彩色图像处理课件

1、主要内容10.1 颜色基础颜色基础10.2 颜色模型与颜色空间变换颜色模型与颜色空间变换10.3 彩色图像处理基础彩色图像处理基础10.4 彩色图像的常规处理彩色图像的常规处理10.5 彩色平衡处理彩色平衡处理10.6 彩色补偿处理彩色补偿处理10.1 颜色基础颜色基础可见光的波长范围约为可见光的波长范围约为380nm780nm.1666年年, Newton红、橙、黄、绿、红、橙、黄、绿、青、青、蓝、蓝、靛、靛、紫紫red, orange, yellow, green, cyan, blue, indigo, violet10.1 颜色基础颜色基础10.1 颜色基础颜色基础n颜色是外来的光刺激

2、作用于人的视觉器官而产生的主观感觉，颜色是外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉，它具有它具有色调色调、饱和度饱和度和和亮度亮度三个特性。物体的颜色不仅取决三个特性。物体的颜色不仅取决于物体本身，还与光源、周围环境的颜色，以及观察者的视于物体本身，还与光源、周围环境的颜色，以及观察者的视觉系统有关系。觉系统有关系。n具有不同光谱分布的光产生的颜色感觉是有可能一样的。我具有不同光谱分布的光产生的颜色感觉是有可能一样的。我们称两种光的光谱分布不同而颜色相同的现象为们称两种光的光谱分布不同而颜色相同的现象为“异谱同异谱同色色”。 10.1 颜色基础颜色基础n色调（色调（hue）又称为色相，是

3、当人眼看到一种或多种波长的又称为色相，是当人眼看到一种或多种波长的光时所产生的彩色感觉，它反映颜色的种类。光时所产生的彩色感觉，它反映颜色的种类。 n饱和度（饱和度（saturation）是指颜色的纯度，可用来区别颜色的是指颜色的纯度，可用来区别颜色的深浅程度。混入的白光越少，饱和度越高，颜色越鲜明。深浅程度。混入的白光越少，饱和度越高，颜色越鲜明。 n亮度（亮度（intensity）是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知属性。的感知属性。n通常把色调和饱和度称为通常把色调和饱和度称为色度（色度（chromaticity）。亮度表示。亮度表示颜色的明亮程

4、度，而色度则表示颜色的类别与深浅程度。颜色的明亮程度，而色度则表示颜色的类别与深浅程度。 10.1 颜色基础颜色基础n1802年，年，Thomas Young提出假设：提出假设：人眼有三种相当于红、人眼有三种相当于红、绿、蓝三种基色的颜色感知器绿、蓝三种基色的颜色感知器。n19世纪世纪60年代，年代，Maxwell认识到认识到人眼对色调与饱和度比亮人眼对色调与饱和度比亮度的敏感度低度的敏感度低。n三色学说：某种波长的光可以通过三种不同波长的光混合而三色学说：某种波长的光可以通过三种不同波长的光混合而复现，红、绿、蓝三种单色光可作为基本的颜色复现，红、绿、蓝三种单色光可作为基本的颜色原色原色。n

5、生理学试验表明，视网膜上的光感受器可分锥细胞和杆细胞，生理学试验表明，视网膜上的光感受器可分锥细胞和杆细胞，锥细胞对彩色敏感，杆细胞对亮度敏感锥细胞对彩色敏感，杆细胞对亮度敏感。锥细胞可分为。锥细胞可分为3类，类，分别对红、绿、蓝敏感，约各占分别对红、绿、蓝敏感，约各占65%、33%、2%。10.1 颜色基础颜色基础吸吸收收率率445nm 535nm575nm红、绿、蓝视锥细胞对可见光谱的吸收特性红、绿、蓝视锥细胞对可见光谱的吸收特性10.1 颜色基础颜色基础光的三基色：光的三基色：red, green, blue颜料的三基色颜料的三基色: magenta(洋红色洋红色), cyan(青色青色

