第四章 数字图像处理 彩色图像增强

I 分量与图像的彩色信息无关。
H 和S 分量与人感受颜色的方式是紧密相联的。

这些特点使得HSI模型非常适合借助人的视觉系统 来感知彩色特性的图像处理算法
HSI模型

HSI模型的三个属性定义了一个三维柱形空间。灰度 阴影沿着轴线从底部的黑变到顶部的白，具有最高 亮度。最大饱和度的颜色位于圆柱上顶面的圆周上。 这种模型的优点在于它将亮度（I）与反映色彩本质 特性的两个参数（色度（H）和饱和度（S））分开。
绿 红 蓝 120° 0° I
H色度，取值范围0°-360°； S饱和度，取值范围0-1/100； I亮度，取值范围0-1/100；
色相环，0°-红， 120°-绿，240°-蓝
240°
图中的色相环描述了色相和饱和度两个参数。色相由 角度表示，它反映了该彩色最接近什么样的光谱波长。 一般假定0°表示的颜色为红色， 120°的为绿色， 240°的为蓝色。0°到240°的色相覆盖了所有可见光谱 的彩色，在240°到300°之间为人眼可见的非光谱色（紫 色）。饱和度是指一个颜色的鲜明程度，饱和度越高， 颜色越深， 如深红，深绿。饱和度参数是色环的原点 （圆心）到彩色点的半径的长度。由色相环可以看出，
HSI到RGB
0 H 120 , R I S cos(H ) 1 cos(60 H ) , 3
I B (1 S ), G 3I R B; 3 I S cos(H 120 ) 120 H 240 , R 1 , cos( 180 H ) 3
人对彩色的分辨能力和敏感程度比灰度强
彩色图像：是一种矢量图像，比灰度图像包含更 多的信息。
彩色图像增强技术分为两类： 伪彩色增强技术：对不同的灰度或灰度 范围赋予不同的颜色. 真彩色增强技术：对彩色的不同分量区 别对待。
颜色模型

可见光波长范围为：400nm~760nm，能使人产生视 觉，感到明亮和颜色
部分色光后的反射光。
CMYK模式中的颜色种类远不及RGB模式,但它却是打印的标准 模式,是印刷业所使用的颜色模式。
RGB与CMY之间的转换
C 1 R M 1 G Y 1 B

C=255-R M=255-G Y=255-B

F=α(R) + β(G) + γ(B) 其中αβγ是红绿蓝三色的混合比例，称为三色系

数 颜色模型指的是某个三维颜色空间中的一个可见光 子集，它包含某个色彩域的所有色彩
CIE色度图

CIE（国际照明委员会） 1931年，CIE规定了三种标准原色x,y,z,用于颜色 匹配，三种对应的颜色匹配函数如下：



符合人眼对颜色的习惯 三个坐标是独立的 采用线性标尺
HSV 颜色模型


从RGB立方体的白色顶点，顺主对角线向原点方向投影， 可得到一个正六角形，此正六角形是HSV圆锥顶面的一 个真子集 RGB空间的主对角线对应于HSV空间的V轴
彩色增强技术
真彩色增强
假彩色增强：把真实的自然彩色图像或遥感多

整个锥体落在第一象限，从原点引一 条任意射线穿过该锥体，则射线上任 意两点代表的色光具有相同的主波长 和纯度 在每条射线上各取一点即可代表所有 的可见光，习惯上，这一点取做射线 与平面X+Y+Z=1的交点，其坐标称为 色度值，规格化坐标表示为：

CIE色度图

可以把与平面X+Y+Z=1相交的色度值(x,y,z)中的 (x,y)绘制成CIE色度图，如图。
物柱往比较敏感，所以，夜晚所观察到的景物只有黑白、浓淡之分， 而看不清它们的颜色差别。由于夜晚的视觉过程主要由杆状细胞完成，
所以杆状视觉又称夜视觉。
颜色模型

