数字图像处理第六章

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1、Chapter 6 Color Image Processing,科学家&艺术家论颜色,准确地说，光线是没有颜色的。它所拥有的只是引起这样或者那样颜色知觉的能量分布。 Newton, Sir Isaac（1642-1727） For a long time I limited myself to one coloras a form of discipline Pablo Picasso（1881-1973）,颜 色,现代心理学研究表明： 颜色是人类认知系统对物体表面、光照以及视觉环境的综合反映。缺少了其中的任何一个，都不会有颜色感觉。,“Lightness and color are fie

2、ld phenomena, not point phenomena.“ -Edwin H. Land.,6.1 Color Fundamentals,1666年Newton发现棱镜的色散现象,电磁波谱中可见光波长范围,不同色光之间过渡平滑,在人眼视网膜上,两种人眼感光细胞： 锥状，彩色、昼视觉。 700万个细胞 杆状，灰色、夜视觉。 7500万1.5亿个细胞 锥状细胞进一步分为3种。 感蓝,感绿,感红,人眼锥状体(R,G,B)的光线吸收是波长函数, 1956年测得的吸收率波谱,1931年CIE定义的标准三原色波长,Blue=435.8nm，Green=546.1nm, Red=700nm (与

3、上述锥状体吸收率的波峰有差异),Color Imaging 彩色成像,民用数码相机常用,专业数码相机常用,3CCD和棱镜分光,仅适合于静物摄影,光线和颜料的原色和合成色,参考白R=G=B=1,加色合成,减色合成,XYZ三刺激值,CIE_RGB不能合成所有可见光谱的颜色. 比色法,为克服RGB的不足，CIE定义了与设备无关的XYZ颜色空间 :,CIE_xy色度图,x=X/(X+Y+Z),y=Y/(X+Y+Z),z=Z/(X+Y+Z) =1-x-y,x+y+z=1,x,y即可决定z,参考白为X=Y=Z=1 x=y=1/3,RGB与XYZ,RGB2XYZ,Y分量常作为从RGB图像到灰度图像的转换式.

4、,任何颜色都可以由XYZ的正加权系数线性合成,CIE_XYZ颜色空间的三刺激值敏感度曲线,Name colors Define color mixing Define and compare color gam,两色相加时, 所产生的新色在它们的连线上. A = tC + (1 t)B where B is a spectral color 比值 AC/BC is excitation purity of A,6.2 Color Models (Color Space/System),RGB是加色/色光合成,CIE_RGB的参考白为R=G=B=1,Fig. 6.8 RGB24-Bit Colo

5、r Cube,a.彩色剖面产生的彩色图像,b.色立体的 3个隐藏面,Web Safe Color,RGB分量 的有效值：,216种安全 的RGB彩色：,在256色中的 灰色，其中带 下划线的属WSC,6*6*6=216色,Fig 6.11 The RGB safe-color cube,颜色不准确,CMY & CMYK Color Models,用K来代替等量的C,M,Y, 称为undercolor remove. 更黑，省墨。 K=min(C,M,Y); C=C-K M=M-K Y=Y-K,HSI Color Model,Hue, Saturation, Intensity HSV, Vol

6、ume,某个Intensity平面上的Hue和 Saturation： H是角度，S是矢量长度,RGB2HSI:,Where: H= if BG,HSI2RGB, page299-300,H,S,I,H,S,I,改变HIS成分及其合成图,6.3 Pseudocolor Image Processing,灰度分层,伪彩色,6.3.1 灰度分层法,灰度分层实例1：,灰度分层实例1：,焊接缝的X线图像,6.3.2 变换法,密度分层实例2：,密度分层实例3：,世界平均月降雨量,南美,灰阶到彩色的变换实例4：,伪彩色图像处理的功能模块图,伪彩色增强灰阶到彩色的变换,机场X光扫描图像：,带塑料炸弹,(b)

7、,(c),图6.24(a),利用各正弦型的相位和频率变化，可以用彩色(分量）来增强不同灰度范围,图6.25表示所用的（多对一）转换。这些正弦形函数包含峰值附近的相对不变值的区域，以及谷底附近的变化强烈的区域。每个正弦形的相位和频率变化可以用彩色(分量）来增强灰度的范围。 例如，如果所有3个变换有相同的相位和频率，输出图像将是单色的。3个变换之间相位的小变化会使那些灰度级对应峰值的像素产生很小的变化，特别是正弦形低频时。对应正弦形陡峭区域的像素灰度值被赋予更强的彩色，作为由于相位间位移引起的3个正弦形幅值间的显著差异的效果。,图6.24(b)的图像是用图6.25(a)的变换函数获得的。注意炸弹和

8、背景具有相当不同的灰度值，但是由于正弦波的周期性，它们都用近似的色彩编码。 图6.24(c)的图像是用图6.25(b)的变换函数获得的。这时炸弹和衣袋灰度波段用相似的变换映射，因此实际上得到相同的色彩。注意，这使得观察者能够看透炸弹。背景采用与图6.24(b)基本相同的映射，产生几乎相同的彩色。,可以用不同 相位差和频率 进行变色观察,炸弹、衣物和 背景的X线 灰度值不同， 而且相对固定。,图6.24(b)用：,图6.24(c)用：,6.3.3 不同单色图像对应不同彩色波段：,华盛顿特区多光谱卫片： a. b. c. d. e. f.,e真彩色合成 e.= a.+ b.+ c.,f假彩色合成

