第12章 彩色图像处理

1、数字图像处理第十二章第十二章 彩色图像处理彩色图像处理李熙莹李熙莹 副教授副教授http:/数字图像处理 从灰度图像处理到从灰度图像处理到彩色图像处理彩色图像处理 颜色特点颜色特点： 颜色可以简化目标物的区分和场景目标抽取 人可以分辨上千种颜色色调和亮度（纯色上百种） 主要研究领域： 全彩色处理 伪彩色处理 全彩色处理应用： 印刷、可视化、互联网 内容： 彩色变换彩色变换 彩色图像平滑、锐化 彩色分割 彩色压缩数字图像处理光谱光谱 颜色由物体的颜色由物体的反射光反射光性质决定。性质决定。(绿色物反射500570nm)一、彩色基础一、彩色基础图12.1 白光通过棱镜是看到的彩色谱图12.2 可见

2、光范围电磁波谱数字图像处理2. 彩色表示彩色表示 彩色的表示是基于Tomas Young提出的三基色原理： “任何彩色可以用合适的三种基本色混合而再生” 生理学已证明，视网膜中有叁种视锥体，具有不同的吸收光谱S1()、S2() 、S3()，其中 max 780nm， min 380nm， min max 。 吸收光谱响应的峰值分别在光谱的红(黄绿)、绿、兰区域。而且，吸收曲线有相当多的部分是相互重叠的。这是三基色原理的生理基础。 三基色相加混色：红红(Red)、绿绿(Green)、蓝蓝(Blue)三基色；三基色相减混色：黄黄(Yellow)、品红品红(Magenta) 、青青(Cyan)数字图

3、像处理图12.3 人眼红、绿、蓝锥状体的波长吸收函数图12.4 光及颜料的原色和二次色光混合（原色相加）颜料混合（原色相减）数字图像处理3. 颜色确定颜色确定(1) 亮度亮度(I)、色调、色调(H)和色饱和度和色饱和度(S)亮度表示色彩明亮度。色调表示观察者接收的主要颜色（说某物体是红色是指其色调）。饱和度是彩色中包含白光的多少。色调与饱和度一起称为彩色。颜色用亮度和彩色表征。图12.5 亮度、色度、饱和度数字图像处理(2) CIE色度图色度图 各种谱色在舌形色度图周围的边界上。（图12.2中的纯色） 内部点表示谱色的混合色。 等能量点相对于白光的CIE标准。 边界上的任何点都是全饱和的。图1

4、2.6 CIE色度图数字图像处理 三角形：由RGB监视器产生的典型颜色范围（三原色相加）。 不规则区域：高质量的彩色打印设备的彩色域（相加和相减彩色混合相结合）。图12.7 彩色监视器和彩色打印机的典型色域数字图像处理二、彩色模型（彩色空间）二、彩色模型（彩色空间） 彩色模型彩色模型用来简化彩色规范。 颜色色模型指的是某个三维颜色空间中的一个可见光子集。它包含某个色彩域的所有色彩。任何一个色彩域都只是可见光的子集，任何一个颜色模型都无法包含所有的可见光。 分类1（线性）： 线性感知的，如HSI颜色空间； 非线性感知的，如在计算机上通常采用的RGB三颜色模型 分类2（设备依赖性）： RGB空间是

5、一个依赖于显示设备的彩色空间； CIE L*a*b色标体系是一个不依赖于显示设备的颜色空间。 常用模型：RGB，CMY和CMYK，HSI数字图像处理1. RGB彩色模型彩色模型 RGB彩色模型是三维直角坐标颜色系统中的一个单位正方体。 在正方体的主对角线上，各原色的量相等，产生由暗到亮的白色，即灰度。（0，0，0）为黑，（1，1，1）为白，正方体的其他6个角点分别为红、黄、绿、青、蓝和品红。 RGB彩色模型构成的彩色空间是CIE原色空间的一个真子集。RGB彩色模型通常用于彩色阴极射线管和彩色光栅图形显示器。RGB三原色是加性原色。白(1,1,1)蓝(0,0,1)品红(1,0,1)青(0,1,1

6、)绿(0,1,0)黄(1,1,0)红(1,0,0)黑(0,0,0)图12.9 RGB24比特彩色立方体图12.8 RGB彩色立方体示意图数字图像处理2. CMY和和CMYK模型模型 CMY彩色模型是以红、绿、蓝三色的补色青(Cyan)、品红(Magenta)、黄(Yellow)为原色构成的彩色模型。 CMY彩色模型常用于从白光中滤去某种颜色，故称为减色原色空间。 CMY彩色模型对应的 直角坐标系子空间与RGB彩色模型对应的子空间几乎完全相同。 CMYK彩色模型是指 CMY彩色模型的三种 原色加上黑色。 青=白-红 黄=白-蓝 品红=白-绿 绿=白-红-蓝 黑=白-红-绿-蓝 红=白-绿-蓝 蓝

