第七章 彩色图像处理1讲解
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第7章 彩色图像处理
Chapter 7 Color image processing
By：韩东泽
7.0 内容提要
7.1 人类视觉与色度学基础 人类视觉基础、三基色原理、光度学基本知识 7.2 颜色空间的表示及其转换
RGB模型、Munsell（孟赛尔）模型、HSV模型、HSI模型、YUV模型
[例] 求彩色图像的H、S、V分量直方图。 设计下面程序： A= imread('D:\0067.jpg');B=rgb2hsv(A); subplot(1,4,1),imshow(B)
subplot(1,4,2),imhist(B(:,:,1))
subplot(1,4,3),imhist(B(:,:,2)) subplot(1,4,4),imhist(B(:,:,3))
图7.5 Munsell彩色空间
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。分别是红、
7.2.2 Munsell模型
Munsell颜色空间具有的特点
（1）坐标之间的心理感知独立性。 -- 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。
光度学中的基本概念
光通量---流明（lm）
-- 单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。 发光强度—坎（cd） -- 光源在单位立体角内辐射的光通量，它描述了光源到底有多亮。 视敏度
亮度—cd/m2
-- 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。 照度 -- 照度指照射在单位面积上的光通量，单位为勒（lx）。
7.2.4 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 与颜色的亮度或灰度。
HSI彩色模型如左图所示，而右图显示的是标准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。
（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。
7.2.3 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。
7.2.3 HSV模型
7.1.2 三基色原理
颜色向量C的计算
CIE（国际照明委员会）的R、G、B颜色表示系统。 -- 选择标准红色（700.0nm)，绿色(546.1nm)和蓝色(435.1nm)三种单色光 作为表色系统的三基色。 颜色向量C
-- 红（R）、绿（G）、蓝（B）三刺激值所构成的（R，G，B）向量的和构成。
CIE（国际照明委员会）在1931年选择红、绿、蓝3种颜色作为三基色。三基色
的特定波长：蓝＝435.8nm，绿＝546.1nm，红＝700nm。 CIE标准只是实验数据的近似。没有单一颜色可称为红、绿、蓝。 一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400到700纳米之间，但还有一些人能 够感知到波长大约在380到780纳米之间的电磁波。正常视力的人眼对波长约为
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，如左上图。
图7.3 RGB模型坐标
-- 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]。
图7.4 图像的R、G、B分解
（a）HSV颜色模型
（b）颜色轮
（c）柱形彩色空间
图7.6 HSV颜色模型
7.2.3 HSV模型
（a）HSV颜色模型
（c）柱形彩色空间
图7.6 HSV颜色模型
7.2.3 HSV模型
当把图像分解为H、S、V分量图像后，每个分解后的二维图像也可以作为一个
特定的灰度图像进行处理。可求彩色图像的H、S、V分量直方图。
（1） （2）
两种感光细胞
锥状细胞(2)是明视器官，在照度足够高时起作用，主要功能是分辨颜色。 -- 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。
-- 在人眼中的6～7万锥状细胞中大约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。
7.1.1 人类的基本视觉特性
7.2.6 RGB与HSV空间的相互转换
1．从RGB转换到HSV转换公式
H=60H1
Temp 1 R R' Temp 1 Temp2
S=(Temp1-Temp2)/Temp1
Temp 1 G G' Temp 1 Temp2
V=Temp1/255
Temp 1 B B' Temp 1 Temp2
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。
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。
-- 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。
其中： Temp 1 max(R, G, B) Tem p2 min(R, G, B)
7.2.6 RGB与HSV空间的相互转换
（a）原RGB图像
（b）H分量
（c）S分量
（d）V分量
图7.8 图像的HSV分解
7.2.6 RGB与HSV空间的相互转换
2．从HSV转换到RGB转换公式
[(R G ) ( R B)] / 2 arccos BG 2 1/ 2 [(R G ) ( R B)(G B)] H [(R G ) ( R B)] / 2 2 arccos BG 2 1/ 2 [(R G ) ( R B)(G B)]
5 B ' 1 G ' 1 R ' H1 3 B ' 3 G ' 5 R '
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
-- 相加混色法、相减混色法
相加混色和相减混色的主要区别：
-- 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。 -- 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。 -- 相加混色和相减混色有不同的规律。
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
7.3 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、 伪彩色增强
7.1 人类视觉与色度学基础
人类色觉产生的原因
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。
-- 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
7.1.3 光度学基本知识
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。
7.1.2 三基色原理
其基本内容是：任何颜色都可以用3种不同的基本颜色按照不同比例混合得到。 由三基色混配各种颜色通常有两种方法：
