第六章彩色圖像處理(4學時)

第六章彩色圖像處理張萍電子科技大學光電信息學院E-mail:pingzh@參考資料教材：RafaelC.Gonzalez,etc，DigitalImageProcessing(ThirdEdition)，電子工業(yè)出版社，2010參考書籍：（美）科斯汗，阿比狄著，章毓晉譯，彩色數(shù)字圖像處理，清華大學出版社，2010-2-1為什么要研究彩色圖像處理？

符合人類視覺特點人類可以辨別幾千種顏色色調(diào)和亮度只能辨別幾十種灰度層次有用的描述子簡化目標物的區(qū)分目標識別：根據(jù)目標的顏色特征彩色圖像處理的兩個主要領(lǐng)域:全彩色處理圖像用全彩色傳感器獲取，如數(shù)碼相機和彩色掃描儀偽彩色處理對特定的單一亮度或亮度范圍賦予一種顏色主要內(nèi)容彩色基礎(chǔ)彩色模型偽彩色圖像處理全彩色圖像處理彩色變換彩色圖像平滑和尖銳化彩色圖像分割彩色圖像的噪聲彩色圖像壓縮主要內(nèi)容彩色基礎(chǔ)彩色模型偽彩色圖像處理全彩色圖像處理彩色變換彩色圖像平滑和尖銳化彩色圖像分割彩色圖像的噪聲彩色圖像壓縮1666年，艾薩克·牛頓（Isaac.Newton）發(fā)現(xiàn)了，當一束白光通過一個玻璃棱鏡時，出現(xiàn)的光束不是白光，而是由一端為紫色到另一端為紅色的連續(xù)彩色譜組成。

白光通過棱鏡時的彩色譜彩色譜可分為6個寬的區(qū)域：紫色、藍色、綠色、黃色、橘紅色和紅色。1.彩色基礎(chǔ)彩色光大約覆蓋電磁波譜400～700nm的范圍，用來描述彩色光源質(zhì)量的三個基本量：輻射率：從光源流出能量的總量，通常用瓦特（W）度量。光強：觀察者從光源接收的能量的量度，用流明度量。亮度：是一個主觀描繪子，它實際上是不可能度量的。它具體化了彩色強度的概念并是描繪彩色感覺的一個關(guān)鍵參數(shù)?？梢姺秶姶挪ㄗV的波長組成1.彩色基礎(chǔ)在人的視覺系統(tǒng)中存在著兩種感光細胞:桿狀細胞(Rods)桿狀細胞為暗視器官，主要功能是辨別亮度信息；錐狀細胞(Cones)錐狀細胞是明視器官，在照度足夠高時起作用，其功能是分辨顏色。在人眼中的6～7萬錐狀細胞中大約65％的錐狀細胞對紅光敏感，33％對綠光明暗，只有2％對藍光敏感。1.彩色基礎(chǔ)人類感光細胞的敏感曲線CIE（國際照明委員會）在1931年選擇紅、綠、藍3種顏色作為三基色。三基色的特定波長：藍＝435.8nm，綠＝546.1nm，紅＝700nm。CIE標準只是實驗數(shù)據(jù)的近似。沒有單一顏色可稱為紅、綠、藍。為標準化目的而定的特定三基色波長并不意味著RGB分量單獨作用就能產(chǎn)生所有譜色。二次色:由基色相加產(chǎn)生。如深紅色（紅加藍），青色（綠加藍）和黃（紅加綠）。補色:用白色減去一種顏色就可以得到它的補色。相加得到白光的兩種顏色稱為互補色。顏料中的三基色是指吸收一種光基色并讓其他兩種基色反射的顏色，所以顏料的三基色正是光的三個補色，而顏料的三補色是光的三基色。1.彩色基礎(chǔ)三基色混合成彩色的方法主要有兩種：加色法：通過顏色相加產(chǎn)生各種彩色。如，紅＋綠＝黃，綠＋藍＝青，藍＋紅＝品紅（深紅、紫）。彩色電視機的彩色是通過相加混合而成的。以一定的比例混合這三種基色，或混和一個二次色和其相反的原色可產(chǎn)生白光。減色法：三基色為黃色、青色和品紅。如，白－藍＝黃，白－紅＝青，白－綠＝品紅。彩色電影與幻燈片的彩色是通過相減混合而成的。三種顏料原色或者其相對應(yīng)的補色進行合適的組合產(chǎn)生黑色。1.彩色基礎(chǔ)通常用來區(qū)分不同顏色的特性量為：亮度(Brightness,又稱強度-Intensity)

