wzq-6圖像復原及重建(岡薩雷斯第三版)

醫(yī)學圖像處理第六章彩色圖像處理教材：數(shù)字圖像處理(岡薩雷斯)川北醫(yī)學院影像系

影像設備教研室Chapter6

彩色圖像處理彩色和顏色

顏色可分為無彩色(黑白)和有彩色兩大類。引言□無彩色指白色、黑色和各種深淺程度不同的灰色。能夠同樣吸收所有波長光的表面看起來是灰色的，反射的光多顯淺灰色，反射的光少顯深灰色（黑色時，入射光的反射量小于10%）。以白色為一端，通過一系列從淺到深排列的各種灰色到達另一端的黑色，這些灰色可以組成一個黑白系列?！跤胁噬赋ド鲜龊诎紫盗幸酝獾母鞣N顏色。通常所說的顏色一般多指彩色為什么要研究彩色圖像處理？引言□原因1：符合人類視覺特點人眼可以辨別幾千種不同的顏色，但只能區(qū)分出幾十種灰度級，這使得顏色在人工圖像分析中顯得特別重要?！踉?：顏色是有用的描繪子它?？珊喕繕宋锏膮^(qū)分（如彩超）及場景中抽取目標。彩色的兩個主要應用領域：□全彩色處理圖像用全彩色傳感器獲取，如彩色電視攝像機或彩色掃描儀?！鮽尾噬幚韴D像為灰度圖，為每個灰度區(qū)間賦予不同顏色而成為彩色圖。前面章節(jié)中所介紹的圖像處理方法，某些可以直接應用于彩色圖像處理，而其他的需要做適當修改后才可應用于處理彩色圖像。本章主要內(nèi)容簡介□顏色基礎知識□顏色模型□偽彩色處理□全彩色處理引言6.1彩色基礎6種顏色？No!1666年,Newton紅、橙、黃、綠、青、藍、靛、紫red,orange,yellow,green,cyan,blue,indigo,violet6.1彩色基礎可見光的波長范圍約為380nm—780nm.380780

可見光的波普是一個連續(xù)波普，因而白光透過無色玻璃三棱鏡后的出射光的波普分布也是一個包括紅、橙、黃、綠、青、藍、紫及其它色光的連續(xù)波普。6.1彩色基礎彩色光源的三個基本量及度量單位□輻射：從光源流出的能量總量的度量（單位：瓦特W）;□光強：觀察者從光源感知的能量總和的度量（單位：流明）；□亮度：主觀描繪子，體現(xiàn)了無色的強度概念，無度量單位。

顏色是外來光的刺激作用于人的視覺器官而產(chǎn)生的主觀感覺。物體的顏色不僅取決于物體本身，還與光源、周圍環(huán)境的顏色，以及觀察者的視覺系統(tǒng)有關系。

異譜同色：具有不同光譜分布的光產(chǎn)生的顏色感覺是有可能一樣的。我們稱兩種光的光譜分布不同而顏色相同的現(xiàn)象為“異譜同色”。眼內(nèi)三種錐狀體的光吸收情況CIE(國際照明委員會)規(guī)定的三原色對應的光的波長為：藍：435.8nm 綠：546.1nm 紅：700nm6.1彩色基礎人眼所感知到的物體的顏色由物體反射光的特性所決定。人眼內(nèi)的錐狀體分為三類，分別對紅、綠、藍光敏感。 對紅光敏感的錐狀體占65%；對綠光敏感的錐狀體占33% 對藍光敏感的錐狀體占2%(敏感度最高)光的三基色：red,green,blue顏料的三基色:magenta(品紅色),cyan(青色),yellow（黃色）品紅Magenta=Red+Blue青色Cyan=Blue+Green黃色Yellow=Red+Green品紅、青、黃稱為二次色，它們是顏料的三原（基）色。6.1彩色基礎混色法之相加混色法及示意圖混色法之相減混色法及示意圖顏色的特性（三要素）：色調(diào)H（hue）

