彩色圖像處理

數(shù)字圖像處理

DigitalImageProcessing第六章彩色圖像處理16.1概述在圖像處理中，顏色的運(yùn)用受兩個(gè)主要因素推動(dòng)：顏色是一個(gè)強(qiáng)有力的描繪子，它常常可簡化目標(biāo)物的識(shí)別和提取。人可以辨別幾千種不同的顏色，但只能區(qū)分出幾十種灰度級(jí)，這使得顏色在人工圖像分析中顯得特別重要。26.1概述彩色圖像處理分為兩大類：全彩色（真彩色）處理 圖像為彩色圖偽彩色處理 圖像為灰度圖，為每個(gè)灰度區(qū)間賦予不同的顏色而成為彩色圖36.1概述前面章節(jié)中所介紹的圖像處理方法，某些可以直接應(yīng)用于彩色圖像處理，而其他的需要做適當(dāng)修改后才可應(yīng)用于處理彩色圖像。本章內(nèi)容可分為四大塊：顏色基礎(chǔ)知識(shí)和顏色模型全彩色處理偽彩色處理彩色變換4人眼構(gòu)造簡介水晶體虹膜角膜瞳孔視神經(jīng)盲點(diǎn)視網(wǎng)膜黃斑區(qū)睫狀小帶5人眼的機(jī)理簡介人眼的機(jī)理與照相機(jī)類似：

1.瞳孔：透明的角膜后是不透明的虹膜，虹膜中間的圓孔稱為瞳孔，其直徑可調(diào)節(jié)，從而控制進(jìn)入人眼內(nèi)之光通量?照相機(jī)光圈作用

2.晶狀體：瞳孔后是一扁球形彈性透明體，其曲率可調(diào)節(jié)，以改變焦距，使不同距離的圖在視網(wǎng)膜上成像?照相機(jī)透鏡作用6人眼的機(jī)理簡介人眼的機(jī)理與照相機(jī)類似：

3.視細(xì)胞：視網(wǎng)膜上集中了大量視細(xì)胞，分為兩類：1）錐狀細(xì)胞：明視細(xì)胞，在強(qiáng)光下檢測亮度和顏色（白晝視覺細(xì)胞）

2）桿(柱)狀細(xì)胞：暗視細(xì)胞，在弱光下檢測亮度，無色彩感覺（夜視覺細(xì)胞）其中，每個(gè)錐狀視細(xì)胞連接著一個(gè)視神經(jīng)末梢，故分辨率高，分辨細(xì)節(jié)、顏色；多個(gè)桿狀視細(xì)胞連接著一個(gè)視神經(jīng)末梢，故分辨率低，僅分辨圖的輪廓。7錐狀細(xì)胞將電磁光譜的可見光部分分為三個(gè)波段：紅、綠、藍(lán)。由于這個(gè)原因，這三種顏色被稱為三基色（PrimaryColor）

紅(red)

綠(green)

藍(lán)(blue)所有顏色都可看作是三種基本顏色按照不同的比例組合而成。人眼成像過程

視細(xì)胞受到光刺激產(chǎn)生電脈沖-----

視神經(jīng)中樞-----大腦成像.傳遞人眼的成像機(jī)理86.2彩色基礎(chǔ)白光通過棱鏡時(shí)看到的色譜6種顏色？No!電磁波譜中的可見光部分彩色光譜可分為6個(gè)寬的區(qū)域：紫色、藍(lán)色、綠色、黃色、橘紅色和紅色。96.2彩色基礎(chǔ)電磁波譜中的可見光部分400nm700nm紫外光紅外光可見光區(qū)546.1nm435.8nm780nm可視光區(qū)的波長在400nm~700nm，當(dāng)光譜采樣限制到三個(gè)人類視覺系統(tǒng)敏感的紅、綠、藍(lán)光波段時(shí)，對(duì)這三個(gè)光譜帶的光能量進(jìn)行采樣，就可以得到一幅彩色圖像。106.2彩色基礎(chǔ)人眼所感知到的物體的顏色由物體反射光的特性所決定。人眼內(nèi)的錐狀體分為三類，分別對(duì)紅、綠、藍(lán)光敏感。 對(duì)紅光敏感的錐狀體占65%

對(duì)綠光敏感的錐狀體占33%

對(duì)藍(lán)光敏感的錐狀體占2%(敏感度最高)116.2彩色基礎(chǔ)眼內(nèi)三種錐狀體的光吸收情況CIE(國際照明委員會(huì))規(guī)定的三原色對(duì)應(yīng)的光的波長為：藍(lán)：435.8nm

