《數(shù)圖》第12章 彩色圖像處理

數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)DigitalImageProcessing第十二章彩色圖像處理1DigitalImageProcessing現(xiàn)實世界是五彩繽紛的，反映現(xiàn)實世界的彩色圖像更加符合觀眾的生理和心理視覺需求。彩色圖像處理和灰度圖像處理有很多的共同之處，也有不少差異，本章的重點在這些差異之處。2DigitalImageProcessing第1節(jié)彩色空間表示可見光－－波長在400~760nm的電磁波，使人產(chǎn)生視覺。彩色視覺－－人眼對可見光不僅感到有明暗變化，而且感到有彩色不同。彩色感覺－－對于不同波長光的和處理是一種生理和心理的綜合現(xiàn)象，其機理至今還沒有完全搞清楚，許多結(jié)論來源于實驗。眼睛的明暗感覺對應(yīng)于光的強度，不同彩色的光可以有相同的強度；眼睛的彩色感覺對應(yīng)于光的波長，不同波長的光產(chǎn)生不同的彩色感覺。3DigitalImageProcessing二維灰度圖像：I=f(x,y)，二維彩色圖像：C=f(x,y,λ)，其中λ為光的波長。彩色－－對圖像處理十分重要

1）彩色是圖像的十分顯著的特征，它有助于目標的區(qū)分及從場景中目標的抽取，2）人眼可以辨別幾千到幾萬種不同的彩色，

3）彩色圖像由于具有了顏色，因此比灰度圖像攜帶了更多的可視信息。機器視覺（光傳感器）的光敏感范圍：

400~760nm可見光，

780nm~1400nm的近紅外、1400nm~3300nm的中紅外、3um~10um遠紅外光，100um~380um的紫外線。4DigitalImageProcessing1.彩色視覺

彩色視覺機理：不同波長的光作為一種能量進入人眼，匯聚在視網(wǎng)膜上，刺激感光細胞，最后以電脈沖形式傳入大腦皮層，產(chǎn)生彩色的主觀感覺。

“彩色”是主觀感覺：

光本身并沒有彩色，光是通過人的眼睛的光感機制而被感知，對不同波長的光信息進行轉(zhuǎn)換才產(chǎn)生了彩色感覺。5DigitalImageProcessing（1）彩色的基本屬性

彩色是人類視覺系統(tǒng)對光波刺激的反應(yīng)，任何視覺正常的人，其眼睛的生理結(jié)構(gòu)和彩色的心理活動是基本一致的。

1）人們對彩色的感知具有確定性的一面，人眼的彩色視覺特性可以定量描述出來；

2）不同人眼睛的生理結(jié)構(gòu)和彩色心理活動有差別。人類對色光刺激的反應(yīng)：

亮度（Lightness）、色調(diào)（Hue）、飽和度（Saturation）。

彩色的這三種基本屬性共同作用，形成視覺的總效果。色度（Chroma）6DigitalImageProcessing色調(diào)－－表示光的波長，反映彩色的類別，到達人眼各波長分量的綜合效果。飽和度－－彩色接近光譜色的程度，反映彩色的純度。亮度－－彩色光的強度，與能量有關(guān)，表明彩色光引起的人眼光刺激強度。人眼彩色視覺的特點：人感覺到的某一彩色光可有不同組合，不是唯一的，可見光譜范圍內(nèi)，光源輻射波長不同，在視覺上呈現(xiàn)不同色調(diào)：彩色紫藍青綠黃綠黃橙紅波長(nm)380-430430-470470-500500-530530-560560-590590-620620-7007DigitalImageProcessing（2）三基色原理

