紋理傳遞在lαβ色彩空間中的實現

(云南大學 計算機科學與工程學系， 云南 昆明 650091)

摘 要：比較了lαβ色彩空間與其他顏色模型的特點，闡述了lαβ色彩空間在圖像處理中的應用，包括顏色傳遞技術和圖像類比技術。

關鍵詞：lαβ色彩模型； 亮度； 色度； 紋理傳輸； 圖像類比 

中圖法分類號： TP391 文獻標識碼： A

文章編號： 1001 3695(2006)08 0155 02

Realization of Texture Transfer inlαβ Color Model

QIAN Wen hua，XU Dan， YUAN Guo wu

(Dept. of Computer Science Engineering， Yunnan University， Kunming Yunnan 650091， China)

Abstract: The lαβmodel and other color models are compared.After that， some applications inlαβ color model are introduced in detail， such as adjusting of image’ s color and luminance and image analogy.

Key words: lαβ Color Model; Luminance; Tune; Texture Transfer; Image Analogy

一個顏色模型是一種在特定上下文中對顏色的特性和行為的解釋方法，常用的顏色模型為RGB，YIQ，CMY，HSV等。沒有哪一種顏色模型能解釋所有的顏色問題，通常使用的顏色空間在圖像的三個通道之間往往會存在一定的相關性，這就意味著如果希望以一致的方式對圖像的顏色和亮度進行改變，則必須同時對圖像的三個顏色通道進行修改，這樣往往使得圖像的顏色和亮度校正變得復雜。

Ruderman提出了一個稱為lαβ 的色彩空間[1]，它對于大多數自然場景的圖像來說具有通道之間的相關性最小的特點。根據這個特點，可以對不同的通道進行單獨的校

正操作，而且可以保證跨通道的瑕疵現象不會發生。這就為圖像信息的處理提供了方便，有利于紋理傳遞、圖像類比等技術的實現。因此需要把RGB色彩空間轉換到lαβ 色彩空間。

1RGB色彩空間與 l αβ色彩空間的轉換

由于lαβ色彩空間是LMS色彩空間的一種變形，所以需要把圖像從RGB色彩空間轉換到LMS色彩空間，然后再從LMS色彩空間轉換到lαβ色彩空間[2]。

把圖像從RGB色彩空間轉換到LMS色彩空間的轉換公式為

由于數據在這個色彩空間里存在很大的偏移[3]，為了消除這些偏移需要把圖像從線性LMS色彩空間轉換到對數LMS空間：

在進行變換之后，可利用lαβ色彩空間對圖像進行顏色傳遞和圖像類比技術的實現。

2l αβ 色彩空間的圖像處理

2.1顏色傳遞

在藝術效果的處理過程中，為了使兩幅圖像的顏色和亮度更加接近，可以把一幅圖像的顏色和亮度特征轉換到另一幅圖像上去。顏色和亮度校正的目的是使得合成圖像的顏色和亮度與目標圖像的顏色和亮度相一致，這意味著合成圖像在lαβ色彩空間中的數據分布和目標圖像在lαβ色彩空間中的數據分布相一致[3]。

本文主要使用圖像數據在lαβ色彩空間中的均值和標準偏差來衡量圖像的數據分布。假設要對圖像I₀和I₁進行顏色和亮度校正。首先選擇圖像I₀作為參考圖像，然后把圖像II₀和圖像I₁從RGB色彩空間轉換到lαβ色彩空間。在lαβ 色彩空間里首先對圖像I₁中的每一個像素減去其數據分布的均值:

2.2圖像類比

圖像類比技術是輸入一幅具有藝術效果的圖像和一幅目標圖像，利用人對圖像光照信息的改變最為敏感的特點，對目標圖像的光照信息進行轉換，得到具有與輸入藝術效果相同類型的藝術圖像。具體的步驟如下：

(1)利用式(1)～式(3)將輸入的圖像I₀和輸入目標圖像I₁轉換到lαβ色彩空間。

(2)利用式(7)～式(10)使目標圖像I₁的亮度直方圖具有與圖像I₀相同的亮度直方圖。

(3)將目標圖像和輸入圖像分塊，對目標圖像中的每一小塊，在輸入圖像中尋找與該塊最匹配的紋理塊，將這兩塊的特征進行合并填充到輸出圖像。在查找匹配塊時，利用兩紋理塊的亮度信息找出他們所有對應像素亮度值差別最小的塊（如式(11)），將這一塊的亮度填充到輸出圖像中(即l通道的信息)，該塊輸出圖像的色彩值則用目標圖像的顏色值進行填充(即αβ通道的信息)。如此重復，直到得到最后的輸出圖像。

(4)最小國界的尋找和匹配。在塊與塊的接縫處，利用Efros的最小邊界求取算法(式(12))得到最后的具有藝術效果的輸出圖像。

其中Ｍ的重疊區域的高度，E_color是相鄰兩幅圖像重疊區域內對應像素的顏色差值。E_color是相對應的像素結構差值。這里我們使用兩個改進的Sobel加權算子S_x和S_y來求取x和y方向上的結構差：

用同樣的方法可以求出S_y。

最佳縫合線的求取過程為：把重疊區域內第一行的第i個像素作為第i條縫合線的起始像素，根據式(13)對每一條縫合線的當前點以及與該點緊鄰的下一行中的三個像素值求取顏色差值和結構差值，從中選取最小的計算結果，并以求得最小值的像素的位置作為新的當前點，繼續求解下一行的三個相鄰像素。記錄求取的像素位置作為一條縫合線，從得到的N條縫合線中選取值最小的一條作為拼接縫合線，如圖2所示。通過紋理合成和亮度層的傳輸，可以得到與參考圖像相同的藝術效果圖，分別表示了點彩派與圖畫的藝術風格，如圖2(d)、圖2(f)所示。

3 結束語

本文介紹了lαβ色彩模型的特點及與RGB色彩空間之間的轉換方法，并通過lαβ色彩模型對圖像實現了顏色的傳遞和圖像類比。由于lαβ色彩模型使得三個通道之間的相關性最小，在圖像處理中將得到廣泛的應用。將來所做的工作將從保持紋理的局部特性和全局特性的角度考慮，從曲面紋理合成和三維紋理合成的角度探索新的方法。

參考文獻：

[1]D L Ruderman， T W Cronin， C C Chiao.Statistics of Cone Responses to Natural Images: Implications for Visual Coding [J]. Journal of the Optical Soc. of merica，1998，15(8):2036-2045.

[2]G Wyszecki，W S Stiles. Color Science: Concepts and Methods， uantitative Data and Formulate (2nd edition)[M].New York:John Wiley Sons，1982.

[3]陳明偉.全景拼圖算法研究[D].昆明：云南大學，2005.25-36.

[4]Chi Zhigang.Image Segmentation Considering Intensity Roughness and Color Purity[J].Journal of Software，2002，13(5):907-912.

[5]A Lexei A Efros， William T Freeman. Image Quilting for Texture Synthesis and Transfer [C].Los Angels：ACM SIGGRAPH，2001.341-346.

作者簡介：錢文華(1980-)，男，云南曲靖人，助教，主要從事圖像處理、紋理合成、計算機非真實感等方面的研究；徐丹(1968-)，女，江蘇無錫人，教授，博導，主要從事基于圖像的建模與繪制、真實感繪制、虛擬現實、非真實感繪制等方面的研究工作；袁國武(1978-)，男，云南宜良人，助教，主要從事數字圖像處理、掌紋識別、計算機動畫等方面的研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。