УСТРОЙСТВО КОЛОРИЗАЦИИ ЧЕРНО-БЕЛЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в цифровых, телевизионных и фотосистемах.

Основная решаемая задача - колоризация черно-белых изображений.

Колоризация (раскрашивание) - компьютерный процесс добавления цвета к монохроматическому (черно-белому) изображению или видео. Этот процесс, как правило, включает в себя сегментацию изображения в областях и отслеживание этих областей через последовательность изображений. Современные методы и устройства не позволяют выполнению достоверной сегментации на практике, следовательно, раскрашивание требует вмешательства оператора, требующего большого количества временных затрат.

В настоящее время в России и за рубежом ведется большая работа по восстановлению цветности старых кинофильмов и фотографических материалов. Помимо кинематографа, методы восстановления цвета цифровых полутоновых изображений могут применяться в таких областях, как реставрация архивных фотографий и пленочных видеозаписей, восстановление при неверной гаммакорекции.

Упрощенно способы окрашивания монохроматических изображений можно разделить на следующие группы:

1) Способы с использованием цветовой маркировки.

2) Автоматические способы окрашивания с использованием эталонных изображений.

Анализ существующих способов окрашивания показывает, что они

требуют априорную информацию о объекте. Использование автоматических способов окрашивания приводит к заполнению цветом всех локальных областей изображения и требует, чтобы разноцветные области на изображении имели различные группы яркости. В изображениях, где эти параметры похожи, визуально наблюдается подмена цветов пикселей изображений, т.е. неокрашивание пикселей изображения. К тому же, для использования автоматических способов окрашивания требуется эталонное изображение, цвета которого сходны с желаемыми цветами обрабатываемого изображения. Для использования способов на основе цветовой маркировки требуется нанесение цветовых маркеров в локальных областях изображения, цвета которых могут выбираться на основе экспертных оценок, либо могут задаваться «желаемые» цвета. Следует отметить, что результат окрашивания напрямую зависит от способа выбора цветовых маркеров, а также от количества их нанесения.

Известен метод и система для цифровой колоризации изображений [Patent №5,093,717, USA, МПК H04N 1/46]. Способ основан на ручном задании масок объектов изображения, имеющих сходные оттенки, и определении для каждой маски функции передачи цвета, преобразования информации шкалы яркости изображения в уникальные значения оттенка, яркости и насыщенности. Значение шкалы яркости в пределах каждой области обрабатывается с помощью функции передачи цвета. Результат операций сохраняется для последующего извлечения и отображения.

Признаки метода и системы - аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: окрашивание монохроматического изображения.

Недостатками известного метода и системы являются: в изображениях, где разноцветные области имеют схожие группы яркости, возможна подмена цветов; используется ручная задача областей колоризации.

Известен метод восстановления цвета полутоновых изображений на основе нейронной сети [Варламов А.Д. «Восстановление цвета полутоновых изображений нейронной сетью» // Алгоритмы, методы и системы обработки данных - Муром: изд-во Муромский институт (филиал) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых", 2010. - с.6]. Данный метод базируется на машинном обучении, то есть используется технология, при которой алгоритм преобразования полутонового изображения к цветному будет формироваться автоматически на основе отобранных человеком примеров. Колоризация осуществляется следующими шагами: на цветных изображениях с однородным по типу содержанием (например, закат солнца, дорожное асфальтовое полотно и другие) однотипные объекты имеют примерно одинаковый цвет. Для оценки цвета каждой точки исходного полутонового изображения используется следующая информация относительно ее и самого изображения:

1. Тип сцены изображения (определяет, что изображено на сцене).

2. Яркость точки.

3. Набор значений локальных признаков, которые позволят более точно определить вид объекта и соответственно более точно "подобрать" цвет.

Тип сцены изображения предопределяет, какие объекты могут присутствовать на сцене. Яркость точки берется из входного полутонового изображения; значения локальных признаков вычисляются детерминированными алгоритмами обработки изображений. Непосредственно "подбор" цвета выполняет нейронная сеть, на вход которой поступает набор значений локальных признаков и яркость точки, а на выходе формируются интенсивности цветовых компонент (красная, зеленая и синяя). Сеть предварительно обучается для каждого типа сцены.

Признаки метода и системы - аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: окрашивание монохроматического изображения.

Недостатками известного метода и системы являются: в изображениях, где разноцветные области имеют схожие группы яркости, возможна подмена цветов; невозможность задачи и обучения всех типов сцен; ошибки в обучении нейронной сети.

