1、1 数字图像处理数字图像处理Digital Image Processing第六章第六章 彩色图像处理彩色图像处理26.1 概述概述在图像处理中，颜色的运用受两个主要因素在图像处理中，颜色的运用受两个主要因素推动：推动：o颜色是一个强有力的描绘子，它常常可颜色是一个强有力的描绘子，它常常可简简化目标物的识别和提取化目标物的识别和提取。o人可以辨别人可以辨别几千种几千种不同的不同的颜色颜色，但只能区，但只能区分出几十种灰度级，这使得颜色在分出几十种灰度级，这使得颜色在人工图人工图像分析像分析中显得特别重要。中显得特别重要。36.1 概述概述彩色图像处理分为两大类：彩色图像处理分为两大类：o全彩色
2、（真彩色）全彩色（真彩色）处理处理图像为图像为彩色图彩色图o伪彩色伪彩色处理处理图像为图像为灰度图灰度图，为每个灰度区间赋予不同，为每个灰度区间赋予不同的颜色而成为彩色图的颜色而成为彩色图46.1 概述概述前面章节中所介绍的图像处理方法，某些可前面章节中所介绍的图像处理方法，某些可以直接应用于彩色图像处理，而其他的需要以直接应用于彩色图像处理，而其他的需要做适当修改后才可应用于处理彩色图像。做适当修改后才可应用于处理彩色图像。本章内容可分为四大块：本章内容可分为四大块：o颜色基础知识和颜色模型颜色基础知识和颜色模型o全彩色处理全彩色处理o伪彩色处理伪彩色处理o彩色变换彩色变换5人眼构造简介人眼
3、构造简介水晶体虹膜角膜瞳孔视神经盲点视网膜黄斑区睫状小带6人眼的机理简介人眼的机理简介o人眼的机理与照相机类似：人眼的机理与照相机类似： 1. 瞳孔瞳孔：透明的角膜后是不透明的虹膜，虹膜中间：透明的角膜后是不透明的虹膜，虹膜中间的圆孔称为瞳孔，其直径可调节，从而控制进的圆孔称为瞳孔，其直径可调节，从而控制进入人眼内之光通量入人眼内之光通量 照相机光圈作用照相机光圈作用 2. 晶状体晶状体：瞳孔后是一扁球形弹性透明体，其曲率：瞳孔后是一扁球形弹性透明体，其曲率可调节，以改变焦距，使不同距离的图在视网可调节，以改变焦距，使不同距离的图在视网膜上成像膜上成像 照相机透镜作用照相机透镜作用7人眼的机理
4、简介人眼的机理简介o人眼的机理与照相机类似：人眼的机理与照相机类似： 3. 视细胞视细胞：视网膜上集中了大量视细胞，分为两类：视网膜上集中了大量视细胞，分为两类： o1） 锥状细胞锥状细胞：明视细胞，在强光下检测亮度和颜色：明视细胞，在强光下检测亮度和颜色（白昼视觉细胞）（白昼视觉细胞） o2） 杆杆(柱柱)状细胞状细胞：暗视细胞，在弱光下检测亮度，：暗视细胞，在弱光下检测亮度，无色彩感觉无色彩感觉（夜视觉细胞（夜视觉细胞 ）o其中，每个锥状视细胞连接着一个视神经末梢，故其中，每个锥状视细胞连接着一个视神经末梢，故分辨率高，分辨细节、颜色；多个杆状视细胞连接分辨率高，分辨细节、颜色；多个杆状视
5、细胞连接着一个视神经末梢，故分辨率低，着一个视神经末梢，故分辨率低，仅分辨图的轮廓。仅分辨图的轮廓。8o锥状细胞将电磁光谱的可见光部分分为三个波段：锥状细胞将电磁光谱的可见光部分分为三个波段：红、绿、蓝。由于这个原因，这三种颜色被称为红、绿、蓝。由于这个原因，这三种颜色被称为三基色三基色（Primary ColorPrimary Color） 红红(red)(red) 绿绿(green)(green) o所有颜色都可看作是三种基本颜色按照不同的比所有颜色都可看作是三种基本颜色按照不同的比例组合而成。例组合而成。o人眼成像过程人眼成像过程 视细胞受到光刺激产生电脉冲视细胞受到光刺激产生电脉冲-
