第七章 彩色图像处理1讲解

第七章 彩色图像处理本章主要包括三部分教学内容： 1. 颜色的描述 2．颜色模式转换 3. 图像主色调提取7．1颜色的描述色度学是—门研究彩色计量的科学，其任务在于研究人眼彩色视觉的定性和定量规律及应用。

彩色视觉是人眼的—种明视觉。

彩色光的基本参数明亮度、色调和饱和度,称颜色三要素。

明亮度是光作用于人眼时引起的明亮程度的感觉。

一般来说，彩色光能量大则显得亮，反之则暗。

色调反映颜色的类别，如红色、绿色、蓝色等。

饱和度是指彩色光所呈现颜色的深浅或纯洁程度。

色调与饱和度又合称为色度，它即说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。

1730年牛顿利用三棱镜色散将白光分解成色谱，后来物理学认为可视光是波长在400nm~780nm 的电磁波，不同波长的可视光作用人眼产生颜色的感觉，如图7-1。

但是可视光如何作用于人眼而产生颜色的感觉，目前还不清楚。

1801年Young 提出了一种假设，认为视网膜上的视锥细胞有三种类型，即红视锥细胞、绿视锥细胞和蓝视锥细胞,分别对红、绿、兰三种光灵敏。

三种视锥细胞感应的光信号在人脑中产生颜色的心理感觉，这样即使不同光谱的光可能有相同颜色的感觉。

实验发现，人眼的颜色感觉取决于红、绿、蓝三种光分量的比例，而亮度感觉取决于红、绿、蓝三种光分量的代数和。

这个规律称为 Grassman 定律。

由此，利用红、绿、兰三种颜色可以组配不同的颜色，因而红、绿、兰称作颜色的三基色，记为R 、G 、B 。

白光(W)可由红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色相加而成，它们的光通量比例为 ΦR ：ΦG ：ΦB ＝ 1：4.5907：0.0601。

如果取光通量为1光瓦的红基色光为基准，要配出白光，需要4.5907光瓦的绿光和 0.0601光瓦的蓝光，而白光的光通量则为：Φw ＝1 + 4.5907 + 0.0601＝5.6508光瓦为简化计算，使用三基色单位制，记作[R]、[G]、[B]，它规定白光是由各为1个单位的三基色光组成，即：Ｗ = 1[R] + 1[G] + 1[B]符号=的含义是“可由…混合配出”。

