色彩色泽色度色调色空间及用其和色扩散量化颜色的方法

专利名称：色彩色泽色度色调色空间及用其和色扩散量化颜色的方法
技术领域：
本发明涉及色彩(hue)、色泽(max)、色度(min)、色调(diff)(HMMD)色模型，特别是使用HMMD空间和色扩散量化颜色。本发明是关于通过构造色直方图(histogram)进行图象搜索的内容。
当前，正积极进行基于内容搜索图象的广泛研究。由此带来的结果是，正在开发商业性的图象搜索装置/或应用程序以满足改进图象搜索方面的要求。例如，已提出将诸如色温变化，外部交叉磁场，和色均匀性之类的内容用于搜索人像。对于色均匀性，首先必须量化色空间或将其表示为数字值。
在基于图象搜索方面使用的最重要的信息是颜色信息。因此，图象搜索装置或应用程序的有效性能主要取决于准确的提取颜色信息的方法。
通常，可以由计算机在理论上表示的不同颜色的数目不断地增加。然而，量化颜色的可用数目限定了可以由计算机显示的颜色的数目。由于量化颜色的数目小于可以表示的颜色的数目，这就带来一些问题。量化是一个当M＞＞N时从M种颜色到N种颜色的颜色变换过程，这里M和N是正整数。
在计算机，使用基于三原色红R，绿G，和蓝B的RGB色模型表示颜色。然而，RGB空间是面向硬件并在表示颜色变化时存在限定以便能够通过人眼感觉到这种变化。这样，常常根据色彩H，饱和度S和值V将RGB空间转换为面向用户的HSV色模型，然后通过量化将其转换回RGB空间。
由Foley和Dam发表在Addision Wesley，题目为“交互式计算机图形的基础”中的第613页到第616页；Columbia大学1997年Smith的博士论文“综合空间和特征的图象系统检索，分析和压缩”；Virage搜索引擎，网址www.virago.com；以及美国专利5,751,286公开了利用HSV空间的基于图象搜索装置或应用程序的内容；然而，甚至在HSV空间内，不同地显示能够由人眼感觉的颜色变化范围。此外，HSV空间内的简单的颜色量化不导致均匀的颜色表示。另一方面，考虑到人眼感觉的颜色变化而量化饱和向量值，量化模型的选择比较困难并需要很多复杂的计算。这样，使用HSV空间的图象搜索系统的性能变坏。
因此，需要一种色空间和利用能够考虑到人眼感觉的颜色变化进行彩色量化以及能够均匀地划分颜色的色空间的彩色量化方法。
因此，本发明的目的是至少解决相关领域的问题和缺陷。
本发明的一个目的是提供一种新的基于色彩，色泽(max)，色度(min)，色调(diff)，和亮度(sum)的色模型HMMD。
本发明的另一个目的是提供一种使用HMMD空间和色扩散量化颜色的方法。
本发明的再一个目的是提供一种考虑到人眼感觉的颜色变化而量化颜色的方法。
在下面的说明书中部分地陈述本发明的其他优点，目的，和特征，其他部分通过下面的审查对于本领域的普通技术人员是显而易见，或可从本发明的实践中了解。本发明的目的和优点可按所附权利要求中特别指出的来实现。
为实现这些目的，根据本发明的目的，如本文所体现和描述的，根据本发明的HMMD色空间包括hue，max，min，diff和sum成份。根据本发明使用HMMD色空间和色扩散量化颜色的方法确定要变换的颜色和相邻颜色之间的距离并使用确定的距离作为权来变换颜色。
参考下面的附图详细描述本发明，附图中相同的标记数字表示相同的部件，其中

图1表示根据本发明的HMMD色空间；图2表示图1的HMMD色空间的色区域；图3表示图1的HMMD色空间的细节图；图4是根据本发明的彩色坐标平面的第一实施例；图5是根据本发明的基于图象搜索内容的流程图；图6表示用于解释本发明的一个彩色坐标平面的实例；图7示出根据本发明使用色扩散的彩色量化方法的第一实施例；和图8示出根据本发明使用色扩散的彩色量化方法的第二实施例。
将详细介绍本发明的优选实施例，附图给出其实例。
