彩色图像处理 哈尔滨工业大学计算机学院 唐好选 tanghx@hope.hit.edu.cn 2017年3月10日

主要内容 颜色模型 各种颜色模型的转换算法 视觉现象

颜色模型 可见光波长范围为：400nm~760nm，能使人产生视觉，感到明亮和颜色

颜色模型 英国人Newton，三棱镜实验 证明了白光是所有可见光的组合。

彩色视觉 表征彩色光主要通过三个基本量 明亮度：光作用于人眼时引起明亮程度的感觉。一般情况下，彩色光所包含的能量大则显得亮，反之则暗 色调：光的一种属性，可区分不同的色 饱和度：彩色光所呈现颜色的深浅程度。饱和度越高，颜色越深，反之依然

HSI模型 HSI模型是Munseu提出的， 它反映了人的视觉系统观察彩色的方式，在艺术上经常使用HSI模型。HSI模型中，H表示色调(Hue)，S表示饱和度(Saturation)， I表示亮度(Intensity，对应成像亮度和图像灰度)。该模型的建立基于两个重要的事实： I分量与图像的彩色信息无关 H和S分量与人感受颜色的方式是紧密相联的。 这些特点使得HSI模型非常适合借助人的视觉系统来感知彩色特性的图像处理算法

HSI模型 HSI模型的三个属性定义了一个三维柱形空间。灰度阴影沿着轴线从底部的黑变到顶部的白，具有最高亮度。最大饱和度的颜色位于圆柱上顶面的圆周上

颜色模型 1931年，国际照明委员会（CIE）规定用700nm、546.1nm、435.8nm的单色光作为红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色 根据三原色原理，任意彩色的颜色方程为： F=α(R) + β(G) + γ(B) 其中αβγ是红绿蓝三色的混合比例，称为三色系数 颜色模型指的是某个三维颜色空间中的一个可见光子集，它包含某个色彩域的所有色彩

RGB颜色模型 RGB颜色模型是三维直角坐标颜色系统中的一个单位立方体 正方体的主对角线上，各原色的量相等 产生由暗到亮的白色，即灰度 (0,0,0)为黑色，(1,1,1)为白色, 正方体的其它6个点分别为红 、黄、绿、青、蓝、品红 RGB颜色模型构成的颜色空间是 CIE原色空间的一个真子集，通常 用于CRT和光栅显示器 RGB三原色是加性原色

RGB颜色模型 混色后白光亮度定义为100%，那么人的主观感觉绿光亮度为59%，红光亮度为30%，蓝光亮度为11%。 白光的亮度用Y表示，它和红绿蓝三色光的关系为： Y=0.299R+0.587G+0.114B , NTSC美制电视制式亮度公式 Y=0.222R+0.707G+0.071B , PAL电视制式亮度公式

彩色光的合成 直接法：用三种色光按一定的比例同时投射到一个全反射表面上 空间混色法：用三种色光按一定的比例同时投射到一个表面的相邻的三个点上 时间混色法：用三种色光按一定的比例一定顺序轮流投射到一个表面的同以位置上 生理混色法：用两只眼睛同时观看两种不同颜色的同一景象，也可以产生混色的效果

CMY颜色模型 CMY颜色模型是以红绿蓝三色的补色青（Cyan，减红）、品红（Magenta，减绿）、黄（Yellow，减蓝）为原色构成的颜色模型 常用于从白光中滤去某种颜色， 故称为减色原色空间 CMY颜色空间与RGB颜色 空间几乎完全相同

CMY颜色模型 Yellow，减蓝 Magenta，减绿 Cyan，减红 Yellow，减蓝

RGB和CMY颜色模型的区别 内容 RGB颜色模型 CMY颜色模型 三原色 RGB CMY 成色规律 R+G=Y R+B=M G+B=C R+G+B=W Y+M=R C+Y=G C+M=B C+M+Y=K 实质 色光相加，光能量增大 色料混合，光能量减小 效果 明度增大 明度减小 成色方式 视觉器官外：空间混合 视觉器官内：动/静态混合 色料掺合 透明色层跌合 补色关系 补色光相加，愈加愈亮，形成白色 补色料相加，愈加愈暗， 形成黑色 主要应用 彩色电影、电视、测色计 彩色绘画、摄影、印刷、印染