三基色（primarycolor）：

紅R=700nm；綠G=546.1nm；藍B=435.8nm。這三種色彩彼此獨立，其中任意一個都不能夠由另外兩個混合得到。

將它們按不同的比例進行合成，就可以引起不同的彩色感覺，合成彩色光的亮度由三個基色的亮度之和決定，色度由三基色分量的比例決定。（12.1）r、g、b分別是紅、綠、藍的三色系數(shù)。三種彩色的光強越強，到達眼睛的光就越多，感覺越亮；三者的比例不同，眼睛看到的彩色就不同。8DigitalImageProcessing當三基色等量相加時，得到白色；等量的紅綠相加而藍為0時得到黃色（yellow）；等量的紅藍相加而綠為0時得到品紅色（magenta）；等量的綠藍相加而紅為0時得到青色（cyan）。如果每種基色的強度用8位（比特）表示，一個像素需3×8=24比特，RGB組合可產(chǎn)生2的24次方16777216種彩色。紅藍綠黃靑品白圖12.1三基色混色圖9DigitalImageProcessing相加混色原理（格拉斯曼定律）：色光S1=(rl，g1，bl)和S2=(r2，g2，b2)混合，產(chǎn)生新的彩色S3=(rl+r2，g1+g2，bl+b2)。

S3的亮度由原色光的亮度之和決定，色度由原色光的比例決定。白光：一定比例的紅、綠、藍三種彩色光線混合形成?，F(xiàn)實世界中我們見到的大部份彩色為混色光（多于2種波長的光相混合）?；焐獾摹巴愖V”現(xiàn)象：一定成分的混合光，有一種確定的彩色與之對應(yīng)；反過來，一種彩色并不只對應(yīng)一種光譜。

如：兩種光譜成分完全不同的混合光，有可能引起完全一樣的彩色感覺。10DigitalImageProcessing三基色原理：1）所有彩色都可以用互相獨立的三基色混合得到；2）假如三基色的混合比相等，則色調(diào)和飽和度也相等；3）任意兩種彩色相混合產(chǎn)生的新彩色＝＝采用三基色分別合成這兩種彩色的各自成分混合起來得到的結(jié)果；4）混合色的光亮度是原來各分量光亮度的總和。亮度方程：三基色構(gòu)成彩色的亮度由各個分量相加，但每種彩色對亮度的貢獻不同。（12.2）11DigitalImageProcessing（3）彩色視覺機理彩色視覺是由光所引起的。人眼視網(wǎng)膜：

桿狀細胞，約1億3千萬，無彩色感，有亮度感，靈敏度高，單色和夜視的功能；

錐狀細胞，約700萬，有彩色感，對波長敏感，分辨率低，需要較好的光照。R類錐狀細胞、G類錐狀細胞、B類錐狀細胞，三類錐狀細胞對不同波長的敏感程度（感知度）各不相同。圖12.2三類錐狀細胞的彩色敏感程度示意圖12DigitalImageProcessing彩色視覺信息的獲?。喝搜鄣母泄饧毎愃朴贑CD感光器件中的感光單元，將所獲得的光的信息通過視覺神經(jīng)細胞傳到人的大腦，經(jīng)大腦判斷產(chǎn)生彩色視覺感。人眼大約有100萬條視覺神經(jīng)，可以“并行”處理，傳送視覺信息。眼睛將外界物像編碼成神經(jīng)活動信息送入大腦，神經(jīng)活動借助于神經(jīng)密碼和大腦活動模式，代表著外界條件，而絕沒有在腦中形成什么內(nèi)部圖像。13DigitalImageProcessing2.CIE的XYZ彩色空間

彩色空間：由所有的可見光組成了一個連續(xù)空間。彩色子空間：由某種彩色或色域組成的可見光的子集。彩色模型：由某些彩色特征量組成的彩色空間的一個子集，包含某個色彩域的所有色彩。CIEXYZ模型、CIEYUV模型：基于RGB三基色原理的彩色模型，用于對色彩的定量表示。14DigitalImageProcessingXYZ模型：三刺激量X、Y、Z，它們的取值區(qū)間皆為0～1。和RGB（0～1之間）三基色之間的關(guān)系：（12.3）

XYZ三個刺激量的比例系數(shù)為x、y、z

：（12.4）顯然有x+y+z=1，x、y、z的取值區(qū)間也為0～1。15DigitalImageProcessing舌形圖：以獨立變量x和y為二維坐標（z=1-x-y

