圖象編碼與處理課件上課chapter

Chapter6ColorImageProcessing第6章彩色圖象處理

圖像中應(yīng)用彩色主要是因?yàn)椋海?）簡(jiǎn)化區(qū)分目標(biāo)；（2）人眼可以辨別幾千種顏色色調(diào)和亮度，而對(duì)灰度辨別僅幾十種，進(jìn)行人工圖像分析，彩色圖像處理可分為2個(gè)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。Chapter6ColorImageProcessing 6.1彩色基礎(chǔ)彩色可見光：400~700nm，我們可以用3個(gè)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Chapter6ColorImageProcessing 6.1彩色基礎(chǔ)Chapter6ColorImageProcessing 6.1彩色基礎(chǔ)人眼的錐狀細(xì)胞負(fù)責(zé)彩色傳感的，人眼的6~7百萬個(gè)錐狀細(xì)胞分三類：紅：65%，綠：33%，藍(lán)：2%。圖6.3為人眼三重錐狀體對(duì)波長(zhǎng)的吸實(shí)驗(yàn)。Chapter6ColorImageProcessing 6.1彩色基礎(chǔ)CIE（國(guó)際照明委員會(huì)）規(guī)定了如下三種波長(zhǎng)為主原色：藍(lán)：435.8nm，綠：546.1nm，紅：700nm。紅色，只是一個(gè)帶，而不是單一一個(gè)波長(zhǎng)綠\藍(lán)也是一樣。原色相加→二次色R+B=深紅=紅+藍(lán)G+B=青色=綠+藍(lán)R+G=黃=紅+綠R+G+B可得白色，或一個(gè)二次色與其補(bǔ)色→白光，如圖6.4(a)Chapter6ColorImageProcessing 6.1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。Chapter6ColorImageProcessing 6.1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(zhǎng)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：Chapter6ColorImageProcessing 6.1彩色基礎(chǔ)顏色的另一種表示方法用CIE色度圖。該圖以上公式中紅--x），（綠--y）函數(shù)表示顏色組成而。如圖6.5所示。坐標(biāo)小于1。Chapter6ColorImageProcessing 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(diǎn)→白，等能量點(diǎn)的飽和度為0。規(guī)律：連接任意兩點(diǎn)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(diǎn)到邊界上任一點(diǎn)的連線，可以定義特定譜色的所有色調(diào)（度）。還可以擴(kuò)展到三種顏色，圖中任何三點(diǎn)連成一三角形，內(nèi)部所有顏色均可用三個(gè)頂點(diǎn)色來混合形成。Chapter6ColorImageProcessing 6.1彩色基礎(chǔ)圖6.6的三角形是RGB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(jī)的彩色域。Chapter6ColorImageProcessing 6.2彩色模型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(jī)等）。CMY（青，深紅，黃）、CMYK（青，深紅，黃，黑）是針對(duì)彩色打印機(jī)，而HSI（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)。Chapter6ColorImageProcessing 6.2彩色模型6.2.1RGB彩色模型為方便，假定所有顏色都?xì)w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:固定三種顏色中的一種，其它兩種可變。Chapter6ColorImageProcessing 6.2彩色模型6.2.1RGB彩色模型RGB彩色立方體Chapter6ColorImageProcessing 6.2彩色模型a:產(chǎn)生彩色平面（127，G，B）的RGB圖象。b:彩色立方的三個(gè)隱藏平面Chapter6ColorImageProcessing 6.2彩色模型6.2.2CMY和CMYK模型等量的青，深紅，黃產(chǎn)生黑色。而實(shí)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）。Chapter6ColorImageProcessing 6.2彩色模型6.2.3HSI彩色模型上述模型中適應(yīng)人眼。這里介紹的HSI彩色模型恰好能滿足這個(gè)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。Chapter6ColorImageProcessing 6.2彩色模型6.2.3HSI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(diǎn)，作⊥該連線的平面，則該平面與垂直連線的交點(diǎn)位置即是強(qiáng)度值。強(qiáng)度軸上的飽和度是0，其上全部是灰度點(diǎn)。Chapter6ColorImageProcessing 6.2彩色模型6.2.3HSI彩色模型在圖6.12中，連接白、青、黑三點(diǎn)組成一平面，則該平面（三角形）點(diǎn)有相同的色調(diào)，理由是：三角形內(nèi)任一點(diǎn)的顏色均為由頂點(diǎn)來得出，而黑白點(diǎn)不改變色調(diào)。旋轉(zhuǎn)這個(gè)平面可以得到不同的色調(diào)。“一個(gè)顏色點(diǎn)+垂直軸”即可。