根据本发明的HMMD色模型通常由色彩，色泽(max)，色度(min)，色调(diff)，和亮度(sum)定义。这四个系数是色空间的三维坐标轴。图1表示具有在一平面合并在一起的两个对称锥体这样的形状的HMMD模型。
实际上，三维色空间由具有绕AB轴0°～360°的角度θ的色彩h°，作为从中点O到最大圆周C的方向的标准向量ax的色调diff，作为从顶点B到最大圆周C的方向的向量的色泽max，和作为从最大圆周C到顶点A的方向的向量的色度min组成。
与中心线ax垂直的锥体的截面是具有圆平面的2维平面，这里h的值根据截面变化。Diff是从中心O到2维平面的圆周的向量，hue是由从中心O到2维平面的圆周的2维平面上的两个向量定义的角度θ。
当扩散具有最大圆周，即，max＝maximum{max}，min＝0，diff＝maximum{diff}的2维色空间的圆周时，如图2所示可以显示色彩的变化。可以通过诸如红，黄，绿，青，蓝和紫之类的纯色显示色彩的变化。此外，如果均分扩散的颜色，就完成色空间的彩色量化。下面给出HMMD模型的详细解释。
如图3所示，穿过和向量并具有由两个顶点A和B定义的边界，以及位于最大圆周的一个点C的标准平面成为包含sum，max，min和diff的MMD平面。应注意，中心线ax是max和min的向量和(sum)。进一步，sum表示颜色从黑到白的变化的亮度。
一个MMD平面以给定的色彩θ1°显示max，min，diff和sum，并且可以通过2维平面或连接表示黑，白和纯色的三个角顶的三角形表示该MMD平面。特别是，max值控制色泽并且改变max值使色泽从黑到白和纯色变化。min值控制色度并且改变min值使色度从黑和纯色到白变化。diff值控制色调并且改变diff值使色调从灰到纯色变化。
因此，利用色彩θ1°的MMD平面作为色空间，通过如图4所示的彩色坐标平面进行彩色量化。参考图4，通过与中心线ax平行的线11和12，与max向量平行的线13，以及与min向量平行的线14划分MMD平面。通过将每个分开区域(C1-C4)内的颜色信息变换为同一值进行彩色量化。使用HMMD色空间，通过变换彩色坐标平面中等分(或不等分)区域内的颜色信息均匀地进行彩色量化。
因此，对于面向用户的模型首先执行从RGB空间到HMMD空间的变换，然后在HMMD色空间执行量化以回到用于计算机的RGB空间。图5表示执行RGB空间变换，彩色量化，和由此进行的图象搜索的流程图。
首先，通过如下的转换程序将RGB空间变换到HMMD空间；这里max，min，diff和sum的值从0到1变化，h值的范围从0到360变化。此外，如果max＝min，对于非彩色未定义h。
max＝MAXIMUM{r，g，b}min＝MINIMUM{r，g，b}diff＝max－minsun＝(max＋min)/2h＝(g－b)/(max－min)*60，if(r＝max∩(g－b)＞0)(g－b)/(max－min)*60＋360，if(r＝max∩(g－b)＜0)(2.0＋(b－r))/(max－min)*360，if(g＝max)(4.0＋(r－g))/(max－min)*360，if(b＝max)通过三个程序执行彩色量化，即，灰色区的划分，MMD空间中的彩色量化和色彩区中的彩色量化。
在灰色区的划分中，将diff值与预定的基准值τgray比较。如果diff等于或小于基准值τgray(d≤τgray)，就将该区域确定为灰色区。基准值τgray可根据色彩变化。
理论上，如果diff＝0，即，AB轴，就显示灰色。根据diff值和基准值之间的关系，将给定的颜色区确定为灰色区，如图4的参考线11所示。进一步，根据sum和diff值，将灰色区划分为几个灰度级(Gray1-Grayn)或(Gray11-Graynm)。
