Ch04-彩色图像增强课件

1、第4章 彩色图像增强 Color Image Enhancement张淑军 青岛科技大学信息学院颜色的本质颜色与光是密不可分的，颜色是光和眼睛相互作用而产生的。光的波长不同，就会引起不同的视觉，即感觉到不同的颜色。只有一种波长的光称为单色光，由具有不同波长的单色光组成的光称为复合光。不同波长的光能量不同，波长越大，能量越小。 白光是多种波长的光混合而成。将两种色光按一定比例混合也可得到白光，这两种颜色称为互补色。第2页第4章 彩色图像增强 颜色的本质物质呈现不同颜色是由于对不同波长的光吸收、反射程度不同。那物质为什么又能选择性吸收或反射不同波长的光呢？这主要与组成该物质的分子、离子的内部结构有

2、关系。由于各种物质分子的能量状态不同，因而对可见光中不同波长的光吸收便不同，这种差异，便直接决定着物质的颜色。 第3页第4章 彩色图像增强 本章教学重点和要求重点（1）三基色与三补色（2）RGB，CMY彩色模型（3）HSI彩色模型及与RGB模型的转换要求（其他知识点）（1）会看色度图（2）掌握真彩色增强的策略（3）了解伪彩色增强的方法第4页第4章 彩色图像增强第4章 彩色图像增强 第5页第4章 彩色图像增强 第4章 彩色图像增强 4.1 彩色视觉和描述4.2 彩色模型及转换4.3 伪彩色增强4.4 真彩色增强第6页第4章 彩色图像增强 4.1 彩色视觉和描述颜色的本质牛顿（1666）：三棱镜折

3、射白光后形成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫连续光谱不同颜色的光实质是 不同频率的电磁波可见光谱的波长范围：400700nm4.1 彩色视觉和描述可见光是由电磁波谱中相对较窄的波段组成。当观察全彩色时，色谱末尾的颜色不是突变的，而是由一种颜色连续平滑的过渡到下一种颜色。视觉接收物体的颜色主要由物体反射光的性质决定，当然还由视觉特性、光源特性决定。一个物体反射的光如果在所有可见光波长范围内是平衡的，则呈现白色。反射某一有限范围的可见光谱，呈现某种颜色。人在很暗的环境中感受不到颜色。第7页第4章 彩色图像增强 第8页第4章 彩色图像增强 4.1 彩色视觉和描述三基色（三原色）人能感受到不同的颜色是因为视

4、网膜内有3种不同的感受彩色的锥细胞，它们对外来辐射具有不同的频率响应曲线（对不同光的反应曲线）。3条曲线的最高处（响应最大处）基本对应红、绿、蓝三色，因此人眼对红、绿、蓝最为敏感 。大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产生。如，白色可由RGB三色相加得到。 第9页第4章 彩色图像增强 4.1 彩色视觉和描述三基色（三原色） 【CIE 1931 RGB标准】 从反应曲线可以看出，红、绿、蓝都包含一定的频谱范围，为建立标准，国际照明/度委员会CIE在1931年规定三基色的波长分别为：1）红（R: red）： 波长700 nm2）绿（G: green）： 波长544.1 nm3）蓝（

5、B: blue）： 波长435.8 nm注意：光谱是连续渐变的，没有哪一种单一颜色可称为红、绿、蓝；仅由这三种波长的光并不能组成所有颜色。第10页第4章 彩色图像增强 4.1 彩色视觉和描述 虽然RGB是人感受彩色的三基色，但人在区分或描述彩色时常使用下面三种基本的感知量来表示彩色特性：亮 度：与物体的反射率成正比，颜色的明亮度色 调：与光谱中光的波长相联系，感受到的主要颜色饱和度：与一定色调的纯度有关，白光加入越多纯度越小色调和饱和度合称色度。彩色可用亮度和色度共同表示。确定彩色的方法（1）三色值系数（2）色度图第11页第4章 彩色图像增强 4.1 彩色视觉和描述（1）色值系数设红、绿、蓝的

6、值分别为X，Y，Z三个色系数为 （归一化）：第12页第4章 彩色图像增强 4.1 彩色视觉和描述基色相加可以产生合成色 （间色、二次色）品红（红+蓝）Magenta青色（蓝+绿）Cyan黄色（红+绿）Yellow以正确的比例把三基色 或一种二次色和其相反 的基色混合可以产生白光。第13页第4章 彩色图像增强 4.1 彩色视觉和描述（2） 色度图CIE在1931年制定，也称舌形色度图x，y轴分别对应红色和绿色色系数，蓝色：z = 1- (x + y)借助色度图，可方便的用组成某种彩色的三原色的比例来规定这种彩色。色度图第15页第4章 彩色图像增强 4.1 彩色视觉和描述（2）色度图的讨论色度图中

