第5章彩色图像处理

第5章彩色图像处理•颜色基础•颜色模型•颜色处理5.1颜色基础色谱可分为6个宽的区域：紫色、蓝色、绿色、黄色、橘红色和红色彩色是由物体的反射光的性质决定的：�白色：反射光如果在所有可见光波长范围内是平衡的。�彩色：仅反射有限的可见光谱。人眼中红、绿、蓝锥体的波长吸收函数�人是通过人眼视网膜上的600‾700万个锥状细胞来感知色彩的，其中65%对红光敏感33%对绿光敏感2%对蓝光敏感三基色原理自然界中可见颜色都可以用三种原色按一定比例混合得到；反之，任意一种颜色都可以分解为三种原色；作为原色的三种颜色应该互相独立，即其中任何一种都不能用其他两种混合得到；三原色之间的比例直接决定混合色调的饱和度；混合色的亮度等于各原色的亮度之和。三基色原理C1、C2、C3为三原色（又称为三基色）A、b、c为三种原色的权值（即三原色比例或浓度）C为所合成的颜色，可为任意颜色321cCbCaCC0,,cba三基色原理红色+绿色=黄色红色+蓝色=品红绿色+蓝色=青色红色+绿色+蓝色=白色BGRY114.0587.0299.0BGRY071.0707.0222.0PAL电视制式NTSC电视制式白色光Y与三基色关系相加混色实例5.2颜色模型•彩色模型的作用是在某些标准下以可以接受的方式简化彩色规范。•RGB模型：彩色监视器、摄像机•CMY模型和CMYK模型：彩色打印机•HSI模型：符合人描述和解释颜色，把图像分成彩色和灰度信息•YUV模型和YIQ模型：电视、视频编码加色混色模型以RGB三色光互相叠加来实现混色的方法适合于显示器等发光体的显示RGB模型任何一种颜色在RGB颜色空间中都可以用三维空间中的一个点来表示像素深度：表示一个像素的比特数24位：(28)3=16777216CMY模型减色混色模型减色基：青(Cyan)、品红(Magenta)、黄(Yellow)是加色基R、G、B的补色颜色是从白光中减去一定成分得到的适合于彩色打印，印刷行业等CMY模型青(C)=(红色光+绿色光+蓝色光)-红色光=绿色+蓝色品红(M)=(红色光+绿色光+蓝色光)-绿色光=红色+蓝色黄(Y)=(红色光+绿色光+蓝色光)-蓝色光=红色+绿色CMY模型与RGB模型关系BGRYMC111CMY模型RGB空间的彩色图像CMY空间的彩色图像RGB与CMY空间的转换印刷时CMY模型不可能产生真正的黑色，因此在印刷业中实际上使用的是CMYK彩色模型，K为第四种颜色，表示黑色.KYYKMMKCCYMCK),,min(从CMY到CMYK的转换公式CMY模型MATLAB图像处理工具箱使用函数imcomplement实现RGB空间与CMY空间的相互转换，其常用调用方式如下：CMY=imcomplement（RGB）其中RGB可以是二值图像、灰度图像或彩色图像，而CMY与RGB互余。例将RGB图像转换到CMY空间I=imread('glass.png');J=imcomplement(I);subplot(121),imshow(I);title('RGB空间图像')subplot(122),imshow(J);title('CMY空间图像')HSI模型HSI模型用H、S、I三参数描述颜色特性H定义颜色的波长，称为色调S表示颜色的深浅程度，称为饱和度I表示强度或亮度HSI颜色模型反映了人的视觉对色彩的感觉HSI模型色调H由角度表示，它反映了颜色最接近什么样的光谱波长，即光的不同颜色。通常假定0°表示的颜色为红色，120°的为绿色，240°的为蓝色。从0°到360°的色相覆盖了所有可见光谱的彩色饱和度S表征颜色的深浅程度，饱和度越高，颜色越深。饱和度参数是色环的原点（圆心）到彩色点的半径的长度。在环的边界上的颜色饱和度最高，其饱和度值为1；在中心的饱和度为0。HSI模型亮度I是指光波作用于感受器所发生的效应，其大小由物体反射系数来决定，反射系数越大，物体的亮度愈大，反之愈小。如果把亮度作为色环的垂线，那么H、S、I构成一个柱形彩色空间。灰度阴影沿着轴线自下而上亮度逐渐增大，由底部的黑渐变成顶部的白。圆柱顶部的圆周上的颜色具有最高亮度和最大饱和度。HSI模型三原色（原图）（b）H分量（c）S分量（d）I分量三原色RGB空间及其在HSI空间的各个分量HSI模型2/12)])(()[(2/)]()[(arccos2)],,[min()(31)(31BGBRGRBRGRBGBGHBGRBGRSBGRIRGB模型HSI模型HSI模型RGB模型oB=I(1-S)ScosHR=I1+cos(60-H)G=3I-(B+R)ooR=I(1-S)Scos(H-120)G=I1+cos(180-H)B=3I-(G+R)ooG=I(1-S)Scos(H-240)B=I1+cos(300-H)R=3I-(B+G)0120H120240H240360H例将RGB图像转换到HSI空间rgb=imread('lena.jpg');subplot(221),imshow(rgb);title('原始图像')rgb1=im2double(rgb);r=rgb1(:,:,1);g=rgb1(:,:,2);b=rgb1(:,:,3);I=(r+g+b)/3;tmp1=min(min(r,g),b);tmp2=r+g+b;tmp2(tmp2==0)=eps;S=1-3.*tmp1./tmp2;tmp1=0.5*((r-g)+(r-b));tmp2=sqrt((r-g).^2+(r-b).