激光光斑圖像偽彩色處理方法研究

胡維星　張海莊　彭閣鵬　李鵬　曾慶平

摘要：激光光斑灰度圖像分辨率較低、可視化效果差，為了提高激光光斑圖像的顯示分辨率，根據人眼對彩色圖像非常敏感的特性，利用RGB三基色機理，采用映射函數將黑白圖像256個灰度級轉化為按可見光譜中彩色光的波長來表示的偽彩色圖像，從而實現了激光光斑灰度圖像的偽彩色處理。通過激光光斑灰色圖像和偽彩色圖像的比較可知，偽彩色光斑圖像內部細節清晰、分辨率較高，視覺效果也比較自然，更能夠全面生動地體現激光光斑圖像所表示的相關信息。

關鍵詞：激光光斑圖像； 偽彩色處理； 彩色圖像； 空間域

中圖分類號：TN247?34 文獻標識碼：A 文章編號：1004?373X（2013）02?0026?03

0 引 言

人類傳遞的信息有70%是視覺信息，圖像信息是傳遞信息的重要媒體和手段[1]，激光光斑的圖像中蘊含著激光的各種參數信息，包括激光的發散角、激光的強度、能量密度分布等重要的激光特性參數。但在實際應用中，直接采集到的激光光斑圖像都是灰度圖像[2-3]，例如，常用的攝像法采集處理得到的激光光斑圖像都是灰度圖像[4]，人眼對不同等級的灰度分辯能力是較差的，一般只能區分幾十余種灰度。

人眼對彩色卻非常敏感，能辨別出成千上萬種不同的顏色[5?7]。因此，若能把顯示或記錄時黑白圖象的各種灰度值按照一種函數關系映射成相應強度值的彩色圖像，無疑可極大地提高激光光斑圖象的分辯率。本文重點對激光光斑圖像的偽彩色處理方法進行研究，以實現光斑灰度圖像的偽彩色顯示，提高光斑圖像的顯示分辨率。

1 偽彩色變換原理

目前數字圖像存儲格式種類很多，根據需求不同可分為PEG格式、PCX格式、TIF格式、GIF格式、RAWJ格式、BMP格式等，其中BMP格式圖像是采用RGB顏色模式，能夠存貯灰度圖像、256色彩色等類型的圖像。激光光斑灰度圖像由于色彩單一，人眼很難直接清楚地灰度圖像中看出激光通過大氣傳輸之后的光強分布情況，不利于事后的分析處理，所以有必要對激光光斑的灰度圖像進行偽彩色處理。

彩色變換是一種很好的圖像顯示增強技術，灰度圖像偽彩色處理就是根據圖像亮度的不同對圖像細節進行加工處理，最終得到視覺效果更好、更有助于人眼識別、應用更方便的圖像。根據所采用變化方法的不同，可分為偽彩色圖像變換和假彩色圖像變換。將一幅彩色圖像映射為另一幅彩色圖像的變換方法稱為假彩色變換，而將一幅灰度圖像映射為一幅彩色圖像的變換方式稱為偽彩色變換[8]。偽彩色變換就是把圖像的各個灰度值按一定的線性或非線性函數關系映射成相應的顏色，不同的灰度級對應不同的色彩[9]?；叶葓D像變換為偽彩色圖像，圖像中像素的位置并不改變，只是將灰度圖像中不同亮度的值變換為隊員的彩色，是圖像處理中一種比較實用的技術手段。灰度圖像偽彩色變換方法根據圖像應用方面的需求可分為頻率域和空間域兩種。

頻率域偽彩色變換法主要采用頻率濾波的法進行圖像處理，變化實現的偽彩色圖像與原灰色圖像的空間頻率成分相關，而與灰度圖像的灰度級無關?？臻g域偽彩色變換實現方法很多，如互補色法、密度分層法、灰度級一彩色變換法等?；パa色法是利用灰度圖像和彩色圖像的對應關系，將灰度圖像中相鄰的灰度級設置為互補顏色，以實現圖像色彩的變換。密度分層法是人為地把灰度圖像中不同灰度級的像素設置為不同的顏色，由于灰度級區分和設置方法的不同，決定了互補色法是不連續的偽彩色圖像處理方法，這種方法比較煩瑣、費時，應用范圍很少。灰度級一彩色變換法則是一種連續的偽彩色處理技術，實質上是建立圖像的灰度級與顏色的一種影射關系。彩色圖像是由紅（R）、綠（G）、藍（B）三基色疊加而成，每一基色便是一幅灰度圖，因此，彩色增強可以說是建立在灰度圖增強基礎上的。

