第六講-彩色圖像處理

為什么研究彩色圖像？第一、顏色是一個強(qiáng)有力的描繪子：1、簡化目標(biāo)物的區(qū)分和從場景中提取目標(biāo)第二、符合人類視覺的特點(diǎn)（對人工圖像分析很重要）2、目標(biāo)識別：根據(jù)目標(biāo)的顏色特征。1、可辨別的灰度層次約有四十種2、對顏色的辨別能力和亮度->光波波長改變1-2nm，人眼即可感覺到->人眼同時可辨別幾千種不同色彩和亮度的顏色->目標(biāo)物的顏色變小時，色覺顏色也變，面積小到一定程度，顏色變?yōu)榛疑?>目標(biāo)物的色度相同而背景色度不同，感覺到不同的顏色第一頁，共55頁。->一個純黑白物在特定條件下表現(xiàn)為不同的顏色（Benham黑白園板）Note：1、視覺是一種生理和心理現(xiàn)象，其機(jī)理在探索中。對彩色(顏色)的許多結(jié)論是建立在實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果支持的基礎(chǔ)上。

2、對彩色圖像的處理是基于對其適當(dāng)?shù)拿枋龇椒?。第二頁，?5頁。一、彩色基礎(chǔ)400nm700nm紫外光紅外光可見光區(qū)546.1nm435.8nm780nm第三頁，共55頁。光的吸收率

藍(lán)紫色

紫藍(lán)色400450500550600650700nm

藍(lán)色

藍(lán)綠色

綠色

黃綠色

黃色

橙色

紅橙色

紅色藍(lán)綠紅人眼中紅綠藍(lán)錐狀體的波長吸收系數(shù)人類視覺對紅、綠、藍(lán)三種顏色的光最為敏感。從而構(gòu)成了三基色假說。第四頁，共55頁。三基色假說(格拉斯曼定律)：三基色是這樣的三種顏色，它們相互獨(dú)立，其中任一色均不能由其它二色混合產(chǎn)生。但它們又是完備的，即其它所有的顏色都可以由三基色按照不同的比例混合而得到。任何顏色均可有RGB產(chǎn)生：C=a(R)+b(G)+c(B)兩種基色系統(tǒng)：加色系和減色系統(tǒng)第五頁，共55頁。方法一：區(qū)別顏色的三特性：亮度、色調(diào)和飽和度二、顏色的描述亮度：包含無色的強(qiáng)度的概念。主觀描述不可測量色調(diào)：光波混合中和主波長有關(guān)的屬性，觀察者接受的主要顏色。飽和度：色彩的純度，純度高則鮮明，純度低則黯淡。如粉紅色(紅+白)欠飽和，純譜色是全飽和。色調(diào)與飽和度一起成為彩色。三色值系數(shù)：X、Y、Z分別表示某種顏色中紅綠藍(lán)的量，即三色值。第六頁，共55頁。方法二：CIE色度圖第七頁，共55頁。1、RGB彩色模型（面向硬件）笛卡爾坐標(biāo)系中以700nm(紅)、546.1nm(綠)、435.8nm(藍(lán))為三基色。三、彩色模型R:200G:50B:120黃(255,255,0)黑(0,0,0)綠(0,255,0)青(0,255,255)藍(lán)(0,0,255)品紅(255,0,255)白(255,255,255)紅(255,0,0)1、CCD直接感知的是RGB三個分量；2、圖像成像、顯示、打印等設(shè)備的基礎(chǔ)。第八頁，共55頁。RGB正方體模型的展開第九頁，共55頁。2、HSI模型符合人描述和解釋顏色的方式。如：紅色分為淺紅和深紅色等H：色調(diào)，I：亮度，S：飽和度I：亮度H：色調(diào)S：飽和度（圓周為1，中心為0）Note：亮度與色調(diào)和飽和度分開；僅分析反應(yīng)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。第十頁，共55頁。HIS模型第十一頁，共55頁。色調(diào)（H）的效果示意圖H=0oH=60oH=120oH=180oH=240oH=300o第十二頁，共55頁。HSI模型的優(yōu)勢1、從人的視覺系統(tǒng)出發(fā)，有H、S、I描述色彩2、相比REG彩色空間模型，更符合人的視覺特點(diǎn)3、在圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺中的大量算法都可在HIS空間中方便的使用4、H、S、I可以分開處理而且相互獨(dú)立I分量與圖像的彩色信息無關(guān)；HS分量與人感受顏色的方式緊密相連。5、HIS色彩空間中可以簡化圖像分析和處理的工作量6、HIS和RGB是同一物理量的不同表示方法，因而可以相互轉(zhuǎn)化第十三頁，共55頁。3、RGB和HIS之間的轉(zhuǎn)換RGB→HSI第十四頁，共55頁。HSI

