圖像處理第12章 彩色圖像處理

第12章彩色圖像處理本章內(nèi)容彩色視角原理和描述常用彩色模型偽彩色圖像增強(qiáng)技術(shù)真彩色圖像處理12.1彩色視覺(jué)和色度圖12.1.1彩色視覺(jué)基礎(chǔ)彩色和顏色并不等同。顏色可分為無(wú)彩色和有彩色兩大類。無(wú)彩色：指白色、黑色和各種深淺程度不同的灰色。（

以白色為一端，通過(guò)一系列從淺到深排列的各種灰色，到達(dá)另一端的黑色，這些灰色可以組成一個(gè)黑白系列。），一般認(rèn)為反射少于入射光的4%就認(rèn)為是黑色，反射在80%~90%以上認(rèn)為是白色；彩色：除去上述黑白系列以外的各種顏色（通常所說(shuō)的顏色一般多指彩色）

彩色視覺(jué)的物理基礎(chǔ)視網(wǎng)膜上的3種錐細(xì)胞：?錐細(xì)胞：對(duì)入射的輻射有不同的頻譜響應(yīng)曲線（對(duì)顏色很敏感→有彩色）色覺(jué)產(chǎn)生過(guò)程：彩色視覺(jué)的生理基礎(chǔ)?與化學(xué)過(guò)程有關(guān)?

與神經(jīng)處理過(guò)程有關(guān)光源視網(wǎng)膜反射折射傳遞信息分析、解釋12.1.2三基色與色匹配三基色是彩色的基本單元，它們的組合可產(chǎn)生許多彩色，這稱為色匹配。三基色對(duì)應(yīng)視網(wǎng)膜中三種不同的感受彩色的錐細(xì)胞。1、三基色紅（R，red）：

700nm綠（G，green）：546.1nm藍(lán)（B，blue）：

435.8nm圖12.1.1

三種感受細(xì)胞的波長(zhǎng)響應(yīng)曲線2、色匹配相加配對(duì)：

其中

表示匹配；r，g，b為比例系數(shù)，r+g+b=1。僅相加不能配對(duì)時(shí)：在匹配某些顏色時(shí)，只靠把R、G、B相加并不總能得出相等的配對(duì)，此時(shí)可將三原色之一加到被匹配顏色一方（即寫成負(fù)值），以達(dá)到相等的顏色配對(duì)，例如：12.1.3色度圖1、色度和色度系數(shù)描述彩色特性的三種（基本）感知量：色調(diào)和飽和度合起來(lái)稱為色度；彩色可用亮度和色度共同表示。組成彩色的三個(gè)刺激量：

X，Y，Z

對(duì)白光，有X=1，Y=1，Z=1刺激值與三基色的關(guān)系：根據(jù)刺激值也可得到三基色：設(shè)每種刺激量的比例系數(shù)為x，y，z，則有：

C=xX+yY+zZ比例系數(shù)x,y,z也稱為色系數(shù)，表示為：可以看出：2、色度圖借助色度圖，我們可以方便地以2-D形式表現(xiàn)組成某種彩色的三基色的比例。圖12.1.2

色度圖示意

波長(zhǎng)單位是nm，橫軸對(duì)應(yīng)紅色系，縱軸對(duì)應(yīng)綠色系，藍(lán)色系數(shù)值可由z=1-(x+y)求得。連接380nm和780nm的直線是光譜上所沒(méi)有的由藍(lán)到紅的紫色系列。在色度圖中：(1)

每點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一種可見(jiàn)的顏色，任何可見(jiàn)顏色都可以在色度圖中定位；(2)

邊界上的點(diǎn)代表純彩色，移向中心表示混合的白光增加而純度減少，中心點(diǎn)處個(gè)光譜能量相等純度為零；(3)

連接任兩端點(diǎn)的直線上的各點(diǎn)表示將這兩端點(diǎn)所代表的顏色相

加可組成的一種顏色；(4)

過(guò)C點(diǎn)直線端點(diǎn)的兩彩色為互補(bǔ)色；(5)

三角形包含由三頂點(diǎn)可組成的顏色。3.對(duì)色度圖的討論例12.1.1PAL和NTSC兩種制式的色度三角形(1)技術(shù)上產(chǎn)生高飽和度顏色較困難，所以基本色均非完全飽和色；(2)以RGB作為頂點(diǎn)的三角形應(yīng)較大，以包括較大面積，即較多色彩；(3)飽和的藍(lán)綠色不常用，故三角形的紅色頂點(diǎn)最靠近光譜飽和軌跡。12.2彩色模型

