第5章 彩色图像处理及MATLAB实现分解

• 由上例子可知，相减混合色是以吸收三基色的比 例不同而配成不同的颜色的。 • 由于红、绿、蓝三基色的补色分别是青色、紫色 和黄色，所以，用吸收三基色的不同比例配色， 也就是用青色、紫色和黄色颜料的不同比例配色, 因此，也称青、紫色和黄色为颜色料三基色。
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在颜色料三基色混色情况下，可用如下公式描述： （青色＋黄色）颜料＝白色－红色－蓝色＝绿色 （青色＋紫色）颜料＝白色－红色－绿色＝蓝色 （黄色＋紫色）颜料＝白色－蓝色－绿色＝红色 （青色＋黄色＋紫色）颜料＝白色－红色－绿色 －蓝色＝黑色 • 可见，由颜料三基色相加，由于混合颜料吸收白 色，而呈现黑色。 • 本章彩色图像处理中，都是采用相加混色法。所 以，今后我们所讨论的三基色，都是指红、绿、 蓝三色。
2) CMYK模式 • CMYK是相减混色，主要用在印刷业，以打印在 纸张上的油墨的光线吸引特性为基础，理论上， 纯青色(C)、品红(M)和黄(Y)色素能够合成吸收 所有颜色并产生黑色。实际上，由于油墨杂质的 影响，只能产生一种土灰色，必须以黑色(K)油 墨混合才能产生真正的黑色，因此，CMYK称为 四色印刷，当所有四种分量值都是0％时，就会 产生纯白色，其他颜色由相应百分比的CMYK值 相减混色而得。 • CMYK模式是最佳的打印模式，RGB模式尽管色 彩多，但不能完全打印出来。
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本章第二节讨论人类彩色视觉系统有关知识， 第三节讨论彩色图像处理， 第四节讨论彩色图像分析。 由于篇幅的关系，有关彩色图像理解的内容请参 考有关计算机视觉的论著。
5.2 彩色视觉与彩色图像
• 彩色图像处理的许多目标是帮助人更好地观察和 理解图像中的信息，处理方案的选择和设计与信 源和信宿的特征密切相关。 • 所谓信源就是处理前或者处理后的图像， • 信宿是处理前后信息的接收者——人的视觉系统。 • 因此了解图像特点和人的视觉系统对彩色的感知 规律是十分必要的，本节将介绍有关这方面的内 容，即色度学的知识。
• 我们生活在一个信息时代，科学研究和统计表明， 人类感知的外界信息，80％以上是通过视觉得到 的，也就是从图像中获得。生活在色彩斑斓的世 界中，人的视觉系统产生的图像多为彩色图像。 对人类而言，对彩色图像信息的感知，具有至关 重要的意义。
• 彩色图像信息可以从科学和艺术两方面来理解。 本章仅从科学角度讨论彩色图像信息处理，当然 通过科学手段对彩色图像进行处理自然也可能使 彩色图像更具有艺术效果。
3)在色度图中连接任意2端点的直线上的各点表示 将这2端所代表的颜色相加可组成的一种颜色。 根据这个方法，如果要确定由3个给定颜色所组 合成的颜色范围，只需将这3种颜色对应的3个点 连成三角形，见图8.2。在该三角形中的任意颜 色都可由这3色组成，而在该三角形外的颜色则 不能由这3色组成。由于给定3个固定颜色而得到 的三角形并不能包含色度图中所有的颜色，所以 只用（单波长）3基色并不能组合得到所有颜色。
图8.2 色度图示意
• 下面是一个色度图中一些点的3特征量值示例。 图8.2中心的C点对应白色，由3原色各1/3组合产 生。图8.2中P点的色度坐标为x=0.48 , y=0.40。 由C通过P画1条直线至边界上的Q点（约 590nm）, P点颜色的主波长即为590nm，此处 光谱的颜色即Q点的色调(橙色)。图8.2中P点位 于从C到纯橙色点的66％的地方，所以它的色纯 度（饱和度）是66%。
5.2.1 彩色视觉
• 人的视觉的产生是一个复杂的过程，除了光源对眼睛的 刺激，还需要人脑对刺激的解释。 • 人的视觉系统是由眼球、神经系统、大脑的视觉中枢构 成，人眼的形状为一球形，其平均直径约20毫ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，这球 形之外壳有三层薄膜，最外层是角膜和巩膜，最里层的 膜是视网膜，它布满在整个后部的内壁上。视网膜可看 做是大脑分化出来的一部分，其构造比其他感觉器官都 要复杂，具有高度的信息处理机能。 • 眼睛中的光感受器主要是视觉细胞，视网膜上存在不同 的光感受器，即锥状细胞与杆状细胞。 • 杆状细胞对彩色不敏感， • 锥状细胞具有辨别光波波长的能力，因此对彩色十分敏 感，锥状细胞又分为对不同光谱(红、绿、蓝)敏感的三 种细胞，对外膝体与大脑视觉皮层的分析表明，它们都 有专门的区域从事彩色信息的处理与识别，这就是人类 视觉系统的彩色信息通道。