7、=白-红-绿 图12.10 CMY在原色的减色效果示意图数字图像处理RGB和和CMY颜色模型的区别颜色模型的区别数字图像处理3. HSI彩色模型（彩色模型（ HSV） 与人的视觉感知相对应，符合人眼对颜色的感觉。 用亮度(I)、色调(H)和饱和度(S)表示。(a) (b)图12.11 基于三角形平面(a)和圆形彩色平面(b)的HIS彩色模型。三角形和圆形平面垂直于强度轴数字图像处理 在HSI颜色模型中，每一种颜色和它的补色相差180o。 圆锥的顶面对应于I=1，它包含RGB模型中的R=1，G=1，B=1三个面，故所代表的颜色较亮。色度H由绕V轴的旋转角给定。红色对应于角度，绿色对应于角度120

8、o，蓝色对应于角度240o。 在圆锥的顶点处，I=0，H和S无定义，代表黑色。 圆锥的顶面中心处S=0，I=1，H无定义，代表白色。 HSI颜色模型具有以下的优点： 符合人眼对颜色的感觉。 当采用RGB（或者CMY）颜色模型时，改变某一颜色的属性，比如改变色调就必须同时改变R、G、B（或者C、M、Y）三个坐标；而采用HSV颜色模型时只需改变H坐标。也就是说，HSI颜色模型中的三个坐标是独立的。 HSI颜色模型构成的是一个均匀的颜色空间，采用线性的标尺，彩色之间感觉上的距离与HSV颜色模型坐标上点的欧几里德距离成正比。数字图像处理4. CIE（国际照明委员会）颜色模型（国际照明委员会）颜色模型

9、CIE颜色模型的提出： CIE颜色模型包括一系列颜色模型，这些颜色模型是由国际照明委员会提出的，是基于人的眼睛对RGB的反应，被用于精确表示对色彩的接收。 设备无关性： 这些颜色模型被用来定义所谓的独立于设备的颜色。它能够在任何类型的设备上产生真实的颜色，例如：扫描仪、监视器和打印机。这些模型被广泛地使用，因为它们很容易被用于计算机，描述颜色的范围。 CIE颜色模型的类型： 包括：CIE XYZ、CIE L*a*b和 CIE YUV等。数字图像处理(1) CIE XYZ XYZ三刺激值的概念是以色视觉的三元理论为根据的，它说明人眼具有接受三原色(红、绿、蓝)的接受器，而所有的颜色均被视作该三原

10、色的混合色。1931年CIE制定了一种假想的标准观察者，配色函数 。 XYZ三刺激值是利用这些标准观察者配色函数计算得来的。 在此基础上，CIE于1931年规定了Yxy颜色空间，其中Y为亮度，(x,y)是从三刺激值XYZ计算得来的色坐标。它代表人类可见的颜色范围。 )(, )(, )(zyx数字图像处理(2) CIE L*a*b* L*a*b*颜色空间是在1976年制定的，它是CIE XYZ颜色模型的改进型，以便克服原来的Yxy颜色空间存在的在xy色度图上相等的距离并不相当于我们所觉察到的相等色差的问题。 “L”（明亮度），“a”（绿色到红色）和“b”(蓝色到黄色)代表许多的值。 与XYZ比较

11、，CIE L*a*b*颜色更适合于人眼的感觉。 利用CIE L*a*b*，颜色的亮度（L）、灰阶和饱和度（a, b）可以单独修正，这样，图像的整个颜色都可以在不改变图像或其亮度的情况下，发生改变。图12.12 L*a*b* 的概念图L: 明亮度a: 从绿色到红色b: 从蓝色到黄色数字图像处理色差程度的鉴定E*ab微量0-0.5轻微0.5-1.5能感觉到1.5-3.0明显3.0-6.0很大6.0-12.0截然不同12.0以上在比较色差时，设A为基准色，B为试料色，A为与B相同亮度的基准色， E*ab为色差程度， E*ab大小决定了色差程度的大小，具体见表数字图像处理(3) CIE YUV 在现代

12、彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄像机或彩色CCD（点耦合器件）摄像机，它把摄得的彩色图像信号，经分色、分别放大校正得到RGB，再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和两个色差信号RY、BY，最后发送端将亮度和色差三个信号分别进行编码，用同一信道发送出去。这就是我们常用的YUV颜色空间。 采用YUV颜色空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。数字图像处理 如果只有Y信号分量而没有U、V分量，那么这样表示的图就是黑白灰度图。 彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色信号。 根据美国国家电视制式委员会，NTSC制式的标准，当白

