数字图像处理第六章色彩模型与彩色处理课件

数字数字图图像像处处理第六章色彩模理第六章色彩模型与彩色型与彩色处处理理数字图像处理第六章色彩模型与彩色处理Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.1 6.1 彩色基础彩色基础 彩色可见光：400700nm，我们可以用3个基本量来描述光源的质量：radiance（辐射度 辐射通量）：W总能量luminace（光通量）：可见光brightness（亮度）：主观描述 Chapter 6彩色可见光：400700nm，我们可以Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.1 6.1 彩色基础彩色基础 人眼的锥状细胞负责彩色传感的，大眼的67百万个锥状细胞分三类：红：65%，绿：33%，蓝：2%。P226图6.3为人眼对的吸取实验。Chapter 6人眼的锥状细胞负责彩色传感的，大眼的6Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.1 6.1 彩色基础彩色基础 人眼的锥状细胞负责彩色传感的，大眼的67百万个锥状细胞分三类：红：65%，绿：33%，蓝：2%。图6.3为人眼对的吸取实验。Chapter 6 人眼的锥状细胞负责彩色传感Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.1 6.1 彩色基础彩色基础 CIE（国际照明委员会）规定了如下三种波为主原色：蓝：435.8nm，绿：546.1nm，红：700nm。红色，只是一个带，而不是单一一个波长绿蓝也是一样。原色相加二次色R+B=深红=红+蓝G+B=表色=绿+蓝R+G=黄=红+绿R+G+B可得白色，或一个二次色与其，补色白光，如图6.4(a)Chapter 6 CIE（国际照明委员会）规Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.1 6.1 彩色基础彩色基础 在颜料或着色剂中，原色的定义是这样的：白：减去一种原色，反射或传输另两种原色。故其原色是：深红、青、黄。而二次色是R、G、B。如图6.4所示。Chapter 6在颜料或着色剂中，原色的定义是这样的：Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.1 6.1 彩色基础彩色基础 通常区分颜色的特征是亮度，色调和饱和度。亮度：明亮程度。色调：光波混合中，与主波长相关的属性，指观察的主要颜色。饱和度：纯色+白色多少色调+饱和度色度，即颜色用色度和亮度来表征。形成任何特殊颜色需要R，G，B，叫三色值，分别用X，Y，Z，表示。一种颜色由三色值系数定义：Chapter 6 通常区分颜色的特征是亮度，Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.1 6.1 彩色基础彩色基础 颜色的另一种表示方法用CIE色度图。该图以（红），（绿）函数表示颜色组成而。如图6.5所示 Chapter 6 颜色的另一种表示方法用CIChapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.1 6.1 彩色基础彩色基础 图中边界上的颜色为纯色，内部的表示混和色。等能量点白，等能量点的饱和度为0。规律：连接任意两点的直线所定义的不同颜色，均可由这两类颜色相加得到同样，从等能量点到边界上任一点的连线，可以定义特定谱色的所有色调。还可以扩展到三种颜色，图中任何三点连成一三角形，内部所有颜色均可用三个顶点色来混合形成。Chapter 6 图中边界上的颜色为纯色，内部Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.1 6.1 彩色基础彩色基础 图6.6的三角形是KGB监视器产生的颜色范围，不规则区域是彩色打印机的彩色域。Chapter 6 图6.6的三角形是KGB监视器产生的Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.2 6.2 彩色模型彩色模型6.2 彩色模型 亦彩色空间或彩色系统。最通用的就是RGB模型（用于如摄像机等）。CMY（青，深红，黄）、CMYK（青，深红，黄，黑）是针对彩色打印机，而HIS（色调，饱和度，亮度）更符合人描述颜色，也适合本书给出的灰度处理技术。Chapter 66.2 彩色模型Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.2 6.2 彩色模型彩色模型6.2.1 RGB彩色模型 为方便，假定所有颜色都归一化。如果每一分量用8比特表示，共有24 称为全彩色。例6.1（P230）介绍了彩色平面的概念。Chapter 66.2.1 RGB彩色模型Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.2 6.2 彩色模型彩色模型6.2.1 RGB彩色模型下面介绍所谓 全RGB彩色子集。Chapter 66.2.1 RGB彩色模型Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.2 6.2 彩色模型彩色模型Chapter 6Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.2 6.2 彩色模型彩色模型6.2.2 CMY和CMYK模型等量的青，深红，黄产生黑色。而实际中，组合产生的黑色不纯，为产生真正的黑色，加入第四种颜色黑色。即CMYK模型（四色打印）Chapter 66.2.2 CMY和CMYK模型Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.2 6.2 彩色模型彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 上述模型中适应人眼。这里介绍的HIS彩色模型恰好能满足这个要求。H：色调，S：饱和度，I：亮度H+S表示了彩色信息。