彩色模型建立在彩色空間中，也有直接稱彩色空間。建立彩色模型可看作建立一個(gè)3-D的空間坐標(biāo)系統(tǒng)，其中每點(diǎn)都代表某一種特定的彩色。目前所提出的彩色模型根據(jù)其基礎(chǔ)原理的不同給可分為4大類：（1）比色/色度模型，基于對(duì)光譜發(fā)射的物理測(cè)量；（2）心理物理/精神物理模型，基于人類對(duì)顏色的感知，如HSI模型;（3）生理學(xué)模型，基于人類視網(wǎng)膜中存在3種基本的顏色感知錐細(xì)胞，如RGB模型；（4）對(duì)立模型，基于感知實(shí)驗(yàn)，如HSB。12.2.1

面向硬設(shè)備的彩色模型面向硬設(shè)備的彩色模型非常適合在圖像采集輸入和圖像輸出顯示的場(chǎng)合使用。1、RGB模型

RGB模型是一種與人的視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)密切相連的模型。建立在笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)里，其中三個(gè)坐標(biāo)軸分別表示R，G，B。圖12.2.1RGB彩色立方體

12.2.1

面向硬設(shè)備的彩色模型模型的空間是個(gè)正方體，原點(diǎn)對(duì)應(yīng)黑色，離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)白色。

從黑到白的灰度值分布在從原點(diǎn)到離原點(diǎn)最遠(yuǎn)頂點(diǎn)間的連線上，而立方體內(nèi)其余各點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的彩色，可用從原點(diǎn)到該點(diǎn)的矢量表示。一般為方便起見(jiàn)，總將立方體歸一?；癁閱挝涣⒎襟w，這樣所有的R、G、B的值都在區(qū)間[0,1]之中。

這個(gè)模型中，每幅彩色圖像包括三個(gè)獨(dú)立的基色平面，或者說(shuō)可以分解到三個(gè)平面上，反過(guò)來(lái)，如果一幅圖像可被表示為三個(gè)平面，使用這個(gè)模型就比較方便。2、CMY模型：CMY為顏料的三基色。顏料的基色是指吸收一種光基色并讓其他兩種光基色發(fā)射的顏料，所以顏料的三基色正好是光的三補(bǔ)色，它們組成CMY模型：CMY模型主要用于彩色打印。C：藍(lán)綠（藍(lán)+綠）M：品紅（紅+藍(lán)）Y：黃（紅+綠）12.2.2

面向視覺(jué)感知的彩色模型

面向硬設(shè)備的彩色模型與人的視覺(jué)感知有一定區(qū)別且使用時(shí)不太方便。1、HSI模型H

表示色調(diào)（hue）；S表示飽和度（saturation）；I

表示強(qiáng)度（intensity，對(duì)應(yīng)成像亮度和圖像灰度）。兩個(gè)基本特點(diǎn)：（1）I分量與圖象的彩色信息無(wú)關(guān)；（2）H

和S分量與人感受彩色的方式緊密相連（合稱色度）

。對(duì)其中任意個(gè)色點(diǎn)P，其H值對(duì)應(yīng)指向該點(diǎn)的矢量與R軸的夾角，這個(gè)點(diǎn)的S與之相該點(diǎn)的矢量長(zhǎng)度成正比，越長(zhǎng)越飽和

。在這個(gè)模型中，I的值是沿著一根通過(guò)三角形中心并垂直于三角形平面的直線來(lái)測(cè)量的，從紙面出來(lái)越多越白，進(jìn)入紙面越多越黑。(a)圖所示HSI顏色三角形只表示了色度。如果將HSI的3個(gè)分量全考慮而構(gòu)成3-D顏色空間，則得到如圖(b)所示雙棱錐結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)外表面的色點(diǎn)具有純的飽和色，任一色點(diǎn)的I可用于最下黑點(diǎn)的高度差來(lái)表示。2、HSI模型和RGB模型的轉(zhuǎn)換從RGB轉(zhuǎn)換到HSI：當(dāng)S=0時(shí)，對(duì)應(yīng)無(wú)色，這時(shí)的H沒(méi)意義，此時(shí)定義H為0.另外當(dāng)I=0或I=1時(shí)，討論S也沒(méi)有意義S的另外算法2、HSI模型和RGB模型的轉(zhuǎn)換上式對(duì)H的算法較麻煩，為減少計(jì)算：(1)如果B=min(R,G,B)則(1)如果R=min(R,G,B)則(1)如果G=min(R,G,B)則從HSI轉(zhuǎn)換到RGB：(1)0°<H<120°(2)120°<H<240°(3)240°<H<360°12.3偽彩色增強(qiáng)

