计算机图像处理 第09章 彩色图像处理

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图8.7 HSI彩色模型
（a）HSI彩色模型坐标系统
（b）HSI彩色三角形
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• HIS色系-亮度分量I • I表示光照强度或称为亮度，它确定了像素 的整体亮度，而不管其颜色是什么。
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• 亮度(I)效果示意图
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• 色调（hue）
– 从一个物体反射过来的或透过物体的光波长 – 是由颜色种类来辨别的，如红、橙、绿。
• 色饱和度（saturation）
– 即色纯度，指颜色的深浅 – 例如：深红和浅红。
• 亮度（brightness）
– 颜色的明暗程度，从黑到白，主要受光源强弱影响。
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8.1.2 三基色原理
– 与人的视觉特性比较接近。
• 重要性
– 消除了亮度成分V在图像中与颜色信息的联系
– 色调H和饱和度S分量与人的视觉感受密切相关。
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图8.6 HSV颜色模型
绿
绿 ° 120
S H 0° 红
红 蓝 1 20 ° I
240 ° 蓝
0° 2 40 °
（a）HSV颜色模型
（b）颜色轮
（c）柱形彩色空间
（8.2a） （8.2b）
B' Tem p 1 B Tem p 1 Tem p2
•
G'
Tem p 1 G Tem p 1 Tem p2
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5 B' 1 G ' 1 R' H1 3 B ' 3 G ' 5 R '
–光学中研究光的辐射、吸收、照射、反射、散射、漫 射等度量的学科 –同时结合视觉特征来确定光的度量及吸收的单位。
• 在可见光谱段以外的景物图像也可用类似的方法。
–可见光谱段以外所形成的图像，其处理的各个过程也 常常要变换成人眼可以观察的图像
–例如热成像、X光照片等
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光度学中的基本概念
– 特点是信号的强度信息和颜色信息相分离，同一个信 号可以方便地同时表示彩色图像和黑白图像。
– 在NTSC格式中，图像由三个分量表示：亮度用Y表示； 色度用I表示；饱和度用Q表示。
• YCbCr模型广泛应用于数字视频。
– 在YCbCr模型中，Y为亮度，Cb和Cr共同描述图像的 色调，其中Cb、Cr分别为蓝色分量和红色分量相对于 参考值的坐标。
第８章 彩色图像处理
内容提要:
8.1 人类视觉与色度学基础
三基色原理、光度学基本知识
8.2 颜色空间的表示及其转换
RGB模型、Munsell模型、HSV模型、HSI模型、YUV模型
RGB与HSV空间的相互转换 RGB与YUV空间的相互转换
RGB与HSI空间的相互转换
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– 可以独立感知各颜色分量的变化；
• （2）线性伸缩性。
– 可感知的颜色差是与颜色分量的相应样值上的 欧氏测度之间的距离成比例的。
• （3）该空间在感知上并不是均匀的
– 也不能直接根据加色原理进行组合。
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8.2.3 HSV模型
•
HSV模型
– 由色度（H），饱和度（S），亮度（V）三个分量组成
R Tem p 1且G Tem p2 R Tem p 1且G Tem p2 G Tem p 1且B Tem p2 G Tem p 1且B Tem p2 B Tem p 1且R Tem p2 其它
（8.4）
H=60H1 S=(Temp1-Temp2)/Temp1 V=Temp1/255
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• 饱和度(s)效果示意图
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8.2.5 YUV模型
• YUV颜色模型在广泛性方面仅次于RGB模型。
– 在彩色电视系统中，采用的就是YUV色彩空间。
• 由于人眼对于亮度的敏感程度大于对于色度的敏感程度， 所以完全可以让相邻的像素使用同一个色度值，而人眼的 感觉不会引起太大的变化。
– 如进行颜色空间的变换等。
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8.1 人类视觉与色度学基础
• 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。
– 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。
