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1、数字图像处理,祝继华 西安交通大学软件学院 Email: ,Digital Image Processing,研究生课程,彩色图像处理 彩色基础知识 彩色空间 伪彩色处理 全彩色图像处理 彩色变换 彩色图像平滑和尖锐化 彩色图像分割,彩色图像基础, 为什么要研究彩色图像处理？ 符合人类视觉特点 人类可以辨别几千种颜色色调和亮度 只能辨别几十种灰度层次 有用的描绘子 简化目标物的区分 目标识别：根据目标的颜色特征,彩色图像基础, 简化目标物的区分 目标识别：根据目标的颜色特征,彩色图像基础, 彩色图像处理可分为： 全彩色处理 数码相机 数码摄像机 彩色扫描仪 伪彩色处理 对不同的灰度或灰度范围赋
2、予不同的颜色,彩色图像基础,当一束白光通过一个玻璃棱镜时，出现的光 束不是白光，而是由一端为紫色到另一端为红色 的连续彩色谱组成,彩色图像基础, 光特性是颜色科学的核心 描述彩色光的3个基本量： 辐射（率）：从光源流出能量的总量，用瓦特(W)度量 光强：观察者从光源接收的能量总和，用流明(lm)度量 亮度：主观描绘子，不可度量，描述色彩感觉的关键因素,彩色图像基础, 组成三原色的条件： 任何一种颜色可以用三种颜色混合而成 三种颜色中任意一种不能由其余两种颜色混合而成 三原色 红色（Red）、绿色（Green）、蓝色（Blue） 原色相加可产生二次色 深红色：红蓝 青 色：绿蓝 黄 色：红绿,彩
3、色图像处理 彩色基础知识 彩色空间 伪彩色处理 全彩色图像处理 彩色变换 彩色图像平滑和尖锐化,彩色空间（彩色模型或彩色系统） RGB CMY和CMYK HSI HSV YIQ YUV YCbCr,彩色空间（彩色模型或彩色系统）,RGB CCD技术直接感知R,G,B三个分量 是图像成像、显示、打印等设备的基础 与其它彩色模型可互相转换,CMY和CMYK彩色空间, CMY(青、深红、黄)、CMYK 运用在大多数在纸上沉积彩色颜料的设备， 如彩色打印机和复印机 CMYK 打印中的主要颜色是黑色 等量的CMY原色产生黑色，但不纯 在CMY基础上，加入黑色，形成CMYK彩色空间,彩色空间（彩色模型或彩
4、色系统）, HSI(色调、饱和度、亮度） 饱和度：色彩的鲜艳程度，色彩的纯度 两个特点： 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连 将亮度(I)与色调(H)和饱和度(S)分开 避免颜色受到光照明暗(I)等条件的干扰 仅仅分析反映色彩本质的色调和饱和度 广泛用于计算机视觉、图像检索和视频检索,彩色空间,基于三角形和圆形平面的HIS模型, HSI 色调 饱和度 亮度,彩色空间（彩色模型或彩色系统）, HSV 色调 饱和度 色值,h = 0,h = 1,s = 1,s = 0.75,s = 0.5,s = 0.25,v = 1,v = 0.75,v = 0.5,v = 0.
