第5章彩色圖像處理

1、第5章彩色圖像處理 顏色基礎(chǔ) 顏色模型 顏色處理5.1 5.1 顏色基礎(chǔ)顏色基礎(chǔ)色譜可分為色譜可分為6個(gè)寬的區(qū)域：紫色、藍(lán)色、綠色、黃色、橘紅色和紅色個(gè)寬的區(qū)域：紫色、藍(lán)色、綠色、黃色、橘紅色和紅色彩色是由物體的反射光的性質(zhì)決定的：彩色是由物體的反射光的性質(zhì)決定的：白色：反射光如果在所有可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)是白色：反射光如果在所有可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)是平衡的。平衡的。彩色：僅反射有限的可見光譜。彩色：僅反射有限的可見光譜。人眼中紅、綠、藍(lán)錐體的波長(zhǎng)吸收函數(shù)人眼中紅、綠、藍(lán)錐體的波長(zhǎng)吸收函數(shù)人是通過(guò)人人是通過(guò)人眼視網(wǎng)膜上的眼視網(wǎng)膜上的600700萬(wàn)個(gè)錐萬(wàn)個(gè)錐狀細(xì)胞來(lái)感知狀細(xì)胞來(lái)感知色彩的，其中色彩的，其

2、中65%對(duì)紅光對(duì)紅光敏感敏感33%對(duì)綠光對(duì)綠光敏感敏感2%對(duì)藍(lán)光敏對(duì)藍(lán)光敏感感三基色原理三基色原理 自然界中可見顏色都可以用三種原色按一定比例混合得到；反之，任意一種顏色都可以分解為三種原色； 作為原色的三種顏色應(yīng)該互相獨(dú)立，即其中任何一種都不能用其他兩種混合得到； 三原色之間的比例直接決定混合色調(diào)的飽和度； 混合色的亮度等于各原色的亮度之和。三基色原理三基色原理 C C1 1 、C C2 2 、C C3 3為三原色（又稱為三基色）為三原色（又稱為三基色） A A、b b、c c為三種原色的權(quán)值（即三原色比例或濃度為三種原色的權(quán)值（即三原色比例或濃度） C C為所合成的顏色，可為任意顏色為所合

3、成的顏色，可為任意顏色321cCbCaCC0,cba三基色原理三基色原理紅色紅色 + + 綠色綠色 = = 黃色黃色紅色紅色 + + 藍(lán)色藍(lán)色 = = 品紅品紅綠色綠色 + + 藍(lán)色藍(lán)色 = = 青色青色紅色紅色 + 綠色綠色 + 藍(lán)色藍(lán)色 = 白色白色BGRY114. 0587. 0299. 0BGRY071. 0707. 0222. 0PAL電視制式電視制式NTSC電視制式電視制式白色光白色光Y與三基色關(guān)系與三基色關(guān)系相加混色實(shí)例相加混色實(shí)例5.2 5.2 顏色模型顏色模型 彩色模型的作用是在某些標(biāo)準(zhǔn)下以可以接受的方式簡(jiǎn)化彩色規(guī)范。 RGB模型：彩色監(jiān)視器、攝像機(jī) CMY模型和CMYK模型

4、：彩色打印機(jī) HSI模型：符合人描述和解釋顏色，把圖像分成彩色和灰度信息 YUV模型和YIQ模型：電視、視頻編碼加色混色模型以RGB三色光互相疊加來(lái)實(shí)現(xiàn)混色的方法適合于顯示器等發(fā)光體的顯示RGB模型模型任何一種顏色在RGB顏色空間中都可以用三維空間中的一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示 像素深度：表示一個(gè)像素的比特?cái)?shù)像素深度：表示一個(gè)像素的比特?cái)?shù)2424位：位：(2(28 8) )3 3=16777216=16777216CMY模型模型 減色混色模型減色基：青(Cyan)、品紅(Magenta)、黃(Yellow)是加色基R、G、B的補(bǔ)色顏色是從白光中減去一定成分得到的 適合于彩色打印，印刷行業(yè)等CMY模型模型 青

