数字图像处理第五章

科学家&艺术家论颜色准确地说，光线是没有颜色的。它所拥有的只是引起这样或者那样颜色知觉的能量分布。Newton,SirIsaac（1642-1727）ForalongtimeIlimitedmyselftoonecolor——asaformofdisciplinePabloPicasso（1881-1973）颜色现代心理学研究表明：颜色是人类认知系统对物体表面、光照以及视觉环境的综合反映。缺少了其中的任何一个，都不会有颜色感觉。"Lightnessandcolorarefieldphenomena,notpointphenomena."--EdwinH.Land.关于彩色色彩产生情绪，引发好感和反感，

色彩操纵印象，影响人们的决策，

色彩控制思想，引导个人的行为，

色彩使人致病，也可以治愈病人，

色彩无时不在，色彩也无处不在。颜色有冷暖：

人们在一个漆成蓝绿色的空间里，15°C时就会感觉到寒冷，而在橙色房间里只有到了2°C才有同样的感觉。关于颜色在古代中国，红色是幸运色，是财富的象征，可以驱病避邪。

红色代表了原始人类生命体验中的鲜血、火焰和爱。

红色容易令人产生这样的联想：强壮、精力充沛、信任和创造力。

蓝色是神奇的颜色，童话的颜色，谜一样的、梦幻的、冥想的颜色。

黄色给人十分温暖、舒服的感觉。

歌德

绿色是生命。

橙色用来象征温暖和成熟。

棕色被视为一种坚固的、诚实的、家常的颜色。

紫色是最特别的、最有魅力和神秘的颜色。

金色传递的是价值的印象。

银色的产品和银色包装的产品，被认为是质量好的，价格不菲的。

黑色现在已经成为一种流行色，它体现了三种特征：高雅、悲伤和与众不同。

白色是光的总和，是未受污染的纯洁和无罪，是绝对肯定的颜色。

灰色是介于光明和黑暗之间的颜色。灰色的日常生活没有高潮也没有低潮，灰色可以掩盖事物，产生寂静，排挤有生气的事物。灰色与长寿和久远的过去联系在一起。

男人们尤其偏爱灰色。可能是因为灰色西装在充满着竞争的职业生活中显得不那么引人注目，因而那些穿灰西装的人受到的进攻也会少一些。关于三原色可能是世界上最早的包含三基色的诗句：

日出江花红胜火，春来江水绿如蓝。——白居易《忆江南去掉带色彩的字，以下诗句将成何情形：

春风又绿江南岸

两个黄鹂鸣翠柳，一行白鹭上青天。

白日依山尽，黄河入海流。本章大纲6.1色度学基础6.2颜色模型6.3伪彩色图像处理6.4全彩色图像处理公式、补色、彩色分层、色调和彩色矫正、直方图处理6.5彩色图像平滑和锐化6.6彩色分割6.1ColorFundamentals1666年Newton发现棱镜的色散现象电磁波谱中可见光波长范围不同色光之间过渡平滑色度学基础在前面学习灰度图像时，图像的像素值是光强，即二维空间变量的函数f(x,y)。如果把灰度值看成是二维空间变量和光谱变量的函数f(x,y,λ)，即多光谱图像，也就是通常所说的彩色图像。在计算机上显示一幅彩色图像时，每一个像素的颜色是通过三种基本颜色（即红、绿、蓝）合成的，即最常见的RGB颜色模型。要理解颜色模型，首先应了解人的视觉系统。在人眼视网膜上两种人眼感光细胞：锥状，彩色、昼视觉。700万个细胞杆状，灰色、夜视觉。7500万~1.5亿个细胞锥状细胞进一步分为3种。 感蓝,感绿,感红

1．三色原理在人的视觉系统中存在着杆状细胞和锥状细胞两种感光细胞。杆状细胞为暗视器官，锥状细胞是明视器官，在照度足够高时起作用，并能分别辨颜色。锥状细胞将电磁光谱的可见部分分为三个波段：红、绿、蓝。由于这个原因，这三种颜色被称为三基色，图2-7表示了人类视觉系统三类锥状细胞的光谱敏感曲线。图2-7人类感光细胞的敏感曲线人眼锥状体(R,G,B)的光线吸收是波长函数,1956年测得的吸收率波谱

