數(shù)字圖像處理_第六章_色彩模型與彩色處理

1、數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing圖像中應(yīng)用彩色主要是因為：（1）簡化區(qū)分目標；（2）人眼可以辨別幾千種顏色色調(diào)和亮度，而對灰度辨別僅幾十種，進行人工圖像分析，彩色圖像處理可分為2個主要領(lǐng)域:全彩色、偽彩色。原則上講，前面各章的灰度處理方法均可直接用于彩色處理。數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.1 彩色基礎(chǔ) 彩色可見光：400700nm，我們可以用3個基本量來描述光源的質(zhì)量：radiance（輻射度 輻射通量）：W總能量luminace（光通量）：可見光brightness（亮度）：主觀描述

2、 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.1 彩色基礎(chǔ) 人眼的錐狀細胞負責彩色傳感的，大眼的67百萬個錐狀細胞分三類：紅：65%，綠：33%，藍：2%。P226圖6.3為人眼對的吸取實驗。數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.1 彩色基礎(chǔ) 人眼的錐狀細胞負責彩色傳感的，大眼的67百萬個錐狀細胞分三類：紅：65%，綠：33%，藍：2%。 圖6.3為人眼對的吸取實驗。數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.1 彩色基礎(chǔ) CIE（國際照明委員會）規(guī)定了如下

3、三種波為主原色：藍：435.8nm，綠：546.1nm，紅：700nm。紅色，只是一個帶，而不是單一一個波長綠藍也是一樣。原色相加二次色R+B=深紅=紅+藍G+B=表色=綠+藍R+G=黃=紅+綠R+G+B可得白色，或一個二次色與其，補色白光，如圖6.4(a) 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.1 彩色基礎(chǔ) 在顏料或著色劑中，原色的定義是這樣的：白：減去一種原色， 反射或傳輸另兩種原色。故其原色是：深紅、青、黃。而二次色是R、G、B。如圖6.4所示。 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.1

4、彩色基礎(chǔ) 通常區(qū)分顏色的特征是亮度，色調(diào)和飽和度。亮度：明亮程度。色調(diào)：光波混合中，與主波長相關(guān)的屬性，指觀察的主要顏色。飽和度：純色+白色多少色調(diào)+飽和度色度，即顏色用色度和亮度來表征。形成任何特殊顏色需要R，G，B，叫三色值，分別用X，Y，Z，表示。一種顏色由三色值系數(shù)定義： 1XxXYZYyXYZZzXYZXYZ數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.1 彩色基礎(chǔ) 顏色的另一種表示方法用CIE色度圖。 該圖以（紅），（綠）函數(shù)表示顏色組成而。如圖6.5所示 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing

5、6.1 彩色基礎(chǔ) 圖中邊界上的顏色為純色，內(nèi)部的表示混和色。等能量點白，等能量點的飽和度為0。 規(guī)律：連接任意兩點的直線所定義的不同顏色，均可由這兩類顏色相加得到同樣，從等能量點到邊界上任一點的連線，可以定義特定譜色的所有色調(diào)。還可以擴展到三種顏色，圖中任何三點連成一三角形，內(nèi)部所有顏色均可用三個頂點色來混合形成。 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.1 彩色基礎(chǔ) 圖6.6的三角形是KGB監(jiān)視器產(chǎn)生的顏色范圍，不規(guī)則區(qū)域是彩色打印機的彩色域。數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6

6、.2 彩色模型 亦彩色空間或彩色系統(tǒng)。最通用的就是RGB模型（用于如攝像機等）。 CMY（青，深紅，黃）、CMYK（青，深紅，黃，黑）是針對彩色打印機，而HIS（色調(diào)，飽和度，亮度）更符合人描述顏色，也適合本書給出的灰度處理技術(shù)。 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.1 RGB彩色模型 為方便，假定所有顏色都歸一化。如果每一分量用8比特表示，共有24 稱為全彩色。例6.1（P230）介紹了彩色平面的概念。數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.1 RGB彩

