基本介紹
- 中文名：假彩色圖象
- 外文名：Fake color image
- 描述：利用假彩色合成的圖象
- 套用：提高圖像視覺效果
- 學科：氣象學
概念,假彩色圖象增強技術,色度學的簡要介紹,假彩色圈象增強的實際方案,研究結論,黑白片分層染色合成假彩色圖象,研究背景,黑白密度分層的依據,研究結論,
概念
假彩色圖象是通過不同波段合成得到的彩色影像，目的主要有兩個：一個是使感興趣的目標呈現奇異的彩色或置於奇特的色彩環境中，從而更受人注目；另一個是為了使景物呈現出與人眼色相匹配的顏色，以突出相關的專題信息，提高圖像的視覺效果，使分析者能夠更容易地識別圖像內容，從圖像中提取更有用的定量化信息。例如，人眼視網膜中錐狀細胞對綠色最敏感，因此，若把原來顏色不易辨認的目標經假彩色處理呈現綠色，就能大大提高人眼對目標的分辨力。
假彩色圖象增強技術
在遙感資源勘察、軍事目標的偵察和生物醫學等學科領域內，人們利用攝影技術使外界大量有價值的信息通過照相機記錄在照相底片上，經過沖洗顯印，底片中已曝光部位就有大量銀粒沉澱在底片的樹膠層內，銀粒沉積的密度(D)和曝光量(E)有關，在曝光量的某個容限內，可以近似地認為D和logE成正比，即曝光量愈大，導致底片的密度愈高。我們已知，黑白底片的一個重要特點是對亮度非常敏感，物體表面在亮度上的微小變化都能被底片有效地記錄為密度差異，因此照相底片記錄信息，不僅容量大而且十分敏感。用攝影技術記錄信息仍是一種被廣泛採用的手段。
記錄在照相底片中的信息，最終將通過人眼來提取和判別，但是人類的視覺系統除了能鑑別黑白灰度級外，還有鑑別色彩的能力，人眼對複雜的黑白圖象的鑑別能力很差，即使是有經驗的專家，在通常情況下也不能從黑白底片中檢測出大量信息，但是人眼對彩色卻有非常高的鑑別能力，據實驗表明，對彩色鑑別能力數倍於灰度，人類視覺系統的這個特點啟示我們，如果把黑白圖象中所包含的豐富的灰度級用對應的彩色帶(由各種不同色彩做成)來顯示，就能增強人眼的鑑別能力，當然，這些加入的彩色僅僅是為了增強人類視覺系統的鑑別能力，而和被攝物體本身的色彩是無關的，這就是我們常稱的假彩色。
色度學的簡要介紹
人類視覺系統對色彩有很高的鑑別能力，關於這個特點可以用人類視覺三基色模型來作出解說，彩色這個物理盈，可以用亮度和色度來表達，亮度僅表示彩色量引起的視覺強度，因此它僅和光源的功率有關。色度由色調(色澤的類別即光波的波長成分)和飽和度(彩色濃淡程度，或者說色調中所摻白光的程度)組成，我們還認為人眼視網膜上有三種類型錐狀視覺細胞，它們分別對可見光的紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)波段敏感，因此把這三種細胞對光譜吸收的靈敏度畫成曲線，它們分別為VR(x)、VG(λ)、VB(λ)，如圖1所示。由於這三組曲線在光譜坐標上相互重迭，因此人眼的亮度感覺就是這三種錐狀細胞光譜吸收靈敏度曲線的總和。
圖1 光譜吸收的靈敏度曲線
當射入眼睛的彩色光源輻射功率譜為P'(λ)，那末三種錐狀細胞分別受到的光刺激量應該是光源輻射功率P'(λ)和光譜吸收靈敏度乘積的積分值。
大腦根據這三種錐狀細胞所受的光刺激址的總和F產生亮度感覺，而根據三者之間的相互比例產生色度感覺，R.G.B是三個獨立的基色(也稱三原色)，由它們來配出彩色。由大量配色實驗，總結出下列配色方程：
[F]=R(R)+G(G)+B(B)