6、), yellowMagenta = Red + BlueCyan = Blue + GreenYellow = Red + Green加色法加色法减色法减色法10.1 颜色基础颜色基础C=R（R）+G（G）+B（B）颜色匹配试验颜色匹配试验1931, CIE 三基色三基色:Green 435.8nmBlue 546.1nmRed 700.0nm10.1 颜色基础颜色基础1931 CIE RGB颜色匹配曲线颜色匹配曲线三三色色刺刺激激值值通过颜色匹配实验，用通过颜色匹配实验，用红、绿和蓝三基色光匹红、绿和蓝三基色光匹配成白光时，所需要的配成白光时，所需要的红、绿和蓝基色光的光红、绿和蓝基色光的

7、光通量之比为通量之比为1:4.5907:0.0601。规定。规定三基色光的单位，分别三基色光的单位，分别用用(R)、(G)和和(B)表示。表示。10.1 颜色基础颜色基础CIE rg色度图色度图1)/()/()/(bgrBGRBbBGRGgBGRRrrg10.1 颜色基础颜色基础n利用利用RGB三原色混合某些色彩时，三原色混合某些色彩时，会出现负的三刺激值会出现负的三刺激值，导，导致这些颜色不能物理实现。致这些颜色不能物理实现。n1931 CIE XYZ系统，就是系统，就是选用三个理想的原色选用三个理想的原色来代替实际来代替实际的三原色，从而将的三原色，从而将CIE-RGB系统中的光谱三刺激值

8、和色度坐系统中的光谱三刺激值和色度坐标标r、g、b均变为正值。均变为正值。rgbX1.275-0.2780.003Y-1.7392.767-0.028Z-0.7430.1411.602理想三原色理想三原色X，Y，Z的的三刺激值：三刺激值：10.1 颜色基础颜色基础1931 CIE 标准颜色匹配函数标准颜色匹配函数XYZ三三色色刺刺激激值值X=0.490R+0.310G+0.200BY=0.177R+0.812G+0.011BZ= 0.010G+0.990B纯光谱色纯光谱色混合色混合色10.1 颜色基础颜色基础三刺激值（三刺激值（tristimulus values）：产生某种颜色所需：产生某种

9、颜色所需红、绿、蓝的数量，分别用红、绿、蓝的数量，分别用X，Y，Z组成。组成。1)()()(zyxZYXZzZYXYyZYXXx色度图（色度图（Chromaticity Diagram）GRB10.1 颜色基础颜色基础RGB显示器的显示器的颜色显示范围颜色显示范围高质量打印设高质量打印设备的颜色显示备的颜色显示范围范围10.1 颜色基础颜色基础CIE 1931 xyY色度图的感知非均匀性色度图的感知非均匀性 XYZ系统和在它的色度图上表系统和在它的色度图上表示的示的两种颜色之间的距离与颜色两种颜色之间的距离与颜色观察者感知的变化不一致。观察者感知的变化不一致。 为了解决颜色空间的感知一致为了解

10、决颜色空间的感知一致性问题，性问题，1976年国际照明委员会年国际照明委员会CIE 1931 XYZ系统进行了非线性系统进行了非线性变换，变换，制定了制定了CIE 1976 L*a*b*颜颜色空间的规范。色空间的规范。10.1 颜色基础颜色基础nCIE LAB颜色系统是使用最广泛的物体颜色度量方法，是建颜色系统是使用最广泛的物体颜色度量方法，是建立在四色理论上的均匀颜色空间。立在四色理论上的均匀颜色空间。n四色理论四色理论：认为是红、黄、绿和蓝四种基色，组成：认为是红、黄、绿和蓝四种基色，组成红绿红绿（暧色）（暧色）和和黄蓝（冷色）黄蓝（冷色）两对对立色调，黑两对对立色调，黑-白是另外一对。白

11、是另外一对。nL*值代表光亮度值代表光亮度，其值从，其值从0(黑色黑色)100(白色白色)。a*和和b*代代表色度坐标表色度坐标，其中，其中a*代表红代表红-绿轴，绿轴，b*代表黄代表黄-蓝轴，它们的蓝轴，它们的值从值从010。a*=b*=0表示无色，因此表示无色，因此L*就代表从黑到白的就代表从黑到白的比例系数。比例系数。10.1 颜色基础颜色基础CIE LAB颜色空间颜色空间10.1 颜色基础颜色基础CIE LAB空间给定光亮度下的所有颜色空间给定光亮度下的所有颜色10.2 颜色模型与颜色空间变换颜色模型与颜色空间变换n颜色模型颜色模型也称也称颜色空间颜色空间、颜色系统颜色系统，用以定量地

