彩色图像增强课件

彩色图像增强 第第4章章彩色图像增强彩色图像增强对彩色的视觉感知是人类视觉系统的固有能力彩色图像彩色图像是一种矢量图像。彩色图像增强彩色图像增强技术可分成两大类：将灰度图像变换/转化为彩色图像以提高人们对图像内容的观察效率。直接对彩色图像进行增强，同时考虑彩色矢量的所有分量，但可对不同分量区别对待。彩色图像增强 第第4章章彩色图像增强彩色图像增强 4.0 人的视觉特性（补充）人的视觉特性（补充）n 4.1三基色与色度图三基色与色度图n4.2彩色模型及转换彩色模型及转换n4.3伪彩色增强伪彩色增强n4.4真彩色增强真彩色增强彩色图像增强 4.0 人的视觉特性（补充）人的视觉特性（补充）1.人眼的构造与机理人眼的构造与机理 角角 膜：膜：保护作用保护作用 虹虹 膜：膜：保护作用保护作用 瞳瞳 孔孔：直径可调节，控制进入眼内光通量：直径可调节，控制进入眼内光通量(照相照相 机光圈作用机光圈作用)。晶状体晶状体：弹性透明，改变焦距：弹性透明，改变焦距 视细胞视细胞：视网膜上有视细胞，：视网膜上有视细胞，杆状细胞：杆状细胞：明视细胞明视细胞 锥状细胞：锥状细胞：暗视细胞暗视细胞彩色图像增强 4.0 人的视觉特性（补充）人的视觉特性（补充）视细胞视细胞 锥状细胞锥状细胞：明视细胞，在：明视细胞，在强光强光下检测亮度和颜色下检测亮度和颜色 杆状细胞杆状细胞：暗视细胞，在：暗视细胞，在弱光弱光下检测亮度，无下检测亮度，无 色彩感觉。色彩感觉。每个锥状视细胞连接每个锥状视细胞连接着一个视神经末梢，分辨着一个视神经末梢，分辨率高，分辨细节、颜色；率高，分辨细节、颜色；多个杆状视细胞连接多个杆状视细胞连接着一个视神经末梢，分辨率着一个视神经末梢，分辨率低，仅分辨图像的轮廓。低，仅分辨图像的轮廓。彩色图像增强视感觉 视感觉 4.0 人的视觉特性（补充）人的视觉特性（补充）彩色图像增强 4.0 人的视觉特性（补充）人的视觉特性（补充）2.人视觉特点：人视觉特点：1）人眼亮度感觉范围）人眼亮度感觉范围 亮度对比度c=Bmax/Bmin 总范围很宽：总范围很宽：c=1010 数量级数量级 适应某一环境亮度后，适当平均亮度下：适应某一环境亮度后，适当平均亮度下：c=102 数量级数量级 很低亮度下：很低亮度下：c=10 2）主观感觉亮度与实际亮度不同，主观感觉亮）主观感觉亮度与实际亮度不同，主观感觉亮度与外界照度是度与外界照度是对数对数关系。关系。彩色图像增强 4.0 人的视觉特性（补充）人的视觉特性（补充）影响主观亮度的两个事实影响主观亮度的两个事实：（主观亮度与客观亮度：（主观亮度与客观亮度不完全一致）不完全一致）同时对比度：同时对比度：人眼对亮暗程度所形成的明暗感觉人眼对亮暗程度所形成的明暗感觉 具有相对性。具有相对性。彩色图像增强 4.0 人的视觉特性（补充）人的视觉特性（补充）马赫带效应马赫带效应彩色图像增强 第四章彩色图增强 4.0 人的视觉特性（补充）人的视觉特性（补充）n 4.1三基色与色度图三基色与色度图n4.2彩色模型及转换彩色模型及转换n4.3伪彩色增强伪彩色增强n4.4真彩色增强真彩色增强彩色图像增强 人类色觉的产生是一个复杂的过程。除了光源对眼睛的刺激，还需要人脑对光刺激的解释。人感受到的物体颜色主要取决于反射光的特性。人感受到的物体颜色主要取决于反射光的特性。-如果物体比较均衡地反射各种光谱，则看起来是 白的。-如果物体对某些光谱反射得较多，则看起来物体就呈现相对应的颜色。彩色图像增强 4.1三基色与色度图三基色与色度图1.