該顏色點(diǎn)所在的(垂軸)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(yè)圖所示：Chapter6ColorImageProcessing 6.2彩色模型6.2.3HSI彩色模型我們用六邊形來表示色調(diào)和飽和度。Chapter6ColorImageProcessing 6.2彩色模型6.2.3HSI彩色模型基于三角形和圓形的HSI模型Chapter6ColorImageProcessing 6.2彩色模型6.2.3HSI彩色模型 從RGB到HSI的彩色轉(zhuǎn)換Chapter6ColorImageProcessing 6.2彩色模型6.2.3HSI彩色模型從HSI到RGB的轉(zhuǎn)換在[0，1]內(nèi)給出HSI→RGB分三個(gè)區(qū)域（相隔120°）Chapter6ColorImageProcessing 6.2彩色模型6.2.3HSI彩色模型圖6.15是三個(gè)對(duì)應(yīng)于RGB立方體的圖像的HSI值。Chapter6ColorImageProcessing 6.2彩色模型6.2.3HSI彩色模型圖6.16是RGB及其二次色給出的圖像b:色調(diào)c:飽和度d:亮度Chapter6ColorImageProcessing 6.2彩色模型6.2.3HSI彩色模型圖6.17為簡(jiǎn)單的HSI圖像處理的圖像。a-c改變HSI分量圖象。d為結(jié)果。Chapter6ColorImageProcessing 6.3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(biāo)。Chapter6ColorImageProcessing 6.3偽彩色處理6.3.1強(qiáng)度分層參見圖6.18，圖像被看成三維函數(shù)。Chapter6ColorImageProcessing 6.3偽彩色處理6.3.1強(qiáng)度分層可以簡(jiǎn)單地按如下方式來把灰度→彩色則：…Chapter6ColorImageProcessing 6.3偽彩色處理6.3.1強(qiáng)度分層 灰度→彩色實(shí)例：a:甲狀腺,b:分八個(gè)彩色Chapter6ColorImageProcessing 6.3偽彩色處理6.3.1強(qiáng)度分層灰度→彩色實(shí)例：焊接實(shí)例Chapter6ColorImageProcessing 6.3偽彩色處理6.3.1強(qiáng)度分層灰度→彩色實(shí)例：用顏色突出降雨水平a中間三分之一亮的為降雨區(qū)，利用b的編碼方式得到c，紅色高降雨量，蘭色為低降雨量。Chapter6ColorImageProcessing 6.3偽彩色處理6.3.2灰度級(jí)到彩色轉(zhuǎn)換另一種更加通用的灰度級(jí)到彩色的轉(zhuǎn)換是對(duì)輸入灰度級(jí)進(jìn)行3個(gè)獨(dú)立的處理，得到3個(gè)結(jié)果→紅，綠，藍(lán)通道。Chapter6ColorImageProcessing 6.3偽彩色處理6.3.2灰度級(jí)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。通過轉(zhuǎn)換得到不同程度的圖象增強(qiáng)Chapter6ColorImageProcessing 6.3偽彩色處理6.3.2灰度級(jí)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。上邊:爆炸和背景映射一樣下邊:爆炸物和衣箱影射類似(提示:爆炸灰度不均勻,再加上存在突變點(diǎn),邊緣處灰度漸變,造成看透)Chapter6ColorImageProcessing 6.3偽彩色處理6.3.2灰度級(jí)到彩色轉(zhuǎn)換例6.6為多光譜彩色編碼。華盛頓衛(wèi)星四幅光譜圖象(包含波托馬克河):紅、綠、藍(lán)、近紅外,e:合成RGB圖象,很難判讀，但河的不同部分顏色不同，用近紅外圖象代替紅色，合成，近紅外對(duì)生物成分反映強(qiáng)烈，f中紅色為生物，混凝土及柏油為淺藍(lán)色。Chapter6ColorImageProcessing 6.3偽彩色處理6.3.2灰度級(jí)到彩色轉(zhuǎn)換例6.6為多光譜彩色編碼。把幾種傳感器的圖象合成,a:偽彩色圖象b:放大，亮紅色表示火山噴出的物質(zhì)，周圍黃色物質(zhì)是陳舊的硫沉積物Chapter6ColorImageProcessing 6.4全彩色圖像處理基礎(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(duì)彩色處理全彩色至少有3個(gè)分量。原則上前邊的灰度處理可移植到彩色，而對(duì)每一分量進(jìn)行處理。令c代表RGＢ彩色空間中的任意向量：Chapter6ColorImageProcessing 6.5彩色變換6.5彩色變換6.5.1公式對(duì)彩色分量的處理，類似于基本灰度變換過程。Chapter6ColorImageProcessing 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Chapter6ColorImageProcessing 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(gè)分量必須：下頁(yè)圖顯示了的結(jié)果。Chapter6ColorImageProcessing 6.5彩色變換6.5彩色變換6.5.1公式改變圖像亮度實(shí)例：圖有誤,后面兩個(gè)對(duì)調(diào)Chapter6ColorImageProcessing 6.5彩色變換6.5.2補(bǔ)色在圖6.32彩色環(huán)上(牛頓十七世紀(jì)創(chuàng))，與一種色調(diào)相對(duì)立的另一種色調(diào)稱為補(bǔ)色。（紅色補(bǔ)色是青色，即藍(lán)色+綠色）Chapter6ColorImageProcessing 6.5彩色變換6.5.2補(bǔ)色例6.7給出了在RGB空間及HSI空間下，補(bǔ)色的求法。飽和度分量不能直接由原圖象的飽和度直接求得。