遥感数字图像处理教程【1.9】

4.1.2 色 彩 模 型 和 色 彩 空 间根 据 人 眼 结 构 所 有 颜 色 都 可 看 做 是 三 种 基 本 颜 色 R 、G B red green b l u e , 分别表示 红 、绿 、蓝按 照 不 同 比 例 组 合 而 成 。为 了 建 立 标 准 国 际 照 明 委 员 会CIE在 1931年规定三 种 基 本 色 的 中 心 波 长 分 别 为 R 700 nm, G546.1 nm, B435.8 nm。色 彩 模 型color model是 将 数 字 分 配 给 色 彩 的 系 统 目的是按照某种标准利用基色来表示 颜 色 。数 字 图 像 以 亮 度 点 集 合 的 形 式 显 示 因而眼睛区分不同亮度的能力在显示图像时非常 重 要 。为了正确 使 用 颜 色 并 建 立 统 一 的 标 准 需 要 建 立 合 理 的 色 彩 模 型 。常 用 的 色 彩 模 型 有 RGB红/绿/蓝模 型 CMYK青/品红/黄/黑模 型 HSI色调/饱和度/强度模型 LAB 也 称 CIE LAB, 1976年国 际 照 明 委 员 会 确 定 的 标 准 模 型 。光学遥感中使 用 的 是 R G B 模 型 和 H S I模 型 。色 彩 空 间color space又 称 色 域 是 面 向 特 定 目 标 的 颜 色 范 围 的 描 述 。色彩空间是色彩模 型 的 实 例 其 中 颜 色 用 一 个 三 维 坐 标 系 统 及 这 个 系 统 中 的 子 空 间 来 表 示 每个颜色在系统 中 由 一 个 单 点 表 示 。一 个 色 彩 模 型 可 以 有 多 个 色 彩 空 间 。不 同 的 色 彩 空 间 其 色 彩 再 现 范 围 不 同 。将一个色彩空间的颜色坐标值转换为另一个色彩 空 间 中 的 颜 色 坐 标 值 称 为 色 彩 空 间 转 换 。转换 后 的 颜 色 坐 标 会 发 生 漂 移 利用这种特性可以增强图像显示的效果。4 . 1 . 3 常 用 的 色 彩 模 型色 彩 模 型 或 者 是 面 向 硬 件 设 备 如彩色监视器或打印机或 者 是 面 向 应 用 。与硬件设备有 关 的 模 型 有 ①R G B 模 型 应 用 在 彩 色 监 视 器 和 彩 色 摄 像 机 等 领 域 用 于 图 像 的 显 示 。②C M Y 模型应用在彩色打印机上用于图像的打印输出。③Y1Q模 型 用于彩色电视广播 。④HSI模型用于图像的显示和处理。独立于硬件设备的模型是CIE LAB模 型 其 中 CIE是国际光照组织的简称。L 是光度值A 是红-绿组分B 是蓝-黄组分。数字图像处理中最 常用的模型是RGB、H SI模 型 。CM Y模型用于打印对于获得高质量的图像硬拷贝输出很重要。1 .R G B 模型在 RGB模型中每种颜色的主要光谱中都有红 R、 绿 G、 蓝 B成 分 。 这 种 模 型 基 于Cartesian笛卡儿坐标系统使用空间立方体表示图 4.2。在 图 4 .2 中RGB值 在 3 个顶角上青 色 、品红和黄色在另三个顶角上黑色在原点白色在离原点最远的角上。在这个模型中灰度级沿着黑白两点的连线从黑延伸到白其他各种颜色由位于立方体内或立方体上的点来表示同时由原点延伸的向量决定。为了方便假定所有的颜色值都已标准 化 即所 有 R、G、B 的值都被假定在0, 1范围内。 图 4.2 R、G、B 彩色单位立方体RGB色彩模型是根据人眼锥体接收光线的方法构造的模型是 红 、绿 、蓝三原色混合得到的颜色集合所构成的色彩。三种颜色中的任意一颜色均有256个等级因此三色叠加可生成 256X256X25616M种色彩能满足视觉彩色世界。RGB色 彩模型中的图像由RGB三个独立的图像平面构成每个平面代表一种原色。