– UV的基本思想是通过损失色度信息来达到节省存储空间的目的。
• 可以定义出许多YUV的格式
– 相邻两个像素使用一个色度值的YUYV，JPEG、MPEG中相邻四
个像素使用一个色度值的YUV12等。
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电视信号接收原理示意图
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CMYK色系基本概念
• 这种表色系用于印刷行业。 • 是一种减色系统，将从白光中滤出三种原 色之后获得的颜色作为其表色系的三原色 CMY。 • K为黑色，为了印刷时对黑色可用黑色墨来 印刷。
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色彩的CIE XYZ描述
• XYZ三刺激值的概念是以色视觉的三元理论 为根据。 • 1931年CIE制定了一种假象的标准观察者， 用组成某种颜色的三原色的比例来规定这 种颜色。
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图中横坐标代表红色分量的色系数x，纵坐标代表绿色分 量的色系数y，蓝色分量的色系数由z=1-(x-y)求得。 缺点：CIE XYZ是非匀色空间
• • • • 1. 光通量 2. 发光强度 3. 视敏度 4. 亮度
– 亮度是发光面的明亮程度的度量，它决定于单位面积 的发光强度，单位为cd/m2。
• 5. 照度
– 照度指照射在单位面积上的光通量，单位为勒（lx）。
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色彩的描述
• 颜色的描述是通过建立色彩模型来实现的， 不同的色彩模型对应于不同的处理目的。 • CIE(国际照明委员会)在进行大量的色彩的 测试实验的基础上提出了一系列的颜色模 型用于对色彩进行描述。 • 各种不同的颜色模型之间可以通过数学方 法互相转换。
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8.2 颜色空间的量化
抖动技术、假彩色处理
彩色图像增强、真彩色增强、8.6.2 伪彩色增 强
实验：彩色空间的表示和转换 本章小结
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教学建议
• 本章的先修知识主要有：
– 光学、线性代数、图像的量化等。
• 要求了解彩色图像处理的基本概念和一些常用的 彩色图像处理技术。 • 用MATLAB工具对彩色图像进行处理
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8.2.4 HSI模型
• 色调（H）和饱和度（S）的含义与HSV系统一致， 而强度（I）对应于颜色的亮度或灰度。 • HSI彩色模型如图8.7(a)所示，而图8.7(b)显示的是 标准HSI三角形
– 三角形的顶点代表了三个归一化的彩色分量（R、G、
B）的三角系数。 – 色调H定义为颜色点P至中心的线段与R轴之间的夹角。
– 杆状细胞为暗视器官 – 锥状细胞是明视器官，在照度足够高时起作用，并能 分辨颜色。 – 锥状细胞大致将电磁光谱的可见部分分为三个波段： 红、绿、蓝。 – 这三种颜色被称为三基色
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图8.1
人类视觉系统三类锥状细胞的光谱敏感曲线
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人类视觉对颜色的主观感觉
• 颜色的三种主观感觉：色调、色饱和度和亮度。
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8.2.6 RGB与HSV空间的相互转换
• 同一颜色可以用不同的彩色空间表示，自然可以相互转换。 • MATLAB提供了相应的转换函数。
• 1．从RGB转换到HSV
•
Temp1=max(R,G,B) Temp2=min(R,G,B)
R' Tem p 1 R Tem p 1 Tem p2
– RGB、HSV、HSI、YUV、YIQ等。
•
常用的颜色空间可分为两类
– 面向硬设备的应用
• RGB颜色空间，如：彩色显示器、打印机等
–
面向以彩色处理为目的的应用
• HSI颜色空间以及HSV颜色空间
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8.2.1 RGB模型
• 颜色模型
– 规定了颜色的建立、描述和观察方式。
• 颜色模型都是建立在三维空间中的
– 与颜色空间密不可分。
• RGB模型
– 用三维空间中的一个点来表示一种颜色，如图8.3
– 每个点有三个分量，分别代表该点颜色的红、绿、蓝亮度值 – 亮度值限定在[0，1]。
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图8.3
RGB模型坐标
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图8.4
图像的R、G、B分解
•
（a）原图像
（b）R分量
•
（c）G分量
