CN115665395B - 一种适用于单调场景下的图像白平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于单调场景下的图像白平衡方法，包括：根据空间分割法判断待处理图像的整体颜色情况是否属于大面积的单色情况；通过空间距离法筛选出整幅图像像素相似度在90%以上的像素，然后分别计算筛选出像素的R、G、B三通道均值；根据所述三通道均值，利用比率差值法分别计算得到图像R、B通道的色彩差值；根据图像R、B通道的色彩差值以及各标准单色对应的R、B通道增益曲线，确定R通道与B通道的增益值Rgain、Bgain，然后将原始图像的R通道与B通道分别乘以增益值Rgain、Bgain，完成图像的白平衡校正。本发明针对图像在单调场景下整体色温偏差的情况，能够将颜色很好地还原出来。

Description

一种适用于单调场景下的图像白平衡方法

技术领域

本发明涉及一种图像处理方法，尤其涉及一种图像白平衡处理方法。

背景技术

在现代社会，图像处理已经跟人们的生活密切相关，图像的颜色与图像的质量也密不可分，人的眼睛对于颜色的感知具有恒常性，能够将各种光源下偏色的物体还原成物体本身的颜色，但是对于现在的图像传感器来说，还不具备这种功能，会使图像在不同光源下出现色差，而白平衡（WB）就可以使偏色的图像恢复成图像本来的颜色。

目前对图像做白平衡的算法主要包括灰度世界法、完全反射法等。但是对于单调场景，颜色并不丰富的图像来说，常用的算法并没有很好的效果。

（1）灰度世界法：它是基于一种假设的情况，假设一幅图像的色彩变化足够的丰富，则它的RGB分量的均值会趋于相等，但是对于单调场景，由于其颜色不够充足，灰度世界法就不适用了，即灰度世界法对单调场景的色彩还原就没有很好的效果了。

（2）完全反射法：它也是基于一个假说：一幅图像中最亮的像素相当于物体有光泽或镜面上的点，它传达了很多关于场景照明条件的信息。如果景物中有纯白的部分，那么就可以直接从这些像素中提取出光源信息。因为镜面或有光泽的平面本身不吸收光线，所以其反射的颜色即为光源的真实颜色，这是因为镜面或有光泽的平面的反射比函数在很长的一段波长范围内是保持不变的。完美反射法就是利用用这种特性来对图像进行调整。算法执行时，检测图像中亮度最高的像素并且将它作为参考白点。基于这种思想的方法都被称为是完美反射法，也称镜面法。通俗的意思就是整个图像中最亮的点就是白色或者镜面反射出来的，那么最亮的点就是光源的属性，但是该点本身应该是白点，以此为基础就可计算出gain值从而进行校正。完全反射法依赖于场景中有高光白块，对于没有白块的单调场景，色彩还原没有很好的效果。

发明内容

发明目的：针对图像在单调场景下，整体色温偏差，提出一种适用于单调场景下的图像白平衡方法，可以将颜色很好地还原出来。

技术方案：一种适用于单调场景下的图像白平衡方法，包括如下步骤：

步骤1：根据空间分割法判断待处理图像的整体颜色情况是否属于大面积的单色情况；

步骤2：通过空间距离法筛选出整幅图像像素相似度在90%以上的像素，然后分别计算筛选出像素的R、G、B三通道均值；

步骤3：根据步骤1，选取图像对应的标准单色作为参考，然后根据步骤2得到的所述三通道均值，利用比率差值法分别计算得到图像R、B通道的色彩差值Rc、Bc；

步骤4：根据图像R、B通道的色彩差值Rc、Bc以及各标准单色对应的R、B通道增益曲线，确定R通道与B通道的增益值Rgain、Bgain，然后将原始图像的R通道与B通道分别乘以增益值Rgain、Bgain，完成图像的白平衡校正。

