[科普中国]-假彩色图象

假彩色图象是指利用假彩色合成的图象，它是彩色增强图像的一种。利用假彩色图象可以突出相关专题信息，提高图像视觉效果，从图像中提取更有用的定量化信息。通过假彩色处理的图象，可以获得人眼所分辨不出、无法准确获得的信息，便于地物识别，提取更加有用的专题信息。

概念假彩色图象是通过不同波段合成得到的彩色影像，目的主要有两个：一个是使感兴趣的目标呈现奇异的彩色或置于奇特的色彩环境中，从而更受人注目；另一个是为了使景物呈现出与人眼色相匹配的颜色，以突出相关的专题信息，提高图像的视觉效果，使分析者能够更容易地识别图像内容，从图像中提取更有用的定量化信息。例如，人眼视网膜中锥状细胞对绿色最敏感，因此，若把原来颜色不易辨认的目标经假彩色处理呈现绿色，就能大大提高人眼对目标的分辨力。

假彩色图象增强技术在遥感资源勘察、军事目标的侦察和生物医学等学科领域内，人们利用摄影技术使外界大量有价值的信息通过照相机记录在照相底片上，经过冲洗显印，底片中已曝光部位就有大量银粒沉淀在底片的树胶层内，银粒沉积的密度(D)和曝光量(E)有关，在曝光量的某个容限内，可以近似地认为D和logE成正比，即曝光量愈大，导致底片的密度愈高。我们已知，黑白底片的一个重要特点是对亮度非常敏感，物体表面在亮度上的微小变化都能被底片有效地记录为密度差异，因此照相底片记录信息，不仅容量大而且十分敏感。用摄影技术记录信息仍是一种被广泛采用的手段。

记录在照相底片中的信息，最终将通过人眼来提取和判别，但是人类的视觉系统除了能鉴别黑白灰度级外，还有鉴别色彩的能力，人眼对复杂的黑白图象的鉴别能力很差，即使是有经验的专家，在通常情况下也不能从黑白底片中检测出大量信息，但是人眼对彩色却有非常高的鉴别能力，据实验表明，对彩色鉴别能力数倍于灰度，人类视觉系统的这个特点启示我们，如果把黑白图象中所包含的丰富的灰度级用对应的彩色带(由各种不同色彩做成)来显示，就能增强人眼的鉴别能力，当然，这些加入的彩色仅仅是为了增强人类视觉系统的鉴别能力，而和被摄物体本身的色彩是无关的，这就是我们常称的假彩色。

色度学的简要介绍人类视觉系统对色彩有很高的鉴别能力，关于这个特点可以用人类视觉三基色模型来作出解说，彩色这个物理盈，可以用亮度和色度来表达，亮度仅表示彩色量引起的视觉强度，因此它仅和光源的功率有关。色度由色调(色泽的类别即光波的波长成分)和饱和度(彩色浓淡程度，或者说色调中所掺白光的程度)组成，我们还认为人眼视网膜上有三种类型锥状视觉细胞，它们分别对可见光的红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)波段敏感，因此把这三种细胞对光谱吸收的灵敏度画成曲线，它们分别为VR(x)、VG(λ)、VB(λ)，如图1所示。由于这三组曲线在光谱坐标上相互重迭，因此人眼的亮度感觉就是这三种锥状细胞光谱吸收灵敏度曲线的总和。

当射入眼睛的彩色光源辐射功率谱为P'(λ)，那末三种锥状细胞分别受到的光刺激量应该是光源辐射功率P'(λ)和光谱吸收灵敏度乘积的积分值。

大脑根据这三种锥状细胞所受的光刺激址的总和F产生亮度感觉，而根据三者之间的相互比例产生色度感觉，R.G.B是三个独立的基色(也称三原色)，由它们来配出彩色。由大量配色实验，总结出下列配色方程：

[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为红、绿、蓝色系数或简称为三色系数。它表示配出已给彩色时，各需要多少个单位红(R)、绿(C)、蓝(B)的基色，故R、G、B的数值和混合比例决定了彩色量的色度和亮度。由大量实验总结出配色方程，它的三色系数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义。

人类视觉系统，实际上是通过视觉刺激来鉴别彩色量在三视觉坐标系中的位置。显然，坐标系中任一坐标上细微变化，就导致彩色量矢量明显变化，致使人眼能非常敏感地鉴别。但是人眼对黑白图象的视觉刺激，仅仅利用了眼睛区别一个坐标(即亮度坐标)的能力，使人眼的鉴别能力明显下降，假彩色图象增强技术是依靠指定的色度—亮度组合来代替原黑白底片中很小的灰度级差，这时，黑白图象被转变为一幅假彩色图象。通过上述假彩色变换，原片中微小的灰度差转变为易于鉴别的彩色差，达到了增强图象的目的。

