第9章 彩色圖像處理

第九章彩色圖像處理彩色圖像的討論內(nèi)容彩色圖像的基本概念表色系統(tǒng)彩色圖像的處理彩色圖像的基本概念

——色彩人眼對(duì)于彩色的觀察和處理是一種生理

和心理現(xiàn)象，其機(jī)理還沒(méi)有完全搞清楚，因而對(duì)于彩色的許多結(jié)論都是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的。彩色圖像的基本概念

——色彩的形成

光學(xué)原理解釋的色彩的形成如下圖所示,可視光區(qū)的波長(zhǎng)在400nm~700nm，當(dāng)光譜采樣限制到三個(gè)人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)敏感的紅、綠、藍(lán)光波段時(shí)，對(duì)這三個(gè)光譜帶的光能量進(jìn)行采樣，就可以得到一幅彩色圖像。

400nm700nm紫外光紅外光可見(jiàn)光區(qū)546.1nm435.8nm780nm彩色圖像的基本概念

——色彩的分布光的吸收率

藍(lán)紫色

紫藍(lán)色400450500550600650700nm

藍(lán)色

藍(lán)綠色

綠色

黃綠色

黃色

橙色

紅橙色

紅色藍(lán)綠紅彩色圖像的基本概念

——色彩的分布彩色圖像的基本概念

——色彩的分布紅藍(lán)綠青黃紫白彩色圖像的基本概念

——色彩的描述顏色的描述是通過(guò)建立色彩模型來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不同的色彩模型對(duì)應(yīng)于不同的處理目的。CIE（國(guó)際照明委員會(huì)）在進(jìn)行大量的色彩測(cè)試實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了一系列的顏色模型用于對(duì)色彩進(jìn)行描述。各種不同的顏色模型之間可以通過(guò)數(shù)學(xué)方法互相轉(zhuǎn)換。

彩色圖像的基本概念

——色彩的CIEXYZ描述

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。如圖所示，x,y表示人類(lèi)的可見(jiàn)顏色范圍。XYZ三刺激值的概念是以色視覺(jué)的三元理論為根據(jù)。1931年CIE制定了一種假想的標(biāo)準(zhǔn)觀察者，配色函數(shù)設(shè)為:彩色圖像的基本概念

——色彩的CIECIEL*a*b*描述

L:明亮度a:從綠色到紅色b:從藍(lán)色到黃色Lab顏色空間是在1976年制定的等色空間，以克服在x，y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。Lab的概念圖彩色圖像的基本概念

——色彩的CIECIEL*a*b*描述

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，ΔEab為色差程度，ΔEab大小決定了色差程度的大小，具體見(jiàn)表。色差程度的鑒定ΔE*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以上幾種常用的表色系除了前面所介紹的兩個(gè)CIE的具有代表性的表色系之外，對(duì)應(yīng)于不同的研究目的，便產(chǎn)生了為其提供最方便的幾種彩色描述方法。幾種常用的表色系RGB表色系HSI表色系CMYK表色系YUV表色系YCbCr表色系彩色圖像處理方法彩色圖像的常規(guī)處理彩色補(bǔ)償彩色平衡偽彩色增強(qiáng)RGB色系——

基本概念CIE規(guī)定了以700nm(紅)、546.1nm(綠)、435.8nm(藍(lán))三個(gè)色光為三基色。又稱(chēng)為物理三基色。自然界的所有顏色都可以通過(guò)選用三基色按不同比例混合而成。R:200G:50B:120黃(255,255,0)黑(0,0,0)綠(0,255,0)青(0,255,255)藍(lán)(0,0,255)品紅(255,0,255)白(255,255,255)紅(255,0,0)RGB色系——

顏色構(gòu)成RGB色系——

應(yīng)用場(chǎng)合目前包括計(jì)算機(jī)顯示器、彩色電視機(jī)在內(nèi)的絕大部分圖形顯示器中。如果采用其他色系進(jìn)行了處理，最終一定要轉(zhuǎn)換到RGB色系，才能正常顯示結(jié)果。HSI色系——

問(wèn)題的提出RGB色系雖然是目前各類(lèi)顯示器使用的色系，但顏色的構(gòu)成與人對(duì)顏色的理解方式不同，所以在進(jìn)行處理與調(diào)整時(shí)，不太容易獲得準(zhǔn)確的參數(shù)。HSI色系——

