СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ, 2007, том 21, № 3, с. 195-214
ЗРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
УДК 004.932.2
ГАУССОВСКАЯ МОДЕЛЬ И ПРОЦЕДУРЫ ЦВЕТОВОЙ КОНСТАНТНОСТИ ДЛЯ СЦЕН ДВОЙНОГО ОСВЕЩЕНИЯ.
I. ЦВЕТНОСТЬ И СВЕТЛОТА
© 2007 г. П. П. Николаев
Институт проблем передачи информации РАН, 101447, Москва, пер. Б. Каретный, 19 E-mail: nikol@iitp.ru Поступила в редакцию 27.03.2007 г.
В рамках гауссовской спектральной модели рассмотрены новые методы решения задачи цветовой константности для ситуации освещения трехмерной сцены двумя источниками различной цветности: малоапертурным (наподобие солнца), создающим тени, и освещающим объекты равномерным диффузным источником (типа освещения, производимого небосводом на открытых пространствах). Для плоскости цветности, формируемой трихроматическим сенсором с заданными функциями спектральной чувствительности, показано, какими информационными преимуществами для решения стоящей задачи обладает ситуация двойного освещения. Описаны новые алгоритмы оценки цветности каждого из источников, использующие в отсутствие ахроматических объектов в сцене наличие в ней тел с совпадающими параметрами цветности и светлоты, и обсуждены методы идентификации последних (так как каждый случай совпадения требует своей процедуры обработки изображения). Дана классификация условий цветоконстантного наблюдения, приведены методы вычисления параметра светлоты ахроматических тел и компенсации различий в освещенности объектов.
Ключевые слова: цветовая константность, окраска, чувствительность сенсора, тон, насыщенность, цветность, светлота, гауссовская аппроксимация.
ВВЕДЕНИЕ
Данная работа продолжает рассмотрение актуальной темы о роли цвета в зрении, как с позиции проблем психологии - понять процессы когнитивного анализа наблюдаемого, обеспечивающие в зрительном акте создание адекватной модели предметного мира, так и в отношении стоящих перед техническим зрением задач построения автоматических систем визуального анализа сцен с их объектной интерпретацией (Николаев, 2007). Разрыв между потребностью в понимании механизмов константности и тем, что образует бесспорный базис модельных предложений на эту тему, все еще велик. И неслучайно, дисциплина, начинавшая с "контурной полиэдральной модели мира" в технике и с "гештальт-доктрин" в психологии, ныне формируется уже под именем "зрительный интеллект". Процесс создания описаний с использованием разнообразных инвариантов среды и создание модели среды, инвариантной к факторам изменчивости последней, в корпусе проблем когнитивной психологии подаются как феномены константности (К) восприятия (так называемые "К - зрительного направления", "К - видимого положения", "К - размера" (Логви-ненко, 1981)).
Феномен константности цвета (КЦ) - способность зрительной системы человека по ходу предметного опознания среды правильно оценивать отражательную способность тел, т.е. окраску, независимо от меняющейся цветности их освещения, достаточно хорошо изучен. Психофизическими экспериментами показана дуальность процесса КЦ, состоящая в умении наблюдателя двояким образом реагировать на цветовые стимулы сцены сообразно природе их порождения, -они могут исходить от самосветящихся первичных источников освещения либо быть лучами, пассивно отраженными разнообразно окрашенными телами, т.е. вторичными источниками. Сенсорный уровень восприятия первых имеет в целостном ощущении цвета компоненту яркости, вторым же присуща светлота - качество, проявляемое на более высоких перцептивных уровнях. Специфика феномена КЦ такова, что и для оценки яркости, создаваемой осветителем в 3Б предметной сцене, и для оценки светлоты самого предмета (как вычисления пропорции лучей, поглощенных и отраженных поверхностью тела), используется один и тот же сенсорный аппарат с его тремя (у трихромата) цветовыми каналами. Известно, что зрительная система не оснащена фоторецепторами яркости наряду с независимы-
195
2*
ми от них приемниками светлоты. Поверхность в перцептивном акте наделяется качеством светлоты, лишь когда наблюдателю ясна вторичная природа пришедших от нее лучей и понятен характер освещения. Равно как и ощущение светлоты не возникает у испытуемого ни в ситуации колориметрической (каковая методически беспредметна), ни при восприятии даже неяркого диффузного источника в понятной ему предметной сцене. Трихроматы не воспринимают серых или бурых лучей, хотя видят и серые, и бурые тела. Именно в силу физических обстоятельств и ограниченного известным образом сенсорного ресурса наблю-дателя-трихромата при моделировании и анализе КЦ в совокупном трехмерном цветовом ощущении весьма целесообразно отделить компоненту цветности (с выявленными ее составляющими цветовым тоном и насыщенностью) от компоненты яркостъ\светлота с ее принципиально иной ("триггерной", т.е. дуальной) природой. Переход от трехмерного цвета к двумерной цветности упрощает задачу КЦ, сводя ее к необходимости оценить лишь цветность доминирующего источника, не решая гораздо более сложной когнитивной задачи: оценки пространственного распределения освещенности (мощности падающих лучей и углов падения), только в результате чего и может быть верно оценена светлота поверхности. Иными словами, на теоретическом (информационном, алгоритмическом) уровне процедура "оценка цветности освещения и цветностей тел" несравненно проще процедуры "оценка светлоты поверхностей". В модельных разработках по техническому зрению подобная дихотомия уже оценена по достоинству и признана вычислительно оптимальной для организации эффективного распознавания предметов трихроматическим сенсором. Рассмотрим постановку задачи КЦ применительно к ситуации освещения сцены двумя первичными источниками, начав с классификации условий наблюдения сцен, различающихся уровнем реализации целей КЦ.