：任何一種顏色的光都是由若干波長不同的光混合而成，其中比重最大的那種光的顏色即為色調(diào)。色調(diào)又稱為色相，是當人眼看到一種或多種波長的光時所產(chǎn)生的彩色感覺，它反映顏色的種類。飽和度S（saturation）：由色調(diào)所對應光在混合光中的比重決定,也可理解該純色光被白光沖淡的多少，白光越多飽和度越低。飽和度是指顏色的純度，可用來區(qū)別顏色的深淺程度。亮度I（intensity）:是主觀描繪子（視覺系統(tǒng)對可見物體輻射或者發(fā)光多少的感知屬性），具體表達力了無色的強度概念，是不能度量的。亮度與灰度圖像的灰度值類似。通常把色調(diào)和飽和度稱為色度C（chromaticity）。亮度表示顏色的明亮程度，而色度則表示顏色的類別與深淺程度。6.1彩色基礎6.1彩色基礎三色值：產(chǎn)生某種顏色所需紅、綠、藍的數(shù)量，分別用X，Y，Z組成。三色值法確定顏色人眼對三原色的亮度感覺：

對于強度相同的不同單色光，人眼的主觀度感覺不同。對于相同亮度的三原色，人眼看的感覺是，綠色光的亮度最亮，紅色光其次，藍色光最弱。另一種確定顏色的方法6.1彩色基礎CIE色度圖z（GREEN）=1-（x+y）=1-(0.62+0.25)=0.13橫軸對應紅色的色系數(shù)r，縱軸對應綠色的色系數(shù)g，藍色的色系數(shù)可由上式求得。

在CIE色度圖中如何看一種顏色的色調(diào)和飽和度?如何確定任何兩種或三種顏色之間的混色？6.1彩色基礎在色度圖中：(1)每點都對應一種顏色，邊界上的點代表純顏色，邊界內(nèi)部為混合色，中心點處純度為零。(2)連接任意兩端點，其上的各點表示將這兩端點所代表的顏色相加可組成的一種顏色。過平衡點直線端點的兩彩色為互補色。(5)三角形包含由三頂點可組成的彩色。GRB6.1彩色基礎RGB顯示器的顏色顯示范圍(彩色全域)高質(zhì)量打印設備的顏色顯示范圍6.1彩色基礎6.2彩色模型RGB模型——面向硬件的模型，該模型用于彩色監(jiān)視器和彩色視頻攝像機。CMY（青、深紅、黃）模型、CMYK（青、深紅、黃、黑）模型——針對彩色打印機（面向硬件）的。HSI（色調(diào)、飽和度、亮度）模型——更符合人描述和解釋顏色的方式。HIS模型還有一個優(yōu)點，就是把圖像分成彩色和灰度信息，使其更適合本書所介紹的眾多灰度處理技術。顏色模型（顏色空間、顏色系統(tǒng)），目的是在某些標準用通常可以接受的方式方便地定量描述顏色。每一種顏色在顏色空間中表現(xiàn)為一點。顏色模型大致可分為三類：面向設備的、面向視覺的、面向計算的顏色模型。顏色模型之間可相互轉(zhuǎn)換。RGB彩色立方體模型(相加混色模型)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點來表示圖6.8的彩色立方體的三副隱藏平面6.2.1RGB彩色模型彩色監(jiān)視器（R/G/B三通道）用RGB彩色模型表示的圖像包含有3個圖像分量，分別與紅、綠、藍三原色相對應。當送入RGB監(jiān)視器時，這三幅圖像在熒光屏上混合產(chǎn)生一幅合成的彩色圖像。6.2.1RGB彩色模型□象素深度：在RGB空間，用以表示每一象素的比特數(shù)叫象素深度?！?/p>

24比特深度考慮RGB圖像，其中每一幅紅、綠、藍圖像都是一幅8比特圖像，在這種情況下，每一個RGB彩色象素（R/G/B值3個一組）稱為24比特深度（三個字節(jié)）。顏色總數(shù)是(24)3=16,777,216OriginImageGreenRedBlue一幅MxN的RGB彩色圖像可以用一個MxNx3的矩陣來描述。6.2.1RGB彩色模型CMY模型（減色混色模型）減色基：青（Cyan）、品紅（Magenta）、黃（Yellow），分別是加色基R、G、B的補色。減色基的顏色是從白光中減去減色基的補色而得到的，適合于彩色打印，印刷行業(yè)等。青色（C）=白色光-紅色光品紅（M）=白色光-綠色光黃色（Y）=白色光-藍色光6.2.2CMY和CMYK彩色模型21青色（C）=（紅色光+綠色光+藍色光）-紅色光=綠色光+藍色光品紅（M）=（紅色光+綠色光+藍色光）-綠色光=紅色光+藍色光黃色（Y）=（紅色光+綠色光+藍色光）-藍色光=紅色光+綠色光RGB模型轉(zhuǎn)換到CMY模型6.2.2CMY和CMYK彩色模型印刷時CMY模型不可能產(chǎn)生真正的黑色，且用CMY三二次色相減產(chǎn)生黑色費用高，非常不劃算，因此在印刷業(yè)中實際上使用的是CMYK彩色模型，K為第四種顏色，表示黑色。從CMY到CMYK的轉(zhuǎn)換公式RGB空間的彩色圖像CMY空間的彩色圖像圖6.7RGB與CMY空間的轉(zhuǎn)換6.2.2CMY和CMYK彩色模型負像（ColorNegatives）R紅色

