数字图像处理chcolorimageprocessing资料学习教案

1、会计学1数字图像处理数字图像处理chcolorimageprocessing资料资料(zlio)第一页，共86页。第2页/共86页第二页，共86页。 彩色图像（Color Image）直观地说对应我们对周围彩色环境的感知（即对应人的视觉器官的感知）。从计算的角度，一幅彩色图像被看做一个向量函数（一般具有三个分量），设函数的范围是一个具有范数的向量空间，也称为彩色空间（Color Space）。 对于一幅（三通道(tngdo)的）彩色数字图像c，赋给一个像素三个向量分量f1、f2、f3： = （9.1） 设向量分量各自具有L个量化等级（通常情况下L可以取256)。 ( , )c x yTT123

2、123( , ),( , ),( , ),f x yfx yfx yfff第3页/共86页第三页，共86页。 假彩色图像（False-Color Image）与真彩色图像的定义形式类似，它允许将可见光以外的光谱也转换为彩色图像的向量分量。比如红外图像，其信息内容并不是来自可见光，将处在红外光谱的信息转换到了可见光的范围内。 伪彩色图像（Pseudocolor Image）是指将所选的像素编码或彩色化的图像。对这些像素，相关联的像素值（灰度值或彩色向量）被给定的彩色向量所替换。原始图像可以是灰度图像。 彩色量化一般通过索引的彩色（Indexed Color）来实现。例如，根据量化算法，从图像中选

3、择(xunz)256个彩色向量并放入彩色图（Colormap）或调色板（Palette）中，对每个像素列出其相关联的索引值，基于这个索引值，在显示器上选择(xunz)索引彩色来表示彩色图像。 第4页/共86页第四页，共86页。第5页/共86页第五页，共86页。n例如，绿色物体反射具有例如，绿色物体反射具有500570nm（纳米）范围的光，（纳米）范围的光，吸收其他波长光的多数能量。吸收其他波长光的多数能量。第6页/共86页第六页，共86页。图图9.1 可见范围电磁波谱的波长可见范围电磁波谱的波长(bchng)组成组成第7页/共86页第七页，共86页。第8页/共86页第八页，共86页。的权值或者

4、比例，的权值或者比例，C1、C2、C3为三原色（又称为三基色）。为三原色（又称为三基色）。第9页/共86页第九页，共86页。第10页/共86页第十页，共86页。(9.4)第11页/共86页第十一页，共86页。第12页/共86页第十二页，共86页。第13页/共86页第十三页，共86页。第14页/共86页第十四页，共86页。 色调(s dio)和饱和度一起称为彩色，因此，颜色用亮度和彩色表征。 形成任何特殊颜色需要的红、绿、蓝的量称做三色值，并分别表示为X，Y，Z。进一步，一种颜色可用它的3个色系数表示，它们分别是：ZYXXxZYXYyZYXZz从以上(yshng)公式可得： x+y+z=1 第1

5、5页/共86页第十五页，共86页。 1931年CIE制定(zhdng)了一个色度图，如图9.4所示，图中波长单位是nm，用组成某种颜色的三原色的比例来规定这种颜色。 图中横轴代表红色色系数，纵轴代表绿色色系数，蓝色系数可由z=1-(x+y)求得。例如，图9.4中标记为绿的点有62%的绿和25%的红成分，从而得到蓝的成分约为13%。第16页/共86页第十六页，共86页。第17页/共86页第十七页，共86页。第18页/共86页第十八页，共86页。图图9.5 RGB混色效果图混色效果图 第19页/共86页第十九页，共86页。第20页/共86页第二十页，共86页。第21页/共86页第二十一页，共86页

6、。也不一样。例如若一幅也不一样。例如若一幅(y f)RGB图像是图像是 double类型的，类型的，则其取值范围在则其取值范围在0, 1之间，而之间，而如果是如果是uint8或者或者uint16类型的，类型的，则取值范围分别是则取值范围分别是0, 255和和0, 65535。第22页/共86页第二十二页，共86页。第23页/共86页第二十三页，共86页。nrgb_G=I(:, :, 2);nrgb_B=I(:, :, 3);第24页/共86页第二十四页，共86页。clearrgb_R=zeros(128,128);rgb_R(1:64,1:64)=1;rgb_G=zeros(128,128);

7、rgb_G(1:64,65:128)=1;rgb_B=zeros(128,128);rgb_B(65:128,1:64)=1;rgb=cat(3,rgb_R,rgb_G,rgb_B);figure, imshow(rgb), title(RGB彩彩色图像色图像); 结果结果(ji gu)：第25页/共86页第二十五页，共86页。 在用彩色打印机将彩色图像打印输出时，使用的是CMY和CMYK彩色模型。 红、绿、蓝称为(chn wi)加色基色，RGB模型称为(chn wi)加色混色模型。 在CMY彩色模型中，青（Cyan）、品红（Magenta）、黄（Yellow）是在白光中减去红、绿、蓝而得到的

