第12章 彩色圖像處理

1、數(shù)字圖像處理第十二章第十二章 彩色圖像處理彩色圖像處理李熙瑩李熙瑩 副教授副教授http:/數(shù)字圖像處理 從灰度圖像處理到從灰度圖像處理到彩色圖像處理彩色圖像處理 顏色特點(diǎn)顏色特點(diǎn)： 顏色可以簡(jiǎn)化目標(biāo)物的區(qū)分和場(chǎng)景目標(biāo)抽取 人可以分辨上千種顏色色調(diào)和亮度（純色上百種） 主要研究領(lǐng)域： 全彩色處理 偽彩色處理 全彩色處理應(yīng)用： 印刷、可視化、互聯(lián)網(wǎng) 內(nèi)容： 彩色變換彩色變換 彩色圖像平滑、銳化 彩色分割 彩色壓縮數(shù)字圖像處理光譜光譜 顏色由物體的顏色由物體的反射光反射光性質(zhì)決定。性質(zhì)決定。(綠色物反射500570nm)一、彩色基礎(chǔ)一、彩色基礎(chǔ)圖12.1 白光通過(guò)棱鏡是看到的彩色譜圖12.2 可見(jiàn)

2、光范圍電磁波譜數(shù)字圖像處理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： “任何彩色可以用合適的三種基本色混合而再生” 生理學(xué)已證明，視網(wǎng)膜中有叁種視錐體，具有不同的吸收光譜S1()、S2() 、S3()，其中 max 780nm， min 380nm， min max 。 吸收光譜響應(yīng)的峰值分別在光譜的紅(黃綠)、綠、蘭區(qū)域。而且，吸收曲線(xiàn)有相當(dāng)多的部分是相互重疊的。這是三基色原理的生理基礎(chǔ)。 三基色相加混色：紅紅(Red)、綠綠(Green)、藍(lán)藍(lán)(Blue)三基色；三基色相減混色：黃黃(Yellow)、品紅品紅(Magenta) 、青青(Cyan)數(shù)字圖

3、像處理圖12.3 人眼紅、綠、藍(lán)錐狀體的波長(zhǎng)吸收函數(shù)圖12.4 光及顏料的原色和二次色光混合（原色相加）顏料混合（原色相減）數(shù)字圖像處理3. 顏色確定顏色確定(1) 亮度亮度(I)、色調(diào)、色調(diào)(H)和色飽和度和色飽和度(S)亮度表示色彩明亮度。色調(diào)表示觀察者接收的主要顏色（說(shuō)某物體是紅色是指其色調(diào)）。飽和度是彩色中包含白光的多少。色調(diào)與飽和度一起稱(chēng)為彩色。顏色用亮度和彩色表征。圖12.5 亮度、色度、飽和度數(shù)字圖像處理(2) CIE色度圖色度圖 各種譜色在舌形色度圖周?chē)倪吔缟?。（圖12.2中的純色） 內(nèi)部點(diǎn)表示譜色的混合色。 等能量點(diǎn)相對(duì)于白光的CIE標(biāo)準(zhǔn)。 邊界上的任何點(diǎn)都是全飽和的。圖1

4、2.6 CIE色度圖數(shù)字圖像處理 三角形：由RGB監(jiān)視器產(chǎn)生的典型顏色范圍（三原色相加）。 不規(guī)則區(qū)域：高質(zhì)量的彩色打印設(shè)備的彩色域（相加和相減彩色混合相結(jié)合）。圖12.7 彩色監(jiān)視器和彩色打印機(jī)的典型色域數(shù)字圖像處理二、彩色模型（彩色空間）二、彩色模型（彩色空間） 彩色模型彩色模型用來(lái)簡(jiǎn)化彩色規(guī)范。 顏色色模型指的是某個(gè)三維顏色空間中的一個(gè)可見(jiàn)光子集。它包含某個(gè)色彩域的所有色彩。任何一個(gè)色彩域都只是可見(jiàn)光的子集，任何一個(gè)顏色模型都無(wú)法包含所有的可見(jiàn)光。 分類(lèi)1（線(xiàn)性）： 線(xiàn)性感知的，如HSI顏色空間； 非線(xiàn)性感知的，如在計(jì)算機(jī)上通常采用的RGB三顏色模型 分類(lèi)2（設(shè)備依賴(lài)性）： RGB空間是