6、视神经视神经中枢中枢-大脑成像大脑成像. .传递人眼的成像机理人眼的成像机理96.2 彩色基础彩色基础白光通过棱镜时看到的色谱白光通过棱镜时看到的色谱6种颜色？种颜色？No!电磁波谱中的可见光部分电磁波谱中的可见光部分彩色光谱可分为彩色光谱可分为6个个宽的区域宽的区域：紫色、蓝色、绿色、黄色、橘红色和红色。紫色、蓝色、绿色、黄色、橘红色和红色。106.2 彩色基础彩色基础电磁波谱中的可见光部分电磁波谱中的可见光部分400nm700nm紫外光红外光可见光区546.1nm435.8nm780nm 可视光区的波长在可视光区的波长在400nm700nm，当光谱采样，当光谱采样限制到三个人类视觉系统敏感
7、的限制到三个人类视觉系统敏感的红红、绿绿、蓝蓝光波段光波段时，对这三个光谱带的光能量进行采样，就可以得时，对这三个光谱带的光能量进行采样，就可以得到一幅彩色图像。到一幅彩色图像。116.2 彩色基础彩色基础o人眼所感知到的人眼所感知到的物体的颜色物体的颜色由物体由物体反射光反射光的特性所决定。的特性所决定。o人眼内的锥状体分为三类，分别对人眼内的锥状体分为三类，分别对红、绿、红、绿、蓝光蓝光敏感。敏感。对红光敏感的锥状体占对红光敏感的锥状体占65%对绿光敏感的锥状体占对绿光敏感的锥状体占33%对蓝光敏感的锥状体占对蓝光敏感的锥状体占2%(敏感度最高敏感度最高)126.2 彩色基础彩色基础眼内三
8、种锥状体的光吸收情况眼内三种锥状体的光吸收情况CIE(国际照明委员会国际照明委员会)规定的三原色对应的光的波长为：规定的三原色对应的光的波长为：蓝：蓝：435.8nm绿：绿：546.1nm红：红：700nm注意：自然界中注意：自然界中的可见颜色均能的可见颜色均能由这三种颜色按由这三种颜色按一定比例混合得一定比例混合得到；反之，任意到；反之，任意一种颜色都可以一种颜色都可以分解为三种原色。分解为三种原色。136.2 彩色基础彩色基础o三原色混色原理三原色混色原理:红红+蓝蓝=品红品红绿绿+蓝蓝=青青红红+绿绿=黄黄品红、青、黄称为品红、青、黄称为合成色合成色它们是它们是颜料的三原色颜料的三原色1
9、46.2 彩色基础彩色基础颜色的特性颜色的特性：o亮度亮度：与灰度图像的灰度值类似：与灰度图像的灰度值类似o色调色调：任何一种颜色的光都是由若干波长不同的：任何一种颜色的光都是由若干波长不同的光混合而成，其中光混合而成，其中比重最大的那种光的颜色比重最大的那种光的颜色即为即为色调。色调。o饱和度饱和度：由：由色调所对应光在混合光中的比重色调所对应光在混合光中的比重决定。决定。也可理解该纯色光被白光冲淡的多少，白光越多也可理解该纯色光被白光冲淡的多少，白光越多饱和度越低。饱和度越低。色调色调和和饱和度饱和度统称为统称为色度色度。156.3 颜色模型颜色模型o颜色模型颜色模型(也称也称彩色空间彩色
10、空间或或彩色系统彩色系统)是为是为了按照某种标准来指定颜色。了按照某种标准来指定颜色。o从本质上说，颜色模型是一个从本质上说，颜色模型是一个坐标系统坐标系统，在该系统下的一个在该系统下的一个子空间子空间中，中，每种颜色都每种颜色都对应其中一个点对应其中一个点。166.3颜色模型颜色模型颜色模型的设计通常是为了便于颜色模型的设计通常是为了便于硬件实现硬件实现或或便于便于对颜色的控制对颜色的控制。oRGB模型模型：在：在彩色显示器彩色显示器、彩色摄像机彩色摄像机中中 广泛使用广泛使用oCMY / CMYK模型：用于模型：用于彩色打印彩色打印oHSI模型：与人描述和解释颜色的方式最模型：与人描述和解
