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1、第六章颜色和纹理第六章颜色和纹理6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型6.2 6.2 纹理的概念及表示纹理的概念及表示1computer vision6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型n色度学基础色度学基础l在在灰灰度度图图像像时时，图图像像的的像像素素值值是是光光强强（亮亮度度值值），即二维空间变量的函数即二维空间变量的函数f f(x x,y y)。l实实际际中中，一一幅幅图图像像对对应应着着一一个个波波段段或或多多个个波波段段光光谱谱样本，例如气象卫星云图的红外波段。样本，例如气象卫星云图的红外波段。l如如果果把把灰灰度度值值看看成成是是二二维维空空
2、间间变变量量和和光光谱谱变变量量的的函函数数f f(x x,y y,)，即即多多光光谱谱图图像像，也也就就是是通通常常所所说说的的彩彩色图像。色图像。l在在计计算算机机上上显显示示一一幅幅彩彩色色图图像像时时，每每一一个个像像素素的的颜颜色色是是通通过过三三种种基基本本颜颜色色（即即红红、绿绿、蓝蓝）合合成成的的，即即最最常常见见的的RGBRGB颜颜色色模模型型。要要理理解解颜颜色色模模型型，首首先先应了解人的视觉系统。应了解人的视觉系统。2computer vision6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型n颜色的基本性质颜色的基本性质 l颜颜色色是是外外界界光光刺刺激激作
3、作用用于于人人的的视视觉觉器器官官而而产产生生的的主主观观感感觉觉。所所以以颜颜色色特特性性既既可可以以从从客客观观刺刺激激方方面面来来衡衡量，也可以从观察者的主观感觉方面来描述。量，也可以从观察者的主观感觉方面来描述。l描描述述客客观观刺刺激激的的概概念念是是心心理理物物理理学学概概念念；描描述述观观察察者主观感觉的概念是心理学概念。者主观感觉的概念是心理学概念。l颜颜色色视视觉觉有有三三种种特特性性，描描述述颜颜色色的的心心理理物物理理量量是是亮亮度度、主主波波长长和和纯纯度度，相相应应的的心心理理量量是是明明度度，色色调调和和饱和度。饱和度。l确确定定光光的的心心理理物物理理量量与与心心
4、理理量量的的关关系系是是感感觉觉心心理理学学研究的重要任务研究的重要任务 3computer vision6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型n颜色的基本性质颜色的基本性质 l颜色分两大类：非彩色和彩色。颜色分两大类：非彩色和彩色。l非非彩彩色色是是指指黑黑色色、白白色色和和介介于于这这两两者者之之间间深深浅浅不不同同的的灰灰色色。它它们们可可以以排排成成一一个个系系列列，由由白白色色逐逐渐渐到到浅浅灰灰、中中灰灰、深深灰灰直直到到黑黑色色。这这叫叫白白黑黑系系列列或或无无色色系系列。列。l白白黑黑系系列列的的非非彩彩色色的的反反射射率率代代表表物物体体的的明明度度。反反射
5、射率率越越高高时时接接近近白白色色，反反射射率率低低时时接接近近黑黑色色。一一张张洁洁白白的的纸纸的的反反射射率率可可达达85%85%以以上上。用用来来测测量量颜颜色色、定定标标用用的的标标准准白白板板的的反反射射率率可可达达90%90%以以上上。一一张张黑黑纸纸的的反反射射率率可可低低至至5%5%以以下下，黑黑色色天天鹅鹅绒绒的的反反射射率率甚甚至至可可低低于于0.05%0.05%。4computer vision6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型n颜色的基本性质颜色的基本性质 l表表 示示 光光 的的 强强 度度 的的 心心 理理 物物 理理 学学 概概 念念 是是
6、亮亮 度度（LuminosityLuminosity）与与之之对对应应的的是是心心理理学学概概念念是是明明度度（brightnessbrightness）。）。l通通常常明明度度的的变变化化相相应应于于亮亮度度的的变变化化。物物体体表表面面或或光光源的亮度越高，人感觉到的明度就越高。源的亮度越高，人感觉到的明度就越高。l但但二二者者的的关关系系并并不不固固定定。若若亮亮度度的的微微小小增增加加或或减减少少达达不不到到人人眼眼的的分分辨辨阈阈限限，眼眼睛睛就就觉觉察察不不出出明明度度的的变变化。这时亮度虽有变化而明度却不变。化。这时亮度虽有变化而明度却不变。l在在暗暗环环境境中中观观察察一一张张