偽彩色增強(qiáng)處理的輸入是灰色圖像，而輸出是彩色圖像。偽彩色增強(qiáng)把原來(lái)灰度圖像中不同灰度值的區(qū)域人工賦予不同的顏色以更明顯的區(qū)分它們。有3種典型的方法可以實(shí)現(xiàn)偽彩色增強(qiáng)：亮度切割、偽彩色變換映射、頻域?yàn)V波。1、亮度切割將圖象看作2-D亮度函數(shù)，用1個(gè)平行于圖象坐標(biāo)平面的平面去切割圖象亮度函數(shù)，從而把亮度函數(shù)分成2個(gè)灰度值區(qū)間。圖12.3.1

亮度切割示意圖橫軸為坐標(biāo)軸，縱軸為灰度值軸其中：如果象素灰度值在切割灰度值Lm之下就被賦予某一種顏色Cm，如果在Lm之上就被賦予另一種顏色Cm+1。Rm為切割平面限定的灰度值區(qū)間，而Cm是所賦的顏色。推廣：M個(gè)切割平面，L個(gè)灰度級(jí)其中，Rm為切割平面限定的灰度值區(qū)間，而Cm是所賦的顏色。所以利用上式可以獲得對(duì)圖像亮度分層的結(jié)果。2、偽彩色變換映射偽彩色變換映射通過(guò)對(duì)每個(gè)原始圖中像素的灰度值分別用三個(gè)獨(dú)立的連續(xù)變換來(lái)處理，從而將各個(gè)灰度都映射為不同的彩色。圖12.3.3偽彩色變換函數(shù)示例根據(jù)下圖，灰度值偏小的像素將主要呈現(xiàn)藍(lán)色，灰度值偏大的像素將主要呈現(xiàn)紅色，中間灰度值的像素姜片綠色且飽和度較低。

將3個(gè)變換的結(jié)果分別輸入3個(gè)電子槍，就可以得到其顏色內(nèi)容由三個(gè)變換函數(shù)調(diào)制的混合圖像。該方法可看作亮度切割的推廣（任意函數(shù)）。實(shí)際中變換函數(shù)常使用取絕對(duì)值的正弦函數(shù)，特點(diǎn)是在峰值處比較平緩而在低估出比較尖銳，通過(guò)改變每個(gè)正弦波的相位和頻率就可以改變相應(yīng)灰度值所對(duì)應(yīng)的彩色。3、頻域?yàn)V波

基本思想：對(duì)原來(lái)灰度圖象中的不同頻率分量（可分別借助低通，帶通/帶阻，高通濾波器獲得）賦予不同的彩色（區(qū)域性非點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）。圖12.3.5用于偽彩色增強(qiáng)的頻域?yàn)V波框圖12.4真彩色處理

被處理的圖像原理就是彩色的，輸出的結(jié)果也是彩色的。12.4.1

處理策略(1)

將一幅彩色圖象看作三幅分量圖象的組合體，先分別單獨(dú)處理，再將結(jié)果合成；(2)

將一幅彩色圖象中的每個(gè)象素看作具有三個(gè)屬性值，即屬性現(xiàn)在為一個(gè)矢量，利用對(duì)矢量的表達(dá)方法進(jìn)行處理。

根據(jù)上述兩種策略進(jìn)行處理的結(jié)果有可能相同也有可能不同，主要取決于處理操作的特性。要讓兩種處理的結(jié)果相同，則對(duì)處理的方法和處理的對(duì)象都有一定的要求。對(duì)處理的方法和處理的對(duì)象都有一定的要求：(1)既能用于標(biāo)量又能用于矢量；(2)

對(duì)每個(gè)分量的處理要與其他分量獨(dú)立。例：對(duì)圖像進(jìn)行領(lǐng)域平均對(duì)一幅彩色圖，領(lǐng)域平均可用兩種方法：（1）按分量進(jìn)行領(lǐng)域平均再將結(jié)果結(jié)合起來(lái)可表示為：（2）直接按矢量進(jìn)行領(lǐng)域平均可表示為：在使用拉普拉斯算法進(jìn)行的彩色圖像銳化中，因?yàn)椋核裕苯影词噶窟M(jìn)行銳化濾波和分別按分量進(jìn)行銳化濾波在結(jié)合起來(lái)也是等價(jià)的。說(shuō)明：只有線性處理操作兩種結(jié)果才會(huì)等價(jià)。12.4.2單分量變換增強(qiáng)

一幅彩色圖可以看作是由三幅分量圖像結(jié)合而成。對(duì)任意一幅分量的增強(qiáng)都會(huì)使其所屬的彩色圖像的視覺(jué)效果發(fā)生變化。1、基本原理和步驟對(duì)彩色圖像的映射變換增強(qiáng)可用下式表示：式中，[T1，T2，T3]給出對(duì)fi(x,y)進(jìn)行變換而產(chǎn)生gi(x,y)的映射函數(shù)集合，實(shí)際中這些函數(shù)可以相同也可以不相同。對(duì)單分量增強(qiáng)的基本步驟：(1)

