教学课件第4章 图像增强（第4－5讲）（研究生学位课）.ppt

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1、教学课件第4章图像增强（第45讲）（研究生学位课）数字图像处理学数字图像处理学第第4章章 图像增强图像增强（第五讲）（第五讲）阮秋琦教授阮秋琦教授4.5 4.5 彩色图像处理彩色图像处理 前面几节讨论的都是对单色图像的处理技术。为了更有效地增强图像，在数字图像处理中广泛应用了彩色处理技术。色彩的运用主要出于以下两个因素:1）.在自动图像分析中色彩是一个有力的描绘子,它通常可使从一个场景中识别和抽取目标的处理得到简化。2）.人们对图像进行分析时,人眼能区别的灰度层次大约只有二十几种，但却能够识别成千上万的色彩。彩色图像处理被划分为三个主要领域，即：真彩色(True color processin

2、g)假彩色(False color processing)伪彩色(pseudo color processing)。在真彩色处理中,被处理的图像一般从全彩色传感器中获得,例如彩色摄影机或彩色扫描仪；假彩色处理是一种尽量逼近真实彩色的人工彩色处理技术；伪彩色处理的问题是分配彩色给某种灰度（强度或强度范围），以增强辩识能力。这种二十世纪八十年代取得重大进步的图像处理技术由于彩色传感器和彩色图像处理的硬件的成熟而使得彩色图像处理技术得到广泛应用。一般情况下，把能真实反映自然物体本来颜色的图像叫真彩色图像。例如，由彩色摄像机摄制，并由彩色监视器复原的彩色图像就近于真彩色。在计算机图像处理系统中进行真彩

3、色图像处理的方法如图4-53所示。图图4-53 4-53 真彩色图像处理框图真彩色图像处理框图 在处理过程中，首先用加有红色滤色片的摄像机（黑白摄像机）摄取彩色图像，图像信号经数字化送入一块图像存储板存起来，第二步用带有绿色滤色片的摄像机摄取图像，图像信号经数字化送入第二块图像存储板，最后用带有蓝色滤色片的摄像机摄取图像，图像数据存储在第三块图像存储板内。三幅图像数据准备好后就可以在系统的输出设备彩色监视器上合成一幅真彩色图像。另外，利用彩色摄像机摄取彩色图像，然后利用解码电路解出红、绿、蓝三幅单色图像进行处理也是常用的彩色图像处理方法。其原理如图4-54所示。图图4-54 4-54 另一种真

4、彩色图像处理框图另一种真彩色图像处理框图 关于假彩色图像处理与伪彩色图像处理这两个术语在有些文献中并没有加以严格区分。但从图像处理的角度来看，二者还是有差别的。例如人们常常把没有颜色的人物照片用人工着色的方法彩色化，并且其目的主要是在于使其颜色尽量接近于真实色彩，这种技术我们认为应归入假彩色技术。普拉特提出的假彩色概念是这样的，将一幅由三基色描绘的彩色原图像或具有同一内容的一套多光谱图像，逐像素映射到由三激励值所确定的色度空间上去，这种映射可以是线性的也可以是非线性的。伪彩色技术早期在遥感图片处理中已有应用，采用的方法是光学方法。这种方法固然有几何失真小的优点，但其处理速度是极慢的，而且处理一

5、幅照片要较复杂的洗印技术，这样有时会限制它的应用范围。一般情况下人为设计的各个目标物的颜色是不同的。如蓝色的天空可以映射为红色，绿色的草地也可以映射为蓝色等等。其主要目的在于使处理后的图像中的某些内容更加醒目，当然彩色的设计与人的视觉心理特性有很大关系。伪彩色技术也可以应用于线性彩色坐标变换，它可以由原图像基色转变为另一组新基色。伪彩色数字图像处理是电处理方法。它可以实时处理，而且其精度可以做得很高。在处理结果需要保留时，可有多种方法制做硬拷贝。为什么伪彩色处理可以达到增强的效果呢？这主要是由于人眼对彩色的分辨能力远远大于对黑白灰度的分辨率。对于一般的观察者来说，通常只能分辨十几级灰度。就是经

6、过专门训练的人员（如光透视医生）也只能分辨几十级灰度。而对于彩色来说，人的眼睛可分辨出上千种彩色的色调和强度。因此，在一幅黑白图像中检测不到的信息，经伪彩色增强后可较容易地被检测出来。伪彩色处理也是一种彩色映射过程。主要目的是增强观察者对图像信息的检测能力。它的主要方法是将二维数据阵列转化到色平面上。这种映射可由式(4-193)来表示。(4-(4-193)193)通过以上映射关系就可以确定出三维色空间的轨迹。这种映射关系如图4-55所示。当在色度空间里给定了一条伪彩色轨迹后还要选择数据面上的变量和轨迹上的距离增量之间的标度关系，一般将轨迹长度分为相等的增量距离。图4-55 伪彩色映射轨迹 4.

