第九章彩色与多光谱图像处理解析

z Z X Y Z
（9.6-8）
显然有： xyz1
（9.9）
9.1.1 三基色原理
1 y绿
图9.3 CIE色度图
520nm
0.8 510
530 540
绿
550
空间能量位置 （波长，以nm为单位）
0.6 500 Q
0.4
490 0.2
480
560
570
黄
580
T S
C
等能量点 紫
590
600 610 620
(9.4a) (9.4b) (9.4c)
=>白色–绿色–红色–蓝色 (9.4d)
9.1.1 三基色原理
2. 相减混色
品红 蓝
青
黑
红
绿
黄
图9.2 相减混色的三基色及其补色的关系
9.1.2 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(brightness)、
（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）。
9.2.1 RGB彩色模型
RGB色系：
品红(255,0,255)
蓝(0,0,255)
青(0,255,255)
白(255,255,255)
9.2.1 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
大
9.2.1 HSI彩色模型
HSI色系 —— 亮度(I)效果示意图
9.2.1 HSI彩色模型
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。
9.2.2 HSI彩色模型
绿。 青。
。黄 P
S
H
·Biblioteka Baidu
。红
蓝
。 品红
图9.6 HSI彩色模型中的色调和饱和度
9.2.2 HSI彩色模型
HSI色系 —— 饱和度(S)效果示意图
S=0
S=1/4
S=1/2
S=1
9.2.2 HSI彩色模型
白 I=1
青 I=0.5
绿
黄
H
红
I
S
蓝
品红
I=0 黑
图9.5 基于圆形彩色平面的HSI彩色模型
（a）原彩色图像
（b）图(a)的负片效果
图9.9 彩色图像的反色变换
9.3.2 彩色图像的灰度化(image graying)
◆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。
（9.14） （9.15） （9.16）
9.2.4 HSI彩色模型到RGB彩色模型的转换
（2）当120º≤H < 240º：
RI(1S)
（9.17）
GI[1ScoH s (12)0] （9.18） co1s8(0 H)
B3I(RG )
（9.19）
9.2.4 HSI彩色模型到RGB彩色模型的转换
（3）当240º≤H <360º：
红(255,0,0)
黑(0,0,0)
绿(0,255,0)
黄(255,255,0)
9.2.1 RGB彩色模型
品红
(1,0,0) R红
B
(0,0,1)
蓝
青
白
黑
灰度级
(0,1,0)
G
绿
黄
图9.4 RGB彩色立方体示意图
在Matlab中要生成一幅RGB彩色图像可以采 用cat函数来得到。
其基本语法如下： B=cat(dim, A1, A2, A3, …) 其中，dim为维数，cat函数将A1，A2，
◆ 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 白色 – 绿色 – 红色 – 蓝色 = 黑色
（9.3 a） （9.3 b） （9.3 c） （9.3 d）
9.1.1 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
之后获得的颜色作为其表色系的三原色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。
9.2.5 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。
I 1(RGB) 3
S1 3 [mR i,G n,B ()] RGB
H 360
GB GB
（9.10） （9.11） （9.12） （9.13）
9.2.4 HSI彩色模型到RGB彩色模型的转换
（1）当0º≤H<120º：
BI(1S)
RI[1 ScoH s() ] co6s(0 H)
G3I(BR)
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：
gR(x, y) 255 fR(x, y) gG(x, y) 255 fG(x, y) gB(x, y) 255 fB(x, y)
（9.23）
9.3.1 反色变换
41%
70%
蓝 11%
绿
黄白 青
红紫 蓝
图9.1 相加混色的三基色及其补色的亮度比例
9.1.1 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
9.1.1 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虑去某种颜色而得到另一种颜色。
9.2.3 RGB彩色模型到HSI彩色模型的转换
B 白
(0,0,1)
蓝
青
品红 白
品红
青
黄
(1,0,0) R红
黑
灰度级
黄
(0,1,0)
G蓝
绿
红 绿
黑
图9.7 RGB立方体旋转示意图
9.2.3 RGB彩色模型到HSI彩色模型的转换
arcco[(Rs12G[)(2R(G R)G (R )(G B )B])]1/2
9.1.1 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。
所以，一般把青色、
红色 + 蓝色 = 品红色(megenta) 品红色（和9.黄1 色a）称为红、
红色 + 绿色 = 黄色(yellow)
绿、（篮9.三1 色b）的补色
绿色 + 蓝色 = 青色(cyan)
(oppos（ite9p.ri1macr）y colors)。
第九章彩色与多光谱图像处理解析
9.1 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。
9.1 彩色视觉
9.1.1 三基色(primary colors)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(red)、 绿(green)、蓝(blue)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。
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(tristimulus values)；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(trichromatic coefficients)，则有：
CxX yY zZ
（9.5）
且 x X X Y Z
y Y X Y Z
红 640
780
470 460
450
蓝
380nm
0.2
0.4
0.6
0.8
红
x
1
9.2 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。
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。
Conversion
Where, the assumption is that all color values have been normalized to the range [0 1]
彩 色 电 视 信 号
Y,U,V
黑 白 电 视 信 号 Y
Y Y,0,0
黑白电视机
彩色电视机
9.2 彩色变换
9.3.1 反色变换(anticolors processing)
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9.8 颜色间的互补关系
9.3.1 反色变换
rgb_G=I(:, :, 2);
rgb_B=I(:, :, 3);
9.2.1 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。
9.2.5 其它彩色模型简介
2、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。
9.2.5 其它彩色模型简介
YUV表色系
—— 电视信号接收原理示意图
9.3.2 彩色图像的灰度化
(2) 平均值法 (average) 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：
A3等矩阵连接成维数为dim的矩阵。
对图像生成而言，可以取dim=3，然后将三 个分别代表RGB分量的矩阵连接在一起：
I=cat(3, rgb_R, rgb_G, rgb_B)
在这里，rgb_R，rgb_G，rgb_B分别为生成 的RGB图像I的三个分量的值，可以使用下 列语句：
rgb_R=I(:, :, 1);
◆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。
9.3.2 彩色图像的灰度化
(1) 最大值法 (maximum) 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 ) m f R ( x ,y ) a f G ( x , ,y x ) f B ( x , ,y ( )() 9.24)
9.2.2 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
9.2.2 HSI彩色模型
HSI色系 —— 饱和度分量S
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。
GI(1S)
（9.20）
BI[1ScoH s (24)0] （9.21） co3s0 (0 H)
R3I(GB)
（9.22）
值得注意的是： 300~360之间为非可见 光谱色，没有定义。
9.2.5 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
9.1.2 CIE色度图(chromaticity diagram)
◆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(chromaticity)， 颜色用亮度和色度共同表示。
9.1.2 CIE色度图
2、CIE色度图
色调(hue)及饱和度(saturation)表示颜色的特性。
9.1.2 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）。
红色 + 绿色 + 蓝色 = 白色(white) （9.1 d）
红色 + 青色 = 白色 绿色 + 品红色 = 白色 蓝色 + 黄色 = 白色
（9.2 a） （9.2 b） （9.2 c）
9.1.1 三基色原理
2. 相加混色(secondary colors)
红黄绿 30% 89% 59%
白
品红 100% 青