第六講彩色圖像處理

西安電子科技大學機電工程學院王義敏為什么研究彩色圖像？第一、顏色是一個強有力的描繪子：1、簡化目標物的區(qū)分和從場景中提取目標第二、符合人類視覺的特點（對人工圖像分析很重要）2、目標識別：根據目標的顏色特征。1、可辨別的灰度層次約有四十種2、對顏色的辨別能力和亮度->光波波長改變1-2nm，人眼即可感覺到->人眼同時可辨別幾千種不同色彩和亮度的顏色->目標物的顏色變小時，色覺顏色也變，面積小到一定程度，顏色變?yōu)榛疑?>目標物的色度相同而背景色度不同，感覺到不同的顏色->一個純黑白物在特定條件下表現為不同的顏色（Benham黑白園板）Note：1、視覺是一種生理和心理現象，其機理在探索中。對彩色(顏色)的許多結論是建立在實驗和理論結果支持的基礎上。

2、對彩色圖像的處理是基于對其適當的描述方法。一、彩色基礎400nm700nm紫外光紅外光可見光區(qū)546.1nm435.8nm780nm光的吸收率

藍紫色

紫藍色400450500550600650700nm

藍色

藍綠色

綠色

黃綠色

黃色

橙色

紅橙色

紅色藍綠紅人眼中紅綠藍錐狀體的波長吸收系數人類視覺對紅、綠、藍三種顏色的光最為敏感。從而構成了三基色假說。三基色假說(格拉斯曼定律)：三基色是這樣的三種顏色，它們相互獨立，其中任一色均不能由其它二色混合產生。但它們又是完備的，即其它所有的顏色都可以由三基色按照不同的比例混合而得到。任何顏色均可有RGB產生：C=a(R)+b(G)+c(B)兩種基色系統(tǒng)：加色系和減色系統(tǒng)方法一：區(qū)別顏色的三特性：亮度、色調和飽和度二、顏色的描述亮度：包含無色的強度的概念。主觀描述不可測量色調：光波混合中和主波長有關的屬性，觀察者接受的主要顏色。飽和度：色彩的純度，純度高則鮮明，純度低則黯淡。如粉紅色(紅+白)欠飽和，純譜色是全飽和。色調與飽和度一起成為彩色。三色值系數：X、Y、Z分別表示某種顏色中紅綠藍的量，即三色值。方法二：CIE色度圖1、RGB彩色模型（面向硬件）笛卡爾坐標系中以700nm(紅)、546.1nm(綠)、435.8nm(藍)為三基色。三、彩色模型R:200G:50B:120黃(255,255,0)黑(0,0,0)綠(0,255,0)青(0,255,255)藍(0,0,255)品紅(255,0,255)白(255,255,255)紅(255,0,0)1、CCD直接感知的是RGB三個分量；2、圖像成像、顯示、打印等設備的基礎。RGB正方體模型的展開2、HSI模型符合人描述和解釋顏色的方式。如：紅色分為淺紅和深紅色等H：色調，I：亮度，S：飽和度I：亮度H：色調S：飽和度（圓周為1，中心為0）Note：亮度與色調和飽和度分開；僅分析反應色彩本質的色調和飽和度，廣泛用于計算機視覺、圖像檢索和視頻檢索。HIS模型色調（H）的效果示意圖H=0oH=60oH=120oH=180oH=240oH=300oHSI模型的優(yōu)勢1、從人的視覺系統(tǒng)出發(fā)，有H、S、I描述色彩2、相比REG彩色空間模型，更符合人的視覺特點3、在圖像處理和計算機視覺中的大量算法都可在HIS空間中方便的使用4、H、S、I可以分開處理而且相互獨立I分量與圖像的彩色信息無關；HS分量與人感受顏色的方式緊密相連。5、HIS色彩空間中可以簡化圖像分析和處理的工作量6、HIS和RGB是同一物理量的不同表示方法，因而可以相互轉化3、RGB和HIS之間的轉換RGB→HSIHSI

→RGB注意：300~360之間為非可見光譜色，沒有定義RGB分量和與之對應的HIS圖像分量RGB→HSIRGB分量和與之對應的HIS圖像分量HSI→RGB色調藍綠區(qū)域像素為零青色區(qū)域飽和度減半飽和度白區(qū)強度減半強度RGB

偽彩色處理是根據特定的準則對灰度值賦以彩色的處理，是區(qū)別于真彩色處理和對單色圖像賦以彩色的處理。四、偽彩色處理應用：人類視覺觀察和解釋圖像中的灰度目標。

偽彩色處理方法：1、強度分層2、灰度級到彩色的轉換1、強度分層技術圖像的描述強度分層技術的幾何解釋對切割平面以下部分編碼為一種色彩，以上部分編碼為一種色彩，獲得一幅兩色圖像。分層技術總結：

垂直于灰度軸的P個平面（分為p+1個間隔）的量級定義為：灰度到彩色的幅值關系：Ck是與強度間隔為Vk的第k級強度有關的顏色，Vk由l=k-1和l=k分割平面定義。例1強度分層甲狀腺模型及其強度分層圖甲狀腺模型的單色圖像強度分為8個彩色的圖像單色灰度圖像很難分辨出病變，強度分層圖像很容易辨別病變部位。例2焊縫缺陷的檢測焊縫X光的單色圖像彩色編碼的圖像

在灰度級是已知的前提下，強度分層在可視化方面是簡單而有力的手段。簡化工作，降低失誤率。例3降雨量的觀察強度與月平均降雨量對應的灰度圖像南美區(qū)域放大圖

彩色編碼圖像對強度值賦予顏色2、灰度級到彩色轉換灰度級到彩色變換圖灰度級到彩色的變換是基于平滑的非線性函數。例4行李中爆炸物的檢測行李的X光單色圖像

彩色編碼圖像例5木星的偽彩色圖像

木星的偽彩色圖像

靠近木星的偽彩色圖像紅色部分為活火山噴出的物質周圍黃色物質為陳舊的硫沉積物全彩色處理研究分為兩大類：五、全彩色處理1、分別處理每一分量圖像，再合成彩色圖像；2、直接處理彩色像素。此時像素作為一個向量1、變換函數六、彩色變換g(x,y)：變換后的彩色輸出圖像f(x,y)：彩色輸入圖像T：在空間鄰域（x,y）上對f的操作。2、彩色變換ri、si：任何點處彩色分量的變量在RGB、HIS彩色空間，n=3；草莓和咖啡杯的全彩色圖像草莓由深紅和黃色組成草莓包含大量的紅色，綠色和藍色很少強度分量是全彩色原像的單色復現；草莓的飽和度最高，色調被白光稀釋的最少3、補色定義：在圖示彩色環(huán)上，與一種色調直接對立的另一種色調稱為補色作用：增強嵌在彩色圖像暗區(qū)的細節(jié)，特別是在大小上占支配地位的細節(jié)。例6計算彩色圖像的補色基于RGB變換的補色圖像變換函數用HIS變換的RGB補色的近似4、彩色分層突出圖像中特殊才彩色區(qū)域，以便分離出目標物?；舅悸罚?、顯示感興趣顏色以便從背景中分離；2、在彩色定義的區(qū)域中使用處理技術。方法：若感興趣顏色有寬度W，中心在原彩色(平均)點并具有分量(a1,a2,…..,an)的立方體中，其變換集為：若感興趣的顏色是半徑為R0的封閉球形，則其變換集為：例7、彩色分層技術RGB=（0.6863,0.1608,0.1922）W=0.2549的立方體區(qū)域RGB=（0.6863,0.1608,0.1922）R0=0.1765的封閉球形區(qū)域5、色調