→RGB注意：300~360之間為非可見光譜色，沒有定義第十五頁，共55頁。RGB分量和與之對應(yīng)的HIS圖像分量RGB→HSI第十六頁，共55頁。RGB分量和與之對應(yīng)的HIS圖像分量HSI→RGB色調(diào)藍(lán)綠區(qū)域像素為零青色區(qū)域飽和度減半飽和度白區(qū)強(qiáng)度減半強(qiáng)度RGB第十七頁，共55頁。

偽彩色處理是根據(jù)特定的準(zhǔn)則對灰度值賦以彩色的處理，是區(qū)別于真彩色處理和對單色圖像賦以彩色的處理。四、偽彩色處理應(yīng)用：人類視覺觀察和解釋圖像中的灰度目標(biāo)。

偽彩色處理方法：1、強(qiáng)度分層2、灰度級到彩色的轉(zhuǎn)換第十八頁，共55頁。1、強(qiáng)度分層技術(shù)圖像的描述強(qiáng)度分層技術(shù)的幾何解釋對切割平面以下部分編碼為一種色彩，以上部分編碼為一種色彩，獲得一幅兩色圖像。分層技術(shù)總結(jié)：

垂直于灰度軸的P個平面（分為p+1個間隔）的量級定義為：灰度到彩色的幅值關(guān)系：Ck是與強(qiáng)度間隔為Vk的第k級強(qiáng)度有關(guān)的顏色，Vk由l=k-1和l=k分割平面定義。第十九頁，共55頁。例1強(qiáng)度分層甲狀腺模型及其強(qiáng)度分層圖甲狀腺模型的單色圖像強(qiáng)度分為8個彩色的圖像單色灰度圖像很難分辨出病變，強(qiáng)度分層圖像很容易辨別病變部位。第二十頁，共55頁。例2焊縫缺陷的檢測焊縫X光的單色圖像彩色編碼的圖像

在灰度級是已知的前提下，強(qiáng)度分層在可視化方面是簡單而有力的手段。簡化工作，降低失誤率。第二十一頁，共55頁。例3降雨量的觀察強(qiáng)度與月平均降雨量對應(yīng)的灰度圖像南美區(qū)域放大圖

彩色編碼圖像對強(qiáng)度值賦予顏色第二十二頁，共55頁。2、灰度級到彩色轉(zhuǎn)換灰度級到彩色變換圖灰度級到彩色的變換是基于平滑的非線性函數(shù)。第二十三頁，共55頁。例4行李中爆炸物的檢測行李的X光單色圖像

