1、第六章 彩色图像处理,彩色图像处理分为两个领域：全彩色和伪彩色图像处理。6.1彩色基础1666年，艾萨克牛顿(Isaac.newton) 6个宽的区域：紫色、蓝色、绿色、黄色、橘红色和红色,人类和某些其他动物接收的一个物体的颜色由物体反射光的性质决定。 可见光是由电磁波谱中相对较窄的波段组成的。,光特性是颜色科学的核心。 用3个基本量用来描述彩色光源的质量：辐射率，光强和亮度。 辐射率是从光源流出能量的总量，通常用瓦特(w)度量。光强用流明度量，它给出了观察者从光源接收的能量总和的度量。亮度是一个主观描绘子，它实际上是不可能度量的。它具体化了彩色强度的概念并是描述彩色感觉的一个关键参数。,人眼
2、的锥状细胞是负责彩色视觉的传感器，在人眼中的67百万锥状细胞中可分为3个主要的感觉类别，它们对应红、绿和蓝。大约65的锥状细胞对红光敏感，33对绿光敏感，只有2对蓝光敏感(但是蓝锥状细胞对蓝光更敏感)。,为标准化起见，CIE(国际照明委员会)在1931年设计了下面的特定波长值为主原色：蓝=435.8nm，绿=546.1nm，红=700nm。 二次色：光和颜料混合,通常用以区别颜色的特性是亮度、色调和色饱和度。 色调与饱和度一起称为彩色，颜色用亮度和彩色表征。形成任何特殊颜色需要的红、绿、蓝的量称做三色值，并分别表示为置X，Y和Z。一种颜色由三色值系数定义为：,确定颜色的另一种方法是用CIE色度
3、图。该图以x(红)和y(绿)函数表示颜色组成。对于x和y的任何值，其相应的(蓝)值可从式z=1-(x+y)得到。,把这一过程扩展到三种颜 色是很简单的。为了从色 度图中任何给定的三种颜 色决定得到的颜色范围， 简单地对三色点的每一个 画一条连线。其结果是一 个三角形，三角形内的任 何颜色都可以由三种原色 的不同混合产生。 以任意确定颜色为顶点的 三角形不能包围图6.5中 的所有颜色范围。,6.2彩色模型 彩色模型(也称彩色空间或彩色系统)的用途是在某些标准下用通常可接受的方式简化彩色规范。本质上，彩色模型是坐标系统和子空间的规范。位于系统中的每种颜色都由单个点来表示。现在所用的大多数彩色模型都
4、是面向硬件的(如：彩色监视器和打印机)或是面向应用的。,1.RGB彩色模型 在RGB模型中，每种颜色出现在红、绿、蓝的原色光谱分量中。图中，R，G，B位于3个角上；青、深红和黄位于另外3个角上，黑色在原点处，白色位于离原点最远的角上。在该模型中，灰度等级沿这两点的连线分布。在本模型中，不同的颜色处在立方体上或其内部，并可用从原点分布的向量来定义。,在RGB彩色模型中，所表示的图像由3个图像分量组成，每一个分量图像都是其原色图像。在RGB空间，用以表示每一像素的比特数叫做像素深度。每一幅红、绿、蓝图像都是一幅8比特图像，在这种条件下，每一个RGB彩色像素称为有24比特深度。,例61 产生隐藏面和
5、RGB彩色立方体的横截面,安全彩色 彩色子系统，其合理的与观察者无关的硬件性能可保证彩色的真实再现。这种彩色子系统称为安全RGB彩色子集，或者全系统安全彩色集。在网络应用中叫做无损web彩色，或者无损监视彩色。假定256种颜色是最小颜色数，这些颜色可用任何系统真实再现。该系统可以显示所希望的彩色，用可接受的标准符号来表示这些颜色是很有用的。已知256种颜色中的40种用各种操作系统进行不同的处理，仅留下216种颜色是各种系统通用的。这216种颜色成为事实上的安全彩色，特别是在网络应用中更是如此。无论在何时应用，希望大多数人观察到的颜色都一样。,216种安全彩色的每一种如以前一样都可以由RGB值形
