数字图像处理_第六章_色彩模型与彩色处理

1、数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing图像中应用彩色主要是因为：（1）简化区分目标；（2）人眼可以辨别几千种颜色色调和亮度，而对灰度辨别仅几十种，进行人工图像分析，彩色图像处理可分为2个主要领域:全彩色、伪彩色。原则上讲，前面各章的灰度处理方法均可直接用于彩色处理。数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.1 彩色基础 彩色可见光：400700nm，我们可以用3个基本量来描述光源的质量：radiance（辐射度 辐射通量）：W总能量luminace（光通量）：可见光brightness（亮度）：主观描述

2、 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.1 彩色基础 人眼的锥状细胞负责彩色传感的，大眼的67百万个锥状细胞分三类：红：65%，绿：33%，蓝：2%。P226图6.3为人眼对的吸取实验。数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.1 彩色基础 人眼的锥状细胞负责彩色传感的，大眼的67百万个锥状细胞分三类：红：65%，绿：33%，蓝：2%。 图6.3为人眼对的吸取实验。数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.1 彩色基础 CIE（国际照明委员会）规定了如下

3、三种波为主原色：蓝：435.8nm，绿：546.1nm，红：700nm。红色，只是一个带，而不是单一一个波长绿蓝也是一样。原色相加二次色R+B=深红=红+蓝G+B=表色=绿+蓝R+G=黄=红+绿R+G+B可得白色，或一个二次色与其，补色白光，如图6.4(a) 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.1 彩色基础 在颜料或着色剂中，原色的定义是这样的：白：减去一种原色， 反射或传输另两种原色。故其原色是：深红、青、黄。而二次色是R、G、B。如图6.4所示。 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.1

4、彩色基础 通常区分颜色的特征是亮度，色调和饱和度。亮度：明亮程度。色调：光波混合中，与主波长相关的属性，指观察的主要颜色。饱和度：纯色+白色多少色调+饱和度色度，即颜色用色度和亮度来表征。形成任何特殊颜色需要R，G，B，叫三色值，分别用X，Y，Z，表示。一种颜色由三色值系数定义： 1XxXYZYyXYZZzXYZXYZ数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.1 彩色基础 颜色的另一种表示方法用CIE色度图。 该图以（红），（绿）函数表示颜色组成而。如图6.5所示 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing

5、6.1 彩色基础 图中边界上的颜色为纯色，内部的表示混和色。等能量点白，等能量点的饱和度为0。 规律：连接任意两点的直线所定义的不同颜色，均可由这两类颜色相加得到同样，从等能量点到边界上任一点的连线，可以定义特定谱色的所有色调。还可以扩展到三种颜色，图中任何三点连成一三角形，内部所有颜色均可用三个顶点色来混合形成。 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.1 彩色基础 图6.6的三角形是KGB监视器产生的颜色范围，不规则区域是彩色打印机的彩色域。数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6

6、.2 彩色模型 亦彩色空间或彩色系统。最通用的就是RGB模型（用于如摄像机等）。 CMY（青，深红，黄）、CMYK（青，深红，黄，黑）是针对彩色打印机，而HIS（色调，饱和度，亮度）更符合人描述颜色，也适合本书给出的灰度处理技术。 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.1 RGB彩色模型 为方便，假定所有颜色都归一化。如果每一分量用8比特表示，共有24 称为全彩色。例6.1（P230）介绍了彩色平面的概念。数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.1 RGB彩

7、色模型下面介绍所谓 全RGB彩色子集。 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.2 CMY和CMYK模型等量的青，深红，黄产生黑色。而实际中，组合产生的黑色不纯，为产生真正的黑色，加入第四种颜色黑色。即CMYK模型（四色打印） 11(11CRMGYB 归 一 化 为 ）数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 上述模型中适应人眼。这里介绍的HI

8、S彩色模型恰好能满足这个要求。H：色调，S：饱和度，I：亮度H+S表示了彩色信息。 下面说明HSI可以从RGB信息中得来的。数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 在图中，白（1，1，1），黑（0，0，0），其连线是垂直的。经过一彩色点，作该连线的平面，则该平面与垂直连线的交点位置即是强度值。强度轴上的饱和度是0，其上全部是灰度点。 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 在图6.12中，连接白、青、黑三点组成一平面，则

9、该平面（三角形）点有相的色调，理由是：三角形内任一点的颜色均为由顶点来得出，而黑白点不改变色调。旋转这个平面可以得到不同的色调，该平面与立方体的横截面决定的边界不是呈三角形就是六边形。这样我们可以用六边形来表示色调和饱和度。具体参见下页图所示：数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 我们用六边形来表示色调和饱和度。数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 我们用六边形来表示色调和饱和度。数 字 图 像 处 理Chapter

10、 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.3 HIS彩色模型从RGB到HIS的彩色转换 1223601()()2()()()31min( , )1()30,10,1BGHBGRGRBarccosRGRG RBSR G BRGBIRGBRGBHSI 如果，则：数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.3 HIS彩色模型从HIS到RGB的转换 在0，1内给出HSIRGN分三个区域（相隔120） RG0120B=I1-Scos1cos(60)3()HSHRIHGIRB扇形：（）（）oGB120240 H=

