第八章彩色图像处理

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1、第八章 彩色图像处理,8.1 彩色基础 8.2 彩色模型 8.3 伪彩色图像处理 8.5 彩色变换 8.6 平滑和尖锐化 8.7 彩色分割 8.8 彩色图像的噪声,图像处理中运用彩色受两个主要因素推动： 彩色是一个强有力的描绘子，常常可以使从一个场景中识别和抽取目标的处理得到简化。 人眼能区别的灰度层次大约只有二十几种，却能够辨别几千种颜色。 彩色图像处理可分为两个主要领域： 全彩色图像处理。图像用全彩色传感器获得，如彩色电视摄像机或彩色扫描仪。 伪彩色处理。对特定的单一亮度或亮度范围赋予一种颜色，以增强辨识能力。,8.1 彩色基础 1666年，艾萨克牛顿（Isaac.Newton）,白光通过

2、棱镜时的彩色谱,彩色谱可分为6个宽的区域： 紫色、蓝色、绿色、黄色、橘红色和红色。,彩色光大约覆盖电磁波谱400700nm的范围，用来描述彩色光源质量的三个基本量： 辐射率：从光源流出能量的总量，通常用瓦特（W）度量。 光强：观察者从光源接收的能量的量度，用流明度量。 亮度：是一个主观描绘子，它实际上是不可能度量的。它具体化了彩色强度的概念并是描绘彩色感觉的一个关键参数。,可见范围电磁波谱的波长组成,在人眼中的67万锥状细胞中大约65的锥状细胞对红光敏感，33对绿光明暗，只有2对蓝光敏感。,人类感光细胞的敏感曲线,CIE（国际照明委员会）在1931年选择红、绿、蓝3种颜色作为三基色，即RGB表

3、色系统。并设计三基色为下面的特定波长：蓝435.8nm，绿546.1nm，红700nm。 3个标准原色当以各种强度比混合在一起时可以产生所有可见彩色。 ,二次色: 由基色相加产生。 如深红色（红加蓝），青色（绿加蓝）和黄（红加绿）。 补色: 用白色减去一种颜色就可以得到它的补色。相加得到白光的两种颜色称为互补色。 颜料中的三基色是指吸收一种光基色并让其他两种基色反射的颜色，所以颜料的三基色正是光的三个补色，而颜料的三补色是光的三基色。,三基色混合成彩色的方法主要有两种： 加色法：三基色是红、绿、蓝，通过颜色相加产生各种彩色。如，红绿黄，绿蓝青，蓝红品红（深红、紫）。彩色电视机的彩色是通过相加混

4、合而成的。,以一定的比例混合这三种基色，或混和一个二次色和其相反的原色可产生白光。,减色法：三基色为黄色、青色和品红。如，白蓝黄，白红青，白绿品红。彩色电影与幻灯片的彩色是通过相减混合而成的。,三种颜料原色或者其相对应的补色进行合适的组合产生黑色。,通常用来区分不同颜色的特性量为： 亮度：是用来表征颜色强度的概念，如无彩色就只有亮度变化（消色）。对彩色光来说，颜色中掺入白色越多就越明亮，掺入黑色越多亮度就越小。 色调：是与混合光谱中主要光波长相联系。 饱和度：是在颜色中掺杂白色光的数量多少的度量。饱和的程度与添加白光的数量成反例。如，粉红色（红加白）和淡紫色（紫加白）是欠饱和的，纯谱色是全饱和

5、的。 色调和饱和度一起称为彩色，因此颜色用亮度和彩色表征。 形成任何一种特定颜色所需的红、绿、蓝的量称为三色值，并分别表示为X,Y和Z。一种颜色由三色值系数定义为：,其中，x + y + z=1,CIE色度图 以x（红）和y（绿）函数表示颜色组成。对于任何x（红）和y（绿）的值，相应的z（蓝）1(x + y)。如，某颜色有大约62的绿色和25的红色，那么，蓝色的组成大约有13。,从380nm的紫色到780nm的红色的各种谱色（纯色）的位置标在舌形色度图的边界上。 任何不在边界上而在色度图内部的点都表示谱色的混合色。 图中的等能量点与三基色百分率相对应，它表示相对于白光的CIE标准。 位于色度图