三基色：红、绿、蓝三基色：红、绿、蓝 在光源的刺激下，人可以感受颜色，颜色可分为无彩色和有彩色。人视网膜中锥细胞：65%对红光敏感，33%对绿光敏感，2%对蓝光敏感。CIE规定：蓝光波长=435.8nm，绿光波长=546.1nm，红光波长=700 nm彩色图像增强4.1 三基色与色度图三基色与色度图 所有颜色都可看作由三个基本颜色（三基色三基色three primary colors：RGB）的不同组合（相加混色）：C rR+gG+bB r+g+b=1 直接用RGB表示颜色，存在负的系数，导致该色不能物理实现，再现颜色范围缩小。CIE定义了三种标准基色XYZ 彩色图像增强标准基色XYZ(三个刺激量）对白光，有X=1，Y=1，Z=1如果每种刺激量的比例系数为x，y，z，则有C=xX+yY+zZ。比例系数x，y，z也称为色系数色系数4.1 三基色与色度图三基色与色度图XxXYZYyXYZ0.49020.30990.1999XRGB0.17700.81230.0107YRGB0.00000.01010.9899ZRGBZzXYZ彩色图像增强4.1 三基色与色度图三基色与色度图三基色与三补色：红的补色：蓝绿 绿的补色：品红 蓝的补色：黄三基色光之和-白色色与补色叠加为黑色。相加混色法：由发光体发出的光相加而产生的各种颜色，相减混色法：先有白色光，然后从中减去某些成份（吸收）得到各种颜色。彩色图像增强 4.1 三基色与色度图三基色与色度图2.色度图色度图 人类描述彩色的三种基本特征量：亮亮 度度：与物体的反射率反射率成正比 色色 调调：与光谱中光的波长波长相联系 饱和度饱和度：与一定色调光的纯度纯度有关 色调和饱和度合起来称为色度 彩色可用亮度和色度共同表示 人眼对于彩色的观察和处理是一种生理和心人眼对于彩色的观察和处理是一种生理和心理现象，其机理还没有完全搞清楚，对于彩色的理现象，其机理还没有完全搞清楚，对于彩色的许多许多结论结论都是都是建立在实验基础建立在实验基础之上的。之上的。彩色图像增强4.1 三基色与色度图三基色与色度图 色度图色度图横轴红色系数r，纵轴绿色系数g，蓝色系数由x+y+z=1求得，各点为光谱中各颜色的色度坐标人眼不可见色人眼不可见色光谱上没有光谱上没有彩色图像增强4.1 三基色与色度图三基色与色度图色度图色度图 (1)在色度图中每点都对应一种可见的颜色。反过在色度图中每点都对应一种可见的颜色。反过来，任何来，任何可见可见的颜色都在色度图中占据确定的位置，三角的颜色都在色度图中占据确定的位置，三角形内、舌形外为人眼不可见颜色。形内、舌形外为人眼不可见颜色。(2)在色度图轮廓上的点代表纯颜色，移向中心表示在色度图轮廓上的点代表纯颜色，移向中心表示混合的白光增加而纯度减少。混合的白光增加而纯度减少。(3)在色度图中，过在色度图中，过C点直线端点的两彩色互补。点直线端点的两彩色互补。(4)在色度图轮廓上的各点具有不同的色调，连接在色度图轮廓上的各点具有不同的色调，连接C点点与轮廓上点的连线上所有点具有相同的色调。与轮廓上点的连线上所有点具有相同的色调。(5)在色度图中连接任两端点的直线上的各点表示将在色度图中连接任两端点的直线上的各点表示将这两端点所代表的彩色相加可组成的一种新彩色这两端点所代表的彩色相加可组成的一种新彩色彩色图像增强4.1 三基色与色度图三基色与色度图 三角形包含由三顶点可组成的彩色 RGB是其中一个子集。不同电视机制式的三角形色域范围不同，有不同的色彩特点。目前，高清电视的色域范围最大，色彩最丰富。