بخشی از مقاله
چکیده
رنگیسازي، فرآیند اضافهکردن رنگ به تصاویر و یا فیلمهاي سیاه و سفید میباشد. از آنجایی که رنگهاي متفاوت داراي سطح روشنایی یکسانی میباشند، تبدیل تصویر سیاه و سفید به رنگی، راهحل واحد و اتوماتیک نداشته و انسان نقش اساسی در فرآیند رنگی-سازي دارد. در این مقاله با استفاده از تئوري منطق فازي دو روش براي رنگیسازي تصاویر پیشنهاد شدهاست. همچنین بر پایه روش ارائهشده در رنگیسازي تصاویر، روشی براي رنگیسازي فیلمها ارائه میگردد.
در روش اول ابتدا کاربر تعدادي از پیکسلهاي تصویر سیاه و سفید را رنگی کرده و سپس دستههایی براساس سطح روشنایی پیکسلهاي رنگیشده ایجاد میشود. در ادامه با محاسبه میزان عضویت هر پیکسل به دستهها و بر اساس رنگ دستهها، تصویر رنگی میگردد. در روش دوم کاربر یک تصویر رنگی که از نظر رنگهاي بکار رفته با تصویر سیاه و سفید مشابه میباشد انتخاب کرده و سپس بر اساس رنگهاي بکار رفته در تصویر رنگی، تصویر سیاه و سفید را رنگی میگردد. بر اساس فریم اولیه رنگیشده یک فیلم و با استفاده از روش دوم میتوان فریمهاي بعدي یک فیلم را رنگی نمود. آزمایشات انجامشده جهت رنگیسازي، نتایج قابل قبولی را به همراه داشتهاست.
-1 مقدمه
رنگیسازي فرآیند اضافهکردن رنگ به تصاویر و یا فیلمهاي سیاه و سفید میباشد.[1] رنگیسازي اولین بار در سال 1970 براي اضافهکردن رنگ به تصاویر ماه در ماموریت Apollo به کار گرفتهشد.[2] هدف فرآیند رنگیسازي، جایگزینی میزان روشنایی ذخیرهشده در هر پیکسل تصویر سیاه و سفید با یک بردار در فضاي رنگ سه بعدي میباشد - به عنوان مثال بردار سه بعدي قرمز، سبز و آبی در فضاي رنگ . - RGB مقادیر روشنایی هر پیکسل با استفاده از ترکیب خطی مقادیر RGB آن محاسبه میگردد - رابطه . - 1 در رابطه - 1 - ، L سطح روشنایی پیکسل در تصویر سیاه و سفید و R، G و B به ترتیب مقادیر رنگی قرمز، سبز و آبی پیکسل در تصویر رنگی میباشد.
از آنجایی که رنگهاي متفاوت داراي سطح روشنایی یکسانی میباشند، تبدیل تصویر سیاه و سفید به تصویر رنگی ذاتاً داراي راهحل درستی نمیباشد. براساس ابهام ذکر شده، انسان نقش اساسی در فرآیند رنگیسازي داردGonzalez .[3] از یک جدول تبدیل بین مقادیر خاکستري و رنگی به عنوان ایدهي اتوماتیک براي رنگی-سازي استفاده کردهاست[4]، اما ساختن جدول تبدیل نیز به تصمیم انسان بستگی دارد. در این مقاله با توجه به مفهوم فازي و خوشهبندي فازي دو روش نیمه اتوماتیک با دخالت انسان براي رنگیسازي ارائه شدهاست.
دخالت انسان فقط شامل انتخاب رنگ براي پیکسلهاي تصویر سیاه سفید یا انتخاب تصویر رنگی مشابه تصویر سیاه و سفید میباشد و رنگیکردن بقیه پیکسلها بصورت کاملاً اتوماتیک انجام میپذیرد. ساختار این مقاله به این صورت میباشد که ابتدا کارهاي انجامشده در این حوزه بررسی شده، سپس مفهوم خوشهبندي فازي و کاربرد آن در روش پیشنهادي ذکر شدهاست. در انتها نیز روش پیشنهادي براي رنگیسازي با استفاده از خوشهبندي فازي شرح داده - میشود.