綠：546.1nm 紅：700nm注意：自然界中的可見顏色均能由這三種顏色按一定比例混合得到；反之，任意一種顏色都可以分解為三種原色。126.2彩色基礎(chǔ)三原色混色原理:紅+藍(lán)=品紅綠+藍(lán)=青紅+綠=黃品紅、青、黃稱為合成色它們是顏料的三原色136.2彩色基礎(chǔ)顏色的特性：亮度：與灰度圖像的灰度值類似色調(diào)：任何一種顏色的光都是由若干波長不同的光混合而成，其中比重最大的那種光的顏色即為色調(diào)。飽和度：由色調(diào)所對(duì)應(yīng)光在混合光中的比重決定。也可理解該純色光被白光沖淡的多少，白光越多飽和度越低。色調(diào)和飽和度統(tǒng)稱為色度。146.3顏色模型顏色模型(也稱彩色空間或彩色系統(tǒng))是為了按照某種標(biāo)準(zhǔn)來指定顏色。從本質(zhì)上說，顏色模型是一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)下的一個(gè)子空間中，每種顏色都對(duì)應(yīng)其中一個(gè)點(diǎn)。156.3顏色模型顏色模型的設(shè)計(jì)通常是為了便于硬件實(shí)現(xiàn)或便于對(duì)顏色的控制。RGB模型：在彩色顯示器、彩色攝像機(jī)中 廣泛使用CMY/CMYK模型：用于彩色打印HSI模型：與人描述和解釋顏色的方式最接近，便于人為指定顏色；同時(shí)該模型將顏色和灰度信息分開，便于應(yīng)用灰度圖像處理技術(shù)來處理彩色圖像。166.3.1RGB模型RGB彩色立方體示意圖17RGB模型：

建立在笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)里，其中三個(gè)軸分別為R，G，B，

模型的空間是個(gè)正方體，原點(diǎn)對(duì)應(yīng)黑色，離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)白色 從黑到白的灰度值分布在從原點(diǎn)到離原點(diǎn)最遠(yuǎn)頂點(diǎn)間的連線上，而立方體內(nèi)其余各點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的顏色，可用從原點(diǎn)到該點(diǎn)的矢量表示

186.3.1RGB彩色模型用RGB彩色模型表示的圖像包含有3個(gè)圖像分量，分別與紅、綠、藍(lán)三原色相對(duì)應(yīng)。當(dāng)送入RGB監(jiān)視器時(shí)，這三幅圖像在熒光屏上混合產(chǎn)生一幅合成的彩色圖像。在RGB空間中，用于表示每一像素的比特?cái)?shù)稱為像素深度。如24比特深度的圖像通常稱為全彩色或真彩色圖像196.3.1RGB彩色模型MATLAB實(shí)現(xiàn)一幅MxN的RGB彩色圖像可以用一個(gè)

MxNx3的矩陣來描述，圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)于紅、綠、藍(lán)三個(gè)分量組成的三元組。在MATLAB中要生產(chǎn)一幅RGB圖像可以采用cat函數(shù)來得到。其基本語法：

B=cat(3，iR，iG，iB）其中iR，iG，iB分別為生產(chǎn)RGB圖像的R，G，B分量。這樣就可以通過cat函數(shù)將三個(gè)分量合成一幅彩色圖像。206.3.1RGB彩色模型MATLAB實(shí)現(xiàn)相應(yīng)地，從一幅彩色圖像里獲取一幅RGB圖像I的三個(gè)分量，可以使用下列語句：

iR=I（：，：，1）

iG=I（：，：，2）

iB=I（：，：，3）例：生產(chǎn)一幅128*128的RGB圖像，該圖像左上角為紅色，右上角為藍(lán)色，左下角為綠色，右下角為黑色。例6.1：生成RGB圖像216.3.2CMY和CMYK模型C(Cyan

青)M(Magenta

品紅)Y(Yellow

黃)是顏料的三原色。

青色顏料：吸收紅光

品紅顏料：吸收綠光

黃色顏料：吸收藍(lán)光 例如：當(dāng)白光照到青色顏料上，紅光被吸收，返回綠光和藍(lán)光，所以呈現(xiàn)青色。

CMY/CMYK模型主要用于打印設(shè)備22CMY模型減色混色模型減色基：青（Cyan）、品紅（Magenta）、黃（Yellow）是加色基R、G、B的補(bǔ)色顏色是從白光中減去一定成分得到的

