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1、第9章 彩色图像处理,9.1 色度学基础与颜色模型 9.2 颜色变换 9.3 平滑与锐化 9.4 彩色图像处理的应用,9.1 色度学基础与颜色模型 9.1.1 色度学基础 灰度图像的像素值是光强，即二维空间变量的函数f(x，y)。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，)，则为多光谱图像，也就是通常所说的彩色图像。计算机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(红、绿、蓝)合成的，即利用了最常见的RGB颜色模型。要理解颜色模型，首先应了解人的视觉系统。,1 三色原理 在人的视觉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，主要功能是辨别亮度信息
2、；锥状细胞是明视器官，在照度足够高时起作用，其功能是分辨颜色。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，图9-1表示了人类视觉系统三类锥状细胞的光谱敏感曲线。,图9-1 人类感光细胞的敏感曲线,根据人眼的结构，所有颜色都可看做是三种基本颜色红(Red，R)、绿(Green，G)和蓝(Blue，B)按照不同的比例组合而成的。国际照明委员会(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。 一幅彩色图像的像素值可看做是光强和波长的函数值f(x，y，)，但实际使用时，将其看做是一幅普通
3、二维图像，且每个像素有红、绿、蓝三个灰度值会更直观些。,2 颜色的三个属性 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。颜色分两大类： 非彩色和彩色。非彩色是指黑色、白色和介于这两者之间深浅不同的灰色，也称为无色系列。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、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，将详细介绍这三个基本属性。,9.1.2 颜色模型 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。目前常用的颜色模型按用途可分为三类： 计算颜色模型、视觉颜色模型
4、和工业颜色模型。 计算颜色模型用于进行有关颜色的理论研究。常见的RGB模型、CIE XYZ模型、Lab模型等均属于此类型。,视觉颜色模型是指与人眼对颜色感知的视觉模型相似的模型，它主要用于色彩的理解，常见的有HSI模型、HSV模型和HSL模型。 工业颜色模型侧重于实际应用，包括彩色显示系统、彩色传输系统及电视传输系统等。如印刷中用的CMYK模型、电视系统用的YUV模型、用于彩色图像压缩的YCbCr模型等。,1. RGB模型 RGB模型采用CIE规定的三基色构成表色系统。自然界的任一颜色都可通过这三种基色按不同比例混合而成。由于RGB模型将三基色同时加入以产生新的颜色，所以，它是一个加色系统。
5、设颜色传感器把数字图像上的一个像素编码成(R，G，B)，每个分量量化范围为 0，255共256级。因此，RGB模型可以表示282828=224=256256256=16 777 2161670万种颜色。这足以表示自然界的任一颜色，故又称其为24位真彩色。,一幅图像中的每一个像素点均被赋予不同的RGB值，便可以形成真彩色图像，如红色(255，0，0)、绿色(0，255，0)、蓝色(0，0，255)、青色(0，255，255)、品红(255，0，255)、黄色(255，255，0)、白色(255，255，255)、黑色(0，0，0)等，等比例混合三基色产生的是灰色。 RGB颜色模型可用一个三维空间
6、中的单位立方体来表示，如图9-2所示。,图9-2 RGB颜色模型单位立方体,在RGB立方体中，所有数据都进行了标准化，其取值范围为0，1。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。从黑到白的灰色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补色，即青色(蓝绿色)、品红(紫色)、黄色。,RGB模型与显示器等设备有着很好的对应关系，RGB显示器中，有三种荧光粉能够分别发射出红、绿、蓝三种颜色，三个相邻的荧光点构成了一个像素，这些荧光点受到三束
7、强度分别为c1、c2、c3的电子束的轰击，会发出不同的亮度，通过物理上的叠加或混合，便可显示出相应的颜色。,2 CIE XYZ模型 采用RGB模型表示各种不同颜色时，存在有负值表示颜色。为此，CIE1931年制定了XYZ模型，其中，X、Y、Z分别表示三种标准原色。对于可见光中的任一种颜色F，可以找到一组权值使：,(9-1),式中： x、y、z称为标准计色系统下的色度坐标，可表示为,(9-2),显然，xyz1。,x、y、z中，只有两个是相互独立的，因此，表示某种颜色只需两个坐标即可。据此，CIE制定了如图9-3所示的色度图，图中横轴代表标准红色分量x，纵轴代表标准绿色分量y，标准蓝色分量z=1(
8、xy)。,图9-3 CIE XYZ色度图,CIE XYZ模型与RGB模型之间可以相互转换，其转换公式为,(9-3),3. Lab颜色模型 Lab颜色模型是CIE于1976年制定的等色空间。Lab颜色由亮度或光亮度分量L和a、b两个色度分量组成。其中，a在正向的数值越大表示越红，在负向的数值越大则表示越绿；b在正向的数值越大表示越黄，在负向的数值越大表示越蓝。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的颜色。Lab模型与XYZ模型的转换公式为,(9-4),式中： X0、Y0、Z0为标准白色对应的X、Y、Z值。,4. HSI颜色模