2 激光光斑圖像偽彩色處理方法

人的視覺特性決定了人眼對灰度圖像的分辨力較差，而對彩色圖像的分辨力遠高，所以將采集到的激光光斑灰度圖像按照偽彩色變換方法轉換為彩色圖像，能夠極大地提高光斑圖像內部蘊含的激光特性參數信息。偽彩色變換處理方法都是直接基于RGB三基色空間實現的，灰度級一彩色變換法更為通用，它使用的是光滑的非線性變換函數，能得到比密度分割法范圍更寬的偽彩色增強結果。變換函數的選擇是灰度級一彩色變換法的關鍵，目前主要以選取絕對值的正弦函數作為變換函數為主。

根據色度學原理，任何一種顏色都可以由紅（R）、綠（G）、藍（B）三基色按不同的比例來合成，因此，偽彩色處理首先要設定紅、綠、藍三個變換函數，對應每一個像素都有相應的紅、綠、藍輸出，之后三者又合成一個顏色[9]，如圖1所示。

灰度級一彩色變換法是在每個像素所對應的灰度級上構建三個變換函數，每個變換函數再進行一次獨立變換，用以表示RGB三基色強度，變換過程所用方程如下[10]：

圖2 激光光斑的灰度圖像

圖3的激光光斑偽彩色圖像是一幅單色圖像陣列的色彩映射，它傾向于增強圖像內細節的可檢測性。這種加偽彩色處理的光斑圖像能夠滿足人類視覺的統計特性，視覺效果也比較自然。

通過比較可以看出，偽彩色處理的光斑圖像比灰度圖像具有明顯的高分辨率，圖像的可視性也明顯的得到了提高。

圖3 激光光斑的偽彩色圖像

3 結 語

根據人眼對顏色的分辨力遠超過對灰度等級的分辨力的特性，本文通過灰度級一彩色變換法將激光光斑的灰度圖像轉換為色彩連續變化的偽彩色圖像，極大地提高圖像的顯示分辨率，以反映光斑不同區域能量分布的相對大小和位置，方便觀察激光的能量分布，突出了光斑的特征，為光束質量的評判提供了重要依據。

參考文獻

[1] LLADOS J，MARTI E VILLANUEVA J. Symbol recognition by error?tolerant subgraph matching between region adjacency graphs [J]. Pattern Analysis and Machine Intelligence， 2001， 23（10）： 1137?1143.

[2] KIM Y O，PAIK J，JINGU H. Automatic face region tracking for highly accurate face recognition in unconstrained environments [J]. Advanced Video and Signal， 2003， 21（2）： 29?36.

[3] 富容國，常本康，劉淑榮.1.06 μm激光光斑中心的計算機分析[J].光電子技術與信息，2004，17（2）：26?29.

[4] 李鐘敏，張海莊，趙綱，等. CCD攝像法測量激光遠場光斑中圖像校正和能量修正算法研究[J].光學與光電技術，2011，9（2）：19?21.

[5] 張麗，陳志強.色彩調和理論在輻射成像的偽彩色處理中的應[J].核電子學與探測技術，2000，20（5）：233?235.

[6] 張海莊，劉志林，薛飛，等.激光光斑測量系統的電路設計與實現[J].現代電子技術，2011，34（11）：142?147.

[7] 曹勇，熊偉，沈斌，等.激光干涉原理在振動測量中的應用[J].現代電子技術，2009，32（21）：210?212.

[8] 范留明，李寧，丁衛華.數字圖像偽彩色增強方法在巖土CT圖像分析中的應用[J].巖土力學與工程學報，2004，23（13）：2257?2261.

[9] 方海濤，黃德雙.激光光斑能量分布的三維偽彩色可視化方法[J].光電工程，2004，31（10）：61?64.

[10] 張文巒，梁敏，李言俊.一種改進的偽彩色圖像融合方法[J].探測與控制學報，2007，29（1）48?51.