7、每点都对应一种可见的颜色，以(0,0)，(0,1)，(1,0)为顶点的三角形内色度图外的点对应不可见的颜色边界上的点为纯色，移向中心表示 混合的白光增加而纯度减少中心点C为白色，由三原色各1/3组成， 纯度为0（某种彩色的纯度即饱和度）过C点直线端点的两彩色为互补色。 如510C（510nm光谱颜色的补色）第16页第4章 彩色图像增强 4.1 彩色视觉和描述（2）色度图的讨论色度图边界上的各点具有不同的色调。连接中心点和边界点的直线上的各点有相同的色调。色度图中连接任两端点的直线上的 各点表示将这两端点所代表的彩色 相加可组成的一种新彩色。 三色组合成的颜色范围在由这3种 颜色对应的三个点连成

8、的三角形内。第17页第4章 彩色图像增强 第4章 彩色图像增强 4.1 彩色视觉和描述4.2 彩色模型及转换4.3 伪彩色增强4.4 真彩色增强第18页第4章 彩色图像增强 4.2 彩色模型及转换为了正确有效地表达彩色信息，需要建立合适的彩色表达模型（彩色空间）。建立彩色模型可看作建立一个3D坐标系统，其中每个空间点都代表某一种特定的彩色。分类（依据应用）面向硬设备的彩色模型 诸如彩色显示器或打印机之类的硬设备 (RGB模型，CMY模型，彩色电视颜色模型等)面向视觉感知的彩色模型 以彩色处理为目的的应用(HSI模型，HSV模型等)第19页第4章 彩色图像增强 4.2 彩色模型及转换1. RGB

9、模型建立在笛卡儿坐标系统里，其中三个轴分别为R，G，B模型的空间是正方体，原点对应黑色，离原点最远的顶点对应白色从黑到白的灰度值分布在从原点到离原点最远顶点间的连线（体对角线）上，而立方体内其余各点对应不同的颜色，可用从原点到该点的矢量表示 第20页第4章 彩色图像增强 4.2 彩色模型及转换1. RGB模型具有不同亮度级值的红、绿、蓝三种基色的叠加与组合，也称加色模型。每幅彩色图包括3个独立的基色平面（通道）。是CRT显示颜色、建立图像显示和成像设备的基础。第21页第4章 彩色图像增强 4.2 彩色模型及转换2. CMY模型三补色（可由三基色叠加得到）： 蓝绿/青(C, cyan)，品红(M

10、, magenta)，黄(Y, yellow)主要用于彩色打印，这三种补色可分别由从白光中减去三种基色而得到，也称为减色模型从CMY到RGB的转换为： （补色：红-青，绿-品红，蓝-黄） 减色模型第22页第4章 彩色图像增强 4.2 彩色模型及转换面向硬件设备的彩色模型与人的视觉感知有一定距离，如给定一个彩色信号，人很难判定其中的R，G，B分量，这时使用面向视觉感知的颜色模型比较方便。HSI（hue, saturation, intensity）模型：使用较多HSV（hue, saturation, value）模型Lab模型：均匀彩色空间模型均是非线性的，独立于显示设备第23页第4章 彩色图

11、像增强 4.2 彩色模型及转换HSI模型：H 表示色调（hue）S 表示饱和度（saturation）I 表示密度（intensity，对应成像亮度和图像灰度）H和S合称色度两个基本特点：亮度分量与色度分量是分开的（I 分量与图像的彩色信息无关）H 和 S 分量互相独立并与人感知颜色的方式紧密相连第24页第4章 彩色图像增强 4.2 彩色模型及转换HSI模型模型表示：双棱锥结构（1）水平截面为等边三角形，三个顶点分别为R，G，B（2）H：点p的H为三角形中心点到p的矢量与R轴的夹角（3）S：与三角形中心点到p的矢量长度成正比（4）I：离开中间截面向上变白（亮）；向下变黑（暗）第25页第4章 彩

12、色图像增强 4.2 彩色模型及转换RGB模型转换为HSI模型在RGB空间的彩色图像可以方便地转换到HSI空间。对任意3个归一化到0,1范围内的R，G，B值：第26页第4章 彩色图像增强 4.2 彩色模型及转换RGB模型转换为HSI模型从S和I的计算公式可知：当R=G=B=1时，S=0，此时为白色（无彩色），H没有意义，定义H为0当R=G=B=0时，I=0，此时为黑色，讨论S和H也没有意义。第27页第4章 彩色图像增强 4.2 彩色模型及转换例4.2: 彩色图像的H，S，I分量的显示(a)RGB图像(b)Hue分量(c)Saturation分量(d)Intensity分量第28页第4章 彩色图像

13、增强 4.2 彩色模型及转换例4.2: 在解释色度分量时的某些困难：（1）在HSI模型中，0度和360度相遇处有一个不连续点（红色和紫色是两端）；（2）色调对于0饱和度没有定义（对纯白、纯黑和纯灰色，即I轴上的点）。HSI模型的圆柱坐标系统第29页第4章 彩色图像增强 4.2 彩色模型及转换HSI模型转换到RGB - H是一个角度，取值范围在0度到360度之间（1）当H在0, 120度之间第30页第4章 彩色图像增强 4.2 彩色模型及转换（2）当H在120, 240度之间（3）当H在240, 360度之间现场演示颜色的变换第31页第4章 彩色图像增强 第32页第4章 彩色图像增强 第4章 彩