5、(C)=(紅色光+綠色光+藍(lán)色光)-紅色光=綠色+藍(lán)色品紅(M)=(紅色光+綠色光+藍(lán)色光)- 綠色光=紅色+藍(lán)色黃(Y)=(紅色光+綠色光+藍(lán)色光)- 藍(lán)色光=紅色+綠色CMY模型與模型與RGB模型關(guān)系模型關(guān)系BGRYMC111CMY模型模型 RGBRGB空間的彩色圖像空間的彩色圖像 CMYCMY空間的彩色圖像空間的彩色圖像 RGBRGB與與CMYCMY空間的轉(zhuǎn)換空間的轉(zhuǎn)換印刷時(shí)CMY模型不可能產(chǎn)生真正的黑色，因此在印刷業(yè)中實(shí)際上使用的是CMYK彩色模型，K為第四種顏色，表示黑色. KYYKMMKCCYMCK),min(從從CMY到到CMYK的轉(zhuǎn)換公式的轉(zhuǎn)換公式CMY模型模型 MATLAB圖

6、像處理工具箱使用函數(shù)imcomplementimcomplement實(shí)現(xiàn)RGB空間與CMY空間的相互轉(zhuǎn)換，其常用調(diào)用方式如下：CMY=imcomplementCMY=imcomplement（RGBRGB）其中RGB可以是二值圖像、灰度圖像或彩色圖像，而CMY與RGB互余。例例 將將RGBRGB圖像轉(zhuǎn)換到圖像轉(zhuǎn)換到CMYCMY空間空間I = imread(glass.png);J = imcomplement(I);subplot(121), imshow(I);title (RGB空間圖像)subplot(122), imshow(J);title(CMY空間圖像)HSI模型模型 HSIHS

7、I模型用模型用H H、S S、I I三參數(shù)描述顏色特性三參數(shù)描述顏色特性 H H定義顏色的波長(zhǎng)，稱為色調(diào)定義顏色的波長(zhǎng)，稱為色調(diào) S S表示顏色的深淺程度，稱為飽和度表示顏色的深淺程度，稱為飽和度 I I表示強(qiáng)度或亮度表示強(qiáng)度或亮度HSI顏色模型反映了人的視覺對(duì)色彩的感覺顏色模型反映了人的視覺對(duì)色彩的感覺 HSI模型模型 色調(diào)H由角度表示，它反映了顏色最接近什么樣的光譜波長(zhǎng)，即光的不同顏色。通常假定0表示的顏色為紅色，120的為綠色，240的為藍(lán)色。從從0 0到到360360的色相覆蓋了所有可見光的色相覆蓋了所有可見光譜的彩色譜的彩色飽和度S表征顏色的深淺程度，飽和度越高，顏色越深。飽和度參數(shù)

8、是色環(huán)的原點(diǎn)（圓心）到彩色點(diǎn)的半徑的長(zhǎng)度。在環(huán)的邊界上的顏色飽和度最高，其飽和度值為1；在中心的飽和度為0。 HSI模型模型 亮度I是指光波作用于感受器所發(fā)生的效應(yīng)，其大小由物體反射系數(shù)來(lái)決定，反射系數(shù)越大，物體的亮度愈大，反之愈小。如果把亮度作為色環(huán)的垂線，那么H、S、I構(gòu)成一個(gè)柱形彩色空間?；叶汝幱把刂S線自下而上亮度逐漸增大，由底部的黑漸變成頂部的白。圓柱頂部的圓周上的顏色具有最高亮度和最大飽和度。HSI模型模型 三原色（原圖）三原色（原圖） （b）H分量分量 （c）S分量分量 （d）I分量分量三原色三原色RGBRGB空間及其在空間及其在HSIHSI空間的各個(gè)分量空間的各個(gè)分量HSI模型

9、模型 2/12)()(2/)()(arccos2),min()(31)(31BGBRGRBRGRBGBGHBGRBGRSBGRIRGBRGB模型模型 HSIHSI模型模型HSIHSI模型模型 RGBRGB模型模型oB=I(1-S)ScosHR=I 1+cos(60 -H)G=3I-(B+R)ooR=I(1-S)Scos(H-120 )G=I 1+cos(180 -H)B=3I-(G+R)ooG=I(1-S)Scos(H-240 )B=I 1+cos(300 -H)R=3I-(B+G)0120H120240H240360H例例 將將RGBRGB圖像轉(zhuǎn)換到圖像轉(zhuǎn)換到HSIHSI空間空間rgb=im

