彩色數(shù)字圖像處理

1、數(shù)字圖像處理Digital Image Processing昆明理工大學(xué) 理學(xué)院桂進(jìn)斌彩色圖像處理彩色基礎(chǔ)知識(shí) 彩色空間 偽彩色處理 全彩色圖像處理 彩色變換 彩色圖像平滑和尖銳化彩色圖像基礎(chǔ)為什么要研究彩色圖像處理？符合人類視覺特點(diǎn)人類可以辨別幾千種顏色色調(diào)和亮度只能辨別幾十種灰度層次有用的描繪子簡(jiǎn)化目標(biāo)物的區(qū)分目標(biāo)識(shí)別：根據(jù)目標(biāo)的顏色特征彩色圖像基礎(chǔ)彩色圖像處理可分為：全彩色處理數(shù)碼相機(jī) 數(shù)碼攝像機(jī) 彩色掃描儀 偽彩色處理對(duì)不同的灰度或灰度范圍賦予不同的顏色彩色圖像基礎(chǔ)在17世紀(jì)，牛頓通過(guò)三棱鏡研究對(duì)白光的折射就已發(fā)現(xiàn)：白光可被分解成一系列從紫到紅的連續(xù)光譜，從而證明白光是由不同顏色（而且

2、這些顏色并不能再進(jìn)一步被分解）的光線相混合而組成的。彩色圖像基礎(chǔ)可見光是由電磁波譜中相對(duì)較窄的波段組成，如果一個(gè)物體比較均衡地反射各種光譜，則人看到的物體是白的；而如果一個(gè)物體對(duì)某些可見光譜反射的較多，則人看到的物體就呈現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的顏色。例如，綠色物體反射具有500570nm（納米）范圍的光，吸收其他波長(zhǎng)光的多數(shù)能量。彩色圖像基礎(chǔ)可見光無(wú)線電波線 射 X 射線 紫外線紅外線微波 超 短 中 長(zhǎng)短 波 波 波0.01nm 1nm 0.1 10 0.1cm 10cm 10m 1km 100km電磁波譜分布紫藍(lán)青綠黃橙紅0.38 0.430.47 0.5 0.56 0.59 0.62 0.76(m)可

3、見范圍電磁波譜的波長(zhǎng)組成人眼的吸收特性：人眼的錐狀細(xì)胞是負(fù)責(zé)彩色視覺的傳感器，人眼的錐狀細(xì)胞可分為三個(gè)主要的感覺類別。大約65%的錐狀細(xì)胞對(duì)紅光敏感，33%對(duì)綠光敏感，只有2%對(duì)藍(lán)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（R，red）、綠(G，green)和藍(lán)（B，blue）的各種組合。彩色圖像基礎(chǔ)光特性是顏色科學(xué)的核心 描述彩色光的3個(gè)基本量：輻射率：從光源流出能量的總量，用瓦特(W)度量光強(qiáng)：觀察者從光源接收的能量總和亮度：主觀描繪子三原色原理其基本內(nèi)容是：任何顏色都可以用3種不同的基本顏色按照不同比例混合得到，即C=aC1+bC2+cC3式中a，b，c =0 為三種原色

4、的權(quán)值或者比例，C1、C2、C3為三原色（又稱為三基色）。三原色原理自然界中的可見顏色都可以用三種原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。 作為原色的三種顏色應(yīng)該相互獨(dú)立，即其中任何一種都不能用其他兩種混合得到。三原色原理為了標(biāo)準(zhǔn)化起見，國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）規(guī)定用波長(zhǎng)為700nm、546.1nm、435.8nm的單色光分別作為紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三原色。紅綠藍(lán)三原色按照比例混合可以得到各種顏色，其配色方程為：C=aR+bG+cB三原色原理原色相加可產(chǎn)生二次色。 紅色+藍(lán)色=深紅色(M，magenta)， 綠色+藍(lán)色=青色(C，cyan)， 紅色+綠色=黃色(

5、Y，yellow)。 以一定的比例混合光的三種原色或者以一種二次色與其相反的原色相混合可以產(chǎn)生白色(W，white)， 即：紅色+綠色+藍(lán)色=白色。彩色到灰度的轉(zhuǎn)換相同亮度的三原色，人眼看去的感覺是，綠色光的亮度最亮，而紅色光其次，藍(lán)色光最弱。 如果用Y來(lái)表示白色光，即光的亮度(灰度)，則有如下關(guān)系：Y=0.299R+0.587G+0.114B區(qū)分顏色常用三種基本特性量亮度：如果無(wú)彩色就只有亮度一個(gè)維量的變化。 色調(diào)：是光波混合中與主波長(zhǎng)有關(guān)的屬性，色調(diào)表示觀察者接收的主要顏色。這樣，當(dāng)我們說(shuō)一個(gè)物體是紅色、橘黃色、黃色時(shí)，是指它的色調(diào)。 飽和度：與一定色調(diào)的純度有關(guān)，純光譜色是完全飽和的，隨

