第7章-彩色图像处理

赫林论证了三色理论不能解释红光与绿光组合怎样就产生了黄光，或论证了有视觉缺陷的人
无一例外的容易将红色与绿色或黄色与蓝色相混淆。基于如下事实：“红/绿”代表人没有描述
颜色“微带红的绿或微带绿的红”的经验（而有微带黄的绿或微带绿的黄、微带绿的蓝或微带
蓝的绿、微带红的蓝或微带蓝的红，如图依次可以描述为“黄/绿”、“蓝/绿”、“红/蓝”，但是你
函数。射入人眼的光的光谱分布决定了发光体或反射和透射物体的颜色。
E
λ
图 7-2 射入人眼光的光谱强度分布决定了发光体或反射和透射物体的颜色。
当人类将色光经由 Newton 的实验分离后，便开始着手研究色彩究竟是如何产生的？
1
1802 年，Thomas Young 重新定义色彩三原色说，其假设自然界所见的所有色彩均可由 三原色组合而成。另一方面，亦假定人眼內有三种视觉接收细胞，每一种细胞负责单一色彩 的感应、接收。大约 50 年后(由于某些部份未详细记载)，Helmholtz 再加以详细补充及改进 原有的学说，成就现今 Young-Helmholtz 理论。
3
第二混色定律: C3=C1+C2=(R1+R2)(R)+(G1+G2)(G)+(B1+B2)(B)
色光混合匹配实验：配色时，调节R、G、B三色的光强度，直到混合色与指定色C相一致。 [颜色分解]
根据人眼结构，所有颜色都可看作是 3 个基本颜色——红（R，red），绿（G，green） 和蓝（B，blue）——的不同组合。
L M
S
接收
L+M+S
L-M L+M-S 对立色处理
黑/白 红/绿
图 7-4 颜色视觉阶段学说理论
颜色视觉理论是彩色图像处理的基础，如彩色图像输入、输出设备都采用三基色 RGB 和 CMY。图像处理过程中，一般不直接采用输入设备 RGB 色空间，而采用国际标准 CIE XYZ， CIELAB，也使用基于视觉的 LMS、ISV 色空间，在图像传输中最常用的是 YIQ，YCrCb 对 立色空间等。所以，色空间之间的转换是彩色图像处理的基础。
7.1.2 三基色与色匹配
物体颜色是人眼视觉系统对射入的光谱分布的感知结果。人眼感觉颜色是三维的，不 能感觉出光谱分布。
物体颜色的定量度量(Measuring colour)是很复杂，它涉及观察者的视觉生理、视觉心 理以及照明条件、观察条件等因素。
格拉斯曼颜色混合定律。 ⎫ 人的视觉只能分辨颜色的三种变化，即明度、色调和饱和度。 ⎫ 视觉实验：任何颜色都可以用三个单色光(线性无关)的合成。 ⎫ 格拉斯曼第一混色定律(1854 年): C = Rc(R) + Gc(G) + Bc(B)
不会做出一块“红/绿”的色块(说明红/绿是对立的)，红和绿合成的色块是“黄”，丝毫没有红绿
的感觉)。同样，“蓝/黄”代表人没有描述颜色“微带蓝的黄或微带黄的蓝”的经验。认为视网膜
2
上有三对视素：白-黑、红-绿、黄-蓝。这三种视素包括“建设”和“破坏”两种对立过程。光刺激 破坏白-黑视素，引起神经冲动产生白色感觉，无光刺激时，白-黑视素被重新建设起来，产生 黑色感觉。对红-绿红-绿，红光起破坏作用，绿光起建设作用。
“三色”学说。扬⎯赫姆霍尔兹的“三色”学说，是扬⎯赫姆霍尔兹在 19 世纪提出的(Young
1802-Helmholtz 1886)。们根据红、绿、蓝三色（称作三原色）可以混合出各种不同颜色的混
合规律，假设人眼视网膜上有三种神经纤维，光作用于纤维上能同时引起三种纤维的兴奋，
波长不同，引起三种纤维兴奋不同，每一种神经纤维的兴奋引起一种颜色感觉。20 世纪生理
（7-6） （7-7）
等能白点: x=0.3333, y=0.3333
色度图(CIE Chromaticity Diagram)
7
1931 年 CIE 制定了 1 个色度图（见下图），用组成某种颜色的三原色的比例来规定这种 颜色。 (1) 在色度图中每点都对应一种可见的颜色，任何可见的颜色都在色度图ຫໍສະໝຸດ Baidu占据确定的位置。
图7-12. Device Color Gamut 8
3．CIELUV 和 CIE L*a*b*均匀颜色空间