9、f.= d .+ b.+ c.,假彩色合成飞船多通道照片：木卫Io,合适的波段与彩色 组合可反映木卫表 面的化学成分和阳 光反射。 如下图的红色是活 火山喷出物，黄色 是旧的硫磺沉积。,彩色像素： c(x,y)=R(x,y),G(x,y),B(x,y)T 两种基本方法(不一定等效)： 分量图像分别处理，然后合成彩色图像； 直接对彩色像素(向量）处理。,6.4 Basics of Full-Color Image Processing,两种基本方法等效的2条件： 处理过程对标量(分量图像)和向量(彩色图像)均可用； 对向量各分量的运算独立于其他分量。,6.4 全彩色图像处理基础,一种等效的平滑模

10、板算法,6.5 Color Transformations,处理单幅图内各分量,n是彩色模型的维数。,下式说明：在某一个彩色分量上的输出是各个彩色分量的函数。,6.5 Color Transformations,CMYK,RGB,HSI,处理单幅图内各分量,用彩色变换调整图像的强/亮度 不同彩色空间需要不同的变换函数,I,H, S,修改：,理论上，任何变换可在任何彩色模型中进行。 实际上，有些运算更适合于在特定彩色模型中。 对给定的变换，到实现该变换的彩色空间的转换代价必须考虑。 例如，要修正亮度，g(x,y)=kf(x,y), 其中0k1. 在HSI中较简便：s3=kr3 , 而s1=r1,

11、 s2=r2 在RGB中： si=kri, i=1,2,3 各分量都要乘k. 在CMY中： si=kri+(1-k) i=1,2,3,互补色：类似于灰度图中的负片,在单色图中，负片能增强暗部，特别是大面积的暗部。 在彩色图中也有类似效果。,Opponent Color,3组对立色,在RGB中做反转是一分量对一分量的，但是，在HSI中， 反转图的S分量不能从原图的S分量单独获得。,c,d不同,用 RGB 反转:,用 HSI 反转,目的：从图像中突出特定颜色的目标. 所有的彩色分层方法要求：每个像素转换后的色彩分量是所有原始色彩分量的函数。 一种最简单的切分彩色图像的方法是将感兴趣区之外的色彩映射

12、到一种不突出的中性色彩上。,Color Slicing 彩色分层,用立体(棋盘距离）分层,用球体(欧氏距离）分层,在RGB彩色空间中,肤色检测实验,目的：学习一种彩色图像区域切片(分割)的方法 步骤：分别在RGB和HSV(或HIS)彩色空间，在测试图像中利用手工选择皮肤样本，得出肤色在彩色空间中的均值和方差； 选择不同距离（棋盘距离、欧氏距离等）度量，计算被测试图像各像素到肤色样本中心的距离，利用方差做阈值，确定该像素色彩是否属于肤色。 测试图像：face.jpg 结果图像：将不在肤色空间的像素置0，仅在被测试图像中留下肤色像素，并作为结果输出该图像。,色调与彩色的手工校正,Flat,Ligh

13、t High Key,Dark Low Key,同时调整RGB 不会影响图像 的色调Hue,在CMYK中做彩色平衡，对各分量分别手工调整,原图； Photoshop的色调均化 RGB三色分别均化；Lab中L均化,直 方 图 处 理,利用亮度与色度分离，仅对亮度分量I做均衡,I分量 被均衡,原图,加饱和度， 补偿S因为I 均衡后变亮 影响油醋色,6.6 Smoothing and Sharpening,彩图的平滑：,Sxy 是(x,y)的某邻域，K个像素。,例6.12：the R/G/B components of LINA image,例6.12(续1）： the H/S/I componen

14、ts of LINA image,例6.12（续2）：,RGB3分量 分别平滑,HSI中对 I平滑,两种平滑 的差异,RGB3分量 分别锐化,例6.12（续3）：,HSI中对 I锐化,6.7 Color Segmentation 例，主要用HSI中的H,(c)=S,(e)= s10%,(f)=(b)*(e)，一定浓度的紫红,(b)=H, 紫红的H值高,(d)=I，不用,(h)=(f)90%,球形， 欧氏距 L2,椭球， 马氏距,长方体， 方差为边长， 棋盘距,在RGB向量空间的分割,在RGB空间中彩图分割（用选区的均值和方差）,彩色边缘检测,d图与h图在中点上的梯度相同，但d图中的应该比h图的

15、强。 因此，应该也考虑到梯度的方向，不能简单地由各分量的 梯度幅值组合,分量边缘 的叠加：,彩色向量 边缘,C图与d图 的差异,图6.46c的GRB分量边缘,用DIPUM作出的实况图像,Colorgrad,灰度与彩色边缘的比较,陈锻生、刘政凯，彩色图像边缘特征及其人脸检测性能评价.软件学报2005.5,6.8 彩色图像中的噪声,照明较弱的分量倾向于有更多的噪声,RGB分量分别有 高斯噪声，但是 合成后的彩图中 的噪声较不明显,将上图d转换到HSI中, 噪声在HS中比在I中明显， 原因在变换式。,a仅在G分量中有椒盐噪声，但是变换到HSI后 影响到各分量。,6.9 彩色图像压缩,原图24bit,JPEG2000,上机作业:,利用彩色分层技术进行肤色检测。,