在确定为灰色区的区域之外的区域执行MMD空间的彩色量化。max，min和diff值是量化的基准值。如图4所示，一个MMD区域通过基准值11，12，13和14划分为多个区域(C1-C4)。划分的区域为等边三角形，并且可以通过基于max，min和diff值的相同宽度进一步划分为较小的三角形(Ci-Cn)。因为MMD区域已被划分为较小的三角形，可以执行较准确的变换。
图4表示MMD区域被划分为四级(C1-C4)并且灰色区被划分为MMD平面的灰色区中的Gray1-Gray4(或Gray11-Gray42)。下面是对色彩区的彩色量化的解释。
如图2所示，色彩区是一个以红，绿，蓝和红为顺序的连续一维空间。定义为绕AB轴的角度，根据本发明的HMMD空间中的色彩区具有与现存的HSV空间的色彩区相同的含义。色彩区可以被均分为相同的段。作为替换，也可以不均分色彩区，将RGB控制的区域给出较大的段。
特别是，为使用现存的量化方法，可以将根据本发明的色彩值h变换为h*以便与人眼感觉更一致。对于从0到360范围的h，可以如下执行从h到h*的变换。
h*＝60×(1－cos(3/2×Rem))＋(quo)×120，这里Rem＝(int(h)mod120)＋(h-[h])quo＝h/120一旦RGB变换到HMMD，就如上所述执行彩色量化，如图5所示执行图象搜索。一般地，RGB颜色被分为如图4所示的四个灰色区和四个颜色区，并且分为12个色彩区，从而导致52个(4颜色区×12色彩区)＋4灰色区)量化色。
图象搜索系统使用的特征部件是52个量化色表示的全局色直方图和局部色直方图。全局颜色直方图是整个图象的每个像素中的颜色分布并表示整个输入图象的颜色分布。局部颜色直方图是图象中的一部分的颜色分布并表示在图象的特定部分显示的颜色分布。
提取用于每个输入图象像素的RGB色值，将其转换到HMMD空间，并通过52个颜色之一在HMMD空间变换。根据变换的色值为每个图象像素构造全局色直方图和局部色直方图。随后，将输入图象的直方图与目标图象的基准直方图进行比较。以从具有最相似的直方图的图象开始的顺序排列图象，由此进行与目标图象最相似的图象的搜索。
尽管如上所述的HMMD空间和色扩散允许均匀量化，也可以改进量化方法。例如，在图6，位置P1的颜色由C2变换而位置P2的颜色也由C2变换。然而，因为位置P2靠近C3，由人感觉的颜色更接近于C3而不是C2。尽管如此，该彩色量化方法将颜色划分为色空间上的n个组仅仅是将一个组变换到一个颜色。
因此，尽管接近色组边界的颜色是相似的颜色，也可能将其变换为不同的颜色，由此影响图象搜索系统的性能和可靠性。特别是，两个位置接近并由人眼感觉为相似的颜色可能被变换为极不相同的颜色。结果是，大致相似的图象可能被认为是不同的图象。
因此，本发明提出一种彩色量化方法，该方法在彩色量化中考虑到色空间内的相邻色能够较好地反映人眼感觉的颜色变化。根据要变换颜色之间的距离和相邻颜色之间的边界线给出相邻颜色索引的权。
图7表示根据本发明使用色扩散的彩色量化方法。在该量化方法中，色组C2内的位置Px的颜色根据阈值Th由C2或相邻色组C3变换。特别是，小于阈值Th的位置P1的颜色由C2变换。
然而，对于大于阈值Th的位置P2的颜色，考虑到从P2到Th测量的距离d1和从P2到相邻色组C3的边界线测量的距离d2而分配加权值。类似地，对于同样大于Th的位置P3的颜色，考虑到从P3到Th测量的距离d3和从P3到相邻色组C3的边界线测量的距离d4而分配与P2的加权值不同的加权值。
此外，分配的加权值与到Th的距离成比例。对于P2，d2的值大于d1的值，对于P3，d4的值小于d3的值。这样，P3比P2接近于边界线。因此，C3内的相邻色给出的P2的权小于P3的权。