11、释颜色的方式最接近，便于人为指定颜色；同时该模型将接近，便于人为指定颜色；同时该模型将颜色和灰度信息分开，颜色和灰度信息分开，便于应用灰度图像便于应用灰度图像处理技术来处理彩色图像处理技术来处理彩色图像。176.3.1 RGB模型模型oRGB彩色立方体示意图彩色立方体示意图18RGB模型模型：建立在笛卡儿坐标系统里，其中建立在笛卡儿坐标系统里，其中三个轴分别为三个轴分别为R，G，B，模型的空间是个正方体，模型的空间是个正方体，原点对原点对应黑色，离原点最远的顶点对应白色应黑色，离原点最远的顶点对应白色从黑到白的灰度值分布在从原点从黑到白的灰度值分布在从原点到离原点最远顶点间的连线上，而立方到离
12、原点最远顶点间的连线上，而立方体内其余各点对应不同的颜色，可用从体内其余各点对应不同的颜色，可用从原点到该点的矢量表示原点到该点的矢量表示 196.3.1 RGB彩色模型彩色模型o用用RGB彩色模型彩色模型表示的图像包含有表示的图像包含有3个图个图像分量像分量，分别与，分别与红红、绿绿、蓝蓝三原色相对应。三原色相对应。o当送入当送入RGB监视器时，这三幅图像在荧光监视器时，这三幅图像在荧光屏上混合产生一幅合成的彩色图像。屏上混合产生一幅合成的彩色图像。o在在RGB空间中，用于表示每一像素的比特空间中，用于表示每一像素的比特数称为数称为像素深度像素深度。如如24比特深度比特深度的图像通常称为的图
13、像通常称为全彩色全彩色或或真彩色真彩色图像图像206.3.1 RGB彩色模型彩色模型 MATLABMATLAB实现实现 一幅MxN的RGB彩色图像可以用一个 MxN x3的矩阵来描述，图像中每一个像素点对应于红、绿、蓝三个分量组成的三元组。 在MATLAB中要生产一幅RGB图像可以采用cat函数来得到。其基本语法： B=cat(3，iR，iG，iB）其中iR，iG，iB分别为生产RGB图像的R，G，B分量。这样就可以通过 cat函数将三个分量合成一幅彩色图像。216.3.1 RGB彩色模型彩色模型 MATLABMATLAB实现实现 相应地，从一幅彩色图像里获取一幅RGB图像I的三个分量，可以使
14、用下列语句： iR=I（：，：，1） iG=I（：，：，2） iB=I（：，：，3）例：生产一幅128*128的RGB图像，该图像左上角为红色，右上角为蓝色，左下角为绿色，右下角为黑色。例例6.1：生成：生成RGB图像图像226.3.2 CMY和和CMYK模型模型oC(Cyan 青青)M(Magenta 品红品红)Y(Yellow 黄黄)是颜料的三原色。是颜料的三原色。青色青色颜料：吸收颜料：吸收红红光光品红品红颜料：吸收颜料：吸收绿绿光光黄色黄色颜料：吸收颜料：吸收蓝蓝光光例如：当白光照到例如：当白光照到青青色颜料上，色颜料上，红红光被吸光被吸收，返回收，返回绿绿光和光和蓝蓝光，所以呈现光，
15、所以呈现青青色。色。CMY / CMYK模型主要模型主要用于打印设备用于打印设备23CMY模型模型 24CMY模型模型 256.3.2 CMY和和CMYK模型模型oCMY模型和模型和RGB模型间的关系：模型间的关系：o等量的等量的青青色、色、品红品红和和黄黄色应该产生黑色。色应该产生黑色。但实际产生的黑色不够纯正，另外加上价但实际产生的黑色不够纯正，另外加上价格因素，引入黑色格因素，引入黑色(打印的主色打印的主色)，构成，构成CMYK模型。模型。111CRMGYB 26CMY模型模型 KYYKMMKCCYMCK),min(27CMY模型模型 例例6.2：将：将RGB图像转换到图像转换到CMY空