（1–R）青色G綠色（1–G）品紅B藍色（1–B）黃色6.2.2CMY和CMYK彩色模型上述兩種彩色系統(tǒng)對硬件實現(xiàn)很理想，遺憾的是，RGB、CMY彩色模型不能很好地適應人對顏色的解釋?！袢擞^察彩色物體時，習慣用色調(diào)、色飽和度和亮度描述它。色調(diào)是描述純色的屬性（如純黃色或紅色）；飽和度給出一種純色被白光稀釋的程度的度量；亮度是一個主觀的描述子，它體現(xiàn)了無色的強度概念，并且是描述彩色感覺的關鍵參數(shù)。注：強度（灰度）是單色圖像最有用的描述子。6.2.3HSI彩色模型HSI模型用H、S、I三參數(shù)描述顏色特性HSI顏色模型反映了人的視覺對色彩的感覺包含了顏色信息與彩色信息無關□H定義顏色的波長，稱為色調(diào)(hue)□

S表示顏色的深淺程度，稱為飽和度(saturation)□I表示強度或亮度(intensity)無顏色信息僅灰度信息6.2.3HSI彩色模型色調(diào)H由角度表示，它反映了顏色最接近什么樣的光譜波長，即光的不同顏色。0°表紅色、120°表綠色，240°表藍色。從0°到360°的色調(diào)覆蓋了所有可見光譜的彩色。飽和度（Saturation）：用矢量長表示，。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)是色環(huán)的原點（圓心）到彩色點的半徑的長度。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。6.2.3HSI彩色模型基于三角形圓形平面的HSI彩色模型亮度I是指光波作用于感受器所發(fā)生的效應，其大小由物體反射系數(shù)來決定，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構成一個錐形彩色空間。灰度陰影沿著軸線自下而上亮度逐漸增大，由底部的黑漸變成頂部的白。椎體頂部的點的顏色具有最高亮度和最大飽和度。6.2.3HSI彩色模型基于三角形圓形平面的HSI彩色模型S=0S=1S=1/4S=1/2H=0o6.2.3HSI彩色模型I=0I=1I=1/4I=1/2S=1.0,H=0o6.2.3HSI彩色模型從RGB到HSI的彩色轉(zhuǎn)換 假設RGB值已歸一化到[0,1]范圍內(nèi)，則不等于實驗中的轉(zhuǎn)灰度后的圖像6.2.3HSI彩色模型三原色RGB空間圖像及其在HSI空間的各個分量圖像(a)RGB圖像(b)色調(diào)(c)飽和度(d)強度/灰度6.2.3HSI彩色模型彩色圖像處理◆偽彩色圖像處理（重點）◆真彩色圖像處理（了解）彩色圖像處理6.3偽彩色圖像處理偽彩色(又稱假彩色)圖像處理是根據(jù)特定的準則對灰度值賦以彩色的處理，即將灰度圖像（黑白圖像）轉(zhuǎn)換為彩色圖像，或者是將單色圖像變換成給定彩色分布的圖像。主要目的是為了方便人更清楚地分析灰度圖中的灰度層次，提高人眼對圖像的細節(jié)分辨能力，以達到圖像增強的目的。因為人眼對彩色的分辨能力比對灰度的分辨能力更強(人眼能辨別幾千種顏色和強度，而只能辨別幾十種灰度)?；驹硎菍⒑诎讏D像或者單色圖像的各個灰度級匹配到彩色空間中的一點，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賦予不同的彩色。