8、，它们分别是红、绿、蓝的补色，所以，青、品红、黄称为(chn wi)减色基色，CMY模型称为(chn wi)减色混色模型。 大多数在纸上沉积彩色颜料的设备，如彩色打印机和复印件，要求输入CMY数据或在内部做RGB到CMY的转换。 转换操作（假设所有的彩色值都归一化为0，1范围） ： 111CRMGYB 第26页/共86页第二十六页，共86页。nI I表示强度或亮度。表示强度或亮度。第27页/共86页第二十七页，共86页。n HS的方式是紧密相连的。的方式是紧密相连的。第28页/共86页第二十八页，共86页。第29页/共86页第二十九页，共86页。第30页/共86页第三十页，共86页。 如果把亮

9、度作为色如果把亮度作为色环的垂线，那么环的垂线，那么H、S、I构成一个柱形彩色构成一个柱形彩色空间。空间。 HSI模型模型(mxng)的三个属性定义了一的三个属性定义了一个三维柱形空间，个三维柱形空间， 如如图图9.10所示：所示：图图9.10 柱形彩色柱形彩色(cis)空间空间第31页/共86页第三十一页，共86页。 从从RGBRGB到到HSIHSI的变换是一个的变换是一个(y )(y )非线性变换。非线性变换。 对任何三个在对任何三个在00，11范围内的范围内的R R，G G，B B值，值，)(31BGRI),min()(31BGRBGRSBGBGH2212)()()()(21arccos

10、BGBRGRBRGR其中(qzhng)：第32页/共86页第三十二页，共86页。 若设H，S，I的值在0，1之间，R，G，B的值也在0，1之间，则从HSI到RGB的转换(zhunhun)公式为：(1)当H在0，2/3之间B=I(1-S) )3cos(cos1HHSIRG=3I-(B+R) (2)当H在2/3，4/3之间(3)当H在4/3，2之间第33页/共86页第三十三页，共86页。【例9.2】将一幅彩色图像从RGB空间转换到HSI空间。其主要MATLAB程序如下：rgb=imread(i_flower673.jpg); rgb1=im2double(rgb); r=rgb1(:,:,1);

11、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; %避免(bmin)除数为0S=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); figure,imshow(rgb); figure,ims

12、how(H); figure,imshow(S); figure,imshow(I); （a）RGB原图像(t xin) （b）H分量 （c）S分量 （d）I分量图9.11 RGB原图像(t xin)到HSI空间的转换第34页/共86页第三十四页，共86页。 在遥感、医学、安全检查等图像处理中，为了直观地观察和分析图像数据，常采用将灰度图像映射到彩色空间的方法，突出兴趣区域或待分析的数据段，这种显示方法称为伪彩色处理。 伪彩色处理不改变像素的几何位置，而仅仅改变其显示的颜色。伪彩色处理是一种很实用的图像增强技术，主要(zhyo)用于提高人眼对图像的分辨能力。这种处理可以用计算机来完成，也可以用

13、专用硬件设备来实现。 第35页/共86页第三十五页，共86页。背景（背景（Background） 已知人类仅可以区分几十级灰度值而可以分辨几千种已知人类仅可以区分几十级灰度值而可以分辨几千种彩色，所以通过使用彩色，所以通过使用(shyng)彩色可以增加人类所能辨识彩色可以增加人类所能辨识的目标种类。在此之上，彩色还能增强图像的活泼性，这的目标种类。在此之上，彩色还能增强图像的活泼性，这样就会减少厌倦感并增加安检人员的关注度。样就会减少厌倦感并增加安检人员的关注度。 彩色编码的主要作用就是利用人类视觉系统的感知能彩色编码的主要作用就是利用人类视觉系统的感知能力以从图像中提取更多的信息，这也将提供

14、更好的对复杂力以从图像中提取更多的信息，这也将提供更好的对复杂数据集合的定性综合观察，并能帮助在场景中相邻的相似数据集合的定性综合观察，并能帮助在场景中相邻的相似区域中辨识出感兴趣区域以进行更仔细的定量分析。区域中辨识出感兴趣区域以进行更仔细的定量分析。 第36页/共86页第三十六页，共86页。基本原理：将灰度图像或者单色图像的各个灰度级匹配到彩色空间中的一基本原理：将灰度图像或者单色图像的各个灰度级匹配到彩色空间中的一点点(y din)(y din)，从而使单色图像映射成彩色图像。，从而使单色图像映射成彩色图像。 设设f(xf(x，y)y)为一幅灰度图像，为一幅灰度图像，R (xR (x，y

15、)y)，G (xG (x，y)y)，B (xB (x，y)y)为为f(xf(x，y)y)映射到映射到RGBRGB空间的三个颜色分量，则伪彩色处理可以表示为：空间的三个颜色分量，则伪彩色处理可以表示为： R(x R(x，y)=fR(f(xy)=fR(f(x，y) (9.20)y) (9.20) G(x G(x，y)=fG(f(xy)=fG(f(x，y) (9.21)y) (9.21) B(x B(x，y)=fB(f(xy)=fB(f(x，y) (9.22)y) (9.22) 其中其中fRfR，fGfG，fBfB为某种映射函数。给定不同的映射函数就能将灰度图为某种映射函数。给定不同的映射函数就能将

