黑白影像的彩色化研究

论文摘要

彩色化是一种给黑白图像、电影或电视节目加上颜色的计算机辅助处理技术，在影视、医疗、太空探索及其它许多工业及科学领域有着广泛的应用，同时也一直是图像处理中一个活跃的、有挑战性的研究课题。 按照应用目的及处理方式的差异，彩色化可分为伪彩色和假彩色两种类型。伪彩色指处理对象本身并没有颜色属性，而是通过彩色化实现图像增强以利于人眼进行查看；与之对应，假彩色的处理对象本应具有颜色，但是颜色在成像过程中丢失，因此要利用彩色化来模拟真实的场景。本文的研究重点是图像和视频序列的假彩色处理，在分析和总结现有方法的基础上，开发实用化的黑白影像彩色化技术。 论文工作的创新点主要体现在以下几个方面： 1．图像彩色化方法的理论性总结。本文将图像彩色化视为病态问题，根据处理病态问题的规整化形式将彩色化分为基于颜色转移和基于颜色扩展的两类处理方法。通过对比分析，认为基于局部颜色扩展的方法更具合理性，其机理在于图像中颜色的局部相似性，并将颜色扩展的控制方式归结为微观控制和宏观控制。 2．根据颜色扩展原理，提出两种图像彩色化方法，并验证其有效性。①针对Levin算法处理大尺寸图像效率明显下降的问题，改用区域代替像素作为彩色化的处理单元，提出基于过度分割的彩色化方法。②依据图像颜色的局部相似性，将图像中颜色梯度的L2范数平方和设置为价格函数，利用变分法将最小化问题转换为求解偏微分方程，此即基于拉普拉斯方程的彩色化方法。 3．提出两种视频序列彩色化的新方法，其中一种是基于真实运动估计，另一种利用局部的严格运动估计。①常用运动估计通常不能有效地反映实际运动、进而难以直接用于帧间颜色传递，本文利用运动场的空间一致性约束进行真实运动估计。②鉴于完全真实运动估计的实际困难，通过附加条件去除运动估计结果中不可靠的成分、以进行局部严格运动估计；在此基础上只需在两帧图像的部分对应区域内进行颜色传递，对传递结果再利用单帧图像的彩色化方法完成处理。 4．设计了一个人机交互式的黑白电影彩色化流程，并已应用于实际处理。提出一种

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 视觉、颜色与图像
• 1.2 彩色化研究及应用
• 1.2.1 彩色化的研究分类
• 1.2.2 彩色化的应用与研究意义
• 1.3 本文的主要工作及内容安排
• 第二章 黑白影像彩色化综述
• 2.1 彩色化与病态性
• 2.2 电影彩色化的常规方法
• 2.3 图像彩色化的处理方法
• 2.3.1 基于颜色转移的图像彩色化
• 2.3.2 局部颜色扩展法
• 2.3.3 方法对比
• 2.4 视频序列彩色化
• 2.4.1 视频序列彩色化的一般方法
• 2.4.2 序列彩色化涉及的其它问题
• 2.5 本章总结
• 第三章 图像彩色化处理
• 3.1 基于过度分割的图像彩色化方法
• 3.1.1 Levin彩色化算法的推导
• 3.1.2 基于过度分割彩色化的算法思想
• 3.1.3 实验结果
• 3.1.4 小结
• 3.2 基于拉普拉斯方程的图像彩色化方法
• 3.2.1 算法描述
• 3.2.2 拉普拉斯方程的数值解法
• 3.2.3 实验结果与加权差分方案
• 3.2.4 小结
• 3.3 基于短程线距离的颜色混合彩色化
• 3.3.1 图像中的短程线距离
• 3.3.2 利用短程线距离进行颜色混合
• 3.3.3 求解短程线距离的迭代动态规划算法
• 3.3.4 颜色混合法的彩色化实例
• 3.4 对彩色化中颜色扩展本质的认识
• 3.4.1 颜色扩展控制形式
• 3.4.2 对初始涂色的要求
• 3.5 彩色化处理中的色彩空间选择
• 3.5.1 颜色与色彩空间
• 3.5.2 不同色彩空间在彩色化中的应用比较
• 3.5.3 色彩空间的选择
• 3.6 本章总结
• 第四章 视频序列彩色化
• 4.1 视频序列彩色化的基本方法
• 4.2 运动估计
• 4.2.1 运动估计的理论基础
• 4.2.2 运动估计的分类
• 4.2.3 利用时空约束的真实运动估计
• 4.3 基于运动估计的帧间颜色传递
• 4.3.1 基于块邻域约束的运动估计
• 4.3.2 逐帧颜色传递
• 4.3.3 小结
• 4.4 区域颜色修正
• 4.4.1 分水岭分割
• 4.4.2 区域合并
• 4.4.3 异常色检测与修正
• 4.4.4 小结
• 4.5 基于局部严格运动估计的视频序列彩色化
• 4.5.1 面向局部严格运动估计的块匹配方法
• 4.5.2 局部颜色传递与二次彩色化
• 4.5.3 小结
• 4.6 本章总结
• 第五章 黑白电影的彩色化处理
• 5.1 旧电影修复与黑白电影彩色化
• 5.2 一种交互式的黑白电影彩色化流程
• 5.2.1 图像彩色化方法选择
• 5.2.2 电影彩色化流程设计
• 5.3 图像彩色化的客观评价标准
• 5.3.1 图像相似性评价
• 5.3.2 亮色变化不一致比
• 5.4 本章总结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 本文的创新点
• 6.3 下一步的研究方向
• 作者在攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 附图