第6章 彩色圖像處理

彩色圖像處理第六章主要內(nèi)容彩色基礎彩色模型偽彩色處理彩色變換平滑和銳化處理在圖像處理中運用顏色受兩個主要因素推動。第一，顏色是一個強有力的描繪子，它常常可簡化目標物的區(qū)分及從場景中抽取目標；第二，人可以辨別幾千種顏色色調(diào)和亮度，相形之下只能辨別幾十種灰度層次。彩色圖像處理可分為兩個主要領域：全彩色處理和偽彩色處理。在第一類中，圖像用全彩色傳感器獲取，如彩色電視攝像機或彩色掃描儀。在第二類中，對特定的單一亮度或亮度范圍賦予一種顏色。引言6.1彩色基礎1666年，牛頓發(fā)現(xiàn)當太陽光通過一個玻璃棱鏡時，出現(xiàn)的光束不是白的，而是由從一端為紫色到另一端為紅色的連續(xù)彩色光譜組成。彩色譜主要有紅色、桔紅色、黃色、綠色、藍色、紫色六個主要區(qū)域，光譜中的顏色不是突變的，而是一種顏色連續(xù)地、平滑地過渡到另一種顏色。人類和動物接受物體的顏色主要由物體反射光的性質(zhì)決定。例如，綠色物體反射具有500-570nm范圍的光，吸收其他波長的光的能量?？梢姺秶碾姶挪ㄗV的波長組成6.1彩色基礎光特性是顏色科學的核心。如果光是消色的，它的屬性僅僅是亮度，消色光就是觀察者看到的黑白電視的光。前面所講的灰度圖就是僅有亮度的圖像。彩色光大約覆蓋電磁波譜400~700nm的范圍，三個基本量用來描述彩色光源的質(zhì)量：輻射量、光強和亮度。輻射量是從光源流出能量的總量，通常是用瓦特度量。光強用流明度量，它給出了觀察者從光源接收的能量總和的度量。亮度是一個主觀描繪子，它實際上是不可度量的。它包含了無色的強度的概念，是描述彩色感覺的一個關鍵參數(shù)。6.1彩色基礎色覺的產(chǎn)生需要一個光源，光源的光通過反射或透射方式傳遞到眼睛，被視網(wǎng)膜細胞接受引起視神經(jīng)信號，然后人腦對此加以解釋，產(chǎn)生視覺。第二章曾提到，人眼的錐狀細胞是負責彩色視覺的傳感器，試驗表明，錐狀細胞可分為三個主要的感覺類別，分別對應紅、綠、藍，大約有65%的錐狀細胞對紅光敏感，33%對綠光敏感，2%對藍光敏感。由于人眼的這些吸收特性，被看到的彩色是所謂的原色紅、綠、藍的組合。為標準化，CIE（國際照度委員會）在1931年設計了特定波長值為主原色：藍=435.8nm，綠=546.1nm，紅=700nm。但并不是這三個波長的原色可以產(chǎn)生所有的可見彩色。

錐狀體的波長吸收函數(shù)三原色原理原色相加可產(chǎn)生二次色，如深紅色（R+B），青色(G+B)，黃(R+G)。以正確的亮度把三原色或一種二次色與其相反的原色相混合可產(chǎn)生白光。例如彩色電視機接收機采用的就是這種加色原理。光原色與顏料或色劑原色之間的區(qū)別是很重要的。后者定義一種原色為減去或吸收光的一種原色并反射或傳輸另兩種原色。因此，顏料的原色是深紅色，青色和黃色，而二次色是紅、綠、藍。通常用以區(qū)別顏色的特性是亮度、色調(diào)、飽和度。亮度表達了無色的強度的概念，是光作用于人眼時所引起的明亮程度的感覺。亮度有兩種特性：

