1、本科毕业设计（20 届）扫描仪色彩校正软件的研究与设计所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 扫描仪色彩校正软件的研究与设计【摘要】本毕业设计是由于扫描仪获取到的图像与原图像的实际色彩存在很大的差别，为了能准确地重现图像本身的实际色彩，必须要对这些图像的颜色进行色彩校正。本论文在对扫描仪、色彩校正和色彩管理等概念进行深入了解的基础上，利用色彩校正的方法将失真的图像通过 24 色标准色卡进行分析，通过一定的操作，总结规律，对于色彩失真的结果进行一一对应，在电脑中通过软件运算，把图像色彩失真的效果去除，得到原本应该有的彩色图像。本设计采用 MATLAB
2、开发工具和 MATLAB 数字图像处理技术，根据色彩校正的方法进行图像的颜色校正，计算简便，使所得到的图像只通过软件处理不需要使用任何外界设备就能得到校正后的图像。【关键词】扫描仪，图像色彩校正，数字图像处理The scanner color correction research of the softwareAbstract This graduation is due to the large difference in the scanner to obtain the actual color of the image and the original image, in order
3、 to accurately reproduce the actual color of the image itself must be of the color images for color correction. On the basis of this paper, scanner, color correction and color management concepts such as in-depth understanding on the use of color correction method to analyze the image distortion by
4、24 color standard color card, through certain operations, summed up the law, for the color distortion the results correspond, in the computer software operations, the effect of the image color distortion removal, should have been the original color image. This design uses MATLAB development tools an
5、d digital image processing techniques, image color correction method based on color correction, the calculation is simple, so that the resulting image does not need to use any external devices will be able to get the corrected image only by software processing. Key Words Scanner、Color correction、Dig