亮度是色彩明亮度的概念。色調(diào)(Hue)

色調(diào)表示觀察者接收的主要顏色（光波混合中與主波長有關(guān)的屬性）飽和度(Saturation)

飽和度給出一種純色被白光稀釋的程度的度量。1.彩色基礎(chǔ)色調(diào)與飽和度一起稱為彩色，因此，顏色用亮度和彩色表征。CIE色度圖（確定顏色的另一種方法）以x（紅）和y（綠）函數(shù)表示顏色組成。對于任何x（紅）和y（綠）的值，相應(yīng)的z（藍）＝1－(x+y)。如，某顏色有大約62％的綠色和25％的紅色，那么，藍色的組成大約有13％。1.彩色基礎(chǔ)(紅)(綠)。三角形顯示了由RGB監(jiān)視器產(chǎn)生的典型的顏色范圍，稱為彩色全域。三角形內(nèi)的不規(guī)則的區(qū)域表示高質(zhì)量的彩色打印設(shè)備的彩色域。主要內(nèi)容彩色基礎(chǔ)彩色模型偽彩色圖像處理全彩色圖像處理彩色變換彩色圖像平滑和尖銳化彩色圖像分割彩色圖像的噪聲彩色圖像壓縮彩色模型（也稱彩色空間或彩色系統(tǒng)）

RGB

CMY和CMYK

HSI

YIQ

YUV

YCbCr2.彩色模型RGBCCD技術(shù)直接感知R,G,B三個分量是圖像成像、顯示、打印等設(shè)備的基礎(chǔ)2.彩色模型在RGB空間，用以表示每個像素的比特數(shù)叫做像素深度。

RGB圖像的每一幅紅、綠、藍圖像都是一幅8比特圖像，每個RGB彩色像素共有24比特深度。

24比特RGB圖像的顏色總數(shù)是：(28)3=16777216CMY和CMYK彩色空間CMY(青、深紅、黃)它是通過顏色相減來產(chǎn)生其它顏色的運用在大多數(shù)在紙上沉積彩色顏料的設(shè)備，如彩色打印機和復印機。CMYK(青、深紅、黃、黑）CMY彩色模型的三種基色再加上黑色——CMYK彩色模型。這種模式的文件大，占用的磁盤空間和內(nèi)存大。一般在印刷時使用。2.彩色模型HSI(色調(diào)、飽和度、亮度）將亮度(I)與色調(diào)（H）和飽和度（S）分開避免顏色受到光照明暗(I)等條件的干擾僅僅分析反映色彩本質(zhì)的色調(diào)和飽和度廣泛用于計算機視覺、圖像檢索和視頻檢索2.彩色模型兩個特點：I分量與圖像的彩色信息無關(guān)H和S分量與人感受顏色的方式是緊密相連的YIQY指亮度(Brightness),即灰度值Y分量可提供黑白電視機的所有影像信息I和Q指色調(diào)，描述色彩及飽和度