同一物體因受光不同產(chǎn)生亮度上的變化；強度相同的不同色光亮度感覺不同。色調(diào)是光波混合中與主波長有關的屬性，色調(diào)表示觀察者接收的主要顏色。飽和度是指色彩純粹的程度。純譜色是全飽和的。像粉紅（紅加白）是欠飽和的，飽和度與所加白光數(shù)量成反比。色調(diào)與飽和度一起稱為彩色，顏色的表征三色值將紅、綠、藍的量稱為三色值，表示為X,Y,Z，則一種顏色由三色值系數(shù)定義為：色度圖色度圖中每點都對應一種可見光的顏色；純色在色度圖邊界上，任何不在邊界上而在色度圖內(nèi)部的點都表示譜色的混合色；色度圖色度圖邊界上的任何點都是全飽和的，越靠近中心點C飽和度越低，中心點處各種光譜能量相等而顯示白色；要確定三個給定的顏色所組合成的顏色，只需將三點連成三角形，三角形中任意顏色都可由這三色組成，而其外的顏色不能由這三色組成。典型彩色域以任意確定顏色為頂點的三角形不能包圍色度圖中的所有顏色范圍。由此，也說明了三個單一的、確定的原色不能得到所有的顏色的論點。三角形內(nèi)區(qū)域表示了由RGB監(jiān)視器產(chǎn)生的顏色范圍。在三角形內(nèi)不規(guī)則區(qū)域表示高質(zhì)量的彩色打印設備的彩色域。6.2彩色模型彩色模型的用途是在某些標準下用通?？山邮艿姆绞胶喕噬?guī)范。RGB模型：實際中最通用的面向硬件的模型，該模型用于彩色監(jiān)視器和一大類彩色視頻攝像機。CMY（青、深紅、黃）、CMYK（青、深紅、黃、黑）模型是針對彩色打印機的。HSI（色調(diào)、飽和度、亮度）模型更符合描述和解釋顏色的方式。HSI模型還有一個優(yōu)點，就是把圖像分成彩色和灰度信息，使其更適合許多灰度處理技術。

RGB模型圖示RGB立方體中，不同顏色位于立方體的表面或內(nèi)部，原點處表黑色，白色位于離原點最遠的角上?；叶鹊燃壯刂@兩點的連線分布。為方便起見，所有顏色值都歸一化。在RGB模型中，圖像由三個圖像分量組成，每一個分量圖像都是其原色圖像。三幅圖像合成彩色圖像。像素深度：用以表示每一個像素的比特數(shù)。深紅青黃灰度級產(chǎn)生彩色平面橫截面的RGB圖像當送入RGB監(jiān)視器時，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，用以表示每一像素的比特數(shù)叫做像素深度。考慮RGB圖像，其中每一幅紅、綠、藍圖像都是一幅8比特圖像，在這種條件下，每一個RGB彩色像素稱為24比特深度。全彩色圖像常用來定義24比特的彩色圖像。24比特RGB圖像中的顏色總數(shù)是(28)3=16777216。

產(chǎn)生彩色平面橫截面(127,G,B)的RGB圖像216種安全RGB色假定256種顏色是最小顏色數(shù)，這些顏色可以在任何系統(tǒng)中真實再現(xiàn)。用可接受的標準符號來表示這些顏色是有用的。已知256種顏色中40種用作各種操作系統(tǒng)進行不同的處理，僅留下216種顏色是各種系統(tǒng)通用的。這216種顏色稱為事實上的安全顏色。216種安全顏色都可以由RGB值形成，但每一個值僅可取0,51,102,153,204,255.這樣給出63=216種顏色216種安全RGB色216種安全RGB色256色系統(tǒng)中所有灰度RGB安全彩色立方體只有表面有效，內(nèi)部空心，每面36種顏色，共計216種CMY和CMYK模型青、深紅和黃色是光的二次色，是顏料的原色。例如，當青色顏料涂覆的表面用白光照射時，從該表面反射的不是紅光，而是從反射的白光中減去紅色。大多數(shù)在紙上沉積彩色顏料的設備，如彩色打印機和復印機，要求輸入CMY數(shù)據(jù)。等量的顏料原色可以產(chǎn)生黑色。實際上，為打印組合這些顏色產(chǎn)生的黑色是不純的。因此，為了產(chǎn)生真正的黑色，加入了第四種顏色——黑色，提出了CMYK彩色模型。彩色打印機和復印機要求輸入CMY數(shù)據(jù)或在內(nèi)部做RGB到CMY的轉(zhuǎn)換。HSI彩色模型HSI(色調(diào)、飽和度、強度彩色模型）RGB模型對于圖像彩色的產(chǎn)生是理想的，但對于彩色描述上的應用有較多的限制。并不適合用于彩色圖像處理。RGB和HSI模型之間的關系由于I(Intensity)分量與圖像的彩色信息無關，H(Hue)和S(Saturation)與人感覺顏色的方式緊密相連，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彩色模型從白到黑的對角線表示強度或亮度(I)，我們可看到位于由強度軸和立方體邊界決定的三角形平面內(nèi)的所有點都有相同的色調(diào)。沿著垂直軸旋轉(zhuǎn)色調(diào)平面，可以得到不同的色調(diào)RGB和HSI模型之間的關系色調(diào)和飽和度在RGB立方體內(nèi)，垂直于強度軸的平面沿軸上下移動時，截面邊界呈現(xiàn)三角形或六邊形。平面中，原色按照120度分隔，二次色與原色相隔60度。