式中[F]是由三基色配出的某彩色量，R.G.B為紅、綠、藍色係數或簡稱為三色係數。它表示配出已給彩色時，各需要多少個單位紅(R)、綠(C)、藍(B)的基色，故R、G、B的數值和混合比例決定了彩色量的色度和亮度。由大量實驗總結出配色方程，它的三色係數和人眼受到光的刺激量的物理表示式具有基本上是一致的物理意義。
人類視覺系統，實際上是通過視覺刺激來鑑別彩色量在三視覺坐標系中的位置。顯然，坐標系中任一坐標上細微變化，就導致彩色量矢量明顯變化，致使人眼能非常敏感地鑑別。但是人眼對黑白圖象的視覺刺激，僅僅利用了眼睛區別一個坐標(即亮度坐標)的能力，使人眼的鑑別能力明顯下降，假彩色圖象增強技術是依靠指定的色度—亮度組合來代替原黑白底片中很小的灰度級差，這時，黑白圖象被轉變為一幅假彩色圖象。通過上述假彩色變換，原片中微小的灰度差轉變為易於鑑別的彩色差，達到了增強圖象的目的。
假彩色圈象增強的實際方案
假彩色圖象增強技術，近年來有了許多新的發展，它在遙感資源勘察，軍事目標偵察和醫學等領域內取得了顯著成果，為人們所確認。
假彩色圖象增強在技術手段上大體可分兩類。一類使用光學處理來實現黑白圖象的假彩色轉變，電子技術和計算機技術是七十年代以來迅速發展起來的另一類方法，下面分別介紹這兩類方法的工作原理及實際效果。
（1）用光學處理實現燕白日象假彩色轉變
有兩種比較成熟的光學處理方法：①多譜段照相機和假彩色合成。太陽表面溫度高達6000K，它輻射出巨大能量的電磁波，這些電磁波波長跨越整個紫外、可見光和紅外譜區。電磁波與物質相互作用後，物質將對電磁波產生影響，例如電磁波被物質吸收、反射、散射或者電磁波相位、波長發生變化等，探測和記錄電磁波的這些變化，就可有效地識別這些物體的性質。
根據電磁波和物質相互作用原理，人們不僅需要在陽光下拍攝同一物體對各譜段電磁波的反射和散射特性，而且需要在黑夜裡拍攝物體發射紅外的特性，多譜段照相機具有這種功能。它有四個不同波段的鏡頭構成，這四個鏡頭瞄準地面上同一中心點，把它們裝在衛星(或飛機)上。例如在陸地衛星上使用的四個鏡頭上的澎色鏡分別選用500~600mn(綠色)、600~700nm(紅色)、700~800nm(紅外)、800~1100(紅外)波段。由此能獲得四張底片，它分別記錄了同一區城地面物體對不同波段電磁波的反射情況。例如植物對700~800nm紅外波段有較強的反射能力，而任一種類植物有無病害所反射紅外波的成分也不同，又如500~600nm波段對湖泊的水深研究非常有利，還能用以分析河口海岸的淤積趨勢。但是單波段底片僅能分析地面物體的某些種類，獲得局部資料。如果我們將幾張不同波段的底片用紅、綠、藍或白色的光源分別投在各底片上，並使這些底片影象成象於彩色照相紙上(要嚴格重合)，由此而獲得假彩色合成照片將是一張奇特的五彩繽紛的照片，它揭示了地質、地貌中許多重要信息，例如可以清楚看到地質上斷層帶、環狀形跡、線性構造，為開發礦業資源提供了重要依據，顯然這些信息是人眼不能直接觀察到的。
②光學處理假彩色密度分割：當所要分析的黑白底片具有複雜的細節，而圖象反差又低時，人眼直接判讀的效果是很差的，如顯示人體軟組織的醫學X光片(乳房癌和腎癌X光片)和單波段遙感泥沙淤積動向底片均屬此類，人們無法鑑別這些癌區的邊界和泥沙淤積動向。因而需要把黑白底片中的密度，分割成灰度級，再把灰度級逐級地轉變為彩色，顯然灰度級分例得愈密，彩色就愈豐富，人眼從中鑑別出的信息也愈多。