7、色模型下面介紹所謂 全RGB彩色子集。 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.2 CMY和CMYK模型等量的青，深紅，黃產(chǎn)生黑色。而實際中，組合產(chǎn)生的黑色不純，為產(chǎn)生真正的黑色，加入第四種顏色黑色。即CMYK模型（四色打印） 11(11CRMGYB 歸 一 化 為 ）數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 上述模型中適應(yīng)人眼。這里介紹的HI

8、S彩色模型恰好能滿足這個要求。H：色調(diào)，S：飽和度，I：亮度H+S表示了彩色信息。 下面說明HSI可以從RGB信息中得來的。數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 在圖中，白（1，1，1），黑（0，0，0），其連線是垂直的。經(jīng)過一彩色點，作該連線的平面，則該平面與垂直連線的交點位置即是強度值。強度軸上的飽和度是0，其上全部是灰度點。 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 在圖6.12中，連接白、青、黑三點組成一平面，則

9、該平面（三角形）點有相的色調(diào)，理由是：三角形內(nèi)任一點的顏色均為由頂點來得出，而黑白點不改變色調(diào)。旋轉(zhuǎn)這個平面可以得到不同的色調(diào)，該平面與立方體的橫截面決定的邊界不是呈三角形就是六邊形。這樣我們可以用六邊形來表示色調(diào)和飽和度。具體參見下頁圖所示：數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 我們用六邊形來表示色調(diào)和飽和度。數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 我們用六邊形來表示色調(diào)和飽和度。數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter

10、 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.3 HIS彩色模型從RGB到HIS的彩色轉(zhuǎn)換 1223601()()2()()()31min( , )1()30,10,1BGHBGRGRBarccosRGRG RBSR G BRGBIRGBRGBHSI 如果，則：數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.3 HIS彩色模型從HIS到RGB的轉(zhuǎn)換 在0，1內(nèi)給出HSIRGN分三個區(qū)域（相隔120） RG0120B=I1-Scos1cos(60)3()HSHRIHGIRB扇形：（）（）oGB120240 H=

11、H-120R=I1-ScosG1cos(60)B3(G)HSHIHIR扇形：（）首先然后：（）oBR240360 H=H-240G=I 1-ScosB1cos(60)R3(GB)HSHIHI扇形：（）首先然后：（）數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 圖6.15是三個對應(yīng)于RGB立方體的圖像的HSI值。 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 圖6.16是RGB及其二次色給出的圖像，而（b）,（c）,（d）為其色調(diào)、飲

12、和度和弱度圖像。 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 圖6.17為簡單的HSI圖像處理的圖像。數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.3 偽彩色處理6.3 偽彩色處理給特定的灰度值賦以彩色。偽彩色的目的是為了人眼觀察和解釋圖像中的目標。 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.3 偽彩色處理6.3.1 強度分層參見圖6.18，圖像被看成三維函數(shù)。數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image

13、Processing6.3 偽彩色處理6.3.1 強度分層 可以簡單地按如下方式來把灰度彩色01121210,1P,01P1,( ,) ( ,):LPPkkkkLlllllPLvvvfx ucfx uVcV令為 灰 度 級 ：黑 色 ，白 色灰 度 軸 定 義個 平 面共 分 成 個 間 隔 。， 則是 與 強 度 間 隔相 關(guān) 的 顏 色 。數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.3 偽彩色處理6.3.1 強度分層灰度彩色實例：數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.3 偽彩色處理6.3.1 強度

14、分層灰度彩色實例：焊接實例 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.3 偽彩色處理6.3.1 強度分層灰度彩色實例：用顏色突出降雨水平 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.3 偽彩色處理6.3.2 灰度級到彩色轉(zhuǎn)換 另一種更加通用的灰度級到彩色的轉(zhuǎn)換是對輸入灰度級必行3個獨立的處理，得到3個結(jié)果紅，綠，藍通道。數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.3 偽彩色處理6.3.2 灰度級到彩色轉(zhuǎn)換 例6.5是一突出裝在行李內(nèi)的爆炸物的偽彩色應(yīng)用。 數(shù) 字