5、一個(gè)依賴(lài)于顯示設(shè)備的彩色空間； CIE L*a*b色標(biāo)體系是一個(gè)不依賴(lài)于顯示設(shè)備的顏色空間。 常用模型：RGB，CMY和CMYK，HSI數(shù)字圖像處理1. RGB彩色模型彩色模型 RGB彩色模型是三維直角坐標(biāo)顏色系統(tǒng)中的一個(gè)單位正方體。 在正方體的主對(duì)角線(xiàn)上，各原色的量相等，產(chǎn)生由暗到亮的白色，即灰度。（0，0，0）為黑，（1，1，1）為白，正方體的其他6個(gè)角點(diǎn)分別為紅、黃、綠、青、藍(lán)和品紅。 RGB彩色模型構(gòu)成的彩色空間是CIE原色空間的一個(gè)真子集。RGB彩色模型通常用于彩色陰極射線(xiàn)管和彩色光柵圖形顯示器。RGB三原色是加性原色。白(1,1,1)藍(lán)(0,0,1)品紅(1,0,1)青(0,1,1

6、)綠(0,1,0)黃(1,1,0)紅(1,0,0)黑(0,0,0)圖12.9 RGB24比特彩色立方體圖12.8 RGB彩色立方體示意圖數(shù)字圖像處理2. CMY和和CMYK模型模型 CMY彩色模型是以紅、綠、藍(lán)三色的補(bǔ)色青(Cyan)、品紅(Magenta)、黃(Yellow)為原色構(gòu)成的彩色模型。 CMY彩色模型常用于從白光中濾去某種顏色，故稱(chēng)為減色原色空間。 CMY彩色模型對(duì)應(yīng)的 直角坐標(biāo)系子空間與RGB彩色模型對(duì)應(yīng)的子空間幾乎完全相同。 CMYK彩色模型是指 CMY彩色模型的三種 原色加上黑色。 青=白-紅 黃=白-藍(lán) 品紅=白-綠 綠=白-紅-藍(lán) 黑=白-紅-綠-藍(lán) 紅=白-綠-藍(lán) 藍(lán)

7、=白-紅-綠 圖12.10 CMY在原色的減色效果示意圖數(shù)字圖像處理RGB和和CMY顏色模型的區(qū)別顏色模型的區(qū)別數(shù)字圖像處理3. HSI彩色模型（彩色模型（ HSV） 與人的視覺(jué)感知相對(duì)應(yīng)，符合人眼對(duì)顏色的感覺(jué)。 用亮度(I)、色調(diào)(H)和飽和度(S)表示。(a) (b)圖12.11 基于三角形平面(a)和圓形彩色平面(b)的HIS彩色模型。三角形和圓形平面垂直于強(qiáng)度軸數(shù)字圖像處理 在HSI顏色模型中，每一種顏色和它的補(bǔ)色相差180o。 圓錐的頂面對(duì)應(yīng)于I=1，它包含RGB模型中的R=1，G=1，B=1三個(gè)面，故所代表的顏色較亮。色度H由繞V軸的旋轉(zhuǎn)角給定。紅色對(duì)應(yīng)于角度，綠色對(duì)應(yīng)于角度120