根据人眼的结构，所有颜色都可看作是三种基本颜色——R表示红（Red）、G表示绿（Green)和B表示蓝（Blue)按照不同的比例组合而成。为了建立标准，国际照度委员会(CIE)早在1931年就规定三种基本色的波长分别为R：700nm，G：546.1nm，B：435.8nm。前面已讲过，一幅彩色图像的像素值可看作是光强和波长的函数值f(x,y,λ)，但实际使用时，将其看作是一幅普通二维图像，且每个像素有红、绿、蓝三个灰度值会更直观些。色盲色盲是一种先天性色觉障碍疾病。色觉障碍有多种类型，最常见的是红绿色盲。根据三原色学说，可见光谱内任何颜色都可由红、绿、蓝三色组成。如能辨认三原色都为正常人，三种原色均不能辨认都称全色盲。辨认任何一种颜色的能力降低者称色弱，主要有红色弱和绿色弱，还有蓝黄色弱。如有一种原色不能辨认都称二色视，主要为红色盲与绿色盲。针灸穴位与指压法色盲矫正镜色盲者不为人知的优势色盲检查图色盲优势DISCOVERY报到色盲优势，一战还是二战时期，英国皇家军还有一支先锋队由色盲组成的。1色盲能更容易根据，色感的明暗差来区分事物。更容易区分事物的细节。2色觉异常的绘画，更容易让人进入一种朦胧美。这副画让更多的人产生共鸣。就像看小说比看电视剧更唯美一样，看小说自己好像就是某个角色。3在夜间更容易分辨事物。晚上大都是黑白世界。敏感度高。色盲更善于发现伪装雪豹首次被拍到捕杀猎物全程：潜行追踪岩羊雪豹首次被拍到捕杀猎物全程：潜行追踪岩羊

2．颜色的三个属性颜色是外界光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。颜色分两大类：非彩色和彩色。非彩色是指黑色、白色和介于这两者之间深浅不同的灰色，也称为无色系列。彩色是指除了非彩色以外的各种颜色。颜色有三个基本属性，分别是色调、饱和度和亮度。基于这三个基本属性，提出了一种重要的颜色模型HSI（Hue、Saturation、Intensity）。在HSI颜色模型部分中，我们将详细介绍这三个基本属性。色调：光的一种属性，可区分不同的色。饱和度：彩色光所呈现颜色的深浅程度。饱和度愈高颜色愈深，反之亦然。明亮度：光作用于人眼时引起的明亮程度的感觉。一般情况下，彩色光所包含的能量大则显得亮，反之则暗。表征彩色光有三个基本量ColorImaging民用数码相机常用专业数码相机常用,3CCD和棱镜分光仅适合于静物摄影颜色合成（1）加色合成计算机屏幕显示通常用RGB表色系统，它是通过相加来产生其他颜色，这种做法通常称为加色合成法(AdditiveColorSynthesis)（2）减色合成绘画、摄影、印刷、印染、打印中通常用CMYK表色系统，它是通过颜色相减来产生其他颜色的，所以称这种方式为减色合成法(SubtractiveColorSynthesis)。