1. ЦВЕТОВЫЕ ОЦЕНКИ ТРИХРОМАТА В УСЛОВИЯХ НАБЛЮДЕНИЯ СЦЕН РАЗНОЙ СЛОЖНОСТИ
Условия наблюдения, при которых одинаковые цветовые ощущения вызваны излучениями группы метамерных, называются колориметрическими. Это же по форме тавтологическое определение (Е. Шредингер) лежит в основе самого психологического понятия цвет. Колориметрия, по-видимому, наиболее объективная из всех субъективных процедур психофизики, используя зрительный анализатор испытуемого в качестве нуль-прибора, дает возможность измерить цвет излучения, описать его для трихромата тройкой чисел и изобразить на аффинной плоскости цвет-
ности (либо в барицентрической системе координат - точкой с "весом" яркостной компоненты). Пара излучений и F2(k) с различающимися относительными спектральными составами, называется метамерной, если удовлетворяет системе трех цветовых равенств для каждого из трех цветовых каналов со своей линейно независимой функцией %/к) спектральной чувствительности
|Fl(X)%](к)¿к = |F2(X)%](к)¿к (] =1, 2, 3).
0 0
В колориметрии замещения эта процедура инвариантна ко всем проявлениям хроматической адаптации и будет использована нами в качестве нормировочной для задания психофизических характеристик цветности произвольного излучения F2(k), метамерного некому гауссовому распределению О(к) = F1(k) с известными параметрами, определяющими форму кривой G(k): "цветовому тону" при этом соответствует значение матожи-дания кт, а "насыщенностъ" излучения коррелирует с обратной дисперсией ст. Особенность гаус-сианы G(k) = ехр(-ст(к - кт)2) - ее интегрируемость в явном виде относительно параметров ат и кт (плюс интегрируемость произведения любого числа сомножителей вида G(k)) делает этот тип кривой наилучшим, на наш взгляд, кандидатом на роль аппроксимационной функции для всех трех типов спектральных сомножителей, входящих в интеграл реакции фотоприемника: чувствительности рецепторов %/к), окраски объекта Ф^к) и испускания источника Е(к). Колориметрический цвет и цвет перцептивный (проявляющийся уже в простейших двустимульных паттернах типа "пятно/кольцо") радикальным образом не схожи по мощностной компоненте: интенсивность первого и безразмерная (от 0 до 1) светлота второго - при малых светлотах дают набор цветностей, колориметрически вообще не воспроизводимых (краска может быть серой или хаки, но не наблюдаем свет с подобными свойствами). Эта же фундаментальная причина не дает, вопреки очевидности, корректную категорию "белая окраска" дополнить столь желательной категорией "белый свет".
Итак, отражение и испускание разделяют мир стимулов на два класса: источников освещения и освещенных объектов (по отраженному ими свету инвариантное их качество - окраску - можно оценить, лишь оценив правильно цветность и силу освещения каждого). Так, поиск инвариантов в мире объектов превращается в интерпретационную задачу КЦ: "метастимул гипотезы об источнике" трансформирует стимулы "отражений от предметов" таким образом, что "аконстантный свет" становится "константным цветовым пер-цептом". Именно эта постановка обратной зада-
чи зрения и дает возможность построить определение константным условиям наблюдения, как антитезу колориметрическим - по своей методике всегда аконстантным. Дадим кратко определения основным типам условий наблюдения.
В константных условиях наблюдения одинаковые цветовые ощущения вызываются одинаковыми окрасками. Эти условия в свою очередь можно подразделить на ложноконстантные и ис-тинноконстантные. Вторые, как показано в методически разнообразных психофизических экспериментах, не бывают ни при каких условиях абсолютно точными, безошибочными, и, как правило, тем более адекватны, чем богаче сцена наблюдения признаками ее освещения. В ситуации дефицита данных о цветности источника ложнокон-стантная оценка окраски объектов выражается в систематической цветовой ошибке по всему набору окрасок (чаще - в цветовом тоне). Противоположно константным условиям аконстантные задаются законом: одинаковые цветовые ощущения вызываются одинаковыми цветами стимулов. Таким образом, информационную потерю при переходе от спектральных описаний к сенсорным и когнитивным характеризует в аконстант-ных условиях наблюдения метамеризм излучений, в константных условиях трансформируемый в метамеризм окрасок.
Наконец, о метаконстантных условиях наблюдения сцены. Как
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.