5彩色和多光谱图像处理1教程

图像理解与计算机视觉图像理解与计算机视觉第五章第五章彩色和多光谱图像处理彩色和多光谱图像处理第八章第八章彩色与多光谱图像彩色与多光谱图像处理处理8.18.1彩色图像处理彩色图像处理8.28.2多光谱图像处理多光谱图像处理8.38.3影像融合影像融合8.48.4遥感超谱图像处理遥感超谱图像处理8.18.1彩色图像处理彩色图像处理一一..彩色坐标变换彩色坐标变换二二..彩色图像复原彩色图像复原三三..图像增强图像增强四四..伪彩色伪彩色五五..假彩色增强假彩色增强六六..基于颜色特征的图像检索基于颜色特征的图像检索色彩颜色光的基本物理特征：‰频率：‰明亮度：‰纯度：加色法三原色三原色：任何一种单色光不能通过其它两种混合而成。即红、绿、蓝。如图两种原色按照等量叠加得到一种补色。三原色等量等量叠加得到白光。若两种色光叠加后得到白光白光((黑黑光光))，则称这两种色为互补色。非互补色不等量叠加得到两者之间的中间色。红(多)＋绿(少)＝橙色红(少)＋绿(多)＝黄绿色为便于讨论颜色的性质，可对配色比例进行归一化处理，定义：zyxzzzyxyyzyxxx++=++=++=';';'取x’+y’+z’=1,则任意可配出的颜色可用x’和y’来表示，称为颜色的色度值。CIE(国际照明委员会)1931年定义三种标准基色和一组彩色匹配函数，称为XYZ颜色模型。任何一种可以混出的色彩Cl都可以表示为：标准基色与色度图CxXyYzZλ=⋅+⋅+⋅其中X,Y,Z称为标准基色，x,y,z为配出Cl所需的标准基色的量。为对配出颜色的亮度(辐射量)进行衡量，还需要定义亮度规范，通常取y值作为亮度的规范，于是其余两个配色量可表示为：标准基色与色度图标准基色与色度图yyzzyyxx'';''==于是，单从衡量颜色的角度，可以用(x’,y’)的二维空间位置表示颜色，称CIE色度图利用CIE色度图可以进行配色工作。从CIE色度图出发可以：‰为不同的基色组比较可配出的颜色范围‰标识互补颜色显示器的色彩展示显示器的色彩展示荫罩式彩色荫罩式彩色CRTCRT显色原理显色原理液晶显示原理液晶显示原理彩色模型白111黄110品红101红100青011绿010蓝001黑000颜色三基色MatlabMatlab中用多维阵列表示彩色中用多维阵列表示彩色图像图像从MATLAB5.0版本开始，支持多维阵列。多维阵列是二维矩阵的推广，它可用来表示更复杂的数据。RGBMatlabMatlab中图像的读入、输出与中图像的读入、输出与显示显示在Matlab中读取相应的彩色图像命令：a=imread('D:\_MyDocs\eteach\0.bmp');aR=a(:,:,1);%读取RGB彩色图像中的红色分量aG=a(:,:,2);%读取RGB彩色图像中的绿色分量aB=a(:,:,3);%读取RGB彩色图像中的蓝色分量……%bfigure,imshow(uint8(b));imwrite(b,'D:\_MyDocs\eteach\0b.bmp');MatlabMatlab可执行的图像文件格式可执行的图像文件格式美国国家计算机中心提出的一种卫星通用数据格式*.HDFHierarchicalDataformat增强XWindows转储格式*.XWDXWindowsDump扫描仪生成的图像格式*.TIFtaggedimagefileformat新兴的Web图像格式*.PNGportablenetworkgraphicsformat通用的标准图像文件格式*.PCXWindowsPaintbrush静止图像压缩国际标准格式*.JPGJPEGfileinterchangeformatMicrosoftWindows格式*.BMPBit-mappedformat基于视觉的三刺激理论，认为人眼视网膜锥状细胞通过对三种可见光的刺激强度的相对比较的感受而区分颜色。这三种光波分别在630nm，530nm，450nm达到刺激高峰。这种三刺激理论也是彩色视频显示器显示彩色的机理。