质量评价领域，为此，通过研究与主观视觉相关的客观图像质量评价方法，进 而通过实验考察了ＣＩＥＤＥ２０００色差公式在图像处理系统的实际效果，详细分析ＣＩＥＤＥ２０００色差公式的 数学模型，编制了一个基于ＣＩＥＤＥ２０００色差公式的通用色差计算程序，建立了一个较为完备的与色度 学相关的可视化实验平台．大量实验结果表明，ＣＩＥＤＥ２０００色差公式与视觉感受有较好的吻合，可以将 其进一步运用到新的彩色图像质量评价领域中．该方法为基于ＣＩＥＤＥ２０００色差公式的视觉感受观测提 供了实验平台，并且为基于ＣＩＥＤＥ２０００的彩色图像质量评价提供了新的依据和方法． １ ＣＩＥＤＥ２０００色差公式的编程 ＣＩＥＤＥ２０００色差公式表述如下 一 瓢 由于ＣＩＥＤＥ２０００色差公式的相关参数，与ＸＹＺ色度图和ＣＩＥ１９７６色度图参数有关，为了避免重复 分析，通过详细推导，下面从编程的角度加以解释说明．有关ＣＩＥＤＥ２０００色差公式具体参数的含义见文 献［６］，ＸＹＺ色度图和ＣＩＥ１９７６色度图相关概念见文献［４］、［５］，ＸＹＺ色度图三要素编程方法见文献 ［１０］． （１）ＸＹＺ色度图与ＣＩＥ１９７６色度图的参数关系 Ｌ ＝１１６ｆ（ｒ，／ｒｏ）一１６，ｎ ＝５００［ ／Ｘｏ）一 ｒ，／ｒｏ）］， ｂ ＝２００Ｉｆ（ ／ｒｏ）一 ｚ ／Ｚ。）］， 其中， ｉ 指的是ＣＩＥ１９７６中的亮度，ａ ，ｂ 指的是ＣＩＥ１９７６中的色度，ｉ＝１，２，且 ，）：Ｊ［ｔ／ ＞０・００８ ８５６， 一 ，）＝７．７８７１十１６／１１６，其他． （２）ＣＩＥ１９７６色度图与ＣＩＥＤＥ２０００色差公式的参数关系 由ｃ。 ＝ － ，ｃ＿二： 和红绿轴的调整因子Ｇ＝０．５（ 一√Ｃ二￣＊ｂ ＋［２５７］１， 得到 ０ 。＝（１＋Ｇ）ｔ２ｉ ，ｂ ＝ｂ 。 且有亮度Ｌ ＝ ，饱和度Ｃ ＝￣／（口 ） ＋（ｂ ） 和色调ｈ ＝ｔａｎ一（ｂ ，０ ），式中ｉ＝１，２． （３）ＣＩＥＤＥ２０００色差参数计算和选择 ①亮度差ＡＬ ＝Ｌ ：一Ｌ 。，饱和度差ＡＣ ＝Ｃ ：一Ｃ ，色调差ＡＨ ＝２、 ・ｓｉｎｆ ），其中， 色调角之差Ａｈ ＝ｈ 一ｈ ． ②亮度、饱和度和色调权重因子分别为Ｓ ：ｌ＋ ，ｓ ：１＋０．０４５Ｃ，，Ｓ ：１＋ ￣／２０＋（Ｌ 一５０）‘ ０．０１５＿ｃ， 其中，平均亮度为 ＝ ，平均饱和度为 ，平均饱和度为Ｃ，： ： ，平均色调为 ，： ，平均色调为 ＝ ，且 Ｔ＝１—０．０１７ｃｏｓ（ 一３０。）４－０．２４ｃｏｓ（２ｈ ）４－０．３２ｃｏｓ（３ｈ ４－６。）一０．２０ｃｏｓ（４ｈ 一６３。）． ③由旋转幅 ＝２ 和旋转角度 ３ ｘｐ（～（ ） ），得到旋转函数 第３期 杨杨，等：一种与ＣＩＥＤＥ２０００相关的彩色图像视觉研究 ５１ Ｒ，：一ｓｉｎ（２Ａ０）Ｒ。，Ｒ 用来校正蓝色区域色分辨椭圆主轴方向的偏转． ④参数因子 ， ， 是与使用观测条件相关的校正系数，实际取值与观察监视器有关，一般条件 下取ＫＬ＝Ｋｃ：ＫＭ＝，１． ２ ＣＩＥＤＥ２０００色差视觉感受实验 采用上述ＣＩＥＤＥ２０００色差公式模型，不难建立两个彩色样品间的色差计算通用程序．实验首先在 ＸＹＺ色度图中选择一系列样点，采用亮度ｙ、色调Ａ和饱和度Ｓ。表示．为了保证监视器三基色的正确显 示，样点被限制在三基色单位光组成的色度三角形内．通过大量的实验结果，建立了一系列亮度差ＡＹ、 饱和度差△５。和色调差△Ａ的彩色图像序列，并获取对应主观视觉感受．为了说明方便，这里以Ｙ＝０．４， Ａ＝５３０ ｎｍ，Ｓ ＝０．４的背景图像为例，依据五级主观评价标准 “ 的视觉感受，给出一组与亮度ｙ、色调 Ａ和饱和度Ｓ 变化的ＡＥ实验结果，数据见表１～３，对应实验界面参见图１—３． 表１ ＣＩＥＤＥ２０００色差公式亮度差视觉感受实验数据 Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ ｖｉｓｕａｌ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｏｆ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ－ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｉｎ ＣＩＥＤＥ２０００ ｃｏｌｏｒ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒｍｕｌａ 表２ ＣＩＥＤＥ２０００色差公式饱和度差视觉感受实验数据 Ｔａｂ．２ Ｔｈｅ ｖｉｓｕａｌ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｏｆ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ－ｄｉｆｅｒｅｎｃｅｓ ｉｎ ＣＩＥＤＥ２０００ ｃｏｌｏｒ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒｍｕｌａ ５２ 安徽大学学报（自然科学版） 第３４卷 表３ ＣＩＥＤＥ２０００色差公式色调差视觉感受实验数据 Ｔａｂ．