7、高高反反射射率率的的书书页页和和在在亮亮环环境境中中观观察察一一块块低低反反射射率率的的黑黑墨墨相相比比 。会会受受到到观观察察者者对对书书页页和和黑黑墨墨的的记记忆忆和和经经验验的的影影响响，产产生生不不同同的的明明度度感感觉。觉。5computer vision6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型n颜色的基本性质颜色的基本性质 l彩彩色色图图像像除除了了受受到到前前面面亮亮度度和和明明度度影影响响外外，还还受受到到其他性质影响。其他性质影响。l心心 理理 物物 理理 学学 概概 念念 是是 主主 波波 长长（dominant dominant wavelengthwav
8、elength）和心理学概念是色调（）和心理学概念是色调（huehue）相对应。）相对应。l不不同同颜颜色色的的光光在在物物理理学学上上有有不不同同的的主主波波长长，同同时时在在心理上会产生不同色调的感觉。心理上会产生不同色调的感觉。l两两种种主主波波长长不不同同的的光光以以适适当当的的比比例例加加以以混混合合也也能能产产生生白白色色。这这样样的的一一对对主主波波长长的的光光叫叫做做互互补补波波长长，一一对互补波长的色调叫互补色对互补波长的色调叫互补色 。l光光源源的的色色调调决决定定于于人人眼眼对对辐辐射射光光的的光光谱谱组组成成产产生生的的感感觉觉。物物体体的的色色调调决决定定于于光光源源
9、的的光光谱谱组组成成和和物物体体表表面面反反射射（透透射射）的的各各波波长长的的比比例例对对人人眼眼产产生生的的感感觉觉 。6computer vision6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型n颜色的基本性质颜色的基本性质 l心心理理物物理理学学的的颜颜色色纯纯度度（puritypurity）对对应应着着心心理理学学概概念的饱和度（念的饱和度（saturationsaturation）。）。l纯纯色色是是指指没没有有混混入入白白色色的的窄窄带带单单色色光光。在在视视觉觉上上就就是是高高饱饱和和度度的的颜颜色色。可可见见光光谱谱的的各各种种单单色色光光是是最最饱饱和的彩色。和
10、的彩色。l颜色的交互作用和颜色恒常性颜色的交互作用和颜色恒常性7computer vision6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型n颜色的交互作用和颜色恒常性颜色的交互作用和颜色恒常性l当当被被看看的的颜颜色色向向它它周周围围颜颜色色的的对对立立方方向向转转化化，即即向向周周围围颜颜色色的的补补色色方方向向变变化化时时，叫叫做做颜颜色色的的交互作用，或颜色对比交互作用，或颜色对比 l在在红红色色背背景景中中放放一一小小块块白白纸纸或或灰灰纸纸，用用眼眼睛睛注注视视白白纸纸几几分分钟钟，白白纸纸会会表表现现出出绿绿色色。如如果果背背景景是是黄黄色色，白白纸纸会会出出现现蓝蓝色
11、色。红红和和绿绿是是互互补补色色，黄和蓝也是互补色。黄和蓝也是互补色。8computer vision6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型n颜色的交互作用和颜色恒常性颜色的交互作用和颜色恒常性l当当在在一一个个颜颜色色（包包括括灰灰色色）的的周周围围呈呈现现高高亮亮度度或或低低亮亮度度刺刺激激时时，这这个个颜颜色色就就向向其其周周围围明明度度的的对对立立方方向向转化，这叫做明度对比。转化，这叫做明度对比。l白白背背景景上上的的灰灰方方块块呈呈浅浅黑黑色色，而而黑黑背背景景上上的的灰灰方方块块则则呈呈白白色色等等。对对比比效效应应在在视视觉觉中中有有重重要要作作用用，明明度度
