一種新型的快速色彩平衡算法

王朝輝，尚 華

(武漢科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

在圖像采集的過程中，由于不同光照下獲取的圖片顏色值差異較大，對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)者提出了通過色彩平衡來解決這個難點(diǎn)。色彩平衡是一種通過全局調(diào)整圖像的RGB顏色信息使得圖片中出現(xiàn)色偏的顏色正常化的方法。學(xué)術(shù)界中提出的較普遍的算法有灰平衡、中性平衡或白平衡算法[1-3]。圖像處理過程中，假設(shè)原來圖像中某些像素點(diǎn)是白色的，但由于圖像獲取過程中由于光線照射等原因產(chǎn)生色偏現(xiàn)象，使得這些像素點(diǎn)的R、G、B值不再保持相同。WANG[4]提出了白平衡算法，即通過調(diào)整R、G、B三個分量的值使之達(dá)到平衡，然后按照這個調(diào)整比例對整幅圖像進(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，首先取一個最大值Vmax和一個最小值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，則通過擴(kuò)大顏色值的范圍，圖像就會變亮。例如，閃電的主要顏色是R和 G，那么通過色彩平衡就要增強(qiáng) B，這樣會減少一些微黃色色調(diào)，圖像會更亮一些，不但增加了畫面的和諧性，而且使圖像看起來更自然。

綜上所述，本算法的目的是增加R、G、B三個顏色通道的顏色值，并使它們的范圍保持在[0，255]。最簡單的實(shí)現(xiàn)方式就是給每個通道ax+b的顏色值。其中，a、b是比例因子，需要通過計(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)常會遇到顏色值為0或255的像素。在本算法中，需要將這些點(diǎn)稍微優(yōu)化一下，因?yàn)檫\(yùn)用本算法會產(chǎn)生全白或全黑的區(qū)域，但不必?fù)?dān)心優(yōu)化這些點(diǎn)會產(chǎn)生很大的影響。因?yàn)橥环鶊D上顏色相近的點(diǎn)有很多，只需要將這些點(diǎn)的值改為與它們顏色最接近的點(diǎn)的值就可以了。實(shí)際需要優(yōu)化的點(diǎn)或許很多，或許只有一個，不好確定確切的數(shù)目，所以必須用優(yōu)化率來決定究竟要改變多少個點(diǎn)的值。假設(shè)一幅圖像上有N個像素點(diǎn)，優(yōu)化率為 s，則需要優(yōu)化 N×s個點(diǎn)，并使 0＜N×s＜255。優(yōu)化率的選取不能太大，因?yàn)樾枰獌?yōu)化的點(diǎn)通常只占很少一部分。

2 新型色彩平衡算法實(shí)現(xiàn)過程

本文介紹了排序和直方圖兩種改進(jìn)的算法來實(shí)現(xiàn)色彩平衡的過程，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

將N個像素存入矩陣，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：

可由式(1)、式(2)推導(dǎo)出：

2.2 直方圖算法

N個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：

可由式(3)、式(4)推導(dǎo)出：

對于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的速度非常快，其速度可與二分法媲美。

但對于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。但有一種情況例外：如果圖像是純色的，即所有像素含有相同的值v，則比v大和比v小的像素?cái)?shù)量都是0，不論 s取何值，Vmin=Vmax，這種情況下不能使用本算法。

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。

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，通過獲取一個由優(yōu)化率s決定的區(qū)間[Vmin，Vmax]，然后將這個區(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明、快速。

[1]MARC E.Color constancy[M].111 River Street Hoboken，NJ.John Wiley&Sons，2007.

[2]Wikipedia Contributors.Color balance[OL].Wikipedia，The Free Encyclopedia.http：//en.wikipedia.org/w/index.php?title=Color_balance&oldid=336334367.2010.

[3]JONATHAN S.Color balancing techniques[J].Digital Light&Color， 2007(1)：1-19.

[4]WANG Y G，GAO N Y.Color balance in color image[J].Computer and Information Technology， 2009(1)：101-102.

[5]HSIEN C L.Introduction to color imaging science[J].Cambridge University Press， 2005(1)：450.