第六章彩色图像处理(4学时)

第六章彩色图像处理张萍电子科技大学光电信息学院E-mail:pingzh@参考资料教材：RafaelC.Gonzalez,etc，DigitalImageProcessing(ThirdEdition)，电子工业出版社，2010参考书籍：（美）科斯汗，阿比狄著，章毓晋译，彩色数字图像处理，清华大学出版社，2010-2-1为什么要研究彩色图像处理？

符合人类视觉特点人类可以辨别几千种颜色色调和亮度只能辨别几十种灰度层次有用的描述子简化目标物的区分目标识别：根据目标的颜色特征彩色图像处理的两个主要领域:全彩色处理图像用全彩色传感器获取，如数码相机和彩色扫描仪伪彩色处理对特定的单一亮度或亮度范围赋予一种颜色主要内容彩色基础彩色模型伪彩色图像处理全彩色图像处理彩色变换彩色图像平滑和尖锐化彩色图像分割彩色图像的噪声彩色图像压缩主要内容彩色基础彩色模型伪彩色图像处理全彩色图像处理彩色变换彩色图像平滑和尖锐化彩色图像分割彩色图像的噪声彩色图像压缩1666年，艾萨克·牛顿（Isaac.Newton）发现了，当一束白光通过一个玻璃棱镜时，出现的光束不是白光，而是由一端为紫色到另一端为红色的连续彩色谱组成。

白光通过棱镜时的彩色谱彩色谱可分为6个宽的区域：紫色、蓝色、绿色、黄色、橘红色和红色。1.彩色基础彩色光大约覆盖电磁波谱400～700nm的范围，用来描述彩色光源质量的三个基本量：辐射率：从光源流出能量的总量，通常用瓦特（W）度量。光强：观察者从光源接收的能量的量度，用流明度量。亮度：是一个主观描绘子，它实际上是不可能度量的。它具体化了彩色强度的概念并是描绘彩色感觉的一个关键参数。可见范围电磁波谱的波长组成1.彩色基础在人的视觉系统中存在着两种感光细胞:杆状细胞(Rods)杆状细胞为暗视器官，主要功能是辨别亮度信息；锥状细胞(Cones)锥状细胞是明视器官，在照度足够高时起作用，其功能是分辨颜色。在人眼中的6～7万锥状细胞中大约65％的锥状细胞对红光敏感，33％对绿光明暗，只有2％对蓝光敏感。1.彩色基础人类感光细胞的敏感曲线CIE（国际照明委员会）在1931年选择红、绿、蓝3种颜色作为三基色。三基色的特定波长：蓝＝435.8nm，绿＝546.1nm，红＝700nm。CIE标准只是实验数据的近似。没有单一颜色可称为红、绿、蓝。为标准化目的而定的特定三基色波长并不意味着RGB分量单独作用就能产生所有谱色。二次色:由基色相加产生。如深红色（红加蓝），青色（绿加蓝）和黄（红加绿）。补色:用白色减去一种颜色就可以得到它的补色。相加得到白光的两种颜色称为互补色。颜料中的三基色是指吸收一种光基色并让其他两种基色反射的颜色，所以颜料的三基色正是光的三个补色，而颜料的三补色是光的三基色。1.彩色基础三基色混合成彩色的方法主要有两种：加色法：通过颜色相加产生各种彩色。如，红＋绿＝黄，绿＋蓝＝青，蓝＋红＝品红（深红、紫）。彩色电视机的彩色是通过相加混合而成的。以一定的比例混合这三种基色，或混和一个二次色和其相反的原色可产生白光。减色法：三基色为黄色、青色和品红。如，白－蓝＝黄，白－红＝青，白－绿＝品红。彩色电影与幻灯片的彩色是通过相减混合而成的。三种颜料原色或者其相对应的补色进行合适的组合产生黑色。1.彩色基础通常用来区分不同颜色的特性量为：亮度(Brightness,又称强度-Intensity)

亮度是色彩明亮度的概念。色调(Hue)

色调表示观察者接收的主要颜色（光波混合中与主波长有关的属性）饱和度(Saturation)