使用上述色扩散的彩色量化方法通过增加相邻色值＝[{Th-到相邻色的距离}/Th]·{1/(相邻色的数目＋1)}，这里相邻色的数目是满足条件(Th-到相邻色的距离大于零)的相邻色的数目，和自身色值＝(1－n个相邻色的值)来执行彩色量化。
相邻色值是将给定加权值除以相邻色组的局部值得到的值，而自身色值是将给定加权值除以相邻色组的局部值得到的余数值。例如，对于P1，从P1到相邻色的距离大于d1＋d2的值并且P1不满足条件(Th-到相邻色的距离＞0)。因此，由C2变换P1。
即，假定对于P1，Th为10，d1为3以及d2为7，则C1的加权值为1。对于P2，与C2相邻包括P2的色组仅是C3。因此，相邻色数目为1，如下得到P2的值。
相邻色值C3＝(10－7)/10·1/(1＋1)＝3/20，和自身色值C2＝1－3/20＝17/20。
因此，将17/20的加权值分配给C2，3/20的加权值分配给C3。
就P3而言，假定Th为10，d3为8以及d4为2，与包括P3的C2相邻的色组同样只有C3。因此，相邻色数目为1。类似地，如下得到P3的值。
相邻色值C3＝(10-2)/10·1/(1＋1)
＝2/5，和自身色值C2＝1－2/5＝3/5。
因此，将3/5的加权值分配给C2，2/5的加权值分配给C3。应注意，如果如图7所示的色空间上的位置Px包括在C3中，则相邻色的数目为3(C1，C2和C4)并且相应的加权值分配给C1，C2和C4。
在计算加权值时，通过使用色扩散给出与到相邻色组的距离成比例的相邻色组的局部(权)值执行反映人眼感觉的真实色彩的彩色量化。进一步，可以将该量化方法应用到HSV色空间或任何其他的色空间而不限于HMMD色空间。
此外，在根据本发明的使用色扩散的彩色量化中，可以通过不同的方法分配相邻色组的索引的权。而不是使用阈值Th，可以根据量化色组的中心点指定权。即，根据要变换颜色之间的距离和包含该颜色的量化色组的中心点，以及根据该颜色和相邻量化色组的中心点之间的距离给出相邻色组的权。
图8表示根据本发明使用色扩散的彩色量化方法的第二实施例。在每个量化色组C0，C1，C2和C3确定第一中心点P0，P1，P2和P3。图8所示的量化空间表示一个色彩值的量化色空间的2维图。然而，根据色彩量化每个量化色空间将是3维空间。这里将中心点定义为3维空间的中心质点。
为量化点x的颜色，计算点x和包含该颜色的量化色组的中心点之间的距离，和该颜色和相邻量化色组的中心点之间的距离。参考图8，计算的距离可以表示如下d2＝distance(x，P2)d0＝distance(x，P0)
d1＝distance(x，P1)d3＝distance(x，P3)这里d2是点x和包含x的量化色组C2的中心点之间的距离；d0，d1，和d3是点x和相邻量化色组C0，C1，和C3的中心点之间的距离。
对于使用HMMD空间的量化，中心点根据hue，max值和min值如下表示P0＝{h0，max0，min0)，P1＝{h1，max1，min1)P2＝{h2，max2，min2)，和P3＝{h3，max3，min3)因此，当量化点x的颜色时，根据下面的公式分配量化色组的索引的权C0的权＝1－d0/(d0＋d1＋d2＋d3)，C1的权＝1－d1/(d0＋d1＋d2＋d3)，C2的权＝1－d2/(d0＋d1＋d2＋d3)，C3的权＝1－d3/(d0＋d1＋d2＋d3)，当计算权值时，通过使用色扩散给出与到中心点的距离成比例的相邻色组的局部(权)值执行反映人眼感觉的真实色彩的彩色量化。
如上所述，HMMD模型和使用HMMD色空间和色扩散的彩色量化方法具有各种效用。首先，均匀分布存在于新的HMMD色空间的全部颜色，从而使颜色信息对应于人眼感觉的颜色变化。本发明仅由新的HMMD色空间上的直线划分颜色以执行彩色量化。
另外，不需要特殊的变换，通过简单的计算从R，G和B得到定义HMMD模型的max，min，diff和sum值，因此计算时间极短。这样，本发明适合于数字色彩分析。