14、色图像增强 4.1 彩色视觉和描述4.2 彩色模型及转换4.3 伪彩色增强4.4 真彩色增强第33页第4章 彩色图像增强 4.3 伪彩色增强彩色 人眼对彩色比对灰度有较大的分辨能力 对灰度：几十种 对彩色：几千种伪彩色(pseudocolor)处理对原来灰度图像中不同灰度值的区域赋予不同的颜色，以更明显地区分原图并没有颜色，人工赋予的颜色称为伪彩色赋色过程实际是一种着色过程：输入为灰度图像，输出为彩色图像第34页第4章 彩色图像增强 4.3 伪彩色增强伪彩色(pseudocolor)处理的典型方法亮度切割利用变换函数频域滤波第35页第4章 彩色图像增强 4.3 伪彩色增强亮度切割 - 将灰度图

15、像看作一个2D亮度函数 - 用1个平行于图像坐标平面的平面去切割图像亮度函数，从而把亮度函数分成2个灰度值区间 - 灰度值大于切割灰度值 ，则赋予颜色1，否则赋予颜色2 - 上下移动切割平面，可得到不同的区分结果。第36页第4章 彩色图像增强 4.3 伪彩色增强可扩展到：对图像亮度分层 划分为多个灰度区间，分别赋予不同的颜色例4.5: 亮度切割甲状腺的灰度图像 图像被分成8个彩色区域第37页第4章 彩色图像增强 4.3 伪彩色增强（2）从灰度到彩色的变换（映射）利用（点点）幅度变换函数对灰度值用3个独立变换来处理，分别变换到R，G，B不同范围的灰度值由不同颜色增强横轴f为灰度值第38页第4章

16、彩色图像增强 4.3 伪彩色增强（2）从灰度到彩色的变换（续）将3个变换的结果分别输入到3个电子枪，就可得到其颜色内容由三个变换函数调制的混合图像。该方法可看作亮度切割的推广（用任意函数去切割）彩色显示器第39页第4章 彩色图像增强 4.3 伪彩色增强（3）频域滤波对原来灰度图像中的不同频率分量（可分别借助低通，带通/带阻，高通滤波器获得）赋予不同的颜色，将各通路的图像分别输进彩色显示器的红、绿、蓝输入口就能得到增强后的图像。第40页第4章 彩色图像增强 第4章 彩色图像增强 4.1 彩色视觉和描述4.2 彩色模型及转换4.3 伪彩色增强4.4 真彩色增强第41页第4章 彩色图像增强 4.4

17、真彩色增强真彩色增强中，被增强的图像原来就是彩色的。一般真彩色RGB图可用24比特表示，三基色各8比特，取值0, 255。也可都归一化到0,1范围。一幅真彩色RGB图也可用H，S，I各8比特的三个分量图表示，不同的是色调（H）图中的像素值是用角度为单位的，256个值均匀分布在 之间。在帧缓存系统中，每个像素值所占字节数都是2的整数次幂。真彩色的缓存常对每个像素分配4个字节，其中3个字节分别用于R，G，B，第4个字节用于表达颜色以外的信息，如 分量（透明度）。 第42页第4章 彩色图像增强 4.4 真彩色增强（1）处理策略两种： 1. 将一幅彩色图像看作三幅分量图像的组合体，先分别单独处理，再将

18、结果合成。 2. 将一幅彩色图像中的每个像素看作具有三个属性值，即属性视为一个矢量，利用对矢量的表达方法进行处理。第43页第4章 彩色图像增强 4.4 真彩色增强（2）单分量变换增强 对彩色图像的变换增强对单分量进行增强在R，G，B空间需要对三个分量都进行变换，而在HSI空间只需要对其中一种分量做变换（感知特性）。真彩色图像增强步骤：(1) 将R，G，B分量图转化为H，S，I分量图 (2) 利用对灰度图增强的方法增强其中的某个分量图 (3) 再将结果转换为R，G，B分量图第44页第4章 彩色图像增强 4.4 真彩色增强亮度（I分量）增强 通过比例变换增强图像亮度： 只需对亮度变换 不改变原图的彩色内容（色度不变），但增强后的图看起来还可能会有些色感不同 第45页第4章 彩色图像增强 4.4 真彩色增强饱和度（S分量）增强增大像素饱和度会使图像色彩更鲜明减小像素饱和度会使图像色彩感减少，显得平淡第46页第4章 彩色图像增强 4.4 真彩色增强色调（H分量）增强色调对应一个角度（在HSI颜色三角形上）微增一个常数，会使颜色在色谱上移动。常数较小时，会使色调变“暖”或变“冷”常数较