適合于彩色打印，印刷行業(yè)等23CMY模型青（C）=白色光

-紅色光品紅（M）=白色光

-綠色光黃（Y）=白色光

-藍(lán)色光246.3.2CMY和CMYK模型CMY模型和RGB模型間的關(guān)系：等量的青色、品紅和黃色應(yīng)該產(chǎn)生黑色。但實(shí)際產(chǎn)生的黑色不夠純正，另外加上價(jià)格因素，引入黑色(打印的主色)，構(gòu)成CMYK模型。25CMY模型印刷時(shí)CMY模型不可能產(chǎn)生真正的黑色，因此在印刷業(yè)中實(shí)際上使用的是CMYK彩色模型，K為第四種顏色，表示黑色.從CMY到CMYK的轉(zhuǎn)換公式26CMY模型

RGB空間的彩色圖像

CMY空間的彩色圖像圖6.7RGB與CMY空間的轉(zhuǎn)換例6.2：將RGB圖像轉(zhuǎn)換到CMY空間276.3.3HSI彩色模型RGB及CMY適合顏色的生成和顯示，但不適合人為指定顏色。HSI模型與人眼對(duì)顏色的描述很相似，如淡紫、深紅等等。

H：Hue色調(diào)

S：Saturation飽和度

I：Intensity強(qiáng)度/亮度/灰度28I：表示光照強(qiáng)度或稱為亮度，它確定了像素的整體亮度，而不管其顏色是什么。

29H：表示色度，由角度表示。反映了該顏色最接近什么樣的光譜波長（既彩虹中的那種顏色）0o為紅色，120o為綠色，240o為藍(lán)色。0o到240o覆蓋了所有可見光譜的顏色，240o到300o是人眼可見的非光譜色（紫色）。30

S：表示飽和度，飽和度參數(shù)是色環(huán)的原點(diǎn)到彩色點(diǎn)的半徑長度。在環(huán)的外圍圓周是純的或稱飽和的顏色，其飽和度值為1。在中心是中性（灰）影調(diào)，即飽和度為0。表示顏色濃淡的物理量。通常用混入白光量的比例來度量。3132亮度變化33色度變化H=0oH=60oH=120oH=180oH=240oH=300o34飽和度變化S=0S=1S=1/4S=1/235HSI模型思考問題：在這個(gè)圓柱體上，紅色的點(diǎn)順（逆）時(shí)針旋轉(zhuǎn)會(huì)變成什么樣？上下移動(dòng)呢？向圓心方向移動(dòng)呢？黑白ISSH綠黃青藍(lán)品紅366.3.3HSI彩色模型RGB和HSI模型間的關(guān)系

RGB到HSI的轉(zhuǎn)換：37HSI模型三原色（原圖）

（b）H分量（c）S分量

（d）I分量圖6.9三原色RGB空間及其在HSI空間的各個(gè)分量386.3.3HSI彩色模型從RGB到HSI的彩色轉(zhuǎn)換

假設(shè)RGB值已歸一化到[0,1]范圍內(nèi)，則396.3.3HSI彩色模型從HSI到RGB的彩色轉(zhuǎn)換

假設(shè)HSI值已歸一化到[0,1]范圍內(nèi)。首先將H乘以360，恢復(fù)到[0°,360°]范圍內(nèi)。根據(jù)H的范圍使用不同公式。RG扇區(qū)(0°≤H≤120°)：

其他兩種情況見書P106406.3.3HSI彩色模型RGB圖像和對(duì)應(yīng)的HSI分量圖像(a)RGB圖像(b)色調(diào)(c)飽和度(d)強(qiáng)度/灰度416.3.3HSI彩色模型示例：通過修改HSI分量來改變圖像外觀(a)-(c)修改后的HSI分量圖像(d)最終的RGB圖像例6.3：將三原色圖從RGB空間轉(zhuǎn)換到HSI空間426.4全彩色圖像處理43彩色圖像增強(qiáng)彩色圖像復(fù)原彩色圖像分析：

彩色圖像補(bǔ)償彩色圖像分割全彩色圖像處理44彩色圖像增強(qiáng)平滑濾波

對(duì)圖像中的像素（三基色）進(jìn)行鄰域平均

45彩色圖像增強(qiáng)平滑濾波

原圖平滑濾波結(jié)果圖例6.4：彩色圖像平滑濾波46彩色圖像增強(qiáng)銳化增強(qiáng)

原圖銳化結(jié)果圖Laplacian濾波模板例6.5：彩色圖像銳化濾波47彩色圖像復(fù)原原圖維納濾波復(fù)原運(yùn)動(dòng)模糊+高斯噪聲退化彩圖例6.6：彩色圖像復(fù)原第5章討論的單色圖像復(fù)原技術(shù)可直接推廣到彩色圖像，即分別作用于R、G、B圖像上。