Известен метод и устройство для окрашивания изображений [Патент №US 2009/0096807 А1]. Данный метод окрашивания изображений включает в себя: на первом шаге производится назначение первого цвета из карты цветов к пикселю максимальной яркости, для определения первого графического элемента; на следующем шаге производится назначение второго цвета цветовой карты к пикселю другой яркости; производится перерасчет яркости первого графического элемента и второго графического элемента; на следующем шаге производится регулировка яркости, связанной с первым графическим элементом, относительно яркости в первом заданном диапазоне яркостей и коррекция насыщенности графического элемента; процедура повторяется для второго графического элемента относительно яркости во втором заданном диапазоне.

Структурная схема устройства, реализующего рассмотренный алгоритм, содержит блок определения первого графического элемента; блок определения второго графического элемента; блок расчета первой яркости; блок расчета второй яркости; блок регулировки яркостей; блок проверки условия; блок коррекции насыщенности; блок подачи следующей точки данных.

Известен метод преобразования черно-белого изображения в цветное [Т. Welsh, M. Ashikhmin, К. Mueller "Transferring Color to Greyscale Images" // IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security, 2007 p. 1-4.]. В данном методе используется цветное (источник) изображение представлено в RGB пространстве и черно-белое (целевое) изображения. На первом шаге они преобразуются в декоррелируемое lαβ цветовое пространство для последующего анализа. Для того, чтобы передать значения цветности от цветного изображения к монохроматическому, необходимо, чтобы каждый пиксель черно-белого изображения был согласован с пикселем цветного изображения. Сравнение основано на значениях яркости и статистики окрестности данного пикселя. Значение яркости определено l каналом в lαβ цветовом пространстве. Для того, чтобы уменьшить различия в яркости между двумя изображениями, выполняется преобразование яркости путем линейного перемещения и масштабирования гистограммы яркости цветного изображения.

Поскольку большинство визуально существенных различий между значениями пикселей связаны с различиями в яркости, то можно ограничить число образцов, используемых в качестве исходных цветовых пикселей. Это позволяет сократить число сравнений, сделанных для каждого пикселя в монохроматическом изображении и уменьшить время вычислений. Для каждого пикселя монохроматического изображения в растровой строке отбирается наиболее подходящий образец соответствия цвета, который выбирается в зависимости от средневзвешенной яркости (50%) и стандартного отклонения (50%). Как только найдено лучшее соответствие пикселей, α и β значения цветности передаются целевому пикселю, в то время как исходное значение яркости сохраняется.

Признаки способа - аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: окрашивание черно-белых изображений.

Недостатками известного способа является: если области в эталонном изображении не имеют близких значений яркостей для соответствующих структур в исходном изображении, то наблюдается подмена цветов локальных областей изображения; большие вычислительные затраты; в следствии использования итерационного алгоритма требуется большое время обработки.

Наиболее близким к изобретению является метод и устройство колоризации с использованием оптимизации по цветовой интенсивности [Патент №US 2010/0085372 А1]. Настоящее изобретение производит добавление цвета в изображение или видеопоследовательность или изменяет цвет одного или нескольких элементов в изображении.

Метод колоризации реализуется с помощью следующего алгоритма. На первом шаге минимизируется сумма квадратов разницы между цветом U(r) в пикселе r и взвешенным средним числом цвета в соседних пикселях s:

где w_rs - весовая функция, принимающая большие значения, при Y(r)~Y(s), и маленькие, когда эти две интенсивности отличаются, Y(r) - монохроматическая интенсивность пикселя r, s∈N(r) является областью пикселей вокруг r.

Решение целевой функции (1) проводится с использованием двух весовых функций w_rs.

Первая весовая функция w_rs использует алгоритмы сегментации изображений и основана на квадрате разности между двумя интенсивностями:

Вторая весовая функция w_rs основана на нормализованной корреляции между двумя интенсивностями:

где µ_r и σ_r - среднее значение и дисперсия интенсивности в области N(r).

Корреляция находится с помощью принятия локального линейного отношения между цветом и интенсивностью. Предполагается, что цвет пикселя U(r) является линейной функцией интенсивности Y(r):

где a _i, b_i - линейные коэффициенты, которые одинаковы для всех пикселей в малой окрестности N(r).

Учитывая ряд местоположений r_i, где цвета заданы исходными маркерами u(r_i)=u_i; ν(r_i)=ν_i минимизируется J(U),J(V) выражения (1) с учетом ограничений, введенных уравнениями (2)-(4).

Признаки способа - аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: использование цветовой маркировки, окрашивание монохроматического изображения.

Недостатками известного способа и устройства, его реализующего, являются: результат восстановления цветов в большей степени зависит от способа выбора цветов маркеров, локальных участков для их нанесения и площади окрашивания; несущественное изменение исходных параметров может привести к значительным цветовым искажениям; большие вычислительные затраты.

Структурная схема устройства, реализующего рассмотренный алгоритм, содержит блок определения значений интенсивности изображений, блок ввода ограничений, блок определения координат маркеров, блок минимизации целевой функции.