进一步，本发明能够高速执行准确的图象搜索和图象分析，以及在应用图象分析技术的面部识别，动画搜索，MPEG和姿势识别等的图象处理中提取有效的颜色信息。
进一步，本发明将与色空间内的给定颜色相邻的颜色认为是相邻色以分配与到相邻色的距离成比例的局部值，而不是仅在特定颜色内检索，以此补偿由于彩色量化造成的检索误差。因此，可以执行反映人眼感觉的颜色变化的彩色量化。这样，本发明能够提高基于上述内容的图象搜索系统的性能。
最后，本发明在分配局部值时通过调整用作标准值的阈值控制量化，从而能够执行各种色空间内的彩色量化。
上述实施例仅是示例性的并不用于限定本发明。本技术可以容易地应用到其他类型的装置。本发明的说明书是说明性的，并不限定权利要求书的范围。很多替换，修改，和变化对本领域的技术人员来说是显而易见。
权利要求
1.一种具有顶点A和顶点B在围绕AB轴的平面合并的两个对称锥体形状的HMMD色模型，HMMD色模型包括hue，定义为围绕AB轴的角度；diff，定义为从AB轴到锥体的圆周C方向上的AB轴的标准向量；max值，定义为从下锥体的顶点B到圆周C方向上的向量；min值，作为从上锥体的顶点A到圆周C方向上的向量；和sum值，定义为与AB轴相反方向上的向量。
2.如权利要求1所述的HMMD色模型，其中max值，min值，diff，和sum值在0和1之间变化；其中hue从0到360变化。
3.如权利要求2所述的HMMD色模型，其中通过下面的公式从具有(r，g，b)色值的RGB色模型变换出HMMD色模型max＝输入的r，g，b值中的最大值；min＝输入的r，g，b值中的最小值；diff＝max-min；sum＝(max＋min)/2hue＝(g－b)/(max－min)*60，if(r＝max∩(g－b)＞0)(g－b)/(max－min)*60＋360，if(r＝max∩(g－b)＜0)(2.0＋(b－r))/(max－min)*60，if(g＝max)(4.0＋(r－g))/(max－min)*60，if(b＝max)未定义的，if max＝min。
4.如权利要求1所述的HMMD色模型，其中max值从黑到白和纯色控制色泽，min值从黑和纯到白色控制色度，diff值从灰到纯色控制色调，以及sum从黑到亮色控制亮度。
5.如权利要求1所述的HMMD色模型，还包括垂直并通过AB轴，以及具有由顶点A，顶点B和圆周C定义的三角形边界的MMD平面，每个MMD平面包含max，min，diff和sum。
6.一种用于HMMD色空间的量化方法，包括步骤(a)划分HMMD色空间的灰色区；(b)MMD平面的彩色量化；(c)色彩区的彩色量化；和(d)将每个量化区内的颜色信息变换为相同的值。
7.如权利要求6所述的方法，其中步骤(a)包括步骤将HMMD色空间的不同值与预定基准值比较；和如果diff等于或小于基准值就确定一区域为灰色区。
8.如权利要求7所述的方法，其中基准值与色彩有关。
9.如权利要求7所述的方法，其中根据HMMD色空间的sum和diff值可以将灰色区划分为多个区域。
10.如权利要求6所述的方法，其中步骤(b)包括步骤通过至少一条平行于HMMD色空间的中心轴的直线划分MMD空间；通过至少一条平行于HMMD色空间的max向量的直线划分MMD空间；通过至少一条平行于HMMD色空间的min向量的直线划分MMD空间；和其中MMD空间被分为多个等边三角形。
11.如权利要求6所述的方法，其中步骤(c)包括将色彩区均分为相同的段的步骤。
12.如权利要求6所述的方法，其中步骤(c)包括将给出较大的段非均分色彩区分成RGB颜色控制的区域的步骤。