15、 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.3 偽彩色處理6.3.2 灰度級到彩色轉(zhuǎn)換 例6.5是一突出裝在行李內(nèi)的爆炸物的偽彩色應(yīng)用。 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.3 偽彩色處理6.3.2 灰度級到彩色轉(zhuǎn)換 例6.6為多光譜彩色編碼。數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.3 偽彩色處理6.3.2 灰度級到彩色轉(zhuǎn)換 例6.6為多光譜彩色編碼。數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing6.4 全彩色圖像處理基

16、礎(chǔ) 6.4 全彩色圖像處理基礎(chǔ)全彩色圖像處理分為（1）處理每一分量，然后合成（2）直接對彩色處理全彩色至少有3個分量。 原則上前邊的灰度處理可移植到彩色，而對每一分量進行處理。 令c代表RG彩色空間中的任意向量：( , )( , )( , )( , )( , )( , )( , )RRGGBBcRc x yR x yccGc x yc x yG x ycBc x yB x y 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色變換6.5 彩色變換6.5.1 公式( , )( , )g x yT f x y：類似于基本灰度變換過程。1212( ,)

17、 1,2( , ) ( , ) ,iinnST r rrinf x yg x yT TTi sir123RGBnGBCMYKnrRrr舉例空間，則 3，分量分量分量而時， 4數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色變換6.5 彩色變換6.5.1 公式圖6.30是一幅彩色圖像，CMYK分量圖 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色變換6.5 彩色變換6.5.1 公式RGB分量圖及HSI分量圖。假設(shè)要改變圖像亮度，在HSI空間中，在RGB空間，3個分量必須：下頁圖顯示了 的結(jié)果。

18、331122,SkrSr Sr令而即為 1,2,3CMY(1)iiiiSkriSkrk空間：0.7k 0.7k 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色變換6.5 彩色變換6.5.1 公式 改變圖像亮度實例： 0.7k 0.7k 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色變換6.5.2 補色 在圖6.32彩色環(huán)上，與一種色調(diào)相對立的另一種色調(diào)稱為補色。 0.7k 0.7k 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色變換6.5.

19、2 補色 例6.7給出了在RGB空間及HSI空間下，補色的求法。0.7k 0.7k 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色變換6.5.3 彩色分層 可以采用突出特殊區(qū)域的顏色來把目標分離出來?？梢圆捎妙愃朴谇斑叺幕叶确謱蛹夹g(shù)，這里叫彩色分層。 最簡單的情況，假設(shè)感興趣的顏色中心在（ ），寬度為W的立方體中，則 0.7k 0.7k 12,na aa0.5| 12 ijjiWrajnSrin其它=1,2如果用一圓球確定感興趣的顏色 22010.5()injjjiraRSrn其它 i=1,23n 4n 如果RGB彩色空間則 ， CMYK時，

20、數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色變換6.5.3 彩色分層例6.8為彩色分層的一個說明。 0.7k 0.7k 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色變換6.5.4 色調(diào)和彩色校正背景：在圖像形成、傳輸、顯示過程中，存在非線性，可能造成顏色的不平衡，如CRT顯示，掃描儀。通過變換（彩色校正）來達到一定的平衡。這里我們介紹另外一種常用的彩色模型。0.7k 0.7k *11616*500*20030.008856( )7.78716/1160.008856WWWWWLaRGbG

21、BYLhYXYahhXYYZbhhYZqqh qqq（亮度），模型數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色變換6.5.4 色調(diào)和彩色校正（續(xù)） 其中， 是參考的白色的三刺激質(zhì)（在D65下，完美漫反射白色） 所謂三刺激值是形成某種顏色所需要的三原色的數(shù)量。 這種彩色模型特點：比色的（感覺相同，編碼相同），感覺一致的，獨立于設(shè)備的。 在圖像操作（色調(diào)和對比度編輯）和圖像壓縮方面很有用。 顏色類的變換主要有：（1）灰度變換，（2）彩色平衡： 0.7k 0.7k ,wwwXYZ數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Pr

22、ocessing 6.5 彩色變換6.5.4 色調(diào)和彩色校正（1）灰度變換， 例6.9在RGB中，3分量同時變HSI中，僅改變亮度。 0.7k 0.7k 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色變換6.5.4 色調(diào)和彩色校正（2）彩色平衡：含義，白色彩色 具體調(diào)整，如RGB圖像中有過多的深紅色，則：（1）移去紅藍，（2）增加其補色綠，例子見例6.10 0.7k 0.7k 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色變換6.5.5 直方圖處理 將前邊灰度直方圖處理方法移植到彩色圖像處理