I分量代表從橙色到青色的顏色變化，而Q分量則代表從紫色到黃綠色的顏色變化。2.彩色模型用于彩色電視廣播，被北美的電視系統(tǒng)所采用（屬于NTSC系統(tǒng)）YUVY指亮度(Brightness),即灰度值，與YIQ的Y相同Y分量可提供黑白電視機的所有影像信息兩個色差信號R－Y（即U）、B－Y（即V）2.彩色模型用于彩色電視廣播，被歐洲的電視系統(tǒng)所采用（屬于PAL系統(tǒng)）YCbCrY指亮度，與YIQ和YUV的Y相同Y分量可提供黑白電視機的所有影像信息Cb和Cr由U和V調(diào)整得到2.彩色模型YCbCr是在計算機系統(tǒng)中應(yīng)用最多的成員，其應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，JPEG、MPEG均采用此格式。彩色模型轉(zhuǎn)換.5.RGBRGBRGBRGBRGBCMYHSIYIQYUVYCbCr1、RGBCMY彩色模型轉(zhuǎn)換式中：C、M、Y，R、G、B都歸一化到［0，1］范圍2、RGBHSI彩色模型轉(zhuǎn)換RGB圖像和與之對應(yīng)的HSI圖像分量RGB圖像

飽和度色調(diào)

強度RGSector(0≤H<120)GBSector(120≤H<240)BRSector(240≤H≤360)2、HSIRGB圖(a)把色調(diào)分量圖像的藍、綠區(qū)域的像素變?yōu)?。圖(b)S分量圖像中青色區(qū)域的飽和度減少一半。圖(c)強度圖像中心的白區(qū)域強度減少一半。圖(d)把改進后的HSI圖像變換回RGB圖像。3、RGBYIQ彩色模型轉(zhuǎn)換4、RGBYUV彩色模型轉(zhuǎn)換5、RGBYCbCr彩色模型轉(zhuǎn)換主要內(nèi)容彩色基礎(chǔ)彩色模型偽彩色圖像處理全彩色圖像處理彩色變換彩色圖像平滑和尖銳化彩色圖像分割彩色圖像的噪聲彩色圖像壓縮3.偽彩色圖像處理什么叫偽彩色圖像處理？

也叫假彩色圖像處理

根據(jù)一定的準則對灰度值賦以彩色的處理區(qū)分：偽彩色圖像、真彩色圖像、假彩色圖像偽彩色：對原來灰度圖像中不同灰度值的區(qū)域賦予不同的顏色。真彩色：自然物體的彩色，能真實反映自然界物體本來顏色的圖像。假彩色：把真實景物圖像的像素逐個地映射為另一個顏色，使目標在原圖像中各突出。為什么需要偽彩色圖像處理?

人類可以辨別上千種顏色和強度只能辨別二十幾種灰度3.偽彩色圖像處理應(yīng)用為人們觀察和解釋圖像中的灰度目標怎樣進行偽彩色圖像處理?強度分層技術(shù)灰度級到彩色轉(zhuǎn)換技術(shù)（1）強度分層技術(shù)

把一幅圖像描述為三維函數(shù)（x,y,f(x,y)）分層技術(shù)：放置平行于(x,y)坐標面的平面每一個平面在相交區(qū)域切割圖像函數(shù)強度分層技術(shù)示意圖設(shè)一幅灰度圖像f(x,y)，在某一個灰度級（如f(x,y)=L1