３ Ｔｈｅ ｖｉｓｕａｌ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｏｆ ｈｕｅ－ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｉｎ ＣＩＥＤＥ２０００ ｃｏｌｏｒ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒｍｕｌａ 一 （ａ）ＡＥ＝０．３４６ ８（ＡＹ＝０．００６）对应视觉感受极微（ｂ）△ １．０５６ ６（ＡＹ＝０．０１８）对麻视觉感受极微（ｃ）ＡＥ：２ ０３８（ＡＹ＝０ ０３４）Ｘ￣觉感受极微 （ｄ）ＡＥ＝４ ００９（ＡＹ＝０ Ｏ６４）对应视觉感受极微 （ｅ）ＡＥ＝７ ６９５ ５（ＡＹ＝Ｏ １１４）对应视觉感受极微 图１ 亮度差的主观评价实验界面 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ－ｄｉｆｅｒｅｎｃｅｓ ｓｕｂｊｅｃｔ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ 安徽大学学报（自然科学版） 第３４卷 ３ 结语 基于ＣＩＥＤＥ２０００色差公式的实验平台，依据色差单位与主观评价五级标准表的颜色差别感觉程 度，通过大量的实验考察了ＣＩＥＤＥ２０００色差公式的主观视觉感受，结果表明ＣＩＥＤＥ２０００色差公式对亮 度差△ｙ、饱和度差△．ｓ 色调差△Ａ以及色差阈值ＡＥ能做出很好的评价，且与人眼视觉感受基本吻合． ＣＩＥＤＥ２０００色差公式应用，也为彩色图像质量评价提供了一条新的思路．有关ＣＩＥＤＥ２０００的彩色图像 信号设计及其对应图像质量的评价方法，作者将做进一步探讨． 参考文献： ［１］ Ｗａｎｇ Ｚ，Ｌｕ Ｌ，Ａｌａｎ Ｃ Ｂ．Ｖｉｄｅｏ ｑｕａｌｉｔｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：Ｉｍａｇｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，２００４，１９（２）：１２１—１３２． ［２］ Ｃｌａｒｋｅ Ｆ Ｊ，Ｍｃｄｏｎａｌｄ Ｒ，Ｒｉｇｇ Ｂ．Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ＪＰＣ７９ ｃｏｌｏｕｒ—ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒｍｕｌａ［Ｊ］．Ｊ Ｓｏｃ Ｄｙｅｒｓ Ｃｏｌ，１９８４， １００（２）：１２８—１３２． ［３］ ＭｃＤｏｎａｌｄ Ｒ，Ｓｍｉｔｈ Ｋ Ｊ．ＣＩＥ９４一ａ ｎｅｗ ｃｏｌｏｕｒ－ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒｍｕｌａ［Ｊ］．Ｊ Ｓｏｃ Ｄｙｅｒｓ Ｃｏｌ，１９９５，１１１（１）：３７６—３７９． ［４］ Ｌｕｏ Ｍ Ｒ，Ｒｉｇｇ Ｂ．ＢＦＤ（１：Ｃ）Ｃｏｌｏｕｒ—ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒｍｕｌａ，Ｐａｒｔ ＩＩ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａ［Ｊ］．Ｊ Ｓｏｃ Ｄｙｅｒｓ Ｃｏｌ， １９８７，１０３（１）：１２６—１３２． ［５］ Ｌｕｏ Ｍ Ｒ，Ｒｉｇｇ Ｂ．ＢＦＤ（１：Ｃ）Ｃｏｌｏｕｒ—ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒｍｕｌａ，Ｐａｒｔ Ｉ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａ［Ｊ］．Ｊ Ｓｏｃ Ｄｙｅｒｓ Ｃｏｌ， １９８７，１０３（１）：８６—９４． ［６］ Ｌｕｏ Ｍ Ｒ，Ｃｕｉ Ｇ，Ｒｉｇｇ Ｂ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ＣＩＥ２０００ ｃｏｌｏｕｒ—ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｍｒｕｌａ：ＣＩＥＤＥ２０００［Ｊ］．Ｃｏｌｏｒ Ｒｅｓ， ２００１，２６（５）：３４０—３５０． ７］ Ｋｕｅｈｎｉ Ｒ Ｇ．ＣＩＥＤＥ２０００，Ｍｉｌｅｓｔｏｎｅ ｏｒ ｆｉｎａｌ ａｎｓｗｅｒ［Ｊ］．Ｃｏｌｏｒ Ｒｅｓ，２００２，２７（２）：１２６—１２７． ８］ Ｌｕｏ Ｍ Ｒ，Ｃｕｉ Ｇ，Ｒｉｇｇ Ｂ．Ｆｕｒｔｈｅｒ ｃｏｍｍｅ￣ｓ ｏｎ ＣＩＥＤＥ２０００［Ｊ］．Ｃｏｌｏｒ Ｒｅｓ，２００２，２７（２）：１２７—１２８． ９］ 俞斯乐，侯正信，冯启明，等．电视原理［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２０００：９９—１０２． １０ ］潘亨霖．Ｌｏｇｏ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ｉｎ ｃｈｒｏｍａｔｉｃ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ［Ｄ］．国立台湾科技大学电子工程系，１９９５：３０—３１． （责任编校朱夜明）