7、5.1关于关于颜颜色的基本理色的基本理论论 尽管在获得色彩时人脑所进行的处理是一个仍未被完全理解的生理心理现象,但颜色的物理特性在实验和理论的基础上可完全地表达出来。1666年,牛顿发现当一束太阳光穿过一个玻璃棱镜时,光束的边缘并不是白色的,而是一个连续的光谱,一端是紫色,另一端是红色。这条彩色光谱可分为6个宽域:紫色、蓝色、绿色、黄色、桔黄和红色。当用全彩色法观看,彩带中并没有哪种截然的颜色界限,而是每种彩条都平滑地变成另外一种。图4-56 棱镜把太阳光分为连续光谱如果物体的反射光在所有可见光波长中的成分相对平衡时，物体显示出白色。如果物体只反射有限的可见频谱范围内的某些光波时，物体则显示不

8、同的颜色。例如：物体反射光的波长主要是从500到570纳米,而吸收多数其它波长的能量时，物体则显示绿色。光的特点是颜色科学的中心。如果光线没有颜色,它唯一的属性就是它的强度或灰度。无色光通常就是我们在黑白电视机中所看到的画面,而且它已成为图像处理中所讨论的主要对象。因此，灰度一词指的是强度的数量量度,即从黑到灰最后到白。有色光的电磁能谱范围大约从400到700纳米。有三个基本参数可用来描述可见光源的特性，即：辐射、灰度和亮度。辐射是通过光源的能量总和,它通常用瓦特(W)衡量，灰度用流明(lm )来衡量，是观察者从光源获得的能量的量度。例如,从工作于红外线区的光谱中发射的光线可能有很大的能量，但

9、观察者几乎感觉不到它,因为它的灰度几乎是零。为了标准化，如第二章所述，CIE在1931年给这三种基色规定了以下特定的波长值，即蓝为435.8纳米，绿为546.1纳米，红为700纳米。但从某种意义上来说，没有哪种单一的颜色可被看成为红、绿、蓝。这样，为了标准化而规定三种特定颜色的波长并不意味着这三种固定的单一波长的红、绿、蓝三基色能产生所有的频谱颜色。然而，事实却不完全如此，照射到视网膜上的某一单色光并不是引起该彩色的唯一因素。例如，有几种单色黄光可以由射到视网膜上的红光和绿光配出来。几乎所有的彩色都能由三种基本彩色混配出来。这三种彩色就叫做三基色。相加混色：彩色电视机上的颜色是通过相加混色 产

10、生的。相减混色：彩色电影和幻灯片等与绘画原料一样 是通过相减混色产生各种颜色的。由三基色混配各种颜色的方法通常有两种：由三基色混配各种颜色的方法通常有两种：图4-57 CIE规定的色度图 各种谱色的位置(从紫色的380纳米到红色的780纳米)标示在舌形色度图的边缘上。这些是纯谱色。任何不在边缘上而在中间的点都代表一些谱色的混合色。定位在图的边缘上的任意一点是完全饱和的。当一点越离开边缘点接近等能量点，加入的白光就越多，它就越不饱和。等能量点的饱和度为零。色度图对于颜色混合是非常有用的。因为图中连接任意两点的直线部分定义了所有不同颜色的变化，这种变化可以通过另外合并这两种颜色来获得。例如,一条从

11、红画到绿点的直线,如果红光比绿光多，代表新颜色的点将在该连线上，但它离红点比离绿点要近。同样，一条从等能量点画到图的边缘上任意点的直线将定义一个特定的谱色。通常用来区别一种颜色与另一种颜色的特征量有亮度、色度和饱和度。亮度用来表征颜色强度概念，色度是一种与波长有关的属性，色度表征了观察者所获得的主导颜色的感饱和度是在颜色中搀杂白色光数量多少的度量。纯谱色是完全饱和的。如紫色(红和白)和淡紫色(紫和白)这样的颜色是不饱和的。色度和饱和度合在一起被称为彩色。因此，一种颜色可能是以它的亮度和彩色为特征，用来形成任何一种特定颜色的红、绿、蓝被称为三原色值或三基色值，并相应地用X,Y,Z表示。一种颜色可

