一、彩色图像基础
为什么要研究彩色图像处理?
- 符合人类视觉特点:人类可以辨别几千种颜色色调和亮度;只能辨别几十种灰度层次。
- 有用的描绘子:简化目标物的区分;目标识别,根据目标的颜色特征。
彩色图像处理可分为:
- 全彩色处理:数码相机,数码摄像机,彩色扫描仪。
- 伪彩色处理:对不同的灰度或灰度范围赋予不同的颜色。
当一束白光通过一个玻璃棱镜时,出现的光束 不是白光,而是由一端为紫色到另一端为红色的 连续彩色谱组成。
光特性是颜色科学的核心。
描述彩色光的3个基本量:
- 辐射率:从光源流出能量的总量,用瓦特(W) 度量
- 光强:观察者从光源接收的能量总和
- 亮度:主观描绘子
三原色 :红色(Red)、绿色(Green)、蓝色(Blue)
二、彩色空间(也称彩色模型或彩色系统)
色彩模式
RGB
- CCD技术直接感知R,G,B三个分量
- 是图像成像、显示、打印等设备的基础
CMY(青、深红、黄)、CMYK (青、深红、 黄、黑)
运用在大多数在纸上沉积彩色颜料的设备, 如彩色打印机和复印机。
CMYK
- 打印中的主要颜色是黑色
- 等量的CMY原色产生黑色,但不纯
- 在CMY基础上,加入黑色,形成CMYK彩色 空间
HSI(色调、饱和度、亮度)
两个特点:
- 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连的
将亮度(I)与色调(H)和饱和度(S)分开;
避免颜色受到光照明暗(I)等条件的干扰;
仅仅分析反映色彩本质的色调和饱和度;
广泛用于计算机视觉、图像检索和视频检索。
YIQ
- Y指亮度(Brightness),即灰度值
- I和Q指色调,描述色彩及饱和度
- 用于彩色电视广播,被北美的电视系统 所采用(属于NTSC系统)
- Y分量可提供黑白电视机的所有影像信息
YUV
- Y指亮度,与YIQ的Y相同
- U和V也指色调,不同于YIQ的I和Q
- 用于彩色电视广播,被欧洲的电视系统所采用(属于PAL系统)
- Y分量也可提供黑白电视机的所有影像信息
YCbCr
- Y指亮度,与YIQ和YUV的Y相同
- Cb和Cr由U和V调整得到
- JPEG采用的彩色空间
彩色空间转换
伪彩色图像处理
伪彩色图像处理,也叫假彩色图像处理,根据一定的准则对灰度值赋以彩色的处理。
区分:伪彩色图像、真彩色图像、单色图像
为什么需要伪彩色图像处理?人类可以辨别上千种颜色和强度,但只能辨别二十几种灰度。
应用:为人们观察和解释图像中的灰度目标。
怎样进行伪彩色图像处理? 强度分层技术;灰度级到彩色转换技术。
强度分层技术
把一幅图像描述为三维函数(x,y,f(x,y))
分层技术:放置平行于(x,y)坐标面的平面
每一个平面在相交区域切割图像函数
令[0,L-1]表示灰度级,使l0代表黑色(f(x,y)=0), lL-1代表白色(f(x,y)=L-1)。假设垂直于强度轴的P 个平面定义为量级l1,l2,…,lP。0<P<L-1,P个平面 将灰度级分为P+1个间隔,V1,V2,…,VP+1,则灰度级 到彩色的赋值关系:
c_k是与强度间隔 V_k第k级强度有关的颜色,Vk 是由在l=k-1和l=k分割平面定义的。
灰度级到彩色的转换
- 对任何输入像素的灰度级执行3个独立变换
- 3个变换结果分别送入彩色监视器的红、绿、 蓝三个通道
- 产生一幅合成图像
全彩色图像处理基础
全彩色图像处理研究分为两大类:
- 分别处理每一分量图像,然后,合成彩色图像
- 直接对彩色像素处理:3个颜色分量表示像素 向量。令c代表RGB彩色空间中的任意向量
对大小为 M * N 的图像
彩色变换
彩色变换函数
补色
补色:在如图所示的彩色环上,与一种色调直接 相对立的另一种色调称为补色。
作用:增强嵌在彩色图像暗区的细节。
彩色图像平滑
令Sxy表示在RGB彩色图像中定义一个中心在(x,y) 的邻域的坐标集,在该邻域中RGB分量的平均值为
彩色图像尖锐化(拉普拉斯微分)
RGB彩色空间,分别计算每一分量图像的拉普拉斯变换
彩色分割(把一幅图像分成区域)
HSI彩色空间分割——直观
- H色调图像方便描述彩色
- S饱和度图像做模板分离感兴趣的特征区
- 强度图像不携带彩色信息
RGB彩色空间——直接
RGB彩色空间分割
令z代表RGB空间中的任意一点,a是分割 颜色样本集的平均颜色向量
三、python实现5种彩色空间的转换
具体而言,包括:
1)RGB → CMY;
2) CMY → RGB;
3) RGB → HSI;
4) HSI → RGB;
5) RGB → YIQ;
6) YIQ → RGB;
7) RGB → YUV;
8) YUV → RGB;
9) RGB → YCbCr;
10) YCbCr → RGB;
1 RGB → CMY
代码
'''-----------------RGB → CMY------------------------'''
import cv2
import imutilsdef rgb_cmy(img):r, g, b = cv2.split(img) # split the channels# normalization [0,1]r = r / 255.0g = g / 255.0b = b / 255.0c = 1 - rm = 1 - gy = 1 - bresult = cv2.merge((c, m, y)) # merge the channelsreturn resultif __name__ == '__main__':img = cv2.imread("E:/1.PNG")img_CMY = rgb_cmy(img)img_NEW = img_CMY * 255cv2.imwrite('F:/img_CMY.PNG', img_NEW)cv2.imshow("CMY image", imutils.resize(img_CMY, 666))cv2.imshow("original image", imutils.resize(img, 666))cv2.waitKey(0)cv2.destroyAllWindows()