16、间空间286.3.3 HSI彩色模型彩色模型oRGB及及CMY适合颜色的生成和显示，但不适合颜色的生成和显示，但不适合人为指定颜色。适合人为指定颜色。oHSI模型与人眼对颜色的描述很相似，如模型与人眼对颜色的描述很相似，如淡紫、深红等等。淡紫、深红等等。29I： 表示光照强度或称为表示光照强度或称为亮度亮度，它确定了像，它确定了像素的整体亮度，而不管其颜色是什么。素的整体亮度，而不管其颜色是什么。 30H：表示：表示色度色度，由，由角度表示角度表示。反映了该颜色。反映了该颜色最接近什么样的光谱波长（既彩虹中的最接近什么样的光谱波长（既彩虹中的那种颜色）那种颜色）0o为红色，为红色，120o为绿
17、色，为绿色，240o为蓝色。为蓝色。0 o到到240o覆盖了所有可见光谱覆盖了所有可见光谱的颜色，的颜色，240o到到300o是人眼可见的非光谱是人眼可见的非光谱色（紫色）。色（紫色）。31 S：表示：表示饱和度饱和度，饱和度参数是色环的原点，饱和度参数是色环的原点到彩色点的到彩色点的半径长度半径长度。在环的外围圆周是。在环的外围圆周是纯的或称饱和的颜色，其饱和度值为纯的或称饱和的颜色，其饱和度值为1。在中心是中性（灰）影调，即饱和度为在中心是中性（灰）影调，即饱和度为0。表示颜色浓淡的物理量。通常用混入白光量表示颜色浓淡的物理量。通常用混入白光量的比例来度量。的比例来度量。3233o亮度变化
18、亮度变化34o色度变化色度变化H=0H=60H=120H=180H=240H=30035o饱和度变化饱和度变化S=0S=1S=1/4S=1/236HSI模型模型o思考问题：在这个圆柱体上，红色的点顺思考问题：在这个圆柱体上，红色的点顺（逆）时针旋转会变成什么样？上下移动（逆）时针旋转会变成什么样？上下移动呢？向圆心方向移动呢？呢？向圆心方向移动呢？黑白ISSH0120绿黄青蓝240品红376.3.3 HSI彩色模型彩色模型oRGB和和HSI模型间的关系模型间的关系BGBGHBGRBGRSBGRI2),min()(31)(312/12)()(2/)()(arccosBGBRGRBRGR RGB到
19、到HSI的转换：的转换：38HSI模型模型 396.3.3 HSI彩色模型彩色模型o从从RGB到到HSI的彩色转换的彩色转换假设假设RGB值已归一化到值已归一化到0, 1范围内，则范围内，则360BGHBG如果如果11/221()()2cos()()()RGRBRGRB GB31min( ,)()SR G BRGB 1()3IRGB406.3.3 HSI彩色模型彩色模型o从从HSI到到RGB的彩色转换的彩色转换假设假设HSI值已归一化到值已归一化到0, 1范围内。首先将范围内。首先将H乘乘以以360，恢复到，恢复到0, 360范围内。根据范围内。根据H的范的范围使用不同公式。围使用不同公式。R
20、G扇区扇区(0H120)： 其他两种情况见书其他两种情况见书P106(1)BIScos1cos(60)SHRIH3()GIRB416.3.3 HSI彩色模型彩色模型RGB图像和图像和对应的对应的HSI分量图像分量图像(a) RGB图像图像(b) 色调色调(c) 饱和度饱和度(d) 强度强度/灰度灰度426.3.3 HSI彩色模型彩色模型示例：示例：通过修改通过修改HSI分量分量来改变图像外观来改变图像外观(a)-(c)修改后的修改后的HSI分量图像分量图像(d) 最终的最终的RGB图像图像例例6.3：将三原色图从：将三原色图从RGB空间转换到空间转换到HSI空间空间436.4 6.4 全彩色图