6、ital image processing目 录1. 概述 .11.1 课题的设计背景.11.2 课题的设计目的.11.3 课题设计的任务要求.12. 扫描仪的概述 .22.1 扫描仪的作用.22.2 扫描仪的组成.22.3 扫描仪的工作原理.23. MATLAB 数字图像处理 .33.1 图像与数字图像.33.1.1 图像的数字化 .33.1.2 数字图像的表示 .33.2 数字图像处理学.43.2.1 数字图像处理方法 .43.2.2 数字图像处理内容 .44. 扫描仪的色彩校正 .54.1 色彩校正.54.2 色彩管理系统.54.2.1 色彩管理的概念 .54.2.2 色彩管理的意义 .
7、54.2.3 色彩管理的目标 .55. 软件部分设计 .55.1 MATLAB 开发环境的介绍 .55.2 MATLAB 软件的特点 .65.3 标准色卡的介绍.65.3.1 X-rite24 色标准色卡 .65.3.2 标准色卡的数据校正过程 .75.4 软件系统程序和运行结果.85.4.1 设计的完整程序 .85.4.2 程序的运行结果 .96. 总结 .177. 致谢 .17参考文献.181. 概述1.1 课题的设计背景随着计算机技术的发展，特别是扫描仪的出现，大大促进了与扫描仪相关的产品和软件的普及，使得扫描仪在建筑、机械、印刷、医疗等领域得到了广泛的应用。把图像信息传输到计算机是通过
8、扫描仪这个重要工具来完成的，它已经成为有关图像处理行业所使用的计算机输入设备。而且扫描仪的功能比键盘和鼠标的功能还要强大的多，在早期扫描仪只能扫描图片、照片和胶片，而现在扫描仪不仅可以扫描图像还可以扫描各类文稿资料。扫描仪将图像、文稿输入到电脑里，并对这些图像和文稿进行加工处理和应用 1。随着科学技术水平的飞速发展，扫描仪产品技术的成熟和发展，扫描仪的种类和功能也在不断的进步。在现代科技发达的时代扫描仪的类型也很繁多，如果按扫描仪扫描后图像的颜色来划分有黑白式扫描仪、灰度式扫描仪和彩色式扫描仪；如按扫描的原理来划分有平台式扫描仪、滚筒式扫描仪、手动式扫描仪和馈纸式扫描仪 2。其中平台描仪又称为
9、平板扫描仪，具有占地面积小、使用方便、价格低廉、功能强大的优点，而且在图形图像处理、医疗行业、印刷行业、办公自动化等各个领域使用都很频繁。由于信息化发展的要求，扫描仪已经普及到个个家庭，但对于扫描仪扫描出来的图像或多或少都和原图存在着一些差距。所以，本设计主要是使用 MATLAB 数字图像处理技术对扫描仪扫描的图像进行色彩校正，以扫描标准色卡和灰卡作为标准色彩数据，对色彩失真的图像进行校正。本设计不需要使用任何外界设备就能对图像进行校正，很好地满足了小家庭用户的需求。1.2 课题的设计目的当代是数字化的时代，数字化的发展已经渗透到各个领域，而扫描仪在这个发展进程中起了很大的作用。扫描仪作为一种
10、图像处理的计算机输入设备，对于所扫描的图像都会与原图有一些不同，必须进行图像的色彩校正。但对于计算机中得到的图像来说，所得到的图像和原图在色彩效果方面存在着很大的差距，我们反它称为色差。其色差来源主要有三个方面：1、扫描的原稿本身在获取的过程中由于某种因素而造成的色偏和呈色介质变色造成的色偏。 2、在色分解的过程中灯管发也的光源、镜头、还有感光元件等存在的误差都有可能造成色偏。 3、在色彩还原的过程中因为纸张和油墨等原因而造成色偏 3。因此要进行色彩校正，而此次设计主要研究的是色分解过程中光源、镜头、滤色片和感光元件等误差造成的色偏，在研究的过程中，主要运用到 MATLAB 数字图像处理知识和
11、MATLAB 语言知识，以扫描标准色卡和灰卡作为标准色彩数据，适当改善图像色彩的视觉效果，并实现对扫描图像的色彩校正。1.3 课题设计的任务要求1、根据课题要求，研究扫描仪的色彩校正问题。2、通过结合扫描仪设备的相关知识，了解和掌握扫描仪的具体工作原理和硬件系统结构。3、掌握色彩校正和色彩管理的知识。4、掌握和熟悉 MATLAB 的开发环境和语言的理解。25、了解和分析 24 色的标准色卡。2. 扫描仪的概述2.1 扫描仪的作用扫描仪的作用和打印机的作用不同，扫描仪作为将图片和文稿资料输入到计算机中的输入设备。扫描仪在计算机的领域应用比较普遍，除了图文传真、文字原稿档案、制作图片档案等作用外，