6、著白光的加入飽和度逐漸減少。彩色空間（也稱彩色模型或彩色系統(tǒng)）彩色模型（也稱彩色空間或彩色系統(tǒng)）的用途是在某些標(biāo)準(zhǔn)下用通?？山邮艿姆绞胶?jiǎn)化彩色規(guī)范。 本質(zhì)上，彩色模型是坐標(biāo)系統(tǒng)和子空間的規(guī)范。位于系統(tǒng)中的每種顏色都由單個(gè)點(diǎn)來(lái)表示。 本節(jié)主要討論幾種圖像處理應(yīng)用的主要模型。目前的彩色模型RGB CMY和CMYK HSI YIQ YUV YCbCrRGBCCD技術(shù)直接感知R,G,B三個(gè)分量 是圖像成像、顯示、打印等設(shè)備的基礎(chǔ)RGB模型圖6.2 RGB混色效果圖RGB模型圖6.3中，R，G，B位于三個(gè)角上；二次色深紅(Magenta)、青(Cyan)、黃(Yellow)位于另外3個(gè)角上，黑色在原點(diǎn)處

7、，白色位于離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的角上（點(diǎn)（1，1，1）。在本模型中，不同的顏色處在立方體上或其內(nèi)部，并可用從原點(diǎn)分布的向量來(lái)定義。為方便起見，假定所有的顏色值都?xì)w一化，即所有R，G，B的值都在0，1范圍內(nèi)取值。RGB模型考慮RGB圖像，其中每一幅紅、綠、藍(lán)圖像都是一幅8bit圖像，在這種條件下，每一個(gè)RGB彩色像素有24bit深度（3個(gè)圖像平面乘以每平面比特?cái)?shù)，即38）。24bit的彩色圖像也稱全彩色圖像。在24bitRGB圖像中顏色總數(shù)是224=16777216。一幅m*n（m，n為正整數(shù)，分別表示圖像的高度和寬度）的RGB彩色圖像可以用一個(gè)m*n*3的矩陣來(lái)描述，圖像中的每一個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)于紅、綠、藍(lán)

8、三個(gè)分量組成的三元組。HSI(色調(diào)、飽和度、亮度）兩個(gè)特點(diǎn)：I分量與圖像的彩色信息無(wú)關(guān)H和S分量與人感受顏色的方式是緊密相連的將亮度(I)與色調(diào)（H）和飽和度（S）分開避免顏色受到光照明暗(I)等條件的干擾僅僅分析反映色彩本質(zhì)的色調(diào)和飽和度廣泛用于計(jì)算機(jī)視覺、圖像檢索和視頻檢索HSI模型包含彩色信息的兩個(gè)參數(shù)是色度(H)和飽和度(S)。色度H由角度表示，彩色的色度反映了該彩色最接近什么樣的光譜波長(zhǎng)（即彩虹中的那種顏色）。不失一般性，可以假定0o的彩色為紅色，120o的為綠色，240o的為藍(lán)色。色度從0o360o覆蓋了所有可見光譜的彩色。HIS模型飽和度S表示顏色的深淺程度，飽和度越高，顏色越深

9、，如深紅，深綠等。飽和度參數(shù)是色環(huán)的原點(diǎn)（圓心）到彩色點(diǎn)的半徑的長(zhǎng)度。如圖所示。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（灰色），即飽和度為0。亮度I是指光波作用于感受器所發(fā)生的效應(yīng)，其大小由物體反射系數(shù)來(lái)決定。反射系數(shù)越大，物體的亮度越大，反之越小。如果把亮度作為色環(huán)的垂線，那么H、S、I構(gòu)成一個(gè)柱形彩色空間。HSI模型的三個(gè)屬性定義了一個(gè)三維柱形空間，如圖所示：CMY和CMYK彩色空間CMY(青、深紅、黃)、CMYK (青、深紅、黃、黑）運(yùn)用在大多數(shù)在紙上沉積彩色顏料的設(shè)備， 如彩色打印機(jī)和復(fù)印機(jī)CMYK打印中的主要顏色是黑色等量的CMY原色產(chǎn)生黑色，但不純?cè)贑MY