3) Lab模式 • Lab模式既不依赖于光线，又不依赖于颜料。它 是CIE组织确定的一个理论上包括了人眼可见的 所有色彩的色彩模式。Lab模式弥补了RGB与 CMYK两种彩色模式的不足。 • Lab模式由三个通道组成，但不是R，G，B通道。 它的一个通道是照度L。另外两个是色彩通道， 用a和b来表示。a通道包括的颜色是从深绿(低亮 度值)到灰(中亮度值)，再到亮彩红色(高亮度值)； b通道则是从紫蓝色(低亮度值)到灰(中灰度值)， 再到焦黄色(高亮度值)。因此，这种彩色混合后 将产生明亮的色彩。
• 亮度是指彩色光所引起的人眼对明暗程度的感觉, 亮度和照射光的强度有关。 • 色调是指光的颜色，例如，红、橙、黄、绿…… 等都表示光的不同色调，改变色光的光谱成分， 就会引起色调的变化。 • 色饱和度是指色的颜色的深浅程度。如深红、淡 红等等。 • 色调和饱和度又合称为色度，它既表示色光颜色 类别，又能表示颜色的深浅程度。
5.2.2 三色成像原理
• 人眼视网膜中存在着对不同光谱（红、绿、蓝） 敏感的三种锥状细胞，由这三种锥状细胞，人类 产生自然界所有彩色的感知觉。 • 科学实验与分析表明，自然界里常见的各种色光 都可以由红、绿、蓝三种色光，按不同比例相配 而成，同样，绝大多数色光也可以分解成红、绿、 蓝三种色光。这便是色度学中的最基本原理—三 基色原理。
• 三基色的选择并不是惟一的，也可以选其他三种 颜色为三基色。但是三种基色必须是相互独立的, 即任何一种颜色都不能由其他两种颜色合成。
• 由于人眼对红(R)、绿(G)、蓝(B)三种色光最为 敏感，因此由这三种颜色所得的彩色范围最广， 所以一般都选择这三种颜色作为基色。
• 由三基色混配各种颜色的方法通常有两种，这就 是相加混色和相减混色。
第5章 彩色图像处理及MATLAB实现
5.1 概述
• 彩色对我们并不陌生，比如说日常生活中通过摄 影相机用彩色胶卷所拍的照片。它是指用各种观 测系统，以不同形式和手段，观测客观世界而获 得的，可以直接和间接作用于人眼，进而产生视 觉的实体。小到分子内部结构图片，大至宇宙星 体照片，人类通过视觉识别文字、图片和周围环 境，人的视觉系统就是一个观测系统，通过它得 到的图像就是客观景物在人的心目中形成的影像。
• 在RGB模式中，由红、绿、蓝相叠加可以形成其他颜 色，因此该模式也叫加色模式(CMYK是一种减色模式)。 所有的显示器、投影设备以及电视等许多设备都是依赖 于这种加色模式实现的。 • 就编辑图像而言，RGB色彩模式也是最佳的色彩模式, 因为它可提供全屏幕的24bit的色彩范围，即“真彩色” 显示。但是，如果将RGB模式用于打印就不是最佳的 了,因为RGB模式所提供的有些色彩已经超出了打印色 彩范围之外，因此在打印一幅真彩的图像时，就必然会 损失一部分亮度，并且比较鲜明的色彩肯定会失真的。 这主要是因为打印所用的是CMYK模式，而CMYK模式 所定义的色彩要比RGB模式定义的色彩少得多，因此打 印时，系统将自动进行RGB模式与CMYK模式的转换， 这样就难以避免损失一部分颜色，出现打印后的失真现 象。
1)在色度图中每点都对应一种可见颜色，或说任何 可见颜色都在色度图中占据确定的位置，即在 (0,0)，(0,1)，(1,0)为顶点的三角形内。而色度图 外的点对应不可见的颜色。 2)在色度图中边界上的点代表纯颜色，移向中心表 示混合的白光增加而纯度减少。到中心点C处各 种光谱能量相等而显示为白色，此处纯度为零。 某种颜色的纯度一般称为该颜色的饱和度。
• 由红、绿、蓝三基色进行相加混色的情况如下： • • • • • 红色＋绿色＝黄色 红色＋蓝色＝紫色 绿色＋蓝色＝青色 红色＋绿色＋蓝色＝白色 称青色、紫色和黄色分别是红、绿、蓝三色的补 色。