基本設(shè)計(jì)思路這種彩色系統(tǒng)格式的設(shè)計(jì)反映了人類(lèi)觀察

彩色的方式。如：紅色又分為淺紅和深紅色等等。HSI色系——

亮度分量II

表示光照強(qiáng)度或稱(chēng)為亮度，它確定了像素的整體亮度，而不管其顏色是什么。I:小大HSI色系——

亮度(I)效果示意圖HSI色系——

色度分量HH：表示色度，由角度表示。反映了該顏色最接近什么樣的光譜波長(zhǎng)。0o為紅色，120o為綠色，240o為藍(lán)色。HSI色系——

色度（H）效果示意圖H=0oH=60oH=120oH=180oH=240oH=300oS：表示飽和度，飽和度參數(shù)是色環(huán)的原點(diǎn)到彩色點(diǎn)的半徑長(zhǎng)度。在環(huán)的外圍圓周是純的或稱(chēng)飽和的顏色，其飽和度值為1。在中心是中性（灰）色，即飽和度為0。HSI色系——

飽和度分量SSHSI色系——

飽和度（S）效果示意圖S=0S=1S=1/4S=1/2HSI色系

——

顏色描述黑白IS思考問(wèn)題：在這個(gè)圓柱體上，紅色的點(diǎn)順（逆）時(shí)針旋轉(zhuǎn)會(huì)變成什么樣？上下移動(dòng)呢？向圓心方向移動(dòng)呢？HSI色系——與RGB色系的相互轉(zhuǎn)換1.RGB到HSI的轉(zhuǎn)換HSI色系——

與RGB色系的相互轉(zhuǎn)換2.HSI到RGB的轉(zhuǎn)換HSI色系——

與RGB色系的相互轉(zhuǎn)換HSI色系——

與RGB色系的相互轉(zhuǎn)換注意：300~360之間為非可見(jiàn)光譜色，沒(méi)有定義。CMYK色系——

基本概念這種表色系用于印刷行業(yè)。是一種減色系統(tǒng)，將從白光中濾出三種原色之后獲得的顏色作為其表色系的三原色CMY。K為黑色，為了印刷時(shí)對(duì)黑色可用黑色墨來(lái)印刷。

C：青色，從白色中濾去紅色。

M：品紅，從白色中濾去綠色。

Y:黃色，從白色中濾去藍(lán)色。CMYK色系——

著色原理既然是減色系統(tǒng)，其著色原理是基于光吸收的，這有別于RGB的光射入的方式。C與M疊加：同時(shí)吸收了R與G，則為藍(lán)色；C與Y疊加：同時(shí)吸收了R與B，則為綠色；M與Y疊加：同時(shí)吸收了G與B，則為紅色。CMYK色系——

與RGB色系的轉(zhuǎn)換RGB色系轉(zhuǎn)換到CMYK色系其中，W表示白色。CMYK色系——

與RGB色系的轉(zhuǎn)換CMYK色系轉(zhuǎn)換到RGB色系其中，W表示白色。YUV表色系——

基本概念在這種表色系統(tǒng)中

Y：亮度；U，V：色差信號(hào)目的是為了可以使電視節(jié)目可用同時(shí)被黑白電視及彩色電視接收。電視信號(hào)在發(fā)射時(shí)，轉(zhuǎn)換成YUV形式；接收時(shí)再還原成RGB三基色信號(hào)，由顯像管顯示。YUV表色系

——

電視信號(hào)接收原理示意圖Y,U,VYYY,0,0彩色電視信號(hào)黑白電視信號(hào)黑白電視機(jī)彩色電視機(jī)YUV表色系——

與RGB色系的轉(zhuǎn)換RGB到Y(jié)UV的轉(zhuǎn)換YUV表色系——

與RGB色系的轉(zhuǎn)換YUV到RGB的轉(zhuǎn)換特點(diǎn)：這兩個(gè)色系的轉(zhuǎn)換非常簡(jiǎn)單，所以可滿足轉(zhuǎn)換的快速性要求。YCbCr表色系——

基本概念這是常用于彩色圖像壓縮時(shí)的一種表色系。

Y:代表亮度；Cb、Cr：代表色差。

YCbCr表色系——

基本設(shè)計(jì)思想與YUV表色系統(tǒng)不同的是它充分考慮了色彩組成時(shí)RGB三色的重要因素。

YUV考慮的是色系轉(zhuǎn)換的簡(jiǎn)單；YCbCr考慮的是壓縮時(shí)可以充分取出冗余量。YCbCr表色系——

與RGB色系的轉(zhuǎn)換RGB到Y(jié)CbCr的轉(zhuǎn)換YCbCr表色系——

與RGB色系的轉(zhuǎn)換YCbCr到RGB的轉(zhuǎn)換彩色圖像的常規(guī)處理在灰度圖像處理中我們討論了灰度級(jí)的修正，圖像的平滑濾波，圖像的銳化處理等方法，在彩色圖像中仍舊需要也可以進(jìn)行這些處理。處理的方法是，將同樣的操作在R,G,B三個(gè)分量上分別進(jìn)行。彩色補(bǔ)償——