研究結論
由上所述，用電子技術來實現假彩色轉變，可以把圖象灰度分割成很多級，分割得很精細，又便於進行面積和線度的測量，操作方便效率高，但是由於經過光電轉換不僅信噪比很低，而且假彩色圖象解析度也差。用計算機技術處理黑白圖象，然後進行假彩色顯示，這是迅速發展的一個重要領域。由於計算機有對黑白圖象進行復原、增強和信息提取等多種圖象處理功能，因此對這些圖象進行假彩色處理後效果就更為突出。我們以圖象增強為例，由於拍攝條件或其他原因，常常使底片沒有足夠的反差，就是說底片上灰度級集中在某個範圍內，而沒有充分利用底片全部動態範圍，這類底片不論採用何種假彩色轉變手段，效果均不佳。當然原片可以利用光學的高反差拷貝方法來增強反差，但這要造成信息喪失。利用計算機技術來增強反差被人們確認為是滿意的方法，因為它能對不同類型底片靈活地採用不同的增強方法。最簡單增強反差方法是線性反差增強，它把原片中最淡灰色定為白色，最深灰色定為黑色，使底片的整個動態均被利用，然後再假彩色顯示，一些原來模糊不清的圖象均能復原。另一種是非線性增強，常常採用均勻分配增強，這種方法將使原底片中亮度值集中區域得到最大反差增強，這種方法能夠顯示圖象中亮度集中區邊緣的細節，還有高斯伸展增強等。這些增強後的黑白圖象，再進行假彩色處理就將獲得十分滿意的結果。
計算機還能對黑白圖象進行空間和定向濾波，以除去原底片中噪聲，信息提取也是計算機圖象處理一個重要方面，這些都能增強假彩色處理的效果。上述假彩色圖象增強技術，已經廣泛地套用於某些領域，例如地球資源勘查、分類、軍事偵察、氣象雲圖和強對流天氣預報、漁業資源預報、醫學、生物細胞、細菌形態研究和分類及農林業。在這些領域內，假彩色圖象增強技術已成為一種有成效的技術。
黑白片分層染色合成假彩色圖象
研究背景
黑白象片一般不能反映自然彩色，只能通過密度的差異反映被攝目標的形狀和明暗程度。由於人們的眼睛對黑白影象的分辨能力是有限的，據實驗證明，肉眼對彩色信息的分辨力較對黑白信息的分辨力高100倍。我們曾套用黑白航攝負片，分層浮雕染色合成假彩色圖象，初步試驗表明，運用此種方法將普通黑白片變成假彩色圖象，能增強圖象的分辨力，擴大黑白片使用範圍。
現將有關黑白片分層浮雕染色合成假彩色圖象的依據、方法和效果簡述如下。
黑白密度分層的依據
各種物質反射和輻射電磁波能量的大小是不同的。用照相機或其它遙感器攝影或掃描，所得到的黑白圖象(包括X光片、全色片和黑白紅外片等)，記錄了地物光譜反射能量的差異，圖象上的灰度是連續的。
為提高對圖象的分辨力，從黑白圖象變成假彩色圖象，有兩種方法：一是等密度分割；二是黑白密度分層。前者是用密度分割儀，將連續灰度劃分為12、24、32級等。每一級顯示出一定的顏色。這種假彩色圖象在研究海洋、湖泊等水體的深淺上效果較好。但因機械地進行密度分割，往往會失去圖象灰度的連續性，使人們的視覺判讀能力混亂。後者是將黑白密度分層染色合成假彩色圖象。它以色相的連續性代替黑白灰度的連續性。這種假彩色圖象對目視判讀比較有利。
正確的攝影和圖象的處理過程，一般都能使明亮地物和陰暗地物，容納在感光材料特性曲線的直線部分，得到較好的記錄和顯示，如果曝光、顯影不足，則僅有少量明亮地物落在特性曲線的直線部位，大部分中等亮度及陰暗地物，均落在特性曲線的趾部；如果曝光、顯影過度，則只有少量陰暗地物落在特性曲線直線部位，而大多數中等亮度和明亮地物，卻落在特性曲線的肩部。由於趾部和肩部的密度值與曝光量是非線性關係，黑白密度分層就是利用這種非線性特性。首先把原黑白圖象的高密度部分和低密度部，通過曝光不足和曝光過度，拷貝複製得一張低密度層和一張高密度層。然後用正片和負片迭加掩模，得到中密度層(簡稱中間片)，這種中間片不僅改變了原片的反差，而且破壞了原片的線性關係，擴大了高、中、低分層負片的密度差。
