异常色觉者的分类颜色恒常性机制与图像重着色算法研究

作     者：高强 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：强彦;程雪岗

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：颜色视觉 异常色觉 检测和分类 分类颜色恒常性 表面光泽度 图像重着色 

摘      要：红绿色觉异常者由于遗传基因的变异,视网膜中的L或M锥体发生缺失或变异,红绿颜色辨别能力下降,使其从彩色图像中接收信息的能力受到不同程度的影响。然而现今社会,各种类型的终端显示设备,如电脑、手机等中显示的彩色图像,已经逐渐成为了信息传递的载体,异常色觉人群的生活质量受到很大影响。因此基于异常色觉者的颜色感知机制设计图像重着色算法来提高这类人群从彩色图像中获取信息的能力是亟需进行的科研课题。分类颜色恒常性是颜色感知机制研究中非常重要的一部分,已经有很长的研究历史,然而大部分研究使用半光泽表面作为刺激物,且研究对象一般为正常色觉者。因此,将表面光泽度以及异常色觉者与分类颜色恒常性进行整体讨论对于异常色觉者的颜色感知机制研究具有重要意义。在此基础上,进行的图像重着色算法研究也是目前急需解决的问题。然而目前国内外的图像重着色算法均是从计算机图像处理算法角度出发提出的解决方案,没有从异常色觉者的视觉感知特性出发,也没有区分异常色觉者的色觉类型。因此,针对不同类型异常色觉者进行的基于视觉感知特性的图像重着色算法的研究具有重要意义。从以上描述可以看出,进行该课题研究的前提是对异常色觉者进行准确的分类,然而目前已有的色觉类型测验工具复杂多样。因此对不同测验工具的适用性进行研究具有重要意义。基于上述问题,本文设计了相关实验研究了各类色觉类型测验工具的适用性、表面光泽度对分类颜色恒常性的影响程度、异常色觉者的分类颜色恒常性表现、以及针对异常色觉者的图像重着色算法。主要包括四部分:(1)色相测验和色盲检查镜对异常色觉的检测和分类研究异常色觉检测和分类经常在入职体检、异常色觉计算机辅助识别系统和颜色视觉机制基础研究中使用。本文在第3.1小节中,对22名异常色觉者(8名绿色盲、2名红色盲、6名绿色弱、6名红色弱)进行了D-15、FM 100-Hue和Neitz色盲检查镜测验。通过比较D-15、FM 100-Hue和色盲检查镜的测验结果,指出了色相测验在异常色觉检测和分类时存在的局限性,为各个领域内异常色觉检测和分类提供了参考依据。(2)真实场景中物体表面光泽度对分类颜色恒常性的影响研究分类颜色恒常性已被广泛研究,并且发现具有鲁棒性。表面光泽度作为物体的材料特性之一,在自然观察条件下几乎不会对颜色恒常性产生影响。本文在第3.2小节中,要求8名观察者在一个具有均匀灰色背景的标准多光源箱中,在D65、F和TL84光源下,对208个Munsell半光泽度色卡和260个Munsell全光泽度色卡进行分类,来研究表面光泽度对分类颜色恒常性的影响。采用基于颜色类别质心偏移的颜色恒常性指数,评价每个颜色类别在从D65到F或TL84光源变化时的颜色恒常性程度。结果表明,在F和TL84光源下,半光泽度和全光泽度色卡在所有颜色类别上都表现出几乎完美的颜色恒常性,两者之间没有显著差异。这一结果表明,在周围局部线索存在的均匀灰色背景下,表面光泽度对分类颜色恒常性几乎没有影响,这与先前的研究结果一致。(3)异常色觉者的分类颜色恒常性研究正常三色觉者的分类颜色恒常性在真实场景中具有鲁棒性。本文在第3.3小节中,研究了红绿二色觉者和异常三色觉者的分类颜色恒常性。在D65光源、相关色温为4200K的F光源、相关色温为2700 K的TL84光源下,8名二色觉者(2名红色盲和6名绿色盲)、8名异常三色觉者(4名红色弱和4名绿色弱)和8名正常三色觉者将208个Munsell半光泽度色卡划分为Berlin和Kay的基本颜色类别。使用颜色恒常性指数来量化颜色恒常性。结果表明,二色觉者的恒常性指数(0.79)显著性的低于正常三色觉者(0.87),而与异常三色觉者(0.84)则无显著性差异。二色觉者的颜色恒常性表现较差预计是由他们在颜色命名方面的大的观察者自身差异性引起的。结果表明,红绿二色觉者和异常三色觉者在光照轨迹上具有稳健的分类颜色恒常性,这可能是由锥体适应机制所致,与颜色辨别机制无关。说明异常色觉者日常生活中在阳光和普通照明条件下,不需要人工设备的辅助,可以合理地进行颜色分类。(4)异常色觉者的图像重着色算法研究红绿色觉异常者因颜色辨别能力的下降从彩色图像中获取信息的能力也受到影响,进行图像重着色算法的研究具有重要的意义。本文在第4章,针对红色盲和绿色盲的图像重着色算法中,模拟过程在LMS颜色空间中进行,重着色过程在RGB颜色空间中进行;针对红色弱和绿色弱的图像重着色算法中,模拟过程和重着色过程均使用了颜色对立空间。最后,经过色盲检查图、D-15以及自然图像的有效性验证,该算法能够合理的对不同程度的异常色觉者进行图像重着色。实验结果表明,该图像重着色算法在一定程度上提高了异常色觉者从彩色图像中获取信息的能力,也为异常色觉的研究提供了参考依据。