12、以由它的三原色系数来确定，定义如下：(4-195)对任意 x 和 y 的值，相应的 z(蓝)的值可从公式(4-196)中获得,即：z=1-(x+y)。(4-196)在数字图像处理中的终端显示通常用显像管（CRT）也就是用彩色监视器显示。由相加混色原理可知白光可由红、绿、蓝三种基色光相加得到。产生1lm的白光所需要的三基色的近似值可用下面的亮度方程来表示1 lm(白光)=0.30 lm(红)+0.59 lm(绿、)+0.11 lm(蓝)由上式可见，产生白光时三基色的比例关系是不等的，这显然给实际使用带来一些不方便。为了克服这一缺点，使用了三基色单位制。这就是所谓的T单位制。在使用T单位制时，认为

13、白光是由等量的三基色组成。因此，表示的亮度方程可改写如下 1lm(W)=1T(R)+1T(G)+1T(B)1T单位红光=0.30lm；1T单位绿光=0.59lm；1T单位蓝光=0.11lm。由此可知T单位与流明数的关系，在需要的时候可以很容易地进行转换。由于T单位的采用就除掉了复杂数字带来的麻烦。彩色电视机的颜色是采用相加混色。许多彩色电视显像管的内部结构由大量的荧光粉组合构成。红、绿、蓝三色点一般呈三角形或一字形按组排列。荫罩式彩色CRT显色原理荫栅式彩色CRT显色原理柱面和球面显示器点距定义示意图柱面和球面显示器点距定义示意图 当显像时,一组中的每个点都产生一种基色。如发红光的像素点的强度

14、由显像管的电子枪来调整，其强度正比于“红色脉冲”的能量。每组中的绿色和蓝色像素点也以同样的方式来调整，显示在电视接收机上。这种效果就是来自每个像素点的三基色被加到一起并由眼中的锥状体接收，我们就感觉到了一幅全彩色图像。每秒钟刷新25（或30）幀就会产生连续图像。通常用来区别一种颜色与另一种颜色的特征量有亮度、色度和饱和度。亮度：用来表征颜色强度概念；色度：是一种与波长有关的属性，色度表征了观察者所获得的主导颜色的感觉。当我们说一个物体是红色、桔黄或黄色时，也就确定了它的色度。饱和度：是在颜色中搀杂白色光的数量多少的度量。纯谱颜色是完全饱和的。如紫色(红和白)和淡紫色(紫和白)这样的颜色是不饱和

15、的。饱和的程度与添加白光的数量成比例。色度和饱和度合在一起被称为彩色。因此，一种颜色可能是以它的亮度和彩色为特征，一种颜色可以由它的三原色系数来确定，定义如下：4.5.1 4.5.1 颜色基本原理颜色基本原理 4.5.2 4.5.2 颜色模型颜色模型 4.5.3 4.5.3 伪彩色图像处理伪彩色图像处理 按通常的方式按通常的方式,彩色模型化的目的是按某种彩色模型化的目的是按某种标准利用基色表示颜色。实质上标准利用基色表示颜色。实质上,一种颜色模型一种颜色模型是用一个是用一个3-D3-D坐标系统及这个系统中的一个子空坐标系统及这个系统中的一个子空间来表示。在这个系统中每种颜色都由一个单间来表示。

16、在这个系统中每种颜色都由一个单点表示。点表示。通常使用的彩色模型两类通常使用的彩色模型两类:面向硬件设备面向硬件设备 面向应用面向应用 RGB 模型是与硬件有关的模型，这种模型用模型是与硬件有关的模型，这种模型用在彩色监视器和彩色摄相机等领域；在彩色监视器和彩色摄相机等领域；CMY也是面向硬件的模型用在彩色打印机也是面向硬件的模型用在彩色打印机上。上。面向应用的模型：面向应用的模型：YIQ 模型用于彩色电视广播。模型用于彩色电视广播。HSI 模型多用于图像处理。模型多用于图像处理。下面我们将介绍这三种模型的基本特性下面我们将介绍这三种模型的基本特性,并且讨并且讨论它们的不同点和在数字图像处理中