三个图像在屏幕上组合产生合成的彩色图像。当图像本身用三原色来描述时在图像处理中运用 RGB模型就很有意义相 应 地 大多数用来获取数字图像的彩色摄像机都使用RGB模 型 。计 算 机 是 采 用 RGB模型来显示图像的。RGB色彩模型用于图像的显示与显示器和扫描仪等设备紧密相关因 此 RGB色彩空间是一个与设备相关的色彩空间产生的颜色与具体使用的扫描仪的感光元件或显示器的荧光粉发光特性相关。不同的设备所选定的三原色是不同的混合出的颜色效果也不会完全相同因此不同的显示器和扫描仪显示的颜色效果和扫描得到的颜色也会产生差异。在图像显示上使 用 RGB色彩模型的色彩空间有AdobeRGB和 sR G B ,前者具有更大的色彩空间在专业图像处理软件和数码照相机中使用后者常用于一般的图像显示。Windows操作 系 统 常 用sRGB来显示图像。2 . C M Y 模型CMY模型为青/品红/黄模型。光的颜色是合成性的如 青 色 、品红和黄色都是光的合成色或二次色。当用白光照青色的表面时没有红光从这个表面反射出来。也就是说青色从反射的白光中除去了红光。多数在纸上堆叠颜色的设备如彩色打印机、复印机要 求 CMY数据输入或进行一次RGB到CM Y的变换。这里假定所有的颜色值都已标准化到0, 1范围内。上式表明从一个纯蓝绿色表面反射的光线中不包括红色即 C l - R 。类似地纯红紫色不反射绿色纯黄色不反射蓝色。上式揭示了 R G B 值可以很容易地用1 减 C M Y 单个值的方法获得。如前所述C M Y 模型用于图像处理结果的硬拷贝输出上因此从 C M Y 到 R G B 的逆变换操作通常没有实际意义。由于黑色比较重要而且难以通过合成的方式产生实际工作中使用的是C M Y K 模型,单独增加了黑色K 。一般所说的四色印刷即 C M Y K 四种颜色的组合。C M Y K 色彩空间是彩色胶片的染料和印刷油墨所使用的色彩空间用于图像的打印输出。对于油墨和染料来说不同的一组原色C M Y K 可以得到不同的颜色复制范围。同样的一组原色对于染料和油墨来说得到的颜色也会不同。因此C M Y K 色彩空间也是与设备相关的色彩空间。C M Y K 色彩空间的颜色覆盖范围比R G B 色彩空间要小些但也有一些颜色 超 出 R G B 色彩空间。这意味着有一些颜色可以在显示器上显示出来但不能印刷出来。胶片的颜色再现范围比印刷的颜色再现范围要大一些。3.H S I 模型色 相 H 是描述纯色纯红、纯绿等的颜色属性饱 和 度 S 是白光冲淡纯色程度的量度 1是光的强度。HSI模型的重要性在于第一强度成分⑴在图像中与颜色信息无关第二,色相和饱和度成分与人们获得颜色的方式密切相关。这 些 特征使HSI模型成为一个理想的研究图像处理运算法则的工具是彩色图像处理中最常用的色彩模型。本模型在图像变换一章有更详细的说明。4 . 1 . 4 图 像 显 示图像可以单色显示也可以彩色显示。单色显示的是灰阶灰度级。彩色是单色图像的合成结果彩色显示可以表达更多的信息。1.显示过程图像显示过程是首 先 C P U 从存储介质中读取数据转换为颜色查找表L UT值域内的值 并以位的形式保存在图像处理器G P U 的缓冲存储器图像存储器内。读数器读取存储器里的位数据然后将此值赋给彩色查找表C L U T 中 的 R G B 。数模转换器D/A将 R 、G 、B 数据值变为适当的模拟信号连续的电信号。对 于 C R T 阴极摄像管显示器模拟信号调整 着 R G B 电子枪的强度控制着每个像素在视频C R T 屏幕显示的亮度①。图 4.3是图像显示过程示意图。屏幕上的图像实际上是图像显示装置中数值的视频显示。由于屏幕更新速率快l/30s,人们几乎感觉不出屏幕的闪烁。2 . 单色显示利用灰阶进行显示一 般 是 256级 灰阶。