12、对比更是这样。它与视觉中的颜色恒常性相联系对比更是这样。它与视觉中的颜色恒常性相联系 l一一块块煤煤在在阳阳光光下下单单位位面面积积反反射射光光比比一一张张白白纸纸在在黑黑暗暗处处时时高高一一千千倍倍。但但我我们们仍仍然然把把煤煤看看成成是是黑黑的的，而而把把纸看成是白的、灰的、或黑的。纸看成是白的、灰的、或黑的。l这是由这个物体与周围物体的相对明度关系决定的。这是由这个物体与周围物体的相对明度关系决定的。9computer visionn三色原理三色原理在在人人的的视视觉觉系系统统中中存存在在着着杆杆状状细细胞胞和和锥锥状状细细胞胞两两种种感感光光细细胞胞。杆杆状状细细胞胞为为暗暗视视器器官
13、官，锥锥状状细细胞胞是是明明视视器器官官，在在照照度度足足够够高高时时起起作作用用，并并能能分分别别辨辨颜颜色色。锥锥状状细细胞胞将将电电磁磁光光谱谱的的可可见见部部分分分分为为三三个个波波段段：红红、绿绿、蓝蓝。由由于于这这个个原原因因，这这三三种种颜颜色色被被称称为为三三基基色色，下下图图表表示示了了人人类类视觉系统三类锥状细胞的光谱敏感曲线。视觉系统三类锥状细胞的光谱敏感曲线。6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型10computer vision图：图：人类感光细胞的敏感曲线人类感光细胞的敏感曲线 6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型11compu
14、ter visionn根根据据人人眼眼的的结结构构，所所有有颜颜色色都都可可看看作作是是三三种种基基本本颜颜色色R R表表示示红红（RedRed）、G G表表示示绿绿（Green)Green)和和B B表表示示蓝蓝（Blue)Blue)按按照照不不同同的的比比例例组组合合而而成成。为为了了建建立立标标准准，国国际际照照度度委委员员会会(CIE)(CIE)早早在在19311931年年就就规规定定三三种种基基本本色色的的波波长分别为长分别为R R：700 nm700 nm，G G：546.1 nm546.1 nm，B B：435.8 nm435.8 nm。n前前面面已已讲讲过过，一一幅幅彩彩色色图
15、图像像的的像像素素值值可可看看作作是是光光强强和和波波长长的的函函数数值值f f(x x,y y,)，但但实实际际使使用用时时，将将其其看看作作是是一一幅幅普普通通二二维维图图像像，且且每每个个像像素素有有红红、绿绿、蓝蓝三三个个灰度值会更直观些。灰度值会更直观些。6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型12computer visionn颜色的三个属性颜色的三个属性l颜颜色色是是外外界界光光刺刺激激作作用用于于人人的的视视觉觉器器官官而而产产生生的的主主观观感觉。感觉。l颜色分两大类：非彩色和彩色。颜色分两大类：非彩色和彩色。l非非彩彩色色是是指指黑黑色色、白白色色和和介介于
16、于这这两两者者之之间间深深浅浅不不同同的的灰色，灰色，也称为无色系列。也称为无色系列。l彩彩色色是是指指除除了了非非彩彩色色以以外外的的各各种种颜颜色色。颜颜色色有有三三个个基基本本属属性性，分分别别是是色色调调、饱饱和和度度和和亮亮度度。基基于于这这三三个个基基本本属属性性，提提出出了了一一种种重重要要的的颜颜色色模模型型HSIHSI（HueHue、SaturationSaturation、IntensityIntensity）。在在HSIHSI颜颜色色模模型型部部分分中中，我们将详细介绍这三个基本属性。我们将详细介绍这三个基本属性。6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型1
17、3computer visionn颜色模型颜色模型l为为了了科科学学地地定定量量描描述述和和使使用用颜颜色色，人人们们提提出出了了各各种种颜颜色模型。色模型。l目目前前常常用用的的颜颜色色模模型型按按用用途途可可分分为为两两类类，一一类类面面向向诸诸如视频监视器、如视频监视器、彩色摄像机或打印机之类的硬件设备。彩色摄像机或打印机之类的硬件设备。l另另一一类类面面向向以以彩彩色色处处理理为为目目的的的的应应用用，如如动动画画中中的的彩彩色图形。色图形。l面面向向硬硬件件设设备备的的最最常常用用彩彩色色模模型型是是RGBRGB模模型型，而而面面向向彩彩色色处处理理的的最最常常用用模模型型是是HSV