• 由于人眼对于相同强度单色光的主观感觉不同， 所以相同亮度的三基色混色时，如果把混色后所 得的光亮度定为100%，那么，人的主观感觉是, 绿光仅次于白光，是三基色中最亮的，红光次之, 亮度约占绿光的一半，蓝光最弱，亮度约占红光 的1/3。 • 于是当白光的亮度用Y来表示时，它和红、绿、 蓝三色光的关系便可用如下方程加以描述： Y＝0. 299R＋0. 587G＋0. 114B （5.2.1） • 这就是相加混色常用的量度公式。此式是根据 NTSC(美国国家电视制式委员会)电视制式推得 的，当采用PAL(相位逐行交变)电视制式时，公 式形式为： Y＝0. 222R＋0.707G＋0. 071B （5.2.2）
• 国际照明委员会(CIE)选择红色(波长λ= 700.00nm)，绿色(波长λ＝546.1 nm)，蓝色(波 长λ=435.8nm)三种单色光作为表色系统的三基 色。这就是CIE的R、G、B颜色表示系统。 • 由三基色原理可知，任何颜色都可由三基色混配 而得到，为了简单又方便地描绘出各种彩色与三 基色的关系，采用彩色三角形与色度图的表示方 法。
两方程之所以不同，是因为所选取的显像三基 色不同，三基色及其补色的亮度比例如图8.1所示。
图8.1 相加混色之三基色及补色亮度比例
• 相减混色是利用颜料、染料等的吸色性质实现的. 例：青布之所以呈现青颜色，是因为它用青色染料 染过，而青色染料能吸收红色（青色的补色）， 在白光照射下，经吸收红色而反射青色， • 同样黄色颜料因有吸收蓝色的能力，所以在白光 照射下，它是反射蓝色的补色——黄色。 • 如果把青、黄两种颜料混合，那么在白光照射下， 由于混合颜料吸收了红、蓝两色而反射绿色，所 以混合颜料呈现绿颜色。
5.2.3 彩色图像格式
• 通过前面有关彩色视觉和三基色原理的介绍，了 解到引起人类彩色视知觉的彩色图像有多种表示 方法。下面介绍彩色图像的表示模式： 1) RGB模式 • RGB是色光的彩色模式。R代表红色，G代表绿 色，B代表蓝色，三种色彩叠加形成了其他的色 彩。因为三种颜色都有256个亮度水平级，所以 三种色彩叠加就能形成1 670万种颜色了，也就 是“真彩色”，通过它们足以再现绚丽的世界。
• 周围环境中的物体，在可见光的照射下，通过眼 球的聚焦作用，在人眼的视网膜上形成彩色图像. • 通过人类视觉信息系统彩色信息通道各个环节的 处理，使人获得彩色图像信息的感知觉。 • 对彩色图像信息的感知觉就是人类的彩色视觉， 彩色视觉是一种明视觉，常用亮度、色调、饱和 度三个基本特性量来描述，称为彩色三要素。
• 对彩色图像的科学处理，称为图像技术，也称为 图像工程。内容非常丰富，根据抽象程度和研究 方法等的不同可分为三个层次：彩色图像处理、 彩色图像分析和彩色图像理解。 • 彩色图像处理着重强调在图像之间进行的变换， • 彩色图像分析则主要是对彩色图像中感兴趣的目 标进行检测和测量，以获得它们的客观信息，从 而建立对图像的描述。 • 彩色图像理解的重点是在彩色图像分析的基础上, 进一步研究图像中各目标的性质和它们之间的相 互联系，并得到图像内容含义的理解，以及对原 来客观场景的解释，从而指导和规划行为， • 彩色图像处理的最终研究目标为：通过二维彩色 图像认识三维环境的信息。
• 随着信号处理及计算机技术和彩色图像处理技术 的发展，人们试图用摄像机获取环境彩色图像并 转换成数字信号，用计算机实现人类对视觉信息 处理的全过程，进而形成了一门新学科—计算机 视觉，从而大大推动人工智能系统的发展。 • 彩色图像处理技术是开发智能机器人的关键突破 口，当前彩色图像技术已涉及人类生活和社会发 展的各个方面，展望未来，彩色图像处理技术将 能得到进一步发展和应用，从而改变人们的生活 方式以及社会结构。
• 1931年CIE制定了1个色度图(如图8.2所示)，用 组成某种颜色的三原色的比例来规定这种颜色。 • 图中横轴代表红色色系数，纵轴代表绿色色系数, 蓝色系可由z=1-(x+y)求得。 • 图中各点给出光谱中各颜色的色度坐标，蓝紫色 在图的左下部。绿色在图的左上部，红色在图的 右下部，连接400nm和700nm的直线的光谱上所 没有的由紫到红的系列。 • 通过对该图的观察分析可知：