）上設(shè)置一個平行于xy平面的切割平面。對切割平面以下的像素分配給一種顏色，對切割平面以上的像素分配給另一種顏色。這樣切割結(jié)果就可以將灰度圖像變?yōu)橹挥袃蓚€顏色的偽彩色圖像。（1）強度分層技術(shù)若將灰度圖像級用M個切割平面去切割。就會得到M+1個不同灰度級的區(qū)域S1，S2，…，SM，SM+1。對這M+1個區(qū)域中的像素人為分配給M+1種不同顏色，就可以得到具有M+1種顏色的偽彩色圖像。多灰度偽彩色分割示意圖例1:甲狀腺模型(a)甲狀腺模型的單色圖像，(b)強度分層為8個彩色的結(jié)果左圖的恒定強度難以區(qū)分病變，右圖強度分層結(jié)果，清楚的顯示恒定強度的不同區(qū)域圖像灰度為255，焊點有問題給255灰度賦以一種顏色，其他為另一種顏色例2:焊接點問題檢測簡化工作，降低誤識率例3:焊接點問題檢測圖a圖b圖c圖d圖a：圖像的強度值直接與降雨相對應(yīng)，目測困難圖b：對強度值賦予彩色，藍色表示低降雨量，紅色表示高降雨量圖c：彩色編碼圖像;圖d：放大區(qū)域圖像（2）灰度級到彩色轉(zhuǎn)換對任何輸入像素的灰度值進行三個相互獨立地變換，將這三個變換結(jié)果分別送到彩色監(jiān)視器的紅、綠、藍通道，產(chǎn)生一幅彩色合成圖像。它的顏色內(nèi)容由變換函數(shù)的性質(zhì)決定。注意：這種方法是一幅圖像灰度級值的變換函數(shù)而不是位置函數(shù)。例：突出裝在行李內(nèi)的爆炸物的偽彩色應(yīng)用（2）灰度級到彩色的轉(zhuǎn)換多幅單色圖像組合為一幅彩色組合圖像多光譜圖像處理中，不同的傳感器在不同的譜段產(chǎn)生獨立的單色圖像，常組合為一幅彩色圖像。紅綠藍近紅外RGB圖像偽彩色圖像例：多光譜圖像彩色編碼木星的偽彩色圖像木星的偽彩色圖像：局部放大主要內(nèi)容彩色基礎(chǔ)彩色模型偽彩色圖像處理全彩色圖像處理彩色變換彩色圖像平滑和尖銳化彩色圖像分割彩色圖像的噪聲彩色圖像壓縮4.全彩色圖像處理全彩色圖像處理研究分為兩大類分別處理每個分量圖像，然后合成彩色圖像。直接對彩色像素處理。4.全彩色圖像處理分別處理每個分量圖像，然后合成彩色圖像。能用該方法的前提：該操作既可用于向量，也可用于標量應(yīng)用于向量時，各分量的處理結(jié)果互不相關(guān)例：線性濾波4.全彩色圖像處理直接對彩色像素處理。全彩色圖像至少有3個分量，彩色像素實際上是一個向量。如，在RGB系統(tǒng)中，令C代表RGB彩色空間中的任意向量：主要內(nèi)容彩色基礎(chǔ)彩色模型偽彩色圖像處理全彩色圖像處理彩色變換彩色圖像平滑和尖銳化彩色圖像分割彩色圖像的噪聲彩色圖像壓縮5.彩色變換彩色變換函數(shù)f(x,y)是彩色輸入圖像g(x,y)是變換或處理后的彩色輸出圖像T是在空間鄰域(x,y)上對f的操作。若操作T[]所定義的鄰域為像素

(x,y)本身的單點集，那么輸出

g(x,y)僅依賴于輸入圖象在(x,y)像素點的彩色值，與其鄰域無關(guān)，此時T[]定義的操作被稱為彩色變換，或彩色映射函數(shù)：5.彩色變換彩色變換的簡單形式對于每個彩色分量，ri、si為f(x，y)和g(x，y)在圖像中任一點的彩色分量值；{T1,T2,…,Tn}是一個對ri操作產(chǎn)生si的變換或彩色映射函數(shù)集。選擇的彩色空間決定n的值。若選擇RGB模型，則n=3；r1、r2、r3分別表示輸入圖像的紅、綠、藍分量；選擇CMYK模型，則n=4。全彩色圖像和它的不同彩色空間分量草莓和咖啡杯的彩色圖像CMYK圖像RGB圖像HSI圖像