*(g-b));theta=acos(tmp1./(tmp2+eps));H=theta;H(bg)=2*pi-H(bg);H=H/(2*pi);H(S==0)=0;hsi=cat(3,H,S,I)subplot(222),imshow(H);title('H分量')subplot(223),imshow(S);title('S分量')subplot(224),imshow(I);title('I分量')•YIQ是NTSC制式采用的颜色空间。•NTSC是由EIA（美国电子工业协会）所发起及创办的图像输出制式，其标准主要应用于日本和北美等地区。•Y分量代表图像的亮度信息，I、Q两个分量则携带颜色信息，I分量代表从橙色到青色的颜色变化，而Q分量则代表从紫色到黄绿色的颜色变化。•YIQ模型的优点是将灰度信息和颜色信息区分开来。YIQ模型Y0.299R0.587G0.114BI0.596R0.275G0.321BQ0.212R0.523G0.311BRY0.956I0.621QGY0.272I0.647QBY1.107I1.704QYIQ模型RGB模型MATLAB图像处理工具箱使用rgb2ntsc函数和ntsc2rgb函数实现RGB空间和NTSC空间之间的转换。其常用的调用方法如下：NTSC=rgb2ntsc(RGB)RGB=ntsc2rgb(YCBCR)其中RGB和NTSC分别表示RGB空间和NTSC空间的图像值。RGB=imread('board.tif');%读取图像NTSC=rgb2ntsc(RGB);%转换到NTSC空间RGB2=ntsc2rgb(NTSC);%转换到RGB彩色空间subplot(121);imshow(NTSC);title('NTSC空间图像')%显示NTSC空间的图像subplot(122);imshow(RGB2);title('RGB空间图像')%显示RGB彩色空间的图像例实现NTSC空间和RGB空间的转换。•YUV颜色模型为PAL制式使用的电视信号传送的颜色模型。•PAL电视制式是由德国在综合NTSC制式的技术成就基础上研制出来的一种改进方案。PAL制式的RGB三基色与NTSC及CIE的三基色均不同，但可以相互转换，中国采用该电视制式。•YUV是用于真彩色空间的表示，Y代表亮度信息，U、V分别代表色度（色差）信息。YUV模型YUV模型RGB模型Y0.299R0.587G0.114B0.147130.288860.436V0.615R0.514990.10001URGBGB2.032110.394650.580601.13983RYUGYUVBYVYCbCr模型YCbCr模型充分考虑人眼的视觉特性，以降低彩色数字图像存储量，是一种适合于彩色图像压缩的模型。YCbCr模型与YUV模型一样，由亮度Y、色差Cb、色差Cr构成。与YUV模型不同的是，在构造色差信号时，充分考虑了R、G、B三个分量在视觉感受中的不同重要性。YUV主要用于模拟信号，YCbCr则用于数字信号。YCbCr模型RGB模型0.2990.5870.1142(10.114)()2(10.299)()brYRGBCBYCRY0.71330.5643(0.2990.114)/0.587rbRYCBYCGYRBMATLAB图像处理工具箱使用rgb2ycbcr函数和ycbcr2rgb函数实现RGB空间和YCbCr空间之间的转换。其常用的调用方法如下：YCBCR=rgb2ycbcr(RGB)RGB=ycbcr2rgb(YCBCR)其中RGB和NTSC分别表示RGB空间和NTSC空间的图像值。例5-5RGB空间和YCbCr空间之间的转换。RGB=imread('board.tif');%读取图像YCBCR=rgb2ycbcr(RGB);%把RGB空间图像转换到YCbCr空间subplot(121);imshow(RGB);title('RGB空间图像')%显示RGB空间图像subplot(122);imshow(YCBCR);title('NTSC空间图像')%显示YCbCr空间图像5.3颜色处理灰度转化为彩色，伪彩色处理彩色转化为灰度，灰度化处理彩色图像的灰度化处理•最大值法：使R、G、B的值等于3值中最大的一个•平均值法：使R、G、B的值求出平均值•加权平均值法：根据重要性或其他指标给R、G、B赋予不同的权值，并使R、G、B的值加权平均max(,,)RGBRGB1()3RGBRGBrgbRGBWRWGWBRGB=imread('lena.jpg');%读取RGB格式的图像Gray1=rgb2gray(RGB);%加权平均法[rows,cols,colors]=size(RGB);%得到RGB图像矩阵的参数Gray2=zeros(rows,cols);%创建一个全零矩阵，用来存储产生的灰度图像Gray2=uint8(Gray2);%将创建的全零矩阵转化为uint8格式Gray3=zeros(rows,cols);Gray3=uint8(Gray3);fori=1:rowsforj=1:colssum1=0;sum2=0;fork=1:colorssum1=sum1+RGB(i,j,k)/3;%均值法sum2=sum2+max(RGB(i,j,k));%最大值法endGray2(i,j)=sum1;Gray3(i,j)=sum2;endendsubplot(221);imshow(RGB);title('RGB图像')subplot(222);imshow(Gray1);title('加权平均法')subplot(223);imshow(Gray2);title('均值法')subplot(224);imshow(Gray3);title('最大值法')伪彩色处理伪彩色处理是指将黑白图像转化为彩色图像，或者是将单色图像变换成给定彩色分布的图像。基本原理是将黑白图像或者单色图像的各个灰度级匹