第四章數(shù)字圖像處理彩色圖像增強

第四章數(shù)字圖像處理彩色圖像增強第一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五彩色圖像：是一種矢量圖像，比灰度圖像包含更多的信息。彩色圖像增強技術分為兩類： 偽彩色增強技術：對不同的灰度或灰度范圍賦予不同的顏色. 真彩色增強技術：對彩色的不同分量區(qū)別對待。人對彩色的分辨能力和敏感程度比灰度強第二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五顏色模型可見光波長范圍為：400nm~760nm，能使人產(chǎn)生視覺，感到明亮和顏色第三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五錐狀細胞

每只眼睛中大約有600萬到700萬個錐狀細胞，集中分布在視軸和視網(wǎng)膜相交點附近的黃斑區(qū)內(nèi)。每個錐狀細胞都連接一個神經(jīng)末梢，因此，黃斑區(qū)對光有較高的分辨力，能充分識別圖像的細節(jié)。錐狀細胞既可以分辨光的強弱，也可以辨別色彩。白天視覺過程主要靠錐狀細胞來完成，所以錐狀機覺又稱白晝視覺。按感光化學特性，錐狀細胞有三種，它們分別對紅、綠、藍顏色敏感，因此紅綠藍稱為人類視覺的三基色。三種錐狀細胞的光譜敏感曲線如下：第四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五桿狀細胞

每只眼睛大約有7600萬個到15000萬個桿狀細胞。它廣泛分布在整個視網(wǎng)膜表面上，并且有若干個桿狀細胞同時連接在一根神經(jīng)上，因此，這條神經(jīng)只能感受多個桿狀細胞的平均光刺激，使得在這些區(qū)域的視覺分辨力顯著下降，無法辨別圖像中的細微差別，而只能感知視野中景物的總的形象。桿狀細胞不能感覺彩色，但對低照明度的景物柱往比較敏感，所以，夜晚所觀察到的景物只有黑白、濃淡之分，而看不清它們的顏色差別。由于夜晚的視覺過程主要由桿狀細胞完成，所以桿狀視覺又稱夜視覺。第五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五英國人Newton，三棱鏡實驗證明了白光是所有可見光的組合。顏色模型第六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五1931年，國際照明委員會（CIE）規(guī)定用700nm、546.1nm、435.8nm的單色光作為紅(R)、綠(G)、藍(B)三原色R代表紅光，為大紅色相，紅中具有黃味；G代表綠光，為比較香嫩的綠色色相B代表藍紫光，色相為藍中帶有紫味根據(jù)三原色原理，任意彩色的顏色方程為：F=α(R)+β(G)+γ(B)其中αβγ是紅綠藍三色的混合比例，稱為三色系數(shù)顏色模型指的是某個三維顏色空間中的一個可見光子集，它包含某個色彩域的所有色彩顏色模型第七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五CIE（國際照明委員會）1931年，CIE規(guī)定了三種標準原色x,y,z,用于顏色匹配，三種對應的顏色匹配函數(shù)如下：CIE色度圖第八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五對于可見光譜中的任何主波長的光，都可以用這三個標準原色的疊加來匹配注意：沒有一個輸出設備能夠精確輸出CIE圖像，因為輸出設備均有固定的墨和顏色，固定的幾種顏色不能夠表達所有可以看見的顏色CIE色度圖

第九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五對于可見光譜中的任意一種顏色C，可以找到一組權（X,Y,Z），使得：C=xX+yY+zZ,即用CIE原色匹配C,下圖為XYZ空間中包含所有可見光的錐體CIE色度圖

整個錐體落在第一象限，從原點引一條任意射線穿過該錐體，則射線上任意兩點代表的色光具有相同的主波長和純度在每條射線上各取一點即可代表所有的可見光，習慣上，這一點取做射線與平面X+Y+Z=1的交點，其坐標稱為色度值，規(guī)格化坐標表示為：第十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五可以把與平面X+Y+Z=1相交的色度值(x,y,z)中的(x,y)繪制成CIE色度圖，如圖。CIE色度圖

邊界和內(nèi)部代表了所有可見光的色度值，z=1-x-y邊界彎曲部分上的每一點，對應光譜在某種純度為百分之百的色光，線上標明的數(shù)字為對應的主波長中央一點C代表白光，C點接近于x=y=z=1/3第十一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五CIE色度圖主要有兩種用途：用色度圖計算任何顏色的主波長和純度CIE色度圖