Предлагаемое устройство колоризации черно-белых изображений позволяет окрашивать черно-белые изображения, производить замену цветов на изображении. Устройство реализует следующий алгоритм. На первом шаге оператором производится ручное нанесение цветовых маркеров на известные области и преобразование исходного изображения I с нанесенными на него цветовыми маркерами из RGB цветового пространства в YUV цветовое пространство.

Основные уравнения, которые используются для преобразования между пространством RGB и YUV, имеют вид:

Y=0,299·R+0,587·G+0,114·В;

В результате преобразования формируется три канала: канал яркостной составляющей Y; канал первой цветоразностной составляющей U; канал второй цветоразностной составляющей V.

На втором шаге выделяется маска маркеров, представляющая собой бинарный массив m, элементы которого принимают значение 1, если они соответствуют помеченным областям, в противном случае принимается значение 0.

На следующем шаге происходит последовательное разбиение исходного изображения скользящим окном 3×3 на перекрывающиеся подобласти. Во всех локальных областях производится расчет значений дисперсий и выделения абсолютных x, y координат маркеров.

На четвертом шаге на основе рассчитанной дисперсии происходит расчет весовых коэффициентов для каждого элемента подблоков, определенных выражением (2).

На следующем шаге формируется разреженная матрица А размерностью N×n на основе весовых коэффициентов и их абсолютных x, y координат.:

где h - высота изображения, w - ширина изображения.

На шестом шаге происходит перемножение разреженной матрицы А на вектор значений цветоразностного канала U и V.

В конце происходит преобразование окрашенного изображения из YUV цветового пространства в RGB цветовое пространство.

Устройство колоризации черно-белых изображений (фиг.1) содержит блок преобразователя RGB→NTSC 1 и блок выделения маски маркеров 2, входы которых являются информационными входами устройства, выход блока выделения маски маркеров 2 подключен к первому входу блока перемножителя 3; первый выход блока преобразователя RGB→NTSC 1 подключен ко второму входу блока перемножителя 3, выход которого подключен к первому входу блока разбиения 4, выход которого подключен ко входу блока расчета дисперсии 6, ко второму входу блока формирования весовой функции 10, ко входу блока определения координат маркеров 5; выход блока расчета дисперсии 6 подключен к первому входу блока формирования весовой функции 10, выход которого подключен к первому входу буфера 12, выход которого подключен к первому входу блока формирования разреженной матрицы 17; первый выход блока определения координат маркеров 5 подключен к первому входу блока буфера 7, выход которого подключен ко входу блока задержки 13, выход которого подключен ко второму входу блока формирования разреженной матрицы 17; второй выход блока определения координат маркеров 5 подключен к первому входу блока буфера 8, выход которого подключен ко входу блока задержки 14, выход которого подключен к третьему входу блока формирования разреженной матрицы 17; первый выход блока преобразователя RGB→NTSC 1 подключен ко входу блока управления 9, первый выход которого подключен ко второму входу блока буфера 8, ко второму входу блока буфера 7, ко второму входу блока буфера 12; второй выход блока управления 9 подключен ко второму входу блока разбиения 4, к четвертому входу блока формирования разреженной матрицы 17; второй выход блока преобразователя RGB→NTSC 1 подключен ко входу блока задержки 11, выход которого подключен ко второму входу блока перемножителя 18; третий выход блока преобразователя RGB→NTSC 1 подключен ко входу блока задержки 15, выход которого подключен ко второму входу блока перемножителя 19; выход блока формирования разреженной матрицы 17 подключен к первому входу блока перемножителя 18, к первому входу блока перемножителя 19; выход перемножителя 18 подключен ко второму входу блока преобразователя NTSC→RGB 20; выход перемножителя 19 подключен к третьему входу блока преобразователя NTSC→RGB 20; первый выход блока преобразователя RGB→NTSC 1 подключен ко входу блока задержки 16, выход которого подключен к первому входу блока преобразователя NTSC→RGB 20, выход которого подключен ко входу блока буфера 21, выход которого является информационным выходом устройства. Синхронность работы устройства обеспечивается генератором тактовых импульсов 22.