12、我们在计算机网页上年看到的图片都是使用扫描仪才获得的，以下列举几点扫描的具体作用：1、图像处理。在科技发达的信息社会，几乎家家户户都有许多进行获取图像的电子产品，所以也会保存许多的照片。如果将这些照片通过扫描仪扫描到计算内，而且根据时间、地点、人物等情况可以制作成相应的电子档图像或刻成光盘，而且对保存和检索来说都非常的方便。2、搜集资料和整理资料。将文字、图像、标志、标记等资料搜集起来并加以整理，可以建立一个属于自己的数据库，使用方便。3、文字的输入。在早年，人们发表一些文稿和作品都是通过纸和笔的方式来完成的。而今，在这数字化的时代，人们如果是想出版一些书或发表一些文稿都可以通过扫描仪进行扫描
13、并录入到计算机中，并且通过一些软件的识别，将其转换成文本文件，比人工利用键盘录入效率高了许多。4、制作个性作品。在市场上关于日历、贺卡和名片等东西随处可见，但全都是千篇一律。而现在有了扫描仪、计算机、打印机等数码产品，都可以自己动手制作个性的日历、名片和贺卡等，这已成为非常轻而易举的事情。2.2 扫描仪的组成在现代科技社会中，我们经常使用到的扫描仪基本上都是由四部分系统组成的，1.光学系统 2.光电转换部件 3.电子系统 4.机械系统 4。1、 光学系统光学系统是扫描仪进行图像扫描的重要组成部分,光源、反射镜和棱镜三部分构成一个光学系统。而扫描仪光学系统的主要作用是将灯光照射出来的光线照射在玻
14、璃板上的扫描原稿上,然后经过灯光照射的路线,将所照射的光通过反射镜聚焦到 CCD 电荷耦合器件上。因此,照在扫描原稿上的光源发光的强度要高且稳定性要好。2、光电转换器件将光信号通过模拟/数字转换器转换成电信号是光电转换器件的主要作用,所以，对图像信息的传送来说光电转换的特性（如噪声、光的稳定性、灵敏度等）是非常重要的。3、电子系统扫描仪的工作电路根据功能的不同来划分，可以将其分为多个功能部分，例如图像处理部分、照明部分、电源部分、数据的输入/输出、命令和状态信息等。扫描仪电子系统的主要功能是将电信号经模拟/ 数字转换器转换成数字信号，再将数字信号传送给计算机 5。4、机械系统扫描仪的机械系统主
15、要是由用来置放扫描原稿的平板、扫描仪的机体和扫描仪内部机械传动的部件等组成。在平台扫描仪中使用 CCD 电荷耦合器件，可以增强扫描仪的可靠性，而且还能降低功耗，有效地减少了机械的复杂性。32.3 扫描仪的工作原理扫描仪按照扫描的原理来划分，可以分为平板式扫描仪、滚筒式扫描仪、手动式扫描仪和馈纸式扫描仪这几种。由于时代的进步，我们所使用的平板扫描仪的功能越来越强大，而且光学分辨高、扫描速度快。平板扫描仪的扫描图像的形成是通过扫描仪上的光线照射到扫描稿件上才形成的，所以在日常生活中基本上使用的都是反射稿式的扫描方式。反射稿式的扫描方式拥有智能扫描而不需要人工进行扫描的扫描控制技术，对透射稿的丰富层
16、次扫描可以很方便很快捷地就完成，而且还能有效地改善扫描图像的质量。扫描仪的具体工作原理，如图 2-1 所示：图 2-1 扫描仪的具体工作原理将灯管内发出光线照射在玻璃板的反射稿件上，根据反射稿件上所接收到的不同明暗程度，它所形成的反射光线也不同，再通过转角上的反光镜将从灯管上发出的光线聚集在CCD 电荷耦合器件上。CCD 电荷耦合器件就会将这些光学信号转换成模拟信号，这些模拟信号通过模拟/数字转换器转换成相应的数字信号，最后将这些数字信号传送到计算机里。在这一整个扫描仪的扫描过程中运用到了电子技术、光学技术等方面知识，且最终数字化的结果都会受到每个部件设计的影响 6。3. MATLAB 数字图
17、像处理图像是人类在社会活动中获取信息的重要来源，是对自然社会中客观对象生动性的描述，也是人类了解世界、接触自然的视觉基础。事实上，我们对图像的定义有两种描述，第一种描述就是图形或影像，第二种描述就是有图片的视觉效果的图像。图像可以直观的反映自然信息，我们在生活中所获取的信息几乎都是通过视觉来获得的。3.1 图像与数字图像3.1.1 图像的数字化图像的数字化的主要过程就是将从光信号那传过来的模拟图像将它转换成数字图像，采样和量化就是图像数字化的主要工作方面。采样就是在特定的空间上将连续的一幅图像给它分割成 MN 个网格，由 MN 个网的格分割出来的各个网格在模拟图上的亮度值，其实就是从 MN 个