如果B在曲邊上，則B的主波長就是A的主波長，否則，找不到該顏色對應的主波長，此時，主波長可以用其補色的主波長值之后加c表示一種顏色稱為另一種顏色的補色，指二者混合之后產(chǎn)生白色，圖中F的補色為A,所以F的主波長為555umc第十二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五CIE色度圖主要有兩種用途：定義顏色域(ColorRanges)以便顯示疊加顏色的效果CIE色度圖I和J按不同比例疊加，可產(chǎn)生其連線上的任意一種顏色I，J和K按不同比例疊加，可產(chǎn)生三角形內(nèi)的任意一種顏色對于任意一個三角形，如果其三個頂點均落在可見光區(qū)域內(nèi)，則其混合所產(chǎn)生的顏色不能覆蓋整個可見光區(qū)域紅綠藍三原色不能疊加出所有可見光顏色第十三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五0.800.20.8xy520nm700-770nm紅藍綠NTSCPAL紫色度圖第十四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五常見的色彩模型有RGB模型、CMYK模型、HSV模型、YIQ模型等。每種模型都有它自己的特點和適用范圍,它們可以根據(jù)需要相互轉(zhuǎn)換。RGB模型

這是最常見的色彩模型，由R(紅)、G(綠)、B(藍)三個分量組成，三維空間中的三個軸分別與紅、綠、藍三基色相對應.原點對應于黑色，離原點最遠的頂點對應于白色。從黑到白的灰度值分布在這兩個點的連線上，該線稱為灰色線。其他顏色則落在三維空間中由紅、綠、藍三基色組成的彩色立方體中。通常情況下以RGB色彩模型為基礎描述其它色彩模型，將其它色彩模型描述為RGB三色的線性或者非線性函數(shù)。

RGB模型在視頻和顯示器中廣泛使用。

第十五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五RGB模型單位立方體

RGB顏色模型構成的顏色空間是CIE原色空間的一個真子集，通常用于CRT和光柵顯示器RGB三原色是加性原色第十六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五CMY(K)模型

RGB模式是顯示器上的顏色模式,而在圖像印刷中卻是用CMYK4色印刷模式來確定顏色的。是指通過混合青(Cyan)、品紅(Magenta)、黃(Yellow)與黑(Black)色來產(chǎn)生全彩色階調(diào)的顏色,這就是CMYK模式。其中Black以“K”表示(為了避免與Blue混淆)。這就是平常所說的減色模式,因為青、品紅、黃分別是光譜色中的紅、綠、藍的補色,從而模擬出白光被物體吸收了一部分色光后的反射光。

CMYK模式中的顏色種類遠不及RGB模式,但它卻是打印的標準模式,是印刷業(yè)所使用的顏色模式。第十七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五第十八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五C=255-RM=255-GY=255-BRGB與CMY之間的轉(zhuǎn)換第十九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五YIQ模型YIQ模型是美國國家電視系統(tǒng)委員會（NTSC）定義的用于電視廣播的顏色系統(tǒng)，Y代表亮度信息，I和Q表示色度，其中I表示橙～青色，Q表示其他部分顏色。從RGB到Y(jié)IQ的變換關系如下：

第二十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五HSI模型是Munseu提出的，它反映了人的視覺系統(tǒng)觀察彩色的方式，在藝術上經(jīng)常使用HSI模型。HSI模型中，H表示色調(diào)(Hue)，S表示飽和度(Saturation)，I表示亮度(Intensity，對應成像亮度和圖像灰度)。該模型的建立基于兩個重要的事實：I分量與圖像的彩色信息無關。H和S分量與人感受顏色的方式是緊密相聯(lián)的。這些特點使得HSI模型非常適合借助人的視覺系統(tǒng)來感知彩色特性的圖像處理算法HSI模型第二十一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五HSI模型HSI模型的三個屬性定義了一個三維柱形空間?；叶汝幱把刂S線從底部的黑變到頂部的白，具有最高亮度。最大飽和度的顏色位于圓柱上頂面的圓周上。這種模型的優(yōu)點在于它將亮度（I）與反映色彩本質(zhì)特性的兩個參數(shù)（色度（H）和飽和度（S））分開。H色度，取值范圍0°-360°；S飽和度，取值范圍0-1/100；I亮度，取值范圍0-1/100；色相環(huán)，0°-紅，120°-綠，240°-藍第二十二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五

圖中的色相環(huán)描述了色相和飽和度兩個參數(shù)。色相由角度表示，它反映了該彩色最接近什么樣的光譜波長。一般假定0°表示的顏色為紅色，120°的為綠色，240°的為藍色。0°到240°的色相覆蓋了所有可見光譜的彩色，在240°到300°之間為人眼可見的非光譜色（紫色）。飽和度是指一個顏色的鮮明程度，飽和度越高，顏色越深，如深紅，深綠。飽和度參數(shù)是色環(huán)的原點（圓心）到彩色點的半徑的長度。由色相環(huán)可以看出，環(huán)的邊界上純的或飽和的顏色，其飽和度值為1。在中心是中性（灰色）陰影，飽和度為0。第二十三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五