Устройство колоризации черно-белых изображений работает следующим образом. Одновременно на вход блока преобразователя RGB→NTSC 1 и на вход блока выделения маски маркеров 2 поступает исходное изображение с нанесенными на него цветовыми маркерами. В блоке выделения маски маркеров 2 выделяется маска нанесенных на изображение цветных маркеров, представляющая собой бинарный массив, элементы которого, принимающие значение 1, соответствуют помеченным областям, в противном случае 0. В блоке преобразования RGB→NTSC 1 происходит преобразование входного изображения из формата RGB в формат NTSC. На выходах блока преобразования RGB→NTSC 1 формируется три канала изображения формата NTSC: на первом выходе формируется канал яркостной составляющей Y, на втором выходе - первая цветоразностная составляющая U и на третьем выходе - второй канал цветоразностной составляющей V. На входы блока перемножителя 3 подаются сигнал яркостного канала Y блока преобразования RGB→NTSC 1 и маска маркеров с выхода блока выделения маски маркеров 2, на выходе которого формируется матрица помеченных цветом областей. Результат перемножения с выхода блока перемножителя 3 поступает в блок разбиения 4, где происходит последовательное разбиение исходного изображения скользящим окном 3×3 на перекрывающиеся подобласти. Информация о размере скользящего окна поступает со второго выхода блока управления 9 на второй вход блока разбиения 4. С выхода блока разбиения 4 последовательно передаются подблоки в блок расчета дисперсии 6, в котором происходит расчет значений дисперсий для каждого подблока. В блоке формирования весовой функции 10 происходит расчет весовых коэффициентов для каждого элемента подблоков на основе рассчитанной дисперсии, значение которой подается на первый вход блока формирования весовой функции 10, а на второй его вход подаются подблоки исходного изображения с выхода блока разбиения 4. Значения рассчитанных весовых коэффициентов с выхода блока формирования весовой функции 10 поступают в блок буфера 12. С выхода блока разбиения 4 поблочно значения передаются в блок определения координат маркеров 5 для расчета абсолютных x, y значений координат, входящих в текущий подблок, относительно исходного обрабатываемого изображения. Значения абсолютных x координат с первого выхода блока определения координат маркеров 5 поступают на первый вход блока буфера 7. Одновременно значения абсолютных у координат со второго выхода блока определения координат маркеров 5 поступают на первый вход блока буфера 8. Размеры блоков буферов 7, 8 и 12 задаются значением с блока управления 9, определяемым на основе канала яркостной составляющей Y исходного обрабатываемого изображения, которое подается на вход блока управления 9 с первого выхода блока преобразователя RGB→NTSC 1.

Рассчитанные значения x координат с выхода блока буфера 7 поступают в блок задержки 13. Рассчитанные значения у координат с выхода блока буфера 8 поступают в блок задержки 14. Время хранения результатов в блоках задержки 13 и 14 задается таким образом, чтобы обеспечить синхронность поступления весовых значений и их абсолютных x, y координат на первый, второй и третий вход блока формирования разреженной матрицы 17. Размер формируемой разреженной матрицы определяется блоком управления 9, второй выход которого подключен к четвертому входу блока формирования разреженной матрицы 17, где формируется разреженная матрица на основе весовых коэффициентов и их абсолютных x, y координат. Со второго выхода блока преобразователя RGB→NTSC 1 сигнал в виде вектора значений первой цветоразностной составляющей U поступает на блок задержки 11, с выхода которого передается на второй вход блока перемножителя 18, на первый вход которого поступает разреженная матрица с выхода блока формирования разреженной матрицы 17. В блоке перемножителя 18 осуществляется матричное умножение разреженной матрицы на вектор значений цветоразностного канала U. С третьего выхода блока преобразователя RGB→NTSC 1 сигнал в виде вектора значений второй цветоразностной составляющей V поступает в блок задержки 15, с выхода которого передается на второй вход блока перемножителя 19, на первый вход которого поступает разреженная матрица с выхода блока формирования разреженной матрицы 17. В блоке перемножителя 19 осуществляется матричное умножение разреженной матрицы на вектор значений цветоразностного канала V. Время хранения информации в блоках задержки 11, 15 задается таким образом, чтобы обеспечить синхронность поступления данных с выхода блока формирования разреженной матрицы 17 и второго, третьего выхода блока преобразователя RGB→NTSC 1. На выходах блоков перемножителей 18 и 19 формируются сигналы первой U и второй V цветоразностной составляющей раскрашенного изображения, которые подаются на второй и третий вход блока преобразователя NTSC→RGB 20. Для восстановления полного изображения сигнал яркостного канала Y с первого выхода блока преобразователя RGB→NTSC 1 поступает на вход блока задержки 16, с выхода которого поступает на первый вход блока преобразователя NTSC→RGB 20. Время хранения информации в блоке задержки 16 задается таким образом, чтобы обеспечить синхронность поступления сигнала яркостного канала Y, сигнала первой цветоразностной составляющей U раскрашенного изображения и сигнала второй цветоразностной составляющей V раскрашенного изображения на первый, второй и третий входы блока преобразователя NTSC→RGB 20. В блоке преобразователя NTSC→RGB 20 происходит преобразование раскрашенного изображения из формата NTSC в формат RGB. С выхода блока преобразователя NTSC→RGB 20 раскрашенное изображение поступает в блок буфера 21, выход которого является информационным выходом устройства. Синхронность работы устройства обеспечивается генератором тактовых импульсов 22.

Технический результат - колоризация монохроматических изображений при ограниченных начальных условиях.