8 位 图 像 处 理 器 有 一 个8 位 2 56个元素的查找表LUT。LU T是一维线性表给出了显示的颜色与图像数字之间的对应关系。查找表由系统定义或用户定义利用查找表可快速进行图像像素值到颜色的映射。将 R、G、B 分 别 按 。〜 255顺序排列如 果 LUT的每个元素对应相同的R、G、B 值 如 R、G、B0 0、0呈 黑色 127、127、127呈 灰 色 ,255、255、255呈白色则为灰阶查找表。若某单波段图像的一个像素值为1 2 7 ,贝 R、G、B 值 位 于 LUT表 的 127处 通过 8 位数模转换器在 CRT屏幕上显示出一个中灰色像素。图像的显 示 值 在0〜 255之 间 最后生成一幅单色灰阶图像。如果查找表中的每个R, G, B的值各不相同则为彩色查找表CLUT。3 . 彩色显示利 用 RGB合成进行彩色显示。RGB来源于指定的波段,RGB值的灰度级范围为0〜 255。图像彩色显示主要有两种方法一种是电子显示法也就是用彩色监视器显示有时称这种显示为软拷贝。另一种方法用彩色硬拷贝设备进行彩色显示。数字图像处理通过彩色显像管显示彩色图像用相加混色法产生各种颜色。相加混色的基本规律是红 色 绿色 黄色红 色 蓝色 品红蓝 色 绿色 青色红 色 蓝色 绿 色 白色这里的三原色是红色、绿 色 、蓝 色 。青 色 、品红、黄色称为它们的补色。彩色硬拷贝设备用相减混色原理显示彩色图像使 用 的 是 CMYK色彩空间。相减混色有下列规律黄 色 白色-蓝色品红 白色-绿色青 色 白色-红色黄 色 紫色 白色-蓝色-绿色 红色黄 色 青 色 白色-蓝色-红色 绿色品红 青色 白色-绿色-红色 蓝色黄色 品红 青 色 白色-蓝色-绿色-红色 黑色人眼只能区分二十余种不同等级的灰度却可辨别几千种不同的色度把单色显示变换为彩色显示可以明显的提图图像的识别度图 4.4o如 果 指 定 波 段 的 波 长 范 围 与 R G B 的波长范围是相对应的可产生真彩色显示效果。真彩色显示效果类似于人眼睛所看到的自然色效果更便于进行图像对比分析。如果输入的波长 与 R G B 是不对应的产生的是假彩色效果即图像上的颜色与人眼睛在生活中所看到的实际颜色是不同的。将 遥 感 图 像 中 不 同 的 波 段 作 为 R G B 三个通道进行合成显示可以产生不同的颜色组合从而达到突出地物信息的目的。在显示的时候数据文件中的图像灰度值需要按照显示的设置进行量化。以真彩色显示为 例 其 红 绿 蓝 的 颜 色 值 均 为0, 255。浮点数存储的图像数据在显示前首先按照线性关系 被 转 换 为0 ~ 2 5 5 的 整 数 图 4.5, 然 后 才 能 进 行RGB合成显示。4 . 1 . 5 显 示 设 备 的 选 择 和 色 彩 校 正显示设备是图像处理必不可少的设备其中 设备的构造和特性是决定图像显示质量的重要因素。正如图像处理不应降低图像质量一样同样要求显示设备能够清晰地显示数字图像 。在实际工作中要根据工作的目标认真的选择设备并校正色彩切不可随意处之。显示器为分析人员提供了变换图像比例、选择彩色设置和观察范围等能力同时提供了探测图像变化的能力这些都是胶片图像所不具备的。CRT和 LCD显示器CRT阴极射线管cathode ray tube显示器图像显示通过发光物体 磷来实现光线从磷的涂层向各个方向发射只是强弱稍有不同而已。 因此你可以在一个很大的视角范围来观看屏幕无论从哪个角度去观察显示的亮度、色彩都和正视效果相近。C R T 显示器能表现出的色彩几乎是无穷的 因为它是模拟设备。只需改变红绿蓝三种模拟信号的强度就可以得到不同的色彩。CRT显示器往往比较笨重。LCD 液 晶 显 示 器 ,liquid crystal display: 1888年 一 位 奥 地 利 植 物 学 家 F. Renitzer发现了液晶特殊的物理特性。 