效果
2 CMY → RGB
公式
代码
'''-----------------CMY → RGB------------------------'''
import cv2
import imutilsdef cmy_rgb(img):c, m, y = cv2.split(img) # split the channels# normalization[0,1]c = c / 255.0m = m / 255.0y = y / 255.0r = 1 - cg = 1 - mb = 1 - yresult = cv2.merge((r, g, b)) # merge the channelsprint(result)return resultif __name__ == '__main__':img = cv2.imread("F:/img_CMY.PNG")img_CMY = cmy_rgb(img)cv2.imshow("RGB image", imutils.resize(img_CMY, 666))cv2.imshow("original image", imutils.resize(img, 666))cv2.waitKey(0)cv2.destroyAllWindows()
效果
3 RGB → HSI
公式
代码
'''-----------------RGB → HSI------------------------'''
import cv2
import math
import imutils
import numpy as npdef rgb_hsi(rgb_Img):img_rows = int(rgb_Img.shape[0])img_cols = int(rgb_Img.shape[1])b, g, r = cv2.split(rgb_Img)# normalization[0,1]r = r / 255.0g = g / 255.0b = b / 255.0hsi_Img = rgb_Img.copy()H, S, I = cv2.split(hsi_Img)for i in range(img_rows):for j in range(img_cols):num = 0.5 * ((r[i, j]-g[i, j])+(r[i, j]-b[i, j]))den = np.sqrt((r[i, j]-g[i, j])**2+(r[i, j]-b[i, j])*(g[i, j]-b[i, j]))theta = float(np.arccos(num/den))if den == 0:H = 0elif b[i, j] <= g[i, j]:H = thetaelse:H = math.pi - thetamin_RGB = min(min(b[i, j], g[i, j]), r[i, j])sum = b[i, j]+g[i, j]+r[i, j]if sum == 0:S = 0else:S = 1 - 3*min_RGB/sumH = H/(math.pi)I = sum/3.0# 输出HSI图像,扩充到255以方便显示,一般H分量在[0,2pi]之间,S和I在[0,1]之间hsi_Img[i, j, 0] = H*255hsi_Img[i, j, 1] = S*255hsi_Img[i, j, 2] = I*255return hsi_Imgif __name__ == '__main__':rgb_Img = cv2.imread("E:/1.PNG")hsi_Img = rgb_hsi(rgb_Img)cv2.imwrite('F:/img_HSI.PNG', hsi_Img)cv2.imshow('original image', imutils.resize(rgb_Img, 600))cv2.imshow('HSI image', imutils.resize(hsi_Img, 600))key = cv2.waitKey(0) & 0xFFif key == ord('q'):cv2.destroyAllWindows()
效果
4 HSI → RGB
公式
代码
'''-----------------HSI → RGB------------------------'''
import cv2
import math
import imutilsdef hsi_rgb(hsi_img):img_rows = int(hsi_img.shape[0])img_cols = int(hsi_img.shape[1])H, S, I = cv2.split(hsi_img)# normalization[0,1]H = H / 255.0S = S / 255.0I = I / 255.0bgr_img = hsi_img.copy()B, G, R = cv2.split(bgr_img)for i in range(img_rows):for j in range(img_cols):if S[i, j] < 1e-6:R = I[i, j]G = I[i, j]B = I[i, j]else:H[i, j] *= 360if H[i, j] > 0 and H[i, j] <= 120:B = I[i, j] * (1 - S[i, j])R = I[i, j] * (1 + (S[i, j] * math.cos(H[i, j] * math.pi / 180)) / math.cos((60 - H[i, j]) * math.pi / 180))G = 3 * I[i, j] - (R + B)elif H[i, j] > 120 and H[i, j] <= 240:H[i, j] = H[i, j] - 120R = I[i, j] * (1 - S[i, j])G = I[i, j] * (1 + (S[i, j] * math.cos(H[i, j] * math.pi / 180)) / math.cos((60 - H[i, j]) * math.pi / 180))B = 3 * I[i, j] - (R + G)elif H[i, j] > 240 and H[i, j] <= 360:H[i, j] = H[i, j] - 240G = I[i, j] * (1 - S[i, j])B = I[i, j] * (1 + (S[i, j] * math.cos(H[i, j] * math.pi / 180)) / math.cos((60 - H[i, j]) * math.pi / 180))R = 3 * I[i, j] - (G + B)bgr_img[i, j, 0] = B * 255bgr_img[i, j, 1] = G * 255bgr_img[i, j, 2] = R * 255return bgr_imgif __name__ == '__main__':hsi_Img = cv2.imread("F:/img_HSI.PNG")rgb_Img = hsi_rgb(hsi_Img)cv2.imshow('original image', imutils.resize(rgb_Img, 600))cv2.imshow('RGB image', imutils.resize(hsi_Img, 600))key = cv2.waitKey(0) & 0xFFif key == ord('q'):cv2.destroyAllWindows()
效果
5 RGB → YIQ
公式
python代码
'''-----------------RGB → YIQ------------------------'''
import cv2
import imutils
import numpy as npdef rgb_yiq(rgb_Img):img_rows = int(rgb_Img.shape[0])img_cols = int(rgb_Img.shape[1])yiq_image = rgb_Img.copy()R, G, B = cv2.split(yiq_image)for x in range(img_rows):for y in range(img_cols):right_matrix = np.array([[R[x,y]],[G[x,y]],[B[x,y]]])left_matrix = np.array([[0.299,0.587,0.114],[0.596,-0.275,-0.321],[0.212,-0.528,0.311]])matrix = np.dot(left_matrix,right_matrix)r = matrix[0][0]g = matrix[1][0]b = matrix[2][0]yiq_image[x, y] = (r, g, b)return yiq_imageif __name__ == '__main__':rgb_Img = cv2.imread("E:/1.PNG")yiq_Img = rgb_yiq(rgb_Img)cv2.imshow('original image', imutils.resize(rgb_Img, 600))cv2.imshow('YIQ image', imutils.resize(yiq_Img, 600))cv2.imwrite('F:/img_YIQ1.PNG', yiq_Img)key = cv2.waitKey(0) & 0xFFif key == ord('q'):cv2.destroyAllWindows()
matlab代码
% 清变量,关闭窗口
clear;
close all;
% 文件读取
img=imread('E:/1.PNG'); %获得256*256*3数组
imshow(img);title('原始RGB图像');rgb=im2double(img); %将原图像转换到[0,1]空间
% figure; %与原图像相同
% imshow(rgb);
r=rgb(:,:,1);
g=rgb(:,:,2);
b=rgb(:,:,3)% rgb模型到yiq模型
y=0.299*r+0.587*g+0.114*b;
i=0.596*r-0.274*g-0.322*b;
q=0.211*r-0.523*g+0.312*b;
img_YIQ=cat(3,y,i,q);
figure;
imshow(img_YIQ);title('RGB2YIQ图像');
效果
6 YIQ → RGB
公式
python代码
'''-----------------YIQ → RGB------------------------'''
import cv2
import imutils