分别是红、红黄、黄、黄绿、绿、蓝绿、蓝、蓝紫、紫、 紫红。
色纯度表示了色的浓淡，从中心向外逐渐增强。 颜色的亮暗分成11个等级，记为0到10级，其中0级 对应黑而10级对应白。
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图8.5 Munsell彩色空间
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Munsell颜色空间具有的特点 • （1）坐标之间的心理感知独立性。
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图8.2
颜色的向量表示与光谱三刺激值
（a）颜色的向量表示
（b）光谱三刺激值
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• 三原色叠加
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8.1.3 光度学基本知识
• 光度学
– （3）相加混色和相减混色有不同的规律。
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Grassman定律
• 指出了视觉对颜色的响应取决于红、绿、 蓝三输入量的代数和。
– （1）所有颜色都可以用相互独立的三基色混合得到；
– （2）假如三基色的混合比相等，则色调和色饱和度也 相等；
– （3）任意两种颜色相混合产生的新颜色与采用三基色 分别合成这两种颜色的各自成份混合起来得到的结果 相等； – （4）混合色的光亮度是原来各分量光亮度的总和。
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色彩的CIE L*a*b*描述
• Lab颜色空间是1976年制定的等色空间，以 克服在x，y色度图上相等的距离并不想当 于我们所觉察到的相等色差的问题。 • Lab中颜色的欧式距离与色差成正比。
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8.2 颜色空间的表示及其转换
• 实际应用中常用的颜色空间有
• 色度学（colorimetry）
– 进行图像的彩色分析，建立的研究彩色计量的学科。
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• 色彩的形成
白光可被分解成一系列从紫到红的连续光谱，从 而证明白光是由不同颜色的光线相混合而组成的。
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8.1.1 人类的基本视觉特性
• 视觉系统中存在着杆状和锥状细胞两种感光细胞。
（d）B分量图
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• RGB色系应用场合 • a. 目前包括计算机显示器、彩色电视机在 内的绝大部分图形显示器中。 • b. 如果采用其他色系进行了处理，最终一 定要转换到RGB色系，才能正常显示结果。
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8.2.2 Munsell模型
某个颜色可以唯一地用一个色调（H）、色纯度（C） 及亮暗值（V）的颜色片来表示，如图8.5所示。 色调沿圆周分成10个区域，其中5个是主色调，5个 是中间色调。
• 由三基色混配各种颜色通常有两种方法：
– 相加混色法。
• 彩色电视机上的颜色。
– 相减混色法。
• 彩色电影、幻灯片、绘画原料
• 相加混色和相减混色的主要区别：
– （1）相加法是由发光体发出的光相加而产生的各种颜色，而相减 法是先有白色光，然后从中减去某些成份（吸收）得到各种颜色。
– （2）相加混色的三基色是红、绿、蓝，而相减混色的三基色是黄、 青、品红。相加混色的补色就是相减混色的基色。
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CMYK色系着色原理
• 既然是减色系统，其着色原理是基于光吸 收的，这有别于RGB的光射入的方式。 • C与M叠加：同时吸收了R与G，则为蓝色； • C与Y叠加：同时吸收了R与B，则为绿色； • M与Y叠加：同时吸收了G与B，则为红色。
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其他的彩色模型
• NTSC模型广泛应用于美国等国家的电视信号。
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• 色度分量H • H：表示色度，由角度表示。反映了该颜色 最接近什么样的光谱波长。0度为红色， 120度为绿色，240度为蓝色。
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• 色度(H)效果示意图
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• 饱和度分量S • S：表示饱和度，饱和度参数是色环的原点 到彩色点的半径长度。 • 在环的外围圆周是纯的或称饱和的颜色， 其饱和度值为1。在中心是中性色(灰色)， 即饱和度为0。