理學(xué)彩色圖像處理

本章內(nèi)容簡介顏色的基本概念常用表色系彩色補(bǔ)償彩色圖像處理中需要注意的問題19.1顏色的基本概念牛頓在十七世紀(jì)后期用棱鏡把太陽光分散成光譜上的顏色光帶，證明了白光是由很多顏色的光混合而成；顏色嚴(yán)格地說不同與彩色。顏色可分成彩色和無彩色（即不同的灰色）。但通常我們所說的顏色是指彩色2光譜圖可見光的波長大約在380--780nm之間?？梢姽鈪^(qū)之外，還有紅外光區(qū)、紫外光區(qū)。在遙感領(lǐng)域中光譜采樣通常不限于紅外區(qū)、可見光區(qū)、紫外光區(qū)三個(gè)波段中的某一個(gè)，即為多光譜圖像。彩色不僅喜人，且可獲得更多的信息：視覺僅能感知十余級灰階；彩色感知但卻能區(qū)分上千種彩色。3380nm700nm紫外光紅外光可見光區(qū)546.1nm435.8nm780nm三基色原理十九世紀(jì)初，TomasYoung提出：“任何彩色可以用合適的三種基本色混合而再生”。生理學(xué)已證實(shí)，視網(wǎng)膜中有三種視錐體，具有不同的光譜特性，峰值吸收分別在光譜的紅、綠、藍(lán)區(qū)域。吸收曲線有相當(dāng)多的部分是相互重疊的。這是三基色原理的生理基礎(chǔ)。

4三基色原理三基色相加混色：紅、綠、蘭；（光的三基色）

三基色相減混色：青、黃、品紅（顏料的三基色）相減是指吸收或過濾掉。5光和顏料是對立的，然而又互輔相成。如果沒有光的照射，就不能看見物體的顏色，而有色光必須照在不透明的表面上才能看見。RGB發(fā)射光，而CYM反射光?；旌纤猩实墓庑纬砂咨?，而混合所有顏料形成黑色。同時(shí)觀察這兩種模式，可見，RGB模式是CMY模式的對立物，就像每一種主體部分都是另一種的從屬部分。6光的三基色和顏料三基色間的差別9.2常用表色系顏色的描述是通過建立色彩模型來實(shí)現(xiàn)的，不同的色彩模型對應(yīng)于不同的處理目的。CIE（國際照明委員會(huì)）在進(jìn)行大量的色彩測試實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了一系列的顏色模型用于對色彩進(jìn)行描述。各種不同的顏色模型之間可以通過數(shù)學(xué)方法互相轉(zhuǎn)換。79.2.1RGB表色系國際照明委員會(huì)（CIE）規(guī)定以：

700nm(紅)、546.1nm(綠)、435.8nm(藍(lán))三個(gè)色光為三基色。又稱為物理三基色。自然界的所有顏色都可以過選用這三基色按不同比例混合而成。RGB模式的混色原理是以顏色加法來混合出各種不同的顏色。彩色電視機(jī)的顯像管（CRT）以及計(jì)算機(jī)屏幕，都是以這種方式來混合出各種不同的顏色效果。如果采用其他色系進(jìn)行了處理，最終一定要轉(zhuǎn)換到RGB色系，才能正常顯示結(jié)果。

89.2.2HSI色系RGB色系雖然是目前各類顯示器使用的色系，但顏色的構(gòu)成與人對顏色的理解方式不同，所以在進(jìn)行處理與調(diào)整時(shí)，不易于獲得準(zhǔn)確的參數(shù)。新的彩色系統(tǒng)格式的設(shè)計(jì)應(yīng)該反映人類觀察彩色的方式。如：紅色又分為淺紅和深紅色等等。HSI（HSB）模式是利用色調(diào)、色濃度以及亮度三種基本向量來表示一種顏色。9顏色紡錘體水平的圓周表示色調(diào)，圓周上的不同角度的點(diǎn)代表了不同色調(diào)的顏色，如紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等。圓心的色調(diào)是中灰色，它的亮度和該水平圓周上各色調(diào)的亮度相同。從圓心向圓周過渡表示同一色調(diào)下不同的飽和度。顏色紡錘體的垂直軸線上表示列的亮度變化，頂部是白色，沿著灰度過渡，到底部是黑色。在垂直軸線上越往上亮度越大。10HSI色系——色度分量HH：表示色度，由角度表示。反映了該顏色最接近什么樣的光譜波長。沿著色調(diào)環(huán)從0o（純紅），120o為綠色，240o為藍(lán)色，再轉(zhuǎn)回360o（純紅）。11HSI色系——飽和度分量SS：表示飽和度，飽和度參數(shù)是色環(huán)的原點(diǎn)到彩色點(diǎn)的半徑長度。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。0%時(shí)為灰色，100%時(shí)為純色。12SHSI色系——亮度分量II：表示光照強(qiáng)度或稱為亮度，它確定了像素的整體亮度，而不管其顏色是什么。0%為黑色，100%時(shí)為白色。13I:小大RGB與HSI的轉(zhuǎn)換RGB到HSI的轉(zhuǎn)換：14HSI與RGB的轉(zhuǎn)換HSI到RGB的轉(zhuǎn)換：159.2.3YUV和YCbCr表色系電視信號發(fā)射時(shí)，轉(zhuǎn)換成YUV形式，接收時(shí)再還原成RGB三基色信號，由顯像管顯示。目的是為了與黑白電視兼容。在YUV（電視信號）模式中：Y：亮度；U，V：色差信號。RGB到Y(jié)UV的轉(zhuǎn)換YUV到RGB的轉(zhuǎn)換16YCbCr表色系這是常用于彩色圖像壓縮時(shí)的一種彩色模式。Y:代表亮度；Cb：代表藍(lán)色色度分量；Cr：代表紅色色度分量；與YUV模式不同的是它充分考慮了色彩組成時(shí)RGB三個(gè)分量在視覺感受中的不同重要性。YUV考慮的是簡單，YCbCr考慮的是壓縮時(shí)可以充分取出冗余量。17YCbCr與RGB的轉(zhuǎn)換RGB到Y(jié)CbCr的轉(zhuǎn)換YCbCr到RGB的轉(zhuǎn)換其中，，