RGBRGB颜色模型颜色模型BbGgRrCGGG⋅+⋅+⋅=λ其中向量R，G，B代表三个元色坐标轴上的单位向量描述RGB三色混合颜色的模型称为RGBRGB颜色模型颜色模型，可配出的颜色Cl表为：CrRgGbBλ=⋅+⋅+⋅GGG上述配色公式可由R，G，B坐标系中的单位立方体表示，坐标原点代表黑色，而(1,1,1)代表白色。落在坐标轴上的顶点代表三个基色，而其余的顶点则代表每个基色的互补色。立方体的对角线为灰度线。RGBRGB颜色模型颜色模型‰‰明暗明暗‰‰色泽色泽‰‰色调色调HSVHSV颜色模型颜色模型为表述上述感受，可先选择一种光来调色，然后通过加入一定量的白色和黑色来获得不同的明暗、色彩和色泽。这种关系可以用色调(Hue),色饱和度(Saturation)和明暗度(Value)来描述。HSV模型的立体表示如图示，在使用时首先指定色彩角H，且令V＝S＝1，然后，通过加入黑色(减小V)和白色(减小S)来调配出所需的颜色。HSV模型与RGB模型也可以互相转换。明暗度V饱和度S色彩角H红色：0o绿色：120o蓝色：240o纯色：S＝1白色：S＝0HSVHSV彩色空间彩色空间Hue色调Saturation饱和度Intensity强度(Value)2()()cos{}2()()()31[min(,,)]()1()3RGRBHarcRGRBGBSRGBRGBVRGB−+−⎧=⎪−+−−⎪⎪⎪=−⎨++⎪⎪=++⎪⎪⎩RGBRGB到到HSVHSV颜色空间的转换颜色空间的转换1cos()1cos(60)31(1)33)SHRHBSGIRB⎧⎡⎤=+⎪⎢⎥°−⎣⎦⎪⎪⎪=−⎨⎪⎪=−−⎪⎪⎩HSVHSV到到RGBRGB颜色空间的转换颜色空间的转换1cos(120)1cos(180)31(1)33)SHGHRSBIRG⎧⎡⎤−°=+⎪⎢⎥°−⎣⎦⎪⎪⎪=−⎨⎪⎪=−−⎪⎪⎩0˚≤H120˚120˚≤H240˚1cos(240)1cos(300)31(1)33)SHBHGSRIGB⎧⎡⎤−°=+⎪⎢⎥°−⎣⎦⎪⎪⎪=−⎨⎪⎪=−−⎪⎪⎩240˚≤H360˚MatlabMatlab中图像彩色空间转换中图像彩色空间转换在Matlab中读取相应的彩色图像命令：a=imread('D:\_MyDocs\eteach\0.bmp');b=rgb2gray(a);c=gray2rgb(b);d=rgb2ind(a);e=ind2rgb(d);……figure,imshow(b);8.18.1彩色图像处理彩色图像处理一一..彩色坐标变换彩色坐标变换二二..彩色图像复原彩色图像复原三三..图像增强图像增强四四..伪彩色伪彩色五五..假彩色增强假彩色增强六六..基于颜色特征的图像检索基于颜色特征的图像检索彩色图像复原彩色图像复原以前所学的图像复原技术可以直接用于单一的彩色图像复原对RGB三色图像，需考虑人眼对彩色图像的视觉特性：1.人眼对于彩色图像中的细节部分的分辨率细节部分的分辨率，图像亮度对其的影响大于色度和饱和度的影响。2.具有一定幅度的随机噪声随机噪声对于亮度的影响大于对彩色的影响3.亮度对于边缘模糊边缘模糊的影响大于色度和饱和度4.人眼对均匀表面上的颗粒状噪声颗粒状噪声最敏感彩色图像复原操作步骤1.彩色平衡：考察彩图是否符合彩色灰度级和颜色平衡的要求；若若彩色灰度级不平衡则图偏重某一种基色色调；若若颜色不平衡则会使原呈现灰色的物体呈现彩色→线性点操作、变换2.变换格式：RGB→HSI3.低通滤波：作用在H和S分量上4.线性组合滤波：恢复I5.线性点操作：HSI三个分量点操作6.格式变换：HSI→RGB第八章第八章彩色与多光谱图像彩色与多光谱图像处理处理8.18.1彩色图像处理彩色图像处理8.28.2多光谱图像处理多光谱图像处理8.38.3影像融合影像融合8.48.4遥感超谱图像处理遥感超谱图像处理图像增强彩色图像的增强通常在HSI格式下进行色度H增强沿色度环方向顺时针或逆时针转动一定角度饱和度S增强对S分量图像素点乘大于1的系数则色彩鲜明对S分量图像素点乘小于1的系数则色彩变淡8.18.1彩色图像处理彩色图像处理一一..彩色坐标变换彩色坐标变换二二..彩色图像复原彩色图像复原三三..图像增强图像增强四四..