数字图像处理——第六章 彩色图像处理

彩色图像处理

彩色图像处理分为两个主要领域：全彩色处理和伪彩色处理。在第一类中，通常要求图像用全彩色传感器获取；在第二类中，问题是对一种特定的单色灰度或灰度范围赋予一种颜色。到目前为止，多数数字图像处理是在伪彩色层面完成的。

1 彩色模型

彩色模型（也称彩色空间或彩色系统）的用途是在某些标准下用通常可接受的方式简化彩色规范。本质上，彩色模型是坐标系统和子空间的规范，位于系统中的每种颜色都由单个点来表示。

现在所用的大多数彩色模型不是面向硬件，就是面向应用的。在数字图像处理中，实际中最通用的模型如下：

• 面向硬件的RGB（红、绿、蓝）模型，用于色彩监视器和一大类彩色视频摄像机；
• CMY（青、深红、黄）和CMYK（青、深红、黄、黑）模型，用于彩色打印机；
• HSI（色调、饱和度、亮度）模型，这种模型更符合人描述和解释颜色的方式，可以解除图像中颜色和灰度信息的联系。

1.1 RGB彩色模型

RGB彩色模型是一种相加混色模型，常用于彩色监视器和彩色摄像机。在RGB模型中，每种颜色出现在红、绿、蓝的原色光谱分量中，这个模型基于笛卡尔坐标系统，所考虑的彩色空间如图1的立方体。

在RGB空间，用以表示每一像素的比特数叫做像素深度。如果RGB图像中每一分量（红、绿、蓝）都是一幅8比特的，在这种条件下，每一个RGB彩色像素称为24比特深度。

图1 RGB彩色立方体示意图

1.2 CMY和CMYK模型

CMY颜色模型是一种相减混色模型，常用于打印机。

青、深红和黄是光的二次色，是颜料的原色。例如，当青色颜料涂覆的表面用白光照射时，从该表面反射的不是红光，而是从反射的白光中减去红光，白光本身是等量的红、绿、蓝光的组合。

大多数在纸上沉积彩色颜料的设备，如彩色打印机，要求输入CMY数据或在内部做RGB到CMY的转换，即：

CMYK指CMY彩色模型的三种原色再加上黑色。

1.3 HSI彩色模型

HSI彩色模型是用色调、饱和度和亮度来描述颜色。

色调是描述纯色的属性，反过来，饱和度给出一种纯色被白光稀释的程度的度量。亮度是一个主观的描述，体现了无色的强度概念，并且是描述色彩感觉的关键参数。

图2 HSI彩色模型示意图

如图所示，箭头所指是一个任意彩色点，与红轴的夹角给出色调，向量的长度是饱和度，在该平面中，所有彩色的强度由平面在垂直强度轴的位置给出。

2 伪彩色处理

伪彩色图像处理（也称假彩色）是根据特定的准则对灰度值赋以彩色的处理。伪彩色或假彩色一词用于区分全（真）彩色图像处理。

真彩色是描述组成一幅彩色图像的每个像素时直接使用RGB三个基色分量。如果用RGB 8:8:8方式表示一幅彩色图像，就是RGB都用8位来表示，每个基色分量占一个字节，共三个字节，每个像素的颜色就是由这三个字节中的数值直接决定，可生成的颜色数就是2^24种。伪彩色图像的含义是，每个像素的颜色不是由每个基色分量的数值直接决定，而是把像素值当做彩色查找表的表项入口地址，去查找一个显示图像时使用的RGB值，用查找出的RGB值产生的彩色。

伪彩色的主要应用是为了人眼观察和解释一幅图像或序列图像中的灰度目标，利用彩色的主要动力之一是人类可以辨别上千种颜色和强度，而相形之下只能辨别几十种灰度。

2.1 强度分层

强度分层技术和彩色编码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三维函数，分层方法可看成是放置一些平行于图像坐标面的平面，然后每一个平面在相交的区域中切割图像函数。但是灰度被分为几个区间，且每个区域赋予了不同的颜色，而未考虑到图像中灰度级的意义。在这种情况下，感兴趣的知识简单地观察构成图像的不同灰度级。当灰度级细分基于图像的物理特性时，强度分层就会有很大意义并起重要意义。

2.2 灰度级到彩色转换

某些其他类型的变换更通用也更能拓宽伪彩色增强结果的范围。一种特别有吸引力的方法就是对任何输入像素的灰度级执行3个独立的变换。然后3个变换结果分别送入彩色电视监视器的红、绿、蓝通道。这种方法产生一幅合成图像，其彩色内容受变换函数特性调制。注意，这种方法是一幅图像灰度值的变换而不是位置函数。

总结

实际应用中常用的颜色空间包括RGB、CMY和HSI等。其中RGB和CMY属于面向硬设备的应用而HSI则属于面向以彩色处理为目的的应用。

RGB模型用三维空间中的一个点来表示一种颜色，每个点有三个分量，分别代表该点颜色的红、绿、蓝亮度值，其亮度值限定在[0，1]。而HSI模型，主要用强度(I)对应与颜色的亮度或灰度。符合人描述和解释颜色的方式。

在得到的图像中，有时会存在对比度低、颜色偏暗、局部细节不明显等问题，为改善图像的视觉效果、突出图像的特征，利于进一步的处理，需要对图像进行增强处理。其中伪彩色图像处理就是将一幅具有不同灰度级的图像通过一定的映射转变为彩色图像，它的处理对象是灰度图像，灰度变换法就是其常用的算法之一。