import numpy as npdef yiq_rgb(yiq_Img):img_rows = int(yiq_Img.shape[0])img_cols = int(yiq_Img.shape[1])rgb_image = yiq_Img.copy()Y, I, Q = cv2.split(rgb_image)for x in range(img_rows):for y in range(img_cols):right_matrix = np.array([[Y[x,y]],[I[x,y]],[Q[x,y]]])left_matrix = np.array([[1,0.956,0.620],[1,-0.272,-0.647],[1,-1.108,1.705]])matrix = np.dot(left_matrix,right_matrix)r = matrix[0][0]g = matrix[1][0]b = matrix[2][0]rgb_image[x, y] = (r, g, b)return rgb_imageif __name__ == '__main__':yiq_Img = cv2.imread("F:/img_YIQ1.PNG")rgb_Img = yiq_rgb(yiq_Img)cv2.imshow('original image', imutils.resize(yiq_Img, 600))cv2.imshow('RGB image', imutils.resize(rgb_Img, 600))key = cv2.waitKey(0) & 0xFFif key == ord('q'):cv2.destroyAllWindows()
matlab代码
% 清变量,关闭窗口
clear;
close all;
% 文件读取
img=imread('F:\img_YIQ.PNG'); %获得256*256*3数组
imshow(img);title('原始YIQ图像');yiq=im2double(img); %将原图像转换到[0,1]空间
% figure; %与原图像相同
% imshow(rgb);
y=yiq(:,:,1);
i=yiq(:,:,2);
q=yiq(:,:,3)% rgb模型到yiq模型
r=1*y+0.956*i+0.620*q;
g=1*y-0.272*i-0.674*q;
b=1*y-1.108*i+1.705*q;img_YIQ=cat(3,r,g,b);
figure;
imshow(img_YIQ);title('YIQ2RGB图像');
效果
7 RGB → YUV
公式
代码
'''-----------------RGB → YUV------------------------'''
import numpy as np
import cv2 as cv
import imutilsdef rgb_yuv(rgb_img):W = np.array([[0.299, 0.587, 0.114],[-0.148, -0.289, 0.437],[0.615, -0.515, -0.100]])rgb_Img = rgb_img.copy()rgb_Img = rgb_Img.astype(np.float)h, w, c = rgb_Img.shapefor i in range(h):for j in range(w):rgb_Img[i, j] = np.dot(W, rgb_Img[i, j])imc = rgb_Img.astype(np.uint8)return imcif __name__ == '__main__':img_rgb = cv.imread('E:/1.PNG')img_yuv1 = cv.cvtColor(img_rgb, cv.COLOR_RGB2YUV)img_yuv2 = rgb_yuv(img_rgb)cv.imwrite('F:/img_YUV.PNG', img_yuv1)# cv.imwrite('F:/img_YUV_self.PNG', img_yuv2)cv.imshow('original image', imutils.resize(img_rgb, 600))cv.imshow('OpenCV_YUV image', imutils.resize(img_yuv1, 600))cv.imshow('Self_YUV image', imutils.resize(img_yuv2, 600))cv.waitKey(0)
效果
8 YUV → RGB
公式
代码
'''-----------------YUV → RGB------------------------'''
import numpy as np
import cv2 as cv
import imutilsdef yuv_rgb(yuv_img):W = np.array([[1, 0., 1.13983],[1, -0.39465, -0.58060],[1, 2.03211, 0.]])rgb_img = yuv_img.copy()rgb_img = yuv_img.astype(np.float)h, w, c = rgb_img.shapefor i in range(h):for j in range(w):rgb_img[i, j][0] -= 16 # Yrgb_img[i, j][1] -= 128 # Urgb_img[i, j][2] -= 128 # Vrgb_img[i, j] = np.matmul(W, rgb_img[i, j])imc = rgb_img.astype(np.uint8)return imcif __name__ == '__main__':img_rgb = cv.imread('F:/img_YUV.PNG')img_yuv1 = yuv_rgb(img_rgb)img_yuv2 = cv.cvtColor(img_rgb, cv.COLOR_YUV2RGB)cv.imshow('original image', imutils.resize(img_rgb, 600))cv.imshow('OpenCV_RGB image', imutils.resize(img_yuv2, 600))cv.imshow('Self_RGB image', imutils.resize(img_yuv1, 600))cv.waitKey(0)