彩色图像处理●彩色基础知识●彩色空间●伪彩色处理●全彩色图像处理●彩色变换●彩色图像平滑和尖锐化彩色图像基础●为什么要研究彩色图像处理？✓符合人类视觉特点人类可以辨别几千种颜色色调和亮度只能辨别几十种灰度层次✓有用的描绘子简化目标物的区分目标识别：根据目标的颜色特征彩色图像基础●彩色图像处理可分为：✓全彩色处理数码相机数码摄像机彩色扫描仪✓伪彩色处理对不同的灰度或灰度范围赋予不同的颜色彩色图像基础当一束白光通过一个玻璃棱镜时，出现的光束不是白光，而是由一端为紫色到另一端为红色的连续彩色谱组成彩色图像基础●光特性是颜色科学的核心●描述彩色光的3个基本量：✓辐射率：从光源流出能量的总量，用瓦特(W)度量✓光强：观察者从光源接收的能量总和✓亮度：主观描绘子彩色图像基础●三原色✓红色（Red）、绿色（Green）、蓝色（Blue）●原色相加可产生二次色✓深红色：红＋蓝✓青色：绿＋蓝✓黄色：红＋绿彩色图像处理●彩色基础知识●彩色空间●伪彩色处理●全彩色图像处理●彩色变换●彩色图像平滑和尖锐化彩色空间（也称彩色模型或彩色系统）●RGB●CMY和CMYK●HSI●YIQ●YUV●YCbCr彩色空间（也称彩色模型或彩色系统）●RGB✓CCD技术直接感知R,G,B三个分量✓是图像成像、显示、打印等设备的基础CMY和CMYK彩色空间●CMY(青、深红、黄)、CMYK (青、深红、黄、黑）✓运用在大多数在纸上沉积彩色颜料的设备，如彩色打印机和复印机✓CMYK打印中的主要颜色是黑色等量的CMY原色产生黑色，但不纯在CMY基础上，加入黑色，形成CMYK彩色空间彩色空间（也称彩色模型或彩色系统）●HSI(色调、饱和度、亮度）✓两个特点：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连的✓将亮度(I)与色调（H）和饱和度（S）分开✓避免颜色受到光照明暗(I)等条件的干扰✓仅仅分析反映色彩本质的色调和饱和度✓广泛用于计算机视觉、图像检索和视频检索彩色空间（也称彩色模型或彩色系统）●YIQ✓Y指亮度(Brightness),即灰度值✓I和Q指色调，描述色彩及饱和度✓用于彩色电视广播，被北美的电视系统所采用（属于NTSC系统）✓Y分量可提供黑白电视机的所有影像信息彩色空间（也称彩色模型或彩色系统）●YUV✓Y指亮度,与YIQ的Y相同✓U和V也指色调，不同于YIQ的I和Q✓用于彩色电视广播，被欧洲的电视系统所采用（属于PAL系统）✓Y分量也可提供黑白电视机的所有影像信息彩色空间（也称彩色模型或彩色系统）●YCbCr✓Y指亮度,与YIQ和YUV的Y相同✓Cb和Cr由U和V调整得到✓JPEG采用的彩色空间彩色空间转换1.RGB CMY2.RGB HSI3.RGB YIQ4.RGB YUV5.RGB YCbCr⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡B G R Y M C 111RGB和CMY值都归一化到[0,1]1、RGB CMY2⎩⎨⎧-=θθ360H ([()[⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=221arccos G R R θ()[B G R S min 31++-=()B G R I ++=31RGB图像和与之对应的HSI图像分量RGB图像色调饱和度强度2001200<≤H ()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=H H S I R 060cos cos 1G 00240120<≤H =H ()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=H H S I G 060cos cos 1B 00360240<≤H =H ()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=H H S I B 060cos cos 1R3、RGB YIQ ⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡211.0596.0299.0Q I Y 523.0274.0587.0--⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤-B G R 312.0322.0114.0⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡111B G R 106.1272.0956.0--⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤-Q IY 703.1647.0621.04、RGB YUV⎢⎢⎢⎣⎡-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡615.0148.0299.0V U Y 515.0289.0587.0--⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤-B G R 100.0437.0114.0⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡111B G R 032.2395.00-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤-V U Y 0581.0140.15、RGB YCbCr⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡05000.01687.02990.01Cr Cb Y 04187.03313.05870.0--⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤111281280B G R ⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡111B G R 77200.134414.040200.1-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--⎥⎥⎥⎦⎤-128128071414.00Cr Cb Y 00813.05000.01140.0-彩色图像处理●彩色基础知识●彩色空间●伪彩色处理●全彩色图像处理●彩色变换●彩色图像平滑和尖锐化伪彩色图像处理●什么叫伪彩色图像处理?✓也叫假彩色图像处理✓根据一定的准则对灰度值赋以彩色的处理✓区分：伪彩色图像、真彩色图像、单色图像●为什么需要伪彩色图像处理?✓人类可以辨别上千种颜色和强度✓只能辨别二十几种灰度伪彩色图像处理●应用✓为人们观察和解释图像中的灰度目标●怎样进行伪彩色图像处理？1.强度分层技术2.灰度级到彩色转换技术1、强度分层技术●把一幅图像描述为三维函数（x,y,f(x,y)）●分层技术：放置平行于(x,y)坐标面的平面●每一个平面在相交区域切割图像函数1、强度分层技术——定义()k c y x f =,k c 是与强度间隔第K级强度有关的颜色k V k V 是由在l=k-1和l=k 分割平面定义的令[0,L-1]表示灰度级，使l 0代表黑色（f(x,y)=0）,l L-1代表白色(f(x,y)=L-1)。