12、描述颜色。，用以定量地描述颜色。每一种颜色在颜色空间中表现为一点每一种颜色在颜色空间中表现为一点n颜色模型大致可分为三类：颜色模型大致可分为三类：面向计算的面向计算的、面向设备的面向设备的、面向面向视觉的视觉的颜色模型颜色模型n颜色模型之间可相互转换颜色模型之间可相互转换10.2 颜色模型与颜色空间变换颜色模型与颜色空间变换n计算颜色模型计算颜色模型，又称色度学颜色模型，用于色差计算、分析，又称色度学颜色模型，用于色差计算、分析和颜色管理系统和颜色管理系统nCIE XYZ, CIE Lab, CIE Luvn面向设备的颜色模型面向设备的颜色模型，侧重于实际应用，用于存储、显示、，侧重于实际应用

13、，用于存储、显示、TV等等nRGB、CMY/CMYK、YUV、YIQ、YCbCrn面向视觉的颜色模型面向视觉的颜色模型，与人眼对颜色感知的视觉模型相似。，与人眼对颜色感知的视觉模型相似。nHSI、HSV、HSL10.2.1 RGB颜色模型颜色模型RGB (Red, Green, Blue)R:200 G:50B:120OriginImageGreenRedBlue10.2.1 RGB颜色模型颜色模型10.2.2 CMY/CMYK颜色模型颜色模型CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Black)BGRYMC111Black is the predominant color i

14、n printing.RGBCMYRGBCMYK)1/()1 ()1/()1 ()1/()1 ()1 ,1 ,1min(KKBYKKGMKKRCBGRK负像（负像（Color Negatives）R 1 RG 1 GB 1 B10.2.2 CMY/CMYK颜色模型颜色模型10.2.3 HSI 颜色模型颜色模型色调（色调（Hue）：）：用矢量与红用矢量与红轴的夹角表示。如轴的夹角表示。如H=0o,Red;H=120o ,Green; H=240o,Blue.饱和度（饱和度（Saturation）：）：用用矢量长表示，三角形边上点矢量长表示，三角形边上点的的S=1，中心，中心S=0.强度（强度（I

15、ntensity）：）：截平面截平面在在I轴上的位置，最底端轴上的位置，最底端I=0，最上端最上端I=1.10.2.3 HSI 颜色模型颜色模型饱和度效果图饱和度效果图S=0S=1S=1/4S=1/2H=010.2.3 HSI 颜色模型颜色模型亮度效果图亮度效果图I=0I=1I=1/4I=1/2S=1.0,H=0BGRBGRS),min(31)()()()(cos2211BGBRGRBRGR10.2.3 HSI 颜色模型颜色模型RGB to HSIGBGBH360)(31BGRI 1 , 0,BGR360,0H 1 , 0, IS10.2.3 HSI 颜色模型颜色模型HSI to RGB120

16、0H)(3)60cos()cos(1 )1 (BRIGHHSIRSIB10.2.3 HSI 颜色模型颜色模型HSI to RGB240120H)(3)60cos()cos(1 )1 (120GRIBHHSIGSIRHH10.2.3 HSI 颜色模型颜色模型HSI to RGB360240H)(3)60cos()cos(1 )1 (240BGIRHHSIBSIGHH10.2.4 HSV颜色模型颜色模型Hue, Saturation, Value在圆锥顶点处，在圆锥顶点处，V=0，H和和S无定义，代表黑无定义，代表黑色；圆锥顶面中心处，色；圆锥顶面中心处，S=0，V=1，H无定义，无定义，代表白色

17、；从圆锥顶点代表白色；从圆锥顶点到顶面圆心的连线，代到顶面圆心的连线，代表从黑到白的不同灰度。表从黑到白的不同灰度。HSV对应于画家的配色方法：对应于画家的配色方法：在纯色在纯色中加入白色改变色浓，加入黑色改变中加入白色改变色浓，加入黑色改变色深。色深。10.2.4 HSV颜色模型颜色模型 RGB to HSV 1 , 0,),(),(bgrbgrMINnbgrMAXm其中设000/ )(mmmnmsmvmbnmgrmgnmrbbgmrnmbgbgmrnmbgsh)/()(60240)/()(60120&)/()(60360&)/()(600010.2.4 HSV颜色模型颜色模

