第6章彩色图像处理 只有经过几年的准备之后，年轻的艺术家才应接触颜色，不是用颜 色描述，而是作为人的情感表达的手段。 —亨利·马蒂斯 作为一种训练形式，很长时间我限制自己面对一种颜色 —巴布罗·毕加索 引言 在图像处理中，彩色的运用受两个主要因素的推动。第一，彩色是一个强有力的描绘子，它常 常可简化从场景中提取和识别目标：第二，人可以辨别几千种彩色色调和亮度，但相比之下只能辨别 几十种灰度色调。第二个因素在人工图像分析中特别重要。 彩色图像处理可分为两个主要领域：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，如彩色电视摄像机或彩色扫描仪。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，多数数字彩色图像处理是在伪彩色层面完成的。然而，在过去 的十年里，彩色传感器和用于处理彩色图像的硬件在合理的价格上变得更容易接受，导致现在的全彩 色图像处理技术的应用日益广泛，包括出版、可视化和互联网应用。 在后续的讨论中，我们会看到前面几章介绍的一些灰度方法可直接用于彩色图像。其他方法则 要求将灰度方法重新表达为与本章推导的彩色空间的性质保持一致。本书讨论的这些技术远未穷尽」 仅是用于彩色图像处理的一些方法。 6.1彩色基础 虽然人的大脑感知和理解颜色所遵循的过程还是未完全了解的一种生理和心理现象，但颜色的 物理性质可由实验和理论结果支持的基本形式来表示。 在l666年，艾萨克·牛顿(1 saac Newton)发现了一种现象，当一束太阳光通过一个玻璃棱镜时. 出现的光束不是白色的，而是由一端为紫色、另一端为红色的连续色谱组成。如图6.1所示，色谱可 分为6个宽的区域：紫色、蓝色、绿色、黄色、橙色和红色。当观察全彩色时（见图6.2），色谱末尾 的颜色不是突变的，而是每种颜色混合平滑地过渡到下一种颜色的。 基本上，人类和某些其他动物感知一个物体颜色是由物体反射光的性质决定的。如图6.2所示， 可见光由电磁波谱中相对较窄的频段组成。一个物体反射的光如果在所有可见光波长范围内是平衡 的，那么对观察者来说显示为白色。然而，一个物体反射有限的可见光谱，则物体呈现某种颜色。例1 如，绿色物体反射具有500-570m范围内主要波长的光，吸收其他波长的多数能量
250 数字图像处理（第三版】 红外线 外 图6.I白光通过棱镜看到的色谱（原图像由General Electric公司的Lamp Business分公司提供） 包马射线x射线然外拉红外线微议视频无线电技 紫外红 可见光 虹外 波长(nm) 图6.2可见范围电磁波谱的波长组成（原图像由General Electrie公司的Lamp Business分公司提供 光的特性是彩色科学的核心。如果光是无色的（缺乏颜色），它的属性仅仅是亮度或者数值。无 色光就是观察者在黑白电视机上看到的光.并且它是迄今为止我们对图像处理的讨论的隐含分量。 正如第2章中定义并多次使用的那样，术语灰度级仅提供了一个亮度的标量度量，它的范围从黑色 到灰色最终到白色。 影鱼光大约覆盖申磁波进400700m的范围。用来描术彩角光源质量的3个其本量是岳射。光 强和亮度。辐射是从光源流出的能量的总量，通常用瓦特(W)来度量。光强用流明来度量，它给出了 观察者从光源感知的能量总和的度量。例如，由远红外波谱范围的光源发出的光，可能具有很大的能 量（辐射），但是观察者却很难感知到它；它的光强儿乎是零。最后，亮度是一个主观描绘子，它实际 上是不可能度量的。它体现了无色的强度的概念，并且是描述色彩感觉的一个关键因素。 