灰度分層(又稱為密度分層)和彩色編碼是最簡單的一種偽彩色圖像處理方法。將灰度圖像中的像素灰度理解為高度，則可以將圖像轉(zhuǎn)為3維。通過插入分割平面，將圖像劃分為不同的“層”，為每一層賦以一種彩色。6.3.1灰度分層顯示了利用平面把圖像函數(shù)f(x,y)=Li切割為兩部分。如果對上圖所示的平面每一面賦以不同的彩色，平面上任何灰度級上的像素將編碼成一種彩色;任何平面之下的像素將編碼為另一種彩色。位于平面上的灰度級本身被任意賦以兩種彩色之一。其結果是一幅兩色圖像，相關的彩色狀態(tài)可由沿灰度軸上下移動切割平面來控制。6.3.1灰度分層對于一幅灰度圖像f（x，y）來說，在m-1個灰度級f(x,y)=L1,f(x,y)=L2,…,f(x,y)=Lm-1上設置m-1個平行于xy平面的切割平面，將圖像切割成m個灰度級不同的區(qū)域A1，A2，…，Am，，則灰度級到彩色的賦值按下式進行即對每一個區(qū)域賦以一種顏色，從而將灰度圖像變?yōu)橛衜種顏色的偽彩色圖像。6.3.1灰度分層灰度級到彩色的映射—強度分層技術另一種表示6.3.1灰度分層(a)Picker甲狀腺模型的單色圖像例1：灰度分層—8個彩色平面6.3.1灰度分層(b)強度分為8層后進行偽彩色處理的結果例2：灰度分層—16個彩色平面圖像灰度為255，焊點質(zhì)量有問題。

處理：給255灰度級賦予一種顏色，其它的所有灰度賦予另一種顏色，極大地簡化識別過程，降低誤視率。6.3.1灰度分層例3：灰度分層例4：灰度分層—用顏色突出降雨量用圖b所示的彩色對0到255灰度級編碼，趨于藍色值意味著低降雨量，相反為紅色。6.3.1灰度分層密度分層法優(yōu)缺點：優(yōu)點：處理方法簡單易行，僅用硬件即可實現(xiàn)。缺點：所得偽彩色圖像彩色生硬，且量化噪聲大，為了減少量化噪聲，必須增加分割級數(shù)。使得設備復雜，且彩色漂移現(xiàn)象嚴重。

故采用偽彩色增強技術增強圖像6.3.1灰度分層6.3.2灰度到彩色的轉(zhuǎn)換

基本思想是對任何輸入像素的灰度級執(zhí)行3個獨立操作變換，然后3個變換結果分別送入彩色監(jiān)視器的紅、綠、藍通道，合成一幅彩色圖像。6.3.2灰度到彩色的轉(zhuǎn)換顯然，關鍵是變換函數(shù)，彩色內(nèi)容受到變換函數(shù)特性的調(diào)制，這是灰度值的變換。6.3.2灰度到彩色的轉(zhuǎn)換圖a是由機場X光掃描系統(tǒng)得到的行李的兩幅單色圖像。圖a左邊的圖像含普通物品。圖a右邊的圖像含有相同的物品及一塊模擬的塑料爆炸物。圖bc分別為用不同變換函數(shù)進行偽彩色增強后的圖像。圖a圖6.24b偽彩色增強的變換函數(shù)圖b圖6.24c偽彩色增強的變換函數(shù)6.3.2灰度到彩色的轉(zhuǎn)換6.4全彩色圖像處理基礎全彩色圖像處理研究分為兩大類：(1)第一類是是將一幅彩色圖像看作三幅分量圖像的組合體，在處理過程中先對每幅圖像（按照對灰度圖像處理的方法）單獨處理，再將處理結果合成為彩色圖像。(2)第二類是將每個像素的RGB值看成一個整體，即一個3維向量，對這個整體的屬性直接進行處理。因為全彩色圖像至少有3個分量，彩色像素實際上是一個向量。令c代表RGB彩色空間中的任意向量：c的分量是一幅彩色圖像在一點上的RGB分量彩色分量是坐標(x,y)的函數(shù)，表示為：圖像的平面坐標6.4全彩色圖像處理基礎灰度圖像和RGB彩色圖像的空間掩?？臻g模板空間模板6.4全彩色圖像處理基礎□單分量真彩色增強

