Какую роль играет цвет в сфере обработки изображений?

Практически для всех нас понятие цвета связано с глубоко субъективным восприятием. Способность человеческого глаза различать миллионы оттенков очень пригодилась нам в процессе эволюции — в конце концов, благодаря цветному зрению мы можем безопасно отличать съедобные предметы от несъедобных или испорченных. Именно поэтому в системах обработки изображений, где за окончательную интерпретацию изображения отвечает человек, цветопередача должна быть адаптирована под зрительное восприятие человеческого глаза.

Что такое цвет?

Человеческий глаз воспринимает цвета в диапазоне электромагнитных волн от 380 до 780 нм. Хотя волны за пределами этого диапазона невидимы для человеческого глаза, они могут быть обнаружены с помощью специальных технических устройств. Наши глаза воспринимают видимый для нас диапазон рецепторами, чувствительными к трем различным цветам. Наш мозг обрабатывает полученные от рецепторов сигналы, формируя цветовое восприятие.

Спектр видимого излучения при прохождении луча через призму

Нередко достаточно монохромного изображения

С помощью монохромной камеры можно даже сортировать разноцветные конфеты

Создание цветовой информации цветной камерой представляет собой довольно нетривиальный процесс: в простейшем варианте обычной цветной камере для вычисления цветового значения пикселя по шаблону Байера необходимы данные от двух прилегающих пикселей (так называемая дебайеризация 2x2). Поскольку происходит интерполяция, качество цветопередачи при использовании шаблона 2x2 относительно низкое. Чаще всего используется шаблон Байера 3x3 или больше. В монохромной камере информация от каждого пикселя из массива передается линейно, то есть 1:1.

Однако человеческий глаз — универсальный инструмент. Нам не всегда нужна наша способность различать цвета: часто для восприятия объектов достаточно информации, обеспечиваемой значениями яркости. Эта концепция имеет много параллелей с обработкой изображений. Во многих случаях после тщательного изучения требований к системе оказывается, что воссоздание цветов цветной камерой не является необходимым шагом, и связанных с этим процессом технических трудностей можно избежать.

Во многих системах машинного зрения можно полностью отказаться от цветовой информации в цепочке обработки изображений. В других можно получать избирательную цветовую информацию с помощью монохромной камеры благодаря цветному освещению или цветным фильтрам: например, зеленые участки на красных предметах будут выглядеть черными, если использовать красное освещение.

Сфера применения цветных камер расширяется

Так или иначе, спрос на цветные камеры растет. Этот повышенный интерес объясняется появлением новых задач, в целях решения которых изображения не просто передаются на компьютерный анализ, но также должны быть достаточно высокого качества для восприятия человеческим глазом. Кроме того, дополнительная цветовая информация открывает более широкие и богатые возможности с точки зрения анализа и обработки изображений.

Области применения цветных камер

Пример задачи оптического контроля (контроль качества печатной продукции), для которой необходима цветная камера.

В качестве примера применения промышленных систем машинного зрения с цветными камерами можно привести контроль качества печатной продукции. Благодаря высоким технологиям контроль качества печатной продукции в настоящее время осуществляется в рамках автоматизированного процесса. Задачи оптического контроля — например, этикеток и упаковки — выполняются с помощью систем на базе камер. Обеспечение точности цветопередачи является особенно важной задачей — например, в контроле качества упаковки продуктов питания, когда товар должен восприниматься потребителем как «хрустящий» и «свежий» для увеличения покупательского стимула.

Системы контроля, в основу которых положена проверка цветов, опираются на оптимизированное, стандартизированное описание цветов, поскольку это единственный способ обеспечить одинаковые результаты для различных устройств и систем, анализирующих цветовые данные. «Потребителем» и мерилом всего является человек: в полиграфической промышленности, например, контроль окончательного печатного изображения выполняется человеком на мониторе. Наши органы зрения настолько чувствительны к малейшим отклонениям, что во избежание ошибок цветопередача монитора должна быть максимально реалистичной.

Это лишь один из примеров, когда высокая точность цветопередачи является решающим фактором.

Использование цветных камер в офтальмологии (изображение сетчатки)

Резюме

Цвет несет в себе важную информационную составляющую и необходим для выполнения задач автоматизированного оптического контроля системами машинного зрения самого разнообразного назначения. Однако возможности человеческого мозга по восприятию цветных изображений настолько широки, что зачастую мы не отдаем себе отчета, насколько трудно добиться правильной обработки цветных изображений. К счастью, для многих систем машинного зрения достаточно монохромной камеры. В других случаях, если действительно требуется цветное изображение, во многих цветных камерах предусмотрены полезные функции, с помощью которых осуществляется точная обработка цветных изображений без создания дополнительной нагрузки на процессор.