13.如权利要求6所述的方法，其中步骤(d)包括步骤从一个或多个相邻量化区的边界线确定第一量化区内的一个颜色位置的距离；如果确定距离大于从预定阈点到一个或多个相邻量化区的边界线测量的距离就通过量化第一区变换所属颜色；如果确定的距离小于从预定阈点到一个或多个相邻量化区的边界线测量的距离就通过分配加权值到第一量化区和一个或多个相邻量化区变换所述颜色。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述加权值与从所述颜色到阈点测量的距离成比例。
15.如权利要求6所述的方法，其中步骤(d)包括步骤确定每个量化区的中心点；从第一量化区的中心点确定第一量化区内的一个颜色位置的距离；从与第一量化区相邻的一个或多个量化区的中心点确定该颜色位置的距离；根据确定的距离将加权值分配给第一量化区和与第一量化区相邻的一个或多个量化区；和根据分配的加权值变换颜色。
16.如权利要求15所述的方法，其中在分配加权值的步骤中，通过公式分配权Wi=1-di/Σn=0mdn]]>这里Wi是第i个量化区的权，di是从第n个量化区的中心点到第i个量化区的颜色位置的距离，dn到dm是从与第一量化区相邻的一个或多个量化区的中心点的颜色位置的距离。
17.一种用于图象搜索系统的方法，包括步骤输入图象；提取每个输入图象的像素的RGB包值；将RGB色值变换到HMMD色空间值；通过量化HMMD色空间将变换的RGB色值变换到相应的颜色；构造每个输入图象的全局色直方图；将全局色直方图与目标图象的基准全局色直方图比较；和选择具有与基准全局色直方图最相似的全局色直方图的输入图象。
18.如权利要求17所述的方法，还包括步骤构造每个输入图象的局部色直方图；将局部色直方图与基准局部色直方图比较；和选择具有与基准全局色直方图最相似的全局色直方图以及具有与基准局部色直方图最相似的局部色直方图的输入图象。
19.如权利要求17所述的方法，还包括在选择输入图象之前，以从具有最相似的全局色直方图的图象开始的顺序排列输入图象的步骤。
20.一种用于具有多个色组的色空间的量化方法，包括步骤从一个或多个相邻色组的边界线确定第一色组的一个颜色位置的距离；如果确定的距离满足第一预定条件就通过第一色组变换所述颜色；和如果确定的距离满足第二预定条件就通过分配加权值到第一色组和一个或多个相邻色组变换所述颜色。
21.如权利要求20所述的方法，其中如果确定的距离大于从预定阈点到一个或多个相邻色组的边界线测量的距离就通过第一色组变换所述颜色；否则通过分配加权值变换所述颜色。
22.如权利要求20所述的方法，其中所述加权值与从所述颜色到预定阈点测量的距离成比例。
23.一种用于具有多个色组的色空间的量化方法，包括步骤确定每个色组的中心点；从第一色组的中心点确定第一色组的一个颜色位置的距离；从与第一色组相邻的一个或多个色组的中心点确定该颜色位置的距离；根据确定的距离分配加权值到第一色组和与第一色组相邻的一个或多个色组；和根据分配的加权值变换颜色。
24.如权利要求15所述的方法，其中在分配加权值的步骤中，通过公式分配权Wi=1-di/Σn-0mdn]]>这里Wi是第i个色组的权，di是从第n个量化区的中心点到第i个色组的颜色位置的距离，dn到dm是从与第一量化区相邻的一个或多个色组的中心点的颜色位置的距离。
全文摘要
公开一种基于色彩，色泽，色调，色度和颜色的亮度的新的色模型HMMD，以及使用HMMD色空间的颜色量化方法。本发明将色空间内与给定色相邻的颜色认为是相邻色以便根据距离将相邻色的索引认为是局部值。因此，本发明能够完成接近于人眼感觉的颜色变化的彩色量化，由此能够提高基于上述内容的图象搜索系统的性能。
文档编号H04N1/46GK1239794SQ9910606
公开日1999年12月29日 申请日期1999年4月29日 优先权日1998年4月29日
发明者金贤俊, 李振秀 申请人:Lg电子株式会社