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色彩在图像处理中扮演何种角色?

几乎每个人都会将色彩的概念与个人经历联系在一起。我们的人眼可以识别数百万种色泽,这一点也为人类的进化过程带来许多优势——毕竟正是凭借我们的彩色视觉,人类才能将安全的食物与有害或变质的物质区分开来。因此,在许多需要人眼进行最终解读的图像处理应用中,开发人员都专门针对人类的视觉特点来对色彩重现功能进行了优化。

色彩是什么?

波长在380 nm至780 nm之间的电磁波可以让人类形成对色彩的印象。尽管人眼无法识别超过此范围的电磁波,然而通过特殊的技术设备,还是能够探测到这些波段。我们的眼睛借助具备三种不同色彩敏感度的受体,就能察觉到可见的波长范围,并由大脑将这些信号处理成色彩印象。

通过棱镜获取的可见色谱
通过棱镜获取的可见色谱

黑白图像的功能通常已经绰绰有余

黑白相机甚至也能够区分彩色糖果 黑白相机甚至也能够区分彩色糖果

用彩色相机创造色彩信息并非一件微不足道的事情:以最简单的形式来讲,一台常规彩色相机需要2x2像素的信息来计算“拜耳图形”中一个像素的色值,即所谓的“2x2去拜耳化”。由于使用了插值处理,2x2矩阵的效果相对而言并不理想。而3x3或更高矩阵的使用频率更高。黑白相机以更为线性的方式来获取每个像素的信息,即从1:1的像素阵列中获取。

然而事实上,人的眼睛非常灵活,人们并非总需要依靠自身的能力才能看见色彩。通常,感知对象的亮度值所提供的信息就已经足够,这一点与图像处理的过程很相似。许多情况下,通过彩色相机描绘色彩这一做法并非必需。也可以通过对应用要求进行仔细分析,从而避免与之相关的技术难点。

在图像处理链中,许多应用完全可以无需获取色彩信息。而在其他应用中,借助彩色光源或彩色滤光片,即可通过黑白相机创造一种选择性色彩信息。例如,当使用红色光时,红色对象中的绿色区域会显示为黑色。

色彩已日渐成为重要的主题

虽然如此,人们对彩色相机的需求也越来越高。人们之所以对这方面产生强烈意愿,可能是由于新型应用中的图像不再仅局限于基于电脑的分析,人眼也对图像的质量有所要求。再者,图像提供的额外色彩信息让图像处理和分析的用途变得更为广阔多样。

使用彩色相机的应用领域

检测任务示例:打印检测需要使用彩色相机
检测任务示例:打印检测需要使用彩色相机

打印检测领域是工业色彩图像处理的一个例子。借助高科技的发展,如今的打印检测处理已经实现自动化。基于相机的灵巧检测系统可用于检测如标签和包装等应用。控制显色效果是一项至关重要的任务。例如,在检测食品包装时,这些食物必须让消费者感觉“香脆”和“新鲜”,以提升消费者的购买欲。

检测系统需要根据优化、标准化的色彩描绘来检查色彩。只有通过这种方法才能确保在呈现相同的色彩数据时,不同的设备和系统仍然能够产生一致的效果。人类正是负责衡量一切事物的“用户”:例如在印刷行业中,人眼需要在显示器上执行最终的打印图像控制步骤。我们的视觉器官十分灵敏,可以识别细致入微的偏差。因此,显示器的显色效果必须尽可能地贴近真实情况,以免产生错误。

与此类似的应用数量非常多,高精度的色彩就是这些应用中的关键因素。

借助色彩技术拍到的眼科视网膜图像
借助色彩技术拍到的眼科视网膜图像

总结

色彩是一个重要的信息媒介,可适用于许多应用,负责在图像处理过程中执行检测任务。然而,人类的大脑有着巨大的潜力来处理彩色图像,往往这也意味着我们低估了正确对彩色图像进行图像处理的工作难度。所幸的是,许多应用仅需黑白相机即可满足任务要求。而在其他需要用到彩色相机的情况中,彩色相机中的一些有用功能可以确保在处理彩色图像的同时,不会对处理器带来更高的负荷。