正如2.1,1节中解释的那样，人眼中的锥状细胞是负责彩色视觉的传感器。详细的实验结果已经 确定，人眼中的600-700万个锥状细胞可分为3个主要的感知类别，分别对应于红色、绿色和蓝色 大约65%的锥状细胞对红光敏感.33%对绿光敏感，只有2%对蓝光敏感（但蓝色锥状细胞对蓝光更敏 感)。图6.3显示了人眼中的红色、绿色和蓝色锥状细胞吸收光的平均实验曲线。由于人眼的这些吸收 特性，所看到的彩色是所谓的原色红(R)、绿(G)、蓝（®）的各种组合。为标准化起见，CE(国际照明 委员会)在1931年设计了下面的特定波长值为三原色：蓝色=435.8nm.绿色=546.1nm.红色=700nm 这一标准在图6.3所示的详细实验曲线于1965年被采用之前就做了规定。因此CE标准只是近似 应于实验数据。由图6.2和图6.3我们注意到，没有单一的颜色可称为红色、绿色或蓝色。另外，应 记住为标准化目的而定的三个特定原色波长，并不意味着这三个周定的RGB分量单独作用就能产生 所有谱，这一点很重要。“原色”一词的使用已被广泛误解为：三个标准原色以各种强度比混合在一起 时，可以产生所有的可见彩色。正如您很快将会看到的那样，这一解释是不正确的、除非波长允许变 化，而在这种情况下将不再有三个固定的标准原色了。 原色相加可以产生二次色，如深红色（红色加蓝色）、青色（绿色加蓝色）和黄色（红色加绿色）。 以正确的亮度把三原色或把与二次色相对应的原色混合，即可产生白光。这一结果示于图6.4()，它 还说明了三原色及其混合产生二次色 光的原色与颜料或着色剂的原色之间的区别很重要。后者的原色被定义为减去或吸收光的一
第6章彩色困像处理 251 种原色，并反射或传输另外两种原色。因此，颜料的原色是深红色、青色和黄色，而二次色是红 色、续色和蓝色。这些颜色示于图6,4)。将三种颜料原色或与二次色对应的原色的适当混合，即 可产生黑色。 445nm 535nm 575n 蓝色 绿色 400 650 700 图6,3以波长为函数，人眼中的红色、绿色和蓝色锥状细胞对光的吸收曲线 彩色电视接收机是光的彩色相加性质的一个例子。许多彩色电视荧光屏(CT,阴极射线管)的 内部是由电敏荧光粉按三角形点阵的模式组成 的。当激发时，三色组中的每一点产生三原色中 的一种光。发红光的荧光点的亮度由显像管内的 色 电子枪调制，该电子枪产生的脉冲与电视摄像机 看到的“红色能量”相对应。每个三色组中的绿 青色 色荧光点和蓝色荧光点以相同的方式调制。在电 视接收机上观客到的效果是来自每个三鱼组的三 原色被“加”在一起，并被人眼中的颜色敏感的 锥状细胞以全彩色图像的方式接收。以所有这三 种颜色每秒钟连续变化30幅图像，在荧光屏上即 可完成连续图像的显示。 CT显示器正在被平板数字技术取代，壁如液 晶显示器(LCD)和等离子设备。虽然它们的基本原 理与CT不同.在某种意义上，这些技术及类似 红色 青色 的技术使用了一个相同的原理，即它们都要求三个 子像素（红色、绿色和蓝色）去产生单个彩色像素 LCD使用极化光的特性来阴止光或使光通过LCD 无和颜料的原色及二次色 屏幕，在有源矩阵显示技术的情况下，使用薄膜品 体管(T下T)提供适当的信号对屏幕上的每一个像素 图6.4光和颜料的原色及二次色（原图像由Gnen ectric公司的Lamp Business分八司 寻址。光滤波器用于在每个像素三色组位置上产生 光的三原色。在等离子装置中，像素是用于产生三原色之一的涂有荧光粉的微小气体单元、各个小单 元以类似于LCD的方式寻址。这种三像素组的同等寻址能力是数字显示的基础。 通常用以区别不同颜色特性的是亮度、色调和饱和度。正如本节前面所指出的那样亮度具体回