18、HSV模模型型。另另外外，在在印印刷刷工工业业上和电视信号传输中，上和电视信号传输中，经常使用经常使用CMYKCMYK和和YUVYUV色彩系统。色彩系统。6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型14computer visionnRGBRGB模型模型nRGBRGB模模型型用用三三维维空空间间中中的的一一个个点点来来表表示示一一种种颜颜色色，如如图图6-86-8所所示示。每每个个点点有有三三个个分分量量，分分别别代代表表该该点点颜颜色色的的红红、绿、蓝亮度值，绿、蓝亮度值，亮度值限定在亮度值限定在0,10,1。n在在RGBRGB模模型型立立方方体体中中，原原点点所所对对应应的的颜
19、颜色色为为黑黑色色，它它的的三三个个分分量量值值都都为为零零。距距离离原原点点最最远远的的顶顶点点对对应应的的颜颜色色为为白白色色，它它的的三三个个分分量量值值都都为为1 1。从从黑黑到到白白的的灰灰度度值值分分布布在在这这两两个个点点的的连连线线上上，该该线线称称为为灰灰色色线线。立立方方体体内内其其余余各各点点对对应应不不同同的的颜颜色色。彩彩色色立立方方体体中中有有三三个个角角对对应应于于三三基基色色红红、绿绿、蓝蓝。剩剩下下的的三三个个角角对对应应于于三三基基色色的的三个补色三个补色黄色、黄色、青色（蓝绿色）、品青色（蓝绿色）、品红（紫色）。红（紫色）。6.1 6.1 色度学基础与颜色
20、模型色度学基础与颜色模型15computer vision图图6-8 RGB模型单位立方体模型单位立方体 6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型16computer visionnRGBRGB模型模型l一般表示一定亮度的彩色光一般表示一定亮度的彩色光C C的光通量为：的光通量为：l如如果果不不考考虑虑光光的的亮亮度度，只只考考虑虑色色度度，则则可可以以使使用用R R，G G，B B的相对值表示：的相对值表示：lr,g,br,g,b分分别别表表示示色色度度坐坐标标。由由于于r+g+br+g+b=1,=1,所所以以可可以以将将色色度空间转换到度空间转换到r-gr-g的二维空间中。
21、的二维空间中。6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型17computer visionr-gr-gr-gr-g色度图色度图色度图色度图 6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型18computer visionnHSV模型模型lHSVHSV模模型型是是MunsellMunsell提提出出的的，它它反反映映了了人人的的视视觉觉系系统统观观察察彩彩色色的的方方式式，在在艺艺术术上上经经常常使使用用HSVHSV模模型型。HSVHSV模模型型中中，H H表表示示色色调调(Hue)(Hue)，S S表表示示饱饱和和度度(Saturation)(Saturation)，V
22、 V表表示示亮度亮度(Value)(Value)，对应成像亮度和图像灰度，对应成像亮度和图像灰度)。l这这个个模模型型的的建建立立基基于于两两个个重重要要的的事事实实：V V分分量量与与图图像像的的彩彩色色信信息息无无关关；H H和和S S分分量量与与人人感感受受颜颜色色的的方方式式是是紧紧密密相相联联的的。这这些些特特点点使使得得HSVHSV模模型型非非常常适适合合借借助助人人的视觉系统来感知彩色特性的图像处理算法。的视觉系统来感知彩色特性的图像处理算法。6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型19computer vision色相环色相环 6.1 6.1 色度学基础与颜色模
23、型色度学基础与颜色模型20computer visionn图中的色相环描述了色相和饱和度两个参数。图中的色相环描述了色相和饱和度两个参数。n色色相相由由角角度度表表示示，它它反反映映了了该该彩彩色色最最接接近近什什么么样样的的光光谱谱波波长长。一一般般假假定定0 0表表示示的的颜颜色色为为红红色色，120120的的为为绿绿色色，240240的的为为蓝蓝色色。0 0到到240240的的色色相相覆覆盖盖了了所所有有可可见见光光谱谱的的彩彩色色，在在240240到到300300之之间间为为人人眼眼可可见见的的非非光谱色（紫色）。光谱色（紫色）。n饱饱和和度度是是指指一一个个颜颜色色的的鲜鲜明明程程度
