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第9章彩色图像处理9.1色度学基础与颜色模型9.1.1色度学基础灰度图像的像素值是光强，即二维空间变量的函数f(x，y)。如果把灰度值看成是二维空间变量和光谱变量的函数f(x，y，λ)，则为多光谱图像，也就是通常所说的彩色图像。计算机显示一幅彩色图像时，每一个像素的颜色是通过三种基本颜色(红、绿、蓝)合成的，即利用了最常见的RGB颜色模型。要理解颜色模型，首先应了解人的视觉系统。1．三色原理在人的视觉系统中存在着杆状细胞和锥状细胞两种感光细胞。杆状细胞为暗视器官，主要功能是辨别亮度信息；锥状细胞是明视器官，在照度足够高时起作用，其功能是分辨颜色。锥状细胞将电磁光谱的可见部分分为三个波段：红、绿、蓝。由于这个原因，这三种颜色被称为三基色，图9-1表示了人类视觉系统三类锥状细胞的光谱敏感曲线。根据人眼的结构，所有颜色都可看做是三种基本颜色——红(Red，R)、绿(Green，G)和蓝(Blue，B)按照不同的比例组合而成的。国际照明委员会(CIE)早在1931年就规定三种基本色的波长分别为R:700nm，G:546.1nm，B:435.8nm。一幅彩色图像的像素值可看做是光强和波长的函数值f(x，y，λ)，但实际使用时，将其看做是一幅普通二维图像，且每个像素有红、绿、蓝三个灰度值会更直观些。2．颜色的三个属性颜色是外界光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。颜色分两大类：非彩色和彩色。非彩色是指黑色、白色和介于这两者之间深浅不同的灰色，也称为无色系列。彩色是指除了非彩色以外的各种颜色。颜色有三个基本属性，分别是色调、饱和度、亮度。基于这三个基本属性，提出了一种重要的颜色模型HSI(Hue，Saturation，Intensity)。在HSI颜色模型部分，将详细介绍这三个基本属性。9.1.2颜色模型为了科学地定量描述和使用颜色，人们提出了各种颜色模型。目前常用的颜色模型按用途可分为三类：计算颜色模型、视觉颜色模型和工业颜色模型。计算颜色模型用于进行有关颜色的理论研究。常见的RGB模型、CIEXYZ模型、Lab模型等均属于此类型。视觉颜色模型是指与人眼对颜色感知的视觉模型相似的模型，它主要用于色彩的理解，常见的有HSI模型、HSV模型和HSL模型。工业颜色模型侧重于实际应用，包括彩色显示系统、彩色传输系统及电视传输系统等。如印刷中用的CMYK模型、电视系统用的YUV模型、用于彩色图像压缩的YCbCr模型等。1.RGB模型RGB模型采用CIE规定的三基色构成表色系统。自然界的任一颜色都可通过这三种基色按不同比例混合而成。由于RGB模型将三基色同时加入以产生新的颜色，所以，它是一个加色系统。设颜色传感器把数字图像上的一个像素编码成(R，G，B)，每个分量量化范围为［0，255］共256级。因此，RGB模型可以表示28×28×28=224=256×256×256=16777216≈1670万种颜色。这足以表示自然界的任一颜色，故又称其为24位真彩色。一幅图像中的每一个像素点均被赋予不同的RGB值，便可以形成真彩色图像，如红色(255，0，0)、绿色(0，255，0)、蓝色(0，0，255)、青色(0，255，255)、品红(255，0，255)、黄色(255，255，0)、白色(255，255，255)、黑色(0，0，0)等，等比例混合三基色产生的是灰色。RGB颜色模型可用一个三维空间中的单位立方体来表示，如图9-2所示。在RGB立方体中，所有数据都进行了标准化，其取值范围为［0，1］。原点所对应的颜色为黑色，它的三个分量值都为零。距离原点最远的顶点对应的颜色为白色，它的三个分量值都为1。从黑到白的灰色分布在这两个点的连线上，该线称为灰色线。立方体内其余各点对应不同的颜色。彩色立方体中有三个角对应于三基色红、绿、蓝，剩下的三个角对应于三基色的补色，即青色(蓝绿色)、品红(紫色)、黄色。RGB模型与显示器等设备有着很好的对应关系，RGB显示器中，有三种荧光粉能够分别发射出红、绿、蓝三种颜色，三个相邻的荧光点构成了一个像素，这些荧光点受到三束强度分别为c1、c2、c3的电子束的轰击，会发出不同的亮度，通过物理上的叠加或混合，便可显示出相应的颜色。2．CIEXYZ模型采用RGB模型表示各种不同颜色时，存在有负值表示颜色。为此，CIE1931年制定了XYZ模型，其中，X、Y、Z分别表示三种标准原色。对于可见光中的任一种颜色F，可以找到一组权值使：x、y、z中，只有两个是相互独立的，因此，表示某种颜色只需两个坐标即可。据此，CIE制定了如图9-3所示的色度图，图中横轴代表标准红色分量x，纵轴代表标准绿色分量y，标准蓝色分量z=1－(x＋y)。CIEXYZ模型与RGB模型之间可以相互转换，其转换公式为3.Lab颜色模型Lab颜色模型是CIE于1976