），建立標準的“舌形”色度圖，任意一點彩色的x、y可以從坐標上直接得到，z可以由1-x-y算出。由光譜色混合而成的各種彩色位于舌形圖內(nèi)部，代表人類可見的彩色范圍。由不同RGB混合而成的彩色全部位于此RGB三角形內(nèi)。RGB白圖12.3xyz色度圖“譜色”，光譜上不同波長的彩色RGB三角形白色點三基色比例相同16DigitalImageProcessing

3.RGB和HSI彩色空間

所有可見光組成了一個連續(xù)的彩色空間，常用的彩色模型是整個彩色空間的不同的子集。由于彩色模型基本包含了大部份的彩色空間：“彩色模型”≈“彩色空間”

彩色空間定義了一種彩色坐標系，規(guī)范了各種色彩在此空間中的排列。最常見的彩色模型：

RGB和HIS彩色空間。17DigitalImageProcessing（1）RGB彩色模型

RGB彩色模型可表示為三維直角坐標彩色系統(tǒng)中的一個單位正方體。原點的黑色到對角頂點白色之間的連線上表示從黑到白的不同層次的灰色。圖像的彩色空間的容量要比灰度空間要大得多。RGB彩色模型是面向設(shè)備的，如面向顯示器，難以和人的彩色感覺相聯(lián)系。綠Green青Cyan黃Yellow紅Red藍Blue圖12.4RGB彩色空間品紅Magenta黑Black白White18DigitalImageProcessing（2）HSI彩色模型HSI彩色模型的三分量：色調(diào)、飽和度、亮度。與人眼視覺較為一致。色調(diào)和飽和度為色度信息，亮度為圖像的灰度信息。色調(diào)H－－彩色的波長，用圓椎形底面色環(huán)中的角度表示。飽和度S－－彩色的純度，用圓椎形色環(huán)的圓心到彩色點的半徑表示。

亮度I－－彩色的亮度，用圓椎形中色點到底面的距離表示。圖12.5HSI彩色模型黑I白1200綠SH2400藍00紅19DigitalImageProcessing飽和度：彩色的純凈度，顏色越是純凈，越是接近光譜色，其飽和度越高。解釋：任意一種彩色，都可以看成光譜色和白色混合而成，其中含白光越少則其飽和度越高。HIS

兩個特點：

1）亮度分量與色度分量是分開的，I

分量與圖像的彩色信息無關(guān)；

2）H及S分量與人感受彩色的方式基本一致。結(jié)論：

HIS彩色模型比較符合人眼對彩色的感覺，人眼在判斷一個物體的彩色時，往往也是從HIS這三個方面進行的。20DigitalImageProcessing（3）Y/B-Y/R-Y彩色模型

Y/B-Y/R-Y彩色空間：用于彩色電視系統(tǒng)，Y

為亮度，B-Y/R-Y為兩個色差?？芍挥肶分量表示黑白圖像，解決彩色電視與黑白電視兼容問題。RGB與Y/B-Y/R-Y彩色模型之間轉(zhuǎn)換：

（12.5）－－標準的理論概念，實際中稍有不同。21DigitalImageProcessingPAL制（PhaseAlternatingLine）電視信號的YUV方式，兩個色差信號：U=0.483(B-Y)、V=0.877(R-Y)。RGB和YUV之間轉(zhuǎn)換：（12.6）NTSC（NationalTelevisionSystemCommittee）電視信號的YIQ方式，兩個色差信號：I=Ucos33o+Vsin33o、Q=-Usin33o+Vcos33o

。RGB和YIQ之間轉(zhuǎn)換：（12.7）22DigitalImageProcessingYUV、YIQ模型主要適用于模擬視頻。數(shù)字視頻信號的Y/Cr/Cb彩方式：YCrCb三個分量大體和YUV相對應(yīng)。YCrCb和RGB的關(guān)系：（12.8）所有的變量都是數(shù)字域的變量，取值在0～255之間。

