邱廣萍

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院，廣東 廣州 510900）

人類經(jīng)歷了黑白圖像到彩色圖像的過(guò)渡，經(jīng)歷了黑白電視到彩色電視的過(guò)渡。在當(dāng)今大數(shù)據(jù)時(shí)代的背景下，色彩顯得越來(lái)越重要，著色技術(shù)也因需求的增長(zhǎng)而得到快速的發(fā)展。

有研究表明，人在認(rèn)知事物的過(guò)程中主要是通過(guò)視覺系統(tǒng)獲得有效信息的。而作為圖形圖像最重要屬性之一的顏色，是構(gòu)成視覺信息的基本要素。人眼對(duì)顏色變化的敏感度大大強(qiáng)于對(duì)灰度變化的敏感度。沒有顏色，世界將會(huì)變得黯淡，無(wú)生機(jī)。顏色，在人類認(rèn)知世界的過(guò)程中擔(dān)任著重要作用。

19世紀(jì)中后期，手工上色的方法非常流行。但是這種方法只能由專業(yè)的藝術(shù)家或者攝影師來(lái)完成，限制非常大?，F(xiàn)在，人們更多地利用計(jì)算機(jī)來(lái)幫助人類處理這方面的需求。著色一詞是由加拿大人Wilson Markle于1970年提出的一個(gè)術(shù)語(yǔ)，用于描述利用計(jì)算機(jī)輔助軟件為只有灰度的圖像和視頻添加顏色的技術(shù)。其中“阿波羅”登月計(jì)劃中獲得的月球影像著色后的圖片最為著名。通過(guò)著色，可以還原、增強(qiáng)或改變圖像的顏色，改善人眼對(duì)原始圖像的視覺效果，使觀察者能夠從中獲得更加清晰、便于理解的信息，提高圖像的使用價(jià)值。

目前，計(jì)算機(jī)中的著色技術(shù)更多的是使用數(shù)字圖像處理著色技術(shù)。數(shù)字圖像處理著色技術(shù)在遙感圖像處理中已有應(yīng)用，其目的在于使處理圖像中某些內(nèi)容更加清晰。一幅黑白圖像或者圖形中不明顯的特征經(jīng)過(guò)著色技術(shù)處理后可更加容易地分辨出來(lái)。數(shù)字圖像處理著色技術(shù)區(qū)別于以往的著色技術(shù)是依賴計(jì)算機(jī)來(lái)處理，而不是“手工制作”。此外，數(shù)字圖像處理著色技術(shù)，特別是簡(jiǎn)單而高效的處理方法在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域等都有著重要的應(yīng)用。例如一個(gè)圖像在通信過(guò)程中，由于某種原因，接收端接收時(shí)僅得到了圖像的亮度信息和部分顏色樣本，這時(shí)就可以利用數(shù)字圖像處理著色技術(shù)恢復(fù)出完整的彩色圖像。數(shù)字圖像處理著色技術(shù)還可以應(yīng)用在圖像壓縮編碼和色彩校正等領(lǐng)域。

1．著色技術(shù)分類

1.1對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)著色

在圖形顯示中，MATLAB可以對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行著色，從而使圖形更加美觀、生動(dòng)。在對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行著色時(shí)，MATLAB有真彩色著色和索引著色兩種處理方法。

（1）RGB真彩著色采用RGB顏色空間，對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都需要指定一個(gè)RGB三元數(shù)組，這一RGB三元數(shù)組為該數(shù)據(jù)點(diǎn)確定了RGB顏色空間中的一種特定顏色。

（2）索引著色則使用了MATLAB圖形窗口的顏色表，顏色表是一個(gè)mx3的數(shù)組每一行實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)RGB三元數(shù)組，從而確定了一種顏色。在對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)著色時(shí)，以直接索引或映射索引的方式把數(shù)據(jù)點(diǎn)的 z值轉(zhuǎn)換為顏色表索引（即行標(biāo)），從而確定此數(shù)據(jù)點(diǎn)顏色為顏色表中該行指定的顏色。