CMYK模式的原色为青色(Cyan)、品红色(Magenta)、黄色(Yellow)和黑色（Black）。光线和颜料的原色和合成色参考白R=G=B=1加色合成减色合成从物理光学实验中得出：红、绿、蓝三种色光是非其他色光所能混合出来的，而这三种色光可以不同的比例混合出几乎自然界所有的颜色。所以红、绿、蓝是加色混合最理想的原色。红光＋绿光＝黄光红光＋蓝光＝品红光蓝光＋绿光＝青光红光＋绿光＋蓝光＝白光如果改变三原色光的混合比例，还能得到其他不同的颜色。如：红光与绿光按不同比例混合可得绿光蓝、青、青绿。如果蓝光、绿光和红光按不同比例混合还可以取得更多的色光，一切色光都可以用加色合成得到。加色合成有色物体（包括色料）所以能显色，这是因为物体对光谱中色光有选择吸收和反射的作用，所谓＂吸收＂也可以说是＂减去＂的意思。印染的染料、绘画的颜料印刷的油墨等色料的混合或透明色的重叠都属于减色混合。当两种以上的色料相混和重叠时，白光就必须减去各种色料的吸收光，其剩余部分的反射色光混合结果就是色料混合或重叠产生的颜色。黄颜色之所以呈黄色，是因为它吸收了蓝光，反射黄光的缘故；青颜色之所以呈青色，是因为它吸收了红光反射青光的缘故。如把黄与青两种颜料混合，实际上是它们同时吸收蓝光和红光，余一只有绿光能反射，因此呈绿色。减色合成根据减色合成的原理，品红、黄、青不同比例的混合，从理论上讲可以混出一切颜色。品红、黄、青三原色在色彩学上称第一次色，也称原色；把两种不同的原色相混称第二色，也称中间色；将间色与原色相混或间色与间色相混称第三次色，也称复色。如图所示：减色合成XYZ三刺激值CIE_RGB不能合成所有可见光谱的颜色.比色法为克服RGB的不足，CIE定义了与设备无关的XYZ颜色空间:CIE_xy色度图x=X/(X+Y+Z)y=Y/(X+Y+Z)z=Z/(X+Y+Z)=1-x-yx+y+z=1x,y即可决定z参考白为X=Y=Z=1x=y=1/3RGB与XYZRGB2XYZ任何颜色都可以由XYZ的正加权系数线性合成CIE_XYZ颜色空间的三刺激值敏感度曲线Namecolors•Definecolormixing•Defineandcomparecolorgam两色相加时,所产生的新色在它们的连线上.

A=tC+(1–t)BwhereBisaspectralcolor

比值AC/BCisexcitationpurityofA6.2颜色模型为了科学地定量描述和使用颜色，人们提出了各种颜色模型。目前常用的颜色模型按用途可分为两类：一类面向诸如视频监视器、彩色摄像机或打印机之类的硬件设备。面向硬件设备的最常用彩色模型是RGB模型。另一类面向以彩色处理为目的的应用，如动画中的彩色图形。面向彩色处理的最常用模型是HSI模型。另外，在印刷工业上和电视信号传输中，经常使用CMYK和YUV色彩系统。1.RGB模型

RGB模型用三维空间中的一个点来表示一种颜色，如下图所示。每个点有三个分量，分别代表该点颜色的红、绿、蓝亮度值，亮度值限定在［0,1］。在RGB模型立方体中，原点所对应的颜色为黑色，它的三个分量值都为零。距离原点最远的顶点对应的颜色为白色，它的三个分量值都为1。从黑到白的灰度值分布在这两个点的连线上，该线称为灰色线。立方体内其余各点对应不同的颜色。彩色立方体中有三个角对应于三基色——红、绿、蓝。剩下的三个角对应于三基色的三个补色——黄色、青色（蓝绿色）、品红（紫色）。1.RGB模型RGB是加色/色光合成CIE_RGB的参考白为R=G=B=1Fig.6.8RGB24-BitColorCubea.彩色剖面产生的彩色图像b.色立体的3个隐藏面WebSafeColorRGB分量的有效值：216种安全的RGB彩色：在256色中的灰色，其中带下划线的属WSC6*6*6=216色Fig6.11TheRGBsafe-colorcube颜色不准确

2.CMYK表色系统

CMYK表色系统也是一种常用的表示颜色的方式。计算机屏幕显示通常用RGB表色系统，它是通过相加来产生其他颜色，这种做法通常称为加色合成法(AdditiveColorSynthesis)。而在印刷工业上则通常用CMYK表色系统，它是通过颜色相减来产生其他颜色的，所以称这种方式为减色合成法(SubtractiveColorSynthesis)。

CMYK模式的原色为青色(Cyan)、品红色(Magenta)、黄色(Yellow)和黑色（Black）。在处理图像时，一般不用CMYK模式，主要是因为这种模式的文件大，占用的磁盘空间和内存大。这种模式一般在印刷时使用。CMY&CMYKColorModels用K来代替等量的C,M,Y,称为undercolorremove.更黑，省墨。K=min(C,M,Y);C’=C-KM’=M-KY’=Y-K