彩色图像增强例4.1.1 图中P点的坐标：r=0.48 g=0.4 b=1-(r+g)=0.12 P点的色调：波长为590nm（橙色）P的饱和度：CP/CQ=66%pQ4.1 三基色与色度图三基色与色度图彩色图像增强pQ彩色图像增强 4.0 人的视觉特性（补充）人的视觉特性（补充）n 4.1三基色与色度图三基色与色度图n4.2彩色模型及转换彩色模型及转换n4.3伪彩色增强伪彩色增强n4.4真彩色增强真彩色增强 第第4章章彩色图像增强彩色图像增强彩色图像增强1.面向硬设备彩色模型面向硬设备彩色模型基于物理的模型，适合图像输出显示场合使用1)RGB模型模型 正方体：RGB三分量。原 点：黑色，对角顶点：白色 六 顶 点：三基色和三补色 对 角 线：无色 4.2 彩色模型及转换彩色模型及转换黄(255,255,0)黑(0,0,0)绿(0,255,0)青(0,255,255)蓝(0,0,255)品红(255,0,255)白(255,255,255)红(255,0,0)彩色图像增强 4.2彩色模型及转换彩色模型及转换归一化为单位立方体RGB模型缺点：模型缺点：不直观，从RGB值不能看出具体颜色。不均匀。对硬件设备有依赖性，与设备相关。彩色图像增强4.2 彩色模型及转换彩色模型及转换2)CMY模型模型 三基色光叠加产生光的三补色：蓝绿蓝绿（C，绿加蓝）品红品红（M，红加蓝）黄黄（Y，红加绿）颜料的三基色正好是光的三补色，而颜料的三补色正好是光的三基色R=1 C G=1 M B=1 Y彩色图像增强4.2 彩色模型及转换彩色模型及转换3)归一化彩色模型归一化彩色模型用RGB的不同组合来表达彩色 该模型对观察方向、物体几何、照明方向和亮度的变化具有不变性。21222()(,)()()()RGl R G BRGRBGB22222()(,)()()()RBlR G BRGRBGB23222()(,)()()()GBlR G BR GRBGB彩色图像增强4.2 彩色模型及转换彩色模型及转换4)彩色电视机模型彩色电视机模型 PAL使用YUV模型：Y:亮度 Y=0.229R+0.587G+0.114B U:B-Y,色度分量 U=-0.147R-0.289G+0.436B V:R-Y色度分量 V=0.615R-0.515G-0.100B NTSC用YIQ模型：Y:亮度 Y=0.229R+0.587G+0.114B I:U转33度 I=0.596R-0.275G+0.321B Q:V转33度 Q=0.212R-0.523G+0.311B RGB:RGB经伽马校正 R+G+B=1彩色图像增强4.2 彩色模型及转换彩色模型及转换4.面向视觉感知的彩色模型面向视觉感知的彩色模型1)HSI模型模型 H：色调，光波长相联系 S：饱和度，与一定色调的纯度有关 I：密度（亮度）密度（亮度）与物体的反射率成正比，HSI特点特点：1）色调+饱和度=色度，亮度I与色度分开，亮度分量与图像的彩色信息无关。2）色调H和饱和度S的概念互相独立,并与人的感知一至。彩色图像增强 角角 度：度：H 色度色度 0o为红色，为红色，120o为绿色，为绿色，240o为蓝色。为蓝色。H黑BRGI白BHGRPYMC(a)(b)P4.2 彩色模型及转换彩色模型及转换HSI模型模型:双三棱锥（或圆柱体）双三棱锥（或圆柱体）垂直方向：垂直方向：密度密度I（亮度）（亮度），0-1，剖面三角形剖面三角形（变化）（变化）矢量长度矢量长度:饱和度饱和度S。轴心轴心S=0，无色。，无色。H无定义。