RGB轉(zhuǎn)換到HSI

對任何3個［0，1］范圍內(nèi)的R、G、B值，其對應HSI模型中的I、S、H分量的計算公式為第二十四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五HSI到RGB第二十五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五HSV顏色模型HSV（HueSaturationValue）顏色模型是面向用戶的，對應于圓柱坐標系中的一個圓錐形子集白色濃純色色相色深黑灰HSV顏色模型示意圖綠(120°)紅(0°)青(180°)黃(60°)藍(240°)品紅(120°)HOS(1,0)V色相、色濃和色深之間的關系S第二十六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五HSV顏色模型HSV模型中，每一種顏色和它的補色相差180度，飽和度（色深）取值從0到1HSV模型所代表的顏色域也是CIE原色空間的一個子集圓錐的頂點處V=0,H和S無定義，代表黑色，圓錐的頂面中心處S=0，V=1，H無定義，代表白色，從該點到原點代表亮度漸暗的白色，即具有不同灰度的白色任何V=1，S=1的顏色是純色HSV顏色模型的優(yōu)點：符合人眼對顏色的習慣三個坐標是獨立的采用線性標尺第二十七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五從RGB立方體的白色頂點，順主對角線向原點方向投影，可得到一個正六角形，此正六角形是HSV圓錐頂面的一個真子集RGB空間的主對角線對應于HSV空間的V軸HSV顏色模型第二十八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五第二十九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五

真彩色增強

假彩色增強：把真實的自然彩色圖像或遙感多光譜圖像處理成假彩色圖像。

偽彩色增強：把黑白圖象處理成偽彩色圖象。彩色增強技術第三十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五偽彩色增強偽彩色(Pseudocoloring)增強是把一幅灰度圖像的每個不同灰度級按照線性或非線性的映射函數(shù)變換成不同的彩色，得到一幅彩色圖像。第三十一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五偽彩色增強基本目的由于人眼分辨不同彩色的能力比分別不同的灰度級的能力強，因此，把人眼無法區(qū)別的灰度變化，施以不同的彩色來提高識別率，這便是偽彩色增強的基本目的。第三十二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五第三十三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五3.

頻域濾波第三十四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五第三十五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五c2c3c1c4對圖像的灰度值動態(tài)范圍進行分割，使分割后的每一灰度值區(qū)間甚至每一灰度值本身對應某一種顏色。如下圖：第三十六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五第三十七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五第三十八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五m=8m=16m=64第三十九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五將黑白圖像或者單色圖像的各個灰度級匹配到彩色空間中的一點，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賦予不同的彩色。

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

2、灰度到彩色的變換第四十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五灰度級-彩色變換法第四十一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五將每一個像元的灰度值通過三個獨立變換分別產(chǎn)生紅、綠、藍三個分量圖像，然后將其合成為一幅彩色圖像。第四十二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五頻域濾波法在不同的頻率分量與顏色之間經(jīng)過一定的變換建立一種對應關系。第四十三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五頻域濾波法輸出圖像的偽彩色與原圖像的灰度級無關，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（即圖像的細節(jié)）而將其變?yōu)樗{色，則只需要將藍通道濾波器設計成高通濾波器。如果要抑制圖像中某種頻率成分，那么可以設計一個帶阻濾波器來達到目的。第四十四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五

處理方法RGB真彩色增強第四十五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五有M×N個向量c(x,y)。第四十六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五然而，單獨的彩色分量的處理結(jié)果并不總等同于在彩色向量空間的直接處理。為了使每一彩色分量處理和基于向量的處理等同，必須滿足兩個條件：

第一,處理必須對向量和標量都可用。 第二，對向量每一分量的操作對于其他分量必須是獨立的。第四十七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五單分量變換增強第四十八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五第四十九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五一幅圖像可以分解為RGB三個分量，也可以分解為H,S,I三個分量。由于人眼對H,S,I三個分量的感受是比較獨立的，所以在HSI空間有可能只使用三個變換之一就可以了。一種簡便常用的真彩色增強方法的基本步驟為：1）將R,G,B分量圖轉(zhuǎn)化為H,S,I分量圖2）利用對灰度圖增強的方法增強其中的一個分量圖

3）再將結(jié)果轉(zhuǎn)換為用R,G,B分量圖來顯示第五十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五第五十一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期五對亮度增強的方法并不改變原圖的彩色內(nèi)容，但增強后的圖看起來還可能會有些感覺不同。這是因為盡管色調(diào)和飽和度沒有變化，但亮度分量得到了增強，會使得人對色調(diào)或飽和度的感受有所不同。通過對