將R，G，B分量圖轉(zhuǎn)化為H，S，I分量圖；(2)

利用對(duì)灰度圖增強(qiáng)的方法增強(qiáng)其中的某個(gè)分量圖；(3)

再將結(jié)果轉(zhuǎn)換為R，G，B分量圖。2、亮度增強(qiáng)亮度增強(qiáng)可通過(guò)上述第（2）步通過(guò)增強(qiáng)亮度分量圖來(lái)實(shí)現(xiàn)。這里可使用灰度變換、直方圖均衡化等方法。雖然亮度增強(qiáng)不改變?cè)瓐D的彩色內(nèi)容，但增強(qiáng)后的圖會(huì)使得人對(duì)色調(diào)或飽和度的感受有所不同。3、飽和度增強(qiáng)飽和度增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方式和亮度增強(qiáng)的方式類似。增加飽和度：彩色更濃，反差增加、邊緣清晰；減小飽和度：部分區(qū)域成為灰色，整體比較平淡。圖12.4.1飽和度改變的效果(a)(b)(c)(a)原圖；(b)僅增加飽和度分量；(c)減小飽和度。4、色調(diào)增強(qiáng)

根據(jù)HSI模型的表示方法，色調(diào)對(duì)應(yīng)一個(gè)角度且是循環(huán)的。如果在增強(qiáng)時(shí)對(duì)每個(gè)像素的色調(diào)增加一個(gè)常數(shù)（角度值），將會(huì)使其顏色在色譜上移動(dòng)。色調(diào)+

小常數(shù)：圖象變“暖”或變“冷”；色調(diào)+大常數(shù)：對(duì)圖象感受會(huì)發(fā)生比較激烈的變化。圖12.4.2一組飽和度和色調(diào)都變化的圖像12.4.3

全彩色增強(qiáng)

單分量變換增強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)是由于使用HSI彩色空間將亮度、飽和度和色調(diào)分解開來(lái)，對(duì)增強(qiáng)的操作比較簡(jiǎn)單易行；缺點(diǎn)是總會(huì)產(chǎn)生整體彩色感知的變化。所以在有的增強(qiáng)工作中，需要同時(shí)考慮彩色的所有分量。1、彩色切割增強(qiáng)

自然圖象中對(duì)應(yīng)同一個(gè)物體或物體部分的象素，他們的彩色在彩色空間中應(yīng)該是聚集在一起的。在彩色空間將與需增強(qiáng)部分對(duì)應(yīng)的聚類確定出來(lái)并進(jìn)行增強(qiáng)。讓與這個(gè)聚類對(duì)應(yīng)的像素保持原來(lái)的顏色，而讓圖像中的其他像素取某個(gè)單一的顏色，就能達(dá)到增強(qiáng)圖像視覺(jué)效果的目的。這與偽彩色增強(qiáng)中的亮度切割方法類似，所以稱為彩色切割。例：采用RGB彩色空間先計(jì)算三個(gè)彩色分量的平均值：算得平均值后可確定各個(gè)彩色分量的分布寬度dR、dG、dB。根據(jù)平均值和分布寬度可確定對(duì)應(yīng)區(qū)域W的彩色空間的彩色包圍矩形：#W代表區(qū)域W中的像素個(gè)數(shù)。2、假彩色增強(qiáng)

假彩色增強(qiáng)與偽彩色增強(qiáng)不同，其輸入和輸出都是彩色圖像。

使原始彩色圖象中一些感興趣的部分呈現(xiàn)與原來(lái)完全不同的，且與人們的預(yù)期也很不相同的（非自然）假顏色，從而可以更容易得到關(guān)注。

增強(qiáng)圖像中

原始圖像中12.4.4

全彩色濾波和消噪1、彩色圖像中的噪聲

用于灰度圖像的噪聲模型也可用于彩色圖像。彩色圖象有3個(gè)通道，所以受噪聲影響可能更大。假設(shè)R、G、B通道都受到噪聲影響，它們合成的彩色圖象中的噪聲看起來(lái)會(huì)比單個(gè)通道中的噪聲要弱一些（疊加平均）。

將有隨機(jī)噪聲的RGB圖象轉(zhuǎn)換為HSI圖象，則由于余弦計(jì)算和最小值計(jì)算的非線性性，色調(diào)圖象和飽和度圖象中的噪聲會(huì)更明顯些；而亮度圖象中的噪聲由于相加計(jì)算的平均作用而有所平滑。2、矢量數(shù)據(jù)排序由于彩色圖像是矢量圖像，而矢量既有大小又有方向，所以對(duì)彩色圖像中像素值的排序不能由將灰度圖像排序方法直接推廣而得到。（1