10、基礎(chǔ)上，加入黑色，形成CMYK彩色空間YIQY指亮度(Brightness),即灰度值I和Q指色調(diào)，描述色彩及飽和度 用于彩色電視廣播，被北美的電視系統(tǒng)所采用（屬于NTSC系統(tǒng)）Y分量可提供黑白電視機(jī)的所有影像信息YUVY指亮度,與YIQ的Y相同 U和V也指色調(diào)，不同于YIQ的I和Q 用于彩色電視廣播，被歐洲的電視系統(tǒng)所采用（屬于PAL系統(tǒng)） Y分量也可提供黑白電視機(jī)的所有影像信息YCbCrY指亮度,與YIQ和YUV的Y相同 Cb和Cr由U和V調(diào)整得到 JPEG采用的彩色空間彩色空間轉(zhuǎn)換1.RGBCMY 2.RGB 3.RGB 4.RGB 5.RGBHSIYIQYUVYCbCr1、RGBCMY

11、C=1-R M=1-G Y=1-BI (R G B)H (R G) (R B) arccos(R G)2 (R B)(G B)2 HSIRGB13min(R,G,B)3(RG B)S 1G BG B 2 1 1 2 其中：RGB圖像和與之對(duì)應(yīng)的HSI圖像分量RGBSHIR I1G I1HSIRGBB 3I (RG)S cosH cos(60 H)G 3I (R B)(2)當(dāng)H在2/3，4/3之間H H 120oR I(1S)若設(shè)H，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)換公式為：(1)當(dāng)H在0，2/3之間B I(1S)ScosH cos(60 H)B I1

12、R 3I (BG)ScosH cos(60 H)(2)當(dāng)H在4/3，2之間H H 240oG I(1S)其他轉(zhuǎn)換參見課本相關(guān)內(nèi)容偽彩色圖像處理什么叫偽彩色圖像處理? 也叫假彩色圖像處理根據(jù)一定的準(zhǔn)則對(duì)灰度值賦以彩色的處理區(qū)分：偽彩色圖像、真彩色圖像、單色圖像為什么需要偽彩色圖像處理?人類可以辨別上千種顏色和強(qiáng)度只能辨別二十幾種灰度基本原理：將灰度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。設(shè)f(x，y)為一幅灰度圖像，R (x，y)，G (x，y)，B (x，y)為f(x，y)映射到RGB空間的三個(gè)顏色分量，則偽彩色處理可以表示為：R(x，y)=fR(f(

13、x，y)G(x，y)=fG(f(x，y)B(x，y)=fB(f(x，y)其中fR，fG，fB為某種映射函數(shù)。給定不同的映射函數(shù)就能將灰度圖像轉(zhuǎn)化為不同的偽彩色圖像。 強(qiáng)度分層 強(qiáng)度分層技術(shù)是偽彩色圖像處理最簡(jiǎn)單的例子之一。 如果一幅圖像被描述為空間坐標(biāo)（x，y）的強(qiáng)度函數(shù)f(x，y)，分層的方法可以看成是放置一些平行于圖像坐標(biāo)平面(x，y)的平面，然后每一個(gè)平面在相交的區(qū)域中切割圖像函數(shù)。 圖9.12顯示了利用平面把圖像函數(shù)f(x，y)=li（li表示灰度級(jí)）切割為兩部分的情況。一般地，該技術(shù)可以總結(jié)如下：令0，L-1表示灰度級(jí)，使l0代表黑色（f(x，y)=0），lL-1代表白色（f(x，y

14、)=L-1）。假定垂直于強(qiáng)度軸的P個(gè)平面定義為量級(jí)l1，l2，lM。并假定，0ML-1，M個(gè)平面將灰度級(jí)分為M+1個(gè)間隔，V1，V2，VM+1。灰度級(jí)到彩色的賦值根據(jù)如下關(guān)系進(jìn)行：f(x，y)=Ck f(x，y)Vk這里Ck是與強(qiáng)度間隔Vk第k級(jí)強(qiáng)度有關(guān)的顏色，Vk是由在l=k-1和l=k分割平面定義的。甲狀腺模型左圖的恒定強(qiáng)度難以區(qū)分病變，右圖強(qiáng)度分層結(jié)果，清楚的顯示恒定強(qiáng)度的不同區(qū)域焊點(diǎn)問題檢測(cè)簡(jiǎn)化工作用顏色突出降雨水平圖a圖b圖c圖d圖a：圖像的強(qiáng)度值直接與降雨相對(duì)應(yīng)，目測(cè)困難圖b：藍(lán)色表示低降雨量，紅色表示高降雨量圖c和圖d更加清楚灰度級(jí)到彩色的轉(zhuǎn)換這一方法的基本概念是對(duì)任何輸入像素的