c:RGB映射d:使用bChapter6ColorImageProcessing 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(biāo)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(jiǎn)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，則如果用一圓球確定感興趣的顏色如果RGB彩色空間則 CMYK時(shí)，Chapter6ColorImageProcessing 6.5彩色變換6.5.3彩色分層 例6.8為彩色分層的一個(gè)說明。Chapter6ColorImageProcessing 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(dá)到一定的平衡。 這里我們介紹另外一種常用的彩色模型。Chapter6ColorImageProcessing 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值（在D65下，完美漫反射白色,X,Y,Z是三刺激值，與前邊一樣）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(diǎn)：比色的（感覺相同，編碼相同），感覺一致的(不同色調(diào)之間的顏色差異，可以被均勻地感覺)，獨(dú)立于設(shè)備的（比如不同掃描儀對(duì)同一圖片掃描，得到不同的圖象數(shù)據(jù)，）。在圖像操作（色調(diào)和對(duì)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：Chapter6ColorImageProcessing 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(shí)變HSI中，僅改變亮度。Chapter6ColorImageProcessing 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（紅+藍(lán)），則：1）移去紅、藍(lán)，2）增加其補(bǔ)色—綠，例子見例6.10Chapter6ColorImageProcessing 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置到彩色圖像處理中，如直方圖均衡。例6.11在HSI彩色空間的直方圖均衡。（只改變強(qiáng)度，d圖：先改變飽和度，然后改變強(qiáng)度）Chapter6ColorImageProcessing 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(biāo)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(yè)：Chapter6ColorImageProcessing 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：Chapter6ColorImageProcessing 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：Chapter6ColorImageProcessing 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：用5*5均值模板,a:用處理RGB每一個(gè)分量，b:處理強(qiáng)度分量然后轉(zhuǎn)換成RGB,c:兩幅圖象的差。Chapter6ColorImageProcessing 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(jìn)行尖銳化，在RGB彩色系統(tǒng)中，向量c的拉氐變換：例子見例6.13圖6.41Chapter6ColorImageProcessing 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(shí)例6.13Chapter6ColorImageProcessing 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。6.7.1HSI彩色空間分割可利用色調(diào)不同進(jìn)行分割飽和度可作為一個(gè)模板。例6.14是一個(gè)HSI空間進(jìn)行分割的例子。Chapter6ColorImageProcessing 6.7彩色分割6.7.1HSI彩色空間分割一個(gè)HSI空間進(jìn)行分割的例子：例6.14對(duì)左下角的微紅色區(qū)域感興趣，具有高色調(diào)值e圖為飽和度二值化圖象：閾值為最大飽和度的10%f為b和e的乘積a中紅分量。實(shí)質(zhì)是色調(diào)較高，飽和度也較高。Chapter6ColorImageProcessing 6.7彩色分割6.7.2RGB向量空間分割上面的例6.14分割效果不是特別理想，而在RGB彩色可得更好的結(jié)果。假如，某目標(biāo)在RGB圖像中，“平均”彩色估計(jì)用向量a來表示，此時(shí)，用歐氏距離來進(jìn)行判定。令z代表RGB空間的一點(diǎn)。歐氏距離

為一半徑為D0的實(shí)心球，據(jù)此可進(jìn)行編碼：二值圖象。把上式進(jìn)行推廣，得到距離測(cè)度：C是我們要分割的彩色的典型樣本協(xié)方差矩陣。Chapter6ColorImageProcessing 6.7彩色分割6.7.2RGB向量空間分割 描述了一個(gè)實(shí)心三維球，見圖6.43(b)。還可以是一個(gè)正方體來描述（圖6.43（c））Chapter6ColorImageProcessing 6.7彩色分割6.7.2RGB向量空間分割例6.15為在RGB空間的彩色分割。使用RGB向量，計(jì)算方框中的向量a然后計(jì)算R、G、B的標(biāo)準(zhǔn)差，建立盒子，大小為標(biāo)準(zhǔn)差的2*1.25倍。Chapter6ColorImageProcessing 6.7彩色分割6.7.3彩色邊緣檢測(cè)邊緣檢測(cè)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(duì)每一彩色分量利用梯度算子，然后相加合成一幅梯