18、型 HSV to RGB表示取整设则如果,60/,60/; 0,360ihfhihh5,4,3,2,1,0,)1 (*1 (*)*1 (*)1 (*iqbpgvrivbpgtrivbqgpritbvgpripbvgqripbtgvrfsvtfsvqsvp则设10.2.5 HSL颜色模型颜色模型Hue, Saturation, LightnessL=0.5时，时，HSL颜色饱和颜色饱和度最高。度最高。V=1.0时，时，HSV颜色饱和颜色饱和度最高。度最高。RGB与与HSL之间的转换之间的转换略去，请自行推导，或略去，请自行推导，或参见参见林福宗林福宗多媒体技多媒体技术基础术基础。YUV、YIQ与

19、与YCbCr颜色空间颜色空间n人眼对彩色细节的分辨能力远比对亮度细节的分辨能力低人眼对彩色细节的分辨能力远比对亮度细节的分辨能力低，通常把通常把RGB空间表示的彩色图像变换到空间表示的彩色图像变换到YUV或者或者YIQ颜色颜色空间。每一种彩色空间都产生一种亮度分量和两种色度分空间。每一种彩色空间都产生一种亮度分量和两种色度分量，而且亮度信号量，而且亮度信号(Y)和色度信号和色度信号(U、V)是相互独立的。是相互独立的。n彩色电视信号中采用彩色电视信号中采用YIQ或者或者YUV空间空间一是为了兼容黑白一是为了兼容黑白电视，二是为了实现压缩电视，二是为了实现压缩。YCbCr主要用于数字电视。主要用

20、于数字电视。10.2.6 YUV颜色模型颜色模型YUV将亮度信号与色度信号分离。将亮度信号与色度信号分离。Y表示亮度，表示亮度，U、V表示表示色差。色差。 U和和V的比值决定色调，而的比值决定色调，而(U2+V2)1/2代表颜色的饱代表颜色的饱和度。用于和度。用于PAL制式的电视系统制式的电视系统BGRYRVBGRYBUBGRY100. 0515. 0615. 0)(877. 0436. 0289. 0147. 0)(493. 0114. 0587. 0299. 0UYBVUYGVYR03. 258. 039. 014. 110.2.7 YIQ颜色模型颜色模型YIQ模型与模型与YUV模型类似，

21、用于模型类似，用于NTSC制式的电视系统。制式的电视系统。I和和Q分量相当于将分量相当于将YUV空间中的空间中的UV分量做了一个分量做了一个33度的度的旋转。旋转。代入下式将)(493. 0),(877. 0YBUYRVQIYBQIYGQIYRBGRQBGRIBGRY703. 1106. 1000. 1647. 0272. 0000. 1621. 0956. 0000. 1,312. 0523. 0211. 0322. 0274. 0596. 0114. 0587. 0299. 0的变换到可完成YIQRGBUVQUVI33cos33sin33sin33cos10.2.8 YCbCr颜色模型颜色

22、模型YCbCr常用于彩色图像压缩，常用于彩色图像压缩，Y为亮度，为亮度，Cb和和Cr共同描述图共同描述图像的色调，分别为蓝色分量和红色分量相对参考值的坐标。像的色调，分别为蓝色分量和红色分量相对参考值的坐标。128)500. 03313. 01687. 0()(114. 01 (2128)0813. 04187. 0500. 0()(299. 01 (2114. 0587. 0299. 0BGRYBCBGRYRCBGRYbrbbrrbbrrbrCkCkYGCkYBCkYRkk*587. 0/114. 0*587. 0/299. 0,)114. 01(21)299. 01(21则有设Overvi