g(x,y)=kf(x,y)，0<k<1HSI彩色空間，可以作簡單變換：

s3=kr3，這里s1=r1，s2=r2，僅僅改變亮度分量r3。

RGB彩色空間，3個分量都必須變換：

si=kri

i=1,2,3。

CMY空間為一個相似的線性變換集：

si=kri＋(1－k)，i=1,2,3。

5.彩色變換用彩色變換調(diào)整圖像亮度(a)原像，(b)減少亮度30％(k=0.7)，(c)~(e)所要求的RGB,CMY和HSI變換函數(shù)5.彩色變換用彩色變換調(diào)整圖像亮度在如圖所示的彩色環(huán)上，與一種色調(diào)直接相對立的另一種色調(diào)稱為補色。作用：增強嵌在彩色圖像暗區(qū)的細節(jié)5.彩色變換補色例：計算彩色圖像的補色(c)基于RGB映射函數(shù)的(a)的補色紅色在補色中用青色代替，黑色在補色中用白色代替(a)原圖像(b)補色變換函數(shù)(d)用HSI變換的RGB補色的近似突出圖像中特殊的彩色區(qū)域?qū)钠渲車蛛x出目標物是很有用的?；舅悸罚海?）顯示感興趣的顏色以便從背景中把它們分離出來；（2）像模板那樣使用由彩色定義的區(qū)域，以便進一步處理。最直接的方法是沿用灰度分層技術(shù)。最簡單的方法之一是把某些感興趣區(qū)域以外的區(qū)域的彩色映射為不突出的自然色。5.彩色變換彩色分層

如果感興趣的顏色由寬為W，中心在原彩色點并具有分量(a1,a2,…,an)的立（超）方體所包圍，則必要的變換集是：

如果用一個圓球確定感興趣的顏色，變換集為：5.彩色變換彩色分層(a)在寬度為W＝0.2549,中心在(0.6863,0.1608,0.1922)的RGB立方體中檢測紅色的彩色分層變換(b)在半徑為0.1765，中心在相同的RGB球形中檢測紅色，處在立方體和球形外邊的像素由彩色(0.5,0.5,0.5)代替例：彩色分層一幅圖像的灰度范圍也叫做“主調(diào)型”，它提供一般彩色強度的分布信息。高主調(diào)圖像的多數(shù)信息集中在高亮度處低主調(diào)圖像的彩色主要位于低亮度處中間主調(diào)圖像位于其中間亮度處正像在單色情況下，彩色圖像亮度最好在高亮度和陰影之間均勻分布5.彩色變換色調(diào)和彩色校正例：校正灰度不平衡的變換對平淡的、亮的（高主調(diào)）、暗的（低主調(diào)）彩色圖像的校正。等量地調(diào)整紅、綠、藍分量沒有改變圖像色調(diào)平淡亮暗變亮變暗增強對比度，亮的更亮，暗的更暗

例：用于校正簡單的CMYK輸出不平衡的變換灰度直方圖均衡自動地確定一種變換，這種變換試圖產(chǎn)生具有均勻的灰度值的直方圖。在單色圖像情況下，能成功處理低、中和高主調(diào)圖像。彩色圖像是由多個分量組成的，獨立地進行彩色圖像分量的直方圖均衡通常是不明智的，這將產(chǎn)生不正確的彩色。一個更合乎邏輯的方法是均勻地擴展彩色強度，保留彩色本身(即色調(diào))不變。5.彩色變換直方圖處理強度分量直方圖中看到的，圖像包含大童的暗彩色，使中央強度減少到0.36。不改變色調(diào)和飽和度，均衡強度分量的結(jié)果采用增加圖像的飽和度分量，然后進行直方圖均衡的結(jié)果例：在HSI彩色空間的直方圖均衡主要內(nèi)容彩色基礎(chǔ)彩色模型偽彩色圖像處理全彩色圖像處理彩色變換