注意：無論是YUV還是YIQ，由于材料、光源等原因，其中的RGB不盡相同，而且都和IEC的RGB稍有不同。23DigitalImageProcessing4.彩色空間的轉(zhuǎn)換由于物體的彩色是客觀存在的、惟一的，因此不同的彩色模型之間必然存在相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系。（1）RGB到HSI彩色轉(zhuǎn)換

(12.9)24DigitalImageProcessing（2）HSI到RGB彩色轉(zhuǎn)換設(shè)S、I、R、G、B的值在0～l之間，則從HIS到RGB的轉(zhuǎn)換按照H分量的不同分為三種情況。HIS模式H在0°～120°之間H在120°～240°之間H在240°～360°之間

RGB模式R=G=B=25DigitalImageProcessing第2節(jié)彩色圖像處理數(shù)字灰度圖像，每一個像素用一個灰度值表示，是一維的標量表示方式。數(shù)字彩色圖像，每一個像素用三個相數(shù)值表示，是一種矢量表示方式。在RGB模式下，三個數(shù)值是R/G/B，在SHI模式下，三個數(shù)值為S/H/I。數(shù)字彩色圖像處理方式：

1）矢量方式－－將彩色圖像的每個像素的三個數(shù)值當作一個矢量來處理；

2）標量方式－－將圖像分為三幅分量圖像，如R、G、B三幅圖像，分別對每一幅圖像用標量的方法進行處理，再將處理后的圖像綜合成一幅彩色圖像。在標量處理方式中，如果處理算法是線性的，那么等效于矢量處理方式。為了盡量利用灰度圖像處理的結(jié)果，大多采用標量的方式來處理彩色圖像。26DigitalImageProcessing1.彩色平衡和補償

彩色平衡：彩色圖像處理中特有的問題，在灰度圖像處理中沒有這個問題。

問題：輸入圖像－－每個像素由不同比例的RGB三個量組成，彩色平衡；經(jīng)過彩色圖像處理系統(tǒng)；輸出圖像－－輸入的這種比例是否仍然保留，彩色是否保持平衡？可以定量地檢查RGB三個分量的比例是否平衡，還可以憑視覺觀察來判斷彩色比例是否保持不變。27DigitalImageProcessing（1）白平衡“白平衡”（whitebalance）：一定比例的R、G、B彩色量相加起來形成白色－－平衡。彩色不平衡：白色物體在處理以后三基色分量比例發(fā)生變化，白色不白。平衡的判斷：檢查白色景物的R、G、B直方圖的峰值是否在一個灰度級。平衡方法：對R、G、B直方圖進行線性變換方法，選其中兩個彩色的直方圖向第三個匹配。28DigitalImageProcessing（2）彩色補償熒光彩色圖像：用R、G、B

三基色對細胞圖像中的不同的成分進行熒光染色。彩色擴散（colorspread）：彩色數(shù)字化設(shè)備有相互覆蓋的光譜敏感區(qū)和熒光粉光譜可變，不該有某種彩色的地方有了少量的這種彩色。

R通道G通道B通道圖12.6圖像的RGB分離彩色分割

RGB圖像29DigitalImageProcessing理想通道值X=(x1x2x3)T，彩色擴散現(xiàn)象，實際通道值Y=(y1y2y3)T。Y=CX+b

(12.10)解決彩色擴散問題，求解X：（12.11）實際得到的色彩Y色擴散系數(shù)矩陣(由實測得)C真實的色彩X灰度偏移b圖12.7彩色擴散方程的物理意義30DigitalImageProcessing【例12.1】一幅醫(yī)學圖像的彩色補償。x1(R)x2(G)x3(B)y1紅通道85%26%24%y2綠通道