17、的应用。论它们的不同点和在数字图像处理中的应用。尽管尽管 CMY 模型用于打印模型用于打印,而不是用于实际的图而不是用于实际的图像处理像处理,我们在这里也介绍一下我们在这里也介绍一下,因为它在获得因为它在获得硬件拷贝输出上很重要。硬件拷贝输出上很重要。1.RGB 彩色模型彩色模型 在在 RGB 模型中，每种颜色的主要光谱中模型中，每种颜色的主要光谱中都有红、绿、蓝的成分。这种模型基于都有红、绿、蓝的成分。这种模型基于Cartesian（笛卡尔）坐标系统。颜色子空间如（笛卡尔）坐标系统。颜色子空间如图图4-55的立方体所示，在图中，的立方体所示，在图中，RGB 值在值在3个个顶角上，蓝绿色、紫红

18、色和黄色在另三个顶角顶角上，蓝绿色、紫红色和黄色在另三个顶角上，黑色在原点，白色在离原点最远的角上。上，黑色在原点，白色在离原点最远的角上。在这个模型中，灰度级沿着黑白两点的连线从在这个模型中，灰度级沿着黑白两点的连线从黑延伸到白，其他各种颜色由位于立方体内或黑延伸到白，其他各种颜色由位于立方体内或立方体上的点来表示，同时由原点延伸的矢量立方体上的点来表示，同时由原点延伸的矢量决定。为了方便，假定所有的颜色值都已被标决定。为了方便，假定所有的颜色值都已被标准化，图准化，图4-58中的立方体就是单位立方体。也中的立方体就是单位立方体。也就是，所有就是，所有 R 、G 、B 的值都被假定在的值都被

19、假定在0，1范围内。范围内。图图4 4-58 R、G、B 彩色立方体彩色立方体 RGB 彩色模型中的图像由三个独立的图像平面构彩色模型中的图像由三个独立的图像平面构成，每个平面代表一种原色。当输入成，每个平面代表一种原色。当输入 RGB 监视器监视器时，这三个图像在屏幕上组合产生了合成的彩色图时，这三个图像在屏幕上组合产生了合成的彩色图像。像。这样，当图像本身用这样，当图像本身用3原色平面描述时，在图原色平面描述时，在图像处理中运用像处理中运用 RGB 模型就很有意义。相应地，模型就很有意义。相应地，大多数用来获取数字图像的彩色摄像机都使用大多数用来获取数字图像的彩色摄像机都使用 RGB 格式

20、。目前，在图像处理中只使用这种格式。目前，在图像处理中只使用这种重要模型。重要模型。RGB 模型应用的一个例子是航天和卫星多光模型应用的一个例子是航天和卫星多光谱图像数据的处理。图像是由工作于不同光谱谱图像数据的处理。图像是由工作于不同光谱范围的图像传感器获得的。例如，一帧范围的图像传感器获得的。例如，一帧LANDSAT陆地卫星图像由陆地卫星图像由4幅数字图像组成。幅数字图像组成。每幅图像有相同的场景，但通过不同的光谱范每幅图像有相同的场景，但通过不同的光谱范围或窗口获得，两个窗口在可见光谱范围内，围或窗口获得，两个窗口在可见光谱范围内，大致对应于绿和红，另两个窗口在光谱的红外大致对应于绿和红

21、，另两个窗口在光谱的红外线部分。这样每幅图像平面都有物理意义。线部分。这样每幅图像平面都有物理意义。如果对人脸的彩色图像进行增强处理，如果对人脸的彩色图像进行增强处理，部分图像隐藏在阴影中，直方图均衡是处理部分图像隐藏在阴影中，直方图均衡是处理这类问题的理想工具。如果应用这类问题的理想工具。如果应用 RGB RGB 模型，模型，因为存在三种图像（红、绿、蓝），而直方因为存在三种图像（红、绿、蓝），而直方图均衡仅根据强度值处理，很显然，如果把图均衡仅根据强度值处理，很显然，如果把每幅图像单独地进行直方图均衡，每幅图像单独地进行直方图均衡，所有可能隐藏在阴影中的图像部分都将被增强。所有可能隐藏在阴

