基于MATLAB的圖像偽彩色處理

.專業(yè)整理.圖像偽彩色處理近幾年來,隨著多媒體技術(shù)和因特網(wǎng)的迅速發(fā)展和普及,數(shù)字圖像處理技術(shù)受到了前所未有的廣泛重視,出現(xiàn)了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。最顯著的是數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)從工業(yè)領(lǐng)域、實驗室走入了商業(yè)領(lǐng)域及辦公室,甚至走入了人們的日常生活。由于彩色圖像提供了比灰度圖像更為豐富的信息,因此彩色圖像處理正受到人們越來越多的關(guān)注。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。由于人眼對彩色的分辨率遠(yuǎn)高于對灰度差的分辨率，所以這種技術(shù)可用來識別灰度差較小的像素。這是一種視覺效果明顯而技術(shù)又不是很復(fù)雜的圖像增強技術(shù)?；叶葓D像中，如果相鄰像素點的灰度相差大，人眼將無法從圖像中提取相應(yīng)的信息，因為人眼分辨灰度的能力很差，一般只有幾十個數(shù)量級，但是人眼對彩色信號的分辨率卻很強，這樣將黑白圖像轉(zhuǎn)換為彩色圖像后，人眼可以提取更多的信息量。同時MATLAB技術(shù)對于我們實現(xiàn)數(shù)字圖像處理是一種非常有效的實用工具。引言進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人類社會正健步邁入信息化時代。在人類所接收到的全部信息中，70%以上的通過視覺得到的。因此對數(shù)字圖像進(jìn)行有效地處理變換十分重要，而且彩色圖像占很大的比例，所以，對彩色圖像的處理顯得尤為重要。其中偽彩色處理技術(shù)就是一項很重要的圖像處理技術(shù)。偽彩色處理是指將黑白圖像轉(zhuǎn)化為彩色圖像，或者是將單色圖像變換成給定彩色分布的圖像。由于人眼對彩色的分辨率遠(yuǎn)高于對灰度差的分辨率，所以這種技術(shù)可用來識別灰度差較小的像素。這是一種視覺效果明顯而技術(shù)又不是很復(fù)雜的圖像增強技術(shù)?；叶葓D像中，如果相鄰像素點的灰度相差大，人眼將無法從圖像中提取相應(yīng)的信息，因為人眼分辨灰度的能力很差，一般只有幾十個數(shù)量級，但是人眼對彩色信號的分辨率卻很強，這樣將黑白圖像轉(zhuǎn)換為彩色圖像后，人眼就可以提高對圖像細(xì)節(jié)的辨別力，提取更多的信息量。因此，偽彩色處理的主要目的是為了提高人眼對圖像的細(xì)節(jié)的分辨能力，以達(dá)到圖像增強的目的。偽彩色圖像處理技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于遙感和醫(yī)學(xué)圖像處理中，適用于航攝、遙感圖片和云圖判讀、X光片等方面。.學(xué)習(xí)幫手..專業(yè)整理.基本原理是將黑白圖像或者單色圖像的各個灰度級匹配到彩色空間中的一點，從而使單色圖像映射成彩色圖像。黑白圖像中不同的灰度級賦予不同的彩色。2.算法f(x，y)為一副黑白圖像，R(x，y)，G(x，y)，B(x，y)為f(x，y)映射到RGB空間的三個顏色分量，則偽彩色處理可以表示為：給定不同的映射函數(shù)就能將灰度圖像轉(zhuǎn)化為不同的偽彩色圖像。需要注意的是，偽彩色雖然能將黑白灰度轉(zhuǎn)化為彩色，但這種彩色并不是真正表現(xiàn)圖像的原始顏色，而僅僅是一種便于識別的偽彩色。在實際應(yīng)用中，通常是為了提高圖像分辨率而進(jìn)行偽彩色處理，所以應(yīng)采用分辨效果最好的映射函數(shù)。偽彩色處理技術(shù)的實現(xiàn)方法有多種，如灰度分層法、灰度級-彩色變換法、頻域濾波法等等。密度分層法①理論基礎(chǔ)及公式推導(dǎo)密度分層法是把灰度圖像的灰度級從0（黑）到M0（白）分成N個區(qū)間Ii(i=1，2，…，N),給每個區(qū)間Ii指定一種彩色Ci，這樣，便可以把一幅灰度圖像變成一幅偽彩色圖像。該方法比較簡單、直觀。缺點是變換出的彩色數(shù)目有限?