彩色与多光谱图像处理

（9）
x y z 1
1
y
绿
520nm
CIE色度图
530
0.8
510
540
绿
0.6 500 Q
550 560
空间能量位置 （波长，以nm为单位）
570 580 T 590 S 600 610
黄
0.4 490 0.2 480 470 460 450 C
等能量点 紫
380nm 0.4 0.6
红
光电图像处理
彩色与多光谱图像处理
电子工程学院光电子技术系
主 要 内 容
一、彩色视觉 二、彩色模型 六、彩色图像的锐化 七、彩色图像的边缘检测 八、彩色图像的分割 九、多光谱图像处理
三、彩色变换
四、彩色图像增强
五、彩色图像的平滑 十、高光谱图像处理
一、彩色视觉
彩色视觉是人眼对射入的可见光光谱的强弱及 波长成份的一种感觉。
G
图4
RGB彩色立方体示意图
HSI（hue-saturation-intensity）彩色模型比
较适合于人用色调（H）、饱和度（S）和亮度
（I）描述被观察物体颜色的解释，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。
HSI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。
g R ( x, y ) 255 f R ( x, y ) g ( x, y ) 255 f ( x, y ) G G g ( x , y ) 255 f ( x , y ) B B
（23）
（a）原彩色图像
图9
f R ( x, y ) f G ( x , y ) f B ( x , y ) 0.299 f R ( x, y ) 0.587 fG (x, y ) 0.114 f B (x , y )
(27)
（a）原图
（b）最大值法灰度化结果
（c）平均值法灰度化结果
（d）加权平均值法灰度化结果
其中:
R G B 1
人眼对绿光的亮度感觉仅次于白光，是三基色中
最亮的，红光次之，蓝光最低。
如果权值ωG、ωR、ωB满足条件ωG>ωR>ωB，将会
得到比较合理的灰度化结果。相关研究表明，当
ωG=0.587、ωR=0.299、ωB=0.114时，得到的灰度化图
像较合理，此时公式（26）就变为：
色调用于描述纯色（如纯黄色、纯红色），反映了 观察者接收到的主要颜色。 饱和度给出一种纯色被白光稀释的程度的度量，与 加入到纯色（色调）中的白光成正比（由于加入了白 光，观察者接收到的不再是某种纯色，而是反应该纯 色属性的混合颜色）。
纯色（可见光谱中包含的一系列单色光）是全饱和 的，随着白光的加入饱和度会逐渐降低，也即变成欠 饱和。 色调与饱和度两者合起来称为色度，颜色用亮度和

K为黑色，为了印刷时对黑色可用黑色墨来印刷。
• C：青色，从白色中滤去红色。
• M：品红，从白色中滤去绿色。
• Y: 黄色，从白色中滤去蓝色。
2.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。
S=1
白 I=1
绿 青 I=0.5 蓝 S H
黄 红 品红 I
I=0 黑
图5
基于圆形彩色平面的HSI彩色模型
2.2 RGB彩色模型到HSI彩色模型的转换
白
品红 青
黄
蓝
红 绿
黑
图7 RGB立方体旋转示意图
1 [( R G ) ( R B )] 2 arccos 2 1/ 2 [( R G ) ( R G )( G B )]
(1) 最大值法 即将输入图像中的每个像素的R、G、B分 量值的最大者赋给输出图像中对应像素的R、G、 B分量的方法。用公式可表示为：
g R ( x, y) gG ( x, y) g B ( x, y) max(f R ( x, y), fG ( x, y), f B ( x, y))
3.YUV表色系—— 基本概念