22、影中的图像部分都将被增强。然而，所有三种图像的强度将不同地改变颜色然而，所有三种图像的强度将不同地改变颜色性能性能(如色调如色调)，显示在，显示在 RGB 监视器上时就不监视器上时就不再是自然和谐的了。因此，再是自然和谐的了。因此，RGB 模型对于这模型对于这类处理就不太合适。类处理就不太合适。2.CMY 彩色模型彩色模型 如前所述，蓝绿色、红紫色和黄色都是如前所述，蓝绿色、红紫色和黄色都是光的合成色（或二次色）。例如，当用白光光的合成色（或二次色）。例如，当用白光照蓝绿色的表面时没有红光从这个表面反射照蓝绿色的表面时没有红光从这个表面反射出来。也就是说，蓝绿色从反射的白光中除出来。也就是说，

23、蓝绿色从反射的白光中除去红光，这白光本身由等量的红绿蓝光组成。去红光，这白光本身由等量的红绿蓝光组成。多数在纸上堆积颜色的设备，如彩色打印机、多数在纸上堆积颜色的设备，如彩色打印机、复印机，要求复印机，要求 CMY 数据输入或进行一次数据输入或进行一次 RGB 到到 CMY 的变换。这一变换可以用一简单的变的变换。这一变换可以用一简单的变换式表示换式表示:假定所有的颜色值都已被归一化到0,1范围内。（4-197）式（式（4-197）表明：）表明：纯蓝绿色反射的光中不包括红色纯蓝绿色反射的光中不包括红色(即即 C=1-R )。红紫色不反射绿色（红紫色不反射绿色（M=1-G)，纯黄色不反射蓝色纯黄

24、色不反射蓝色 (Y=1-B),该式揭示了该式揭示了 CMY 值可以很容易地用值可以很容易地用1减减 RGB 单单个值的方法获得。个值的方法获得。如前描述，如前描述，CMY 模型在图像处理中用在产生硬拷模型在图像处理中用在产生硬拷贝输出上，因此，从贝输出上，因此，从CMY到到 RGB 的反变换操作的反变换操作通常没有实际意义。通常没有实际意义。3.YIQ 彩色模型彩色模型 YIQ 彩色模型用于彩色电视广播。为了有彩色模型用于彩色电视广播。为了有效传输并与黑白电视兼容，效传输并与黑白电视兼容，YIQ 是是RGB 的一个编码。实际上，的一个编码。实际上，YIQ 系统中的系统中的 Y 分量提供了黑白电

25、视机要求的所有影像信分量提供了黑白电视机要求的所有影像信息。息。RGB 到到 YIQ 的变换定义为：的变换定义为：(4-198)为了从一组为了从一组 RGB 值中获得值中获得 YIQ 值值,我们可简我们可简单地进行矩阵变换。单地进行矩阵变换。YIQ 模型利用人的可视系统模型利用人的可视系统对亮度变化比对色调和饱和度变化更敏感而设计对亮度变化比对色调和饱和度变化更敏感而设计的。的。这样，这样，YIQ 标准中用以表示标准中用以表示 Y 时给予较大的带宽时给予较大的带宽(是数字颜色时用比特是数字颜色时用比特)，用以表示，用以表示 I 、Q 时赋予时赋予较小的带宽。较小的带宽。另外，它成为普遍应用的标

26、准是因为在图像另外，它成为普遍应用的标准是因为在图像处理中处理中 YIQ 模型的主要优点是去掉了亮度模型的主要优点是去掉了亮度(Y)和颜色信息和颜色信息(I 和和 Q)间的紧密联系。亮度是与间的紧密联系。亮度是与眼中获得的光的总量成比例的。去除这种联系的眼中获得的光的总量成比例的。去除这种联系的重要性在于处理图像的亮度成分时能在不影响颜重要性在于处理图像的亮度成分时能在不影响颜色成分。色成分。例如，前面提到的例如，前面提到的 RGB 模型。我们可以采用直模型。我们可以采用直方图均衡技术对由方图均衡技术对由 YIQ 格式的彩色图像进行处理，格式的彩色图像进行处理，即通过给它的即通过给它的 Y 成

27、分进行直方图均衡处理，图像成分进行直方图均衡处理，图像中相关的颜色不受处理影响。中相关的颜色不受处理影响。4.HSI 彩色模型彩色模型 回想一下前节中讨论的色调是描述纯色回想一下前节中讨论的色调是描述纯色(纯纯黄、桔黄或红黄、桔黄或红)的颜色属性。而饱和度提供了由的颜色属性。而饱和度提供了由白光冲淡纯色程度的量度。白光冲淡纯色程度的量度。HSI 颜色模型的重颜色模型的重要性在于两方面，要性在于两方面，第一第一,去掉强度成分去掉强度成分(I I)在图像中与颜色信息的联在图像中与颜色信息的联系；系；第二第二，色调和饱和度成分与人们获得颜色的方式密色调和饱和度成分与人们获得颜色的方式密切相关。切相关