5、25,YIQ(NTSC) 特点：灰度信息和彩色数据是分离开的 Y指亮度(Brightness),即灰度值 I和Q指色调，描述色彩及饱和度 用于彩色电视广播，被北美的电视系统所 采用（属于NTSC系统） Y分量可提供黑白电视机的所有影像信息 Matlab：rgb2ntsc,彩色空间（彩色模型或彩色系统）,I = 0.596R - 0.275G - 0.321B Q = 0.212R - 0.523G + 0.311B,彩色空间（彩色模型或彩色系统） YUV Y指亮度,与YIQ的Y相同 U和V也指色调，不同于YIQ的I和Q 用于彩色电视广播，被欧洲的电视系统所采用（属于PAL系统） Y分量也可提供
6、黑白电视机的所有影像信息,彩色空间（彩色模型或彩色系统） YCbCr Y指亮度信息，Cb和Cr为色差分量 Cb：蓝色分量与参考值的差 Cr：红色分量与参考值的差 广泛的应用于数字视频 Matlab：rgb2ycbcr,彩色空间转换,RGB RGB RGB RGB RGB RGB,CMY HSI HSV YIQ YUV YCbCr,RGB和CMY值都归一化到0,1,1、RGB,CMY,2、RGB,HSI,饱和度指色彩的纯洁性,RGB图像和与之对应的HSI图像分量,RGB图像,色调,饱和度,强度,2、HSI,RGB,情况1 情况2 情况3,3、RGB,HSV,3、HSV,RGB,4、RGB,YIQ
7、,5、RGB,YUV,6、RGB,YCbCr,彩色图像处理 彩色基础知识 彩色空间 伪彩色处理 全彩色图像处理 彩色变换 彩色图像平滑和尖锐化,伪彩色图像处理, 什么叫伪彩色图像处理? 假彩色图像处理 根据一定的准则对灰度值赋以彩色的处理 区分：真彩色图像、单色图像 为什么需要伪彩色图像处理? 人类可以辨别上千种颜色和强度 只能辨别二十几种灰度,伪彩色图像处理, 应用 为人们观察和解释图像中的灰度目标和事件 怎样进行伪彩色图像处理？ 强度分层技术 灰度级到彩色转换技术,1、强度分层技术, 把一幅图像描述为三维函数(x,y,f(x,y) 分层技术：放置平行于(x,y)坐标面的平面 每一个平面在相
8、交区域切割图像函数,1、强度分层技术定义,令0,L-1表示灰度级令l0代表黑色(f(x,y)=0)， lL-1代表白色(f(x,y)=L-1)。假设垂直于强度轴的P个平面定义为量级l1,l2,lP。0PL-1，P个平面将灰度级分为P+1个间隔，V1,V2,VP+1，则灰度级到彩色的赋值关系: f x, y ck f x, yVk ck 是与强度间隔 Vk 第K级强度有关的颜色 Vk 是由在l=k-1和l=k分割平面定义的,1、强度分层技术,灰度级,彩色, 1 R G B 3,I,例1：甲状腺模型,单色图像,强度分层结果，8个彩色区域,左图的恒定强度难以区分病变，右图强度分层结果， 清楚的显示恒
9、定强度的不同区域,例2：焊点问题检测, 图像灰度为255,焊点 有问题 给255灰度赋以一种 颜色，其它为另一种颜色 简化工作，降低误识率,裂纹和空隙,焊接物的X光图像,所要寻找的确切的灰度值（域）已知，则灰度分层技术在可视化方面是简单而有力的辅助手段！,例3：用颜色突出降雨水平,图a：图像的强度值直接与降雨相对应，目测困难 图b：蓝色表示低降雨量，红色表示高降雨量 图c和图d更加清楚 图a,图c,图d,卫星测量： 降雨量雷达、 微波图像仪、 可见光红外扫描仪,降雨量图分析 3年期间的每月降雨量,图b,2、灰度级到彩色的转换, 对任何输入像素的灰度级执行3个独立变换 3个变换结果分别送入彩色监
10、视器的红、绿、 蓝三个通道 产生一幅合成图像,例1：行李的安检, 使用灰度级到彩色的变换得到不同程度的增强,例1：行李的安检,2、灰度级到彩色的转换, 将多幅图像组合成一幅彩色图像也很重要 常用于多光谱图像处理中：不同传感器在不同谱段产生单色图像。 附加处理：彩色平衡，混合图像和选择三幅用于显示的图像等,可见红光,可见蓝光,近红外光,RGB,近红外光 代替红光,可见绿光,Concrete Asphalt：沥青,biomass,彩色图像处理 彩色基础知识 彩色空间 伪彩色处理 全彩色图像处理 彩色变换 彩色图像平滑和尖锐化,全彩色图像处理基础, 全彩色图像处理研究分为两大类： 分别处理每一分量图