无定义。顶点，顶点，H无定义。无定义。彩色图像增强4.2 彩色模型及转换彩色模型及转换H=0H=60H=120H=180H=240H=300色度色度H 饱和度饱和度S 亮度亮度I彩色图像增强 4.2彩色模型及转换彩色模型及转换（a）原图像（b）H分量 （c）S分量 （d）I分量彩色图像增强4.2 彩色模型及转换彩色模型及转换HSI模型和模型和RGB模型的转换：模型的转换：22()()arccos2()()()()()2arccos2()()()RGRBBGRGRB GBHRGRBBGRGRB GB31min(,)()SR G BRGB()3IR B G 彩色图像增强4.2 彩色模型及转换彩色模型及转换2)HSV模型模型H代表色调，S代表饱和度，V代表亮度值HSV模型的坐标系统也是圆柱坐标系统，但一般用六棱锥来表示 彩色图像增强 4.0 人的视觉特性（补充）人的视觉特性（补充）n 4.1三基色与色度图三基色与色度图n4.2彩色模型及转换彩色模型及转换n4.3伪彩色增强伪彩色增强n4.4真彩色增强真彩色增强 第第4章章彩色图像增强彩色图像增强彩色图像增强4.3 伪彩色增强伪彩色增强 人的眼睛对灰度级的分辨率低（几十种），对颜色分辨率高（几千种不同的颜色）。伪彩色：伪彩色：原图无彩色，人工赋予彩色。赋色过程 是着色过程。伪彩色增强伪彩色增强：对原灰度图像中不同灰度值的区域 赋予不同的彩色，以更明显地区分它们。伪彩色增强伪彩色增强从图像处理的角度看，输入是灰输入是灰度图像，输出是彩色图像度图像，输出是彩色图像 彩色图像增强4.3 伪彩色增强伪彩色增强1.亮度切割亮度切割用一个平行于图像坐标平面XY的平面去切割图像亮度函数亮度函数对每一个输入灰度值，如果它在切割灰度值lm之上就赋予某一种颜色，如果它在lm之下就赋予另一种颜色 例：医学图像，卫星云图(,)(,)0,1,mmf x yRf x ycmM如彩色图像增强4.3 伪彩色增强伪彩色增强2.从灰度到彩色的变换从灰度到彩色的变换对原图中像素的灰度值用三个独立变换来处理，将不同的灰度映射为不同的彩色.例：变换函数：变换后原始图中灰度值偏小的像素将主要呈现绿色，灰度值偏大的像素主要呈现红色 可将三个变换结果分别送到RGB三个电子枪，显示调制的混合图像。彩色图像增强4.3 伪彩色增强伪彩色增强3.频域滤波频域滤波根据图像中各区域的不同频率含量给区域赋予不同的颜色 用低通、带通（或带阻）和高通滤波器滤波 反变换后分别送到RGB显示，使边缘和区域不同色彩色图像增强应用应用伪彩色技术早期在遥感图像处理中得到广泛的应用伪彩色技术早期在遥感图像处理中得到广泛的应用不仅适用于航摄和遥感图片，也可以用于不仅适用于航摄和遥感图片，也可以用于X光片及云图判光片及云图判读的等方面。读的等方面。彩色图像增强 4.0 人的视觉特性（补充）人的视觉特性（补充）n 4.1三基色与色度图三基色与色度图n4.2彩色模型及转换彩色模型及转换n4.3伪彩色增强伪彩色增强n4.4真彩色增强真彩色增强 第第4章章彩色图像增强彩色图像增强彩色图像增强4.4 真彩色增强真彩色增强处理策略处理策略1）将一幅彩色图像看作三幅分量图像的组合体，在处理过程中先对每幅图像（按照对灰度图像处理的方法）单独处理，再将处理结果合成为彩色图像2）将一幅彩色图像中的每个像素看作具有三个属性值，即像素属性现在为一个矢量，需利用对矢量的表达方法进行处理，可进行模板处理。彩色图像增强4.4 真彩色增强真彩色增强1.