將RGB圖轉(zhuǎn)化為HSI圖，可以對各分量分別使用對灰度圖的增強方法?；静襟E為：(1)將原始彩色圖的R，G，B分量圖轉(zhuǎn)化為H，S，I分量圖。(2)利用對灰度圖增強的方法增強其中的某個分量圖。(3)再將結果轉(zhuǎn)換為R，G，B分量圖以用彩色顯示器顯示。6.5彩色變換6.5彩色變換利用第3章灰度變換公式，用下式表達彩色變換模型：

g(x,y)=T[f(x,y)]

T是在（x,y）的空間鄰域上對f的一個算子?！醺鞑噬至浚?/p>

si=Ti(r1

,r2

,r3)

si、ri分別是g(x，y)和f(x，y)在任何點處的彩色分量的變量?！跞缫淖冚斎雸D像f(x,y)的亮度，使用

g(x,y)=kf(x,y)0<k<1□在HIS彩色空間，可以做簡單變換：

s3

=kr3這里s1

=r1，s2

=r2，僅僅是HIS亮度分量s3被改變。6.5.1公式□在RGB彩色空間，3個分量都必須變換：

si=krii=1,2,3□

CMY空間要求一個相似的線性變換集：

si=kri+(1-k)i=1,2,3注意：每一變換僅依賴于其彩色空間的一個分量。例如，紅的輸出分量s，獨立于藍和綠輸入，它只依賴于紅輸入。6.5.1公式全彩色圖像和它的空間分量6.5.1公式用彩色變換調(diào)整圖像亮度：圖b減少亮度30%的結果(k=0.7)圖c～e所要求的RGB,CMY,HIS變換函數(shù)6.5.1公式彩色反轉(zhuǎn)(求補色)(底片效果)補色：彩色環(huán)中相對的顏色為補色。

一種顏色和它的補色相加等于白色6.5.2補色6.5.2補色□彩色分層目的：突出圖像中特殊的彩色區(qū)域，從其周圍分離出目標物?！醪噬謱踊舅悸?(1)顯示感興趣的顏色以便從背景中把他們分離出來；或(2)像模板那樣使用由彩色定義的區(qū)域，以便進一步處理。6.5.3彩色分層6.5.3彩色分層凡是顏色范圍超過立方體的那些像素，都賦0.5□具體方法：把某些感興趣區(qū)域以外的區(qū)域的彩色映射為不突出的自然色。通常對于RGB彩色空間來說其自然色是彩色的中點(0.5,0.5,05)，如果感興趣的顏色由寬為W，中心在原彩色（平均）點并具有分量(a1,a2,a3)的立方體所包圍，則必要的變換集：6.5.3彩色分層色調(diào)變換（幾個色調(diào)不平衡的例子）6.5.4色調(diào)和彩色矯正對平淡的、亮的、暗的彩色圖像校正，當?shù)攘康卣{(diào)整紅、綠、藍分量時不會改變圖像的色調(diào)。平淡圖像校正后的圖像較亮圖像校正后的圖像較暗圖像校正后的圖像彩色平衡校正黑色偏重黑色偏弱青色偏重青色偏弱品紅偏重品紅偏弱黃色偏重黃色偏弱6.5.4色調(diào)和彩色校正

直方圖均衡自動地確定一種變換，這種變換試圖產(chǎn)生具有均勻灰度值的直方圖。在多分量的彩色圖像中，獨立地進行彩色圖像分量的直方圖均衡通常是不可取的，這將產(chǎn)生不正確的彩色。一個合乎邏輯的方法是均勻地擴展彩色強度，保留彩色本身（即色調(diào)和飽和度）不變。顯然，HIS彩色空間更適合這一處理過程。6.5.5直方圖處理6.5.5直方圖處理處理前的直方圖處理后的直方圖HIS彩色空間的直方圖均衡6.5.5直方圖處理6.6.1彩色圖像平滑紅分量圖像藍分量圖像綠分量圖像6.6平滑和尖銳化RGB彩色模型RGB原始圖像6.6平滑和尖銳化和標量圖像一樣，彩色圖像向量c的分量可以用傳統(tǒng)的灰度鄰域處理，單獨地平滑RGB圖像的每一個平面得到。HSI彩色模型，僅對強度分量進行平滑，保留色調(diào)和飽和度分量不變，并把處理結果轉(zhuǎn)換為RGB圖像加以顯示。色調(diào)飽和度強度6.6.1彩色圖像平滑HSI彩色模型用5×5平均模板平滑圖像。圖a處理RGB每一分量圖像的結果；圖b處理HSI圖像