28、。这些特征使这些特征使 HSI 模型成为一个理想的研究图像处模型成为一个理想的研究图像处理运算法则的工具，这个法则基于人的视觉系统理运算法则的工具，这个法则基于人的视觉系统的一些颜色感觉特性。的一些颜色感觉特性。很多实用系统都用到很多实用系统都用到 HSI 模型，如：模型，如：自动判断水果和蔬菜的成熟度的图像处理系统，自动判断水果和蔬菜的成熟度的图像处理系统，用颜色样本匹配或检测彩色产品品质的图像处理用颜色样本匹配或检测彩色产品品质的图像处理系统等。在这些相似的应用中，关键是把系统操系统等。在这些相似的应用中，关键是把系统操作建立在颜色特性上，人们用这些特性完成特定作建立在颜色特性上，人们用这

29、些特性完成特定的任务。的任务。5.由由RGB到到HIS的转换的转换HSI 模型的颜色定义与归一化的红、绿、蓝值有关。模型的颜色定义与归一化的红、绿、蓝值有关。这些值由这些值由 RGB 的三基色给出：的三基色给出：（4-199）（4-200）归一化变量必须满足式（4-200）。图4-59 HIS彩色三角形（a），HIS彩色立体图(b)（4-212）（4-213）（4-214）这一公式的推导请参照教材的描述。由由 HSI 到到 RGB 的转换的转换 模型的颜色分量色调（模型的颜色分量色调（hue）和饱和度和饱和度（saturation）的定义与图的定义与图4-56(a)所示的彩色三所示的彩色三角形

30、有关）。在图角形有关）。在图4-59(a)中，我们注意到，颜色中，我们注意到，颜色点的色调是该向量与红色轴的夹角。因此，当点的色调是该向量与红色轴的夹角。因此，当H=0o 时，为红色，时，为红色，H=60o 时，为黄色等等。时，为黄色等等。图4-59 HIS彩色三角形（a），HIS彩色立体图(b)色点的饱和度是指一种颜色被白色稀释的程度，它与色点的饱和度是指一种颜色被白色稀释的程度，它与点到三角形中心的距离成正比。点距三角形中心越远，点到三角形中心的距离成正比。点距三角形中心越远，这种颜色的饱和度越大。这种颜色的饱和度越大。模型中的亮度的测量与垂直于三角形并通过其中心的模型中的亮度的测量与垂直

31、于三角形并通过其中心的直线有关。沿着位于三角形下方的直线，亮度逐渐由直线有关。沿着位于三角形下方的直线，亮度逐渐由暗到黑，相反，在三角形上方，亮度逐渐由明亮变到暗到黑，相反，在三角形上方，亮度逐渐由明亮变到白。白。在三维色空间中将色调、饱和度、亮度结合起在三维色空间中将色调、饱和度、亮度结合起来，就产生了如图来，就产生了如图4-59（b）所示的三面的、所示的三面的、类似金字塔的结构。这个结构表面上的任意一类似金字塔的结构。这个结构表面上的任意一点代表一种完全饱和的颜色。这种颜色的色调点代表一种完全饱和的颜色。这种颜色的色调由它与红色轴的夹角决定，亮度由该点与黑色由它与红色轴的夹角决定，亮度由该

32、点与黑色点的垂直距离决定（与黑色点的距离越远，亮点的垂直距离决定（与黑色点的距离越远，亮度越强）。度越强）。类似的结论也适用于结构内的点，唯一不同的是，类似的结论也适用于结构内的点，唯一不同的是，随着它们逐渐接近纵轴，颜色的饱和度逐渐降低。随着它们逐渐接近纵轴，颜色的饱和度逐渐降低。情况如下图所示。情况如下图所示。已知已知 0，1 之间的之间的 HSI 值，现在我们想得到同值，现在我们想得到同样范围内的相应的样范围内的相应的 RGB 值。我们以令值。我们以令 H=360o(H)开始，这使色调恢复到开始，这使色调恢复到 0，3600的范围。的范围。在在RG部分部分(0o H1200)，由下式给出