；叶仁敲枋龌叶葓D像內(nèi)容的最直接的視覺特征，它指黑白圖像中點的顏色深度，范圍一般從0到255白色為255，黑色為0，中間的數(shù)字從小到大表示由黑到百的過渡色，即可以表示不同的灰度等級?；叶惹蟹质疽鈭D如下圖：.學(xué)習(xí)幫手..專業(yè)整理.設(shè)原始黑白圖像的灰度范圍為：0≤f(x,y)≤L用k+1灰度等級把該灰度范圍分為k段：I0，I1,...,IkI0=0(黑)，Ik=L（白）映射每一段灰度成一種顏色，映射關(guān)系為：(x,y)=C1(I（i-1）≤f（x，y）≤I（i）；i=1，2...k)這里ɡ(x,y)為輸出的偽彩色圖像；Ci為灰度在[I(i-1),I(i)]中時所映射成的彩色。.學(xué)習(xí)幫手..專業(yè)整理.經(jīng)過這種映射處理后，原始黑白圖像f（x，y）就變成了偽彩色圖像ɡ(x,y)。若原始圖像f（x，y）就編程了偽彩色圖像ɡ(x,y)。若原始圖像f（x，y）的灰度分布遍及上述k個灰度段，則偽彩色圖像ɡ(x,y)就具有k中彩色。②仿真結(jié)果及分析：灰度圖像：密度分層圖像:分層級數(shù)為8:.學(xué)習(xí)幫手..專業(yè)整理.分層級數(shù)為16:分層級數(shù)為64:③結(jié)果分析：.學(xué)習(xí)幫手..專業(yè)整理.優(yōu)點：密度分層偽彩色圖像簡單易行、直觀，僅用硬件就可以實現(xiàn)。缺點：所得偽彩色圖像彩色生硬，彩色數(shù)目有限，且量化噪聲大（即分割誤差）。密度分層級數(shù)越大，圖像分辨率越高，量化噪聲越小。為了減少量化噪聲，就必須增加分割級數(shù)。這不但導(dǎo)致設(shè)備復(fù)雜，而且彩色漂移現(xiàn)象嚴(yán)重。主要用于傳感、醫(yī)學(xué)圖像處理中。灰度級—彩色變換法①理論基礎(chǔ)及公式推導(dǎo)灰度級-彩色變換偽色彩處理技術(shù)可以將灰度圖像變?yōu)榫哂卸喾N顏色漸變的連續(xù)彩色圖像。該方法先將灰度圖像送入具有不同變換特性的紅、綠、藍(lán)三個變換器，然后再將三個變換器的不同輸出分別送到彩色顯像管的紅、綠、藍(lán)槍，再合成某種顏色。同一灰度由三個變換器對其實施不同變換，使三個變換器輸出不同，從而不同大小灰度級可以合成不同顏色。灰度級-彩色變換偽色彩處理過程見下圖。通過這種方法變換后的圖像視覺效果好。.學(xué)習(xí)幫手..專業(yè)整理.一組典型的灰度級-彩色變換的傳遞函數(shù)如下圖所示。其中圖（a）、（b）、（c）分別表示紅色、綠色、藍(lán)色的傳遞函數(shù)，圖（d）是三種彩色傳遞函數(shù)組合在一起的情況。由圖（a）可見，凡灰度級小于L/2的像素將被轉(zhuǎn)變?yōu)楸M可能的暗紅色，而灰度級位于L/2到3L/4之間的像素則取紅色從暗到亮的線性變換。凡灰度級大于3L/4的像素均被轉(zhuǎn)變成最亮的紅色。其他的顏色以此類推。②仿真結(jié)果及分析.學(xué)習(xí)幫手..專業(yè)整理.③結(jié)果分析：從仿真圖中可以看出，圖像從灰度圖像轉(zhuǎn)換成了彩色圖像，密度分層法所得偽彩色圖像彩色生硬，且量化噪聲大（即分割誤差），而灰度級-彩色變換法所得圖像是多種顏色漸變的連續(xù)彩色圖像，更加具有層次感，變換后的圖像視覺效果更好。偽彩色雖然能將黑白灰度轉(zhuǎn)化為彩色，但這種彩色并不是真正表現(xiàn)圖像的原始顏色，而僅僅是一種便于識別的偽彩色。C.頻域濾波法①理論基礎(chǔ)及公式推導(dǎo)頻率濾波法首先把灰度圖像經(jīng)傅立葉變換到頻率域，在頻率域內(nèi)用三個不同傳遞特性的濾波器分離成三個獨立分量；然后對它們進(jìn)行逆傅立葉變換，便得到三幅代表不同頻率分量的單色圖像，接著對這三幅圖像作進(jìn)一步的處理（如直方圖均衡化）最后將它們作為三基色分量分別加到彩色顯示器的紅、綠、藍(lán)顯示通道，得到一幅彩色圖像。.學(xué)習(xí)幫手..專業(yè)整理.頻域濾波法輸出圖像的偽彩色與原圖像的灰度級無關(guān)，而是取決于灰度圖像中不同的頻率成分。如果為了突出圖像中高頻成分（即圖像的細(xì)節(jié)）而將其變?yōu)樗{(lán)色，則只需要將藍(lán)通道濾波器設(shè)計成高通濾波器。如果要抑制圖像中某種頻率成分，那么可以設(shè)計一個帶阻濾波器來達(dá)到目的。