8、o，藍(lán)色對(duì)應(yīng)于角度240o。 在圓錐的頂點(diǎn)處，I=0，H和S無(wú)定義，代表黑色。 圓錐的頂面中心處S=0，I=1，H無(wú)定義，代表白色。 HSI顏色模型具有以下的優(yōu)點(diǎn)： 符合人眼對(duì)顏色的感覺(jué)。 當(dāng)采用RGB（或者CMY）顏色模型時(shí)，改變某一顏色的屬性，比如改變色調(diào)就必須同時(shí)改變R、G、B（或者C、M、Y）三個(gè)坐標(biāo)；而采用HSV顏色模型時(shí)只需改變H坐標(biāo)。也就是說(shuō)，HSI顏色模型中的三個(gè)坐標(biāo)是獨(dú)立的。 HSI顏色模型構(gòu)成的是一個(gè)均勻的顏色空間，采用線(xiàn)性的標(biāo)尺，彩色之間感覺(jué)上的距離與HSV顏色模型坐標(biāo)上點(diǎn)的歐幾里德距離成正比。數(shù)字圖像處理4. CIE（國(guó)際照明委員會(huì)）顏色模型（國(guó)際照明委員會(huì)）顏色模型

9、CIE顏色模型的提出： CIE顏色模型包括一系列顏色模型，這些顏色模型是由國(guó)際照明委員會(huì)提出的，是基于人的眼睛對(duì)RGB的反應(yīng)，被用于精確表示對(duì)色彩的接收。 設(shè)備無(wú)關(guān)性： 這些顏色模型被用來(lái)定義所謂的獨(dú)立于設(shè)備的顏色。它能夠在任何類(lèi)型的設(shè)備上產(chǎn)生真實(shí)的顏色，例如：掃描儀、監(jiān)視器和打印機(jī)。這些模型被廣泛地使用，因?yàn)樗鼈兒苋菀妆挥糜谟?jì)算機(jī)，描述顏色的范圍。 CIE顏色模型的類(lèi)型： 包括：CIE XYZ、CIE L*a*b和 CIE YUV等。數(shù)字圖像處理(1) CIE XYZ XYZ三刺激值的概念是以色視覺(jué)的三元理論為根據(jù)的，它說(shuō)明人眼具有接受三原色(紅、綠、藍(lán))的接受器，而所有的顏色均被視作該三原

10、色的混合色。1931年CIE制定了一種假想的標(biāo)準(zhǔn)觀察者，配色函數(shù) 。 XYZ三刺激值是利用這些標(biāo)準(zhǔn)觀察者配色函數(shù)計(jì)算得來(lái)的。 在此基礎(chǔ)上，CIE于1931年規(guī)定了Yxy顏色空間，其中Y為亮度，(x,y)是從三刺激值XYZ計(jì)算得來(lái)的色坐標(biāo)。它代表人類(lèi)可見(jiàn)的顏色范圍。 )(, )(, )(zyx數(shù)字圖像處理(2) CIE L*a*b* L*a*b*顏色空間是在1976年制定的，它是CIE XYZ顏色模型的改進(jìn)型，以便克服原來(lái)的Yxy顏色空間存在的在xy色度圖上相等的距離并不相當(dāng)于我們所覺(jué)察到的相等色差的問(wèn)題。 “L”（明亮度），“a”（綠色到紅色）和“b”(藍(lán)色到黃色)代表許多的值。 與XYZ比較

11、，CIE L*a*b*顏色更適合于人眼的感覺(jué)。 利用CIE L*a*b*，顏色的亮度（L）、灰階和飽和度（a, b）可以單獨(dú)修正，這樣，圖像的整個(gè)顏色都可以在不改變圖像或其亮度的情況下，發(fā)生改變。圖12.12 L*a*b* 的概念圖L: 明亮度a: 從綠色到紅色b: 從藍(lán)色到黃色數(shù)字圖像處理色差程度的鑒定E*ab微量0-0.5輕微0.5-1.5能感覺(jué)到1.5-3.0明顯3.0-6.0很大6.0-12.0截然不同12.0以上在比較色差時(shí)，設(shè)A為基準(zhǔn)色，B為試料色，A為與B相同亮度的基準(zhǔn)色， E*ab為色差程度， E*ab大小決定了色差程度的大小，具體見(jiàn)表數(shù)字圖像處理(3) CIE YUV 在現(xiàn)代