1.2 對(duì)圖像著色

在圖像處理中色彩的運(yùn)用主要出于兩個(gè)因素。首先，在自動(dòng)圖像分析中色彩是一個(gè)有力的描繪因子，它通?？墒箯囊粋€(gè)場(chǎng)景中識(shí)別和抽取目標(biāo)的處理得到簡(jiǎn)化。第二，人們對(duì)圖像進(jìn)行分析時(shí)，人眼能區(qū)別的灰度層次大約只有20多種，但卻能夠識(shí)別成千上萬(wàn)中色彩。偽彩色著色技術(shù)早期在遙感圖片處理中已有應(yīng)用，采用的方法是光學(xué)方法。這種方法固然有幾何失真小的有點(diǎn)，但其處理速度是極慢的，而且處理一幅照片要較復(fù)雜的洗印技術(shù)，這樣有時(shí)會(huì)限制它的應(yīng)用范圍。

偽彩色數(shù)字圖像處理著色技術(shù)是一種計(jì)算機(jī)處理方法。它可以實(shí)時(shí)處理，而且高精度。在處理結(jié)果需要保留時(shí)，可有多種方法制作硬拷貝。

例如在遙感及醫(yī)學(xué)圖像處理中，為了直觀地觀察和分析圖像數(shù)據(jù)，常采用將灰度圖像映射到彩色空間的方法，突出興趣區(qū)域或待分析的數(shù)據(jù)段，這種顯示方法稱為偽彩色著色處理。偽彩色著色處理是指將灰度圖像轉(zhuǎn)化為彩色圖像，或者將單色圖像變換成給定彩色分布的圖像。由于人類可以辨別上千種顏色和強(qiáng)度，而相形之下只能辨別二十幾種灰度，所以將灰度圖像轉(zhuǎn)化成彩色表示，就可以提高對(duì)圖像細(xì)節(jié)的辨別力。因此，偽彩色著色處理的主要目的是為了提高人眼對(duì)圖像的細(xì)節(jié)分辨能力，以達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的。

2．圖像著色處理

圖像著色處理主要是使用偽彩色著色處理，偽彩色著色處理的基本原理是將灰度圖像或者單色圖像的各個(gè)灰度級(jí)匹配到彩色空間中的一點(diǎn)，從而使單色圖像映射成彩色圖像。對(duì)灰度圖像中不同的灰度級(jí)賦予不同的彩色。

偽彩色著色處理也是一種彩色映射過(guò)程，其主要目的是增強(qiáng)觀察者對(duì)圖像信息的檢測(cè)能力。圖像偽彩色著色處理主要有三種技術(shù)，以下分別介紹。

2.1灰度分割

灰度分割和顏色編碼是偽彩色著色處理的最簡(jiǎn)單的例子之一?；叶确指罘ㄊ前鸦叶葓D像的灰度級(jí)從l0（黑）到lk（白）分成 N個(gè)區(qū)間 li（i=1，2，…，N），給每個(gè)區(qū)間 li指定一種彩色ci，這樣，便可以把一幅灰度圖像變成一幅偽彩色圖像。

灰度分割具體的過(guò)程如下：

（1）將圖像描述成一個(gè)三維函數(shù)作為空間坐標(biāo)的強(qiáng)度。（2）放置平行于（x，y）坐標(biāo)面的平面。（3）每一個(gè)平面在相交的區(qū)域切割圖像函數(shù)。

設(shè)原始黑白圖像f（x，y）的灰度范圍為：[0，L]，用K+1個(gè)灰度等級(jí)把此灰度范圍分為K段：L0，L1，L2…Lk。其中L0=0（黑），Lk=L（白）映射每一段灰度成一種顏色，映射關(guān)系為g（x，y）=Ci這里的g（x，y）為輸出的偽色彩；Ci為灰度在[Li-1，Li]中時(shí)所映射成的彩色。

經(jīng)過(guò)這種映射處理后，原始黑白圖像f（x，y）就變成了偽彩色圖像g（x，y）。若原始圖像f（x，y）的灰度分布遍及上述K個(gè)灰度段，則偽彩色圖像g（x，y）就具有K種顏色。

該方法比較簡(jiǎn)單、直觀。缺點(diǎn)是變換出的彩色數(shù)目有限。在MATLAB仿真使用灰度分割法實(shí)現(xiàn)圖像著色，效果如圖1所示，以下為程序代碼：

close all;

clear all;

I=imread('moon.tif');

