数字图像处理：第4章 图像增强（第四讲）.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,数字图像处理,第,3,章 图像增强,（,第四讲）,4.5,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。,在图像处理中色彩的运用主要出于以下两个因素，首先,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。第二,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：,真彩色处理,(True color processing),假彩色处理,(False color processing),伪彩色处理（,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色图像处理的方法如图,433,所示。,图,4,33,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,4,34,所示。,图,4,34,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,(4,77),来表示。,(477),式中,R,(,x,y,),，,G,(,x,y,),，,B,(,x,y,),是彩色显示三激励值，是映射算子，它们可以是线性的也可以是非线性的。,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,4,35,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,4,35,伪彩色映射轨迹,红外热图,静脉曲张患者的腿部远红外热像，血管明显增温、增粗，箭头所指处尤为明显。,红外热图,脉管炎患者的腿部远红外热像图，患腿由于血管疾病而血流不畅，导致低温。,红外热图,静脉炎是静脉血管发炎，热图表现为局部热区明显扩大。脉管炎是中小动脉血管壁发炎引起的肢端发凉，坏疽，从热图反应手足部及前下肢温度偏低。,红外热图,左膝关节软组织炎。热图显示左膝关节局部团状增温（箭头所示），温差,0.7,1.2,不等。,影像显示,Normal,Cystic,Sclerotic,Osteoporosis,4.5.1,颜色基本原理,4.5.2,颜色模型,4.5.3,伪彩色图像处理,4.5.4,关于彩色显示,4.5.5,实时伪彩色增强系统,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。,人们从一个物体上获得的颜色的感觉取决于这个物体的反射光的自然特性。也就是说,可见光由电磁能谱中相对狭长的频带组成。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,这是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、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,是观察者从光源获得的能量的量度。用流,明,(,lm,),来衡量；,亮度,是一个客观标志，它是无色光强度概念的,表征。,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，但观察者几乎感觉不到它,因为它的灰度几乎是零。,三基色混色及色度表示原理,根据光的波动说，,单一波长的光称为单色光,。从人们可以区别种种不同颜色这样一个事实出发，似乎可以假设视网膜上也存在着许多不同类型的锥状体，,每一类型的锥状体只“谐振”于某一特定的颜色。如果锥状体果真有这样的单色响应，那么某一彩色感觉只能由相应波长的电磁能引起。,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。,由三基色混配各种颜色的方法通常有两种：,相加混色：,彩色电视机上的颜色是通过相加混色,产生的。,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。,相加混色和相减混色的主要区别：,第一,，,相加混色,是由发光体发出的光相加而产生各种颜色，而,相减混色,是先有白色光，尔后从中减去某些成份（吸收）得到各种彩色。,第二,，相加混色的三基色是红、绿、蓝，而相减混色的三基色是黄、青、紫（一般不确切地说成是黄、蓝、红）。也就是说相加混色基色的补色就是相减混色的基色。,第三,，相加混色和相减混色有不同规律（指颜料相混）。,相加混色：,红,绿,黄,红,蓝,紫,蓝,绿,青,红,绿,蓝,白,相减混色：,黄,白,蓝,紫,白,绿,青,白,红,白,蓝,绿,红,黑,格拉斯曼定律（,Grassman,Law),包括如下四项内容：,（）所有颜色都可以用互相独立的三基色混合得,到；,（）假如三基色的混合比相等，则色调和色饱和度,也相等；,（）任意两种颜色相混合产生的新颜色与采用三 基色分别合成这两种颜色的各自成分混合起来得,到的结果相等；,（）混合色的光亮度是原来各分量光亮度的总和。,这里,色调、色饱和度及亮度,是表示色觉程度的量。,色调,表示各种颜色种类的术语；,色饱和度,表示颜色深浅（添加白光的多少）。,以三基色为基础的格拉斯曼定律可用下式表示,F,（,）（,）（,）,(2,50),国际照明委员会（,CIE,）规定：,红色,（波长,700.00nm,），,绿色,（波长,546.1nm,）,蓝色,（波长,438.8nm,）,三种单色光作为表色系统的三基色。,这就是,CIE,的,R,、,G,、,B,颜色表示系统。,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,1,lm,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,1,lm,(,W,)=1T(,R,),+1T(,G,),+1T(,B,),1,T,单位,红光,=0.30,lm,；,1,T,单位,绿光,=0.59,lm,；,1T,单位,蓝光,=0.11,lm,。,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。,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由显像管的电子枪来调整，其强度正比于“红色脉冲”的能量。,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,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：,(479),(480),(481),(4,78),一种表征颜色的途径是用色度图,它以一种,x,(,红,),和,y,(,绿,),的函数表示颜色组成。对任意,x,和,y,的值，相应的,z,(,蓝,),的值可从公式,(481),中获得,即：,z,=1-(,x+y,),。,例如：某颜色有大约,62%,的绿色,25%,的红色,由公式,(481),可知,蓝色的组成大约有,13%,。,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。,