21、像处理44o彩色图像彩色图像增强增强o彩色图像彩色图像复原复原o彩色图像彩色图像分析分析： 彩色图像彩色图像补偿补偿 彩色图像彩色图像分割分割全彩色图像处理全彩色图像处理45彩色图像增强彩色图像增强xyxyxyStsStsStstsBKtsGKtsRKyx),(),(),(),(1),(1),(1),( c46彩色图像增强彩色图像增强 例例6.4：彩色图像平滑滤波：彩色图像平滑滤波47彩色图像增强彩色图像增强例例6.5：彩色图像锐化滤波：彩色图像锐化滤波48彩色图像复原彩色图像复原运动+高斯噪声例例6.6：彩色图像复原：彩色图像复原49彩色图像分析彩色图像分析50彩色图像分析彩色图像分析yfx
22、fGGyxf2/1222/122)/()/()(yfxfGGmagfyxf|yxGGf51彩色图像分析彩色图像分析bgruxRxRxRbgrvyRyRyR222xBxGxRgxxuuyBxByGxGyRxRgxyvu222yByGyRgyyvv52彩色图像分析彩色图像分析)(2arctan21),(yyxxxygggyx2/12sin22cos)()(21),(xyyyxxyyxxgggggyxF53彩色图像分析彩色图像分析例例6.7：彩色图像的边缘检测：彩色图像的边缘检测5455基本原理基本原理56基本原理基本原理),(),(),(yxByxGyxR),(yxf),(),(yxffyxRR)
23、,(),(yxffyxGG),(),(yxffyxBB57方方 法法 58密度分层法密度分层法 将灰度图像中的将灰度图像中的像素灰度像素灰度理解为理解为高度高度，则可以则可以将图像转为将图像转为3维维。通过插入分割平面，。通过插入分割平面，将图像划分为不同的将图像划分为不同的“层层”，为，为每一层赋以每一层赋以一种彩色。一种彩色。59密度分层法密度分层法 60密度分层法密度分层法 例例6.8：密度分层法的：密度分层法的Matlab实现实现61灰度级灰度级- -彩色变换法彩色变换法 62灰度级灰度级- -彩色变换法彩色变换法 63灰度级灰度级- -彩色变换法彩色变换法 例例6.9：灰度级：灰度级
24、-彩色变换法的彩色变换法的Matlab实现实现64灰度级灰度级- -彩色变换法彩色变换法 65频域法频域法66频域法频域法67随堂练习随堂练习o1、常用的颜色模型有：、常用的颜色模型有： RGB、 CMY /CMYK 、 HSI 等。等。o2、采用、采用HSI模型时，在以下像素中，色调差别最小的是模型时，在以下像素中，色调差别最小的是 D 。 （A）（）（0， 0.2， 100） 和和 （40， 0.2， 200） （B）（）（240， 0.3， 200） 和和 （120， 0.2， 100） （C）（）（40， 0.7， 200） 和和 （100， 0.6， 36） （D）（）（350， 0
25、.8， 210） 和和 （10， 0.1， 15）o3、什么是三原色，什么是伪彩色增强处理？其主要目的、什么是三原色，什么是伪彩色增强处理？其主要目的是什么？是什么？o4、彩色图像颜色模型、彩色图像颜色模型HSI的三个基本特征是的三个基本特征是?686.6 彩色变换彩色变换o注意注意：这里的彩色是相对第三章中的灰度：这里的彩色是相对第三章中的灰度变换而言的，不是指色彩空间的变换。变换而言的，不是指色彩空间的变换。与灰度变换的区别在于，此时与灰度变换的区别在于，此时f (x, y)是一是一个向量，有三个分量。个向量，有三个分量。),(),(yxfTyxg696.6 彩色变换彩色变换回顾第三章学过
