彩色圖像處理 PPT

彩色圖像處理內(nèi)容提要:11.1人類視覺與色度學基礎三基色原理、光度學基本知識11.2顏色空間的表示及其轉(zhuǎn)換RGB模型、HSV模型、HSI模型、YUV模型RGB與HSV空間的相互轉(zhuǎn)換RGB與YUV空間的相互轉(zhuǎn)換RGB與HSI空間的相互轉(zhuǎn)換11.3顏色空間的量化抖動技術、假彩色處理彩色圖像增強、真彩色增強、

偽彩色增強11.1人類視覺與色度學基礎人類色覺的產(chǎn)生是一個復雜的過程。除了光源對眼睛的刺激，還需要人腦對光刺激的解釋。人感受到的物體顏色主要取決于反射光的特性。如果物體比較均衡地反射各種光譜，則看起來是白的。如果物體對某些光譜反射得較多，則看起來物體就呈現(xiàn)相對應的顏色。色度學（colorimetry）進行圖像的彩色分析，建立的研究彩色計量的學科。11.1.1人類的基本視覺特性視覺系統(tǒng)中存在著桿狀和錐狀細胞兩種感光細胞。桿狀細胞為暗視器官錐狀細胞是明視器官，在照度足夠高時起作用，并能分辨顏色。錐狀細胞大致將電磁光譜的可見部分分為三個波段：紅、綠、藍。這三種顏色被稱為三基色圖

人類視覺系統(tǒng)三類錐狀細胞的光譜敏感曲線人類視覺對顏色的主觀感覺顏色的三種主觀感覺：色調(diào)、色飽和度和亮度。色調(diào)（hue）從一個物體反射過來的或透過物體的光波長是由顏色種類來辨別的，如紅、橙、綠。色飽和度（saturation）即色純度，指顏色的深淺例如：深紅和淺紅。亮度（brightness）顏色的明暗程度，從黑到白，主要受光源強弱影響。11.1.2三基色原理由三基色混配各種顏色通常有兩種方法：相加混色法。彩色電視機上的顏色。相減混色法。彩色電影、幻燈片、繪畫原料相加混色和相減混色的主要區(qū)別：（1）相加法是由發(fā)光體發(fā)出的光相加而產(chǎn)生的各種顏色，而相減法是先有白色光，然后從中減去某些成份（吸收）得到各種顏色。（2）相加混色的三基色是紅、綠、藍，而相減混色的三基色是黃、青、品紅。相加混色的補色就是相減混色的基色。（3）相加混色和相減混色有不同的規(guī)律。Grassman定律指出了視覺對顏色的響應取決于紅、綠、藍三輸入量的代數(shù)和。（1）所有顏色都可以用相互獨立的三基色混合得到；（2）混合色的光亮度是原來各分量光亮度的總和；（3）任意兩種顏色相混合產(chǎn)生的新顏色與采用三基色分別合成這兩種顏色的各自成份混合起來得到的結(jié)果相等。光的物理知識光是人的視覺系統(tǒng)能夠感知到的電磁波波長在400nm到700nm之間(1nm=10-9m)光可以由它的光譜能量分布來表示各種波長的能量 大致相等， 為白光各波長的能量 分布不均勻， 為彩色光包含一種波長 的能量，其他 波長都為零， 是單色光光譜能量分布定義顏色十分麻煩光譜與顏色的對應關系是多對一兩種光的光譜分布不同而顏色相同的現(xiàn)象稱為“異譜同色”必須采用其他的定義顏色的方法， 使光本身與顏色一一對應三色學說顏色視覺及真實感圖形學的生理基礎，顏色科學中最基本、最重要的理論顏色具有恒常性，顏色之間的對比效應能使人區(qū)分不同顏色顏色具有混合性，牛頓在十七世紀后期用棱鏡把太陽光分散成光譜上的顏色光帶，證明白光由很多顏色光混合而成十九世紀初Yaung提出某種波長的光可以通過三種不同波長的光混合而復現(xiàn)出來的假說紅（R）、綠（G）、藍（B）三原色把三種原色按照不同的比例混合就能準確的復現(xiàn)其他任何波長的光三原色等量混合產(chǎn)生白光