下面说明HSI可以从RGB信息中得来的。Chapter 66.2.3 HIS彩色模型Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.2 6.2 彩色模型彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 在图中，白（1，1，1），黑（0，0，0），其连线是垂直的。经过一彩色点，作该连线的平面，则该平面与垂直连线的交点位置即是强度值。强度轴上的饱和度是0，其上全部是灰度点。Chapter 66.2.3 HIS彩色模型Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.2 6.2 彩色模型彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 在图6.12中，连接白、青、黑三点组成一平面，则该平面（三角形）点有相的色调，理由是：三角形内任一点的颜色均为由顶点来得出，而黑白点不改变色调。旋转这个平面可以得到不同的色调，该平面与立方体的横截面决定的边界不是呈三角形就是六边形。这样我们可以用六边形来表示色调和饱和度。具体参见下页图所示：Chapter 66.2.3 HIS彩色模型Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.2 6.2 彩色模型彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 我们用六边形来表示色调和饱和度。Chapter 66.2.3 HIS彩色模型Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.2 6.2 彩色模型彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 我们用六边形来表示色调和饱和度。Chapter 66.2.3 HIS彩色模型Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.2 6.2 彩色模型彩色模型6.2.3 HIS彩色模型从RGB到HIS的彩色转换 Chapter 66.2.3 HIS彩色模型Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.2 6.2 彩色模型彩色模型6.2.3 HIS彩色模型从HIS到RGB的转换 在0，1内给出HSIRGN分三个区域（相隔120）Chapter 66.2.3 HIS彩色模型Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.2 6.2 彩色模型彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 图6.15是三个对应于RGB立方体的图像的HSI值。Chapter 66.2.3 HIS彩色模型Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.2 6.2 彩色模型彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 图6.16是RGB及其二次色给出的图像，而（b）,（c）,（d）为其色调、饮和度和弱度图像。Chapter 66.2.3 HIS彩色模型Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.2 6.2 彩色模型彩色模型6.2.3 HIS彩色模型 图6.17为简单的HSI图像处理的图像。Chapter 66.2.3 HIS彩色模型Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.3 6.3 伪彩色处理伪彩色处理6.3 伪彩色处理给特定的灰度值赋以彩色。伪彩色的目的是为了人眼观察和解释图像中的目标。Chapter 66.3 伪彩色处理Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.3 6.3 伪彩色处理伪彩色处理6.3.1 强度分层参见图6.18，图像被看成三维函数。Chapter 66.3.1 强度分层Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.3 6.3 伪彩色处理伪彩色处理6.3.1 强度分层 可以简单地按如下方式来把灰度彩色Chapter 66.3.1 强度分层Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.3 6.3 伪彩色处理伪彩色处理6.3.1 强度分层灰度彩色实例：Chapter 66.3.1 强度分层Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.3 6.3 伪彩色处理伪彩色处理6.3.1 强度分层灰度彩色实例：焊接实例 Chapter 66.3.1 强度分层Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.3 6.3 伪彩色处理伪彩色处理6.3.1 强度分层灰度彩色实例：用颜色突出降雨水平 Chapter 66.3.1 强度分层Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.3 6.3 伪彩色处理伪彩色处理6.3.2 灰度级到彩色转换 另一种更加通用的灰度级到彩色的转换是对输入灰度级必行3个独立的处理，得到3个结果红，绿，蓝通道。Chapter 66.3.2 灰度级到彩色转换Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.3 6.3 伪彩色处理伪彩色处理6.3.2 灰度级到彩色转换 例6.5是一突出装在行李内的爆炸物的伪彩色应用。Chapter 66.3.2 灰度级到彩色转换Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.3 6.3 伪彩色处理伪彩色处理6.3.2 灰度级到彩色转换 例6.5是一突出装在行李内的爆炸物的伪彩色应用。