9.2.4CMYK表色系光譜中原色互補(bǔ)色是青色、品紅色和黃色。所以用這三種原色構(gòu)成所有顏色。這三種原色構(gòu)成了CMY色彩模式。在CYM色彩模式中，紅色是品紅色與黃色混合而成，藍(lán)色是淡青色與品紅色混合而成的。CMY色彩模式不流行的原因之一是這些深色的原色是不自然的，而且不容易得到。理論上，利用C、M、Y三種基本色便可以混合為黑色，但是由于考慮到印刷油墨混合的誤差，所以再加進(jìn)一定量的黑色。CMYK是由青(Cyan)、品紅(Magenta)、黃(Yellow)以及黑(Black)四種基本色調(diào)配合成各種不同的顏色，一般應(yīng)用在印刷輸出的分色處理上面。199.2.5Lab表色系Lab模式是一般人較為陌生的色彩模式，這個(gè)模式的色彩定義是由國際照明委員會(huì)CIE所制定的，也是目前所有模式中含蓋色彩范圍最廣的模式。它的特色是對色彩的描述完全采用數(shù)學(xué)方式，與系統(tǒng)及設(shè)備無關(guān)，因此它可以無偏差地在系統(tǒng)與平臺(tái)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。Lab模式是以一個(gè)亮度分量L(Lightness)——范圍是0-100；以及兩個(gè)顏色分量a與b來表示顏色。a分量是由綠色演變到紅色——范圍是-120--+120；而b分量則是由藍(lán)色演變到黃色——范圍是-120--+120。人眼所能看見的光、色之范圍較為廣泛，由計(jì)算機(jī)的彩色屏幕按RGB模式或由彩色印刷品按CMYK模式所表示出來的光與色，只不過是其中的一部分。而且像RGB、CMYK和Lab三種模式表現(xiàn)的顏色范圍也不相同。209.3彩色補(bǔ)償在某些應(yīng)用中，目標(biāo)是分離出主要或完全是顏色不同的各種類型的物體。由于常用的彩色成像設(shè)備具有較寬而且相互覆蓋的光譜敏感區(qū)，加上待拍攝圖像的染色是變化的，所以很難在三個(gè)分量圖中將物體分離出來。這種現(xiàn)象稱為顏色擴(kuò)散。21彩色補(bǔ)償——基本設(shè)計(jì)思想通過數(shù)學(xué)運(yùn)算，將擴(kuò)散進(jìn)來的顏色分量補(bǔ)償?shù)?。由此，使不同的目?biāo)在不同的顏色分量中信號最強(qiáng)。分析顏色擴(kuò)散的現(xiàn)象，是“你中有我，我中有你”。所以補(bǔ)償?shù)乃惴ㄋ悸肥牵簩⒃緫?yīng)該是純紅、純綠、純藍(lán)色的像素點(diǎn)轉(zhuǎn)換成理想的顏色，由此獲得原圖與補(bǔ)償圖之間的影射關(guān)系，最后用此影射關(guān)系處理所有的像素點(diǎn)。22彩色補(bǔ)償——算法步驟(一)讀入拍攝到的具有顏色擴(kuò)散的圖像，設(shè)其三個(gè)顏色分量分別為R,G,B。分別求出某個(gè)顏色分量與其他兩個(gè)顏色分量之間的強(qiáng)度差，即：23彩色補(bǔ)償——算法步驟(二)分別求出強(qiáng)度差的最大值（即尋找畫面中應(yīng)該為純紅、純綠、純藍(lán)色的點(diǎn)。可能是單個(gè)點(diǎn)，也可能是多個(gè)點(diǎn)）如下：（紅色的可能點(diǎn)）（綠色的可能點(diǎn)）（藍(lán)色的可能點(diǎn)）24彩色補(bǔ)償——算法步驟(三)在三個(gè)強(qiáng)度差分量eR，eG，eB中，分別找出等于其最大值的像素，并分別求出其像素的均值向量如下：25彩色補(bǔ)償——算法步驟(四)將該三組點(diǎn)設(shè)為在沒有顏色擴(kuò)散的情況下，應(yīng)該是純紅、純綠、純藍(lán)色的點(diǎn)，即：理想值應(yīng)該為理想值應(yīng)該為理想值應(yīng)該為26彩色補(bǔ)償——算法步驟(五)然后構(gòu)造彩色補(bǔ)償變換矩陣如下：27彩色補(bǔ)償——算法步驟(六)設(shè)原圖為補(bǔ)償后的圖像為則：28彩色補(bǔ)償——算法步驟(七)將計(jì)算得到的A1，A2代入，有：先忽略b，最后再將結(jié)果圖標(biāo)準(zhǔn)化，有299.進(jìn)行彩色補(bǔ)償有：9.4彩色圖像處理中需要注意的問題在灰度圖像處理中我們討論了灰度級的修正，圖像的平滑濾波，圖像的銳化處理等方法，在彩色圖像中仍舊可以進(jìn)行這些處理。處理方法與灰度圖像基本相同:在RGB色