11、H-120R=I1-ScosG1cos(60)B3(G)HSHIHIR扇形：（）首先然后：（）oBR240360 H=H-240G=I 1-ScosB1cos(60)R3(GB)HSHIHI扇形：（）首先然后：（）数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 图6.15是三个对应于RGB立方体的图像的HSI值。 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 图6.16是RGB及其二次色给出的图像，而（b）,（c）,（d）为其色调、饮

12、和度和弱度图像。 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.2 彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 图6.17为简单的HSI图像处理的图像。数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.3 伪彩色处理6.3 伪彩色处理给特定的灰度值赋以彩色。伪彩色的目的是为了人眼观察和解释图像中的目标。 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.3 伪彩色处理6.3.1 强度分层参见图6.18，图像被看成三维函数。数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image

13、Processing6.3 伪彩色处理6.3.1 强度分层 可以简单地按如下方式来把灰度彩色01121210,1P,01P1,( ,) ( ,):LPPkkkkLlllllPLvvvfx ucfx uVcV令为 灰 度 级 ：黑 色 ，白 色灰 度 轴 定 义个 平 面共 分 成 个 间 隔 。， 则是 与 强 度 间 隔相 关 的 颜 色 。数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.3 伪彩色处理6.3.1 强度分层灰度彩色实例：数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.3 伪彩色处理6.3.1 强度

14、分层灰度彩色实例：焊接实例 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.3 伪彩色处理6.3.1 强度分层灰度彩色实例：用颜色突出降雨水平 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.3 伪彩色处理6.3.2 灰度级到彩色转换 另一种更加通用的灰度级到彩色的转换是对输入灰度级必行3个独立的处理，得到3个结果红，绿，蓝通道。数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.3 伪彩色处理6.3.2 灰度级到彩色转换 例6.5是一突出装在行李内的爆炸物的伪彩色应用。 数 字

15、 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.3 伪彩色处理6.3.2 灰度级到彩色转换 例6.5是一突出装在行李内的爆炸物的伪彩色应用。 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.3 伪彩色处理6.3.2 灰度级到彩色转换 例6.6为多光谱彩色编码。数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.3 伪彩色处理6.3.2 灰度级到彩色转换 例6.6为多光谱彩色编码。数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing6.4 全彩色图像处理基

16、础 6.4 全彩色图像处理基础全彩色图像处理分为（1）处理每一分量，然后合成（2）直接对彩色处理全彩色至少有3个分量。 原则上前边的灰度处理可移植到彩色，而对每一分量进行处理。 令c代表RG彩色空间中的任意向量：( , )( , )( , )( , )( , )( , )( , )RRGGBBcRc x yR x yccGc x yc x yG x ycBc x yB x y 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色变换6.5 彩色变换6.5.1 公式( , )( , )g x yT f x y：类似于基本灰度变换过程。1212( ,)

17、 1,2( , ) ( , ) ,iinnST r rrinf x yg x yT TTi sir123RGBnGBCMYKnrRrr举例空间，则 3，分量分量分量而时， 4数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色变换6.5 彩色变换6.5.1 公式图6.30是一幅彩色图像，CMYK分量图 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色变换6.5 彩色变换6.5.1 公式RGB分量图及HSI分量图。假设要改变图像亮度，在HSI空间中，在RGB空间，3个分量必须：下页图显示了 的结果。

18、331122,SkrSr Sr令而即为 1,2,3CMY(1)iiiiSkriSkrk空间：0.7k 0.7k 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色变换6.5 彩色变换6.5.1 公式 改变图像亮度实例： 0.7k 0.7k 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色变换6.5.2 补色 在图6.32彩色环上，与一种色调相对立的另一种色调称为补色。 0.7k 0.7k 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色变换6.5.

19、2 补色 例6.7给出了在RGB空间及HSI空间下，补色的求法。0.7k 0.7k 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色变换6.5.3 彩色分层 可以采用突出特殊区域的颜色来把目标分离出来。可以采用类似于前边的灰度分层技术，这里叫彩色分层。 最简单的情况，假设感兴趣的颜色中心在（ ），宽度为W的立方体中，则 0.7k 0.7k 12,na aa0.5| 12 ijjiWrajnSrin其它=1,2如果用一圆球确定感兴趣的颜色 22010.5()injjjiraRSrn其它 i=1,23n 4n 如果RGB彩色空间则 ， CMYK时，

20、数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色变换6.5.3 彩色分层例6.8为彩色分层的一个说明。 0.7k 0.7k 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色变换6.5.4 色调和彩色校正背景：在图像形成、传输、显示过程中，存在非线性，可能造成颜色的不平衡，如CRT显示，扫描仪。通过变换（彩色校正）来达到一定的平衡。这里我们介绍另外一种常用的彩色模型。0.7k 0.7k *11616*500*20030.008856( )7.78716/1160.008856WWWWWLaRGbG