进一步的，所述步骤1包括如下具体步骤：以R通道作为x轴，G通道作为y轴，B通道作为z轴，作出一个三维空间坐标系，每个通道的取值范围都是0-255；

若图像80%以上像素的R、B、G三通道值都在0-127内，则认为该图像属于大面积的黑色情况；

若图像80%以上像素的R通道值在127-255内，B、G通道值在0-127内，则认为该图像属于大面积的红色情况；

若图像80%以上像素的G通道值在127-255内，R、B通道值在0-127内，则认为该图像属于大面积的绿色情况；

若图像80%以上像素的R、G通道值在127-255内，B通道值在0-127内，则认为该图像属于大面积的黄色情况；

若图像80%以上像素的B通道值在127-255内，R、G通道值在0-127内，则认为该图像属于大面积的蓝色情况；

若图像80%以上像素的R、B通道值在127-255内，G通道值在0-127内，则认为该图像属于大面积的紫色情况；

若图像80%以上像素的B、G通道值在127-255内，R通道值在0-127内，则认为该图像属于大面积的青色情况；

若图像80%以上像素的R、G、B三通道值都在127-255内，则认为该图像属于大面积的白色情况。

进一步的，通过空间距离法筛选出整幅图像像素相似度在90%以上像素的方法包括如下步骤：

若图像属于大面积的某一单色情况，以该单色对应的标准单色的R、G、B三通道值为球心，以空间距离L为半径，在所述三维空间坐标系中设定一个球形区域，筛选出图像中落于所述球形区域的像素，根据下式计算落于所述球形区域内像素的相似度P：

P = (Pr + Pg + Pb)/3

式中，Pr、Pg、Pb分别为落于所述球形区域内像素R、G、B三通道的相似度；

式中，Rm、Gm、Bm分别为落于所述球形区域内像素R、G、B三通道的均值，Ri、Gi、Bi分别为落于所述球形区域内第i个像素的R、G、B三通道值，n为落于所述球形区域内像素的个数；

L的取值范围为0~127，相似度P随空间距离L的增大而减小，通过调整空间距离L值的大小，筛选出整幅图像像素相似度P在90%以上的像素。

进一步的，按下式分别计算得到图像R、B通道的色彩差值Rc、Bc：

Rc=Rb-Rm*Gb/Gm

Bc=Bb-Bm*Gb/Gm

式中，Rb、Gb、Bb分别为所述标准单色的R、G、B三通道值。

进一步的，各标准单色对应的所述R、B通道增益曲线获取方法包括如下步骤：

步骤A：对于各标准单色，在标准光源下分别获取标准色温校正曲线：

在照度均匀的色温箱中按照色温从低到高的顺序依次拍摄标准单色卡纸，并计算出每个色温下拍摄所得图像R、G、B三通道的均值Rm'、Gm'、Bm'；

根据标准单色的R、G、B三通道值Rb、Gb、Bb，按照下式分别对不同色温下拍摄所得图像进行校正：

Rm'' = Gb/Gm' '* Rm'

Gm'' = Gb

Bm ''= Gb/Gm' * Bm'

式中，Rm''、Gm''、Bm''分别为校正后的图像R、G、B三通道的均值；

然后按下式分别计算R通道和B通道对应的增益值Rgain、Bgain：

Rgain = Rb/Rm''

Bgain = Bb/Bm''

根据不同色温下拍摄所得图像得出多组Rgain、Bgain，以Rgian、Bgain绘制该标准单色对应的标准色温校正曲线；

步骤B：利用比率差值法得到R、B通道色彩差值与色温关系曲线：

对于各标准单色，按下式分别计算不同色温下拍摄标准单色卡纸所得图像R、B通道的色彩差值Rc'、Bc'：

Rc'=Rb-Rm'*Gb/Gm'

Bc'=Bb-Bm'*Gb/Gm'

根据不同色温下拍摄所得图像得出多组Rc'、Bc'，得到该标准单色对应的R、B通道色彩差值与色温关系曲线；

步骤C：根据所述标准色温校正曲线以及所述R、B通道色彩差值与色温关系曲线，得出各标准单色对应的所述R、B通道增益曲线，即色彩差值Rc'与增益值Rgain的关系曲线以及色彩差值Bc'与增益值Bgain的关系曲线。

有益效果：本发明方法对于主流图像自动白平衡算法难以处理的大面积单色场景作出了针对处理，首先对图像进行判断，如果图像处于大面积单色的场景则进行后续处理，本方法在单调场景下可以将颜色很好地还原出来；若图像不处于大面积单色的场景则可使用主流自动白平衡算法处理，因此本方法适配性强，可以与主流自动白平衡算法配合使用。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为三维空间坐标系及区域划分示意图；