伪彩色伪彩色五五..假彩色增强假彩色增强六六..基于颜色特征的图像检索基于颜色特征的图像检索伪彩色伪彩色1.定义：灰度图像之灰度→彩色；伪彩色增强的对象是具有不同灰度的黑白图象2.目的：改善视觉效果，提高分辨力（检测能力）人的视觉对灰度等级的区分能力和对不同彩色的区分能力不同灰度分层灰度分层((伪彩色编码伪彩色编码))法法⑴方法：灰度图像变换成彩色⑵图示：如下图所示。⑶优点：直观简单缺点：彩色种类不多原理是把一幅图象看成是一个二维的光照强度函数f(x,y)，做一个平行于图象坐标平面(xoy平面)的平面，该平面把f(x,y)所表示的图象分为上下两层。在f(x,y)＝li处的平面将图象分成两部分。如把黑白图象的灰度按此平面分成两种不同的颜色，并且对所有的象素的彩色进行编码，则产生了一幅两色的图象。灰度切割伪彩色增强灰度切割伪彩色增强2.2.变换法变换法⑴方法：根据三基色原理，作一对三映射，即独立变换⑵图示(,){(,)}(,){(,)}(,){(,)}RGBRxyTfxyGxyTfxyBxyTfxy=⎧⎪=⎨⎪=⎩典型的彩色映射曲线之一典型的彩色映射曲线之一红红映射映射绿映射绿映射蓝映射蓝映射f(x,y)f(x,y)f(x,y)f(x,y)f(x,y)f(x,y)f(x,y)f(x,y)r(x,y)r(x,y)g(x,y)g(x,y)b(x,y)b(x,y)D/AD/AD/AD/AD/AD/ARRGGBB彩彩色色显显示示器器rrR=TR=TRR(r)(r)rrG=TG=TGG(r)(r)rrB=TB=TBB(r)(r)rrRGB=T(r)RGB=T(r)蓝青绿黄红典型的彩色映射曲线之二rrB=TB=TBB(r)(r)rrG=TG=TGG(r)(r)rrR=TR=TRR(r)(r)rrRGB=T(r)RGB=T(r)伪彩色映射处理效果例伪彩色映射处理效果例11伪彩色映射处理效果例伪彩色映射处理效果例22伪彩色映射处理效果例伪彩色映射处理效果例11伪彩色映射处理效果例伪彩色映射处理效果例22伪彩色映射处理效果例伪彩色映射处理效果例11伪彩色映射处理效果例伪彩色映射处理效果例228.18.1彩色图像处理彩色图像处理一一..彩色坐标变换彩色坐标变换二二..彩色图像复原彩色图像复原三三..图像增强图像增强四四..伪彩色伪彩色五五..假彩色增强假彩色增强六六..基于颜色特征的图像检索基于颜色特征的图像检索概念1.1.定义：定义：假彩色增强的对象本身就是一幅彩色图象2.2.目的：目的：⑴目标（物）之于特定彩色中，更引人注目；⑵形成与人眼彩色感觉灵敏度相匹配之彩色；彩色多光谱图象彩色映射1.彩色→彩色f(x,y,r)=[RfGfBf]→[RGB]三对三映射举例：{红，绿，蓝}→{绿，蓝，红}111222333fffGGRBRBαβγαβγαβγ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎦⎦⎥⎣001100010fffRBGBRG⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎡⎡⎦⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎤⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎦增强图象三基色原图象三基色映射矩阵2.多光谱图象→彩色多对三映射设f(x,y)={f1(x,y),f2(x,y),…,fk(x,y)}为一目标之多光谱图像则121212(,){(,),(,),,(,)}(,){(,),(,),,(,)}(,){(,),(,),,(,)}RkGkBkRxyTfxyfxyfxyGxyTfxyfxyfxyBxyTfxyfxyfxy=⎧⎪=⎨⎪=⎩1.RGB彩色图象直接增强真彩色增强2.真彩色图象增强(1)将R，G，B分量图转化为H，S，I分量图(2)利用对灰度图增强的方法增强其中的某个分量图（对亮度分量I增强为I’）(3)再将结果转换为R，G，B分量图