6、边界上的任何点都是全饱和的。 如果一点离开边界并接近等能量点，就在颜色中加入可更多的白光，该颜色就变成欠饱和的了。 等能量点的饱和度为零。 色度图对颜色混合的作用： 在色度图中用连接任意两点的直线段定义为所有不同颜色的变化，这些颜色可以由这两类颜色相加得到。,扩展到三种颜色。三角形内的任何颜色都可以由三种原色的不同混合产生。,。,三角形显示了由RGB监视器产生的典型的颜色范围，称为彩色全域。 三角形内的不规则的区域表示高质量的彩色打印设备的彩色域。,8.2 彩色模型 目前常用的彩色模型可分为： 面向诸如视频监视器、彩色摄像机或打印机之类的硬件设备。最常用彩色模型是RGB（红、绿、蓝）模型。 面

7、向以彩色处理为目的的应用，如动画中的彩色图形。最常用模型是HSI（色调、饱和度、亮度）模型。 在印刷工业上和电视信号传输中，经常使用CMY（青、深红、黄）和CMYK（青、深红、黄、黑）及YUV系统。 8.2.1 RGB模型 RGB模型用三维空间中的一个点来表示一种颜色，三个轴分别为R、G、B，颜色子空间如下图立方体所示：,RGB彩色立方体，沿着对角线从原点的黑到点(1,1,1)的白色是灰度值,在RGB空间，用以表示每个像素的比特数叫做像素深度。 RGB图像的每一幅红、绿、蓝图像都是一幅8比特图像，每个RGB彩色像素共有24比特深度。 24比特RGB图像的颜色总数是：(28)3=16777216

8、,RGB24比特彩色立方体,在RGB模型中，所表示的图像由3个图像分量组成，每个分量图像都是其基色图像。但送入RGB监视器时，这三幅图像在荧光屏上混合产生一幅合成的彩色图像。,虽然高端显示卡和监视器可以接受重现24比特RGB图像，但现在许多系统仍然限制在256种颜色。另外还有仅使用几种颜色的情况，如伪彩色图像。,各系统通用的256种颜色，其中40种留作各种操作系统进行不同的处理，仅留216种颜色。这216种颜色成为事实上的安全彩色。 216种颜色的每一种同前面讲的一样都是由RGB值形成的，但每个值仅可取0,51,102,153,204和255共六种取值。这样，RGB三元组数值给出(6)3=21

9、6个可能值。,RGB安全彩色立方体,每个平面都有36种颜色，所以安全彩色立方体所有表面由216种不同的颜色覆盖。,8.2.2 CMY和CMYK模型 青、深红和黄色是光的二次色，却是颜料的基色。 大多数在纸上沉积颜料的设备，如彩色打印机和复印机，都采用减色法。要求输入CMY数据或做RGB到CMY的转换。可用一简单的变换式表示：,假设所有的彩色值都归一化为0，1范围。 CMY彩色模型的三种基色再加上黑色CMYK彩色模型。 这种模式的文件大，占用的磁盘空间和内存大。一般在印刷时使用。,8.2.3 HSI彩色模型 HSI模型是Munseu提出的，它反映了人的视觉系统观察彩色的方式。 H:色调(Hue)

10、； S:饱和度(Saturation)； I:亮度(Intensity)。 模型的建立基于两个重要的事实： I分量与图像的彩色信息无关； H和S分量与人感受颜色的方式是紧密相联的。 HSI模型中的颜色分量（色调和饱和度）可定义在下图的三角形中。,HSI彩色三角形,注：基色之间相隔120，二次色与基色相隔60，二次色之间相隔120。 对于其中任意颜色点P， 颜色点P的色调H是该向量与红色轴的夹角。当H0时，为红色，H=60时，为黄色等。 颜色点P的饱和度S是指一种颜色被白色稀释的程度，它与P点到三角形中心的距离成正比。 P点据三角形中心越远，这种颜色的饱和度越大。,HSI模型中的亮度的测度与垂直

11、于三角形并通过其中心的直线有关。沿着位于三角形下方的直线，亮度逐渐由暗到黑。相反，在三角形的下方，亮度逐渐由明亮变到白。,HSI彩色双棱锥,这个结构表面上的任一点代表一种完全饱和的颜色。 任一点的颜色的色调由该点到中心的连线与红色轴的交角决定。 亮度由该点与黑色点的垂直距离决定。与黑色点的距离越远，亮度越强。 其饱和度随该点与纵轴距离的减少而减少。,RGB转换到HSI 对任何3个0，1范围内的R、G、B值，其对应HSI模型中的I、S、H分量的计算公式为：,计算出的H值的范围为0,180，对应于。在时，值大于180，只要令360H，即可把转换到180，360区间。 当S0时对应的是无色彩的中心点