16、灰度图像转化为不同的伪彩色图像。像转化为不同的伪彩色图像。 伪彩色处理虽然能将灰度转化为彩色，但这种彩色并不是真正表现图伪彩色处理虽然能将灰度转化为彩色，但这种彩色并不是真正表现图像的原始颜色，而仅仅是一种便于识别的伪彩色。像的原始颜色，而仅仅是一种便于识别的伪彩色。 伪彩色处理方法主要有强度分层和灰度级到彩色变换。伪彩色处理方法主要有强度分层和灰度级到彩色变换。第37页/共86页第三十七页，共86页。 强度分层技术是伪彩色图像处理最简单的例子之一。强度分层技术是伪彩色图像处理最简单的例子之一。 如果一幅图像被描述为空间坐标（如果一幅图像被描述为空间坐标（x，y）的强度函数）的强度函数f(x，

17、y)，分，分层的方法可以看成是放置一些平行于图像坐标平面层的方法可以看成是放置一些平行于图像坐标平面(x，y)的平面，的平面，然后每一个平面在相交的区域然后每一个平面在相交的区域(qy)中切割图像函数。中切割图像函数。图图9.12显示了利用平面把图像函数显示了利用平面把图像函数f(x，y)=li（li表示灰度级）切割表示灰度级）切割为两部分的情况。为两部分的情况。第38页/共86页第三十八页，共86页。 一般地，该技术可以总结如下：令0，L-1表示灰度级，使l0代表黑色（f(x，y)=0），lL-1代表白色（f(x，y)=L-1）。 假定垂直于强度轴的P个平面定义为量级l1，l2，lM。并假定

18、，0M0.3*(max(max(S);F=S1.*H;第65页/共86页第六十五页，共86页。abcdef图图9.14 在在HSI空间的图像分割。空间的图像分割。(a)原原RGB图像，图像，(b)色调色调(s dio)分量分量H，(c)饱和度分量饱和度分量S，(d)强度分量强度分量I，(e)二值饱和度模板（黑二值饱和度模板（黑=0），（），（f）红色花的分割结果）红色花的分割结果第66页/共86页第六十六页，共86页。 假设目标是在假设目标是在RGB图像图像(t xin)中分割特殊彩色中分割特殊彩色区域的物体区域的物体,给定一个感兴趣彩色的有代表性的彩色点样给定一个感兴趣彩色的有代表性的彩色点

19、样品集，可得到一个彩色品集，可得到一个彩色“平均平均”估计，这种彩色是我们估计，这种彩色是我们希望分割的彩色。希望分割的彩色。 第67页/共86页第六十七页，共86页。n z和和a之间的距离可以是欧氏之间的距离可以是欧氏距离，如：距离，如：212221)()()()()(|),(BBGGRRTazazazazazazazD第68页/共86页第六十八页，共86页。212221)()()()()(|),(BBGGRRTazazazazazazazD211)()(),(azCazazDTz和和a之间的距离之间的距离(jl)| |,| |,max|),(BBGGRRazazazazD第69页/共86页

20、第六十九页，共86页。色，否则为黑色。色，否则为黑色。第70页/共86页第七十页，共86页。第71页/共86页第七十一页，共86页。abcde图图9.15 RGB空间分割。（空间分割。（a）RGB原图像，（原图像，（b）R分量，（分量，（c）G分量，（分量，（d）B分量，（分量，（e）RGB向量向量(xingling)空间彩色分割的结果空间彩色分割的结果第72页/共86页第七十二页，共86页。第73页/共86页第七十三页，共86页。yfxfGGfyx2122)(yxGGfmag第74页/共86页第七十四页，共86页。第75页/共86页第七十五页，共86页。),(),(),(),(),(),()

21、,(yxByxGyxRyxcyxcyxcyxcBGR首要的问题：定义向量c在任意(rny)点（x，y）处的梯度（幅度和方向）。第76页/共86页第七十六页，共86页。bxBgxGrxRubyBgyGryRv第77页/共86页第七十七页，共86页。222xBxGxRuuuugTxx222yByGyRvvvvgTyyyBxByGxGyRxRvuvugTxy第78页/共86页第七十八页，共86页。)(2arctan21yyxxxyggg（x，y）点在）点在方向方向(fngxing)上变化率上变化率的值由下式给出：的值由下式给出：212sin22cos)()(21)(xyyyxxyyxxgggggF Di Zenzo, S. “A Note on the Gradient of a Multi-Image”, Computer Vision, Graphics, and Image Processing, 1986, 33:116125第79页/共86页第七十九页，共86页。计算时，偏导数(d