15、灰度級(jí)執(zhí)行三個(gè)獨(dú)立的變換。然后，三個(gè)變換結(jié)果分別送入彩色電視監(jiān)視器的紅、綠、藍(lán)通道。這種方法產(chǎn)生一幅合成圖像，其彩色內(nèi)容受變換函數(shù)特性調(diào)制。紅色變換綠色變換藍(lán)色變換f (x, y)IR(x, y)IG(x, y)IB(x, y)一組典型的灰度級(jí)到彩色變換的傳遞函數(shù)如圖所示（a）紅色分量的傳遞函數(shù)（b）綠色分量的傳遞函數(shù)（c）藍(lán)色分量的傳遞函數(shù)圖中三個(gè)圖形依次表示紅色、綠色、藍(lán)色的傳遞函數(shù)。第1個(gè)圖形中可看出： 凡灰度級(jí)小于L/2的像素將被轉(zhuǎn)變?yōu)楸M可能暗的紅色； 灰度位于L/2到3L/4之間的像素則是紅色從暗到亮的線性變換； 灰度級(jí)大于3L/4的像素均被轉(zhuǎn)變成最亮的紅色。第2個(gè)圖形、第3個(gè)圖形：

16、全彩色圖像處理基礎(chǔ)全彩色圖像處理研究分為兩大類：分別處理每一分量圖像，然后，合成彩色圖像直接對(duì)彩色像素處理：3個(gè)顏色分量表示像素向量。令c代表RGB彩色空間中的任意向量因?yàn)槿噬珗D像至少有3個(gè)分量，彩色像素實(shí)際上是一個(gè)向量。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(gè)條件：第一，處理必須對(duì)向量和標(biāo)量都可用，第二，對(duì)向量每一分量的操作對(duì)于其他分量必須是獨(dú)立的。HSI顏色空間下的直方圖均衡化在灰度圖像處理中，直方圖均衡自動(dòng)地確定一種變換，該變換試圖產(chǎn)生具有均勻的灰度值的直方圖。由于彩色圖像是由多個(gè)分量組成的，所以，必須考慮適應(yīng)多于一個(gè)分量的直方圖的灰度級(jí)技術(shù)。一個(gè)更符合邏輯的方法是均勻

17、地?cái)U(kuò)展彩色強(qiáng)度，而保留彩色本身（即色調(diào)和飽和度）不變。彩色變換補(bǔ)色補(bǔ)色：在如圖所示的彩色環(huán)上，與一種色調(diào)直接 相對(duì)立的另一種色調(diào)稱為補(bǔ)色作用：增強(qiáng)嵌在彩色圖像暗區(qū)的細(xì)節(jié)補(bǔ)色紅色在補(bǔ)色中用青色代替，黑色在補(bǔ)色中用白色代替灰度變換彩色圖像平滑和尖銳化令Sxy表示在RGB彩色圖像中定義一個(gè)中心在（x，y）的鄰域的坐標(biāo)集，在該鄰域中RGB分量的平均值為：c(x, y)(x,y)Sxy1Kc(x, y) 可以得出結(jié)論：用鄰域平均值平滑可以在每個(gè)彩色平面的基礎(chǔ)上進(jìn)行,其結(jié)果與用RGB彩色向量執(zhí)行平均是相同的。平滑濾波可以使圖像模糊化，從而減少圖像中的噪聲。彩色圖像平滑彩色圖像平滑H分量圖像S分量圖像I分量

18、圖像55的灰度平均模板平滑結(jié)果圖c的原因：圖a像素的平均是不同彩色的平均，而圖b僅僅是強(qiáng)度的平均，原彩色（色調(diào)H和飽和度S）保持不變 ) , ( ) , ( y x G y x c ) , ( 2 y x B彩色圖像尖銳化（拉普拉斯微分） 2R(x, y)2 2 彩色圖像尖銳化（拉普拉斯微分）圖6.38RGB圖像的拉普拉斯變換 圖6.39HSI圖像的強(qiáng)度I分量圖像的拉普拉斯變換a圖像和b圖像的差別圖像彩色分割（把一幅圖像分成區(qū)域）HSI彩色空間分割直觀H色調(diào)圖像方便描述彩色S飽和度圖像做模板分離感興趣的特征區(qū)I強(qiáng)度圖像不攜帶彩色信息RGB彩色空間直接HSI彩色空間分割閾值產(chǎn)生的二值圖像： 飽和度圖像中閾值等于 最大飽和度的10%，大于 閾值的像素賦1，其它賦0HSI色彩分割D(z,a) | z a|(z a) (z a) (zaR) (zG aG) (zB aB)R