3.HSI模型

HSI模型是Munseu提出的，它反映了人的视觉系统观察彩色的方式，在艺术上经常使用HSI模型。HSI模型中，H表示色调(Hue)，S表示饱和度(Saturation)，I表示亮度(Intensity，对应成像亮度和图像灰度)。这个模型的建立基于两个重要的事实：①I分量与图像的彩色信息无关；②

H和S分量与人感受颜色的方式是紧密相联的。这些特点使得HSI模型非常适合借助人的视觉系统来感知彩色特性的图像处理算法。

图2-9中的色相环描述了色相和饱和度两个参数。色相由角度表示，它反映了该彩色最接近什么样的光谱波长。一般假定0°表示的颜色为红色，120°的为绿色，240°的为蓝色。0°到240°的色相覆盖了所有可见光谱的彩色，在240°到300°之间为人眼可见的非光谱色（紫色）。饱和度是指一个颜色的鲜明程度，饱和度越高，颜色越深，如深红，深绿。饱和度参数是色环的原点（圆心）到彩色点的半径的长度。由色相环可以看出，环的边界上纯的或饱和的颜色，其饱和度值为1。在中心是中性（灰色）阴影，饱和度为0。图2-9色相环

亮度是指光波作用于感受器所发生的效应，其大小由物体反射系数来决定，反射系数越大，物体的亮度愈大，反之愈小。

HSI模型的三个属性定义了一个三维柱形空间，如图2-10所示。灰度阴影沿着轴线从底部的黑变到顶部的白，具有最高亮度。最大饱和度的颜色位于圆柱上顶面的圆周上。图2-10柱形彩色空间1)RGB转换到HSI

对任何3个［0，1］范围内的R、G、B值，其对应HSI模型中的I、S、H分量的计算公式为(2-4)

式（2-4）计算出的H值的范围为［0°,180°］，对应于Ｇ≥Ｂ。在Ｇ＜Ｂ时，Ｈ值大于180°,只要令Ｈ＝360°－H，即可把Ｈ转换到［180°，360°］区间。所以若将两种情况都考虑上，则由式（2-4）算得的Ｈ是在［0°，360°］范围内。当S＝0时对应的是无色彩的中心点，这时H就没有意义，此时定义H为0。当I＝0时，S也没有意义。2)HSI转换到RGB

假设S、I的值在［0，1］之间，R、G、B的值也在［0，1］之间，则HSI转换为RGB的公式为(分成3段以利用对称性)

（1）当H在［0°，120°］之间(2-5)(2)当H在［120°，240°］之间(2-6)(3)当H在［240°，360°］之间(2-7)HSIColorModelHue,Saturation,IntensityHSV,Volume某个Intensity平面上的Hue和Saturation：H是角度，S是矢量长度RGB2HSI:Where:H=θifB<=GH=360-θifB>GHSI2RGB,300HSIHSI

改变HIS成分及其合成图

4.其他表色系

1）YUV电视信号彩色坐标系统

YUV彩色电视信号传输时，将R、G、B改组成亮度信号和色度信号。PAL制式将R、G、B三色信号改组成Y、U、V信号，其中Y信号表示亮度，U、V信号是色差信号。

RGB与YUV之间的对应关系如下：（2-9）（2-8）2）Lab表色系

Lab颜色模型是CIE于1976年推荐的设计成符合孟塞尔彩色系统的表色系。Lab颜色由亮度或光亮度分量L和a、b两个色度分量组成。其中a在的正向数值越大表示越红，在负向的数值越大则表示越绿；b在的正向数值越大表示越黄，在负向的数值越大表示越蓝。Lab颜色与设备无关，无论使用何种设备（如显示器、打印机、计算机或扫描仪）创建或输出图像，这种模型都能生成一致的颜色。（2-10）式中X0、Y0、Z0为标准白色对应的X、Y、Z值。6.3图像的伪彩色处理6.3图像的伪彩色处理6.3.1密度分层6.3.2灰度级到彩色转换6.3.3滤波法6.3图像的伪彩色处理1密度分层法密度分层是伪彩色处理技术中最简单的一种。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。灰度图像被切割成只有两个灰度级，对切割平面以下的（灰度级小于L1）像素分配给一种颜色（如蓝色），对切割平面以上的像素分配给另一种颜色（如红色）。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。