48彩色圖像分析49彩色圖像分析梯度法邊緣檢測

梯度的幅值圖像f(x,y)在(x,y)的梯度50彩色圖像分析梯度法邊緣檢測

RGB空間中梯度51彩色圖像分析梯度法邊緣檢測

RGB空間中梯度梯度的幅度(x,y)處變化率最大的方向52彩色圖像分析梯度法邊緣檢測

邊緣檢測結(jié)果圖6.14利用梯度進(jìn)行邊緣檢測示例原圖例6.7：彩色圖像的邊緣檢測536.5偽彩色圖像處理54偽彩色處理是指將黑白圖像轉(zhuǎn)化為彩色圖像，或者是將單色圖像變換成給定彩色分布的圖像。基本原理基本原理是將黑白圖像或者單色圖像的各個(gè)灰度級(jí)匹配到彩色空間中的一點(diǎn)，從而使單色圖像映射成彩色圖像。黑白圖像中不同的灰度級(jí)賦予不同的彩色。

主要目的是為了提高人眼對(duì)圖像的細(xì)節(jié)分辨能力，以達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的。由于人眼對(duì)彩色的分辨能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)灰度的分辨能力，所以將灰度圖像轉(zhuǎn)化成彩色表示，就可以提高對(duì)圖像細(xì)節(jié)的辨別力。55基本原理不同的映射函數(shù)就能將灰度圖像轉(zhuǎn)化為不同的偽彩色圖像。黑白圖像

56方法密度分層法灰度級(jí)-彩色變換法頻域?yàn)V波法

57密度分層法圖6.15密度法偽彩色處理原理示意圖

將灰度圖像中的像素灰度理解為高度，則可以將圖像轉(zhuǎn)為3維。通過插入分割平面，將圖像劃分為不同的“層”，為每一層賦以一種彩色。58密度分層法圖6.16灰度級(jí)到彩色的映射

59密度分層法例圖6.17m=8m=16m=64例6.8：密度分層法的Matlab實(shí)現(xiàn)60灰度級(jí)-彩色變換法圖6.18灰度級(jí)－彩色變換偽彩色處理技術(shù)原理示意圖（一幅單色圖像）61灰度級(jí)-彩色變換法圖6.19典型的變換傳遞函數(shù)

62灰度級(jí)-彩色變換法例圖6.20例6.9：灰度級(jí)-彩色變換法的Matlab實(shí)現(xiàn)63灰度級(jí)-彩色變換法圖6.21多幅單色圖像的偽彩色編碼過程

64頻域法頻域?yàn)V波法輸出圖像的偽彩色與原圖像的灰度級(jí)無關(guān)而是取決于灰度圖像中不同的頻率成分。如果為了突出圖像中高頻成分（即圖像的細(xì)節(jié)）而將其變?yōu)樗{(lán)色，則只需要將藍(lán)通道濾波器設(shè)計(jì)成高通濾波器。如果要抑制圖像中某種頻率成分，那么可以設(shè)計(jì)一個(gè)帶阻濾波器來達(dá)到目的。65頻域法圖6.22頻率濾波法偽彩色處理技術(shù)原理示意圖

66隨堂練習(xí)1、常用的顏色模型有：RGB、

CMY

/CMYK

、

HSI

等。2、采用HSI模型時(shí)，在以下像素中，色調(diào)差別最小的是

D

。（A）（0o，0.2，100）和（40o，0.2，200） （B）（240o，0.3，200）和（120o，0.2，100）（C）（40o，0.7，200）和（100o，0.6，36） （D）（350o，0.8，210）和（10o，0.1，15）3、什么是三原色，什么是偽彩色增強(qiáng)處理？其主要目的是什么？4、彩色圖像顏色模型HSI的三個(gè)基本特征是?676.6彩色變換注意：這里的彩色是相對(duì)第三章中的灰度變換而言的，不是指色彩空間的變換。 與灰度變換的區(qū)別在于，此時(shí)f(x,y)是一個(gè)向量，有三個(gè)分量。686.6彩色變換回顧第三章學(xué)過的灰度變換：灰度反轉(zhuǎn)

s=L–1–r——彩色反轉(zhuǎn)對(duì)數(shù)變換

s=clog(1+r)冪律變換

s=crγ分段線性變換直方圖均衡直方圖拉伸后三種不能用分別處理RGB分量的方式處理696.6彩色變換彩色反轉(zhuǎn)(求補(bǔ)色)(底片效果)補(bǔ)色：彩色環(huán)中相對(duì)的顏色為補(bǔ)色。 一種顏色和它的補(bǔ)色相加等于白色。706.6彩色變換716.6彩色變換冪律變換726.6彩色變換冪律變換736.6彩色變換彩色切分 突出圖像中某一色彩范圍的內(nèi)容。 相似性度量：利用色彩空