鉴于CIEXYZ颜色空间的不均匀性，国际照明委员会又 向世界各国推荐了几个国际通用的均匀颜色空间和色差 公式。1976年提出的CIELUV(用于自照明的颜色空间)、CIE L*a*b*(用于非自照明的颜色空间)色空间与颜色的感知 就较为均匀。
图 7-1 波长 380∼780nm 之间电磁波，引起人眼颜色感觉不同，简称可见光。 紫、蓝(430∼470 nm)、青、绿(500∼530 nm)、绿、黄、橙、红(620∼700 nm)
颜色是外界的物理刺激表现出来人的感觉。 复色光。自然界见到的单色光机会不多，一般都是复色光。 光谱分布。单位波长对应的辐射量称为光谱密度。光谱密度与波长之间的关系成为光谱分布
占相对比例是确定的，这个比值叫色品坐标。
色品坐标:
r= R R +G + B
g= G R+G+B
b= B R+G+B
（7-3）
图 7-8. CIE RGB 色品坐标
2．CIE 1931-XYZ(2°视场 XYZ) z “CIE 1931-RGB 系统”是从实验得出的，可以用于计算任何光谱颜色，但计算中出现 负值，不容易理解，使用不便。所以，在 1931 年 CIE 推荐了一个新的国际通用的色 度系统：“CIE 1931-XYZ”。 z 采用三个假想的三原色X，Y，Z匹配等能光谱得到的三刺激值，定名为“CIE 1931 标 准色度观察者光谱三刺激值”，简称“CIE 1931 标准色度观察者”。这个系统叫做“CIE 1931 标准色度系统”，也称作“2°视场XYZ色度系统”。 z “CIE 1931 标准色度系统”是由“CIE 1931-RGB”系统推导来的。
700
G = ∫ kϕ(λ)g(λ)dλ ≈ ∑ kϕ(λ)g(λ)∆λ
λ
400
5
（7-2）
700
B = ∫ kϕ(λ)b (λ)dλ ≈ ∑ kϕ(λ)b (λ)∆λ
λ
400
其中：ϕ)λ(是色光的光谱分布函数，或颜色刺激函数；K 叫归化系数，目的是为了规定三刺
激值的最大值。
从公式可以看出，一种颜色的三刺激值 R、G、B 大小可以设定，但各自在 R+B+G 中所
“阶段”学说。在 Hering 的观点提出不久，视觉科学家就争论视觉系统本质是三色的 呢还是对立的。Von Kries(1882)最先提出分阶段。在颜色视觉过程分成几个阶段：
a． 第一过程：吸收（三色理论） b． 第二过程：传递（重新组合） c． 第三过程：感知（对立学说） 在传递阶段，单个锥体细胞的信号重新相加或相减组合(可以理解为信号处理的去相关 处理)，结果在感知阶段表现为“亮/暗、红/绿、蓝/黄”三种对立信道。
(a)
(b)
图 7-3 人眼颜色感觉的三色理论. (a) 三种锥细胞；(b)三种锥细胞不同的光谱敏感特性：
L-cones, most sensitive to red light (610 nm) ，M-cones, most sensitive to green light (560 nm)，
S-cones, most sensitive to blue light (430 nm)
X = ∫kϕ(λ)x(λ)dλ ≈ ∑kϕ(λ)x(λ)∆λ
λ
400
700
Y = ∫ kϕ(λ) y(λ)dλ ≈ ∑ kϕ(λ) y(λ)∆λ
λ
400
（7-4）
700
Z = ∫ kϕ(λ)z(λ)dλ ≈ ∑ kϕ(λ)z(λ)∆λ
λ
400
其中：归化系数k，目的是规定Y值最大为100。
k
=
∑
100 S(λ) y(λ)∆λ
1.0
520 530
0.8 510
540
绿 550
560
0.6 500
570 黄 580
590
0.4
P Q 600
490 C
620 红 700~770
0.2 480
紫
470 蓝 460 400
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
图7-10 色度图示意(色度图中一些点的颜色值)
图7-11 CIE1931标准色度系统光谱三刺激值 色品图(它是二维的，等亮度的)