彩色編碼圖像第二十四頁，共55頁。例5木星的偽彩色圖像

木星的偽彩色圖像

靠近木星的偽彩色圖像紅色部分為活火山噴出的物質(zhì)周圍黃色物質(zhì)為陳舊的硫沉積物第二十五頁，共55頁。全彩色處理研究分為兩大類：五、全彩色處理1、分別處理每一分量圖像，再合成彩色圖像；2、直接處理彩色像素。此時像素作為一個向量第二十六頁，共55頁。1、變換函數(shù)六、彩色變換g(x,y)：變換后的彩色輸出圖像f(x,y)：彩色輸入圖像T：在空間鄰域（x,y）上對f的操作。2、彩色變換ri、si：任何點(diǎn)處彩色分量的變量在RGB、HIS彩色空間，n=3；第二十七頁，共55頁。草莓和咖啡杯的全彩色圖像草莓由深紅和黃色組成草莓包含大量的紅色，綠色和藍(lán)色很少強(qiáng)度分量是全彩色原像的單色復(fù)現(xiàn)；草莓的飽和度最高，色調(diào)被白光稀釋的最少第二十八頁，共55頁。3、補(bǔ)色定義：在圖示彩色環(huán)上，與一種色調(diào)直接對立的另一種色調(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)，特別是在大小上占支配地位的細(xì)節(jié)。第二十九頁，共55頁。例6計(jì)算彩色圖像的補(bǔ)色基于RGB變換的補(bǔ)色圖像變換函數(shù)用HIS變換的RGB補(bǔ)色的近似第三十頁，共55頁。4、彩色分層突出圖像中特殊才彩色區(qū)域，以便分離出目標(biāo)物?；舅悸罚?、顯示感興趣顏色以便從背景中分離；2、在彩色定義的區(qū)域中使用處理技術(shù)。方法：若感興趣顏色有寬度W，中心在原彩色(平均)點(diǎn)并具有分量(a1,a2,…..,an)的立方體中，其變換集為：若感興趣的顏色是半徑為R0的封閉球形，則其變換集為：第三十一頁，共55頁。例7、彩色分層技術(shù)RGB=（0.6863,0.1608,0.1922）W=0.2549的立方體區(qū)域RGB=（0.6863,0.1608,0.1922）R0=0.1765的封閉球形區(qū)域第三十二頁，共55頁。5、色調(diào)和彩色校正目的：試驗(yàn)性地調(diào)整圖像亮度和對比度，以便在合適的亮度上提供最大的細(xì)節(jié)，彩色本身并不改變。例8灰度變換HIS空間中僅改變亮度分量，RGB和CMY(K)空間中用相同的變換函數(shù)映射各個分量。第三十三頁，共55頁。例9彩色平衡第三十四頁，共55頁。6、HIS空間下的直方圖均衡均勻擴(kuò)展彩色強(qiáng)度，保留彩色本身(色調(diào))不變。例10直方圖均衡第三十五頁，共55頁。1、彩色圖像平滑六、平滑和尖銳化原則：在彩色圖像鄰域中對分量向量做均值處理。

令Sxy表示在RGB彩色圖像中定義一個中心在(x,y)的鄰域的坐標(biāo)集，在該領(lǐng)域中中RGB分量的平均值為：第三十六頁，共55頁。例11彩色圖像平滑RGBRedGreenBlue第三十七頁，共55頁。HIS分量圖像HSI第三十八頁，共55頁。5X5平均模板平滑圖像的結(jié)果RGB平滑圖HIS強(qiáng)度分量平滑后的RGB圖像二者差異第三十九頁，共55頁。彩色圖像的平滑處理第四十頁，共55頁。2、彩色圖像尖銳化向量的拉普拉斯微分算子：輸入向量的獨(dú)立標(biāo)量分量的拉普拉斯微分RGB彩色圖像中向量c的拉普拉斯變換為：第四十一頁，共55頁。例12拉普拉斯尖銳化RGB銳化圖像HIS僅對強(qiáng)度銳化后的RGB圖像二者差異第四十二頁，共55頁。彩色圖像的銳化處理第四十三頁，共55頁。1、HSI彩色空間分割(效果差)七、彩色分割H色調(diào)圖像描述彩色很方便；S飽和度作為模板分離出感興趣目標(biāo)；強(qiáng)度不包含彩色信息而不常用。2、RGB向量空間分割(效果更好)目的：分割出特殊彩色區(qū)域的目標(biāo)。

首先獲得目標(biāo)的有代表性的彩色點(diǎn)樣品集，其次在某一種距離測度上，給滿足相似性度量的像素點(diǎn)集編碼即可。第四十四頁，共55頁。選擇在歐式空間的距離度量：設(shè)選擇的彩色平均向量為a，距離閾值為D0，則：滿足D(a,z)≤D0的點(diǎn)集構(gòu)成一個球心在a，半徑為D0的實(shí)心球。更一般選擇的距離測度為：第四十五頁，共55頁。原圖色調(diào)H飽和度S強(qiáng)度I二值S二值S與H相乘相乘的直方圖原圖紅分量的分割例13HIS空間分割(微紅色區(qū)域)第四十六頁，共55頁。例14RGB空間分割(微紅色區(qū)域)

選擇方形區(qū)域做樣本，計(jì)算中心a，盒子的尺度為標(biāo)準(zhǔn)差的1.25倍HIS分割記過第四十七頁，共55頁。1、HSI彩色空間分割(效果差)八