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，如下图所示。密度分割伪彩色处理的优点是简单易行，便于用软件或硬件实现。还可以扩大它的用途，如计算图像中某灰度级面积等。密度分层实例1：图4-35密度分割示意图密度分层伪彩色密度分层实例2：焊接缝的X线图像密度分层实例1：(a)甲状腺影像单色图(b)8色密度分层实例3：世界平均月降雨量南美2灰度级彩色变换这种伪彩色处理技术（在遥感技术中常称为假彩色合成方法），可以将灰度图像变为具有多种颜色渐变的连续彩色图像，实际图像的连续伪彩色变换如图4-37所示。其变换过程为：将灰度图像送入具有不同变换特性的红、绿、蓝3个变换器，再将3个变换器的不同输出分别送到彩色显像管的红、绿、蓝电子枪。同一灰度由3个变换器对其实施不同变换，而使3个变换器输出不同，从而在彩色显像管里合成某种色彩。可见，不同大小灰度级一定可以合成不同色彩。图4-37伪彩色变换

从图中可见，若f（x,y）=0，则IB(x,y)=L,IR(x,y)=IG(x,y)=0，从而显示蓝色。同样，若f(x,y)=L／2，则IG(x,y)=L，IR(x,y)=IG(x,y)=0，从而显示绿色。若f(x,y)=L,则IR(x,y)=L，IB(x,y)=IG(x,y)=0，从而显示红色。因此不难理解，若灰度图像f(x,y)灰度级在0～L之间变化，IR

、IB

、IG会有不同输出，从而合成不同的彩色图像。灰阶到彩色的变换实例：伪彩色图像处理的功能模块图图6.24(a)(b)(c)行李包含普通物体行李包含塑料炸弹炸弹衣箱背景伪彩色增强——灰阶到彩色的变换机场X光扫描图像：利用各正弦型的相位和频率变化，可以用彩色(分量）来增强不同灰度范围图6.25表示所用的（多对一）转换。这些正弦形函数包含峰值附近的相对不变值的区域，以及谷底附近的变化强烈的区域。每个正弦形的相位和频率变化可以用彩色(分量）来增强灰度的范围。例如，如果所有3个变换有相同的相位和频率，输出图像将是单色的。3个变换之间相位的小变化会使那些灰度级对应峰值的像素产生很小的变化，特别是正弦形低频时。对应正弦形陡峭区域的像素灰度值被赋予更强的彩色，作为由于相位间位移引起的3个正弦形幅值间的显著差异的效果。图6.24(b)的图像是用图6.25(a)的变换函数获得的。注意炸弹和背景具有相当不同的灰度值，但是由于正弦波的周期性，它们都用近似的色彩编码。图6.24(c)的图像是用图6.25(b)的变换函数获得的。这时炸弹和衣袋灰度波段用相似的变换映射，因此实际上得到相同的色彩。注意，这使得观察者能够看透炸弹。背景采用与图6.24(b)基本相同的映射，产生几乎相同的彩色。可以用不同相位差和频率进行变色观察炸弹、衣物和背景的X线灰度值不同，而且相对固定。图6.24(b)用：图6.24(c)用：不同单色图像对应不同彩色波段：华盛顿特区多光谱卫星图片：包括波托马克河。在全彩色图像中波托马克河的各个部分颜色不同。表1-1近红外波段对场景的生物分量有较强反应。混凝土和波油部分呈淡蓝色e真彩色合成e.=a.+b.+c.f假彩色合成f.=d.+b.+c.红色分量绿色分量蓝色分量近红外图像全彩色图像把红色分量换为近红外分量假彩色合成飞船多通道照片：木星合适的波段与彩色组合可反映木卫表面的化学成分和阳光反射。如上图的红色是活火山喷出物，黄色是旧的硫磺沉积。刚才所说的处理类型在复杂图像中对感兴趣事物进行可视化处理时功能很强，特别是那些超出我们正常感知能力的事物。3滤波法这是一种在频率域进行伪彩色处理的技术，与上面不同的是输出图像的伪彩色与图像的灰度级无关，而是取决于图像中不同空间频率域成分。如,为了突出图像中高频成分（图像细节）将其变为红色，只要将红色通道滤波器设计成高通特性即可。而且可以结合其他处理方法，在附加处理中实施（如直方图修正等），使其彩色对比度更强。如果要抑制图像中某种频率成分，可以设计一个带阻滤波器。其过程如图4-38所示，从3个不同频率的滤波器输出的信号再经过傅立叶反变换，可以对其做进一步的处理，如直方图均衡化。最后把它们作为三基色分别加到彩色显像管的红、绿、蓝显示通道，从而实现频率域的伪彩色处理。图4-38频率域伪彩色增强处理彩色像素： c(x,y)=[R(x,y),G(x,y),B(x,y)]T两种基本方法(不一定等效)：分量图像分别处理，然后合成彩色图像；直接对彩色像素(向量）处理。6.4BasicsofFull-ColorImageProcessing两种基本方法等效的2条件：处理过程对标量(分量图像)和向量(彩色图像)均可用；对向量各分量的运算独立于其他分量。6.4全彩色图像处理基础一种等效的平滑模板算法。。。6.5ColorTransformations处理单幅图内各分量n是彩色模型的维数。下式说明：在某一个彩色分量上的输出是各个彩色分量的函数。6.5ColorTransformationsCMYKRGBHSI处理单幅图内各分量用彩色变换调整图像的强/亮度不同彩色空间需要不同的变换函数IH,S修改：理论上，任何变换可在任何彩色模型中进行。实际上，有些运算更适合于在特定彩色模型中。 对给定的变换，到实现该变换的彩色空间的转换代价必须考虑。例如，要修正亮度，g(x,y)=kf(x,y),其中0<k<1.在HSI中较简便：s3=kr3,而s1=r1,s2=r2在RGB中：si=kri,i=1,2,3