6、成，但每一个值仅可能取0，51，102153，204或255。这样，RGB三元组数值给出(6)3=216可能值(注意所有值都可被3除)。通常这些值可用16进制数系统来表示。16进制数0，l，2，9，A，B，C，D，E，F对应10进制数0，1，2，9，10，11，12，13，14，15。还可发表示为(0)16=(0000)2和(F)16=(1111)2。例如，(FF)16=(255)10=(11111111)2。并且两个16进制数组构成8比特的一个字节。,因为取三个数形成RGB彩色，每个安全色由表6.1中的三个两位16进制数形成。例如，最纯净的红色是FF0000。000000和FFFFFF分别表
7、示黑色和白色。类似的结果可用更熟悉的十进制表示得到。例如，最亮的红色在十进制表示中为R=255(FF)和G=B=0。,图6.10(a)显示了由RGB转换而来的216种安全颜色。第一行左上角方块数值是FFFFFF(白)，它右边的方块数值为FFFFCC，第三块为FFFF99，等等。同一阵列的第二行其值是FFCCFFFFCCCC，FFCC99，等等。阵列中最后一个方块为FF0000(可能是最亮的红色)。第二阵l列的右边正好由cccccc开始，并阻相同的方式前进，剩下的4个阵列也是一样。最后一个阵i列的最后一个方块(底部右方)为000000(黑)。 注意，不是所有8比特灰色都包含在216种安全色中，这
8、一点很重要。,图6.11显示了RGB安全彩色立方体。不像图6.8所示的全色立方体是实心的，图6.11的立方体仅在表面有效。正如图6.l0(a)所示，每一平面都有36种颜色，所以安全彩色立方体所有表面由216种不同的颜色覆盖。,2.CMY和CMYK模型 正如6.1节指出的那样，青、深红和黄色是光的二次色，换句话说，它们是颜料的原色。例如，当青色颜料涂覆的表面用白光照射时，从该表面反射的不是红光，而是从反射的白光中减去红色，白光本身是等量的红、绿、蓝光的组合。 大多数在纸上沉积彩色颜料的设备，如彩色打印机和复印机，要求输入CMY数据或在内部做RGB到CMY的转换。这一转换就是执行一个简单操作：,这
9、里再次假设所有的彩色值都归一化为0，1范围。式(6.2.1)显示了从涂覆青色颜料的表面反射的光不包含红色(即公式中C=1-R)。与此相似，纯深红色不反射绿色，纯黄色不反射蓝色。式(6.2.1)还显示RGB值可以很容易地通过1减去CMY值从CMY集中得到，在图像处理中，这一模型主要用于产生硬拷贝输出，因此，从CMY到RGB反向操作通常没有实际意义。等量的颜料原色(青、深红和黄色)可以产生黑色。实际上，为打印组合这些颜色产生的黑色是不纯的。因此，为了产生真正的黑色(在打印中起主要作用的颜色)加入了第四种颜色黑色，提出了CMYK彩色模型。这样当出版商说到“四色打印”时，是指CMY彩色模型的三种原色再
10、加上黑色。,3.HSI彩色模型 问题引出：正如我们所见到的那样，在RGB和CMY模型下产生彩色和从一种模型转换到另一种模型是一种较简单的过程。如上所述，这些彩色系统对硬件实现很理想。另外，RGB系统与人眼很强地感觉红、绿、蓝三原色的事实能很好地匹配。遗憾的是，RGB，CMY和其他类似的彩色模型不能很好地适应实际上人解释的颜色。例如，首先，它没有涉及用组成其颜色的每一原色的百分比给出一辆汽车的颜色。此外，我们不认为彩色图像是由3幅原色图像合成一幅单一图像。,当人观察一个彩色物体时，用色调、色饱和度和亮度描述它。所以提出的这个模型叫做HSI(色调、饱和度和强度)彩色模型，该模型可在彩色图像中从携带
11、的彩色信息(色调和饱和度)里消去强度分量的影响。结果，HSI模型对于开发基于彩色描述的图像处理方法是一个理想的工具，这种彩色描述对人来说是自然的、直观的。然后人们便可发展和使用这些算法。可以说RGB对图像彩色的产生是理想的(用彩色摄像机捕获图像或者把图像显示在监视器屏幕上),但是对彩色描述上的应用有较多的限制。,可以把任何RGB点转换为相应的HSl彩色模型的点,关于图6.l2立方体结构和相应HSI空间的关键一点是，垂直强度轴和位于垂直于该轴的平面的彩色点轨道表示HSI空间。当平面沿强度轴向上或向下移动时，由平面与立方体表面构成的横截面决定的边界不是呈三角形就是六边形。,在这个平面中可以看到原色