效果
9 RGB → YCbCr
公式
代码
'''-----------------RGB → YCbCr------------------------'''
import numpy as np
import cv2 as cv
import imutilsdef rgb2ycbcr(rgb_image):"""convert rgb into ycbcr"""if len(rgb_image.shape)!=3 or rgb_image.shape[2]!=3:raise ValueError("input image is not a rgb image")rgb_image = rgb_image.astype(np.float32)# 1:创建变换矩阵,和偏移量transform_matrix = np.array([[0.257, 0.564, 0.098],[-0.148, -0.291, 0.439],[0.439, -0.368, -0.071]])shift_matrix = np.array([16, 128, 128])ycbcr_image = np.zeros(shape=rgb_image.shape)w, h, _ = rgb_image.shape# 2:遍历每个像素点的三个通道进行变换for i in range(w):for j in range(h):ycbcr_image[i, j, :] = np.dot(transform_matrix, rgb_image[i, j, :]) + shift_matrixreturn ycbcr_imageif __name__ == '__main__':img_rgb = cv.imread('E:/1.PNG')img_ycbcr = rgb2ycbcr(img_rgb)img_NEW = img_ycbcr / 255cv.imwrite('F:/img_YCbCr.PNG', img_ycbcr)cv.imshow('original image', imutils.resize(img_rgb, 600))cv.imshow('Self_YCbCr image', imutils.resize(img_NEW, 600))cv.waitKey(0)
效果
10 YCbCr → RGB
公式
代码
'''-----------------YCbCr → RGB------------------------'''
import numpy as np
import cv2 as cv
import imutilsdef ycbcr2rgb(ycbcr_image):"""convert ycbcr into rgb"""if len(ycbcr_image.shape)!=3 or ycbcr_image.shape[2]!=3:raise ValueError("input image is not a rgb image")ycbcr_image = ycbcr_image.astype(np.float32)transform_matrix = np.array([[0.257, 0.564, 0.098],[-0.148, -0.291, 0.439],[0.439, -0.368, -0.071]])transform_matrix_inv = np.linalg.inv(transform_matrix)shift_matrix = np.array([16, 128, 128])rgb_image = np.zeros(shape=ycbcr_image.shape)w, h, _ = ycbcr_image.shapefor i in range(w):for j in range(h):rgb_image[i, j, :] = np.dot(transform_matrix_inv, ycbcr_image[i, j, :]) - np.dot(transform_matrix_inv, shift_matrix)return rgb_image.astype(np.uint8)if __name__ == '__main__':img_ycbcr = cv.imread('F:/img_YCbCr.PNG')img_rgb = ycbcr2rgb(img_ycbcr)img_NEW = img_rgb / 255cv.imshow('original image', imutils.resize(img_ycbcr, 600))cv.imshow('Self_RGB image', imutils.resize(img_NEW, 600))cv.waitKey(0)
效果
11 扩展1——多图处理
代码
'''-----------------RGB → CMY------------------------'''
import cv2