8 5 年 后 这一发现产生了商业价值。1973年日本夏普公司首次将它用于制作电子计算器的数字显示。LCD需要强的背景光线穿过液晶层或者其他显示层来形成图像从而完成图像的传递过程 。 L C D 的特性决定了它所需要的背景光是定向的。LCD显示的可视角度不同在不同角度观察图像色彩差异明显。L C D 技术根据电压的大小来改变亮度但 是 只 有 主 动 矩 阵 LCD可以单独控制每个像素被 动 矩 阵 L C D 每次都要驱动整行或整列像素其灰阶表现能力很差。每 个 L C D 子像素显示的颜色取决于色彩过滤器。主 动 矩 阵 式 L C D 显 示 器 比 CRT小需要很少的电量。但 是 如果希望在户外强光环境下图像更明亮就需要一个更亮的背景光源这将需要更多的电力。同样的显示效果CRT价格低但 笨 重 、费电LCD价格高但 轻便。达到同样的图像处理和出版制作效果LCD需要更高的价格。1 . 显示设备的选择1选择合适的计算机以及输出设备。计算机显示器的选择尤为重要专业显示器与非专业显示器在价格上会有很大的差别。对于图像处理来说如果显示器是非专业的其分辨率较低色彩再现性较差在屏幕上进行图像处理时会面临许多困难。在显示器的性能指标中要求较高的分辨率、较高的色彩位数、较小的点距和较高的刷新频率。(2 )固定计算机操作的工作环境(照明条件、显示器位置等)。计算机的工作环境往往容易让人忽视而环境对于图像的色彩有很大的影响。第一要求工作环境的照明光源为标准光源光源若带有色彩倾向必然影响我们对色彩的判断。第二要求工作环境无环境色影响周围最好为白色或中性色。显示器应置于水平看书时大致相同的视角位置不要摆放在过亮或过暗的位置。(3)对显示器进行校正使屏幕显示达到工作要求并建立和调用显示器相应的配置文件 (Profile 文件)。(4)对打印机进行校准建 立并调用其p ro file文件。打印机的调节和校准主要是对标准色块的打印结果进行色度测量,并将测量数据输入到相应的profile文件中,生成相应的profile文件。2 . 显示器的色彩校正显示器色彩校正目标有两个不同显示器间显示效果的比较显示结果与打印结果的比较 。前者用于图像处理过程后者用于图像处理结果的输出。图像显示和打印使用的色彩空间不同显示器的色彩再现范围一般要大于打印和印刷的色彩再现范围。为此需要对显示器进行调节和校准。对于印刷企业以及印前制作中心来说颜色的准确还原是非常重要的因此常通过相应的软件工具和显示器色彩测试仪器来测定显示器的色彩特性并生成相应的Profile文件。对一般工作者来说显示器色彩测试仪器价格昂贵相关的软件工具也不易获得可以通过免费软件对显示器进行调校比如使用Photoshop提供的工具。下 面 是 用 Photoshop工具进行显示器屏幕校准的基本流程。Photoshop软件的屏幕校准是通过Adobe Gam ma程序来进行的主要校准显示器的亮度、对比度、中间调、白场及色彩平衡。也就是说它能校准显示器的偏色使灰色在显示器上显示为中性灰。Adobe Gam ma程序能为不同的显示器设定标准并将这些标准设定存储为显示 器 的 profile文件以备调用。校正步骤(1)准备工作。先将显示器设定为稳定的工作状态保证显示器正常开机半小时以上。然后调节环境的光照亮度和色彩并保持工作环境的稳定。将操作系统桌面设定为灰色以防止在显示器调节时背景色对颜色视觉的干扰。(2)导入一个已有的profile文件(文件扩展名为“ .icc” )作为屏幕校正的基础一般推荐导入的是 “ sRGB Color Space Profile”。(3)运行软件进行校正。在软件的指导下将显示器的对比度调到最大并调节屏幕亮度以便系统测试显示器的对比度。