Maxwell用旋轉(zhuǎn)圓盤證實了Yaung假設。1862年，Helmhotz在上面的基礎上提出顏色視覺機制學說，即三色學說，也稱為三刺激理論用三種原色能夠產(chǎn)生各種顏色的三色原理是當今顏色科學中最重要的原理和學說CIE色度圖三色學說原理說明任何一種顏色可以用紅、綠、藍三原色按照不同比例混合來得到。還有如何使三原色按某唯一比例混合復現(xiàn)給定顏色的問題。顏色匹配－混合光與給定光的顏色相同CIE－國際照明委員會選取的標準紅、綠、藍三種光(700,546,435.8)CIE-RGB系統(tǒng)光的顏色匹配式子：權(quán)值r、g、b為顏色匹配中所需要的R、G、B三色光的相對量1931年，CIE給出 等能標準三原色 匹配任意顏色的 光譜三刺激值曲線CIE-XYZ系統(tǒng)CIE-RGB曲線一部分三刺激值是負數(shù)，這表明我們不可能靠混合紅、綠、藍三種光來匹配對應的光計算不便，不易理解1931年CIE-XYZ系統(tǒng)，利用三種假想的標準原色X、Y、Z，使顏色匹配三刺激值都是正值：c=xX+yY+zZ任何顏色都能由標準三原色混合匹配（三刺激值是正的）色度圖復現(xiàn)顏色的三原色比例值是否唯一？三刺激空間－用三原色的單位向量定 義三維顏色空間顏色刺激表示為三刺激空間中以原點為起點的向量，向量的方向代表顏色三刺激空間色度平面色度圖在三刺激空間上取通過（R）、（G）、（B）坐標軸單位向量的截面，截面的方程為（R）＋（G）＋（B）＝1。該截面與三個坐標平面的交線構(gòu)成一個等邊三角形，稱為色度圖顏色刺激向量與色度圖有且僅有唯一交點，色度圖可以唯一的表示三刺激空間中的所有顏色值色度圖上每一個點代表不同的顏色，對于三刺激空間中坐標為X、Y、Z的顏色刺激向量Q，它與色度圖交點的坐標（x，y，z）即三刺激值也被稱為色度值CIE色度圖CIE色度圖－色度圖投影到XY平面上馬蹄形區(qū)域的邊界和內(nèi)部代表了所有可見光的色度值邊界彎曲部分代表了光譜在某種純度為百分之百的色光色度圖與三刺激值是描述顏色的標準精確方法，應用較復雜CIE色度圖Z=1-X-Y二維表示11.2顏色空間的表示及其轉(zhuǎn)換實際應用中常用的顏色空間有RGB、HSV、HSI、YUV、YIQ等。常用的顏色空間可分為兩類面向硬設備的應用RGB顏色空間，如：彩色顯示器、打印機等面向以彩色處理為目的的應用HSI顏色空間以及HSV顏色空間11.2.1RGB模型顏色模型規(guī)定了顏色的建立、描述和觀察方式。顏色模型都是建立在三維空間中的與顏色空間密不可分。RGB模型用三維空間中的一個點來表示一種顏色每個點有三個分量，分別代表該點顏色的紅、綠、藍亮度值亮度值限定在[0，1]。圖RGB模型坐標圖

圖像的R、G、B分解

（a）原圖像（b）R分量（c）G分量（d）B分量圖

彩色模型CMYK模式（相減混色模型，用于不發(fā)光物體）三次色（青色Cyan，品紅Magenta和黃色Yellow）。K為真正黑色。顏色1顏色2顏色3混合結(jié)果黃色Y洋紅M紅R青色C黃色Y綠G青色C洋紅M藍B彩色模型彩色模型采用CMYK模式的原因白光