英国人Newton，三棱镜实验 证明了白光是所有可见光的组合。
颜色模型


1931年，国际照明委员会（CIE）规定用700nm、 546.1nm、435.8nm的单色光作为红(R)、绿(G)、 蓝(B)三原色 R代表红光，为大红色相，红中具有黄味； G代表绿光，为比较香嫩的绿色色相 B代表蓝紫光，色相为蓝中带有紫味 根据三原色原理，任意彩色的颜色方程为：
•YIQ模型
YIQ模型是美国国家电视系统委员会（NTSC）定义的
用于电视广播的颜色系统，Y代表亮度信息，I和Q表
示色度，其中I表示橙～青色，Q表示其他部分颜色。
从RGB到YIQ的变换关系如下：
X 2.7689 Y 1.0002 Z 0.0000 1.7518 4.5907 0.0565 1.1302 R 0.0600 G 5.5943 B
红绿蓝三原色不能叠加出所有 可见光颜色

y
绿 0.8 NTSC 520nm
PAL 红 紫 0.2 色度图 700-770nm
0
蓝
0.8
x
常见的色彩模型有RGB模型、CMYK模型、HSV模型、YIQ模型
等。每种模型都有它自己的特点和适用范围,它们可以根据需要 相互转换。
•RGB模型
这是最常见的色彩模型，由R(红)、G(绿)、B(蓝)三个分量

CIE色度图

CIE色度图主要有两种用途：

定义颜色域(Color Ranges)以便显示叠加颜色的效果

I和J按不同比例叠加，可产生 其连线上的任意一种颜色 I，J和K按不同比例叠加，可产 生三角形内的任意一种颜色


对于任意一个三角形，如果其 三个顶点均落在可见光区域内， 则其混合所产生的颜色不能覆 盖整个可见光区域
光谱图像处理成假彩色图像。
伪彩色增强：把黑白图象处理成伪彩色图象。
伪彩色增强
伪彩色(Pseudo coloring)增强是把一幅灰度图像的每个不 同灰度级按照线性或非线性的映射函数变换成不同的彩色， 得到一幅彩色图像。
伪彩色增强基本目的பைடு நூலகம்
由于人眼分辨不同彩色的能力比分别不 同的灰度级的能力强，因此，把人眼无法 区别的灰度变化，施以不同的彩色来提高 识别率，这便是伪彩色增强的基本目的。
RGB模式是显示器上的颜色模式,而在图像印刷中却是用CMYK
4色印刷模式来确定颜色的。是指通过混合青(Cyan)、品红
(Magenta)、黄(Yellow)与黑(Black)色来产生全彩色阶调的颜 色,这就是CMYK模式。其中Black以“K”表示(为了避免与Blue 混淆)。这就是平常所说的减色模式,因为青、品红、黄分别是 光谱色中的红、绿、蓝的补色,从而模拟出白光被物体吸收了一
R 0.4185 0.1587 0.0828 X G 0.0912 0.2524 0.0157 Y B 0.0009 0.0025 0.1786 Z
HSI模型

HSI模型是Munseu提出的， 它反映了人的视觉系统 观察彩色的方式，在艺术上经常使用HSI模型。HSI 模型中，H 表示色调(Hue)，S 表示饱和度 (Saturation)， I 表示亮度(Intensity，对应成 像亮度和图像灰度)。该模型的建立基于两个重要 的事实：
•锥状细胞
每只眼睛中大约有600万到700万个锥状细胞，集中分布在视轴和视 网膜相交点附近的黄斑区内。每个锥状细胞都连接一个神经末梢，因此， 黄斑区对光有较高的分辨力，能充分识别图像的细节。锥状细胞既可以 分辨光的强弱，也可以辨别色彩。白天视觉过程主要靠锥状细胞来完成， 所以锥状机觉又称白昼视觉。 按感光化学特性，锥状细胞有三种，它们分别对红、绿、蓝颜色敏 感，因此红绿蓝称为人类视觉的三基色。 三种锥状细胞的光谱敏感曲线如下：
HSV（Hue Saturation Value）颜色模型是面向用户 的，对应于圆柱坐标系中的一个圆锥形子集
V 色浓 纯色 绿(120°) 青(180°) (1,0) 黄(60°) 红(0°) 品红(120°)
白
灰
色相 色深
蓝(240°)
H 黑 色相、色浓和色深之间的关系
O S
S
HSV颜色模型示意图
CIE色度图