接着选择显示器所使用的荧光粉的类型然后选择所需要的显 示 器 的 G am m a值 一 般 选 择 Windows Default 2.2。如果使用的是苹果计算机则选用Macintosh Default 1 . 8 ,并调节显示器上显示的中性灰色块以确定屏幕中间调的亮度同时系统自动测试屏幕的亮度。在这一过程中还可以查看红、绿 、蓝三色的偏色情况。然后选择显示器的白场可 以 选 择 6500K(日光)或9300K(冷白)并进行测试。进入测试界面后有三个色块中间色块为屏幕当前的颜色通过点击左面偏冷的色块或右面偏暖的色块以使中间色块达到中性灰。测试完毕后整个校准工作便告完成将测试完的文件存储到操作系统的色彩文件夹下。此 时 生 成 的 Profile文件自动被系统调用。网络上有许多色彩校正的实例建议大家查阅参考①。图像显示的色彩管理从文件中的数字到显示图像的数字之间需要一个转换合成才能产生彩色图像。这个转换过程可以是线性的也可以是非线性的。通过转换将数字翻译为不同的显示效果。当前存 在 多 种 转 换 方 案 。对于色彩转 换 方 案 的 管 理 称 为 色 彩 管 理 是图像处理和印刷中的重要内容。每个转换 方 案 表 现 为 一 个 配 置 文 件 profile或嵌入到图像中的相关的配置信 息 。即使是相同的图像数据、相同的原始图像不同显示器上显示的图像看起来可能不同打印的图像看起来与在显示器上看到的也可能不同。此情况的产生是因为输入设备如扫描仪和数码照相机以电子数据捕获的颜色与输出设备如显示屏幕和打印机根据彩色数据再生的颜色具有不同的特性。 色彩管理系统用来调整输入和输出设备之间色彩特性的差别。在色彩管理系统中一 个 称 为 “特 性 ”的色彩定义文件用于执行两个设备之间的色彩匹配 此 文 件 称 为 IC C 特性。输入设备的特性称为输入特性或源特性输 出 设 备 如打印机称为打印机特性或输出特性O输入设备的色彩变化范围和输出设备的色彩再现范围不同。其结果是即使使用特性文件执行色彩匹配 色彩范围也不匹配。除指定特性以外 色 彩 管 理 系 统 还 要 按 “着色意图”指定色彩匹配失效区域的转换条件。 色彩管理系统不同着色意图的名称和类型不同。输入设备和打印机之间的色彩管理不能让打印输出结果和显示器的色彩匹配。要使两者间的色彩匹配最好执行输入设备与显示器之间的色彩管理。为 了 保证不同设备上 看到相同的显示效果各设备使用的配置文件需要遵循相同的标准。sR G B 是一种通用的色彩空间其 中 S 是小的意思其色彩空间范围色域小于标准的R G B 范围常用于图像的显示和打印。W indows浏览器显示图像使用的是sRGB°AdobeRGB是另一种色彩空间在高端数码照相机中经常使用其色彩范围大于标准的R G B 范围。CMYK是用于图像印刷的色彩空间其 色 彩 范 围 小 于 sRGB。常用的桌面图像处理软件中如 Photoshop, 处理后的图像一般包含了色彩配置信息。其他的软件如果要显示这些图像必须具有或支持相关的色彩配置否则显示会不正常当然利用这种不正常可以产生特殊的效果。例 如 A dobeRGB的 图 像 在 sR G B 中显示就会变得比较苍白。幸运的是专业遥感图像处理软件中保存的是图像数据也就是说显示仅仅是数据的可视化软件保存的是处理后数据从而减少了复杂性。然而如果需要保存屏幕上的处理效果图像然后在其他软件如桌面图像处理软件中显示或者打印遥感图像时那么你就要关注彩色管理的问题。如果图像要进行高质量的彩色打印就需要深入研究不同色彩空间的差异 以保证打印出来的就是屏幕上所看到的内容。色 影 无 忌 网 站 的 “慎 之 ”对色彩管理给出了一个比较完整的总结数码摄影色彩管理ABC 可供参考。网址http://fbrum.xitek.com/thread-306019-1-1-1 .htmlo