RGB和CMY顏色模型的區(qū)別11.2.2HSV模型

HSV模型由色度（H），飽和度（S），亮度（V）三個分量組成HSV模型的三維表示從RGB立方體演化而來。設想從RGB沿立方體對角線的白色頂點向黑色頂點觀察，就可以看到立方體的六邊形外形。六邊形邊界表示色彩，水平軸表示飽和度，亮度沿垂直軸測量。重要性消除了亮度成分V在圖像中與顏色信息的聯(lián)系色調(diào)H和飽和度S分量與人的視覺感受密切相關。圖HSV顏色模型（a）HSV顏色模型（b）顏色輪（c）柱形彩色空間HSV對用戶來說是一種直觀的顏色模型。我們可以從一種純色彩開始，即指定色彩角H，并讓V=S=1，然后我們可以通過向其中加入黑色和白色來得到我們需要的顏色。增加黑色可以減小V而S不變，同樣增加白色可以減小S而V不變。例如，要得到深藍色，V=0.4S=1H=240度。要得到淡藍色，V=1S=0.4H=240度。彩色模型在繪畫藝術上，飽和度的概念可描述如下：是一種純色加上白色染料后的結(jié)果，此時色彩的飽和度發(fā)生變化而色彩的亮度不發(fā)生變化。同樣在繪畫藝術上，亮度的概念可描述如下：是一種純色加上黑色染料后的結(jié)果，此時色彩的亮度發(fā)生變化而色彩的飽和度不發(fā)生變化。HSB空間的坐標體系11.2.3HSI模型色調(diào)（H）和飽和度（S）的含義與HSV系統(tǒng)一致，而強度（I）對應與顏色的亮度或灰度。HSI彩色模型如圖(a)所示，而圖(b)顯示的是標準HSI三角形三角形的頂點代表了三個歸一化的彩色分量（R、G、B）的三角系數(shù)。色調(diào)H定義為顏色點P至中心的線段與R軸之間的夾角。圖HSI彩色模型

（a）HSI彩色模型坐標系統(tǒng)（b）HSI彩色三角形11.2.4YUV模型YUV顏色模型在廣泛性方面僅次于RGB模型。在彩色電視系統(tǒng)中，采用的就是YUV色彩空間。由于人眼對于亮度的敏感程度大于對于色度的敏感程度，所以完全可以讓相鄰的像素使用同一個色度值，而人眼的感覺不會引起太大的變化。UV的基本思想是通過損失色度信息來達到節(jié)省存儲空間的目的?？梢远x出許多YUV的格式相鄰兩個像素使用一個色度值的YUYV，JPEG、MPEG中相鄰四個像素使用一個色度值的YUV12等。其他的彩色模型NTSC模型廣泛應用于美國等國家的電視信號。特點是信號的強度信息和顏色信息相分離，同一個信號可以方便地同時表示彩色圖像和黑白圖像。在NTSC格式中，圖像由三個分量表示：亮度用Y表示；色度用I表示；飽和度用Q表示。YCbCr模型廣泛應用于數(shù)字視頻。在YCbCr模型中，Y為亮度，Cb和Cr共同描述圖像的色調(diào)，其中Cb、Cr分別為藍色分量和紅色分量相對于參考值的坐標。11.2.5RGB與HSV空間的相互轉(zhuǎn)換同一顏色可以用不同的彩色空間表示，自然可以相互轉(zhuǎn)換。1．從RGB轉(zhuǎn)換到HSV

Temp1=max(R,G,B)

Temp2=min(R,G,B)

H=60H1

S=(Temp1-Temp2)/Temp1

V=Temp1/255圖

圖像的HSV分解

（a）原RGB圖像（b）H分量

（c）S分量（d）V分量從HSV顏色坐標到RGB顏色坐標的轉(zhuǎn)換其中％為取余數(shù)運算，即f為h除以60的余數(shù)11.2.6RGB與YUV空間的相互轉(zhuǎn)換圖