各分量都要乘k.在CMY中：si=kri+(1-k)i=1,2,3互补色：类似于灰度图中的负片在单色图中，负片能增强暗部，特别是大面积的暗部。在彩色图中也有类似效果。OpponentColor3组对立色在RGB中做反转是一分量对一分量的，但是，在HSI中，反转图的S分量不能从原图的S分量单独获得。c,d不同用RGB反转:用HSI反转所有实用的彩色切片方法要求：每个像素转换后的色彩分量是原像素各色彩分量的函数。一种最简单的切分彩色图像的方法是将兴趣区之外的色彩映射到一种不突出的中性色彩上。ColorSlicing用立体(棋盘距离）切片用球体(欧氏距离）切片在RGB彩色空间中肤色检测实验目的：学习一种彩色图像区域切片(分割)的方法步骤：分别在RGB和HSV(或HIS)彩色空间，在测试图像中利用手工选择皮肤样本，得出肤色在彩色空间中的均值和方差；

选择不同距离（棋盘距离、欧氏距离等）度量，计算被测试图像各像素到肤色样本中心的距离，利用方差做阈值，确定该像素色彩是否属于肤色。测试图像：face.jpg结果图像：将不在肤色空间的像素置0，仅在被测试图像中留下肤色像素，并作为结果输出该图像。色调与彩色的手工校正FlatLightHighKeyDarkLowKey同时调整RGB不会影响图像的色调Hue在CMYK中做彩色平衡，对各分量分别手工调整原图；Photoshop的色调均化

RGB三色分别均化；Lab中L均化直方图处理利用亮度与色度分离，仅对亮度分量I做均衡I分量被均衡原图加饱和度，补偿S因为I均衡后变亮影响油醋色6.6SmoothingandSharpening彩图的平滑：Sxy是(x,y)的某邻域，K个像素。例6.12：例6.12(续1）：例6.12（续2）：RGB3分量分别平滑HSI中对I平滑RGB3分量分别锐化例6.12（续3）：HSI中对I锐化补：两种图象分割的基本方法：基于区域——相邻并相似的象素集合；基于边缘检测——相