24、度，饱饱和和度度越越高高，颜颜色色越越深深，如如深深红红，深深绿绿。饱饱和和度度参参数数是是色色环环的的原原点点（圆圆心心）到到彩彩色色点点的的半半径径的的长长度度。由由色色相相环环可可以以看看出出，环环的的边边界界上上纯纯的的或或饱饱和和的的颜颜色色，其其饱饱和和度度值值为为1 1。在在中中心心是是中性（灰色）阴影，中性（灰色）阴影，饱和度为饱和度为0 0。6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型21computer visionn亮亮度度是是指指光光波波作作用用于于感感受受器器所所发发生生的的效效应应，其其大大小小由由物物体体反反射射系系数数来来决决定定，反反射射系系数数越
25、越大大，物物体体的的亮亮度度愈愈大，反之愈小。大，反之愈小。nHSVHSV模模型型的的三三个个属属性性定定义义了了一一个个三三维维柱柱形形空空间间，如如图图6-106-10所所示示。灰灰度度阴阴影影沿沿着着轴轴线线从从底底部部的的黑黑变变到到顶顶部部的的白白，具具有有最最高高亮亮度度。最最大大饱饱和和度度的的颜颜色色位位于于圆圆柱柱上上顶顶面的圆周上。面的圆周上。6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型22computer vision图图6-10 柱形彩色空间柱形彩色空间V6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型23computer vision1)1)RGB
26、RGB转换到转换到HSVHSV对对任任何何3 3个个0 0，1 1范范围围内内的的R R、G G、B B值值，其其对对应应HSVHSV模型中的模型中的V V、S S、H H分量的计算公分量的计算公式为式为 (6-4)6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型24computer vision2)2)HSVHSV转换到转换到RGBRGB假假设设S S、V V的的值值在在0 0，1 1之之间间，R R、G G、B B的的值值也也在在0 0，1 1之之间间，则则HSVHSV转转换换为为RGBRGB的的公公式式为为(分分成成3 3段段以以利利用用对称性对称性)（1 1）当）当H H在在0
27、0，120120之间之间 (6-5)6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型25computer vision (2)(2)当当H H在在120120，240240之间之间(6-6)6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型26computer vision(3)(3)当当H H在在240240，360360之间之间(6-7)6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型27computer vision6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型RGBHSVMatlab中中rgb2hsvSEG28computer vision6.1 6.1
28、 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型29computer vision6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型30computer vision3.CMYK3.CMYK表色系统表色系统lCMYKCMYK表表色色系系统统也也是是一一种种常常用用的的表表示示颜颜色色的的方方式式。计计算算机机屏屏幕幕显显示示通通常常用用RGBRGB表表色色系系统统，它它是是通通过过相相加加来来产产生生其其他他颜颜色色，这这种种做做法法通通常常称称为为加加色色合合成成法法(Additive(Additive Color Color Synthesis)Synthesis)。而而在在印印刷刷工工业