問(wèn)題的提出在某些應(yīng)用中，目標(biāo)是分離出主要或完全是顏色不同的各種類(lèi)型的物體。由于常用的彩色圖像設(shè)備具有較寬而且相互覆蓋的光譜敏感區(qū)，加上待拍攝圖像的染色是變化的，所以很難在三個(gè)分量圖中將物體分離出來(lái)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為顏色擴(kuò)散。彩色補(bǔ)償——

基本設(shè)計(jì)思想通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算，將擴(kuò)散進(jìn)來(lái)的顏色分量補(bǔ)償?shù)?。由此，使不同的目?biāo)在不同的顏色分量中信號(hào)最強(qiáng)。彩色補(bǔ)償——

算法思路分析顏色擴(kuò)散的現(xiàn)象，是“你中有我，我中有你”。所以補(bǔ)償?shù)乃惴ㄋ悸肥牵簩⒃緫?yīng)該是純紅、純綠、純藍(lán)色的像素點(diǎn)轉(zhuǎn)換成理想的顏色，由此獲得原圖與補(bǔ)償圖之間的影射關(guān)系，最后用此影射關(guān)系處理所有的像素點(diǎn)。彩色補(bǔ)償——

應(yīng)用可以通過(guò)不同的顏色通道提取不同的目標(biāo)物。彩色平衡——

問(wèn)題的提出當(dāng)一幅彩色圖像數(shù)字化后，在顯示時(shí)顏色經(jīng)?？雌饋?lái)有些不正常。這是因?yàn)樯ǖ赖牟煌舾卸?、增光因子、偏移量等原因?qū)е?。稱(chēng)之為三基色不平衡。將其校正的過(guò)程就是彩色平衡。彩色平衡——

基本設(shè)計(jì)思想在畫(huà)面中，尋找不同亮暗的中性色的像素點(diǎn)，這些點(diǎn)應(yīng)該是滿足R=G=B的，但是因?yàn)樯木壒什幌嗟?，于是通過(guò)將其影射為相等值獲得彩色平衡的作用矩陣，就可進(jìn)行彩色平衡處理。彩色平衡——

應(yīng)用得到的圖像就是：彩色平衡后的圖像基于色差壓縮的效果圖基于YCrCb壓縮圖基于YUV壓縮圖原圖彩色補(bǔ)償示例彩色補(bǔ)償示例彩色補(bǔ)償?shù)淖饔檬纠?/p>

——提取腎小球邊界彩色補(bǔ)償?shù)淖饔檬纠?/p>

——提取腎小球邊界原圖R分量腎小球的提取補(bǔ)償圖R分量腎小球的提取彩色補(bǔ)償?shù)淖饔檬纠?/p>

——提取腎小球中的細(xì)胞核腎組織切片圖像彩色補(bǔ)償?shù)淖饔檬纠?/p>

——提取腎小球中的細(xì)胞核原圖B分量補(bǔ)償圖B分量提取的細(xì)胞核提取的細(xì)胞核彩色不平衡的效果示例彩色平衡效果示例飽和度效果示意圖色度效果示意圖亮度效果示意圖彩色圖像灰度級(jí)校正處理示例彩色圖像灰度級(jí)校正處理示例彩色圖像的平滑處理示例彩色圖像的銳化處理示例紅點(diǎn)的上下移動(dòng)紅點(diǎn)的順（逆）時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)紅點(diǎn)向圓心方向移動(dòng)R分量圖G分量圖B分量圖原圖Y分量圖

人的生理視覺(jué)系統(tǒng)特性對(duì)微小的灰度變化不敏感，而對(duì)彩色的微小差別極為敏感。人眼一般能夠區(qū)分的灰度級(jí)只有二十幾個(gè)，而對(duì)不同亮度和色調(diào)的彩色圖像分辨能力卻可達(dá)到灰度分辨能力的百倍以上。利用這個(gè)特性人們就可以把人眼不敏感的灰度信號(hào)映射為人眼靈敏的彩色信號(hào)，以增強(qiáng)人對(duì)圖像中細(xì)微變化的分辨力。彩色增強(qiáng)就是根據(jù)人的這個(gè)特點(diǎn)，將彩色用于圖像增強(qiáng)之中，在圖像處理技術(shù)中彩色增強(qiáng)的應(yīng)用十分廣泛且效果顯著。常見(jiàn)的彩色增強(qiáng)技術(shù)主要有假彩色增強(qiáng)及偽彩色增強(qiáng)兩大類(lèi)。

偽彩色增強(qiáng)（1）假彩色（falsecolor）增強(qiáng)是將一幅彩色圖像映射為另一幅彩色圖像，從而達(dá)到增強(qiáng)彩色對(duì)比，使某些圖像達(dá)到更加醒目的目的。真彩色（truecolor）自然物體的彩色叫做真彩色，真彩色圖像的分光系統(tǒng)，色光合成如圖所示。

真彩色圖像（3）偽彩色（pesudocolor）增強(qiáng)則是