-2 روشهاي موجود براي رنگیسازي
رنگیسازي به طور وسیع از سال 1970 مورد مطالعه قرار گرفت.[5] انواع روشهاي نیمه اتوماتیک براي رنگیسازي به شرح زیر میباشد: [4]Gonzalez از یک look- up table براي انتقال رنگ به تصاویر سیاه و سفید استفاده میکند. این جدول تعریفشده بوسیله کاربر، سطح روشنایی در تصویر سیاه و سفید را به رنگ خاصی نگاشت مینماید. این روش در بسیاري از سیستمهاي تجاري قدیمی براي رنگیسازي مورد استفاده قرار گرفت. محدودیت این روش این است که براي سطح روشنایی یکسان نمیتواند رنگهاي متفاوت تولید کند. گرچه این محدودیت با در نظر گرفتن ناحیههاي متفاوت در تصویر و سپس استفاده از look-up table هاي متفاوت قابل حل میباشد ولی این فرایند خیلی سخت و خستهکننده میباشد.
[6]J. Shi ابتدا تصویر را به نواحی قطعهبندي مینماید و سپس از رنگهاي مطلوب براي رنگکردن نواحی استفاده میکند. از آنجایی که روشهاي قطعهبندي موجود در آن زمان نمیتوانست تصویر را به نواحی معنیداري تقسیم نماید، رنگیسازي به این شیوه خروجی رنگی طبیعی تولید نمیکرد. در [7] روشی براي رنگیسازي تصاویر کارتونی با استفاده از قطعهبندي بدون ناظر ارائه شدهاست. تصاویر کارتونی عموما داراي دو لایه پسزمینه و پیشزمینه می-باشند. لایه پیشزمینه شامل نواحی یکجور که توسط خطوط محصور شدهاند، میباشد. لایه پسزمینه در طول انیمیشن ثابت میماند. با استفاده از این دو مزیت، تصویر سیاه و سفید میتواند به نواحی تقسیمبندي گردد و رنگی شود. این روش عموماً نتیجه مطلوبی براي انواع دیگر تصاویر نمیتواند تولید نماید.
یک روش نیمه اتوماتیک، از توزیع روشنایی محلی به عنوان اطلاعات بافت تصویر استفادهکرده و رنگها را از یک تصویر رنگی مبدا به تصویر سیاه و سفید هدف انتقال مینماید.[8] این شیوه از [9] و [10] الهام گرفتهاست. این روش براي صحنههاي طبیعی موفقیت آمیز بودهاست. [11]U. Lipowezky قطعهبندي بیزي بافت تصویر براي رنگیسازي تصاویر سیاه و سفید معرفی نمود. این روش بعضی از معایب ارائهشده در منبع [8] را رفع نمود اما براي تبدیل تصاویر هوایی سیاه و سفید به تصاویر رنگی اینفرارد - CIR - کاربرد دارد.
بسیاري از روشهاي رنگیسازي از نقطههاي رنگی که توسط کاربر بوسیله خطوط رنگی روي تصویر اصلی سیاه و سفید قرار داده میشود، جهت رنگیسازي استفاده می-نمایند. Horiuchi در[12] رنگها را با مینیممکردن اختلاف بین چهار همسایه هر پیکسل، روي پیکسلها پخش می-نماید. رنگ ابتدایی توسط کاربر به پیکسلها داده میشود. [13]Levin با استفاده از خطوط رنگی ایجاد شده توسط کاربر و با توجه به مسئله بهینهسازي، تصاویر را رنگی می-نماید. روش ارائهشده در [13] روشی موثر بوده ولی بسیار زمان بر میباشد. در [14] نیز روشی با استفاده از قطعه-بندي تصاویر با توجه به خطوط رنگی قرار دادهشده بر تصویر ارائه شدهاست. در این روش، رنگ هر ناحیه توسط خطوط قرار دادهشده بر تصویر سیاه و سفید و قطعهبندي watershed مشخص میگردد.