图3为空间距离L与相似度P的关系曲线；

图4为标准黄色对应的标准色温下校正曲线，其中的(a)为色温-R通道校正曲线，(b)为色温-B通道校正曲线；

图5为标准黄色对应的R、B通道增益曲线，其中的(a)为R通道增益曲线，(b)为B通道增益曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种适用于单调场景下的图像白平衡方法，用于对一幅大面积单色的图像整体色温矫正，包括如下步骤：

步骤1：根据空间分割法判断待处理图像的整体颜色情况是否属于大面积的单色情况。

步骤2：通过空间距离法筛选出整幅图像像素相似度在90%以上的像素，然后分别计算筛选出像素的R、G、B三通道均值。

步骤3：根据步骤1，选取图像对应的标准单色作为参考，然后根据步骤2得到的所述三通道均值，利用比率差值法分别计算得到图像R、B通道的色彩差值Rc、Bc。

步骤4：根据图像R、B通道的色彩差值Rc、Bc以及各标准单色对应的R、B通道增益曲线，确定R通道与B通道的增益值Rgain、Bgain，然后将原始图像的R通道与B通道分别乘以增益值Rgain、Bgain，完成图像的白平衡校正。

步骤1包括如下具体步骤：以R通道作为x轴，G通道作为y轴，B通道作为z轴，作出一个三维空间坐标系，每个通道的取值范围都是0-255，如图2所示，将空间坐标系划分为8个区域。若图像80%以上像素的R、B、G三通道值都在0-127内，则认为该图像属于大面积的黑色情况；若图像80%以上像素的R通道值在127-255内，B、G通道值在0-127内，则认为该图像属于大面积的红色情况；若图像80%以上像素的G通道值在127-255内，R、B通道值在0-127内，则认为该图像属于大面积的绿色情况；若图像80%以上像素的R、G通道值在127-255内，B通道值在0-127内，则认为该图像属于大面积的黄色情况；若图像80%以上像素的B通道值在127-255内，R、G通道值在0-127内，则认为该图像属于大面积的蓝色情况；若图像80%以上像素的R、B通道值在127-255内，G通道值在0-127内，则认为该图像属于大面积的紫色情况；若图像80%以上像素的B、G通道值在127-255内，R通道值在0-127内，则认为该图像属于大面积的青色情况；若图像80%以上像素的R、G、B三通道值都在127-255内，则认为该图像属于大面积的白色情况。

步骤2中，通过空间距离法筛选出整幅图像像素相似度在90%以上像素的方法包括如下步骤：

若图像属于大面积的某一单色情况，以该单色对应的标准单色的R、G、B三通道值为球心，以空间距离L为半径，在三维空间坐标系中设定一个球形区域，筛选出图像中落于球形区域的像素，然后根据下式计算落于球形区域内像素的相似度P：

P = (Pr + Pg + Pb)/3

式中，Pr、Pg、Pb分别为落于球形区域内像素R、G、B三通道的相似度：

式中，Rm、Gm、Bm分别为落于球形区域内像素R、G、B三通道的均值，Ri、Gi、Bi分别为落于球形区域内第i个像素的R、G、B三通道值，n为落于球形区域内像素的个数。

L的取值范围为0~127，P的范围为0~1，假设图像属于大面积的黄色情况，在上述颜色空间中，以标准色黄色R、G、B三通道值（231，199，31）为球心，根据上述方法进行图像像素相似度筛选。做一个二维坐标系，以空间距离L为横轴，相似度P为纵轴，得到如图3所示空间距离L与相似度P的关系曲线。相似度P随空间距离L的增大而减小，通过调整空间距离L值的大小，筛选出整幅图像像素相似度P在90%以上的像素。

步骤3中，按下式分别计算得到图像R、B通道的色彩差值Rc、Bc：

Rc=Rb-Rm*Gb/Gm

Bc=Bb-Bm*Gb/Gm

式中，Rb、Gb、Bb分别为标准单色的R、G、B三通道值。

步骤4中，各标准单色对应的R、B通道增益曲线获取方法包括如下步骤：

步骤A：对于各标准单色，在标准光源下分别获取R通道和B通道的标准色温校正曲线：

在照度均匀的色温箱中按照色温从低到高的顺序依次拍摄标准单色卡纸，并计算出每个色温下拍摄所得图像R、G、B三通道的均值Rm'、Gm'、Bm'。

白平衡处理主要作用是消除色温对图像的影响，使图像色彩符合人眼观察的习惯，色温对图像的影响为：低色温使得图像偏红，高色温使得图像偏蓝。因此，本方法的白平衡处理主要是通过对原图像的R、B通道乘以适当的增益系数，使得图像色彩能够还原。由于色温主要对R、B通道产生影响，所以在计算相关增益时以G通道作为参照。