Chapter 66.3.2 灰度级到彩色转换Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.3 6.3 伪彩色处理伪彩色处理6.3.2 灰度级到彩色转换 例6.6为多光谱彩色编码。Chapter 66.3.2 灰度级到彩色转换Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.3 6.3 伪彩色处理伪彩色处理6.3.2 灰度级到彩色转换 例6.6为多光谱彩色编码。Chapter 66.3.2 灰度级到彩色转换Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing6.4 6.4 全彩色图像处理基础全彩色图像处理基础 6.4 全彩色图像处理基础全彩色图像处理分为（1）处理每一分量，然后合成（2）直接对彩色处理全彩色至少有3个分量。原则上前边的灰度处理可移植到彩色，而对每一分量进行处理。令c代表RG彩色空间中的任意向量：Chapter 66.4 全彩色图像处理基础Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.5 6.5 彩色变换彩色变换6.5 彩色变换6.5.1 公式：类似于基本灰度变换过程。Chapter 66.5 彩色变换：类似于基本灰度变换过程Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.5 6.5 彩色变换彩色变换6.5 彩色变换6.5.1 公式图6.30是一幅彩色图像，CMYK分量图 Chapter 66.5 彩色变换Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.5 6.5 彩色变换彩色变换6.5 彩色变换6.5.1 公式RGB分量图及HSI分量图。假设要改变图像亮度，在HSI空间中，在RGB空间，3个分量必须：下页图显示了 的结果。Chapter 66.5 彩色变换Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.5 6.5 彩色变换彩色变换6.5 彩色变换6.5.1 公式 改变图像亮度实例：Chapter 66.5 彩色变换Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.5 6.5 彩色变换彩色变换6.5.2 补色 在图6.32彩色环上，与一种色调相对立的另一种色调称为补色。Chapter 66.5.2 补色Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.5 6.5 彩色变换彩色变换6.5.2 补色 例6.7给出了在RGB空间及HSI空间下，补色的求法。Chapter 66.5.2 Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.5 6.5 彩色变换彩色变换6.5.3 彩色分层 可以采用突出特殊区域的颜色来把目标分离出来。可以采用类似于前边的灰度分层技术，这里叫彩色分层。最简单的情况，假设感兴趣的颜色中心在（），宽度为W的立方体中，则 如果用一圆球确定感兴趣的颜色 如果RGB彩色空间则 ，CMYK时，Chapter 66.5.3 彩色分层如果用一圆球确定感兴Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.5 6.5 彩色变换彩色变换6.5.3 彩色分层例6.8为彩色分层的一个说明。Chapter 66.5.3 彩色分层Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.5 6.5 彩色变换彩色变换6.5.4 色调和彩色校正背景：在图像形成、传输、显示过程中，存在非线性，可能造成颜色的不平衡，如CRT显示，扫描仪。通过变换（彩色校正）来达到一定的平衡。这里我们介绍另外一种常用的彩色模型。Chapter 66.5.4 色调和彩色校正Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.5 6.5 彩色变换彩色变换6.5.4 色调和彩色校正（续）其中，是参考的白色的三刺激质（在D65下，完美漫反射白色）所谓三刺激值是形成某种颜色所需要的三原色的数量。这种彩色模型特点：比色的（感觉相同，编码相同），感觉一致的，独立于设备的。在图像操作（色调和对比度编辑）和图像压缩方面很有用。颜色类的变换主要有：（1）灰度变换，（2）彩色平衡：Chapter 66.5.4 色调和彩色校正（续）Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.5 6.5 彩色变换彩色变换6.5.4 色调和彩色校正（1）灰度变换，例6.9在RGB中，3分量同时变HSI中，仅改变亮度。Chapter 66.5.4 色调和彩色校正Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.5 6.5 彩色变换彩色变换6.5.4 色调和彩色校正（2）彩色平衡：含义，白色彩色 具体调整，如RGB图像中有过多的深红色，则：（1）移去红蓝，（2）增加其补色绿，例子见例6.10 Chapter 66.5.4 色调和彩色校正Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.5 6.5 彩色变换彩色变换6.5.5 直方图处理 将前边灰度直方图处理方法移植到彩色图像处理中，如直方图均衡。例6.11在HSI彩色空间的直方图均衡。