沿灰度軸向下看，圓點表示任意顏色點。圖中與紅軸的夾角表示了色調(diào)，而向量的長度是飽和度基于a)三角形平面b)圓形彩色平面的HSI彩色模型三角形和圓形平面垂直于強度軸從RGB到HSI的彩色轉(zhuǎn)換色調(diào)飽和度強度從HSI到RGB的彩色轉(zhuǎn)換當H位于RG扇形區(qū)(0≤H<120)當H位于GB扇形(120≤H<240)當H位于BR扇形(240≤H<360)首先，H=H-120首先，H=H-240RGB立方體的圖像的HSI值a)色調(diào)b)飽和度c)強度HSI分量圖像處理a)RGB圖像和與之相應的HSI圖像分量

b)色調(diào)

c)飽和度

d)強度HSI分量圖像處理a)藍、綠區(qū)域變

為0后的色調(diào)分量

圖像

b)青色區(qū)域飽和

度減少一半后的

飽和度分量圖像

c)強度圖像中心

的白區(qū)域強度減

少一半后圖像

d)最終合成的

RGB圖像6.3偽彩色處理偽彩色（也稱假彩色）圖像處理是根據(jù)特定的準則對灰度值賦以彩色的處理；偽彩色的主要應用是為了人目視觀察和解釋一幅圖像或序列圖像中的灰度目標。人眼可以辨別上千種顏色，但卻只能辨別幾十種灰度。6.3.1強度分層 強度分層（也稱密度分層）和彩色編碼是偽彩色圖像處理的最簡單的例子之一。如果一幅圖像被描述為三維函數(shù)，分層方法可以看作是放置一些平行于圖像坐標面的平面，然后平面在相交的區(qū)域中切割圖像函數(shù)。平面上的灰度級被賦予一種顏色，下面另一種顏色。6.3.1強度分層 強度分層的另一種解釋。任何輸入的灰度級根據(jù)其位于li值的上面或下面賦予兩種顏色之一。當采用更多灰度級時，映射函數(shù)采取階梯形式。6.3.1強度分層

a)Picker甲狀腺模型的單色圖像。b)強度分層結(jié)果6.3.1強度分層對于基于圖像的物理特性細分灰度級時，強度分層有很大意義。a)含有裂紋和孔隙的焊接物X光照片。b)彩色編碼圖像6.3.1用顏色突出降雨水平6.3.2灰度級到彩色的轉(zhuǎn)換

對任何輸入像素的灰度級執(zhí)行三個獨立的變換，結(jié)果分別送入彩色監(jiān)視器的紅綠藍通道，產(chǎn)生一幅合成圖像。突出裝在行李中的爆炸物的偽彩色應用多幅單色圖像合成一幅彩色圖像 不同的傳感器在不同的譜段產(chǎn)生獨立的單色圖像，然后合成為一幅彩色圖像進行顯示。附加處理類型可以是彩色平衡、混合圖像，選擇三幅用于顯示等。6.3.2多光譜圖像彩色編碼華盛頓的光譜衛(wèi)星圖像，包括波托馬克河部分a)-c)可見光的紅綠藍圖像d)近紅外圖像e)前三幅合成的彩色圖像f)近紅外代替紅分量后圖近紅外對場景中生物分量有很強的反應，所以與場景中人造目標有十分明顯的差別。6.3.2多光譜圖像彩色編碼亮紅色為活火山噴出的物質(zhì)黃色為陳舊的硫沉積物 木星的偽彩色圖像 Galileo宇宙飛船幾幅不同傳感器圖像合并偽彩方式顯示的圖像，其中一些傳感器是人眼不可見的譜范圍。6.4全彩色圖像處理第一類是分別處理每一圖像分量，然后根據(jù)處理后的圖像分量合成彩色圖像。直接對彩色圖像進行處理。 因為全彩色圖像至少有三個分量，彩色像素實際上是一個向量。對灰度和RGB彩色圖像的空間掩模6.5彩色變換彩色變換模型：

