СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ, 2007, том 21, № 4, с. 316-330
ЗРИТЕЛЬНАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ СИСТЕМА
УДК 004.9322
ГАУССОВСКАЯ МОДЕЛЬ И ПРОЦЕДУРЫ ЦВЕТОВОЙ КОНСТАНТНОСТИ ДЛЯ СЦЕН ДВОЙНОГО ОСВЕЩЕНИЯ. II. РОЛЬ ИНТЕРРЕФЛЕКСОВ
© 2007 г. П. П. Николаев
Институт проблем передачи информации им. A.A. Харкевича РАН, 127994, Москва, пер. Б. Каретный, 19, E-mail: nikol@iitp.ru Поступила в редакцию 02.06.2007 г.
Для гауссовской и трехзональной спектральной модели рассмотрены новые методы решения задачи константности цвета (КЦ) в ситуации освещения объекта сцены двумя источниками различной цветности: первичным диффузным источником (типа освещения, производимого небосводом на открытых пространствах) и вторичным двух родов - либо являющимся результатом переотражений света поверхностью самого однородно окрашенного объекта (случай ауторефлексов), либо лучами, отраженными сторонним объектом иной цветности и освещающими данный тестовый объект (случай интеррефлексов). Для этих спектральных моделей описаны алгоритмы решения задачи КЦ в качестве прообразов модулей универсальной гетерархической системы КЦ. Такая система, обладая способностью детектировать по специальным признакам "ключевой объект" (с рефлексами первого либо второго типов), должна уметь выбрать по дополнительным независимым признакам алгоритм его использования для задачи КЦ в альтернативе выбора (по сенсорным ответам - тристиму-лам) спектральной модели, приближающей наилучшим образом спектральные свойства ключевого объекта.
Ключевые слова: цветовая константность, окраска, тон, насыщенность, цветность, светлота, гаус-совская аппроксимация, зональная спектральная модель.
ВВЕДЕНИЕ
В работе продолжено (Николаев, 2007, б) обсуждение вопросов, связанных с моделированием (для зрительной системы трихромата) когнитивного процесса константности цвета (КЦ) применительно к ситуациям сложного освещения объектов в наблюдаемой сцене. Основное внимание здесь уделено роли вторичных отражений на неплоских участках окрашенных поверхностей в качестве "ключей" КЦ, т.е. детектируемых признаков цветности первичного (диффузного) источника освещения. В зарубежных работах по объектному цветовому распознаванию 3Б сцен все варианты вторичного освещения объединяются единым наименованием - интеррефлексы. Мы, как и ранее (Николаев, Николаев, 2006), будем выделять ситуации трех типов освещения вторичными источниками: преимущественно ауторе-флексами, т.е. лучами многократных переотражений у однородно окрашенной поверхности в местах ее вогнутости (складках, лунках, внутри трехгранного угла и иных неплоских участках единой окраски); собственно интеррефлексами, -лучами, отраженными объектом одной окраски, которые дают заметный вклад в освещение объекта с иными отражательными свойствами (с дру-
гой цветностью у его функции отражения), и, наконец, тип смешанного вторичного освещения.
Феномен КЦ - способность зрительной системы человека и животных в акте распознавания сцены правильно оценивать отражательную способность тел, т.е. окраску, вне зависимости от меняющейся цветности их освещения, в том числе в ситуациях отсутствия самих первичных источников в поле зрения, основательно изучен. Как пример весьма сложной (притом некорректной) обратной задачи алгоритм процесса КЦ разрабатывается и совершенствуется для систем технического зрения в целях создания устройств, наделенных автономными механизмами цветового объектного опознания. Практика эксплуатации таких устройств показала, что свойств бинокулярности системы и приемов динамического анализа (принцип активного сенсора) недостаточно для уверенной интерпретации наблюдаемого в естественных визуальных ситуациях: слишком сложны и разнообразны оптические свойства реальных поверхностей (блики и глянец, текстуры и рефлексы), связывающие цвет и форму объектов среды в единый информационный комплекс. Цветовые стимулы сцены, создающие освещение ее объектов, могут исходить от самосветящихся первичных источников либо быть лучами, пассивно отраженными
разнообразно окрашенными телами, т.е. вторичными источниками. Характеристик исключительно "хроматической природы" (а ими являются у трихромата качества тон и насыщенность, задающие двумерную оценку цветности наблюдаемого тела), недостаточно для описания подобных ситуаций. Не исчерпывает их и дуалитет яркость/светлота. К набору перцептивных характеристик, независимых от категории цветность, таких как сенсорного уровня яркость первичных источников и светлота источников вторичных (последняя - когнитивный коррелят параметру альбедо, распространяемому на все семейство наблюдаемых окрашенных тел), следует добавить и оценку степени глянцевости поверхности. Адекватная оценка хроматического глянца либо закономерностей цветового распределения в блике позволяют решить задачу КЦ (Shafer, 1985; Тоть naga, Wandell, 1996). Объект наделяется качествами "светлоты" и "глянцевости" (в диапазоне от ламбертовых до зеркальных, это антоним "матовости"), когда наблюдателю понятна вторичная природа пришедших от него лучей, ясен характер его освещения, а, значит, глянец либо блик на нем согласованы с трехмерной реконструкцией тела и геометрической моделью его освещения. Те же соображения относятся и к анализу самих вторичных излучений, т.