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技术文章

彩色模型

彩色模型(也称彩色空间或彩色系统)的用途是在某些标准下用通常可接受的方式简化彩色规范。本质上,彩色模型是坐标系统和子空间的规范。位于系统中的每种颜色都由单个点来表示。

现在所用的大多数彩色模型都是面向硬件的(如:彩色监视器和打印机)或是面向应用的。在这里,彩色操作是一个目的(如针对动画的彩色图像的创作)。在数字图像处理中,实际中最通用的面向硬件的模型是RGB(红、绿、蓝)模型。该模型用于彩色监视器和一大类彩色视频摄辣机。CMY(青、深红、黄)CMYK(青、深红、黄、黑)模型是针对彩色打印机的。HSI(色调、饱和度、亮度)模型更符合人描述和解释颜色的方式。HSI模型还有一个优点,就是把图像分成彩也和灰度信息,使其更适合本书开发的许多灰度处理技术。现在使用的彩色模型还有不少,这主要是由于彩色科学是个包括许多应用场合的很宽的领域。这里试图简单地详细研究这些一模型中的几个,因为它们对于图像处理更有趣和有益。然而,根据现有的任务,在这一章讨论的模型对图像处理来说是主要的模型。有了这一章的主要资料,读者理解当今所用的其他模型将不会太困难。

一.RGB彩色模型

RGB模型中,每种颜色出现在红、绿、蓝的原色光谱分量中,这个模型基于笛卡儿坐标系统,所考虑的彩色子空间是图6。7所示的立方体。图中,RG,B位于3个角上;青、深红和黄位于另外3个角上,黑色在原点处,白色位于离原点最远的角上。在该模型中,灰度等级沿这两点的连线分布。在本模型中,不同的颜色处在立方体上或其内部,并可用从原点分布的向量来定义。为方便起见,假定所有的颜色值都归一化,则图6。7所示的立方体就是一个单位立方体,即所有R,GB的值都在[01]范围内取值。


RGB彩色模型中,所表示的图像由3个图像分量组成,每一个分量图像都是其原色图像。当送 入RGB监视器时,这三幅图像在荧光屏上混合产生一幅合成的彩色图像。在RGB空间,用以表示每一像素的比特数叫做像素深度。考虑RGB图像,其中每一幅红、绿、蓝图像都是一幅8比特图像,在这种条件下,每一个RGB彩色像素[(RG,B)3个一组]称为有24比特深度(3个图像平面乘上每平面比特数)。全彩色图像常用来定义24比特的彩色图像。在24比特RGB图像中颜色总数是(28)3=16777216。图6。8显示了与图6.7相对应的24比特彩色立方体。

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61 产生隐藏面和RGB彩色立方体的横截面

6 .8所示的立方体是实心的,在前边的章节提到过立方体由((28)3=16777216种颜色组成。观察这些颜色的一个方便的方法是产生一个彩色平面(立方体的表面或横切面)。彩色平面可通过固定三种颜色中的一个而允许其他两个变化的方法完成。例如,在图6.7和图6。8中,通过立方体中心并与GB平面平行的横截面是(127GB)平面,其中GB=0,1,2255。在这里,用的是实际像素值,而不是为方便在[01]范 围内的数字归一化值。因为前者是在计算机中实际采用来产生颜色的值。图6.9(a)显示了一幅横截面图像,该图像是把三幅独立的分量图像送入彩色监视器上观察到的。在分量图像中0代表黑色,255代表白色(注意这些是灰度图像)。最后,图6.9(b)显示了在图6.8中用同样方法产生的立方体的三幅隐藏平面。

值得注意的是获得彩色图像基本是图6.9所示的相反过程。一幅彩色图像可用三个分别对红、绿、蓝敏感的滤色片得到。当我们用装有一种滤色镜的单色摄像机观看彩色场景时.结果是一幅单色图像,其亮度与滤色片的响应成正比。用每一个滤色片重复这一过程产生三幅单色图像,这些图像就是彩色场景的RGB分量图像(实际上,通常彩色图像传感器将这一过程集成在一个装置中)。从图6.9(a)所示的形式显示选三幅RGB分量图像就会产生一幅原彩色场景的RGB彩色复现图像。






虽然高端显示卡和监视器提供24比特RGB图像的可接受重现,但今天所用的许多系统还限制在256种颜色。另外,有时不使用几百种颜色,而是使用几种颜色的情况也有大量的应用。在6.3节讨论的伪彩色图像处理技术就是一个较好的例子。在应用的多种系统中一种彩色子系统值得考虑,其合理的与观察者无关的硬件性能可保证彩色的真实再现。这种彩色子系统称为安全RGB彩色子集,或者全系统安全彩色集。在网络应用中叫做无损web彩色,或者无损监视彩色。 

假定256种颜色是最小颜色数,这些颜色可用任何系统真实再现。该系统可以显示所希望的彩色,用可接受的标准符号来表示这些颜色是很有用的。已知256种颜色中的40种用各种操作系统进行不同的处理,仅留下216种颜色是各种系统通用的。这216种颜色成为事实上的安全彩色,特别是在网络应用中更是如此。无论在何时应用,希望太多数人观察到的颜色都一样。

216种安全彩色的每一种如以前一样都可以由RGB值形成,但每一个值仅可能取051,102153,204255。这样,RGB三元组数值给出(6)3=216可能值(注意所有值都可被3)。通常这些值可用16进制数系统来表示,如表6.1所示。

16进制数0l2,9,A,B,CDE,F对应10进制数01,2,,910,111213,1415。还可发表示为(0)16=(0000)2(F)16=(1111)2。例如,(FF)16=(255)10=(11111111)2。并且两个16进制数组构成8比特的一个字节。

因为取三个数形成RGB彩色,每个安全色由表6.1中的三个两位16进制数形成。例如,最纯净的红色是FF0000000000FFFFFF分别表示黑色和白色。类似的结果可用更熟悉的十进制表示得到。例如,最亮的红色在十进制表示中为R=255(FF)G=B=0

 图6.10(a)显示了由RGB转换而来的216种安全颜色。第一行左上角方块数值是FFFFFF(),它右边的方块数值为FFFFCC,第三块为FFFF99,等等。同一阵列的第二行其值是FFCCFFFFCCCCFFCC99,等等。阵列中最后一个方块为FF0000(可能是最亮的红色)。第二阵l列的右边正好由cccccc开始,并阻相同的方式前进,剩下的4个阵列也是一样。最后一个阵i列的最后一个方块(底部右方)000000()。注意,不是所有8比特灰色都包含在216种安全色中,这一点很重要。图6。l0(b)显示了在256RGB系统中对所有可能灰色的16进制编码。这些值的一部分在安全色集的外边,但在多数显示系统中可正常表示(根据它们的相对强度)。来自安全彩色组的灰度(KKKKKK)16,K=036,9CF,示于图610(b)的最下边。


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