29、业上上则则通通常常用用CMYKCMYK表表色色系系统统，它它是是通通过过颜颜色色相相减减来来产产生生其其他他颜颜色色的的，所所以以称称这这 种种 方方 式式 为为 减减 色色 合合 成成 法法(Subtractive(Subtractive Color Color Synthesis)Synthesis)。lCMYKCMYK模模式式的的原原色色为为青青色色(Cyan)(Cyan)、品品红红色色(Magenta)(Magenta)、黄黄色色(Yellow)(Yellow)和和黑黑色色（BlackBlack）。在在处处理理图图像像时时，一一般般不不用用CMYKCMYK模模式式，主主要要是是因因为为
30、这这种种模模式式的的文文件件大大，占占用用的磁盘空间和内存大。这的磁盘空间和内存大。这种模式一般在印刷时使用。种模式一般在印刷时使用。6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型31computer vision4.4.其他表色系其他表色系1 1）YUVYUV电视信号彩色坐标系统电视信号彩色坐标系统YUVYUV彩彩色色电电视视信信号号传传输输时时，将将R R、G G、B B改改组组成成亮亮度度信信号号和和色色度度信信号号。PALPAL制制式式将将R R、G G、B B三三色色信信号号改改组组成成Y Y、U U、V V信信号号，其其中中Y Y信信号号表表示示亮亮度度，U U、V V信
31、信号号是是色色差差信信号号。RGBRGB与与YUVYUV之间的对应关系如下：之间的对应关系如下：6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型32computer vision（6-9）（6-8）6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型33computer vision2 2）LabLab表色系表色系LabLab颜颜色色模模型型是是CIECIE于于19761976年年推推荐荐的的设设计计成成符符合合孟孟塞塞尔尔彩彩色色系系统统的的表表色色系系。Lab Lab 颜颜色色由由亮亮度度或或光光亮亮度度分分量量L L 和和a a、b b两两个个色色度度分分量量组组成成。其其中
32、中a a在在的的正正向向数数值值越越大大表表示示越越红红，在在负负向向的的数数值值越越大大则则表表示示越越绿绿；b b在在的的正正向向数数值值越越大大表表示示越越黄黄，在在负负向向的的数数值值越越大大表表示示越越蓝蓝。LabLab颜颜色色与与设设备备无无关关，无无论论使使用用何何种种设设备备（如如显显示示器器、打打印印机机、计计算算机机或或扫扫描描仪仪）创创建建或或输输出出图图像像，这这种种模模型型都都能生成一致的颜色。能生成一致的颜色。6.1 6.1 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型34computer vision（6-10）式中式中X X0 0、Y Y0 0、Z Z0 0为标准白
33、色对应的为标准白色对应的X X、Y Y、Z Z值。值。35computer vision6.2 6.2 纹纹 理理6.2.1 6.2.1 概述概述n纹纹理理通通常常被被看看作作图图像像的的局局部部性性质质，或或是是对对局局部部区区域域中中像像素素之之间间关关系系的的一一种种度度量量，目目前前对对纹纹理理尚尚无无正正式式定定义义，对对纹纹理理的的感感受受是是与与心心理理效效果果相相结结合合的的，所所以用语言或文字来描述纹理常很困难。以用语言或文字来描述纹理常很困难。n纹纹理理可可认认为为是是灰灰度度在在空空间间以以一一定定的的形形式式变变化化而而产产生的图案，是真是图像区域固有的特征之一。生的图
34、案，是真是图像区域固有的特征之一。n纹理特征有：粒度性、方向性和重复性。纹理特征有：粒度性、方向性和重复性。n纹纹理理分分析析：纹纹理理分分类类、纹纹理理分分割割和和从从纹纹理理恢恢复复形形状状n纹理分析算法：统计分析和结构分析纹理分析算法：统计分析和结构分析36computer vision6.2 6.2 纹纹 理理6.2.1 6.2.1 概述概述人们可用来描述纹理的性质有：人们可用来描述纹理的性质有：l均匀性（均匀性（UniformityUniformity）l密度（密度（densitydensity）l粗细度（粗细度（CoarsenessCoarseness）l粗糙度（粗糙度（rough