5%65%32%y3藍通道10%

9%44%表12.3彩色擴散矩陣C31DigitalImageProcessing

2.彩色圖像增強和濾波（1）彩色增強彩色增強－－改善圖像的主觀質(zhì)量，改善彩色的表現(xiàn)能力，和人的視覺感覺密切相關(guān)的。彩色增強－－在SHI空間比較合適，RGB空間不太合適。彩色增強－－主要是針對色調(diào)的轉(zhuǎn)換與飽和度的增強，SHI空間的I是表征亮度的量，和色度關(guān)系不大。彩色飽和度增強：將某色彩飽和度乘一常數(shù)，或者對彩色的飽和度施加某種線性運算。32DigitalImageProcessing色調(diào)變換：色調(diào)－－由SHI空間S的色平面中的角度決定，小角度變換可以進行冷暖色調(diào)的變換。色調(diào)變換：一般都比較小，基本上還保留原圖像的基本色調(diào)。紫外光380nm紅外光700nm圖12.8冷暖色調(diào)示意圖冷色調(diào)暖色調(diào)33DigitalImageProcessing（2）去噪濾波彩色圖像濾波－－有效地濾除噪聲，保持邊緣細節(jié)，不產(chǎn)生新的彩色失真。1）彩色圖像脈沖噪聲可采用標量濾波。將彩色圖像的三個彩色通道分量分別濾波，然后合成濾波后的彩色圖像。2）彩色圖像脈沖噪聲可采用矢量濾波。將彩色像素作為三維矢量，通過各彩色通道分量之間的聯(lián)系來處理彩色像素，不會產(chǎn)生原圖像所沒有的彩色。3）彩色圖像脈沖噪聲可采用非線性濾波。如中值濾波，在濾除噪聲的同時可以較好地保持圖像細節(jié)。34DigitalImageProcessing（3）彩色圖像復(fù)原彩色圖像復(fù)原－－應(yīng)考慮人的彩色視覺特性：

1）人眼對圖像的細節(jié)部分、灰度跳變部分的靈敏度特別高：對圖像的細節(jié)、邊緣部分，同樣的噪聲，對亮度的影響比色度大。

2）人眼對色調(diào)的分辨率較低，對色飽和度分辨率更低。隨機顆粒噪聲－－對亮度影響比色度更大，尤其是平坦區(qū)域。35DigitalImageProcessing3.彩色圖像分割

彩色圖像分割與灰度圖像分割的定義及目標基本一致。彩色圖像包含更豐富的信息，有多種彩色空間的表達方式。彩色圖像的分割方法：在彩色空間內(nèi)劃分像素，在圖像空間內(nèi)劃分像素。1）彩色圖像灰度化。直接將彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，然后將彩色圖像按灰度圖像進行分割。36DigitalImageProcessing2）直方圖閾值分割法。將彩色圖像分解為紅、綠、藍三幅單色圖像，將灰度圖像直方圖閾值分割的方法應(yīng)用到每一幅單色圖像上，將分割結(jié)果組合起來映射到空域構(gòu)成分割的彩色圖像。

也可在SHI

空間將彩色圖像看成亮度、色調(diào)和飽和度三幅圖像進行分割。3）基于空域邊緣檢測。利用圖像區(qū)域（像素）之間的邊緣進行圖像分割。4）區(qū)域生長和區(qū)域合并。利用區(qū)域之間的鄰接和彩色相似性進行區(qū)域生長和區(qū)域合并。也可采用分水嶺分割算法完成圖像的初始分割。37DigitalImageProcessing5）彩色空間聚類。將彩色信息視為物體的特征信息，彩色空間即成為特征空間。再利用圖像中像素的彩色特征信息進行聚類。(a)原彩色圖像圖12.9彩色圖像的聚類分割(b)聚類分割結(jié)果背景類果體類果蒂類38DigitalImageProcessing第3節(jié)偽彩色圖像處理偽彩色處理：將一幅原來沒有色彩的灰度圖像映射到彩色空間，成一幅“偽彩色”圖像?！皞尾噬辈⒉槐硎緢D像中物體的真正的彩色。偽彩色變換方法：

1）利用灰度-色彩映射關(guān)系：將單色圖像的每個灰度級匹配到彩色空間上的一點，映射為一幅彩色圖像。2）利用頻率-色彩映射關(guān)系：基于頻域濾波的偽彩色變換方法。39DigitalImageProcessing1.灰度分割偽彩色處理人眼對灰度不太敏感，只能分辨出幾十個灰度；