RGB和CMY颜色模型的区别 RGB和CMY颜色模型时面向硬件的

HSV 颜色模型 HSV（Hue Saturation Value）颜色模型是面向用户的，对应于圆柱坐标系中的一个圆锥形子集 S 灰 绿(120°) 红(0°) 青(180°) 黄(60°) 蓝(240°) 品红(120°) H O S (1,0) V 白 色浓 纯色 色相 色深 黑 灰 S 色相、色浓和色深之间的关系

HSV 颜色模型 HSV模型中，每一种颜色和它的补色相差180度，饱和度（色深）取值从0到1 HSV模型所代表的颜色域也是CIE原色空间的一个子集 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S=0，V=1，H无定义，代表白色，从该点到原点代表亮度渐暗的白色，即具有不同灰度的白色 任何V=1，S=1的颜色是纯色 HSV颜色模型的优点： 符合人眼对颜色的习惯 三个坐标是独立的 采用线性标尺

HSV 颜色模型 从RGB立方体的白色顶点，顺主对角线向原点方向投影，可得到一个正六角形，此正六角形是HSV圆锥顶面的一个真子集 RGB空间的主对角线对应于HSV空间的V轴

CIE色度图 CIE（国际照明委员会） 1931年，CIE规定了三种标准原色x,y,z,用于颜色匹配，三种对应的颜色匹配函数如下：

CIE色度图 对于可见光谱中的任何主波长的光，都可以用这三个标准原色的叠加来匹配

CIE色度图 对于可见光谱中的任意一种颜色C，可以找到一组权（X,Y,Z），使得：C=xX+yY+zZ,即用CIE原色匹配C,下图为XYZ空间中包含所有可见光的锥体 整个锥体落在第一象限，从原点引一条任意射线穿过该锥体，则射线上任意两点代表的色光具有相同的主波长和纯度 在每条射线上各取一点即可代表所有的可见光，习惯上，这一点取做射线与平面X+Y+Z=1的交点，其坐标称为色度值，规格化坐标表示为：

CIE色度图 可以把与平面X+Y+Z=1相交的色度值(x,y,z)中的(x,y)绘制成CIE色度图，如图。 边界弯曲部分上的每一点，对应光谱在某种纯度为百分之百的色光，线上标明的数字为对应的主波长 中央一点C代表白光，C点接近于x=y=z=1/3

CIE色度图 CIE色度图主要有两种用途： 用色度图计算任何颜色的主波长和纯度 如果B在曲边上，则B的主波长就是A的主波长，否则，找不到该颜色对应的主波长，此时，主波长可以用其补色的主波长值之后加c表示 一种颜色称为另一种颜色的补色，指二者混合之后产生白色，图中F的补色为A,所以F的主波长为555umc

CIE色度图 CIE色度图主要有两种用途： 定义颜色域(Color Ranges)以便显示叠加颜色的效果 I和J按不同比例叠加，可产生其连线上的任意一种颜色 I，J和K按不同比例叠加，可产生三角形内的任意一种颜色 对于任意一个三角形，如果其三个顶点均落在可见光区域内，则其混合所产生的颜色不能覆盖整个可见光区域 红绿蓝三原色不能叠加出所有可见光颜色

CIE颜色模型 CIE XYZ模型：以色视觉的三元理论为根据，说明人眼具有接受三原色的接受器，而所有的颜色均被视作该三原色的混合色 CIE L*a*b*：是CIE XYZ颜色模型的改进型，它的L（明亮度），a（绿色到红色）和b（蓝色到黄色）代表许多的值，更适合于人眼的感觉 CIE YUV ：亮度信号Y和色度信号UV是分离的，只有Y分量而没有U（R-Y）V（B-Y）分量，表示黑白灰度图，彩色电视采用YUV空间是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接受彩色信号

