【图像处理】色彩空间变换

彩色空间变换

一、简介

​ 一般图像是有红（R）、绿（G）、蓝（B)三个通道，每个通道由（0-255）不同的值组成，这就构成了多彩的图像，这称为图像的颜色空间。在图像处理中，还有另外的颜色空间（如HSV，HIS），这些更具有可分离性和可操作性。所以很多的图像算法需要将图像从RGB转换为其他空间。

二、RGB与灰度空间互转

​ RGB（红绿蓝）是依据人眼识别的颜色定义出的空间，可表示大部分颜色。但在科学研究一般不采用RGB颜色空间，因为它的细节难以进行数字化的调整。它将色调，亮度，饱和度三个量放在一起表示，很难分开。这里先将RGB空间与灰度空间互转。
常见的转换公式如下

算法名称	转换公式
最大值灰度处理	$gray=max(R,G,B)$
浮点灰度处理	$gray=0.3R+0.59G+0.11B$
整数灰度处理	$gray=(30R+59G+11B)/100$
移位灰度处理	$gray=(28R+151G+77B)>>8$
平均灰度处理	$gray=(R,G,B)/3$
加权平均灰度处理	$gray=0.299R+0.5877G+0.144B$

灰度化的主旨就是将三通道的色彩转换为一通道的。最常见的是加权平均灰度处理。

得知公式之后，可以直接使用算法将每个像素点的彩色值转换为灰度值。在opencv中有可以直接将RGB图像转换为灰度图像的算法，如下：

#opencv自带方法
img_GRAY = cv2.cvtColor(img_RGB, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

#使用numpy转换灰度空间，使用加权平均灰度
height,width,channle = img_GRAY.shape
grayimg = np.zeros((height, width, 3), np.uint8)
#图像加权平均灰度处理方法
for i in range(height):
    for j in range(width):
        #灰度加权平均法
        gray = 0.30 * img[i,j][0] + 0.59 * img[i,j][1] + 0.11 * img[i,j][2]
        grayimg[i,j] = np.uint8(gray)

原始图：
效果图：

三、RGB转HSV

HSV是一种将RGB色彩空间中的点在倒圆锥体中的表示方法。HSV即色相(Hue)、饱和度(Saturation)、明度(Value)，又称HSB(B即Brightness)。色相是色彩的基本属性，就是平常说的颜色的名称，如红色、黄色等。饱和度（S）是指色彩的纯度，越高色彩越纯，低则逐渐变灰，取0-100%的数值。明度（V），取0-max(计算机中HSV取值范围和存储的长度有关)。HSV颜色空间可以用一个圆锥空间模型来描述。圆锥的顶点处，V=0，H和S无定义，代表黑色。圆锥的顶面中心处V=max，S=0，H无定义，代表白色。

这个模型就是按色彩、深浅、明暗来描述的。

H是色彩

S是深浅， S = 0时，只有灰度

V是明暗，表示色彩的明亮程度。

RGB到HSV的转换公式：
$$\begin{gathered} V=max(R,G,B) \\ S=\{\begin{array}{llc}\frac{V-min(R,G,B)}{V}& if& V\ne 0\\ 0& otherwise& \end{array} \\ H=\{\begin{array}{llc}60(G-B)/(V-min(R,G,B))& if& V=R\\ 120+60(B-R)/(V-min(R,G,B))& if& V=G\\ 240+60(R-G)/(V-min(R,G,B))& if& V=B\end{array} \end{gathered}$$
opencv中提供了RGB转HSV的方法，只需要将原图像传入，输出的即为HSV空间的图像。

img_HSV = cv2.cvtColor(img_BGR, cv2.COLOR_BGR2HSV)

原图：
效果图：

在实验过程中发现，opencv直接读取的图片格式为BGR排列的，当转换为RGB时，色彩发生变化，但是使用两种不同的格式生成的HSV空间的图像，结果是一样的。代码如下：

	img_BGR = cv2.imread("img.jpg")
	cv2.imshow("img_BGR",img_BGR)

	# 先将图片转换为RGB格式
	img_RGB = cv2.cvtColor(img_BGR,cv2.COLOR_BGR2RGB)
	cv2.imshow("img_RGB",img_RGB)

	# 使用rgb转换hsv
	img_RGB2HSV = cv2.cvtColor(img_BGR,cv2.COLOR_BGR2HSV)
	cv2.imshow("img_RGB2HSV",img_RGB2HSV)

	# 使用bgr转化hsv
	img_BGR2HSV = cv2.cvtColor(img_BGR,cv2.COLOR_BGR2HSV)
	cv2.imshow("img_BGR2HSV",img_BGR2HSV)

四、HSV转RGB

如上可以知道如何从RGB空间转换为HSV空间了，下边继续记录从HSV空间转换到RGB空间。

当给定一个HSV中的一个值（h,s,v)，转换公式如下公式如下

展示的RGB值的范围是0.0到1.0

RGB	HSV
（1,0,0）	（0°，1,1）
（0.5,1,0.5）	（120°，0.5,1）
（0,0,0.5）	（240°，1,0.5）

img_RGB = cv2.cvtColor(img_HSV,cv2.COLOR_HSV2RGB)

hsv图像与上边结果相同，得到的rgb图像如下：

得到的结果是RGB排列的，如果想要还原到原来的样式，还需要进行RGB2BGR操作。