彩色单分量增强彩色单分量增强(分别增强分别增强)在在HSI空间对单个分量进行增强空间对单个分量进行增强 (1)将R，G，B分量图转化为H，S，I分量图。(2)利用对灰度图增强的方法（灰度映射）增强其中的一个分量图 (3)再将一个增强了的分量图和两个原来的分量图一起转换为用R，G，B分量图来显示。(,)(,)1,2,3iiig x yT f x yi彩色图像增强4.4 真彩色增强真彩色增强1、亮度增强、亮度增强 在上述增强的第2个步骤选用了亮度分量图2、饱和度增强、饱和度增强与图像的亮度增强相似3、色调增强、色调增强对每个像素的色调值加一个常数（角度值），将会使每个目标的颜色在色谱上移动 彩色图像增强 4.4 真彩色增强真彩色增强(a）原图像 （b）亮度增强后的图像（c）亮度减弱后的图像I 增强效果彩色图像增强 4.4真彩色增强真彩色增强a）原图像 b）饱和度增强后的图像（c）饱和度减弱后的图像S增强效果彩色图像增强4.4 真彩色增强真彩色增强 S 增强效果增强效果彩色图像增强 4.4真彩色增强真彩色增强 I 增强效果增强效果彩色图像增强 4.4真彩色增强真彩色增强H增强效果增强效果彩色图像增强4.4 真彩色增强真彩色增强2、全彩色增强、全彩色增强（增强彩色（增强彩色矢量矢量）1）彩色切割）彩色切割：用来增强特定目标，保持目标原有：用来增强特定目标，保持目标原有色彩，图像中其它区域变为单一色。色彩，图像中其它区域变为单一色。a.计算目标的彩色空间的聚类中心坐标 b.确定各个彩色分量的分布宽度（交互方式）c.进行彩色切割 RW(,)1(,)#x yWmRx yWGW(,)1(,)#x yWmGx yWBW(,)1(,)#x yWmBx yW彩色图像增强4.4 真彩色增强真彩色增强 2）彩色滤波增强（基于模板操作）彩色滤波增强（基于模板操作）以邻域平均为例，设彩色像素C(x,y)的邻域为W，则彩色图像平滑彩色图像平滑的结果为 对矢量的平均结果由对其各个分量用相同方法进行平均再结合起来得到 注意：滤波结果图像可能失真注意：滤波结果图像可能失真(,)ave(,)(,)(,)(,)11(,)(,)(,)#(,)x yWx yWx yWx yWR x yx yx yG x yWWB x yCC彩色图像增强4.4 真彩色增强真彩色增强 在在HIS空间空间 将将RGB空间转化到空间转化到HIS空间，对图像的空间，对图像的色度色度进行增强进行增强用复数表示：色调用复数表示：色调h作为相位，饱和度作为相位，饱和度S作为模作为模 c(x,y)=s(x,y)expjh(x,y)c(x,y)=s(x,y)cosh(x,y)+j s(x,y)sinh(x,y)对于一个对于一个n*m的模板，邻域平均色度：的模板，邻域平均色度：2/)1+(2/)1(=2/)1+(2/)1(=2/)1+(2/)1(=2/)1+(2/)1(=),(1+),(1=),(nnkmmlnnkmmllykxcImnjlykxcRmnyxc彩色图像增强4.4 真彩色增强真彩色增强3、白（彩色）平衡、白（彩色）平衡 摄像机在拍摄图像时，由于各个彩色通道不同的敏感度等导致R、G、B三个分量图像出现不同的线性变换，使结果图像的三原色不平衡，图像中色彩偏离实际真实颜色。表表 现：现：现实中的灰色区域在图像中对应为有色彩区域，白色对应有彩色。白平衡白平衡：（校正）拍摄有白色或黑色背景或目标的图像，检查RGB三个分量直方图的峰值是否出现在相同的灰度级上，调整其中两个通道的映射，使峰值处在相同处。彩色图像增强fR0fB0fG0fh(f)0