饱和度给出一种纯色被白光稀释的程度的度量。1.彩色基础色调与饱和度一起称为彩色，因此，颜色用亮度和彩色表征。CIE色度图（确定颜色的另一种方法）以x（红）和y（绿）函数表示颜色组成。对于任何x（红）和y（绿）的值，相应的z（蓝）＝1－(x+y)。如，某颜色有大约62％的绿色和25％的红色，那么，蓝色的组成大约有13％。1.彩色基础(红)(绿)。三角形显示了由RGB监视器产生的典型的颜色范围，称为彩色全域。三角形内的不规则的区域表示高质量的彩色打印设备的彩色域。主要内容彩色基础彩色模型伪彩色图像处理全彩色图像处理彩色变换彩色图像平滑和尖锐化彩色图像分割彩色图像的噪声彩色图像压缩彩色模型（也称彩色空间或彩色系统）

RGB

CMY和CMYK

HSI

YIQ

YUV

YCbCr2.彩色模型RGBCCD技术直接感知R,G,B三个分量是图像成像、显示、打印等设备的基础2.彩色模型在RGB空间，用以表示每个像素的比特数叫做像素深度。

RGB图像的每一幅红、绿、蓝图像都是一幅8比特图像，每个RGB彩色像素共有24比特深度。

24比特RGB图像的颜色总数是：(28)3=16777216CMY和CMYK彩色空间CMY(青、深红、黄)它是通过颜色相减来产生其它颜色的运用在大多数在纸上沉积彩色颜料的设备，如彩色打印机和复印机。CMYK(青、深红、黄、黑）CMY彩色模型的三种基色再加上黑色——CMYK彩色模型。这种模式的文件大，占用的磁盘空间和内存大。一般在印刷时使用。2.彩色模型HSI(色调、饱和度、亮度）将亮度(I)与色调（H）和饱和度（S）分开避免颜色受到光照明暗(I)等条件的干扰仅仅分析反映色彩本质的色调和饱和度广泛用于计算机视觉、图像检索和视频检索2.彩色模型两个特点：I分量与图像的彩色信息无关H和S分量与人感受颜色的方式是紧密相连的YIQY指亮度(Brightness),即灰度值Y分量可提供黑白电视机的所有影像信息I和Q指色调，描述色彩及饱和度

I分量代表从橙色到青色的颜色变化，而Q分量则代表从紫色到黄绿色的颜色变化。2.彩色模型用于彩色电视广播，被北美的电视系统所采用（属于NTSC系统）YUVY指亮度(Brightness),即灰度值，与YIQ的Y相同Y分量可提供黑白电视机的所有影像信息两个色差信号R－Y（即U）、B－Y（即V）2.彩色模型用于彩色电视广播，被欧洲的电视系统所采用（属于PAL系统）YCbCrY指亮度，与YIQ和YUV的Y相同Y分量可提供黑白电视机的所有影像信息Cb和Cr由U和V调整得到2.彩色模型YCbCr是在计算机系统中应用最多的成员，其应用领域很广泛，JPEG、MPEG均采用此格式。彩色模型转换.5.RGBRGBRGBRGBRGBCMYHSIYIQYUVYCbCr1、RGBCMY彩色模型转换式中：C、M、Y，R、G、B都归一化到［0，1］范围2、RGBHSI彩色模型转换RGB图像和与之对应的HSI图像分量RGB图像

饱和度色调

强度RGSector(0≤H<120)GBSector(120≤H<240)BRSector(240≤H≤360)2、HSIRGB图(a)把色调分量图像的蓝、绿区域的像素变为0。图(b)S分量图像中青色区域的饱和度减少一半。图(c)强度图像中心的白区域强度减少一半。图(d)把改进后的HSI图像变换回RGB图像。3、RGBYIQ彩色模型转换4、RGBYUV彩色模型转换5、RGBYCbCr彩色模型转换主要内容彩色基础彩色模型伪彩色图像处理全彩色图像处理彩色变换彩色图像平滑和尖锐化彩色图像分割彩色图像的噪声彩色图像压缩3.伪彩色图像处理什么叫伪彩色图像处理？

也叫假彩色图像处理

根据一定的准则对灰度值赋以彩色的处理区分：伪彩色图像、真彩色图像、假彩色图像伪彩色：对原来灰度图像中不同灰度值的区域赋予不同的颜色。真彩色：自然物体的彩色，能真实反映自然界物体本来颜色的图像。假彩色：把真实景物图像的像素逐个地映射为另一个颜色，使目标在原图像中各突出。为什么需要伪彩色图像处理?