33、（由下式给出（4-219）（4-219）（4-220）（4-221）由式由式 r+g+b=1 的定义，上面得到的颜色的定义，上面得到的颜色分量是归一化了的。我们可以恢复分量是归一化了的。我们可以恢复 RGB 分量分量（4-222）（4-223）（4-224）（4-225）（4-226）（4-227）（4-228）（4-229）这一公式的推导请参照教材的描述。4.5.1 颜色基本原理 4.5.2 颜色模型 4.5.3 4.5.3 伪彩色图像处理伪彩色图像处理 1.1.等密度分层伪彩色技术等密度分层伪彩色技术 等密度分层伪彩色处理是应用较多的一种方法。等密度分层伪彩色处理是应用较多的一种方法。这种

34、处理可以用专用硬件来实现，也可以用查表的这种处理可以用专用硬件来实现，也可以用查表的方法来实现。密度分层是一个沿用术语，它最初来方法来实现。密度分层是一个沿用术语，它最初来源于照相技术，因为一幅照片的浓淡层次是由照相源于照相技术，因为一幅照片的浓淡层次是由照相底片上银粒的沉积度决定的，所以照片的反差（相底片上银粒的沉积度决定的，所以照片的反差（相当于电视画面的对比度）直接与密度有关。当于电视画面的对比度）直接与密度有关。在图像处理技术中更为常用的术语是灰度一词，在图像处理技术中更为常用的术语是灰度一词，因此密度分层就是灰度分层。因此密度分层就是灰度分层。在这一节中，我们将研究几种根据黑白图像的

35、灰在这一节中，我们将研究几种根据黑白图像的灰度级为之分配颜色的方法。度级为之分配颜色的方法。2.2.灰度分割灰度分割（Itensity slicingItensity slicing）灰度分割和颜色编码是伪彩色图像处理的最灰度分割和颜色编码是伪彩色图像处理的最简单的例子之一。如果一幅图像可被看作一个二维简单的例子之一。如果一幅图像可被看作一个二维亮度函数，这种方法可理解为用一些平行于图像坐亮度函数，这种方法可理解为用一些平行于图像坐标平面的平面，每一平面在与函数相交处分割函数。标平面的平面，每一平面在与函数相交处分割函数。图图4-624-62展示了一个用平面展示了一个用平面 f(x,y)=Ij

36、 ，将函数分割，将函数分割为两部分的例子。为两部分的例子。图图462 462 密度分层技术示意图密度分层技术示意图 分割面 黑 白 如果在图如果在图462462所示平面两侧分配不同颜色，那所示平面两侧分配不同颜色，那么，灰度级在平面以上的所有像素将用一种颜色编么，灰度级在平面以上的所有像素将用一种颜色编码，而灰度级在平面以下的所有像素将用另一种颜码，而灰度级在平面以下的所有像素将用另一种颜色编码，灰度级恰好位于平面本身的像素可任意分色编码，灰度级恰好位于平面本身的像素可任意分配两种颜色之一，结果是一个两色图像。将切割平配两种颜色之一，结果是一个两色图像。将切割平面沿灰度级坐标上下移动可控制图像

37、的外观。面沿灰度级坐标上下移动可控制图像的外观。多分层过程也类似图多分层过程也类似图462462所示的原理。具体过所示的原理。具体过程可作如下解释，可作若干个平行于程可作如下解释，可作若干个平行于xy 坐标面的平坐标面的平面，那么每个平面将与函数面，那么每个平面将与函数 f(x,y)相交，这种就把相交，这种就把 f(x,y)表示的连续灰度分成若干级别，分层数可根表示的连续灰度分成若干级别，分层数可根据需要的精度加以任意设置。据需要的精度加以任意设置。例如，在所定的灰度级例如，在所定的灰度级 L1,L2,LM 处定义处定义 M 个个平面，这些平面是等间距的，这平面，这些平面是等间距的，这 M 个

38、平面把灰度个平面把灰度分成分成 M+1 个区域，区域级别为个区域，区域级别为 L1,L2,LM。（4-230）分层过程也可由图分层过程也可由图4 46363所示的电路来实现。首所示的电路来实现。首先通过分压器得到一组均匀间隔的基准电压，这个先通过分压器得到一组均匀间隔的基准电压，这个基准电压送入比较器作为比较标准。图像电信号加基准电压送入比较器作为比较标准。图像电信号加到比较器的另一端。到比较器的另一端。当信号的幅度超过比较器的基准电压时，比较器当信号的幅度超过比较器的基准电压时，比较器的输出端便输出一个脉冲。这样，不同的比较器的输出端便输出一个脉冲。这样，不同的比较器的输出脉冲便代表一个不同