彩色圖像平滑和尖銳化彩色圖像分割彩色圖像的噪聲彩色圖像壓縮令Sxy表示在RGB彩色圖像中定義一個中心在(x,y)的鄰域的坐標集，在該鄰域中RGB分量的平均值為：向量形式為：6.平滑和尖銳彩色圖像平滑如標量圖像一樣，該向量分量可以用傳統(tǒng)的灰度鄰域處理單獨地平滑RGB圖像的每一個平面得到。用鄰域平均值平滑可以再每個彩色平面的基礎(chǔ)上進行。例：用鄰域平均進行彩色圖像平滑(a)RGB圖像，(b)紅分量圖像，(c)綠分量圖像，(d)藍分量圖像上圖的RGB彩色圖像的HSI分量。(a)色調(diào)，(b)飽和度，(c)強度例：用鄰域平均進行彩色圖像平滑(a)處理RGB每一分量圖像的結(jié)果，(b)處理HSI圖像強度分量，轉(zhuǎn)換為RGB圖像的結(jié)果，(c)兩種結(jié)果間的差別例：用鄰域平均進行彩色圖像平滑用5×5平均模板平滑圖像圖c的原因：圖a像素的平均是不同彩色的平均，而圖b僅僅是強度的平均，原彩色（色調(diào)H和飽和度S）保持不變6.平滑和尖銳彩色圖像尖銳化采用拉普拉斯算子進行圖像銳化處理。向量的拉普拉斯被定義為一向量，其分量等于輸入向量的獨立標量分量的拉普拉斯微分。在RGB彩色系統(tǒng)中，向量c的拉普拉斯變換為：可以通過分別計算每一分量圖像的拉普拉斯去計算全彩色圖像的拉普拉斯例：用拉普拉斯尖銳化(a)RGB圖像的拉普拉斯變換(b)圖像的強度I分量圖像的拉普拉斯變換(c)圖a和圖b的差別圖像圖c的原因：圖a像素的銳化是不同彩色的銳化，而圖b僅僅是強度的銳化，原彩色（色調(diào)H和飽和度S）保持不變主要內(nèi)容彩色基礎(chǔ)彩色模型偽彩色圖像處理全彩色圖像處理彩色變換

彩色圖像平滑和尖銳化彩色圖像分割彩色圖像的噪聲彩色圖像壓縮7.彩色圖像分割HSI彩色空間分割在色調(diào)圖像中描述彩色是很方便的。為了在色調(diào)圖像中分割出感興趣的特征區(qū)，飽和度被用作一個模板圖像。在彩色圖像分割中強度圖像不常使用，因為它不攜帶彩色信息。H色調(diào)圖像方便描述彩色S飽和度圖像做模板分離感興趣的特征區(qū)I強度圖像不攜帶彩色信息例：在HSI空間的分割(a)原圖像，(b)色調(diào)，(c)飽和度，(d)強度,(e)二值飽和度模板(以最大飽和度的10％為門限)，(f)(b)和(e)相乘，(g)(f)的直方圖，(h)(a)中紅分量的分割(0.9為門限)7.彩色圖像分割RGB向量空間分割通常用RGB彩色向量分割的結(jié)果更好，該方法是直接的。假如目標是在RGB圖像中分割特定彩色區(qū)域的物體。給定一個感興趣彩色的有代表性的彩色點樣本集，可得到一個彩色“平均”估計，這種彩色是我們希望分割的彩色。7.彩色圖像分割RGB向量空間分割令這個平均彩色為RGB向量A。Z代表RGB空間中的任意一點，Z和A間的歐氏距離由下式給出，D0是特定的距離閾值。如果,則Z和A相似如果,則Z和A不相似例：在RGB空間的彩色分割(a)由封閉的矩形所示的感興趣的彩色原圖像(b)RGB向量空間分割的結(jié)果對比：HSI分割結(jié)果7.彩色圖像分割彩色邊緣檢測例:設(shè)有兩幅M×M（M為奇數(shù)）彩色圖像圖(d)(h)，它們分別由(a)到(c)和(e)到(g)中的3個分量圖像合成。(a)~(c)R,G,B分量圖像，(d)產(chǎn)生的彩色圖像(f)~(g)R,G,B分量圖像，(h)產(chǎn)生的彩色圖像分別計算RGB分量圖像的梯度，然后合成彩色圖像將會導致錯誤的結(jié)果令r，g和b是RGB彩色空間沿R、G、B軸的單位向量，可定義向量為