數字圖像處理(Digital Image Processing)是通過計算機對圖像進行去除噪聲、增強、復原、分割、提取特徵等處理的方法和技術。本專欄將以學習筆記形式對數字圖像處理的重點基礎知識進行總結整理，歡迎大家一起學習交流！
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目錄
彩色圖像基礎
爲什麼要研究彩色圖像處理？
符合人類視覺特點
- 人類可以辨別幾千種顏色色調和亮度
- 只能辨別幾十種灰度層次
有用的描繪子
- 簡化目標物的區分
- 目標識別：根據目標的顏色特徵
彩色圖像處理可分爲：
全綵色處理
- 數碼相機
- 數碼攝像機
- 彩色掃描儀
僞彩色處理
- 對不同的灰度或灰度範圍賦予不同的顏色
當一束白光通過一個玻璃棱鏡時，出現的光束 不是白光，而是由一端爲紫色到另一端爲紅色的 連續彩色譜組成
光特性是顏色科學的核心
描述彩色光的3個基本量：
- 輻射率：從光源流出能量的總量，用瓦特(W) 度量
- 光強：觀察者從光源接收的能量總和
- 亮度：主觀描繪子
三原色 ：紅色（Red）、綠色（Green）、藍色（Blue）
原色相加可產生二次色
- 深紅色：紅＋藍
- 青 色：綠＋藍
- 黃 色：紅＋綠
彩色空間（也稱彩色模型或彩色系統）
RGB
- CCD技術直接感知R,G,B三個分量
- 是圖像成像、顯示、打印等設備的基礎
CMY(青、深紅、黃)、CMYK (青、深紅、 黃、黑）
運用在大多數在紙上沉積彩色顏料的設備， 如彩色打印機和複印機
CMYK
- 打印中的主要顏色是黑色
- 等量的CMY原色產生黑色，但不純
- 在CMY基礎上，加入黑色，形成CMYK彩色 空間
HSI(色調、飽和度、亮度）
兩個特點：
- 分量與圖像的彩色信息無關
- H和S分量與人感受顏色的方式是緊密相連的
將亮度(I)與色調（H）和飽和度（S）分開
避免顏色受到光照明暗(I)等條件的干擾
僅僅分析反映色彩本質的色調和飽和度
廣泛用於計算機視覺、圖像檢索和視頻檢索
YIQ
- Y指亮度(Brightness),即灰度值
- I和Q指色調，描述色彩及飽和度
- 用於彩色電視廣播，被北美的電視系統 所採用（屬於NTSC系統）
- Y分量可提供黑白電視機的所有影像信息
YUV
- Y指亮度,與YIQ的Y相同
- U和V也指色調，不同於YIQ的I和Q
- 用於彩色電視廣播，被歐洲的電視系統所採用（屬於PAL系統）
- Y分量也可提供黑白電視機的所有影像信息
YCbCr
- Y指亮度,與YIQ和YUV的Y相同
- Cb和Cr由U和V調整得到
- JPEG採用的彩色空間
彩色空間轉換
RGB和CMY值都歸一化到[0,1]
僞彩色圖像處理
什麼叫僞彩色圖像處理?
- 也叫假彩色圖像處理
- 根據一定的準則對灰度值賦以彩色的處理
- 區分：僞彩色圖像、真彩色圖像、單色圖像
爲什麼需要僞彩色圖像處理?
- 人類可以辨別上千種顏色和強度
- 只能辨別二十幾種灰度
應用
- 爲人們觀察和解釋圖像中的灰度目標
怎樣進行僞彩色圖像處理？
- 1. 強度分層技術
- 2. 灰度級到彩色轉換技術
強度分層技術
把一幅圖像描述爲三維函數（x,y,f(x,y)）
分層技術：放置平行於(x,y)座標面的平面
每一個平面在相交區域切割圖像函數
令[0,L-1]表示灰度級，使l0代表黑色（f(x,y)=0）, lL-1代表白色(f(x,y)=L-1)。假設垂直於強度軸的P 個平面定義爲量級l1,l2,…,lP。0<P<L-1，P個平面 將灰度級分爲P+1個間隔，V1,V2,…,VP+1，則灰度級 到彩色的賦值關係:
- ck 是與強度間隔 Vk
- 第K級強度有關的顏色
- Vk 是由在l=k-1和l=k分割平面定義的
灰度級到彩色的轉換
- 對任何輸入像素的灰度級執行3個獨立變換
- 3個變換結果分別送入彩色監視器的紅、綠、 藍三個通道
- 產生一幅合成圖像
全綵色圖像處理基礎
全綵色圖像處理研究分爲兩大類：
- 分別處理每一分量圖像，然後，合成彩色圖像
- 直接對彩色像素處理：3個顏色分量表示像素 向量。令c代表RGB彩色空間中的任意向量
對大小爲 M * N 的圖像
彩色變換
彩色變換函數
補色
補色：在如圖所示的彩色環上，與一種色調直接 相對立的另一種色調稱爲補色
作用：增強嵌在彩色圖像暗區的細節
彩色圖像平滑
令Sxy表示在RGB彩色圖像中定義一箇中心在(x,y) 的鄰域的座標集，在該鄰域中RGB分量的平均值爲
彩色圖像尖銳化（拉普拉斯微分）
RGB彩色空間，分別計算每一分量圖像的拉普拉斯變換
彩色分割（把一幅圖像分成區域）
HSI彩色空間分割——直觀
- H色調圖像方便描述彩色
- S飽和度圖像做模板分離感興趣的特徵區
- 強度圖像不攜帶彩色信息
RGB彩色空間——直接
RGB彩色空間分割
令z代表RGB空間中的任意一點，a是分割 顏色樣本集的平均顏色向量
D0是距離閾值