（a）原图像
（b）R分量ห้องสมุดไป่ตู้
（c）G分量
（d）B分量
7.2.1 RGB模型
当把图像分解为R、G、B图像后，每个分解后的二维图像都可以作为一个特定的
灰度图像进行处理，当然也包括求直方图。
[例] 求彩色图像的R、G、B颜色直方图。 设计下面程序： A= imread('D:\0067.jpg'); subplot(1,4,1),imshow(A)
subplot(1,4,2),imhist(A(:,:,1))
subplot(1,4,3),imhist(A(:,:,2)) subplot(1,4,4),imhist(A(:,:,3))
7.2.2 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7.5所示。 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。
7.2.5 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。
-- 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。
7.1.2 三基色原理
Grassman(格拉斯曼）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。
所有颜色都可以用相互独立的三基色混合得到；
假如三基色的混合比相等，则色调和色饱和度也相等； 混合起来得到的结果相等； 混合色的光亮度是原来各分量光亮度的总和。
赫尔曼·格拉斯曼
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
表达式为：C=RR0+GG0+BB0 -- 其中：R、G、B为C的三刺激值（tristimulus values）。（R0，G0，B0）称 为原刺激值，是单位向量。
7.1.2 三基色原理
（a）颜色的向量表示
（b）光谱三刺激值
图7.2 颜色的向量表示与光谱三刺激值
7.1.3 光度学基本知识
光度学
7.2 颜色空间的表示及其转换
实际应用中常用的颜色空间有：
-- 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，如：HSI 颜色空间以及HSV颜色空间。
7.2.1 RGB模型
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。
7.2.6 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。
-- 从RGB转换到HSV的MATLAB转换函数为 : hsvmap=RGB2HSV (rgbmap) 或HSV=RGB2HSV(RGB) -- 从HSV转换到RGB的MATLAB转换函数为 : rgbmap=HSV2RGB(hsvmap) 或RGB=HSV2RGB(HSV)
555纳米的电磁波最为敏感，这种电磁波处于光学频谱的绿光区域。
图7.1 人类视觉系统三类锥状细胞的光谱敏感曲线
7.1.1 人类的基本视觉特性
人类视觉对颜色的三种主观感觉：色调、色饱和度和亮度。
色调（hue）
-- 从一个物体反射过来的或透过物体的光波长。
-- 它是由颜色种类来辨别的，如红、橙、绿。
-- 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。
色度学（colorimetry）
-- 进行图像的彩色分析，建立研究彩色计量的学科。
7.1.1 人类的基本视觉特性
我们之所以能看到这个五彩缤纷的世界，到底是谁在起作用？
人的视觉系统中存在着杆状细胞和锥状细胞两种感光细胞。 杆状细胞(1)为暗视器官，主要功能是辨别亮度信息。
Chapter 7 Color image processing
By：韩东泽
7.0 内容提要
7.1 人类视觉与色度学基础 人类视觉基础、三基色原理、光度学基本知识 7.2 颜色空间的表示及其转换
RGB模型、Munsell（孟赛尔）模型、HSV模型、HSI模型、YUV模型
[例] 求彩色图像的H、S、V分量直方图。 设计下面程序： A= imread('D:\0067.jpg');B=rgb2hsv(A); subplot(1,4,1),imshow(B)
subplot(1,4,2),imhist(B(:,:,1))
subplot(1,4,3),imhist(B(:,:,2)) subplot(1,4,4),imhist(B(:,:,3))
图7.5 Munsell彩色空间
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。分别是红、
7.2.2 Munsell模型
Munsell颜色空间具有的特点
（1）坐标之间的心理感知独立性。 -- 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。
光度学中的基本概念
光通量---流明（lm）
-- 单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。 发光强度—坎（cd） -- 光源在单位立体角内辐射的光通量，它描述了光源到底有多亮。 视敏度
亮度—cd/m2
-- 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。 照度 -- 照度指照射在单位面积上的光通量，单位为勒（lx）。
7.2.4 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 与颜色的亮度或灰度。
HSI彩色模型如左图所示，而右图显示的是标准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。
（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。
7.2.3 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。
7.2.3 HSV模型
7.1.2 三基色原理
颜色向量C的计算
CIE（国际照明委员会）的R、G、B颜色表示系统。 -- 选择标准红色（700.0nm)，绿色(546.1nm)和蓝色(435.1nm)三种单色光 作为表色系统的三基色。 颜色向量C
-- 红（R）、绿（G）、蓝（B）三刺激值所构成的（R，G，B）向量的和构成。
CIE（国际照明委员会）在1931年选择红、绿、蓝3种颜色作为三基色。三基色
的特定波长：蓝＝435.8nm，绿＝546.1nm，红＝700nm。 CIE标准只是实验数据的近似。没有单一颜色可称为红、绿、蓝。 一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400到700纳米之间，但还有一些人能 够感知到波长大约在380到780纳米之间的电磁波。正常视力的人眼对波长约为
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，如左上图。
图7.3 RGB模型坐标
-- 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]。
图7.4 图像的R、G、B分解
（a）HSV颜色模型
（b）颜色轮
（c）柱形彩色空间