人类可以辨别上千种颜色和强度只能辨别二十几种灰度3.伪彩色图像处理应用为人们观察和解释图像中的灰度目标怎样进行伪彩色图像处理?强度分层技术灰度级到彩色转换技术（1）强度分层技术

把一幅图像描述为三维函数（x,y,f(x,y)）分层技术：放置平行于(x,y)坐标面的平面每一个平面在相交区域切割图像函数强度分层技术示意图设一幅灰度图像f(x,y)，在某一个灰度级（如f(x,y)=L1

）上设置一个平行于xy平面的切割平面。对切割平面以下的像素分配给一种颜色，对切割平面以上的像素分配给另一种颜色。这样切割结果就可以将灰度图像变为只有两个颜色的伪彩色图像。（1）强度分层技术若将灰度图像级用M个切割平面去切割。就会得到M+1个不同灰度级的区域S1，S2，…，SM，SM+1。对这M+1个区域中的像素人为分配给M+1种不同颜色，就可以得到具有M+1种颜色的伪彩色图像。多灰度伪彩色分割示意图例1:甲状腺模型(a)甲状腺模型的单色图像，(b)强度分层为8个彩色的结果左图的恒定强度难以区分病变，右图强度分层结果，清楚的显示恒定强度的不同区域图像灰度为255，焊点有问题给255灰度赋以一种颜色，其他为另一种颜色例2:焊接点问题检测简化工作，降低误识率例3:焊接点问题检测图a图b图c图d图a：图像的强度值直接与降雨相对应，目测困难图b：对强度值赋予彩色，蓝色表示低降雨量，红色表示高降雨量图c：彩色编码图像;图d：放大区域图像（2）灰度级到彩色转换对任何输入像素的灰度值进行三个相互独立地变换，将这三个变换结果分别送到彩色监视器的红、绿、蓝通道，产生一幅彩色合成图像。它的颜色内容由变换函数的性质决定。注意：这种方法是一幅图像灰度级值的变换函数而不是位置函数。例：突出装在行李内的爆炸物的伪彩色应用（2）灰度级到彩色的转换多幅单色图像组合为一幅彩色组合图像多光谱图像处理中，不同的传感器在不同的谱段产生独立的单色图像，常组合为一幅彩色图像。红绿蓝近红外RGB图像伪彩色图像例：多光谱图像彩色编码木星的伪彩色图像木星的伪彩色图像：局部放大主要内容彩色基础彩色模型伪彩色图像处理全彩色图像处理彩色变换彩色图像平滑和尖锐化彩色图像分割彩色图像的噪声彩色图像压缩4.全彩色图像处理全彩色图像处理研究分为两大类分别处理每个分量图像，然后合成彩色图像。直接对彩色像素处理。4.全彩色图像处理分别处理每个分量图像，然后合成彩色图像。能用该方法的前提：该操作既可用于向量，也可用于标量应用于向量时，各分量的处理结果互不相关例：线性滤波4.全彩色图像处理直接对彩色像素处理。全彩色图像至少有3个分量，彩色像素实际上是一个向量。如，在RGB系统中，令C代表RGB彩色空间中的任意向量：主要内容彩色基础彩色模型伪彩色图像处理全彩色图像处理彩色变换彩色图像平滑和尖锐化彩色图像分割彩色图像的噪声彩色图像压缩5.彩色变换彩色变换函数f(x,y)是彩色输入图像g(x,y)是变换或处理后的彩色输出图像T是在空间邻域(x,y)上对f的操作。若操作T[]所定义的邻域为像素

