《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(shí)世界是五彩繽紛的，反映現(xiàn)實(shí)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(diǎn)在這些差異之處。2DigitalImageProcessing第1節(jié)彩色空間表示可見光－－波長(zhǎng)在400~760nm的電磁波，使人產(chǎn)生視覺。彩色視覺－－人眼對(duì)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(duì)于不同波長(zhǎng)光的和處理是一種生理和心理的綜合現(xiàn)象，其機(jī)理至今還沒有完全搞清楚，許多結(jié)論來源于實(shí)驗(yàn)。眼睛的明暗感覺對(duì)應(yīng)于光的強(qiáng)度，不同彩色的光可以有相同的強(qiáng)度；眼睛的彩色感覺對(duì)應(yīng)于光的波長(zhǎng)，不同波長(zhǎng)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(zhǎng)。彩色－－對(duì)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(biāo)的區(qū)分及從場(chǎng)景中目標(biāo)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(jī)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(yuǎn)紅外光，100um~380um的紫外線。4DigitalImageProcessing1.彩色視覺

彩色視覺機(jī)理：不同波長(zhǎng)的光作為一種能量進(jìn)入人眼，匯聚在視網(wǎng)膜上，刺激感光細(xì)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(jī)制而被感知，對(duì)不同波長(zhǎng)的光信息進(jìn)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(duì)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(dòng)是基本一致的。

1）人們對(duì)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(dòng)有差別。人類對(duì)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(zhǎng)，反映彩色的類別，到達(dá)人眼各波長(zhǎng)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(qiáng)度，與能量有關(guān)，表明彩色光引起的人眼光刺激強(qiáng)度。人眼彩色視覺的特點(diǎn)：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(zhǎng)不同，在視覺上呈現(xiàn)不同色調(diào)：彩色紫藍(lán)青綠黃綠黃橙紅波長(zhǎng)(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(lán)B=435.8nm。這三種色彩彼此獨(dú)立，其中任意一個(gè)都不能夠由另外兩個(gè)混合得到。

將它們按不同的比例進(jìn)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(gè)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(lán)的三色系數(shù)。三種彩色的光強(qiáng)越強(qiáng)，到達(dá)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(dāng)三基色等量相加時(shí)，得到白色；等量的紅綠相加而藍(lán)為0時(shí)得到黃色（yellow）；等量的紅藍(lán)相加而綠為0時(shí)得到品紅色（magenta）；等量的綠藍(lán)相加而紅為0時(shí)得到青色（cyan）。如果每種基色的強(qiáng)度用8位（比特）表示，一個(gè)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(lán)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(lán)三種彩色光線混合形成。現(xiàn)實(shí)世界中我們見到的大部份彩色為混色光（多于2種波長(zhǎng)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(duì)應(yīng)；反過來，一種彩色并不只對(duì)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(dú)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(gè)分量相加，但每種彩色對(duì)亮度的貢獻(xiàn)不同。（12.2）11DigitalImageProcessing（3）彩色視覺機(jī)理彩色視覺是由光所引起的。人眼視網(wǎng)膜：

桿狀細(xì)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(xì)胞，約700萬，有彩色感，對(duì)波長(zhǎng)敏感，分辨率低，需要較好的光照。R類錐狀細(xì)胞、G類錐狀細(xì)胞、B類錐狀細(xì)胞，三類錐狀細(xì)胞對(duì)不同波長(zhǎng)的敏感程度（感知度）各不相同。圖12.2三類錐狀細(xì)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?xì)胞類似于CCD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(xì)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(dòng)信息送入大腦，神經(jīng)活動(dòng)借助于神經(jīng)密碼和大腦活動(dòng)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(gè)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(gè)子集，包含某個(gè)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(duì)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(gè)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(dú)立變量x和y為二維坐標(biāo)（z=1-x-y

），建立標(biāo)準(zhǔn)的“舌形”色度圖，任意一點(diǎn)彩色的x、y可以從坐標(biāo)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(zhǎng)的彩色RGB三角形白色點(diǎn)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(gè)連續(xù)的彩色空間，常用的彩色模型是整個(gè)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(biāo)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(biāo)彩色系統(tǒng)中的一個(gè)單位正方體。原點(diǎn)的黑色到對(duì)角頂點(diǎn)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(lán)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(zhǎng)，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(diǎn)的半徑表示。