12、，这时H就没有意义，此时定义H为0。 当I0时，S也没有意义。,HSI转换到RGB 假设S、I的值在0，1之间，R、G、B的值也在0，1之间，则HSI转换为RGB的公式为(分成3个相隔120的扇区)： （1）当H在0，120之间 （即RG扇区）,(2) 当H在120，240之间（GB扇区）,(3) 当H在240，360之间（BR扇区）,例：图像的R、G、B分解,（a）原图像 （b）R分量 （c）G分量 （d）B分量图,例：图像的HSI分解,（a）原RGB图像 （b）H 分量,（c）S 分量 （d）I 分量,例：彩色图像的R、G、B和H、I、S各分量的图示,彩色图像的R、G、B和H、S、I各分量

13、图,HSI分量图像处理,(a) 由RGB基色和二次色合成的图像，(b)色调，(c)饱和度，(d)强度 注：图(b)中的灰度值对应于角度。如红色对应0。 图(c)中的灰度值对应饱和度 。图(d)中的灰度值对应是平均强度。,图(a) 把色调分量图像的蓝、绿区域的像素变为0。 图(b) S分量图像中青色区域的饱和度减少一半。 图(c) 强度图像中心的白区域强度减少一半。 图(d) 把改进后的HSI图像变换回RGB图像。,Lab表色系 CIE于1976年推荐的设计成符合孟塞尔彩色系统的表色系。Lab颜色与设备无关，无论使用何种设备（如显示器、打印机、计算机或扫描仪）创建或输出图像，这种模型都能生成一致

14、的颜色。Lab模式是Photoshop内部的颜色模式。 Lab颜色由亮度或光亮度分量L(Lightness)和a、b两个色度分量组成： L：亮度，范围在 0100； a：是由绿到红的光谱变化，范围在120120之间。a的正向数值越大表示越红，在负向的数值越大则表示越绿； b：是由蓝到黄的光谱变化，范围在120120之间。b的正向数值越大表示越黄，在负向的数值越大表示越蓝。,式中，X0 、Y0 、Z0为标准白色对应的X、Y、Z值。 注：标准白色在CIE标准D65照明下典型的完美漫反射白色,Lab彩色空间的特点： 比色，即在各种色调中感觉彩色差别一致。 感觉一致，即与感觉相匹配的编相同的码。 独立

15、于设备，虽然没有直接可显示的格式，其色域包含全部可见光谱并可以准确描述任何显示、打印或输入设备的彩色。 优秀的亮度和彩色分离器： L表示亮度，a表示红减绿，b表示绿减蓝。使得它在图像的色调、对比度编辑和图像压缩方面很有用。,8.3 伪彩色图像处理 真彩色：自然物体的彩色，能真实反映自然界物体本来颜色的图像。如由彩色摄像机摄制，并由彩色监视器复原的彩色图像就近于真彩色。 假彩色： 把真实景物图像的像素逐个地映射为另一个颜色，使目标在原图像中各突出。 把对光谱图像中任三个光谱图像映射为可见光红、绿、蓝三个可见光谱段的信号，再合成为一幅彩色图像。 把黑白图像，用灰度映射或频谱映射而成为类似真实彩色的

16、处理。 伪彩色：对原来灰度图像中不同灰度值的区域赋予不同的颜色以更明显的区分它们。,为什么伪彩色处理可以达到增强的效果呢？ 由于人眼对彩色的分辨能力远远大于对黑白灰度的分辨率。对于一般的观察者来说。通常能分辨十几级灰度，就是经专业训练的人员也只能分辨几十级灰度。而对于彩色来说，人的眼睛可分辨出上千种彩色的色调和强度。因此，在一幅黑白图像中检测不到的信息，经伪彩色增强后可较容易的被检测出来。 8.3.1 强度分层 如果一幅图像可被看作一个三维亮度图像，这种方法可理解为放置一些平行于图像坐标面的平面，每个平面在相交的区域切割图像函数。,设一幅灰度图像f(x, y)，在某一个灰度级（如f(x, y)=L1 ）上设置一个平行于x y平面的切割平面，