(x,y)本身的单点集，那么输出

g(x,y)仅依赖于输入图象在(x,y)像素点的彩色值，与其邻域无关，此时T[]定义的操作被称为彩色变换，或彩色映射函数：5.彩色变换彩色变换的简单形式对于每个彩色分量，ri、si为f(x，y)和g(x，y)在图像中任一点的彩色分量值；{T1,T2,…,Tn}是一个对ri操作产生si的变换或彩色映射函数集。选择的彩色空间决定n的值。若选择RGB模型，则n=3；r1、r2、r3分别表示输入图像的红、绿、蓝分量；选择CMYK模型，则n=4。全彩色图像和它的不同彩色空间分量草莓和咖啡杯的彩色图像CMYK图像RGB图像HSI图像

g(x,y)=kf(x,y)，0<k<1HSI彩色空间，可以作简单变换：

s3=kr3，这里s1=r1，s2=r2，仅仅改变亮度分量r3。

RGB彩色空间，3个分量都必须变换：

si=kri

i=1,2,3。

CMY空间为一个相似的线性变换集：

si=kri＋(1－k)，i=1,2,3。

5.彩色变换用彩色变换调整图像亮度(a)原像，(b)减少亮度30％(k=0.7)，(c)~(e)所要求的RGB,CMY和HSI变换函数5.彩色变换用彩色变换调整图像亮度在如图所示的彩色环上，与一种色调直接相对立的另一种色调称为补色。作用：增强嵌在彩色图像暗区的细节5.彩色变换补色例：计算彩色图像的补色(c)基于RGB映射函数的(a)的补色红色在补色中用青色代替，黑色在补色中用白色代替(a)原图像(b)补色变换函数(d)用HSI变换的RGB补色的近似突出图像中特殊的彩色区域对从其周围分离出目标物是很有用的。基本思路：（1）显示感兴趣的颜色以便从背景中把它们分离出来；（2）像模板那样使用由彩色定义的区域，以便进一步处理。最直接的方法是沿用灰度分层技术。最简单的方法之一是把某些感兴趣区域以外的区域的彩色映射为不突出的自然色。5.彩色变换彩色分层

如果感兴趣的颜色由宽为W，中心在原彩色点并具有分量(a1,a2,…,an)的立（超）方体所包围，则必要的变换集是：

如果用一个圆球确定感兴趣的颜色，变换集为：5.彩色变换彩色分层(a)在宽度为W＝0.2549,中心在(0.6863,0.1608,0.1922)的RGB立方体中检测红色的彩色分层变换(b)在半径为0.1765，中心在相同的RGB球形中检测红色，处在立方体和球形外边的像素由彩色(0.5,0.5,0.5)代替例：彩色分层一幅图像的灰度范围也叫做“主调型”，它提供一般彩色强度的分布信息。高主调图像的多数信息集中在高亮度处低主调图像的彩色主要位于低亮度处中间主调图像位于其中间亮度处正像在单色情况下，彩色图像亮度最好在高亮度和阴影之间均匀分布5.彩色变换色调和彩色校正例：校正灰度不平衡的变换对平淡的、亮的（高主调）、暗的（低主调）彩色图像的校正。等量地调整红、绿、蓝分量没有改变图像色调平淡亮暗变亮变暗增强对比度，亮的更亮，暗的更暗

例：用于校正简单的CMYK输出不平衡的变换灰度直方图均衡自动地确定一种变换，这种变换试图产生具有均匀的灰度值的直方图。在单色图像情况下，能成功处理低、中和高主调图像。彩色图像是由多个分量组成的，独立地进行彩色图像分量的直方图均衡通常是不明智的，这将产生不正确的彩色。一个更合乎逻辑的方法是均匀地扩展彩色强度，保留彩色本身(即色调)不变。5.彩色变换直方图处理强度分量直方图中看到的，图像包含大童的暗彩色，使中央强度减少到0.36。不改变色调和饱和度，均衡强度分量的结果采用增加图像的饱和度分量，然后进行直方图均衡的结果例：在HSI彩色空间的直方图均衡主要内容彩色基础彩色模型伪彩色图像处理全彩色图像处理彩色变换

