第六讲彩色图像处理.

第六讲彩色图像处理西安电子科技大学机电工程学院王义敏为什么研究彩色图像？第一、颜色是一个强有力的描绘子：1、简化目标物的区分和从场景中提取目标第二、符合人类视觉的特点（对人工图像分析很重要）2、目标识别：根据目标的颜色特征。1、可辨别的灰度层次约有四十种2、对颜色的辨别能力和亮度-光波波长改变1-2nm，人眼即可感觉到-人眼同时可辨别几千种不同色彩和亮度的颜色-目标物的颜色变小时，色觉颜色也变，面积小到一定程度，颜色变为灰色-目标物的色度相同而背景色度不同，感觉到不同的颜色-一个纯黑白物在特定条件下表现为不同的颜色（Benham黑白园板）Note：1、视觉是一种生理和心理现象，其机理在探索中。对彩色(颜色)的许多结论是建立在实验和理论结果支持的基础上。2、对彩色图像的处理是基于对其适当的描述方法。一、彩色基础400nm700nm紫外光红外光可见光区546.1nm435.8nm780nm光的吸收率蓝紫色紫蓝色400450500550600650700nm蓝色蓝绿色绿色黄绿色黄色橙色红橙色红色蓝绿红人眼中红绿蓝锥状体的波长吸收系数人类视觉对红、绿、蓝三种颜色的光最为敏感。从而构成了三基色假说。三基色假说(格拉斯曼定律)：三基色是这样的三种颜色，它们相互独立，其中任一色均不能由其它二色混合产生。但它们又是完备的，即其它所有的颜色都可以由三基色按照不同的比例混合而得到。任何颜色均可有RGB产生：C=a(R)+b(G)+c(B)两种基色系统：加色系和减色系统方法一：区别颜色的三特性：亮度、色调和饱和度二、颜色的描述亮度：包含无色的强度的概念。主观描述不可测量色调：光波混合中和主波长有关的属性，观察者接受的主要颜色。饱和度：色彩的纯度，纯度高则鲜明，纯度低则黯淡。如粉红色(红+白)欠饱和，纯谱色是全饱和。色调与饱和度一起成为彩色。三色值系数：ZYXXxZYXYyZYXZzX、Y、Z分别表示某种颜色中红绿蓝的量，即三色值。方法二：CIE色度图1、RGB彩色模型（面向硬件）笛卡尔坐标系中以700nm(红)、546.1nm(绿)、435.8nm(蓝)为三基色。三、彩色模型R:200G:50B:120黄(255,255,0)黑(0,0,0)绿(0,255,0)青(0,255,255)蓝(0,0,255)品红(255,0,255)白(255,255,255)红(255,0,0)1、CCD直接感知的是RGB三个分量；2、图像成像、显示、打印等设备的基础。RGB正方体模型的展开2、HSI模型符合人描述和解释颜色的方式。如：红色分为浅红和深红色等H：色调，I：亮度，S：饱和度I：亮度H：色调S：饱和度（圆周为1，中心为0）Note：亮度与色调和饱和度分开；仅分析反应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。HIS模型色调（H）的效果示意图H=0ºH=60ºH=120ºH=180ºH=240ºH=300ºHSI模型的优势1、从人的视觉系统出发，有H、S、I描述色彩2、相比REG彩色空间模型，更符合人的视觉特点3、在图像处理和计算机视觉中的大量算法都可在HIS空间中方便的使用4、H、S、I可以分开处理而且相互独立I分量与图像的彩色信息无关；HS分量与人感受颜色的方式紧密相连。5、HIS色彩空间中可以简化图像分析和处理的工作量6、HIS和RGB是同一物理量的不同表示方法，因而可以相互转化3、RGB和HIS之间的转换)(31BGRIBGRBGRS),,min(31))(()()]()[(cos2211BGBRGRBRGR2GBHGBRGB→HSIHSI→RGB])60cos()cos(1[HHSIR)1(SIBBRIG3时当1200H])180cos()120cos(1[HHSIG)1(SIRGRIB3时当240120H时当360240H])300cos()240cos(1[HHSIB)1(SIGBGIR3注意：300~360之间为非可见光谱色，没有定义RGB分量和与之对应的HIS图像分量RGB→HSIRGB分量和与之对应的HIS图像分量HSI→RGB色调蓝绿区域像素为零青色区域饱和度减半饱和度白区强度减半强度RGB伪彩色处理是根据特定的准则对灰度值赋以彩色的处理，是区别于真彩色处理和对单色图像赋以彩色的处理。四、伪彩色处理应用：人类视觉观察和解释图像中的灰度目标。伪彩色处理方法：1、强度分层2、灰度级到彩色的转换1、强度分层技术图像的描述）（),(,,yxfyx强度分层技术的几何解释对切割平面以下部分编码为一种色彩，以上部分编码为一种色彩，获得一幅两色图像。分层技术总结：垂直于灰度轴的P个平面（分为p+1个间隔）的量级定义为：10,,,21Lplllp灰度到彩色的幅值关系：kcyxf),(kyxfV),(Ck是与强度间隔为Vk的第k级强度有关的颜色，Vk由l=k-1和l=k分割平面定义。