根据标准单色的R、G、B三通道值Rb、Gb、Bb，先校正G通道，并保持图像R、G、B三通道均值比例关系不变，按照下式分别对不同色温下拍摄所得图像进行校正：

Rm'' = Gb/Gm' * Rm'

Gm'' = Gb

Bm ''= Gb/Gm' * Bm'

式中，Rm''、Gm''、Bm''分别为校正后的图像R、G、B三通道的均值。然后按下式分别计算R通道和B通道对应的增益值Rgain、Bgain：

Rgain = Rb/Rm''

Bgain = Bb/Bm''

根据不同色温下拍摄所得图像得出多组Rgain、Bgain，以Rgian、Bgain绘制该标准单色对应的标准色温校正曲线。

以标准黄色色为例，根据上述方法得到黄色对应的标准色温下校正曲线如图4所示，其中的(a)为色温-R通道校正曲线，(b)为色温-B通道校正曲线。

步骤B：利用比率差值法得到R、B通道色彩差值与色温关系曲线：

对于各标准单色，将标准单色R、G、B三通道值中的Gb取出不动，将每个色温下拍摄所得图像R、G、B三通道的均值Rm'、Gm'、Bm'取出，将Gm'乘以一个系数v，调整到与标准单色的Gb值一致，将Rm'同样乘以系数v得到Rt值，再用Rb值减去Rt值，得Rc值；再将Bm'同样乘以系数v得Bt值，再用Bb值减去Bt值，得Bc值，对应过程数学表达式如下：

v=Gb/Gm'；Rt=Rm'*v；Rc=Rb-Rt；

即Rc'=Rb-Rm'*Gb/Gm'

v=Gb/Gm'；Bt=Bm'*v；Bc=Rb-Bt；

即Bc'=Bb-Bm'*Gb/Gm'

按上式分别计算不同色温下拍摄标准单色卡纸所得图像R、B通道的色彩差值Rc'、Bc'，根据不同色温下拍摄所得图像得出多组Rc'、Bc'，得到该标准单色对应的R、B通道色彩差值与色温关系曲线。

步骤C：根据步骤A得到的R通道和B通道的标准色温校正曲线以及步骤B得到的R、B通道色彩差值与色温关系曲线，从而得出各标准单色对应的R、B通道增益曲线，即色彩差值Rc'与增益值Rgain的关系曲线以及色彩差值Bc'与增益值Bgain的关系曲线。以标准黄色色为例，根据上述方法得到标准黄色对应的R、B通道增益曲线如图5所示，其中的(a)为R通道增益曲线，(b)为B通道增益曲线。

其中，待处理图像通过步骤3得到图像R、B通道的色彩差值Rc、Bc的原理同步骤B，区别在于计算时采用待处理图像像素相似度P在90%以上像素R、G、B三通道的均值Rm、Gm、Bm；在步骤4中，根据预先确认的标准单色对应的R、B通道增益曲线，即可得到Rc、Bc值对应的Rgain、Bgain值。

本发明中用到的8个标准单色作及其R、G、B三通道值分别为：红色(175,54,60),绿色(70,148,73)、蓝色(56,61,150)、黑色(52,52,52)、白色(243,243,242)、紫色(187,86,149)、黄色(231,199,31)、青色(8,133,161)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种适用于单调场景下的图像白平衡方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据空间分割法判断待处理图像的整体颜色情况是否属于大面积的单色情况；

步骤2：通过空间距离法筛选出整幅图像像素相似度在90%以上的像素，然后分别计算筛选出像素的R、G、B三通道均值；

步骤3：根据步骤1，选取图像对应的标准单色作为参考，然后根据步骤2得到的所述三通道均值，利用比率差值法分别计算得到图像R、B通道的色彩差值Rc、Bc；

步骤4：根据图像R、B通道的色彩差值Rc、Bc以及各标准单色对应的R、B通道增益曲线，确定R通道与B通道的增益值Rgain、Bgain，然后将原始图像的R通道与B通道分别乘以增益值Rgain、Bgain，完成图像的白平衡校正；