35、nessroughness）l规律性（规律性（regularityregularity）l线性度（线性度（linearitylinearity）l定向性（定向性（directionalitydirectionality）l方向性（方向性（directiondirection）l频率（频率（frequencyfrequency）l相位（相位（phasephase）这些性质的理想化图示这些性质的理想化图示37computer vision6.2 6.2 纹纹 理理6.2.1 6.2.1 概述概述n纹理的分析方法分为：统计分析方法和结构分析方法纹理的分析方法分为：统计分析方法和结构分析方法n统统计计
36、方方法法：应应用用广广泛泛，主主要要从从灰灰度度图图像像中中计计算算灰灰度度同同现现 矩矩 阵阵（co-occurrence co-occurrence matrixmatrix）,对对 比比 度度（contrastcontrast）,熵熵（entropyentropy）以以 及及 均均 匀匀 度度（homogeneityhomogeneity）；）；n当纹理基元很小并成为微纹理时，统计方法很有用；当纹理基元很小并成为微纹理时，统计方法很有用；n结结构构方方法法：自自底底而而上上的的纹纹理理特特性性分分析析方方法法是是基基于于模模型型的的方方法法，此此方方法法首首先先假假定定一一个个纹纹理理模
37、模型型，然然后后通通过过图图像像区域估计模型参数。区域估计模型参数。n实际应用中，结构分析方法要比统计方法困难很多。实际应用中，结构分析方法要比统计方法困难很多。38computer vision6.2 6.2 纹纹 理理6.2.1 6.2.1 概述概述n纹理一般分析方法：纹理一般分析方法：39computer vision6.2 6.2 纹纹 理理6.2.2 6.2.2 纹理统计分析方法纹理统计分析方法n灰灰度度级级同同现现矩矩阵阵GLCM（gray level co-occurrence matrix）l灰灰度度级级同同现现矩矩阵阵Pi,jPi,j 是是一一个个二二维维相相关关矩矩阵阵，其
38、其大大小小和原图像的灰度级和原图像的灰度级n n相关，即灰度级相关，即灰度级n nnnnn的同现矩阵。的同现矩阵。l首先规定一个位移矢量首先规定一个位移矢量d=(d=(dx,dydx,dy).).l然然后后统统计计原原灰灰度度图图像像中中像像素素(i,ji,j)处处的的灰灰度度为为I Ik k，同同时时与与(i,ji,j)沿沿任任意意方方向向相相距距位位移移d d的的像像素素(i,ji,j)处处的的灰灰度度为为I Ie e的的出出现现次次数数（概概率率），此此处处的的两两个个灰灰度度 Ik，Ie 即为同现矩阵中相应的坐标位置。即为同现矩阵中相应的坐标位置。40computer vision6.
39、2 6.2 纹纹 理理n灰度级同现矩阵灰度级同现矩阵例如：例如：l一一幅幅5555图图像像具具有有0 0，1 1，2 2三三个个灰灰度度级级，所所以以同同现现矩矩阵阵Pi,jPi,j 是一个是一个3333矩阵；距离矢量矩阵；距离矢量d=d=（1,11,1）。）。l同同现现矩矩阵阵Pi,jPi,j 的的形形成成过过程程是是计计算算所所有有像像素素值值i i与与像像素素值值j j相相距距d d的的像像素素对对出出现现的的数数量量，然然后后这这个个数数填填入入矩矩阵阵Pi,jPi,j 的第的第i i行和第行和第j j列。列。41computer vision6.2 6.2 纹纹 理理n灰度级同现矩阵
40、灰度级同现矩阵例如：例如：在在规规定定的的距距离离矢矢量量d=(1,1)d=(1,1)分分离离下下，由由三三对对像像素素值值为为2,1,2,1,因此在因此在P2,1P2,1项中填写项中填写3 3，依次类推。，依次类推。42computer vision6.2 6.2 纹纹 理理n灰度级同现矩阵灰度级同现矩阵l同同现现矩矩阵阵Pi,jPi,j 是是非非对对称称矩矩阵阵，因因为为灰灰度度级级 i,ji,j 的的像素对数量不一定等于灰度级像素对数量不一定等于灰度级 j,ij,i 的像素对数量。的像素对数量。lPi,jPi,j 与与像像素素队队的的总总数数之之比比称称为为规规范范化化矩矩阵阵，如如下下
