计算机视觉chapter6

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1、第六章 颜色和纹理第六章 颜色和纹理6.1 色度学基础与颜色模型 6.2 纹理的概念及表示1computer vision6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型 n色度学基础 l在灰度图像时，图像的像素值是光强（亮度值）， 即二维空间变量的函数f(x, y)。 l实际中，一幅图像对应着一个波段或多个波段光谱 样本，例如气象卫星云图的红外波段。 l如果把灰度值看成是二维空间变量和光谱变量的函 数f(x,y,)，即多光谱图像，也就是通常所说的彩 色图像。 l在计算机上显示一幅彩色图像时，每一个像素的颜 色是通过三种基本颜色（即红、绿、蓝）合成的， 即最常见的RGB颜色模型。要理解

2、颜色模型， 首先 应了解人的视觉系统。 2computer vision6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型 n颜色的基本性质 l颜色是外界光刺激作用于人的视觉器官而产生的主 观感觉。所以颜色特性既可以从客观刺激方面来衡 量，也可以从观察者的主观感觉方面来描述。 l描述客观刺激的概念是心理物理学概念；描述观察 者主观感觉的概念是心理学概念。 l颜色视觉有三种特性，描述颜色的心理物理量是亮 度、主波长和纯度，相应的心理量是明度，色调和 饱和度。 l确定光的心理物理量与心理量的关系是感觉心理学 研究的重要任务 3computer vision6.1 6.1 色度学基础与颜色模型

3、色度学基础与颜色模型 n颜色的基本性质 l颜色分两大类：非彩色和彩色。 l非彩色是指黑色、白色和介于这两者之间深浅不同 的灰色。它们可以排成一个系列，由白色逐渐到浅 灰、中灰、深灰直到黑色。这叫白黑系列或无色系 列。l白黑系列的非彩色的反射率代表物体的明度。反射 率越高时接近白色，反射率低时接近黑色。一张洁 白的纸的反射率可达85%以上。用来测量颜色、定标 用的标准白板的反射率可达90%以上。一张黑纸的反 射率可低至5%以下，黑色天鹅绒的反射率甚至可低 于0.05%。 4computer vision6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型 n颜色的基本性质 l表示光的强度的心

4、理物理学概念是亮度（ Luminosity） 与之对应的是心理学概念是明度（ brightness）。 l通常明度的变化相应于亮度的变化。物体表面或光 源的亮度越高，人感觉到的明度就越高。 l但二者的关系并不固定。若亮度的微小增加或减少 达不到人眼的分辨阈限，眼睛就觉察不出明度的变 化。这时亮度虽有变化而明度却不变。 l在暗环境中观察一张高反射率的书页和在亮环境中 观察一块低反射率的黑墨相比 。会受到观察者对书 页和黑墨的记忆和经验的影响，产生不同的明度感 觉。5computer vision6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型 n颜色的基本性质 l彩色图像除了受到前面亮度

5、和明度影响外，还受到 其他性质影响。 l心理物理学概念是主波长（dominant wavelength ）和心理学概念是色调（hue）相对应。 l不同颜色的光在物理学上有不同的主波长，同时在 心理上会产生不同色调的感觉。 l两种主波长不同的光以适当的比例加以混合也能产 生白色。这样的一对主波长的光叫做互补波长，一 对互补波长的色调叫互补色 。 l光源的色调决定于人眼对辐射光的光谱组成产生的 感觉。物体的色调决定于光源的光谱组成和物体表 面反射（透射）的各波长的比例对人眼产生的感觉 。6computer vision6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型 n颜色的基本性质 l心

6、理物理学的颜色纯度（purity）对应着心理学概 念的饱和度（saturation）。 l纯色是指没有混入白色的窄带单色光。在视觉上就 是高饱和度的颜色。可见光谱的各种单色光是最饱 和的彩色。 l颜色的交互作用和颜色恒常性7computer vision6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型 n颜色的交互作用和颜色恒常性 l当被看的颜色向它周围颜色的对立方向转化 ，即向周围颜色的补色方向变化时，叫做颜色 的交互作用，或颜色对比 l在红色背景中放一小块白纸或灰纸，用眼睛 注视白纸几分钟，白纸会表现出绿色。如果背 景是黄色，白纸会出现蓝色。红和绿是互补色 ，黄和蓝也是互补色。8c

7、omputer vision6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型 n颜色的交互作用和颜色恒常性 l当在一个颜色（包括灰色）的周围呈现高亮度或低 亮度刺激时，这个颜色就向其周围明度的对立方向 转化，这叫做明度对比。 l白背景上的灰方块呈浅黑色，而黑背景上的灰方块 则呈白色等。对比效应在视觉中有重要作用，明度 对比更是这样。它与视觉中的颜色恒常性相联系 l一块煤在阳光下单位面积反射光比一张白纸在黑暗 处时高一千倍。但我们仍然把煤看成是黑的，而把 纸看成是白的、灰的、或黑的。 l这是由这个物体与周围物体的相对明度关系决定的 。 9computer visionn三色原理在人的视觉