10、read(lena.jpg);subplot(221),imshow(rgb);title(原始圖像)rgb1=im2double(rgb);r=rgb1(:, :,1);g=rgb1(:, :,2);b=rgb1(:,:,3);I=(r+g+b)/3;tmp1=min(min(r,g),b);tmp2=r+g+b;tmp2(tmp2=0)=eps;S=1-3.*tmp1./tmp2;tmp1=0.5*(r-g)+(r-b);tmp2=sqrt(r-g).2+(r-b).*(g-b);theta=acos(tmp1./(tmp2+eps);H=theta;H(bg)=2*pi-H(bg);H=

11、H/(2*pi);H(S=0)=0;hsi=cat(3,H,S,I)subplot(222),imshow(H); title(H分量)subplot(223),imshow(S); title(S分量)subplot(224),imshow(I); title(I分量) YIQ是NTSC制式采用的顏色空間。 NTSC是由EIA（美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)）所發(fā)起及創(chuàng)辦的圖像輸出制式，其標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于日本和北美等地區(qū)。 Y分量代表圖像的亮度信息，I、Q兩個(gè)分量則攜帶顏色信息，I分量代表從橙色到青色的顏色變化，而Q分量則代表從紫色到黃綠色的顏色變化。 YIQ模型的優(yōu)點(diǎn)是將灰度信息和顏色信息區(qū)分開來(lái)。YIQ

12、模型模型 Y 0.299R 0.587G 0.114BI 0.596R 0.275G 0.321BQ 0.212R 0.523G 0.311BR Y 0.956I 0.621QG Y 0.272I 0.647QB Y 1.107I 1.704QY YI IQ Q模型模型 RGBRGB模型模型MATLAB圖像處理工具箱使用rgb2ntsc函數(shù)和ntsc2rgb函數(shù)實(shí)現(xiàn)RGB空間和NTSC空間之間的轉(zhuǎn)換。其常用的調(diào)用方法如下：NTSC=rgb2ntsc(RGB)NTSC=rgb2ntsc(RGB)RGB=ntsc2rgb(YCBCR)RGB=ntsc2rgb(YCBCR)其中RGB和NTSC分別表

13、示RGB空間和NTSC空間的圖像值。RGB = imread(board.tif);%讀取圖像NTSC = rgb2ntsc(RGB);%轉(zhuǎn)換到NTSC空間RGB2 = ntsc2rgb(NTSC);%轉(zhuǎn)換到RGB彩色空間subplot(121); imshow(NTSC);title(NTSC空間圖像)%顯示NTSC空間的圖像subplot(122); imshow(RGB2);title(RGB空間圖像)%顯示RGB彩色空間的圖像例例 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)NTSCNTSC空間和空間和RGBRGB空間的轉(zhuǎn)換。空間的轉(zhuǎn)換。 YUV顏色模型為PAL制式使用的電視信號(hào)傳送的顏色模型。 PAL電視制式是由德國(guó)在

14、綜合NTSC制式的技術(shù)成就基礎(chǔ)上研制出來(lái)的一種改進(jìn)方案。PAL制式的RGB三基色與NTSC及CIE的三基色均不同，但可以相互轉(zhuǎn)換，中國(guó)采用該電視制式。 YUV是用于真彩色空間的表示，Y代表亮度信息，U、V分別代表色度（色差）信息。YUV模型模型 YUVYUV模型模型 RGBRGB模型模型Y0.299R0.587G0.114B0.147130.288860.436V 0.615R 0.51499 0.10001URGBGB 2.032110.394650.580601.13983RYUGYUVBYVYCbCr模型模型 YCbCr模型充分考慮人眼的視覺特性，以降低彩色數(shù)字圖像存儲(chǔ)量，是一種適合于彩

15、色圖像壓縮的模型。 YCbCr模型與YUV模型一樣，由亮度Y、色差Cb、色差Cr構(gòu)成。與YUV模型不同的是，在構(gòu)造色差信號(hào)時(shí)，充分考慮了R、G、B三個(gè)分量在視覺感受中的不同重要性。YUV主要用于模擬信號(hào)，YCbCr則用于數(shù)字信號(hào)。Y YCbCrCbCr模型模型 RGBRGB模型模型0.2990.5870.1142(1 0.114)()2(1 0.299)()brYRGBCBYCRY0.71330.5643(0.2990.114 )/0.587rbRYCBYCGYRB MATLAB圖像處理工具箱使用rgb2ycbcr函數(shù)和ycbcr2rgb函數(shù)實(shí)現(xiàn)RGB空間和YCbCr空間之間的轉(zhuǎn)換。其常用的調(diào)