26、的灰度变换：回顾第三章学过的灰度变换：o灰度反转灰度反转 s = L 1 r 彩色反转彩色反转o对数变换对数变换 s = c log(1 + r)o幂律变换幂律变换 s = c ro分段线性变换分段线性变换o直方图均衡直方图均衡o直方图拉伸直方图拉伸后三种不能用分别处理后三种不能用分别处理RGB分量的方式处理分量的方式处理706.6 彩色变换彩色变换o彩色反转彩色反转(求求补色补色)(底片效果底片效果)补色补色：彩色环中相对的颜色为补色。：彩色环中相对的颜色为补色。 一种颜色和它的补色相加等于白色。一种颜色和它的补色相加等于白色。716.6 彩色变换彩色变换),(),(),(255255255
27、),(1),(yxByxGyxRyxfLyxg726.6 彩色变换彩色变换o幂律变换幂律变换4 . 0736.6 彩色变换彩色变换o幂律变换幂律变换5 . 1746.6 彩色变换彩色变换o彩色切分彩色切分突出图像中某一色彩范围的内容。突出图像中某一色彩范围的内容。相似性度量：利用色彩空间中的距离相似性度量：利用色彩空间中的距离756.6 彩色变换彩色变换o彩色切分彩色切分766.6 彩色变换彩色变换o直方图处理直方图处理直方图处理方法直方图处理方法(如如直方图均衡直方图均衡、直方图拉直方图拉伸伸等等)针对每幅灰度图自动计算灰度变换函针对每幅灰度图自动计算灰度变换函数，如将彩色图像作为三幅灰度图
28、来处理，数，如将彩色图像作为三幅灰度图来处理，则则RGB通道的变换函数不同，即对同一像通道的变换函数不同，即对同一像素的素的RGB分量做了不同处理，会引起色彩分量做了不同处理，会引起色彩失真。失真。776.6 彩色变换彩色变换将彩色图像看成将彩色图像看成3幅灰度图幅灰度图(分别对应分别对应RGB分分量量 )的处理结果：的处理结果：786.6 彩色变换彩色变换彩色图像的直方图处理方法：彩色图像的直方图处理方法：o将图像从将图像从RGB空间转到空间转到HSI空间空间o针对针对HSI模型中的模型中的I分量分量(对应一幅灰度图对应一幅灰度图)进行直方图处理，进行直方图处理，H分量和分量和S分量保持不变
29、分量保持不变o将处理后的将处理后的HSI值转为值转为RGB值值由于仅修改了由于仅修改了I分量，即亮度分量，色调和分量，即亮度分量，色调和饱和度未改变，图像的色彩能得到保持。饱和度未改变，图像的色彩能得到保持。796.6 彩色变换彩色变换正确的处理结果：正确的处理结果：806.6 彩色变换彩色变换o平滑和锐化平滑和锐化5 55 5均值滤波均值滤波816.6 彩色变换彩色变换可对可对RGB分量分别处理。分量分别处理。拉普拉斯锐化拉普拉斯锐化使用模板：使用模板：11111211114182彩色图像的中值滤波方法彩色图像的中值滤波方法由于排序无法对向量进行，因此不能将灰度由于排序无法对向量进行，因此不
30、能将灰度图像的中值滤波方法直接用于图像的中值滤波方法直接用于RGB分量图像分量图像正确做法：正确做法：o保存邻域像素的保存邻域像素的RGB值值,并将并将RGB值转为值转为HSI值值o根据根据HSI值的值的I分量进行排序分量进行排序o将排序后的中值所对应的将排序后的中值所对应的HSI值转为值转为RGB值值83彩色图像的中值滤波方法彩色图像的中值滤波方法简化方法：简化方法：o保存邻域像素的保存邻域像素的RGB值值,并计算其灰度值并计算其灰度值(彩色转灰度彩色转灰度)o根据灰度值进行排序根据灰度值进行排序o将排序后的中值所对应的将排序后的中值所对应的RGB值作为当前值作为当前像素值像素值注意：排序时要保留注意：排序时要保留RGB值与灰度值的对应关系。值与灰度值的对应关系。可将可将RGB值存放到值存放到RGBQUAD型数组中，灰度型数组中，灰度值存放到值存放到rgbReserved中，根据灰度值对中，根据灰度值对RGBQUAD型数组进行排序。型数组进行排序。