所述步骤2中，通过空间距离法筛选出整幅图像像素相似度在90%以上像素的方法包括如下步骤：

若图像属于大面积的某一单色情况，以该单色对应的标准单色的R、G、B三通道值为球心，以空间距离L为半径，在三维空间坐标系中设定一个球形区域，筛选出图像中落于所述球形区域的像素，根据下式计算落于所述球形区域内像素的相似度P：

P = (Pr + Pg + Pb)/3

式中，Pr、Pg、Pb分别为落于所述球形区域内像素R、G、B三通道的相似度；

式中，Rm、Gm、Bm分别为落于所述球形区域内像素R、G、B三通道的均值，Ri、Gi、Bi分别为落于所述球形区域内第i个像素的R、G、B三通道值，n为落于所述球形区域内像素的个数；

L的取值范围为0~127，相似度P随空间距离L的增大而减小，通过调整空间距离L值的大小，筛选出整幅图像像素相似度P在90%以上的像素；

所述步骤3中，按下式分别计算得到图像R、B通道的色彩差值Rc、Bc：

Rc=Rb-Rm*Gb/Gm

Bc=Bb-Bm*Gb/Gm

式中，Rb、Gb、Bb分别为所述标准单色的R、G、B三通道值；

各标准单色对应的所述R、B通道增益曲线获取方法包括如下步骤：

步骤A：对于各标准单色，在标准光源下分别获取标准色温校正曲线：

在照度均匀的色温箱中按照色温从低到高的顺序依次拍摄标准单色卡纸，并计算出每个色温下拍摄所得图像R、G、B三通道的均值Rm'、Gm'、Bm'；

根据标准单色的R、G、B三通道值Rb、Gb、Bb，按照下式分别对不同色温下拍摄所得图像进行校正：

Rm'' = Gb/Gm' * Rm'

Gm'' = Gb

Bm ''= Gb/Gm' * Bm'

式中，Rm''、Gm''、Bm''分别为校正后的图像R、G、B三通道的均值；

然后按下式分别计算R通道和B通道对应的增益值Rgain、Bgain：

Rgain = Rb/Rm''

Bgain = Bb/Bm''

根据不同色温下拍摄所得图像得出多组Rgain、Bgain，以Rgian、Bgain绘制该标准单色对应的标准色温校正曲线；

步骤B：利用比率差值法得到R、B通道色彩差值与色温关系曲线：

对于各标准单色，按下式分别计算不同色温下拍摄标准单色卡纸所得图像R、B通道的色彩差值Rc'、Bc'：

Rc'=Rb-Rm'*Gb/Gm'

Bc'=Bb-Bm'*Gb/Gm'

根据不同色温下拍摄所得图像得出多组Rc'、Bc'，得到该标准单色对应的R、B通道色彩差值与色温关系曲线；

步骤C：根据所述标准色温校正曲线以及所述R、B通道色彩差值与色温关系曲线，得出各标准单色对应的所述R、B通道增益曲线，即色彩差值Rc'与增益值Rgain的关系曲线以及色彩差值Bc'与增益值Bgain的关系曲线。

2.根据权利要求1所述适用于单调场景下的图像白平衡方法，其特征在于，所述步骤1包括如下具体步骤：以R通道作为x轴，G通道作为y轴，B通道作为z轴，作出一个三维空间坐标系，每个通道的取值范围都是0-255；

若图像80%以上像素的R、B、G三通道值都在0-127内，则认为该图像属于大面积的黑色情况；

若图像80%以上像素的R通道值在127-255内，B、G通道值在0-127内，则认为该图像属于大面积的红色情况；

若图像80%以上像素的G通道值在127-255内，R、B通道值在0-127内，则认为该图像属于大面积的绿色情况；

若图像80%以上像素的R、G通道值在127-255内，B通道值在0-127内，则认为该图像属于大面积的黄色情况；

若图像80%以上像素的B通道值在127-255内，R、G通道值在0-127内，则认为该图像属于大面积的蓝色情况；

若图像80%以上像素的R、B通道值在127-255内，G通道值在0-127内，则认为该图像属于大面积的紫色情况；

若图像80%以上像素的B、G通道值在127-255内，R通道值在0-127内，则认为该图像属于大面积的青色情况；

若图像80%以上像素的R、G、B三通道值都在127-255内，则认为该图像属于大面积的白色情况。

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