②仿真結(jié)果及分析③結(jié)果分析：.學(xué)習(xí)幫手..專業(yè)整理.從仿真圖中可以看出，圖像從灰度圖像轉(zhuǎn)換成了彩色圖像。頻域濾波法得到的偽彩色圖像和灰度級-彩色變換法所得的偽彩色圖像不一樣，兩種方法各有千秋。進(jìn)一步說明，偽彩色雖然能將黑白灰度轉(zhuǎn)化為彩色，但這種彩色并不是真正表現(xiàn)圖像的原始顏色，而僅僅是一種便于識別的偽彩色。4.結(jié)論偽彩色處理不改變像素的幾何位置，而僅僅改變其顯示的顏色。它是一種很實用的圖像增強技術(shù)，主要用于提高人眼對圖像的分辨能力。這種處理可以用計算機來完成，也可以用專用硬件設(shè)備來實現(xiàn)。偽彩色圖像處理技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于遙感和醫(yī)學(xué)圖像處理中，例如，它適用于航攝、遙感圖片和云圖判讀、X光片等方面。通過此次課程設(shè)計，使我更加扎實的掌握了有關(guān)圖像處理方面的知識，在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過反復(fù)思考和與同學(xué)交流，找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。實踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。附錄：MATLAB仿真代碼.學(xué)習(xí)幫手..專業(yè)整理.①密度分層法仿真代碼=imread('郁金香.jpg');=rgb2gray(I)imshow(I);%顯示灰度圖像G2C=grayslice(I,8); %密度分層figure;imshow(G2C,hot(8)); %顯示偽彩色圖像②灰度級—彩色變換法I=imread('郁金香.jpg');subplot(221),imshow(I);title('原圖像');I=rgb2gray(I);subplot(222),imshow(I);title('灰度圖像');I=double(I);[M,N]=size(I);L=256;fori=1:Mforj=1:NifI(i,j)<L/4R(i,j)=0;G(i,j)=4*I(i,j);B(i,j)=L;.學(xué)習(xí)幫手..專業(yè)整理.elseifI(i,j)<=L/2;R(i,j)=0;G(i,j)=L;B(i,j)=-4*I(i,j)+2*L;elseifI(i,j)<=3*L/4R(i,j)=4*I(i,j)-2*L;G(i,j)=L;B(i,j)=0;elseR(i,j)=L;G(i,j)=-4*I(i,j)+4*L;B(i,j)=0;endendendendendfori=1:Mforj=1:NG2C(i,j,1)=R(i,j);G2C(i,j,2)=G(i,j);G2C(i,j,3)=B(i,j);.學(xué)習(xí)幫手..專業(yè)整理.endendG2C=G2C/256;subplot(223),imshow(G2C);title('偽彩色圖像');③頻域濾波法i=imread('郁金香.jpg')subplot(221),imshow(i);title('原圖像');i=rgb2gray(i);subplot(222),imshow(i);title('灰度圖像');[M,N]=size(i);F=fft2(i);fftshift(F);Rcut=100;Gcut=200;Bcenter=150;Bwidth=100;Bu0=10;Bv0=10;foru=1:Mforv=1:ND(u,v)=sqrt(u^2+v^2);.學(xué)習(xí)幫手..專業(yè)整理.RH(u,v)=1/(1+(sqrt(2)-1)*(D(u,v)/Rcut)^2);GH(u,v)=1/(1+(sqrt(2)-1)*(Gcut/D(u,v))^2);BD(u,v)=sqrt((u-Bu0)^2+(v-Bv0)^2);BH(u,v)=1-1/(1+BD(u,v)*Bwidth/((BD(u,v))^2-(Bcenter)^2)^2);endendR=RH.*F;Rcolor=ifft2(R);G=GH.*F;Gcolor=ifft2(G);B=BH.*F;Bcolor=ifft2(B)