亮度I－－彩色的亮度，用圓椎形中色點(diǎn)到底面的距離表示。圖12.5HSI彩色模型黑I白1200綠SH2400藍(lán)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(gè)特點(diǎn)：

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(duì)彩色的感覺，人眼在判斷一個(gè)物體的彩色時(shí)，往往也是從HIS這三個(gè)方面進(jìn)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)的理論概念，實(shí)際中稍有不同。21DigitalImageProcessingPAL制（PhaseAlternatingLine）電視信號(hào)的YUV方式，兩個(gè)色差信號(hào)：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(hào)的YIQ方式，兩個(gè)色差信號(hào)：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(hào)的Y/Cr/Cb彩方式：YCrCb三個(gè)分量大體和YUV相對(duì)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(gè)像素用一個(gè)灰度值表示，是一維的標(biāo)量表示方式。數(shù)字彩色圖像，每一個(gè)像素用三個(gè)相數(shù)值表示，是一種矢量表示方式。在RGB模式下，三個(gè)數(shù)值是R/G/B，在SHI模式下，三個(gè)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(gè)像素的三個(gè)數(shù)值當(dāng)作一個(gè)矢量來處理；

2）標(biāo)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(duì)每一幅圖像用標(biāo)量的方法進(jìn)行處理，再將處理后的圖像綜合成一幅彩色圖像。在標(biāo)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(biāo)量的方式來處理彩色圖像。26DigitalImageProcessing1.彩色平衡和補(bǔ)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(gè)問題。

問題：輸入圖像－－每個(gè)像素由不同比例的RGB三個(gè)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(gè)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(gè)灰度級(jí)。平衡方法：對(duì)R、G、B直方圖進(jìn)行線性變換方法，選其中兩個(gè)彩色的直方圖向第三個(gè)匹配。28DigitalImageProcessing（2）彩色補(bǔ)償熒光彩色圖像：用R、G、B

三基色對(duì)細(xì)胞圖像中的不同的成分進(jìn)行熒光染色。彩色擴(kuò)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(kuò)散現(xiàn)象，實(shí)際通道值Y=(y1y2y3)T。Y=CX+b

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

5%65%32%y3藍(lán)通道10%

9%44%表12.3彩色擴(kuò)散矩陣C31DigitalImageProcessing

2.彩色圖像增強(qiáng)和濾波（1）彩色增強(qiáng)彩色增強(qiáng)－－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(qiáng)－－在SHI空間比較合適，RGB空間不太合適。彩色增強(qiáng)－－主要是針對(duì)色調(diào)的轉(zhuǎn)換與飽和度的增強(qiáng)，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(qiáng)：將某色彩飽和度乘一常數(shù)，或者對(duì)彩色的飽和度施加某種線性運(yùn)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(jìn)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(xì)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(biāo)量濾波。將彩色圖像的三個(gè)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(huì)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(shí)可以較好地保持圖像細(xì)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(duì)圖像的細(xì)節(jié)部分、灰度跳變部分的靈敏度特別高：對(duì)圖像的細(xì)節(jié)、邊緣部分，同樣的噪聲，對(duì)亮度的影響比色度大。

2）人眼對(duì)色調(diào)的分辨率較低，對(duì)色飽和度分辨率更低。隨機(jī)顆粒噪聲－－對(duì)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(biāo)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(dá)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(jìn)行分割。36DigitalImageProcessing2）直方圖閾值分割法。將彩色圖像分解為紅、綠、藍(lán)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(jìn)行分割。3）基于空域邊緣檢測(cè)。利用圖像區(qū)域（像素）之間的邊緣進(jìn)行圖像分割。4）區(qū)域生長(zhǎng)和區(qū)域合并。利用區(qū)域之間的鄰接和彩色相似性進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)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(jìn)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(gè)灰度級(jí)匹配到彩色空間上的一點(diǎn)，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?yàn)V波的偽彩色變換方法。39DigitalImageProcessing1.灰度分割偽彩色處理人眼對(duì)灰度不太敏感，只能分辨出幾十個(gè)灰度；