12、是按120o分隔的，二次色与原色相隔60o，这意味着二次色之间也相隔120o。图6.13(b)显示了相同的六边形和任意的一个彩色点(用一点显示)。该点的色调由来自某参考点的一个角度来决定。通常(不总是)与红轴的0o角指定0色调，从这里开始色调逆时针增长。饱和度(距垂直轴的距离)是从原点到该点的向量长度。注意，原点是由彩色横截面与垂直强度轴定义的。HSI彩色空间的重要分量是垂直强度轴、到一彩色点的向量长度和这一向量与红轴的角度。因此，如图6.13(c)和(d)所示，HSI平面以刚刚讨论的六边形、三角形，甚至一个圆形的形式出现并不奇怪。实际上选择什么形状并没关系，因为这些形状中的任何一个都可以通过
13、几何变换变为其他两种。图6.14显示了基于彩色三角形和圆形的HIS模型。,从RGB到HSl的彩色转换 给定一幅RGB彩色格式的图像，每一个RGB像素和H分量可用下面的公式得到：色饱和度分量由下式绐出： 最后，强度分量由下式给出：,从HSI到RGB的转换 在0，1内给出HSI值，现在要在相同的值域找到RGB值，可利用H值公式。在原始色分割中有3个相隔120o的扇形(见图6.13)。从H乘以360o开始，这时色调值返回原来的0o，360o的范围。 RG扇形(0oH120o)：当H位于这一扇形区时，RGB分量由下式给出：GB扇区(1200H240o)：如果给定的H值在这一扇区，首先从H中减去120o
14、，即：,然后RGB分量为： BR扇区(240oH360o)：最后，如果H在这一扇区，从H中减去240o：然后RGB分量为：,例6.2 对应于BGB立方体的图像的HSI值 图6.15显示了图6.8中所示的RGB图像的色调、饱和度和强度。,HSI分量图像处理 在下面的讨论中，考察HSI分量图像处理的几个简单技术，以便帮助熟悉这些分量，并可以加深对HSI彩色模型的理解。 图6.16(a)显示了一幅由RGB基色和二次色合成的图像。图6.16(b)到(d)显示了这幅图像的H，S和I分量。这些图像是用式(6.2.2)到式(6.2.4)产生的。 回顾一下本章早些时候的讨论：图6.16(b)中灰度值对应于角度
15、；例如，因为红色对应0o，则图6.16(a)中的红区域映射到色调图像中的黑区域。类似地，图6.16(c)中的灰度级对应饱和度(显示时划分等级为0，255)，图6.16(d)中的灰度级是平均强度。,为了分别改变RGB图像任何区域的彩色，可以改变图6.16(b)色调图像中相应区域的值。然后与没有变化的S和I，图像一起用式(6.2.5)到式(6.2.15)描述的步骤，把新的H图像变换回到RGB。为了在任何区域改变彩色的饱和度(纯度)，除了在HSI空间改变饱和度外可遵循相同的步骤。类似的讨论可用于改变任何区域的平均强度。当然，这些改变可同时进行。例如，图6.17(a)的图像是把对应于图6.16(b)的蓝、绿区域的像素变为0得到的。图6.17(b)的图像是图6.16(c)分量图像S中青色区域的饱和度减少一半得到的图像。图6.17(c)是把图6.16(d)的强度图像中心的白区域强度减少一半的图像。把改进的HSI图像变换回RGB的结果显示在图6.17(d)中。正如预期的那样，在这些图中可以看到，所有圆形的外部区域是红的，青区域的强度减小，中心区变灰而不是白色。显然这些结果很简单，却显示出HSI模型独立控制色调、饱和度和强度的能力，当描述彩色时，会十分熟悉这些量。,