41、图图右边的同现矩阵。右边的同现矩阵。43computer vision6.2 6.2 纹纹 理理n灰度级同现矩阵灰度级同现矩阵l用用一一个个简简单单的的二二值值图图像像的的例例子子说说明明，灰灰度度同同现现矩矩阵阵表表示图像灰度空间分布。示图像灰度空间分布。l一一幅幅8 88 8的的二二值值化化图图像像，因因为为只只有有两两个个灰灰度度级级，所所以以GLCMGLCM是是2222的矩阵。的矩阵。44computer vision6.2 6.2 纹纹 理理n灰度级同现矩阵灰度级同现矩阵lGLCMGLCM在在距距离离矢矢量量d=(1,1)d=(1,1)时时，像像素素对对仅仅仅仅在在1,11,1和和0
42、,00,0才出现，所以才出现，所以GLCMGLCM只有对角有值，其他为零。只有对角有值，其他为零。lGLCMGLCM在在距距离离矢矢量量d=(1,0)d=(1,0)时时，像像素素对对仅仅仅仅在在0,10,1和和1,01,0才出现，所以才出现，所以GLCMGLCM只有斜对角有值，其他为零。只有斜对角有值，其他为零。45computer vision6.2 6.2 纹纹 理理n灰度级同现矩阵灰度级同现矩阵l如如果果上上面面例例子子中中的的黑黑色色像像素素随随机机分分布布在在整整个个图图像像上上，则则没没有有一一个个固固定定模模式式，GLCMGLCM中中不不具具有有任任何何灰灰度度级级对对的的优优先
43、集合。先集合。l测量灰度级分布随机性的一种特征参数是熵：测量灰度级分布随机性的一种特征参数是熵：当当GLCMGLCM矩矩阵阵Pi,jPi,j 的的所所有有项项为为零零时时，熵熵H H最最高高；这这样样的的矩矩阵阵对对应应着着图图像像不不存存在在任任何何规规定定位位移移矢矢量量的的优优势势灰灰度度级级对，即没有任何规则纹理。对，即没有任何规则纹理。46computer vision6.2 6.2 纹纹 理理n灰度级同现矩阵灰度级同现矩阵lGLCMGLCM的能量特征、对比度特征和均匀度特征：的能量特征、对比度特征和均匀度特征：l能量：能量：l对比度：对比度：l均匀度：均匀度：lGLCMGLCM中中
44、位位移移矢矢量量d d很很重重要要，有有时时也也用用GLCMGLCM计计算算极极大大值值。GLCMGLCM适合于描述微小纹理，不适合大面积基元纹理适合于描述微小纹理，不适合大面积基元纹理47computer vision6.2 6.2 纹纹 理理n自相关函数自相关函数l自相关函数可用来表示纹理基元的大小和分布情况。自相关函数可用来表示纹理基元的大小和分布情况。l设想把同一张纹理图象复制到两张透明胶片上。设想把同一张纹理图象复制到两张透明胶片上。l开始时把这两张胶片对齐迭放，并置于均匀光照之下，开始时把这两张胶片对齐迭放，并置于均匀光照之下，l然然后后把把其其中中一一张张胶胶片片相相对对于于另另
45、一一张张沿沿某某一一特特定定方方向向作作相对位移，并记录这时两张重迭胶片的透光量。相对位移，并记录这时两张重迭胶片的透光量。l透透光光量量随随胶胶片片相相对对位位移移的的变变化化函函数数就就是是图图象象的的自自相相关关函数。函数。l根根据据自自相相关关函函数数的的峰峰点点和和谷谷点点分分布布就就可可以以分分析析纹纹理理基基元的大小和分布情况。元的大小和分布情况。48computer vision6.2 6.2 纹纹 理理n自相关函数自相关函数一幅一幅NNNN图像的自相关函数图像的自相关函数pk,lpk,l 定义为：定义为：49computer vision6.2 6.2 纹纹 理理n自相关函数
46、自相关函数l对对于于含含有有重重复复纹纹理理模模式式的的图图像像，自自相相关关函函数数表表现现出出一一定的周期性，其周期等于相邻纹理基元的距离。定的周期性，其周期等于相邻纹理基元的距离。l当当纹纹理理粗粗糙糙时时，自自相相关关函函数数缓缓慢慢下下降降，如如下下左左图图，两两个个基基元元面面积积较较大大，即即粗粗纹纹理理，所所以以随随着着移移动动x，两两个个基基元元重复部分的面积下降速度较慢。重复部分的面积下降速度较慢。l当当细细纹纹理理时时，自自相相关关函函数数迅迅速速下下降降，如如下下右右图图，两两个个基基元元面面积积较较小小，即即细细纹纹理理，所所以以随随着着移移动动xx，两两个个基基元元重复部分的面积下降速度很快。重复部分的面积下降速度很快。50computer vision6.2 6.2 纹纹 理理n自相关函数自相关函数xAcxAf51computer vision