Chapter 66.5.5 直方图处理Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.6 6.6 平滑和尖锐化平滑和尖锐化6.6 平滑和尖锐化 6.6.1 彩色图像平滑 例如，在RGB彩色空间中，令 表示中心在 的邻域的坐标集，在该邻域中，RGB分量的平均值：例6.12为彩色图像平滑例子，图示见下页：Chapter 66.6 平滑和尖锐化Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.6 6.6 平滑和尖锐化平滑和尖锐化6.6 平滑和尖锐化 6.6.1 彩色图像平滑 例6.12为彩色图像平滑例子，图示：Chapter 66.6 平滑和尖锐化Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.6 6.6 平滑和尖锐化平滑和尖锐化6.6 平滑和尖锐化 6.6.1 彩色图像平滑（续）例6.12为彩色图像平滑例子，图示：Chapter 66.6 平滑和尖锐化Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.6 6.6 平滑和尖锐化平滑和尖锐化6.6 平滑和尖锐化 6.6.1 彩色图像平滑（续）例6.12为彩色图像平滑例子，图示：Chapter 66.6 平滑和尖锐化Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.6 6.6 平滑和尖锐化平滑和尖锐化6.6 平滑和尖锐化 6.6.2彩色图像尖锐化 本节考虑用拉普拉斯的方法进行尖锐化，在RGB彩色系统中，向量C的拉氐变换：例子见例6.13图6.41 Chapter 66.6 平滑和尖锐化例子见例6.13图6Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.6 6.6 平滑和尖锐化平滑和尖锐化6.6 平滑和尖锐化 6.6.2彩色图像尖锐化拉普拉斯方法图像尖锐化实例6.13Chapter 66.6 平滑和尖锐化Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.7 6.7 彩色分割彩色分割6.7 彩色分割 把一幅图像分成区域的处理。6.7.1 HSI彩色空间分割 可利用色调不同进行分割 饱和度可作为一个模板。例6.14是一个HIS空间进行分割的例子。Chapter 66.7 彩色分割Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.7 6.7 彩色分割彩色分割6.7.1 HSI彩色空间分割一个HIS空间进行分割的例子：例6.14 Chapter 66.7.1 HSI彩色空间分割Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.7 6.7 彩色分割彩色分割6.7.2 RGB向量空间分割 上面的例6.14分割效果不是特别理想，而在RGB彩色可得更好的结果。假如，某目标在RGB图像中，“平均”彩色估计用向量a来表示，此时，用欧氏距离来进行判定。令z代表RGB空间的一点。欧氏距离 为一半径为D0的实心球。据此可进行编码。把上式进行推广，得到距离测度：是我们要分割的彩色的样本协方差矩阵。Chapter 66.7.2 RGB向量空间分割把上式进Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.7 6.7 彩色分割彩色分割6.7.2 RGB向量空间分割描述了一个实心三维球，见图6.43(b)当 时，转化为球。还可以是一个正方体来描述（图6.43（c）Chapter 66.7.2 RGB向量空间分割Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.7 6.7 彩色分割彩色分割6.7.2 RGB向量空间分割 例6.15为在RGB空间的彩色分割。Chapter 66.7.2 RGB向量空间分割Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.7 6.7 彩色分割彩色分割6.7.3 彩色边缘检测 边缘检测是一种重要的分割工具。以梯度算子为例，我们可能直接想到的是对每一彩色分量利用梯度算子，然后相加合成一幅梯度图像。图6.45给出了一个具体实例，在 外梯度相同，但直观看，（d）应比（h）强，产生了错误结果。因此，需要一个新的用于向量的梯度定义。Chapter 66.7.3 彩色边缘检测 图Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.7 6.7 彩色分割彩色分割6.7.3 彩色边缘检测令r,g,b是RGB彩色空间沿R，G，B轴的单位向量，可定义：Chapter 66.7.3 彩色边缘检测Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.7 6.7 彩色分割彩色分割6.7.3 彩色边缘检测 例6.16是边缘检测的具体例子：Chapter 66.7.3 彩色边缘检测Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.8 6.8 彩色图像的噪声彩色图像的噪声 6.8 彩色图像的噪声 例6.17是把RGB图像噪声转换为HSI的效果说明。Chapter 66.8 彩色图像的噪声 Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.8 6.8 彩色图像的噪声彩色图像的噪声 6.8 彩色图像的噪声 例6.17是把RGB图像噪声转换为HSI的效果说明。Chapter 66.8 彩色图像的噪声 Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.8 6.8 彩色图像的噪声彩色图像的噪声 6.8 彩色图像的噪声 例6.17是把RGB图像噪声转换为HSI的效果说明。Chapter 66.8 彩色图像的噪声 Chapter 6Chapter 6Color Image ProcessingColor Image Processing 6.8 6.8 彩色图像的噪声彩色图像的噪声 6.8 彩色图像的噪声 在彩色空间中，采用滤波器来减少、消除噪声，但处理方法上，有些就不能直接套用灰度的处理方法。如，中值滤波，需采用向量排序方案，确定中值。Chapter 66.8 彩色图像的噪声