39、的灰度层次，达到灰的输出脉冲便代表一个不同的灰度层次，达到灰度分割的目的。度分割的目的。图图 463 463 等密度分层电路原理等密度分层电路原理 灰度彩色变换的任务是给不同的灰度级赋灰度彩色变换的任务是给不同的灰度级赋于不同的颜色。它既可以结合软件用计算机来实于不同的颜色。它既可以结合软件用计算机来实现，也可以用硬件来实时实现。最后彩色显示都现，也可以用硬件来实时实现。最后彩色显示都是将彩色编码送到彩色监视器的是将彩色编码送到彩色监视器的 RGB 电路上合电路上合成一幅彩色图像。成一幅彩色图像。一种实时硬件编码方案如下，首先可以把灰度一种实时硬件编码方案如下，首先可以把灰度分割器作成分割器作

40、成1616级分层，当然，这级分层，当然，这1616级分层既可对整级分层既可对整个图像信号的灰度范围，也可以行进行灰度窗口处个图像信号的灰度范围，也可以行进行灰度窗口处理，对灰度整个动态范围内的某一局部范围进行分理，对灰度整个动态范围内的某一局部范围进行分层。层。通过编码器可以得到四位码，将这四位码分别通过编码器可以得到四位码，将这四位码分别加到监视器中的红、绿、蓝、亮度四个通道中加到监视器中的红、绿、蓝、亮度四个通道中即可得到即可得到16种不同的色调。彩色编码原理框图种不同的色调。彩色编码原理框图如图如图464所示。所示。图图4 464 64 硬件彩色编码原理硬件彩色编码原理 编码电路可以用门

41、电路实现。编码电路可以用门电路实现。颜色与码的对应关系完全可以由人为控制来改变。颜色与码的对应关系完全可以由人为控制来改变。例如下列所示的对应关系：例如下列所示的对应关系：白色 深蓝色 青色 绿色 深绿色 浅绿色 黄色 浅黄色 咖啡色 黄绿色 浅咖啡色 红色 粉红色 品红色 紫色 黑色 当然，还可以控制加到三支枪上的信号的大小，当然，还可以控制加到三支枪上的信号的大小，各种色调的饱和度还可以连续调整，这样，彩色各种色调的饱和度还可以连续调整，这样，彩色的变化就会相当丰富了。的变化就会相当丰富了。3.灰度灰度级转换为级转换为彩色彩色几种转换方法比上一节讨论的分割技术更为普遍，因而也能更好的实现伪

42、彩色的增强效果。其中特别吸引人的一种方法如图4-65 所示。图4-65 伪彩色图像处理框图图4-66另一种灰度-彩色变换方案 图 4-67 两种颜色的分割方法两种颜色的伪彩色显示（图像取自冈萨雷斯的著作）图4-68 一组彩色变换函数图 4-69 另一种灰度彩色变换函数 4.一种滤波处理一种滤波处理一个典型的滤波处理是使用低通、带通和高通滤波器以得到三个范围的频率分量。原理如图4-68所示图 4-70 频率-彩色变换模型一种理想的带阻滤波器（IBRF）抑制以(u0,v0)为圆心，以D0为半径的邻域内的所有频率。其传递函数由下式给出：（4-231）（4-232）非原点的带阻滤波器必须以对称的方式进

43、行设计。在理想滤波器的情况下，（4-233）（4-234）（4-235）一个径向对称的理想带阻滤波器关于原点的频带移动由下式给出：（4-236）这里W是带宽，D0是中心点。如果是一个径向对称的滤波器，该滤波器可完全由一个横截面来确定。例如，一个n阶的径向对称的布特沃斯带阻滤波器有如下的传递函数：(4-237)理想的带阻滤波器传递函数及俯视图图4-71 理想的带阻滤波器传递函数及俯视图布特沃斯带阻滤波器传递函数及俯视图如图4-72 所示。图4-72布特沃斯带阻滤波器传递函数及俯视图指数带阻滤波器传递函数及俯视图如图4-73所示。图4-73 指数带阻滤波器传递函数及俯视图简单色调图片假彩色变换效果灰度图片 参考图片 变换后的假彩色图片 图4-74简单色调图片假彩色变换效果灰度图片 参考图片 变换后的假彩色图片 伪彩色处理结果CT图片 伪彩色映射结果 图4-75 真彩色图像处理