18、网格分割出来的各个网格的亮度值。由于采样结果是一个采样值的数组，所以它也可以被称为网格采样，而且各个网格都可以称为像素像元。MN 中的网格疏密是决定数字图像的空间分辨率的重要依据7。所谓量化，就是将经过采样后的网格亮度值在时间间隔内连续分布，并且转换成一个具体数值的过程。经过量化每个网格的像素点整数值叫做图像的灰度级，灰度级的数目用2 n 来表示。n 较大时，图像的亮度分辨率也比较高，使生成的图像看起来更柔和。43.1.2 数字图像的表示灰度数字图像主要有两种常用的表示方法为：即矩阵法和链码法。数字图像是以矩阵的形式存储在 MATLAB 开发环境中的。并将图像排列成 MN 阵列，其矩阵的表示形
19、式如公式 3-1：f(0,0) f(0,1) f(0,N-1)（x , y）= f(1,0) f(1,1) f(1,N-1)M M Mf(M-1,0) f(M-1,1) f(M-1,N-1) 公式 3-13.2 数字图像处理学数字图像处理就是利用特定的算法来处理数字图像，并以此来获取视觉、接口输入的软硬件所需要的数字图像的过程。基于数学学科的数字图像处理，实现了数字图像处理的各种算法设计和算法。3.2.1 数字图像处理方法对数字图像处理进行处理比较常用的方法有两种，第一种是空域法，第二种是变换域法。1.空域法由图像的各个像素组成的集合，对相应的一维函数和二维函数进行处理的方法称之为空域法，这种
20、图像处理方法包括邻域图像处理法和点图像处理法。（1）邻域图像处理法邻域图像处理法的主要方法有梯度运算、拉普拉斯算子、卷积和平滑算子运算。（2）点图像处理法点图像处理法主要包括图像的灰度处理、图像的面积、图像的周长、图像的体重、图像的重心计算。2.变换域法变换域法首先要先对图像进行傅里叶变换，然后得到变换后图像的变换系数阵列，继而在频域中对经过变换后的图像进行再处理，最后将在频域中经过再处理的结果图像转换到空间域中，最终得到经过处理后的结果图像 8。3.2.2 数字图像处理内容数字图像处理工程一般可以分为五个方面，主要是图像信息的获取、图像信息的存储、图像信息的传送、数字图像处理、图像的输出和显
21、示 9。1.图像信息的获取图像信息的获取主要是将图像转换成适应输入到计算机里的数字信号，主要是通过摄取图像、光电转换和数字化来获得的2图像信息的存储图像信息最突出特点具有一个巨大的数据量。为了处理好大容量的存储问题，图像信息的存储可以通过数据压缩以及图像格式转换等方式进行存储。3. 图像信息的传送图像信息的传送主要有两类传送:系统内部传送和远距离传送。4. 数字图像处理5当前，数字图像处理一般采用的都是计算机处理，所以也被人们称为计算图像处理。数字图像的内容有几何处理、算术处理、图像增强、图像复原、图像重建、图像编码、图像识别和图像理解这几种 10。5. 图像的输出和显示图像处理的最终目的是要
22、为人类和计算机提供一个更方便解释和识别的图像。因此，图像处理还包括图像输出这一重要内容，而且图像的输出可以分为软拷贝和硬拷贝。4. 扫描仪的色彩校正 4.1 色彩校正扫描作为对图像进行处理的一种输入设备，扫描仪所扫描出来的图像或多或少都和原图有些差距，因此，很有必要对图像进行色彩校正。所谓的色彩校正，为了确保图像的色彩精确再现，为了得到所需的颜色效果，进行色彩校正,而校正有系统校正和设备校正两种类型。系统校正一般是指校正影响 RGB 图像转换成 CMYK 图像的图像编辑程序的参数设置。设备校正是指图像分色时使用的输入设备和输出设备 11。其中输入设备有鼠标、扫描仪，而输出设备有绘图仪和打印机。