彩色图像平滑和尖锐化彩色图像分割彩色图像的噪声彩色图像压缩令Sxy表示在RGB彩色图像中定义一个中心在(x,y)的邻域的坐标集，在该邻域中RGB分量的平均值为：向量形式为：6.平滑和尖锐彩色图像平滑如标量图像一样，该向量分量可以用传统的灰度邻域处理单独地平滑RGB图像的每一个平面得到。用邻域平均值平滑可以再每个彩色平面的基础上进行。例：用邻域平均进行彩色图像平滑(a)RGB图像，(b)红分量图像，(c)绿分量图像，(d)蓝分量图像上图的RGB彩色图像的HSI分量。(a)色调，(b)饱和度，(c)强度例：用邻域平均进行彩色图像平滑(a)处理RGB每一分量图像的结果，(b)处理HSI图像强度分量，转换为RGB图像的结果，(c)两种结果间的差别例：用邻域平均进行彩色图像平滑用5×5平均模板平滑图像图c的原因：图a像素的平均是不同彩色的平均，而图b仅仅是强度的平均，原彩色（色调H和饱和度S）保持不变6.平滑和尖锐彩色图像尖锐化采用拉普拉斯算子进行图像锐化处理。向量的拉普拉斯被定义为一向量，其分量等于输入向量的独立标量分量的拉普拉斯微分。在RGB彩色系统中，向量c的拉普拉斯变换为：可以通过分别计算每一分量图像的拉普拉斯去计算全彩色图像的拉普拉斯例：用拉普拉斯尖锐化(a)RGB图像的拉普拉斯变换(b)图像的强度I分量图像的拉普拉斯变换(c)图a和图b的差别图像图c的原因：图a像素的锐化是不同彩色的锐化，而图b仅仅是强度的锐化，原彩色（色调H和饱和度S）保持不变主要内容彩色基础彩色模型伪彩色图像处理全彩色图像处理彩色变换

彩色图像平滑和尖锐化彩色图像分割彩色图像的噪声彩色图像压缩7.彩色图像分割HSI彩色空间分割在色调图像中描述彩色是很方便的。为了在色调图像中分割出感兴趣的特征区，饱和度被用作一个模板图像。在彩色图像分割中强度图像不常使用，因为它不携带彩色信息。H色调图像方便描述彩色S饱和度图像做模板分离感兴趣的特征区I强度图像不携带彩色信息例：在HSI空间的分割(a)原图像，(b)色调，(c)饱和度，(d)强度,(e)二值饱和度模板(以最大饱和度的10％为门限)，(f)(b)和(e)相乘，(g)(f)的直方图，(h)(a)中红分量的分割(0.9为门限)7.彩色图像分割RGB向量空间分割通常用RGB彩色向量分割的结果更好，该方法是直接的。假如目标是在RGB图像中分割特定彩色区域的物体。给定一个感兴趣彩色的有代表性的彩色点样本集，可得到一个彩色“平均”估计，这种彩色是我们希望分割的彩色。7.彩色图像分割RGB向量空间分割令这个平均彩色为RGB向量A。Z代表RGB空间中的任意一点，Z和A间的欧氏距离由下式给出，D0是特定的距离阈值。如果,则Z和A相似如果,则Z和A不相似例：在RGB空间的彩色分割(a)由封闭的矩形所示的感兴趣的彩色原图像(b)RGB向量空间分割的结果对比：HSI分割结果7.彩色图像分割彩色边缘检测例:设有两幅M×M（M为奇数）彩色图像图(d)(h)，它们分别由(a)到(c)和(e)到(g)中的3个分量图像合成。(a)~(c)R,G,B分量图像，(d)产生的彩色图像(f)~(g)R,G,B分量图像，(h)产生的彩色图像分别计算RGB分量图像的梯度，然后合成彩色图像将会导致错误的结果令r，g和b是RGB彩色空间沿R、G、B轴的单位向量，可定义向量为