主要内容 颜色模型 各种颜色模型的转换算法 视觉现象

RGB与CMY之间的转换 C=255-R M=255-G Y=255-B

RGB与HSV之间的转换

RGB与HSV之间的转换 H在[0，120]之间 H在[120，240]之间 H在[240，360]之间

RGB与HSV之间的转换 首先把RGB坐标转换为CIE XYZ 然后将CIE XYZ值转换为HSV坐标

RGB 与CIE XYZ之间的转换 CIE-RGB三刺激值与与CIE_XYZ三刺激值可通过如下两个式子进行相互转换

RGB 与CIE YUV之间的转换

视觉现象 视觉现象 同时对比 同时性颜色对比 继时性颜色对比 对比灵敏度 视觉分辨率 视觉暂留特性 马赫带效应

主要内容 颜色模型 各种颜色模型的转换算法 视觉现象

视觉现象 颜色视觉机理 Young -Helmholtz的三原色学说 Hering的对立颜色学说（四色学说） “在人眼视网膜上存在感受红、绿、蓝色的光接受器（锥状体），分别对红、绿、蓝三种光最敏感，一切颜色特性都由这些锥状体的响应量的比例来表示” Hering的对立颜色学说（四色学说） “在人眼视网膜上存在着响应红-绿、黄-蓝、白-黑的三种光接受器，所有的颜色特性都由这些光接受器的响应量的比例来表示”

视觉现象 特点 基于经验事实提出 都有心理实验和显微光谱-电生理学测定结果作依据 Young -Helmholtz的三原色学说 缺点是不能满意地解释色盲现象 Hering的对立颜色学说（四色学说） 缺点是不能满意地解释红、绿、蓝三原色能够产生所有光谱色彩的现象

视觉现象 物体的颜色不仅取决于物体本身，还与光源、周围环境以及观察者的视觉系统甚至人的心理因素有关，颜色的感知是一种心理物力现象，它是光经过与周围环境的相互作用然后到达人眼，并经过一系列的物理和化学变化转化为人眼所能感知的电脉冲的结果，同时还是一种生理、心理现象，有许多心理因素会影响视觉系统对当前景物颜色的主观判断

视觉现象 同时对比：暗适应性，亮适应性，同时亮度对比 同时性颜色对比：每种颜色在其邻近的区域内互相影响，并诱导出其补色，或者使颜色向另一种颜色的补色方向变化，越接近补色，对比感越强，同一种颜色，在亮背景下更暗，而在暗背景下则更亮 继时性颜色对比：将一颜色纸片放在一背景上，注视一段时间后，会在背景上看到原纸片颜色的补色。例如看了绿色再看黄色，黄色有了鲜红的感觉

同时对比度

视觉现象 对比灵敏度：人眼所能分辨出的亮度差别所需要的最小亮度差值与目标物体的亮度成正比，为一常数，称为对比灵敏度，也称为Weber比，当亮度很强和很弱时，该比值不再保持为常数 视觉分辨率：对于空间和时间上两个相邻的视觉信号，人们分辨出二者存在的能力。例如对红紫能分辨出23种饱和度，而对黄色只能分辨出16种。人眼对亮度细节的分辨率高于对彩色细节的分辨率，物体运动速度增加时，分辨率会下降

视觉现象 视觉暂留特性：人眼对亮度的感觉不会随着光刺激的消失而立即消失，而是按近似的指数规律逐渐减少，例如电影原理 马赫带效应：观察一条由均匀黑的区域和均匀白的区域形成的边界时，人眼感觉到的是在亮度变化部位附近的暗区和亮区中分别存在一条更黑和更亮的条带。

马赫带效应（欠调和过调）

视觉现象 视觉惰性:人眼对亮度的突变并不是马上就能够适应，而是需要一定的过渡时间，人眼这种对亮度改变进行跟踪的滞后性质称为视觉惰性 错觉:人眼充填上了不存在的信息或者错误地感知物体的几何特点

色彩设计 色彩的情感 色彩的冷暖感 色彩的重量感 色彩的尺寸感 色彩的距离感 色彩的软硬感 色彩的情绪感