8、系统中存在着杆状细胞和锥状细胞两种感光细胞。杆状细胞为暗视器官，锥状细胞是明视器官，在照度足够高时起作用， 并能分别辨颜色。锥状细胞将电磁光谱的可见部分分为三个波段：红、绿、蓝。由于这个原因，这三种颜色被称为三基色，下图表示了人类视觉系统三类锥状细胞的光谱敏感曲线。 6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型10computer vision图： 人类感光细胞的敏感曲线 6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型11computer visionn根据人眼的结构，所有颜色都可看作是三种基本颜色 R 表示红（Red）、 G表示绿（Green)和B表示蓝（Blue)按照

9、不同的比例组合而成。为了建立标准，国际 照度委员会(CIE)早在1931年就规定三种基本色的波长 分别为R：700 nm，G ：546.1 nm，B ：435.8 nm。n前面已讲过，一幅彩色图像的像素值可看作是光强和 波长的函数值f(x, y, )，但实际使用时，将其看作 是一幅普通二维图像， 且每个像素有红、绿、蓝三个 灰度值会更直观些。 6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型12computer visionn颜色的三个属性l颜色是外界光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观 感觉。l颜色分两大类：非彩色和彩色。l非彩色是指黑色、白色和介于这两者之间深浅不同的 灰色， 也称

10、为无色系列。l彩色是指除了非彩色以外的各种颜色。颜色有三个基 本属性， 分别是色调、 饱和度和亮度。基于这三个 基本属性，提出了一种重要的颜色模型HSI（Hue、 Saturation、 Intensity）。在HSI颜色模型部分中， 我们将详细介绍这三个基本属性。 6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型13computer visionn颜色模型l为了科学地定量描述和使用颜色，人们提出了各种颜 色模型。l目前常用的颜色模型按用途可分为两类，一类面向诸 如视频监视器、 彩色摄像机或打印机之类的硬件设备 。l另一类面向以彩色处理为目的的应用，如动画中的彩 色图形。l面向硬件设备

11、的最常用彩色模型是RGB模型，而面向 彩色处理的最常用模型是HSV模型。另外，在印刷工业 上和电视信号传输中，经常使用CMYK和YUV色彩系统。6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型14computer visionnRGB模型nRGB模型用三维空间中的一个点来表示一种颜色，如图 6-8所示。每个点有三个分量，分别代表该点颜色的红 、绿、蓝亮度值， 亮度值限定在0, 1。n在RGB模型立方体中，原点所对应的颜色为黑色，它的 三个分量值都为零。距离原点最远的顶点对应的颜色为 白色，它的三个分量值都为1。从黑到白的灰度值分布 在这两个点的连线上， 该线称为灰色线。立方体内其 余各

12、点对应不同的颜色。彩色立方体中有三个角对应于 三基色红、绿、蓝。剩下的三个角对应于三基色的 三个补色黄色、 青色（蓝绿色）、品红（紫色） 。 6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型15computer vision图6-8 RGB模型单位立方体 6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型16computer visionnRGB模型l一般表示一定亮度的彩色光C的光通量为：l如果不考虑光的亮度，只考虑色度，则可以使用R，G ，B的相对值表示：lr,g,b分别表示色度坐标。由于r+g+b=1,所以可以将色 度空间转换到r-g的二维空间中。6.1 6.1 色度学基础与

13、颜色模型色度学基础与颜色模型17computer visionr-gr-g色度图色度图 6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型18computer visionnHSV模型lHSV模型是Munsell提出的，它反映了人的视觉系统观 察彩色的方式，在艺术上经常使用HSV模型。HSV模型中 ，H表示色调(Hue)，S表示饱和度(Saturation)， V表 示亮度(Value)，对应成像亮度和图像灰度)。l这个模型的建立基于两个重要的事实： V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。这些特点使得HSV模型非常适合借助人 的视觉系统来感知彩色特性的

14、图像处理算法。 6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型19computer vision色相环 6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型20computer visionn图中的色相环描述了色相和饱和度两个参数。n色相由角度表示，它反映了该彩色最接近什么样的光 谱波长。一般假定0表示的颜色为红色， 120的为 绿色， 240的为蓝色。0到240的色相覆盖了所有 可见光谱的彩色，在240到300之间为人眼可见的非 光谱色（紫色）。n饱和度是指一个颜色的鲜明程度，饱和度越高，颜色 越深， 如深红，深绿。饱和度参数是色环的原点（圆 心）到彩色点的半径的长度。由色相环

15、可以看出，环的 边界上纯的或饱和的颜色， 其饱和度值为1。在中心是 中性（灰色）阴影， 饱和度为0。 6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型21computer visionn亮度是指光波作用于感受器所发生的效应，其大小由 物体反射系数来决定，反射系数越大，物体的亮度愈 大，反之愈小。nHSV模型的三个属性定义了一个三维柱形空间， 如图 6-10所示。灰度阴影沿着轴线从底部的黑变到顶部的 白，具有最高亮度。最大饱和度的颜色位于圆柱上顶 面的圆周上。 6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型22computer vision图6-10 柱形彩色空间V6.1 6.

16、1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型23computer vision1) RGB转换到HSV对任何3个0， 1范围内的R、G、B值，其对应HSV 模型中的V、S、H分量的计算公式为 (6-4) 6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型24computer vision2) HSV转换到RGB假设S、V的值在0，1之间，R、G、B的值也在0 ，1之间，则HSV转换为RGB的公式为(分成3段以利用 对称性)（1）当H在0，120之间 (6-5) 6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型25computer vision(2) 当H在120，240之间 (6-6) 6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型26computer vision(3) 当H在240，360之间 (6-7) 6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型27comput