在这种表色系统中
Y：亮度；U，V：色差信号 目的是为了可以使电视节目可用同时被黑白电视 及彩色电视接收。 电视信号在发射时，转换成YUV形式；接收时再


还原成RGB三基色信号，由显像管显示。
YUV表色系
—— 电视信号接收原理示意图
彩 色 电 视 信 号 Y,U,V Y 黑 白 电 视 信 号
红 黄 绿 30% 89% 59% 白 品红 100% 青 41% 70% 蓝 11%
绿
黄
白
青
红
品 红
蓝
图1 相加混色的三基色及其补色的亮度比例
相加灰色中涉及到灰色比例问题：
R:200
G:50 B:120
3. 相减混色
利用颜料和染料等的吸色性质可以实现相减混色。
相减混色就是从白光中虑去某种颜色而得到另一种颜色。 相减混色的基色为青、品红色、黄。 白色 – 红色 = 青色 白色 – 绿色 = 品红色 白色 – 蓝色 = 黄色 （3 a） （3 b） （ 3 c）
Y Y,0,0
黑白电视机
彩色电视机
三、彩色变换
3.1 反色变换
反色是指与某种色调互补的另一种色调。
绿色 。
。 黄色
青色 。
互补
。红色
。
。
蓝色
品红
图8 颜色间的互补关系
设f(x,y)为输入彩色图像，彩色分量的量化级别
为256，则反色图像g(x,y)与输入图像f(x,y)的R、G、
B分量之间的关系可表示为：
（10）
1 I ( R G B) 3
（11） （12）
3 S 1 [min( R, G, B)] RG B
H 360 GB GB
（13）
2.3 HSI彩色模型到RGB彩色模型的转换
（1）当0º≤H<120º：
B I (1 S )
S cos(H ) R I [1 ] cos(60 H )
I:
小
大
HSI色系 —— 亮度(I)效果示意图
HSI色系 —— 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。0o为红色，120o 为绿色，240o为蓝色。
HSI色系 —— 色度(H)效果示意图
H=0º
H=60º
H=120º
H=180º
H=240º
H=300º
HSI色系 —— 饱和度分量S
620 640 780
蓝百度文库
0.2
红
x 0.8 1
二、彩色模型
目前常用的彩色模型可分成两类： （1）面向诸如彩色监视器、彩色视频摄像机和彩色
打印机的硬件设备。面向硬件设备的彩色模型主要有
RGB模型、CMY（青、品红、黄）模型和CMYK（青、
品红、黄、黑）模型。RGB模型主要用于彩色监视器
和彩色视频摄像机； CMYK主要用于彩色打印机。 （2）面向诸如彩色动画图形创作等的彩色处理应用。 面向彩色处理应用的模型主要是HSI模型（huesaturation-intensity，即色调、亮度和饱和度）。
色度共同表示。
2.CIE色度图
设X、Y和Z分别表示形成某种特殊颜色时需要的红、
绿、蓝三基色的量值；x、y和z分别表示形成某种特殊
颜色C时红、绿、蓝三基色所占的比例系数，则有：
C xX yY zZ
X 且 x X Y Z
显然有：
（5）
Y y X Y Z
Z z X Y Z （6.7.8）
品红
蓝
黑
青
红
绿
黄
图2 相减混色的三基色及其补色的关系
1.2 CIE色度图
1.相关概念
对于无彩色（消色）图像来说，亮度（也即灰 度）是唯一的属性。 对于有彩色图像来说，通常用亮度、色调及 饱和度表示颜色的特性。
在彩色图像中：
亮度反映了该颜色的明亮程度。颜色中掺入的白色
越多亮度就越大，掺入的黑色越多亮度就越小。
白色 – 绿色 – 红色 – 蓝色 = 黑色
（3 d）
对不同颜料配色过程的理解： 品红色颜料+黄色颜料=红色颜料=>白色–绿色–蓝色 青色颜料+黄色颜料=绿色颜料 => 白色–红色–蓝色 品红色颜料+青色颜料=蓝色颜料=>白色–绿色–红色 品红色颜料+青色颜料+黄色颜料=黑色颜料 =>白色–绿色–红色–蓝色 (4d) (4a) (4b) (4c)
(3) 加权平均法
即将输入图像中的每个像素的R、G、B分量 的加权平均值赋给输出图像中对应像素的R、G、 B分量的方法 。用公式可表示为：
g R ( x, y) gG ( x, y) g B ( x, y) R f R ( x, y) G fG ( x, y) B f B ( x, y) (26)
图10
彩色图像的灰度化
3.3 真彩色转变为256色
◆将真彩色图像转化为256色图像会有大量的颜色 信息损失掉，因此，在转换过程中要找到合适的 映射关系，使得变化后的256种颜色在原图像中最 具代表性或出现的频率最高。
◆两种常用的转化算法：中位切分法和流行色法。
1. 中位切分法
中位切分法的基本过程是：
1.1 三基色原理
1. 三基色与三基色原理
自然界中的绝大多数的颜色都可看作是由红、绿、 蓝三种颜色组合而成；自然界中的绝大多数的颜 色都可以分解成红、绿、蓝这三种颜色。这即是 色度学中的三基色原理。 一般就将红、绿、篮这三种颜色称为三基色。
2. 相加混色 一般把三基色按不同比例相加进行的混色称为相加 混色。
（b）图(a)的负片效果
彩色图像的反色变换
3.2 彩色图像的灰度化
◆将彩色图像转变为灰度图像的处理称为彩色图像
的灰度化处理。
◆将彩色图像转换为灰度图像的实质，就是通过对
图像R、G、B分量的变换，使得每个像素点的R、G、
B分量值相等。
◆彩色图像的灰度化方法主要包括：最大值法、平
均值法和加权平均值法。
首先，将RGB彩色空间中的3个坐标轴进行均匀量
化，把每个坐标轴分为256个级别，0为最暗，255为
最亮，这样真彩色图像的各种颜色就可以用坐标空间

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（灰）色，即 饱和度为0。

绿。
。
黄
P S H
。
青。
·
红
蓝
。
品红
图6 HSI彩色模型中的色调和饱和度
HSI色系 —— 饱和度(S)效果示意图
S=0
S=1/4
S=1/2
（14） （15）
G 3I ( B R)
（16）
（2）当120º≤H < 240º：
R I (1 S )
S cos(H 120) G I [1 ] cos( 180 H )
（17）
（18）
B 3I ( R G)
（19）
（3）当240º≤H < 300º：
(24)
(2) 平均值法 即将输入图像中的每个像素的R、G、B分量 的算术平均值赋给输出图像中对应像素的R、G、 B分量的方法。用公式可表示为：
g R ( x, y) gG ( x, y) g B ( x, y) ( f R ( x, y) f G ( x, y) f B ( x, y)) / 3 (25)
红色 + 蓝色 = 品红色 红色 + 绿色 = 黄色 绿色 + 蓝色 = 青色 红色 + 绿色 + 蓝色 = 白色 红色 + 青色 = 白色 （1 a） （1 b） （1 c） （1 d） （2 a）
绿色 + 品红色 = 白色
蓝色 + 黄色 = 白色
（2 b）
（2 c）
所以，一般把青色、品 红色和黄色称为红、绿、 篮三色的补色。
RGB色系：
蓝(0,0,255) 品红(255,0,255) 青(0,255,255) 白(255,255,255)
黑(0,0,0) 红(255,0,0)
绿(0,255,0)
黄(255,255,0)
2.1 RGB彩色模型
B (0,0,1) 蓝
品红 白 黑 (1,0,0) R 红 黄 灰度级 (0,1,0) 绿 青
G I (1 S )
S cos(H 240) B I [1 ] cos(300 H )
（20）
（21）
（22）
R 3I (G B)
注意：300~360之间为 非可见光谱色，没有定 义。
2.4 其它彩色模型简介
1.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。