import imutilsdef rgb_cmy(img):r, g, b = cv2.split(img) # split the channels# normalization [0,1]r = r / 255.0g = g / 255.0b = b / 255.0c = 1 - rm = 1 - gy = 1 - bresult = cv2.merge((c, m, y)) # merge the channelsreturn resultif __name__ == '__main__':for i in range(3):img = cv2.imread("F:/{}.PNG".format(i))img_CMY = rgb_cmy(img)img_NEW = img_CMY * 255cv2.imwrite('F:/img_CMY.PNG', img_NEW)cv2.imshow("CMY image{}".format(i), imutils.resize(img_CMY, 666))cv2.imshow("original image{}".format(i), imutils.resize(img, 666))cv2.waitKey(0)cv2.destroyAllWindows()
效果
12 扩展2——视频处理
爬取视频
import requests
import json
import redef change_title(title):# 替换非法字符pattern = re.compile(r"[\/\\\:\*\?\"\<\>\|]")new_title = re.sub(pattern, "_", title)return new_title# 示例爬取3页数据
for page in range(1, 4):print('---------------正在爬取第{}页小姐姐视频-------------------'.format(page))# 获取 URL 地址url = 'https://v.6.cn/minivideo/getlist.php?act=recommend&page={}&pagesize=20'.format(page)# headers 参数确定headers = {'user-agent': 'Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/80.0.3987.122 Safari/537.36'}# 模拟浏览器发送 URL 地址请求response = requests.get(url, headers=headers)# 去除 response 响应对象中的文本数据response_data = response.text# print(response_data)# 转换数据类型dict_data = json.loads(response_data) # 字典# print(dict_data)# 数据解析data_list = dict_data['content']['list'] # 列表# print(data_list)# 遍历for data in data_list:# print(data)video_title = data['title'] # 视频文件名video_alias = data['alias'] # 视频作者名video_playurl = data['playurl'] # 视频 url# print('视频:', video_title, '作者:', video_alias, 'url地址:', video_playurl)print('正在下载视频:', video_title)new_title = change_title(video_title)# 发送视频 URL 请求video = requests.get(video_playurl, headers=headers).content# 保存数据with open(r'F:\Beautiful Girl Video\\' + new_title + '_' + video_alias + '.mp4', 'wb') as video_file:video_file.write(video)print('视频下载成功…… \n')print('---------------第{}页小姐姐视频爬取完毕-------------------'.format(page))
颜色模式转换
'''-----------------RGB → CMY------------------------'''
import cv2def rgb_cmy(video):while True:ret, frame=video.read()if not ret:breakelse:r, g, b = cv2.split(frame) # split the channels# normalization [0,1]r = r / 255.0g = g / 255.0b = b / 255.0c = 1 - rm = 1 - gy = 1 - bresult = cv2.merge((c, m, y)) # merge the channelscv2.imshow('original video',frame)cv2.imshow('CMY video',result)cv2.waitKey(ret)if __name__ == '__main__':img = cv2.VideoCapture(r"F:\Beautiful Girl Video\video.mp4")img_CMY = rgb_cmy(img)
效果
参考博客
数字图像处理学习笔记(十六)——彩色图像处理_闭关修炼——暂退的博客-CSDN博客_强度分层技术
Python实现数字图像处理之5种彩色空间转换(单图+多图+视频)_闭关修炼——暂退的博客-CSDN博客
版权声明:本文为CSDN博主「闭关修炼——暂退」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接:https://blog.csdn.net/IT_charge/article/details/106469458