-3 خوشهبندي فازي
خوشهبندي یکی از شاخههاي یادگیري بدون ناظر میباشد و فرآیند خودکاري است که در طی آن، نمونهها به دسته-هایی که اعضاي آن مشابه یکدیگر میباشند، تقسیم می-شوند. به این دستهها خوشه گفته میشود. براي خوشهبندي روشهاي مختلفی وجود دارد که از آن جمله میتوان الگوریتم خوشهبندي دادهها - [15] - K-means و الگوریتم خوشهبندي فازي - [16] - Fuzzy C-means را نام برد. درالگوریتم k-means جهت خوشهبندي پیکسلهاي یک تصویر، با توجه به معیار شباهت، هر پیکسل تنها به یک کلاس تعلق خواهدداشت. بدین معنی که احتمال عضویت هر پیکسل به یک کلاس قطعی بوده و نمیتواند به کلاس دیگري وابسته باشد. اما در الگوریتم Fuzzy هر پیکسل داراي وابستگی قطعی به یک کلاس نبوده و معیار عضویت فازي براي آن تعریف میشود. بدین معنی که میزان عضویت هر پیکسل به هر کلاس عددي در بازه [0-1] بوده و مجموع تعلق هر پیکسل به تمام کلاسها برابر 1 خواهدشد.
-2-3 الگوریتم خوشهبندي فازي استفادهشده براي رنگیسازي
در روش پیشنهادي رنگیسازي، براي تخمین میزان شباهت بین روشنایی پیکسلها و روشنایی پیکسلهایی که به صورت دستی رنگی شدهاند از خوشهبندي فازي استفاده شدهاست. تعداد خوشهها به تعداد رنگهاي استفادهشده در نقاطی که به صورت دستی رنگی شدهاند، بستگی دارد. برخلاف الگوریتم سنتی ذکر شده در بالا براي خوشهبندي فازي، مراکز دستهها براساس پیکسلهاي رنگشده تعیین میگردد و خوشهبندي استفادهشده تکراري نمیباشد.
-4 الگوریتم پیشنهادي براي رنگیسازي
در این مقاله دو روش جدید براي رنگیسازي تصاویر سیاه و سفید بر مبناي منطق فازي ارائه شدهاست. در روش اول ابتدا کاربر نقاطی از تصویر سیاه و سفید را رنگی مینماید. این نقاط رنگی، اطلاعات لازم براي دستهبندي پیکسلها و همچنین رنگ سایر پیکسلها را مشخص مینماید. در روش دوم کاربر یک تصویر رنگی که از نظر رنگ مشابه تصویر سیاه و سفید باشد را انتخاب مینماید. در ادامه پیکسلهاي تصویر سیاه و سفید بر اساس خوشهبندي فازي Fuzzy C- - - Means، دستهبندي میشوند. پس از دستهبندي پیکسلها، بر اساس میزان عضویت هر پیکسل به دستهها و رنگ آن دسته، رنگ سایر پیکسلها تعیین میگردد.
مراحل رنگی-سازي تصاویر به روش پیشنهادي:
مرحله - 1 رنگی نمودن تصویر سیاه و سفید یا انتخاب تصویر رنگی مشابه
در روش اول، ابتدا به صورت دستی پیکسلهایی از تصویر رنگی میشود. البته در پیادهسازي این تحقیق براي رنگی-سازي پیکسلها از روش دستی استفاده نشده، بلکه براي بررسی دقیقتر کارایی روش پیشنهادي، ابتدا یک تصویر رنگی به سیاه و سفید تبدیل شد و سپس به صورت تصادفی درصدي از پیکسلهاي تصویر سیاه و سفید رنگیشد و این تصویر سیاه و سفید همراه با نقاط رنگی، رنگیسازي شد. با توجه به وجود تصویر اصلی و تصویر رنگیشده میتوان کارایی روش پیشنهادي را مشاهده کرد. در روش دوم، یک تصویر رنگی که از نظر رنگ مشابه تصویر سیاه و سفید باشد انتخاب میگردد.