彩色图像处理1彩色基础彩色定义：彩色是物体的一种属性，他依赖于一下三个方面的因素。

（1）光源——照射光的谱性质或谱能量分布（2）物体——被照射物体的反射性质（3）成像接收器（眼睛或成像传感器）——光谱能量吸收性质2彩色模型彩色模型也称彩色空间或彩色系统，是用来精确标定和生成各种颜色的一套规则和定义，它的用途是在某些标准下用通常可接受的方式简化彩色规范。

彩色模型通常可以采用坐标系统来描述，而位于系统中的每种颜色都可由坐标空间中的单个点来表示。

RGB模型：该模型是工业界的一种颜色标准，是通过对红绿蓝三个颜色亮度的变化以及他们相互之间的叠加来得到各种各样的颜色的，该标准几乎包括了人类视觉所能感知的所有颜色，是目前运用最广的颜色模型之一。

CMY模型：采用青、品红、黄色三种基本原色按一定比例合成颜色的方法。

由于色彩的显示不是直接来自于光线的色彩，而是光线被物体吸收掉一部分之后反射回来的剩余光线所产生的，因此CMY模型又称减色法混合模型。

CMYK模型：CMY模型中加上黑色。

RGB与CMY之间的转换：在matlab中可以通过imcomplement（）函数方便的实现RGB和CMY之间的相互转换cmy=imcomplement(rgb);rgb=imcomplement(cmy);HSI模型：HSI模型是从人的视觉系统出发，直接使用颜色三要素——色调（hue）、饱和度（Sturation）和亮度（Intensity，有时也翻译作密度或灰度）来描述颜色@亮度是指人感觉光的明暗程度。

光的能量越大，亮度越大。

@色调是彩色最重要的属性，决定颜色的本质，由物体反射光线中占优势的波长来决定，不同的波长产生不同的颜色感觉。

@饱和度是指颜色的深浅和浓淡程度，饱和度越高，颜色越深。

饱和度的深浅和白色的比例有关，白色比例越多，饱和度越低。

从RGB到HSI的彩色转换及其实现figure;subplot(1,2,1);rgb=imread('plane.bmp');imshow(rgb);title('rgb');subplot(1,2,2);hsi=rgb2hsi(rgb);imshow(hsi);title('hsi');从HSI到RGB的彩色转换及其实现figuresubplot(1,2,1);hsi=imread('plane.bmp');imshow(hsi);title('hsi');subplot(1,2,2);rgb=hsi2rgb(hsi);imshow(rgb);title('rgb');HSV模型：是人们用来从调色板或颜色轮中挑选颜色（例如颜料、墨水等）所采用的的彩色系统之一。

彩色图像处理
1.基本内容 彩色基础 彩色模型 伪彩色处理 全彩色图像处理基础 彩色变换 平滑和尖锐化 彩色分割 彩色图像的噪声 彩色图像压缩
2.教学基本要求：了解彩色基础、RGB颜色模型以及HIS颜色模型，理解RGB颜色模型和HIS颜色模型的色度学基础和适用范围。

3.教学重点难点：彩色基础和模型、伪彩色处理、全彩色处理基础及彩色变换；不同颜色空间的定义和选择。

4.教学建议：介绍彩色图像处理方法的应用实例。

第七章：小波变换和多分辨率处理 1.基本内容 背景 多分辨率展开 一维小波变换 快速小波变换 二维小波变换 小波包 2.教学基本要求：了解小波变换的概念，掌握一维和二维小波变换。

3.教学重点难点：快速小波变换。

4.教学建议：课外自学。

第八章：图像压缩 1.基本内容 基础 图像压缩模型 信息论要素 无误差压缩 有损压缩 图像压缩标准 2.教学基本要求：了解图像压缩理论及模型，无损压缩、有损压缩，图像编码常用方法，图像编码评价方法，图像编码的国际标准。

3.教学重点难点：重点掌握无损预测编码，有损预测编码，变换编码系统。

难点是变换选择，子图像尺寸选择，比特分配。