е. рефлексов разной природы. Можно трактовать их как источник дополнительных сложностей в задаче интерпретации сцены: они затрудняют процедуру адекватной цветовой сегментации поля зрения, нацеленную на получение карты границ между объектами разной окраски (Nikolaev, Nikolayev, 2004), и сам процесс КЦ на этапе трансформации тристимула объекта в оценку его окраски. А можно объявить участки сцены с заметным влиянием рефлексов "ключевыми" и попытаться использовать весьма характерные для них особенности цветового распределения в задаче оценки цветности первичного источника освещения. Перспективность такого подхода продемонстрирована в ряде работ (Николаев, 1987; Николаев, Николаев, 2004; Николаев, Николаев, 2006; Николаев, 2007, а; Николаев, 2007, б; Nikolaev, Nikolayev, 2007), где были описаны методы включения в процедуру ЦК объектов с ауторефлексами (в местах их вогнутости - лунках, складках), т.е. предложены алгоритмы решения задачи КЦ исключительно через анализ цвета ауторефлекса. Данное исследование имеет целью показать достаточную для задачи КЦ информативность участков наблюдаемой сцены с доминированием интеррефлексов и обобщить предложенные приемы обработки изображения, использующие рефлексы обоих типов, в качестве группы алгоритмических модулей единой гетерархиче-ской модели КЦ. Предварим описание этих алгоритмов кратким экскурсом в область геометрических и спектральных особенностей картины ре-
флексов, на уровне объектного восприятия которых (согласно психофизике и доступному их проявлению в самонаблюдении) прослеживается способность наблюдателя не только к константной по пространству сцены оценке качеств тон, насыщенность, светлота и матовость объекта, но и к качественно верной цветностной оценке влияния рефлексов, взаимодействующих с первичным освещением интерпретируемым для наблюдателя образом.
1. Константность светлоты и цветности при вторичных отражениях
В соответствии с определениями условий наблюдения, данными в работе (Николаев, 2007, б), ситуация константности светлоты реализуется как полностью адекватная лишь в случае наличия в сцене белого объекта, т.е. самого яркого (исключение - зеркальный блик, возможный при малоапертурном первичном источнике) участка сцены. Во всех остальных случаях самое яркое место сцены принимается за ключ (поставщик информации) не только цветности, но и мощности освещения, и по нему нормируются светлоты всех остальных объектов. Такая закономерность декларируется в психофизике и лежит в основе практически всех алгоритмов оценки светлоты в техническом зрении (Horn, 1974). Можно показать "неоспоримость" этого тезиса для любых дисталь-ных (использующих информацию удаленного светового сигнала для предметного восприятия) сенсорных систем с помощью такого "трехстадийно-го мысленного эксперимента".
Представим себе некоторую сцену, освещаемую точечным источником (со стороны наблюдателя, с отсутствием в его поле зрения зеркальных бликов), на пути лучей которого установлен ахроматический фильтр, поглощающий 50% мощности лучей, идущих к сцене. Если теперь в этой (регистрируемой сенсором) сцене у всех ее объектов убавить вдвое светлоты и удалить затемняющий светофильтр, то физически, а потому и колориметрически, в картине стимуляции ничего не изменится. И спектральные стимулы, и тристимулы будут во втором случае точно тождественны таковым в первом. Но все светлоты были уменьшены в два раза, т.е. белые поверхности стали серыми, а для зрительной системы ровным счетом ничего не изменилось. Трудно выполнимую операцию подмены всех объектов с затемнением каждого можно заменить эквивалентным (для оптического потока на входе сенсора) образом, поместив у оптического входа сенсора тот самый светофильтр, что был перед источником. В этом (третьем) случае объекты остались теми же, что и в первом. И, если в сцене реально имелись белые тела, то условия наблюдения в первом и третьем случаях могут обеспечить истинную константность вос-
приятия, тогда как во втором случае для наблюдателя нет способа понять ("доказать", "вычислить"), что самые яркие предметы поля зрения не белые, а серые, и, значит, и перцептивная оценка, "в принципе, не может быть лучше ложнокон-стантной". Таким чисто логическим рассуждением может быть разъяснена неустранимая объективно (а, следовательно, и алгоритмически) систематическая погрешность оценки светлоты, дающая пропорциональное завышение всех ее значений во столько раз, во сколько раз самый яркий ахроматический объект сцены темнее идеально белого.
Настала пора опровергнуть выводы мысленного эксперимента. Он безупречен лишь для сцен типа "мондриан" (т.е. плоских) (Нюберг и др., 1971, а). И, если мы оговорили обязательность отсутствия в поле зрения зеркальных объектов (ведь именно они доставили бы сенсору точную информацию о мощности диффузного источника), то ничего не уточнялось
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.