12、彩色電視系統(tǒng)中，通常采用三管彩色攝像機(jī)或彩色CCD（點(diǎn)耦合器件）攝像機(jī)，它把攝得的彩色圖像信號(hào)，經(jīng)分色、分別放大校正得到RGB，再經(jīng)過(guò)矩陣變換電路得到亮度信號(hào)Y和兩個(gè)色差信號(hào)RY、BY，最后發(fā)送端將亮度和色差三個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行編碼，用同一信道發(fā)送出去。這就是我們常用的YUV顏色空間。 采用YUV顏色空間的重要性是它的亮度信號(hào)Y和色度信號(hào)U、V是分離的。數(shù)字圖像處理 如果只有Y信號(hào)分量而沒(méi)有U、V分量，那么這樣表示的圖就是黑白灰度圖。 彩色電視采用YUV空間正是為了用亮度信號(hào)Y解決彩色電視機(jī)與黑白電視機(jī)的兼容問(wèn)題，使黑白電視機(jī)也能接收彩色信號(hào)。 根據(jù)美國(guó)國(guó)家電視制式委員會(huì)，NTSC制式的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)白

13、光的亮度用Y來(lái)表示時(shí)，它和紅、綠、藍(lán)三色光的關(guān)系可用如下式的方程描述： 色差U、V是由、按不同比例壓縮而成的。BGRY11. 059. 03 . 0數(shù)字圖像處理5. 各種彩色模型之間的轉(zhuǎn)換算法各種彩色模型之間的轉(zhuǎn)換算法 (1) RGB與與CMY顏色模型之間轉(zhuǎn)換算法顏色模型之間轉(zhuǎn)換算法 RGB的取值通常是0255的整數(shù)。C = 255 RM = 255 GY = 255 B數(shù)字圖像處理(2) 從從RGB到到HSI的彩色轉(zhuǎn)換的彩色轉(zhuǎn)換(1)數(shù)字圖像處理(3) 從從RGB到到HSI的彩色轉(zhuǎn)換的彩色轉(zhuǎn)換(2)mbnmgrmgnmrbbgmrnmbgbgmrnmbgHmmmnmSmI ),/()(602

14、40 ),/()(60120& ),/()(60360& ),/()(600s , 00 , 0 0 ,/ )(設(shè)m = max(r, g, b)，n = min(r, g, b)，其中r, g, b分別是歸一化的RGB顏色空間中的值 數(shù)字圖像處理(4) 從從HSI到到RGB 的彩色轉(zhuǎn)換的彩色轉(zhuǎn)換(5) RGB與與CIE XYZ顏色模型之間轉(zhuǎn)換算法顏色模型之間轉(zhuǎn)換算法 BGRZYX112. 1066. 0000. 0144. 0587. 0299. 0200. 0714. 0608. 0數(shù)字圖像處理(6) CIE XYZ與與CIE L*a*b*顏色模型轉(zhuǎn)換算法顏色模型轉(zhuǎn)換算法 L的范圍是010

15、0，a, b的范圍是-300300。從-a到+a表示綠到紅過(guò)渡，-b到+b表示藍(lán)到黃過(guò)渡。)/()/(500),/()/(500) (13),(13,16)/(1163159,3154nnnnnnnZZfYYfbYYfXXfavvLvuuLuYYfLZYXYvZYXXu數(shù)字圖像處理6. HSI分量圖像處理分量圖像處理 HSI模型可以獨(dú)立控制色調(diào)、飽和度和強(qiáng)色圖12.13 (a)RGB圖像和相應(yīng)的HSI圖像分量，(b)色度，(c)飽和度，(d)強(qiáng)度圖12.14 (a)到(c) 改變的HSI圖像分量，(d)最終的 RGB圖像數(shù)字圖像處理三、彩色圖像的直方圖處理三、彩色圖像的直方圖處理 必須考慮適應(yīng)