X=grayslice(I,16);

subplot(1,2,1),imshow(I),title('原圖像') ;

subplot(1,2,2),imshow(X,hot(16)),title('著色后的圖像');

圖1 密度分割法效果圖

2.2灰度級(jí)轉(zhuǎn)換為彩色

根據(jù)色度學(xué)原理，將原圖像f(x,y)的灰度范圍分段，經(jīng)過(guò)紅、綠、藍(lán)三種不同變換 TR{·}、TG{·}和 TB{·}，變成三基色分量TR{f(x,y)}、TG{f(x,y)}、TB{f(x,y)}。

它的主要方法是將二維數(shù)據(jù)陣列化到色平面上。這種映射可由下式來(lái)表示，即

上式中，R(x,y)、G(x,y)和B(x,y)是彩色顯示三激勵(lì)值；f(x,y)為處理前圖像的灰度值；TR、TG和TB是映射算子。所以，變換法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：對(duì)輸入圖像的灰度值實(shí)行三種獨(dú)立的變換 TR{·}、TG{·}和 TB{·}，得到對(duì)應(yīng)的紅綠藍(lán)三原色。然后，根據(jù)要求場(chǎng)合不同，可以用這三原色量對(duì)應(yīng)的電平值控制圖像顯示器的紅綠藍(lán)三色電子槍，得到偽彩色圖像的顯示輸出?；蛘哂萌祵?duì)應(yīng)的電平值作為彩色硬拷貝機(jī)器的三原色輸入，得到偽彩色圖像的硬拷貝。灰度-彩色變換方案圖如圖2所示。

圖2 灰度-彩色變換方案圖

在 MATLAB仿真使用灰度級(jí)轉(zhuǎn)換彩色法實(shí)現(xiàn)圖像著色，效果圖如圖3所示，以下為程序代碼：

a=imread('cameraman.tif');

subplot(1,2,1),imshow(a),title('原圖像');

c=zeros(size(a));

pos=find(a>=0&a<=95);

%灰度級(jí)在0到95之間的變?yōu)樗{(lán)色

c(pos)=a(pos);

b(:,:,3)=c;

c=zeros(size(a));

pos=find(a>=95&a<=170);

%灰度級(jí)在95到170之間的變?yōu)榫G色

c(pos)=a(pos);

b(:,:,2)=c;

c=zeros(size(a));

pos=find(a>=170);

%灰度級(jí)大于170的變?yōu)榧t色

c(pos)=a(pos);

b(:,:,1)=c; %空間域灰度級(jí)－彩色變換

b=uint8(b);%轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為8位無(wú)符號(hào)整型

subplot(1,2,2),imshow(b,[]),title('彩色變換后函數(shù)');

圖3 灰度級(jí)轉(zhuǎn)換為彩色效果圖

2.3頻率域?yàn)V波處理

頻率域偽彩色增強(qiáng)的方法是：

把灰度圖像經(jīng)傅立葉變換到頻率域，在頻率域內(nèi)用三個(gè)不同傳遞特性的濾波器分離成三個(gè)獨(dú)立分量；然后對(duì)它們進(jìn)行傅立葉反變換，便得到三幅代表不同頻率分量的單色圖像，接著對(duì)這三幅圖像作進(jìn)一步的附加處理（如直方圖均衡化、反轉(zhuǎn)等）。最后將它們作為三基色分量分別加到彩色顯示器的紅、綠、藍(lán)顯示通道，得到一幅彩色圖像。下圖 4是頻率域?yàn)V波處理過(guò)程的框圖。

圖4 頻率域?yàn)V波處理過(guò)程

3．結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字圖像處理著色技術(shù)正逐漸滲透到各行各業(yè)，尤其是電影和電視領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用前景。本文重點(diǎn)介紹了幾種圖形圖像著色的技術(shù)，這些著色技術(shù)都是一種給灰度圖像賦予顏色的過(guò)程。數(shù)字圖像處理中的著色技術(shù)想要大量運(yùn)用于實(shí)際的生活中就必須增強(qiáng)其可用性、實(shí)用性。也就是說(shuō)整個(gè)處理過(guò)程操作要簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、效果好，使著色后的圖像清晰，美觀。本文提出的幾種算法還需要在處理效率和效果方面實(shí)現(xiàn)更高的處理，才能達(dá)到人們的預(yù)期效果。

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