11、像，然后合成彩色图像 直接对彩色像素处理：3个颜色分量表示像素 向量。令c代表RGB彩色空间中的任意向量,对大小为 MxN 的图像,x 0,1,2,.,M 1 y 0,1,2,.,N 1,全彩色图像处理基础,全彩色图像处理基础, 为了使每种彩色分量处理和基于向量的处理等同： 处理必须对向量和标量都可用 对向量的每个分量的操作独立于对其它分量的操作,彩色图像处理 彩色基础知识 彩色空间 伪彩色处理 全彩色图像处理 彩色变换 彩色图像平滑和尖锐化, 彩色变换函数 gx, y Tf x, y f (x, y)是彩色输入图像 g(x, y)是变换或处理过的彩色输出图像 T是在空间邻域(x,y) 上对f
12、的操作,彩色变换,彩色变换, 彩色变换的简单形式 和 是 和 在任何点处彩色分量的变量 是一个对 操作产生 的变换或彩色映射函数集 选择彩色空间决定n的值，例：RGB空间 n=3, 表示红色分量,彩色变换,草莓和咖啡杯的彩色图像,CMYK图像，可知草莓由深红和黄组成,青,红,RGB图像，红色多而蓝色和绿色少,HSI图像,深红 黄 黑,彩色变换,补色,补色：在如图所示的彩色环上，与一种色调直接 相对立的另一种色调称为补色,作用：增强嵌在彩色图像暗区的细节,增加颜色：可通过减少补色； 减少颜色：可以通过增加补色 品红很多：减少红蓝色； 或增加绿色,补色,原图,RGB 补图,红色在补色中用青色代替，
13、黑色在补色中用白色代替,HSI 补图,彩色分层,彩色分层：突出图像中某个特定的彩色区域以便从其周围分离出目标 思路： 显示感兴趣的颜色以便从背景中突出它们 将由颜色定义的区域作为模板以便作进一步的处理 可否采用灰度分层技术？ 彩色像素是个n维参量，所需彩色变换函数比一般的灰度变化函数复杂,彩色分层,简单方法： 把某些感兴趣之外的彩色映射为不突出的无确定性质的颜色 感兴趣区域由宽度为W, 中心在原型颜色点a的立方体所包围 变换,彩色分层,色调变换,平淡,亮,暗,增强对比度， 亮的更亮，暗的更暗,变暗,变亮,HSI颜色空间下的直方图均衡化,原图,处理前，大量暗彩色 处理后的直方图,均衡强度 分量的
14、结果,增加图像的饱和度 因为强度改变影响 图像的彩色状态,彩色图像处理 彩色基础知识 彩色空间 伪彩色处理 全彩色图像处理 彩色变换 彩色图像平滑和尖锐化,令Sxy表示在RGB彩色图像中定义一个中心在(x,y)的邻域的坐标集，在该邻域中RGB分量的平均值为,彩色图像平滑,彩色图像平滑（5X5平均模板）,原 始 彩 色 图 像,红分量图像,蓝分量图像,绿 分 量 图 像,彩色图像平滑,H分量图像,S分量图像,I分量图像,彩色图像平滑(HSI仅处理强度分量),55的灰度平均模板平滑结果,平滑强度分量，并转换到 RGB图像显示,a图像和b图像的差别图像,图a,图b,图c,图c的原因：图a像素的平均是
15、不同彩色的平均，而图b仅仅是强度的 平均，原彩色（色调H和饱和度S）保持不变,RGB图像平滑结果,RGB彩色空间，分别计算每一分量图像的拉 普拉斯变换,彩色图像尖锐化(拉普拉斯微分),彩色图像尖锐化(拉普拉斯微分),图6.38RGB图像的 拉普拉斯变换,图6.39HSI图像的强度I 分量图像的拉普拉斯变换,a图像和b图像的差别图像,图c的原因：图a像素的锐化是不同彩色的锐化，而图b仅仅是强度的 锐化，原彩色（色调H和饱和度S）保持不变,图a,图b,图c,彩色分割(把一幅图像分成区域) HSI彩色空间分割直观 H色调图像方便描述彩色 S饱和度图像做模板分离感兴趣的特征区 I强度图像不携带彩色信息 RGB彩色空间直接,HSI彩色空间分割,阈值产生的二值图像： 饱和度图像中阈值等于 最大饱和度的10%，大于 阈值的像素赋1，其它赋0,原 图,H 图,S 图,I 图,阈值产生的二值图