16、多個(gè)分量的直方圖技術(shù)。 合理的：均勻地?cái)U(kuò)展彩色強(qiáng)度，保留彩色本身（色調(diào)）不變。圖12.16 HSI彩色空間的直方圖均衡 (d)是飽和度調(diào)整數(shù)字圖像處理四、平滑和銳化四、平滑和銳化 可以采用類(lèi)似灰度圖可以采用類(lèi)似灰度圖像的空間濾波處理像的空間濾波處理。圖12.17 (a)RGB圖像及其(b)R、(c)G、(d)B分量圖12.18 圖12.17中(a)的(a)H、(b)S、(c)I分量數(shù)字圖像處理圖12.20 用拉普拉斯進(jìn)行圖像銳化圖12.19 用55平均模板平滑圖像(a)處理RGB每一分量圖像的結(jié)果；(b)處理HIS圖像強(qiáng)度分量，轉(zhuǎn)換為RGB圖像的結(jié)果；(c)兩種結(jié)果間的差別數(shù)字圖像處理五、彩色

17、圖像增強(qiáng)技術(shù)研究五、彩色圖像增強(qiáng)技術(shù)研究 一個(gè)理想的模擬生理視覺(jué)的成像系統(tǒng)應(yīng)該同時(shí)兼顧精確度和靈活性，對(duì)于不同場(chǎng)景的圖像，需要考慮栩栩如生的顏色輸出，高動(dòng)態(tài)范圍壓縮以及對(duì)表面反射率足夠精確地確定。 基于視覺(jué)生理學(xué)的彩色圖像增強(qiáng)方法模型Retinex(來(lái)自于視網(wǎng)膜Retina和大腦皮層Cortex的組合)。 1971，E.H.Land提出 中心-環(huán)繞Retinex(Center-Surround Retinex, CSR)的數(shù)學(xué)形式簡(jiǎn)潔而優(yōu)雅：,log,log,kkkRi jIi jIi j數(shù)字圖像處理處理實(shí)例處理實(shí)例1數(shù)字圖像處理實(shí)例實(shí)例2數(shù)字圖像處理六、彩色圖像分割六、彩色圖像分割1. HS

18、I彩色空間分割彩色空間分割 在色調(diào)圖像中分離出感興趣的特征區(qū)。 飽和度作為模板圖像。 強(qiáng)度不常使用，因?yàn)椴粩y帶彩色信息。圖12.21 HSI空間的圖像分割(a)原圖像；(b)色調(diào)H；(c)飽和度S；(d)強(qiáng)度I；(e)二值飽和度模板(黑=0)；(f)(b)和(e)相乘；(g)(f)的直方圖；(h)(a)中紅分量的分割數(shù)字圖像處理2. RGB向量空間分割向量空間分割 通常在RGB空間結(jié)果更好。且方法直接。 給定采樣點(diǎn)集，得到一個(gè)彩色“平均”估計(jì)。 根據(jù)距離判定準(zhǔn)則分割數(shù)據(jù)。圖12.22 RGB空間的圖像分割由封閉的矩形所示的感興趣 彩色圖像，計(jì)算平均向量，得到微紅色的樣本；(a) 分割結(jié)果，準(zhǔn)確得多數(shù)字圖像處理3. 彩色邊緣檢測(cè)彩色邊緣檢測(cè) 用簡(jiǎn)單的梯度合成圖像會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)果。 定義基于向量的梯度。圖12.23 RGB空間的圖像分割(a)(c) R、G、B分量圖像，(d) 合成彩色圖像(f)(g) R、G、B分量圖像，(h) 合成彩色圖像數(shù)字圖像處理 令r 、 g 、 b是RGB彩色空間沿R 、 G 、 B軸的單位向量，可定義向量為： p266（參考：Di Zenzo1986論文） 這些向量的點(diǎn)積如下： 利用該表示法，c(x,y)的最大變化率方向可以由角度給出： 點(diǎn)在方向上變化率的值由下式給出：yyxxxyggg2arctan21bgrvbgruyByGyRxBxGxR,y