例1强度分层甲状腺模型及其强度分层图甲状腺模型的单色图像强度分为8个彩色的图像单色灰度图像很难分辨出病变，强度分层图像很容易辨别病变部位。例2焊缝缺陷的检测焊缝X光的单色图像彩色编码的图像在灰度级是已知的前提下，强度分层在可视化方面是简单而有力的手段。简化工作，降低失误率。例3降雨量的观察强度与月平均降雨量对应的灰度图像南美区域放大图彩色编码图像对强度值赋予颜色2、灰度级到彩色转换灰度级到彩色变换图灰度级到彩色的变换是基于平滑的非线性函数。例4行李中爆炸物的检测行李的X光单色图像彩色编码图像例5木星的伪彩色图像木星的伪彩色图像靠近木星的伪彩色图像红色部分为活火山喷出的物质周围黄色物质为陈旧的硫沉积物全彩色处理研究分为两大类：五、全彩色处理1、分别处理每一分量图像，再合成彩色图像；2、直接处理彩色像素。此时像素作为一个向量),(),(),(),(),(),(),(yxByxGyxRyxcyxcyxcyxcBGR1、变换函数六、彩色变换g(x,y)：变换后的彩色输出图像),(),(yxfTyxgf(x,y)：彩色输入图像T：在空间邻域（x,y）上对f的操作。2、彩色变换),,,(21niirrrTsri、si：任何点处彩色分量的变量在RGB、HIS彩色空间，n=3；草莓和咖啡杯的全彩色图像草莓由深红和黄色组成草莓包含大量的红色，绿色和蓝色很少强度分量是全彩色原像的单色复现；草莓的饱和度最高，色调被白光稀释的最少3、补色定义：在图示彩色环上，与一种色调直接对立的另一种色调称为补色作用：增强嵌在彩色图像暗区的细节，特别是在大小上占支配地位的细节。例6计算彩色图像的补色基于RGB变换的补色图像变换函数用HIS变换的RGB补色的近似4、彩色分层突出图像中特殊才彩色区域，以便分离出目标物。基本思路：1、显示感兴趣颜色以便从背景中分离；2、在彩色定义的区域中使用处理技术。方法：若感兴趣颜色有宽度W，中心在原彩色(平均)点并具有分量(a1,a2,…..,an)的立方体中，其变换集为：n,1,2,2W5.01ielserarsinjjji若感兴趣的颜色是半径为R0的封闭球形，则其变换集为：n,1,2,5.01202ielserRarsinjjji）（例7、彩色分层技术RGB=（0.6863,0.1608,0.1922）W=0.2549的立方体区域RGB=（0.6863,0.1608,0.1922）R0=0.1765的封闭球形区域5、色调和彩色校正目的：试验性地调整图像亮度和对比度，以便在合适的亮度上提供最大的细节，彩色本身并不改变。例8灰度变换HIS空间中仅改变亮度分量，RGB和CMY(K)空间中用相同的变换函数映射各个分量。例9彩色平衡6、HIS空间下的直方图均衡均匀扩展彩色强度，保留彩色本身(色调)不变。例10直方图均衡1、彩色图像平滑六、平滑和尖锐化原则：在彩色图像邻域中对分量向量做均值处理。xyStstscKyxc),(),(1),(令Sxy表示在RGB彩色图像中定义一个中心在(x,y)的邻域的坐标集，在该领域中中RGB分量的平均值为：xyxyxyStsStsStstsBKtsGKtsRKyxc),(),(),(),(1),(1),(1),(例11彩色图像平滑RGBRedGreenBlueHIS分量图像HSI5X5平均模板平滑图像的结果RGB平滑图HIS强度分量平滑后的RGB图像二者差异彩色图像的平滑处理2、彩色图像尖锐化向量的拉普拉斯微分算子：输入向量的独立标量分量的拉普拉斯微分RGB彩色图像中向量c的拉普拉斯变换为：),(),(),(),(2222yxByxGyxRyxc例12拉普拉斯尖锐化RGB锐化图像HIS仅对强度锐化后的RGB图像二者差异彩色图像的锐化处理1、HSI彩色空间分割(效果差)七、彩色分割H色调图像描述彩色很方便；S饱和度作为模板分离出感兴趣目标；强度不包含彩色信息而不常用。2、RGB向量空间分割(效果更好)目的：分割出特殊彩色区域的目标。首先获得目标的有代表性的彩色点样品集，其次在某一种距离测度上，给满足相似性度量的像素点集编码即可。选择在欧式空间的距离度量：设选择的彩色平均向量为a，距离阈值为D0，则：2/12222/1)()()((BBGGRRazazazDa)(za)(zazz)a,T满足D(a,z)≤D0的点集构成一个球心在a，半径为D0的实心球。更一般选择的距离测度为：2/11(a)(zCa)(zazz)a,TD原图色调H饱和度S强度I二值S二值S与H相乘相乘的直方图原图红分量的分割例13HIS空间分割(微红色区域)例14RGB空间分割(微红色区域)选择方形区域做样本，计算中心a，盒子的尺度为标准差的1.25倍HIS分割记过1、HSI彩色空间分割(效果差)八、彩色图像噪声欢迎提任何问题7.4用彩色信息进行图像识别本节中，我们给出一个实例对基于彩色信息的图像识别加以讨论。7.4用彩色信息进行图像识别110084的NNF7.4用彩色信息进行图像识别164的NNF7.4用彩色信息进行图像识别两种算法的效果比较