21、BYLhYXYahhXYYZbhhYZqqh qqq（亮度），模型数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色变换6.5.4 色调和彩色校正（续） 其中， 是参考的白色的三刺激质（在D65下，完美漫反射白色） 所谓三刺激值是形成某种颜色所需要的三原色的数量。 这种彩色模型特点：比色的（感觉相同，编码相同），感觉一致的，独立于设备的。 在图像操作（色调和对比度编辑）和图像压缩方面很有用。 颜色类的变换主要有：（1）灰度变换，（2）彩色平衡： 0.7k 0.7k ,wwwXYZ数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Pr

22、ocessing 6.5 彩色变换6.5.4 色调和彩色校正（1）灰度变换， 例6.9在RGB中，3分量同时变HSI中，仅改变亮度。 0.7k 0.7k 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色变换6.5.4 色调和彩色校正（2）彩色平衡：含义，白色彩色 具体调整，如RGB图像中有过多的深红色，则：（1）移去红蓝，（2）增加其补色绿，例子见例6.10 0.7k 0.7k 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.5 彩色变换6.5.5 直方图处理 将前边灰度直方图处理方法移植到彩色图像处理

23、中，如直方图均衡。 例6.11在HSI彩色空间的直方图均衡。 0.7k 0.7k 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.6 平滑和尖锐化6.6 平滑和尖锐化 6.6.1 彩色图像平滑 例如，在RGB彩色空间中，令 表示中心在 的邻域的坐标集，在该邻域中，RGB分量的平均值：例6.12为彩色图像平滑例子，图示见下页：0.7k 0.7k xyS( , )x y(,)(,)(,)1( ,)1( ,)( ,)1( ,)xyxyxyx ySx ySx ySR x yKC x yG x yKB x yK数 字 图 像 处 理Chapter 6Color

24、Image Processing 6.6 平滑和尖锐化6.6 平滑和尖锐化 6.6.1 彩色图像平滑 例6.12为彩色图像平滑例子，图示：0.7k 0.7k 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.6 平滑和尖锐化6.6 平滑和尖锐化 6.6.1 彩色图像平滑（续） 例6.12为彩色图像平滑例子，图示：0.7k 0.7k 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.6 平滑和尖锐化6.6 平滑和尖锐化 6.6.1 彩色图像平滑（续） 例6.12为彩色图像平滑例子，图示：0.7k 0.7k 数 字 图

25、 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.6 平滑和尖锐化6.6 平滑和尖锐化 6.6.2彩色图像尖锐化 本节考虑用拉普拉斯的方法进行尖锐化，在RGB彩色系统中，向量C的拉氐变换： 0.7k 0.7k 2222( , )( , )( , )( , )K x yc x yG x yB x y 例子见例6.13图6.41 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.6 平滑和尖锐化6.6 平滑和尖锐化 6.6.2彩色图像尖锐化拉普拉斯方法图像尖锐化实例6.130.7k 0.7k 数 字 图 像 处 理Chapter

26、 6Color Image Processing 6.7 彩色分割6.7 彩色分割 把一幅图像分成区域的处理。6.7.1 HSI彩色空间分割 可利用色调不同进行分割 饱和度可作为一个模板。例6.14是一个HIS空间进行分割的例子。 0.7k 0.7k 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.7 彩色分割6.7.1 HSI彩色空间分割一个HIS空间进行分割的例子：例6.14 0.7k 0.7k 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.7 彩色分割6.7.2 RGB向量空间分割 上面的例6.14分割

27、效果不是特别理想，而在RGB彩色可得更好的结果。 假如，某目标在RGB图像中，“平均”彩色估计用向量a来表示，此时，用欧氏距离来进行判定。令z代表RGB空间的一点。欧氏距离 为一半径为D0的实心球。据此可进行编码。 0.7k 0.7k 12222( , ) ()()()RRGGBBD z azazazaza0( , )D z aD112()()()TD zazaczac把上式进行推广，得到距离测度：是我们要分割的彩色的样本协方差矩阵。数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.7 彩色分割6.7.2 RGB向量空间分割描述了一个实心三维球，见图6.

28、43(b)当 时，转化为球。 还可以是一个正方体来描述（图6.43（c） 0.7k 0.7k 0( , )D z aD2c 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.7 彩色分割6.7.2 RGB向量空间分割 例6.15为在RGB空间的彩色分割。 0.7k 0.7k 数 字 图 像 处 理Chapter 6Color Image Processing 6.7 彩色分割6.7.3 彩色边缘检测 边缘检测是一种重要的分割工具。 以梯度算子为例，我们可能直接想到的是对每一彩色分量利用梯度算子，然后相加合成一幅梯度图像。0.7k 0.7k (1)/2,(1)/2MM 图6.45给出了一个具体实例，在 外梯度相同，但直观看，（d）应比（h）强，产生了错误结果。 因此，需要一个新的用于向量的梯度定