9、型 HSI模型是美国色彩学家孟塞尔(H.A.Munseu)于1915年提出的，它反映了人的视觉系统感知彩色的方式，以色调、饱和度和强度三种基本特征量来感知颜色。 色调H(Hue)： 与光波的波长有关，它表示人的感官对不同颜色的感受，如红色、绿色、蓝色等，它也可表示一定范围的颜色，如暖色、冷色等。 饱和度S(Saturation)： 表示颜色的纯度，纯光谱色是完全饱和的，加入白光会稀释饱和度。饱和度越大，颜色看起来就会越鲜艳，反之亦然。,强度I(Intensity)： 对应成像亮度和图像灰度，是颜色的明亮程度。 HSI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
10、受颜色的方式是紧密相联的。这些特点使得HSI模型非常适合彩色特性检测与分析。 若将RGB单位立方体沿主对角线进行投影，可得到图9-4(a)所示的六边形，这样，原来沿主对角线的灰色都投影到中心白色点，而红色点(1，0，0)则位于右边的角上，绿色点(0，1，0)位于左上角，蓝色点(0，0，1) 则位于左下角。,图9-4 HSI颜色模型,图9-4(b)是HSI颜色模型的双六棱锥表示，I是强度轴，色调H的角度范围为0，2，其中，纯红色的角度为0，纯绿色的角度为2/3，纯蓝色的角度为4/3。饱和度S是颜色空间任一点距I轴的距离。当然，若用圆表示RGB模型的投影，则HSI色度空间为双圆锥3D表示。,注意：
11、 当强度I=0时，色调H、饱和度S无定义；当S=0时，色调H无定义。 HSI模型也可用圆柱来表示，如图9-5所示。若将其展开，并按图9-6进行定义，可得到HSI调色板。,图9-5 圆柱HSI模型,图9-6 HSI调色板,HSI模型与RGB模型之间可按下述方法相互转换。 (1) RGB转换到HSI。首先，对取值范围为0，255的R、G、B值按式(9-5)进行归一化处理，得到3个0， 1范围内的r、g、b值：,(9-5),则对应HSI模型中的H、S、I分量的计算公式为,(9-6),(9-7),(9-8),式中,由式(9-6)(9-8)计算出的h值的范围为0，2，s值的范围为0，1，i值的范围为0，
12、1 ，为便于理解，常将其转换为0，360，0，100，0，255：,(9-9),(2) HSI转换到RGB。利用h、s、i将HSI转换为RGB的公式为,(9-10),(9-11),(9-12),由式(9-10)(9-12)计算出的r、g、b值的范围为 0，1，为便于理解与显示，常将其转换为0，255：,(9-13),例如，有一像素的颜色为(100，150，200)，求其对应H、S、I值的步骤如下。 (1) 归一化处理：,(2) 用式(9-6)计算h，由于bg，故,(3) 计算s：,(4) 计算H，S，I：,再如，若一像素的颜色为(210，33.3，150)，分别求其对应R、G、B值，步骤如下。
13、,(1) 计算h、s、i：,(2) 由于h2/3，4/3)：,(3) 计算R、G、B：,与HSI相似的颜色模型还有HSV模型和HLS模型。HSV和HLS模型中的H、S与HSI模型中的H、S含义相同，V、L含义与I基本一致。但应注意，HSV模型和HLS模型与RGB 模型的转换方式与HSI不同，在此不再讨论，请参阅本书所附光盘中的代码。 不同应用系统采用的HSI、HSV、HLS模型不完全一样，表9-1是这三种模型在常见系统中的应用。,表9-1 HSI、HSV、HLS模型在常见系统中的应用,5. CMY颜色模型 CMY模型也是一种常用的表示颜色的方式。印刷工业常采用CMY色彩系统，它是通过颜色相减来
14、产生其它颜色的，所以，称这种方式为减色合成法(Subtractive Color Synthesis)。 CMY模式的原色为青色(Cyan)、品红色(Magenta)、黄色(Yellow)。青色、品红色、黄色是该表色系统的三基色，它们分别对应三种墨水。青色吸收红光，品红色吸收绿光，黄色吸收蓝光，印刷好的图像被白光照射时会产生合适的反射，从而形成不同的色彩。部分颜色的CMY编码为： 白色(0，0，0)，因为白色光不会被吸收；黑色(255，255，255)，因为白光的所有成分都会被吸收；黄色(0，0，255)，因为入射白光中的蓝色成分容易被墨水吸收，从而留下了红色和绿色成分，使人感觉到黄色。,CM
15、Y与RGB的转换关系为,(9-14),式中： C、M、Y，R、G、B都归一化到0，1范围。 在实际应用中，由于黑色(Black)用量较大，印刷中往往直接用黑色墨水来产生黑色，从而节约青色、品红色、黄色三种墨水的用量。因此，常常用CMYK来表示CMY模型。,6. YUV电视信号彩色坐标系统 彩色电视信号传输时，将RGB改组成亮度信号和色度信号。PAL制式将RGB三色信号改组成YUV信号，其中，Y信号表示亮度，U、V信号表示色差。,RGB与YUV之间的对应关系如下：,(9-15),(9-16),7. YCbCr模型 YCbCr模型充分考虑人眼的视觉特性，以降低彩色数字图像存储量，是一种适合于彩色图
16、像压缩的模型。 YCbCr模型与YUV模型一样，由亮度Y、色差Cb、色差Cr构成。与YUV模型不同的是，在构造色差信号时，充分考虑了R、G、B三个分量在视觉感受中的不同重要性。,YCbCr与RGB之间的对应关系如下：,(9-17),(9-18),9.2 颜色变换 9.2.1 基本变换 颜色变换模型为,(9-19),式中： f(x，y)是彩色输入图像；g(x，y)是变换或处理后的彩色图像；T是在空间域上对f的操作。这里，像素值是从彩色空间选择的3元组或4元组。,颜色变换关系可用下式表示：,(9-20),式中： ri、si为f(x，y)和g(x，y)在图像中任一点的彩色分量值；T1，T2，Tn为变换函数集。n的值由颜色模型而定，若选择RGB模型，则n=