23、通过对输入设备和输出设备地精确校正，扫描仪就可以准确地扫描到原稿本身的色彩，并将原稿的原有色彩准确地呈现出来。4.2 色彩管理系统4.2.1 色彩管理的概念为什么扫描的原稿与扫描后的图像之间的色彩效果会存在明显的差距？实际上这些差异的存在都是因为各个设备之间缺乏色彩管理才导致而成的。总地来讲，通过计算机的技术对色彩进行管理就称为色彩管理，即从获取图像信号到对图像信息进行加工处理再到最后输出结果图像，其输出结果图像色彩不变，也就是人们常说的“所见即所得” 。4.2.2 色彩管理的意义色彩管理系统有了比较科学和规范的管理，就能将色彩斑斓的世界上的客观事物准确无误地呈现出来，能够让色彩得到很好的诠释
24、 12。在生活中我们经常抱怨“视觉效果与实际效果之间存在着很大的差异”的问题也得到很好地解决和协调。4.2.3 色彩管理的目标1、 对于像扫描仪等不同的输入设备来说，色彩管理可以实现它们之间的色彩匹配。2、 色彩管理能够实现如彩色打印机、印刷等不同输出设备之间的色彩匹配。3、 色彩管理可以实现扫描仪从扫描到输出都是高质量的色彩匹配。5. 软件部分设计5.1 MATLAB 开发环境的介绍MATLAB 称为矩阵实验室，它主要是由美国 MathWorks 公司设计的一款数学计算软件。MATLAB 在数据分析和数值计算，而且还有科学计算和数据可视化方面起了很大的作用。MATLAB 开发环境提供 MAT
25、LAB 函数和文件工具集，而且在 MATLAB 开发环境中有大部分都是6图形化的工具。而且它提供可以形成 M 文件的集成编译，还提供了调试环境，用户可以随意进行输入输出数据 13。近年来随着科学技术的发展，MATLAB 的版本也在不断地提高，MATLAB 以它强大的功能，满足了许多用户的需求，已经广泛地应用在工程和科学计算等领域。MATLAB R2013b 的起始界面如图 5-1 所示：图 5-1 MATLAB R2013b 的起始界面5.2 MATLAB 软件的特点1、具有完整的图形图像处理的功能，能实现编程和计算结果的可视化。2、应用工具箱的使用非常充足（如模块集合工具箱、通信工具箱、信号
26、处理工具箱等）方便了用户的使用。3、用户界面简单美观，语言接近我们所学过的数学表达式，便于学习者掌握和学习。4、数值计算和符号计算的效率高，能将复杂的数学运算过程简单化。5.3 标准色卡的介绍5.3.1 X-rite24 色标准色卡随着影像行业的发展，人们对图像质量的要求也越来越高。为了使图像的色彩能还原成真实的一样，人们通常都会用到色彩校准工具。而 X-rite 标准色卡是目前市场上应用比较普遍的标准色彩校准工具，它主要应用于影像行业、电子行业、平面设计等领域。7图 5-2 标准 24 色卡正面图 5-3 标准 24 色卡的说明书我们常用的 24 色标准色卡可以在任何介质和任何照明光线条件下
27、很真实的还原图像本身的实际色彩，在这 24 色标准色卡中包含了 24 个色块，其中每一个色块都代表了自然界中各个自然物体的真实颜色，而且其中的任何一个色块它的光线反射都和与之相对应的真实物体的色彩一致 14。24 色标准色卡不仅可以进行图像的色彩校正，还可以用来记录照相机的色彩数据，然后建立一个属于照相机本身的 ICC 文件 15。5.3.2 标准色卡的数据校正过程利用 24 色标准色卡对图像进行色彩校正时，首先用拾色器对编号为 No.24 的黑色块进行取样，其中红、绿、蓝间的差值在 67 个单位值内，R、G、B 的数值都为 52，虽然该色块为黑色，但是不会被误认为纯黑色。其次，再对编号为 No.19 的白色色块进行上述测试，虽然白色色块看上去是白色，但是不是纯白色的，R、G、B 的数值约为 243。最后，要检查色偏差，选择编号为 No.22 的灰色色块，R、G、B 的数值约为 122，红、绿、蓝间的差值不超过 7。如果图像的读数超出以上几个的偏差范围，就要使用图像处理工具将图像的色彩调整到上述的要求范围内 16。