16、用方法如下：YCBCR=rgb2ycbcr(RGB)RGB=ycbcr2rgb(YCBCR)其中RGB和NTSC分別表示RGB空間和NTSC空間的圖像值。例5-5 RGB空間和YCbCr空間之間的轉(zhuǎn)換。RGB = imread(board.tif);%讀取圖像YCBCR = rgb2ycbcr(RGB);%把RGB空間圖像轉(zhuǎn)換到Y(jié)CbCr空間subplot(121); imshow(RGB); title(RGB空間圖像) %顯示RGB空間圖像subplot(122); imshow(YCBCR); title(NTSC空間圖像) %顯示YCbCr空間圖像5.3 5.3 顏色處理顏色處理灰度轉(zhuǎn)

17、化為彩色，偽彩色處理彩色轉(zhuǎn)化為灰度，灰度化處理彩色圖像的灰度化處理 最大值法：使R、G、B的值等于3值中最大的一個(gè) 平均值法：使R、G、B的值求出平均值 加權(quán)平均值法：根據(jù)重要性或其他指標(biāo)給R、G、B賦予不同的權(quán)值，并使R、G、B的值加權(quán)平均max( , )RGBR G B1()3RGBRGBrgbRGBW RW GW BRGB = imread(lena.jpg); %讀取RGB格式的圖像Gray1 = rgb2gray(RGB); %加權(quán)平均法rows,cols,colors = size(RGB); %得到RGB圖像矩陣的參數(shù)Gray2 = zeros(rows,cols); %創(chuàng)建一個(gè)

18、全零矩陣，用來(lái)存儲(chǔ)產(chǎn)生的灰度圖像Gray2 = uint8(Gray2); %將創(chuàng)建的全零矩陣轉(zhuǎn)化為uint8格式Gray3 = zeros(rows,cols); Gray3 = uint8(Gray3);for i = 1:rows for j = 1:cols sum1 = 0; sum2 = 0; for k = 1:colors sum1 = sum1 + RGB(i,j,k)/3;%均值法 sum2 = sum2 + max(RGB(i,j,k);%最大值法 end Gray2(i,j) = sum1; Gray3(i,j) = sum2; end endsubplot(221);

19、imshow(RGB);title(RGB圖像)subplot(222);imshow(Gray1);title(加權(quán)平均法) subplot(223);imshow(Gray2);title(均值法)subplot(224);imshow(Gray3);title(最大值法)偽彩色處理偽彩色處理偽彩色處理偽彩色處理是指將黑白圖像轉(zhuǎn)化為彩色圖像，或者是將單色圖像變換成給定彩色分布的圖像?；驹砘驹硎菍⒑诎讏D像或者單色圖像的各個(gè)灰度級(jí)匹配到彩色空間中的一點(diǎn)，從而使單色圖像映射成彩色圖像。黑白圖像中不同的灰度級(jí)賦予不同的彩色。 主要目的主要目的是為了提高人眼對(duì)圖像的細(xì)節(jié)分辨能力，以達(dá)到圖像增

20、強(qiáng)的目的。由于人眼對(duì)彩色的分辨能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)灰度的分辨能力，所以將灰度圖像轉(zhuǎn)化成彩色表示，就可以提高對(duì)圖像細(xì)節(jié)的辨別力。),(),(),(yxByxGyxR),(yxf),(),(yxffyxRR),(),(yxffyxGG),(),(yxffyxBB不同的映射函數(shù)就能將灰度圖像轉(zhuǎn)化為不同的偽彩色圖像。不同的映射函數(shù)就能將灰度圖像轉(zhuǎn)化為不同的偽彩色圖像。密度分層法密度分層法 密度法偽色處理原理示意圖密度法偽色處理原理示意圖 灰度級(jí)到彩色的映射灰度級(jí)到彩色的映射 灰度級(jí)灰度級(jí)- -彩色變換法彩色變換法 灰度級(jí)彩色變換偽彩色處理技術(shù)原理灰度級(jí)彩色變換偽彩色處理技術(shù)原理 0063064127( , )4 ( , )510128191255192255ffR x yf x yff2544 ( , )0634 ( , )25464127( , )25512819110224 ( , )192255f x yff x yfG x yff x yf2550635104 ( , )64127( , )01281910192255ff x yfB x yffI=imread(lena.BMP);subplot(121),imsho