对于可见光谱中的任何主波长的光，都可以用这 三个标准原色的叠加来匹配 注意：没有一个输出设备能够精确输出CIE图像， 因为输出设备均有固定的墨和颜色，固定的几种 颜色不能够表达所有可以看见的颜色
CIE色度图

对于可见光谱中的任意一种颜色C，可以找到一组权（X,Y,Z）， 使得：C=xX+yY+zZ,即用CIE原色匹配C,下图为XYZ空间中包 含所有可见光的锥体
组成，三维空间中的三个轴分别与红、绿、蓝三基色相对应.原
点对应于黑色，离原点最远的顶点对应于白色。从黑到白的灰
度值分布在这两个点的连线上， 该线称为灰色线。 其他颜色 则落在三维空间中由红、绿、蓝三基色组成的彩色立方体中。 通常情况下以RGB色彩模型为基础描述其它色彩模型，将其它色 彩模型描述为RGB三色的线性或者非线性函数。
环的边界上纯的或饱和的颜色， 其饱和度值为1。在中心 是中性（灰色）阴影， 饱和度为0。
RGB 转换到HSI
对任何3个［0， 1］范围内的R、G、B 值，其对应HSI
模型中的I、S、H 分量的计算公式为
1 I ( R G B) 3 3 SI [min( R, G , B )] ( R G B) [( R G ) ( R B )] / 2 H arccos 2 1/ 2 [( R G ) ( R B )( G B )]
RGB模型在视频和显示器中广泛使用。
z 蓝(Blue) 品红(Magenta)
青(Cy an) O 红(Red)
x
绿(Green) 黄(Yellow) y
RGB模型单位立方体

RGB颜色模型构成的颜色空间是CIE原色空间的一 个真子集，通常用于CRT和光栅显示器
RGB三原色是加性原色

•CMY(K)模型

边界和内部代表了所有可见光 的色度值，z=1-x-y 边界弯曲部分上的每一点，对 应光谱在某种纯度为百分之百 的色光，线上标明的数字为对 应的主波长 中央一点C代表白光，C点接近 于x=y=z=1/3


CIE色度图

CIE色度图主要有两种用途：

用色度图计算任何颜色的主波长和纯度

如果B在曲边上，则B的主波长 就是A的主波长，否则，找不到 该颜色对应的主波长，此时， 主波长可以用其补色的主波长 值之后加c表示 一种颜色称为另一种颜色的补 色，指二者混合之后产生白色， 图中F的补色为A,所以F的主波 长为555umc
HSV 颜色模型

HSV模型中，每一种颜色和它的补色相差180度，饱和 度（色深）取值从0到1
HSV模型所代表的颜色域也是CIE原色空间的一个子集 圆锥的顶点处V=0,H和S无定义，代表黑色，圆锥的顶 面中心处S=0，V=1，H无定义，代表白色，从该点到原 点代表亮度渐暗的白色，即具有不同灰度的白色 任何V=1，S=1的颜色是纯色 HSV颜色模型的优点：

3.
频域滤波
对图像的灰度值动态范围进行分割，使分割后的每一 灰度值区间甚至每一灰度值本身对应某一种颜色。如 下图： c1 c2
c3
c4
m=8
m=16
m=64
2、灰度到彩色的变换
基本原理
将黑白图像或者单色图像的各个灰度级匹配到彩 色空间中的一点，从而使单色图像映射成彩色图像。 黑白图像中不同的灰度级赋予不同的彩色。

B

I (1 S ), G 3I R B; 3

I S cos(H 240 ) 240 H 360 , R 1 , cos(300 H ) 3 I B (1 S ), G 3I R B 3
HSV 颜色模型

•杆状细胞
每只眼睛大约有7600万个到15000万个杆状细胞。它广泛分布在
整个视网膜表面上，并且有若干个杆状细胞同时连接在一根神经上，
因此，这条神经只能感受多个杆状细胞的平均光刺激，使得在这些区 域的视觉分辨力显著下降，无法辨别图像中的细微差别，而只能感知
视野中景物的总的形象。杆状细胞不能感觉彩色，但对低照明度的景