23、中，如直方圖均衡。 例6.11在HSI彩色空間的直方圖均衡。 0.7k 0.7k 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.6 平滑和尖銳化6.6 平滑和尖銳化 6.6.1 彩色圖像平滑 例如，在RGB彩色空間中，令 表示中心在 的鄰域的坐標集，在該鄰域中，RGB分量的平均值：例6.12為彩色圖像平滑例子，圖示見下頁：0.7k 0.7k xyS( , )x y(,)(,)(,)1( ,)1( ,)( ,)1( ,)xyxyxyx ySx ySx ySR x yKC x yG x yKB x yK數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color

24、Image Processing 6.6 平滑和尖銳化6.6 平滑和尖銳化 6.6.1 彩色圖像平滑 例6.12為彩色圖像平滑例子，圖示：0.7k 0.7k 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.6 平滑和尖銳化6.6 平滑和尖銳化 6.6.1 彩色圖像平滑（續(xù)） 例6.12為彩色圖像平滑例子，圖示：0.7k 0.7k 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.6 平滑和尖銳化6.6 平滑和尖銳化 6.6.1 彩色圖像平滑（續(xù)） 例6.12為彩色圖像平滑例子，圖示：0.7k 0.7k 數(shù) 字 圖

25、 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.6 平滑和尖銳化6.6 平滑和尖銳化 6.6.2彩色圖像尖銳化 本節(jié)考慮用拉普拉斯的方法進行尖銳化，在RGB彩色系統(tǒng)中，向量C的拉氐變換： 0.7k 0.7k 2222( , )( , )( , )( , )K x yc x yG x yB x y 例子見例6.13圖6.41 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.6 平滑和尖銳化6.6 平滑和尖銳化 6.6.2彩色圖像尖銳化拉普拉斯方法圖像尖銳化實例6.130.7k 0.7k 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter

26、 6Color Image Processing 6.7 彩色分割6.7 彩色分割 把一幅圖像分成區(qū)域的處理。6.7.1 HSI彩色空間分割 可利用色調(diào)不同進行分割 飽和度可作為一個模板。例6.14是一個HIS空間進行分割的例子。 0.7k 0.7k 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.7 彩色分割6.7.1 HSI彩色空間分割一個HIS空間進行分割的例子：例6.14 0.7k 0.7k 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.7 彩色分割6.7.2 RGB向量空間分割 上面的例6.14分割

27、效果不是特別理想，而在RGB彩色可得更好的結(jié)果。 假如，某目標在RGB圖像中，“平均”彩色估計用向量a來表示，此時，用歐氏距離來進行判定。令z代表RGB空間的一點。歐氏距離 為一半徑為D0的實心球。據(jù)此可進行編碼。 0.7k 0.7k 12222( , ) ()()()RRGGBBD z azazazaza0( , )D z aD112()()()TD zazaczac把上式進行推廣，得到距離測度：是我們要分割的彩色的樣本協(xié)方差矩陣。數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.7 彩色分割6.7.2 RGB向量空間分割描述了一個實心三維球，見圖6.

28、43(b)當 時，轉(zhuǎn)化為球。 還可以是一個正方體來描述（圖6.43（c） 0.7k 0.7k 0( , )D z aD2c 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.7 彩色分割6.7.2 RGB向量空間分割 例6.15為在RGB空間的彩色分割。 0.7k 0.7k 數(shù) 字 圖 像 處 理Chapter 6Color Image Processing 6.7 彩色分割6.7.3 彩色邊緣檢測 邊緣檢測是一種重要的分割工具。 以梯度算子為例，我們可能直接想到的是對每一彩色分量利用梯度算子，然后相加合成一幅梯度圖像。0.7k 0.7k (1)/2,(1)/2MM 圖6.45給出了一個具體實例，在 外梯度相同，但直觀看，（d）應(yīng)比（h）強，產(chǎn)生了錯誤結(jié)果。 因此，需要一個新的用于向量的梯度定