圖2是黑白分層的原理示意圖，第Ⅰ象限曲線A表示正確攝影曝光和處理，所獲得的負片特性曲線。第Ⅱ象限曲線B和曲線C，表示用負片A通過曝光正常和曝光不足拷貝得到的兩張正片。第Ⅲ象限的曲線D(表示高密度層)和曲線E(表示低密度層)是用正片B分別曝光過度和曝光不足拷貝而得，曲線F是用曝光不足的正片C同原負片A或複製負片迭加掩模得到的中間片第Ⅳ象限中。DM、FM、EM曲線分別表示利用高、中、低三張非線性的分層負片拷貝製作的正象浮雕模片。由於分層負片的度密範圍是不可能相同的，所以拷制浮雕模片時，應根據密度的大小適當調整曝光量，即移動浮雕模片曲線在橫坐標上的位置，使三條曲線在某一點重合，即得到中性灰。一般可出現如圖3所示的三種情況。由於這三種曲線是不平行的，所以無論怎樣組合迭加，始終只有少數點重合出現中性灰。利用這三張浮雕模片染色合成的彩色圖象，既有密度分層，又有部分密度交叉的特點，色彩層次一般都比較豐富。實驗證明，用一張黑白負片直接通過曝光不足、曝光適中，曝光過度，拷貝三張分層浮雕模片，染色合成的彩色圖象效果是很差的。這是由於曝光不足和曝光過度拷貝的浮雕模片，雖然具有非線性特性，但是曝光適中的浮雕模片仍保留著線性關係，就是說其密度的變化是等比例的。由於黃、品、青染料的曲線迭加後，大部分點都落在同一條直線上。因此合成圖象呈現棕灰色，無鮮明的色彩層次，起不到彩色增強的作用。
圖2 黑白分層的原理示意圖
圖3
若改變高、中、低分層浮雕模片的密度範圍和組合方式，將會產生多種多樣的染印合成圖象。分層浮雕模片的密度範圍的大小，可根據專業判讀的要求，通過試驗來確定。
研究結論
（1）各類型色差拉大，邊界增強。如山坡上的裸露熔岩，在黑白片上與草地的灰度相差甚微，在彩色紅外片上色差也不明顯，但在分層浮雕染色合成後，裸露熔岩和草地的顏色不同，這樣就能準確地勾繪出這兩種土地利用類型的界線。
（2）有利於局部圖斑細小、類型交錯分布地區的判讀分析與綜合製圖。如熔岩台地、輪耕地和草地錯綜分布的地區，在1:3.5萬的黑白片上很難區分。只能以輪耕地為主的組合類型來處理。但在假彩色片上，輪耕地與草地的輪廓可明顯劃分出來。
（3）有利於渠道和道路的判別區分。在1:3.5萬的黑白片上，有的水渠道與鄉村小道因密度差異小，很難區分，而在彩色片上，由於正負片掩模擴大了水渠和道路之間的密度，可得到明顯的區分。由於黑白片分層浮雕染色假彩色片，在彩色影象上有時出現密度相同，而類型不同的地物呈同一種顏色，如水面與綠色林地均為紅色。因此，在判讀分析時，除參考色彩指標外，還要分析水體與綠色林地在圖斑結構上的差異。
我們認為，在國內彩色感光材料不足，套用彩色攝有一定困難的情況下，用黑白航攝象片和衛星象片分層浮雕染色成合多種多樣的假彩色圖象，進行專業判讀和製圖是一種可行的方法。這種黑白分層方法，主要靠熟練技巧和經驗，各層之間的密度範圍不易控制準確，再加上多次拷貝和掩模，原片信息量損失較多。如果將這種光學處理方法與計算機圖象處理結合起來，不僅可以減少信息量的損失，而且可以加快速度提高精度。