13、光的亮度用Y来表示时，它和红、绿、蓝三色光的关系可用如下式的方程描述： 色差U、V是由、按不同比例压缩而成的。BGRY11. 059. 03 . 0数字图像处理5. 各种彩色模型之间的转换算法各种彩色模型之间的转换算法 (1) RGB与与CMY颜色模型之间转换算法颜色模型之间转换算法 RGB的取值通常是0255的整数。C = 255 RM = 255 GY = 255 B数字图像处理(2) 从从RGB到到HSI的彩色转换的彩色转换(1)数字图像处理(3) 从从RGB到到HSI的彩色转换的彩色转换(2)mbnmgrmgnmrbbgmrnmbgbgmrnmbgHmmmnmSmI ),/()(602

14、40 ),/()(60120& ),/()(60360& ),/()(600s , 00 , 0 0 ,/ )(设m = max(r, g, b)，n = min(r, g, b)，其中r, g, b分别是归一化的RGB颜色空间中的值 数字图像处理(4) 从从HSI到到RGB 的彩色转换的彩色转换(5) RGB与与CIE XYZ颜色模型之间转换算法颜色模型之间转换算法 BGRZYX112. 1066. 0000. 0144. 0587. 0299. 0200. 0714. 0608. 0数字图像处理(6) CIE XYZ与与CIE L*a*b*颜色模型转换算法颜色模型转换算法 L的范围是010

15、0，a, b的范围是-300300。从-a到+a表示绿到红过渡，-b到+b表示蓝到黄过渡。)/()/(500),/()/(500) (13),(13,16)/(1163159,3154nnnnnnnZZfYYfbYYfXXfavvLvuuLuYYfLZYXYvZYXXu数字图像处理6. HSI分量图像处理分量图像处理 HSI模型可以独立控制色调、饱和度和强色图12.13 (a)RGB图像和相应的HSI图像分量，(b)色度，(c)饱和度，(d)强度图12.14 (a)到(c) 改变的HSI图像分量，(d)最终的 RGB图像数字图像处理三、彩色图像的直方图处理三、彩色图像的直方图处理 必须考虑适应

16、多个分量的直方图技术。 合理的：均匀地扩展彩色强度，保留彩色本身（色调）不变。图12.16 HSI彩色空间的直方图均衡 (d)是饱和度调整数字图像处理四、平滑和锐化四、平滑和锐化 可以采用类似灰度图可以采用类似灰度图像的空间滤波处理像的空间滤波处理。图12.17 (a)RGB图像及其(b)R、(c)G、(d)B分量图12.18 图12.17中(a)的(a)H、(b)S、(c)I分量数字图像处理图12.20 用拉普拉斯进行图像锐化图12.19 用55平均模板平滑图像(a)处理RGB每一分量图像的结果；(b)处理HIS图像强度分量，转换为RGB图像的结果；(c)两种结果间的差别数字图像处理五、彩色

17、图像增强技术研究五、彩色图像增强技术研究 一个理想的模拟生理视觉的成像系统应该同时兼顾精确度和灵活性，对于不同场景的图像，需要考虑栩栩如生的颜色输出，高动态范围压缩以及对表面反射率足够精确地确定。 基于视觉生理学的彩色图像增强方法模型Retinex(来自于视网膜Retina和大脑皮层Cortex的组合)。 1971，E.H.Land提出 中心-环绕Retinex(Center-Surround Retinex, CSR)的数学形式简洁而优雅：,log,log,kkkRi jIi jIi j数字图像处理处理实例处理实例1数字图像处理实例实例2数字图像处理六、彩色图像分割六、彩色图像分割1. HS

18、I彩色空间分割彩色空间分割 在色调图像中分离出感兴趣的特征区。 饱和度作为模板图像。 强度不常使用，因为不携带彩色信息。图12.21 HSI空间的图像分割(a)原图像；(b)色调H；(c)饱和度S；(d)强度I；(e)二值饱和度模板(黑=0)；(f)(b)和(e)相乘；(g)(f)的直方图；(h)(a)中红分量的分割数字图像处理2. RGB向量空间分割向量空间分割 通常在RGB空间结果更好。且方法直接。 给定采样点集，得到一个彩色“平均”估计。 根据距离判定准则分割数据。图12.22 RGB空间的图像分割由封闭的矩形所示的感兴趣 彩色图像，计算平均向量，得到微红色的样本；(a) 分割结果，准确得多数字图像处理3. 彩色边缘检测彩色边缘检测 用简单的梯度合成图像会导致错误结果。 定义基于向量的梯度。图12.23 RGB空间的图像分割(a)(c) R、G、B分量图像，(d) 合成彩色图像(f)(g) R、G、B分量图像，(h) 合成彩色图像数字图像处理 令r 、 g 、 b是RGB彩色空间沿R 、 G 、 B轴的单位向量，可定义向量为： p266（参考：Di Zenzo1986论文） 这些向量的点积如下： 利用该表示法，c(x,y)的最大变化率方向可以由角度给出： 点在方向上变化率的值由下式给出：yyxxxyggg2arctan21bgrvbgruyByGyRxBxGxR,y