252 数字图像处理（第三版） 表达了无色的强度概念。色调是光波混合中与主波长有关的属性。色调表示观察者感知的主要颜色 这样，当我们说一个物体为红色、橙色或黄色时，指的是其色调。饱和度指的是相对的纯净度，或一 种颜色混合白光的数量。纯谱色是全饱和的。如深红色（红加白）和淡紫色（紫加白）这样的彩色是欠饱 和的，饱和度与所加白光的数量成反比。 色调与饱和度一起称为色度，因此，颜色可用其亮度和色度来表征。形成任何特殊彩色的红、绿」 蓝的数量称为三色值，并分别表示为XY和乙。这样，一种颜色就可由其三色值系数定义为 x-X+Y+Z (6.1-) y -X4Y+Z (6.1-2 和 7 :-X+Y+Z (6.1-3) 从以上公式可得四 x+y+2=1 (6.1-4) 对可见光谱内光的任何波长，用于产生对应于该波长的颜色所需的三色值可直接从大量实验结果编制 的曲线或表中得到(Poyntonl1996),也可参阅Walshl1958]和Kiverl1965]的早期文献。 确定颜色的另一种方法是使用CE色度图（见图6.5），该图以x(红)和y(绿)的函数表示颜色的组 成。对于x和y的任何值，相应的z值（蓝色）可由式(6.14)得到，注意z=1-x+以。例如，图6.5中 标记为绿色的点大约有62%的绿色和25%的红色成分。从式(6.1-4)可得到蓝色的成分约为13%。 从380nm的紫色到780nm的红色的各种谱色的位置标在舌形色度图周围的边界上。这些都是 示于图6.2的谱图中的纯色。任何不在边界上而在色度图内部的点都表示谱色的混合色。示于图6.5 中的等能量点与三原色的百分比相对应，它表示白光的CE标准。位于色度图边界上的任何点都是 全饱和的。当一点离开边界并接近等能量点时，该颜色中就加人了更多的白光，它就变成欠饱和的颜 色了。等能量点的饱和度为零。 色度图对于色彩混合非常有用，因为色度图中连接任意两点的直线段定义了所有不同颜色的变 化，这些颜色可以由这两种颜色的加性组合得到。例如，考虑图6.5中所示的从红点到绿点画的 条直线，如果红光多于绿光，则确切地表示新颜色的点将处在该线段上，但与绿点相比它更接近于 红点。类似地，从等能量点到位于色度图边界上的任意一点画一线段，将定义那个特定谱色的所有 色调。 把这一过程扩展到三种颜色是很简单的。为了决定从色度图中任何给定的三种颜色得到的颜色 范围，我们可简单地在三个色点之间画出连接线，结果是一个三角形，三角形边界上或三角形内的任 何颜色都可以由三种初始颜色的不同组合产生。以任意固定颜色为顶点的三角形无法包围图65中的 整个颜色区域。这种观察结果从图解上支持了早期的评论，即用3个单一的、固定的原色无法得到所 有潮色。 图6.6中的三角形显示了由RGB监视器产生的典型的颜色范围（称为彩色全域）。三角形内的不 规则区域是今天高质量彩色打印设备的彩色域代表。彩色打印彩色域的边界是不规则的，因为彩色打 印是相加色彩和相碱色彩混合的组合，与在监视器上显示颜色（基于三种高度可控的原色光的相加）相 比，这是一个更加难以控制的过程，监视器是以三个高度可控的原色光的相加为基础的。 ①这段文字中使用的无头.：连循国际惯例。这些不应与书中其他小节用于表示空间坐标的红相混
第6章彩色图像处理 253 图65色度图（原图像由General Electric公司的Lamp Business分公司提供 08 01 图66彩色监视器的典型彩色域（三角形区域）和彩色打印设备的典型彩色城（不规则区城） 圆