北理工贾云德《计算机视觉》第九章-彩色感知

第九章彩色感知Chapter9ColorPerceptionComputerVisionDepartmentofComputerScience@BIT颜色•颜色是一种随处可见的视觉感受，通常认为是由于不同波长的光作用于视觉系统，并引起不同刺激的结果.•光是由不同波段的光谱组成的，每个波段称为一个通道，各种波长的光的量的不同比例，形成不同的颜色，如短波光能量较大时呈现蓝色，相反呈现红色.ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BIT颜色•对应多个光谱的图像称为多光谱(multi-spectralimage)图象.•颜色是一种令人感兴趣的图像特征，但由于其所具有的丰富性和复杂性，目前在机器视觉中应用颜色进行图像分析与理解还很困难.ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BIT9.1人类颜色感知(HumanColorPerception)•为了产生、处理和分析颜色，需要了解人对颜色的反应过程.•可见光的波长分布在380nm到780nm之间，人的颜色感觉是不同波长的可见光刺激人的视觉器官的结果.•人类视网膜上有两类细胞：杆体细胞(rods)和锥体细胞(cones).对颜色的区分主要由锥体细胞完成.ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BITYoung-Helmholtz三色假说(Trichromacy)•存在三种具有不同响应的锥体感受器.当光线同时作用于这三种感受器时，三者产生的刺激不同，不同刺激的组合形成不同的颜色感觉.(Young-Helmholtz,1891）•三色假说得到了现代技术发展的证明:在人类视网膜中确实含有三种不同的光敏感性视色素，它们对光谱不同部位的敏感性是不同的.ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BIT三种锥体感受器的光谱敏感示意图(Wald,1964)ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BITRGB模型•用红(Red,R)、绿(Green,G)、蓝(Blue,B)三种颜色作为三基色，通过三基色的加权混合形成各种颜色.•RGB模型构成颜色表示的基础，其他颜色表示方法可以通过对RGB模型的变换得到.ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BIT9.2颜色表示(ColorRepresentation)•不同的颜色表示方法（或称颜色模型，颜色系统等等）都对应一个颜色空间(colorspace)，一种颜色是相应颜色空间中的一个点或矢量.•线性颜色空间（RGB模型的线性变换）RGB,CMY,XYZ,YIQ,YUV•非线性颜色空间（RGB模型的非线性变换）Nrgb,Nxyz,L*a*b*,L*u*v*,HSV(HSI)•各种颜色空间各有其特点和应用场合.ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BITRGB颜色空间ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BIT•选择具有确定光通量的红、绿、蓝三基色作为三维空间的基，组成RGB颜色空间，可以表示为单位立方体：RGB颜色空间•红、绿、蓝三基色光的波长国际标准分别为：700nm,546.1nm,435.8nm•标准白光的RGB光通量按以下比例混合而成：0601.0:5907.4:1::=ΦΦΦbgr相应的红、绿、蓝光作为单位基色量•任意一种彩色光的光通量为：)()()()(BBGGRRC++=)(63.0)(31.0)(06.0)(BGRC++=表示一种蓝绿色ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BIT规范化RGB颜色空间（Nrgb）•三基色的加权混合，不仅反映了彩色的色度，而且反映了彩色的亮度.•如果只对色度感兴趣，希望彩色不依赖于亮度变化，则只需考虑R,G,B之间的比例关系:BGRBbBGRGgBGRRr++=++=++=,,1=++bgr•r,g,b称为色度坐标，只有两个坐标是独立的，形成二维色度空间.ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BITr-g色度图ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BITCMY颜色空间•以青（Cyan），品红（Magenta），黄（Yellow）为三基色，其余同RGB颜色空间.ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BITRGB空间与CMY空间的关系•在RGB颜色空间中，颜色的形成是由黑到白的增色处理过程，用于屏幕的彩色输出.•在CMY颜色空间中，颜色的形成是由白到黑的减色处理过程，用于绘图和打印的彩色输出.•CMY和RGB的关系：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡BGRYMC111ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BITCIEXYZ颜色空间•使用RGB模型产生颜色时，原基色比例系数可能出现负数，使用起来不方便.同时，不同研究者使用的三基色和标准白光不同，使研究结果难以比较.•国际照明委员会：CIE(CommissionInternationaldel’Ecairage-theInternationalCommionsiononIllumination)定义了XYZ颜色模型.ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BITXYZ颜色空间•定义颜色是三基色X,Y,Z的加权组合:)()()(ZZYYXXC++=(X),(Y),(Z)是基色量，X,Y,Z是比例系数满足以下条件：1.三色比例系数X,Y,Z大于零；2.Y的数值等于彩色光的亮度；3.当X=Y=Z时表示标准白光.ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BITXYZ颜色空间•根据上述条件，可以得到XYZ与RGB之间的关系：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡BGRZYX5943.50565.00000.00601.05907.40000.11302.17517.17689.2)()()(ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BIT规范化XYZ颜色空间•对X,Y,Z三基色规范化：ZYXZzZYXYyZYXXx++=++=++=,,•只需考虑两个独立分量.ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BIT纯彩色紫色线白色CIE1931年x-y色度图ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BIT规范化XYZ颜色空间(Nxyz)•色度图中的颜色范围可以表示成直线段或多边形.互补色主波段ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BITRGBNTSC制式(0.670,0.323)(0.214,0.710)(0.140,0.084)PAL制式(0.640,0.330)(0.290,0.600,)(0.150,0.060)CIE模型(0.735,0.265)(0.274,0.717)(0.167,0.009)彩色监视器(0.628,0.346)(0.268,0.588)(0.150,0.070)几种颜色模型在x-y色度图中的位置：ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BITYIQ颜色空间•在XYZ颜色空间的基础上，美国国家电视系统委员会（nationaltelevisionsystemcommittee,NTSC）制定了YIQ颜色空间：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−−−=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡BGRQIY312.0523.0211.0322.0274.0596.0114.0587.0299.0•Y表示亮度信息，保证彩色电视与黑白电视的兼容ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BITYUV颜色空间•欧洲电视系统彩色标准：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−−−−=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡BGRVUY100.0515.0615.0437.0289.0147.0114.0587.0299.0ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BIT线性颜色空间的问题•通过基色的比例关系定义不同色彩，难以用准确数值表示，定量分析比较困难.•各基色成分的相关性很高，受亮度变化影响大.•人眼通过颜色的亮度、色调以及饱和度区分物体，不能直接感觉基色的比例.•不是一致的颜色空间，即不能用一致的尺度度量颜色差异，因此不能有效的比较颜色.•主要用于颜色显示，难以进行图像的处理与分析.ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BIT椭圆区域（放大显示）表示人眼无法与椭圆中心颜色进行区分的颜色范围，椭圆的大小、方向随着中心位置的变化而变化，因此不能用空间中的欧式距离度量颜色差异规范化XYZ空间非一致性示意图ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BIT颜色的三个基本属性•为了定量描述颜色对人眼的视觉作用，选择亮度(brightness)、色调(hue)、色饱和度(saturation)这三个与视觉特征有关的量来表示颜色，称为颜色的三个基本属性.•色调由物体反射光中占优势的波长决定(主波段)，是颜色的昀重要属性，决定基本的颜色感觉，如红、橙、紫等等.•色饱和度指颜色的鲜明程度，饱和度越高，颜色越深，如深红、浅红等.•亮度是光波作用于感受器的强度.ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BITCSSCCS)1(1−+=色调（主波段）色饱和度（白色和色调的相对比例）ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BIT颜色的三个基本属性•人眼大概可识别128种不同的色调、130种不同的色泽（色饱和度级），根据不同的色调，还可识别相应的亮度(明暗级).总共可以识辨出大约266240种不同的颜色.•对于机器视觉来说，128种色调、8种色饱和度级和16种明暗级基本够用.ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BITHSV颜色空间•将色调、色饱和度和亮度编码成RGB彩色值不利于机器视觉算法的实现．比如识别不同颜色物体的简单方法是设定色调阈值，但是在RGB空间中很难回答以下问题:这些色调阈值在RGB空间位于何处？在RGB空间中，如何将对应于不同色彩物体的色彩区域分离，分离曲面的形状是什么？将色调阈值转换为RGB表示的公式是什么？因此需要建立HSV模型.ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BITHSV颜色空间•根据色调（hue）、色饱和度（saturation）和明度值(value)建立HSV颜色模型.有的用intensity,brightness,lightness等代替value，得到HSI,HSB,HSL等模型.•从RGB表示可以推导出HSV表示.ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BITRGB空间到HSV空间的变换ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BITHSV颜色空间•r,g,b的所有可能值形成的轨迹是RGB空间正像限的三角形：ComputerVisionDepartmentofComputerScience@BITHSV颜色空间•明度值：)(31BGRV