图7.6 HSV颜色模型
7.2.3 HSV模型
（a）HSV颜色模型
（c）柱形彩色空间
图7.6 HSV颜色模型
7.2.3 HSV模型
当把图像分解为H、S、V分量图像后，每个分解后的二维图像也可以作为一个
特定的灰度图像进行处理。可求彩色图像的H、S、V分量直方图。
（1） （2）
两种感光细胞
锥状细胞(2)是明视器官，在照度足够高时起作用，主要功能是分辨颜色。 -- 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。
-- 在人眼中的6～7万锥状细胞中大约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。
7.1.1 人类的基本视觉特性
7.2.6 RGB与HSV空间的相互转换
1．从RGB转换到HSV转换公式
H=60H1
Temp 1 R R' Temp 1 Temp2
S=(Temp1-Temp2)/Temp1
Temp 1 G G' Temp 1 Temp2
V=Temp1/255
Temp 1 B B' Temp 1 Temp2
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。
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。
-- 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。
其中： Temp 1 max(R, G, B) Tem p2 min(R, G, B)
7.2.6 RGB与HSV空间的相互转换
（a）原RGB图像
（b）H分量
（c）S分量
（d）V分量
图7.8 图像的HSV分解
7.2.6 RGB与HSV空间的相互转换
2．从HSV转换到RGB转换公式
[(R G ) ( R B)] / 2 arccos BG 2 1/ 2 [(R G ) ( R B)(G B)] H [(R G ) ( R B)] / 2 2 arccos BG 2 1/ 2 [(R G ) ( R B)(G B)]
5 B ' 1 G ' 1 R ' H1 3 B ' 3 G ' 5 R '
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
-- 相加混色法、相减混色法
相加混色和相减混色的主要区别：
-- 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。 -- 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。 -- 相加混色和相减混色有不同的规律。
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
7.3 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、 伪彩色增强
7.1 人类视觉与色度学基础
人类色觉产生的原因
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。
-- 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
7.1.3 光度学基本知识
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。
7.1.2 三基色原理
其基本内容是：任何颜色都可以用3种不同的基本颜色按照不同比例混合得到。 由三基色混配各种颜色通常有两种方法：
（a）原图像
（b）R分量ห้องสมุดไป่ตู้
（c）G分量
（d）B分量
7.2.1 RGB模型
当把图像分解为R、G、B图像后，每个分解后的二维图像都可以作为一个特定的
灰度图像进行处理，当然也包括求直方图。
[例] 求彩色图像的R、G、B颜色直方图。 设计下面程序： A= imread('D:\0067.jpg'); subplot(1,4,1),imshow(A)
subplot(1,4,2),imhist(A(:,:,1))
subplot(1,4,3),imhist(A(:,:,2)) subplot(1,4,4),imhist(A(:,:,3))
7.2.2 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7.5所示。 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。
7.2.5 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。
-- 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。
7.1.2 三基色原理
Grassman(格拉斯曼）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。
所有颜色都可以用相互独立的三基色混合得到；
假如三基色的混合比相等，则色调和色饱和度也相等； 混合起来得到的结果相等； 混合色的光亮度是原来各分量光亮度的总和。
赫尔曼·格拉斯曼
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
表达式为：C=RR0+GG0+BB0 -- 其中：R、G、B为C的三刺激值（tristimulus values）。（R0，G0，B0）称 为原刺激值，是单位向量。
7.1.2 三基色原理
（a）颜色的向量表示
（b）光谱三刺激值
图7.2 颜色的向量表示与光谱三刺激值
7.1.3 光度学基本知识
光度学
7.2 颜色空间的表示及其转换
实际应用中常用的颜色空间有：
-- 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，如：HSI 颜色空间以及HSV颜色空间。
7.2.1 RGB模型
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。
7.2.6 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。
-- 从RGB转换到HSV的MATLAB转换函数为 : hsvmap=RGB2HSV (rgbmap) 或HSV=RGB2HSV(RGB) -- 从HSV转换到RGB的MATLAB转换函数为 : rgbmap=HSV2RGB(hsvmap) 或RGB=HSV2RGB(HSV)
555纳米的电磁波最为敏感，这种电磁波处于光学频谱的绿光区域。
图7.1 人类视觉系统三类锥状细胞的光谱敏感曲线
7.1.1 人类的基本视觉特性
人类视觉对颜色的三种主观感觉：色调、色饱和度和亮度。
色调（hue）
-- 从一个物体反射过来的或透过物体的光波长。
-- 它是由颜色种类来辨别的，如红、橙、绿。
-- 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。
色度学（colorimetry）
-- 进行图像的彩色分析，建立研究彩色计量的学科。
7.1.1 人类的基本视觉特性
我们之所以能看到这个五彩缤纷的世界，到底是谁在起作用？
人的视觉系统中存在着杆状细胞和锥状细胞两种感光细胞。 杆状细胞(1)为暗视器官，主要功能是辨别亮度信息。