彩色图像处理

6.1 彩色视觉

光学原理解释的色彩的形成
6.1 彩色视觉

可视光区的波长在400nm~700nm，当光谱 采样限制到三个人类视觉系统敏感的红、绿、 蓝光波段时，对这三个光谱带的光能量进行采 样，就可以得到一幅彩色图像
红外光 可见光区
紫外光
400nm
435.8nm
546.1nm
700nm
780nm
6.3.2 彩色图像的灰度化
(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) g G ( x, y) g B ( x, y) max( f R ( x, y), f G ( x, y), f B ( x, y))
6.2.5 其它彩色模型简介
1、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。
6.2.5 其它彩色模型简介
2、YUV表色系—— 基本概念
Y Y,0,0
黑白电视机
彩色电视机
YUV模型

思考一个问题：

当彩色的视频信号传输给黑白电视 机时， 既然是三取一，可否直接选择R或G或B信号 来作为其输入？
R
G
B
6.3 彩色变换
6.3.1 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6.7
颜色间的互补关系
6.1.1 三基色原理
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。 红色 红色 绿色 红色 红色 绿色 蓝色 + + + + + + + 蓝色 = 绿色 = 蓝色 = 绿色 + 青色 = 品红色 黄色 = 品红色 黄色 青色 蓝色 = 白色 白色 = 白色 白色
6.1.1 三基色原理

各种不同的颜色模型之间可以通过数学方法转换
6.2.1 RGB彩色模型
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)
6.2.1 RGB彩色模型
B (0,0,1) 蓝
2. 相加混色
红 黄 绿 30% 89% 59% 白 品红 100% 青 41% 70% 蓝 11%
绿
黄
白
青
红
紫
蓝
图6.1 相加混色的三基色及其补色的亮度比例
6.1.1 三基色原理
2. 相加混色
相加灰色中涉及到灰色比例问题：
R:200
G:50 B:120
6.1.1 三基色原理
2. 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滤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 （6.3 a） 白色 – 绿色 = 品红色 （6.3 b） 白色 – 蓝色 = 黄色 （6.3 c） 白色 – 绿色 – 红色 – 蓝色 = 黑色 （6.3 d）
6.2.5 其它彩色模型简介
1、CMYK色系—— 基本概念



这种色系用于印刷行业。 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。
• 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。
6.3.1 反色变换
（a）原彩色图像 图6.8
（b）图(a)的负片效果 彩色图像的反色变换
6.3.2 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。
◆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。
6.1.2 CIE色度图
◆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。 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）。
6.2 彩色模型


颜色的描述是通过建立彩色模型来实现的，不同 的彩色模型对应于不同的处理目的 CIE（国际照明委员会）在进行大量的色彩测试 实验的基础上提出了一系列的颜色模型：



RGB模型：红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色混合 HSI模型：色度(H) 、饱和度(S) 、亮度(I) YUV模型： 亮度(Y)、色度(UV) YCbCr模型：亮度(Y)、色度(CbCr)
B 3I ( R G)
（6.19）
6.2.4 HSI彩色模型到RGB彩色模型的转换
（3）当240º≤H < 360º：
G I (1 S )
S cos(H 240 ) B I [1 ] cos(300 H )
（6.20）
（6.21）
（6.22）
R 3I (G B)
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。
6.1 彩色视觉
6.1.1 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。
6.3.2 彩色图像的灰度化
(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 f G ( x, y) B f B ( x, y)
6.1.1 三基色原理
◆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
6.1.1 三基色原理
2. 相减混色
其中:
R G B 1
6.3.2 彩色图像的灰度化
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，此时灰度化公式就变为：
品红 蓝
黑 红 绿
青
白色 – 红色 = 青色 白色 – 绿色 = 品红色 白色 – 蓝色 = 黄色 白色 – 绿色 – 红色 – 蓝色 = 黑色
黄
图6.2 相减混色的三基色及其补色的关系
6.1.2 CIE色度图
1、相关概念
CIE（）际照明委员会） 国
◆对于无彩色（消色）图像来说，亮度（也即灰
度）是唯一的属性。

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。
6.2.2 HSI彩色模型
HSI色系 —— 色度(H)效果示意图
H=0º
H=60º
H=120º
H=180º
H=240º
H=300º
6.2.2 HSI彩色模型
HSI色系 —— 饱和度分量S
S=0
S=1/4
S=1/2
S=1
6.2.2 HSI彩色模型

思考问题：在这个圆柱体上，红色的点 顺（逆）时针旋转会变成什么样？上下 移动呢？向圆心方向移动呢？
黄
120 绿
S H 青
白
0
S
240 蓝
品红
I
黑
红点的顺（逆）时针转动
红点的上下移动
红点向圆心方向移动
6.2.3 RGB彩色模型到HSI彩色模型的转换
6.3.2 彩色图像的灰度化
(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) g G ( x, y) g B ( x, y) ( f R ( x, y) f G ( x, y) f B ( x, y)) / 3

在这种色系中
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。

6.2.5 其它彩色模型简介
YUV模型
—— 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
品红 白 黑 (1,0,0) R 红 黄 灰度级 (0,1,0) 绿 青
G
图6.4
RGB彩色立方体示意图
6.2.1 HSI彩色模型
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。 白
第6章 彩色图像处理
主要内容
6.1 彩色视觉 6.2 颜色模型 6.3 彩色变换 6.4 彩色图像增强 6.5 彩色图像平滑 6.6 彩色图像锐化
6.1 彩色视觉

人眼对于彩色的观察和处理是一种生理和 心理现象，其机理还没有完全搞清楚，因 而对于彩色的许多结论都是建立在实验基 础之上的
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。
白 白 品红 青 I=1
黄
绿 青 H 蓝 S 品红 黄 红 I
蓝
红 I=0.5 绿
黑
I=0 黑
图6.6 RGB立方体旋转示意图
6.2.3 RGB彩色模型到HSI彩色模型的转换
1 [( R G ) ( R B)] 2 arccos [( R G ) 2 ( R G )(G B)]1 / 2
1 I ( R G B) 3
3 S 1 [min( R, G, B)] RG B
H 360 GB GB
6.2.4 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 )

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。

6.2.2 HSI彩色模型
绿。
。
黄
P S H
。
青。
·
红
蓝
。
品红
图6.5 HSI彩色模型中的色调和饱和度
6.2.2 HSI彩色模型
HSI色系 —— 饱和度(S)效果示意图
I=1
绿 青
黄
H
S 蓝 品红
红
I=0.5
I=0
6.2.1 HSI彩色模型
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。
I:
小wenku.baidu.com
大
6.2.1 HSI彩色模型
HSI色系 —— 亮度(I)效果示意图
6.2.1 HSI彩色模型
HSI色系 —— 色度分量H
6.3.1 反色变换
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：
g R ( x, y ) 255 f R ( x, y ) g ( x, y ) 255 f ( x, y ) G G g B ( x, y ) 255 f B ( x, y )
（6.14）
（6.15）
G 3I ( B R)
（6.16）
6.2.4 HSI彩色模型到RGB彩色模型的转换
（2）当120º≤H < 240º：
R I (1 S )
S cos(H 120 ) G I [1 ] cos( 180 H )
（6.17）
（6.18）