23、ew of Color Modelsn 设备相关的颜色模型设备相关的颜色模型，依赖于硬件的原色，依赖于硬件的原色.nRGB: 数码相机、扫描仪、显示器数码相机、扫描仪、显示器.nCMY / CMYK: 打印机，使用打印机，使用CMYK颜料（颜料（colored pigments）nHSI: 使用使用HSI 描述颜色，与人类视觉系统没有直接联系描述颜色，与人类视觉系统没有直接联系.n感知（感知（Perceptual）颜色模型）颜色模型，采用颜色匹配（，采用颜色匹配（CMF）nCIE RGB: tristimulus values obtained by CIE RGB CMFsnCIE XYZ:

24、 tristimulus values obtained by CIE XYZ CMFsn 感知均匀颜色模型感知均匀颜色模型，基于，基于CIE XYZnCIE L*u*v*: Lightness and approximately uniform uvnCIE L*a*b*: Lightness and approximately uniform ab10.3 彩色图像处理基础彩色图像处理基础两类处理方法：两类处理方法：1、单独处理颜色空间的每一个通道，再复合成结果图像；、单独处理颜色空间的每一个通道，再复合成结果图像；2、把像素的颜色看作颜色空间中的一个点，也可以看作是一、把像素的颜色看作颜

25、色空间中的一个点，也可以看作是一个向量，在向量空间中处理图像。个向量，在向量空间中处理图像。输入图像 (RGB)HSI输出图像 (RGB)分离通道通道处理通道合成10.3 彩色图像处理基础彩色图像处理基础输入图像 (RGB)RGB输出图像 (RGB)VersusRedGreenBlueHistogram equalizedIntensity histogram equalized10.4.1 彩色图像的常规处理彩色图像的常规处理彩色变换彩色变换例例1：消除红眼（：消除红眼（red eye）算法算法:（基于（基于HSI颜色空间实现图像分割）颜色空间实现图像分割）（1） RGB HSI（2） if

26、 - pi / 4 Hue 0.3make it gray: Saturation 0（3） HSI RGB10.4.2 彩色图像的常规处理彩色图像的常规处理图像分割图像分割10.4.2 彩色图像的常规处理彩色图像的常规处理图像分割图像分割例例2：检测皮肤：检测皮肤算法：（在算法：（在RGB向量空间中实现图像分割）向量空间中实现图像分割）（1）基于感兴趣区域（）基于感兴趣区域（Region of Interest, ROI）采样；）采样；（2） 统计样本的颜色特征：平均值和标准差；统计样本的颜色特征：平均值和标准差；（3）定义合适的包围盒；判断当前像素颜色，若处于包围盒）定义合适的包围盒；判断

27、当前像素颜色，若处于包围盒内，则保留；否则去除。内，则保留；否则去除。10.4.2 彩色图像的常规处理彩色图像的常规处理图像分割图像分割三种常用的包围盒三种常用的包围盒10.4.2 彩色图像的常规处理彩色图像的常规处理图像分割图像分割10.4.2 彩色图像的常规处理彩色图像的常规处理图像分割图像分割10.4.3 彩色图像的常规处理彩色图像的常规处理图像平滑图像平滑10.4.4 彩色图像的常规处理彩色图像的常规处理图像锐化图像锐化10.5 彩色平衡彩色平衡问题的提出：问题的提出： 当一幅彩色图像数字化后，在显示时颜色经常看起当一幅彩色图像数字化后，在显示时颜色经常看起来有些不正常，这是因为颜色通

28、道的不同敏感度、增来有些不正常，这是因为颜色通道的不同敏感度、增光因子、偏移量等原因导致，称之为三基色不平衡，光因子、偏移量等原因导致，称之为三基色不平衡，将其校正的过程就是彩色平衡。将其校正的过程就是彩色平衡。10.5 彩色平衡彩色平衡白平衡白平衡n原理原理n通过调整通过调整R、G、B分量的比例，使得本来应该是白色的像分量的比例，使得本来应该是白色的像素的颜色分量保持平衡。素的颜色分量保持平衡。n基本步骤基本步骤n求出图像中的最大亮度求出图像中的最大亮度Ymax和平均亮度和平均亮度n找出找出0.95Ymax的所有像素，假定这些点为白色点，求出的所有像素，假定这些点为白色点，求出它们的颜色分量平均值它们的颜色分量平均值n计算颜色调整系数计算颜色调整系数n调整整幅图像的红绿蓝分量调整整幅图像的红绿蓝