圖像的YUV分解

（a）原RGB圖像（b）Y分量

（c）U分量

（d）V分量

11.2.7RGB與HSI空間的相互轉(zhuǎn)換1．從RGB空間轉(zhuǎn)換到HSI空間圖

圖像的HSI分解

（a）原RGB圖像（b）H分量

（c）S分量（d）I分量2.從HIS空間轉(zhuǎn)換到RGB空間設S、I的值在[0，1]之間，R、G、B的值也在[0，1]之間，則從HSI到RGB的轉(zhuǎn)換公式分成3段以利用對稱性,以當H在[0o，120o]之間為例：11.3顏色空間的量化以HSV模型為例，討論顏色空間的量化過程。H、S、V任何一個分量都可構(gòu)成自己的直方圖，其反映了圖像顏色的統(tǒng)計分布。HSV色彩空間各分量的獨立性較強，并且主要由H色調(diào)直方圖決定圖像的顏色分布。人眼對視覺的分辨能力有一定的局限性，因此對整個顏色空間進行適當?shù)牧炕潜匾摹Ｈ绻麑SV空間進行適當?shù)牧炕笤儆嬎阒狈綀D，則計算量要少得多。HSV色彩空間中顏色特征的非等間隔量化把量化后的3個顏色分量合成為一維特征矢量根據(jù)上式，H、S、V三個分量可獲得72柄（Bin）的一維直方圖。I=HQsQv+SQv+V其中，QS（分量S的量化級數(shù)）=3，QV（分量V的量化級數(shù)）=3。11.4抖動技術利用僅能重現(xiàn)較少顏色種類的設備來顯示含有豐富色彩圖像的有效的方法。產(chǎn)生抖動圖像的基本原理：采用能直接顯示其色彩的像素模式來替換那些其色彩不能直接顯示的像素。利用了空間混色原理——人的肉眼能將兩種不同顏色的相鄰像素融合成第三種顏色。Bayer抖動法是有序抖動法中的一種。有序抖動的基本原理設v為輸出像素值，c為輸入像素值，d(x，y)為一M×M的抖動矩陣，則抖動過程可用下式表示：圖

抖動處理

（a）原圖像（24位顯示）（b）抖動圖像（16色顯示）11.5假彩色處理處理的對象是三基色描繪的自然圖像或同一景物的多光譜圖像。對自然圖像，假彩色的處理方法之一：將關注的目標物映射為與原色不同的假彩色，即原有的彩色圖像變換成給定彩色分布的圖像。綠色草原置成紅色，藍色海洋換成綠色等。這樣做的目的是使目標物置于奇特的環(huán)境中以引起觀察者的注意。方法之二：根據(jù)眼睛的色覺靈敏度，重新分配圖像成分的顏色。眼網(wǎng)膜中視錐體和視桿體對可見光區(qū)的綠色波長比較敏感，于是可將原來非綠色描述的圖像細節(jié)或目標物經(jīng)假彩色處理變成綠色以達到提高目標分辨率的目的。Rf、Gf、Bf為原基色分量；RF、GF、BF為假三基色分量；Tij為（i,j=1,2,3）轉(zhuǎn)移函數(shù)。自然圖像的假彩色映射可定義為：11.6彩色圖像增強11.6.1真彩色增強“真彩色”圖像指接近人眼能夠分辨的最大顏色數(shù)目的彩色圖像一般指能達到照片質(zhì)量的24位彩色圖像。盡管對R、G、B各分量直接使用對灰度圖的增強方法可以增加圖像中可視細節(jié)亮度，但得到的增強圖中的色調(diào)有可能完全沒有意義。一種真彩色增強方法基本步驟在增強圖像中對應同一個像素的R、G、B這三個分量都發(fā)生了變化，它們的相對數(shù)值與原來不同了。若將RGB圖轉(zhuǎn)化為HSI圖，亮度分量和色度分量就分開了，避免了相對數(shù)值發(fā)生變化。（1）將原始彩色圖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某個分量圖；（3）再將結(jié)果轉(zhuǎn)換為用R、G、B分量圖以便用彩色顯示器顯示。，圖

圖