g(x,y)=T[f(x,y)]。其中f(x,y)是彩色輸入圖像，g(x,y)是彩色輸出圖像，T是對f的一種操作。類似于基本灰度變換的過程：si=Ti(r1,r2,…,rn)，s和r表g和f在任何點的彩色分量的變量。（例如選擇RGB空間，則n=3)6.5彩色變換圖示第一行為一全彩色圖像；第二行為CMYK彩色分量圖；第三行為RGB彩色分量圖；第四行為HSI彩色分量圖。CMYK分量圖青色深紅黃色黑色RGB分量圖藍色紅色綠色HSI分量圖色調(diào)飽和度亮度彩色變換 用彩色變換調(diào)整圖像亮度補色圖示彩色環(huán)上，與一種色調(diào)直接對立的另一種色調(diào)稱為補色。補色對于增強嵌在彩色圖像暗區(qū)的細節(jié)，特別是在大小上占支配地位的細節(jié)很有用。(a)原像(b)補色變換函數(shù)(c)基于RGB映射函數(shù)的(a)的補色(d)用HSI變換的RGB補色的近似計算彩色圖像的補色6.5.3彩色分層突出圖像中特殊的彩色區(qū)域?qū)钠渲蟹掷沓瞿繕宋锖苡杏谩Ｆ浠舅悸肥牵猴@示感興趣的顏色以便從背景中把它們分離出來；像模板那樣使用彩色定義的區(qū)域以便進一步處理。最直接的彩色分層方法是沿用灰度分層技術，但一個彩色像素是一個n維參量，彩色變換相對灰度變換要復雜得多。對一幅彩色圖像分層最簡單的方法之一是，把某些感興趣區(qū)域以外的彩色映射為不突出的自然色。彩色分層Si=0.5[|rj-aj|>w/2]any1=<j<=n,I=1,2,…n

rielseSi=0.5

|rj-aj|2>R02,I=1,2,…n

rielse彩色分層6.5.4彩色校正灰度變換改善圖像色調(diào)的變換通常交互的選擇，其目的在于調(diào)整圖像亮度和對比度從而以在合適的亮度上提供最大的細節(jié)。在RGB和CMY(K)空間，這意味著用相同的變換函數(shù)映射3（或4）個彩色分量；在HSI彩色空間，僅改進強度分量即可。彩色平衡對彩色平衡，可以客觀的通過分析一幅圖像中已知色彩來決定，當存在白色區(qū)域時，則這里RGB或CMY(K)分量應當相等，通過視覺可以準確的鑒定。對視覺彩色鑒別，皮膚的顏色是優(yōu)秀的對象，因為人對一定的膚色高度敏感。鮮明的顏色對視覺鑒別沒有什么價值。當存在彩色不平衡時，有很多方法可以校正它。例如當RGB圖像中有過多的深紅色，可以通過減少紅和藍的比例，或增加綠的方法減少深紅色。6.5.4彩色校正6.5.5直方圖處理合理的彩色圖像的直方圖處理方法是均勻地擴展彩色強度，保留彩色本身不變。(a)原圖(b)H、S、I分量的變換圖和處理前與處理后的直方圖(c)只有亮度變換的圖像(d)飽和度調(diào)整后的圖像彩色直方圖均衡化

對彩色圖像直方圖均衡化，采用什么樣的彩色模型處理更適合？為什么？6.6平滑和銳化彩色圖像平滑灰度圖像的均值平滑很容易擴展到彩色圖像。令Sxy表示在RGB圖像中定義一個中心在(x,y)的鄰域的坐標集，在該區(qū)域中RGB分量的平均值為：則鄰域均值平滑可以在每個彩色平面上進行，其結(jié)果和在RGB彩色向量執(zhí)行平均是相同的。(a)RGB彩色圖(b)紅色分量圖(c)綠色分量圖(d)藍色分量圖圖像的RGB空間表示圖像的HSI空間表示RGB彩色圖像的HSI分量。(a)色