区分颜色常用 3 种基本特性量：亮度、色调和饱和度。色调和饱和度合起来称为色度。 颜色可用亮度和色度共同表示。当把红、绿、蓝三色光混合时，通过改变三者各自的强度比 例可得到白色以及其他各种色调和饱和度的彩色
C ≡ rR + gG + bB 其中 C 代表某一特定色，≡ 表示匹配，R，G，B 表示三原色，r，g，b 代表比例系数，且有
C单色光 = r（R）+ g（G）+ b （B）
（7-1）
其中，(R )、(G)、(B)是匹配颜色中每个三原色“1个单位”， 如560nm的三刺激值？
图 7-7. 光谱三刺激值曲线(或颜色匹配函数)
计算任意光谱分布函数色光的三刺激值：
700
R=∫kϕ(λ)r(λ)dλ ≈∑kϕ(λ)r(λ)∆λ
λ
400
直到 1861 年，Maxwell 研究色彩並实验而制作出第一张彩色影像，因此也证实了三原色 说的理论基础[Malacara, 2002]。
人眼能辨别不同颜色的机理一直是人们研究的课题，目前已经比较清楚。颜色视觉理论 主要从两大理论，一个是扬⎯赫姆霍尔兹的“三色”学说，另一个是赫林的“对立”学说， 发展到最终的“阶段”学说理论。
第七章 彩色图像处理
学习目的要求
1、 了解色空间概念 2、 掌握几种数字图像常用色空间的变换 3、 了解伪彩色增强
7.1 色度学基础 7.1.1 彩色视觉基础
人眼所见的色彩，其理论基础最早是由 Newton 于 1671 年利用三棱镜自然光通过后分离 出不同的色彩表现，称之为光谱(Spectrum)。
在(0, 0)，(0, 1)，(1, 0)为顶点的三角形内且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。 (3) 在色度图中连接任 2 端点的直线上的各点表示将这 2 端点所代表的颜色相加可组成的一种 颜色。
r+g+b=1
7.1.3 CIE 标准色度系统
1．CIE 1931 色度学系统
图 7-5 匹配实验-色光混合 4
为 了 能 够 得 到 一 致 的 度 量 ， 国 际 照 明 委 员 会 （ International Commission on Illumination-Comission Internationale de l’Eclairage-简称CIE）规定了一套标准色度系统，称为 CIE标准色度系统(CIE calorimetric system)。
CIE 使用三原色：R(red)： λ=700.0nm G(green)： λ=546.1nm B(blue)： λ=435.8nm
三原色光与等能白光（也叫E光源）相匹配，确定“1 个单位”的三原色在等能光谱色的数量。
E
λ
7-6 等能光谱
三刺激值(The tristimulus values)：匹配所有单色光，得到每个单色光需要用三原色匹配的大 小(实际只匹配等间距 λ∆=5nm 单色光)，这个大小就叫做这个单色光的三刺激值，也叫“光谱 三刺激值”，也称“颜色匹配函数:CMF”。
6
1.8
Tristimulus values
1.4 z(λ)
1 0.6
y(λ)
x(λ)
0.2
400
500
600
700
Wavelength (nm)
图 7-9. CIE 1931 光谱三刺激值曲线(或颜色匹配函数 x (λ ), y(λ ), z (λ ) )
1931-XYZ 色度计算及色品坐标
700
学证实了三种锥细胞的存在，分别有不同的光谱敏感特性并且测的的三种不同光谱敏感性的
视色素的光谱吸收峰分别约在 440~450nm；530~540nm；560~570nm。
“对立”学说。另一个是赫林的“对立”学说，对立学说的概念在 19 世纪后期 Hering(赫
林 1878)就提出了。三色学说很好解释了三原色混色规律，但在解释如色盲现象是遇到困难。
λ
（7-5）
x(λ), y(λ), z (λ) 标准观察者光谱三刺激值，适合在人眼观察视角 1°∼4° 观察。如果在
4°∼10°采用“CIE 1964 补充标准色度系统”10°数据。
色品坐标：Y描述亮度，x、y描述色度。
x= X X +Y +Z
x+ y+ z =1
y= Y X +Y +Z
z= Z X +Y +Z