假彩色圈象增强的实际方案假彩色图象增强技术，近年来有了许多新的发展，它在遥感资源勘察，军事目标侦察和医学等领域内取得了显著成果，为人们所确认。

假彩色图象增强在技术手段上大体可分两类。一类使用光学处理来实现黑白图象的假彩色转变，电子技术和计算机技术是七十年代以来迅速发展起来的另一类方法，下面分别介绍这两类方法的工作原理及实际效果。

（1）用光学处理实现燕白日象假彩色转变

有两种比较成熟的光学处理方法：①多谱段照相机和假彩色合成。太阳表面温度高达6000K，它辐射出巨大能量的电磁波，这些电磁波波长跨越整个紫外、可见光和红外谱区。电磁波与物质相互作用后，物质将对电磁波产生影响，例如电磁波被物质吸收、反射、散射或者电磁波相位、波长发生变化等，探测和记录电磁波的这些变化，就可有效地识别这些物体的性质。

根据电磁波和物质相互作用原理，人们不仅需要在阳光下拍摄同一物体对各谱段电磁波的反射和散射特性，而且需要在黑夜里拍摄物体发射红外的特性，多谱段照相机具有这种功能。它有四个不同波段的镜头构成，这四个镜头瞄准地面上同一中心点，把它们装在卫星(或飞机)上。例如在陆地卫星上使用的四个镜头上的澎色镜分别选用500~600mn(绿色)、600~700nm(红色)、700~800nm(红外)、800~1100(红外)波段。由此能获得四张底片，它分别记录了同一区城地面物体对不同波段电磁波的反射情况。例如植物对700~800nm红外波段有较强的反射能力，而任一种类植物有无病害所反射红外波的成分也不同，又如500~600nm波段对湖泊的水深研究非常有利，还能用以分析河口海岸的淤积趋势。但是单波段底片仅能分析地面物体的某些种类，获得局部资料。如果我们将几张不同波段的底片用红、绿、蓝或白色的光源分别投在各底片上，并使这些底片影象成象于彩色照相纸上(要严格重合)，由此而获得假彩色合成照片将是一张奇特的五彩缤纷的照片，它揭示了地质、地貌中许多重要信息，例如可以清楚看到地质上断层带、环状形迹、线性构造，为开发矿业资源提供了重要依据，显然这些信息是人眼不能直接观察到的。

②光学处理假彩色密度分割：当所要分析的黑白底片具有复杂的细节，而图象反差又低时，人眼直接判读的效果是很差的，如显示人体软组织的医学X光片(乳房癌和肾癌X光片)和单波段遥感泥沙淤积动向底片均属此类，人们无法鉴别这些癌区的边界和泥沙淤积动向。因而需要把黑白底片中的密度，分割成灰度级，再把灰度级逐级地转变为彩色，显然灰度级分例得愈密，彩色就愈丰富，人眼从中鉴别出的信息也愈多。

研究结论由上所述，用电子技术来实现假彩色转变，可以把图象灰度分割成很多级，分割得很精细，又便于进行面积和线度的测量，操作方便效率高，但是由于经过光电转换不仅信噪比很低，而且假彩色图象分辨率也差。用计算机技术处理黑白图象，然后进行假彩色显示，这是迅速发展的一个重要领域。由于计算机有对黑白图象进行复原、增强和信息提取等多种图象处理功能，因此对这些图象进行假彩色处理后效果就更为突出。我们以图象增强为例，由于拍摄条件或其他原因，常常使底片没有足够的反差，就是说底片上灰度级集中在某个范围内，而没有充分利用底片全部动态范围，这类底片不论采用何种假彩色转变手段，效果均不佳。当然原片可以利用光学的高反差拷贝方法来增强反差，但这要造成信息丧失。利用计算机技术来增强反差被人们确认为是满意的方法，因为它能对不同类型底片灵活地采用不同的增强方法。最简单增强反差方法是线性反差增强，它把原片中最淡灰色定为白色，最深灰色定为黑色，使底片的整个动态均被利用，然后再假彩色显示，一些原来模糊不清的图象均能复原。另一种是非线性增强，常常采用均匀分配增强，这种方法将使原底片中亮度值集中区域得到最大反差增强，这种方法能够显示图象中亮度集中区边缘的细节，还有高斯伸展增强等。这些增强后的黑白图象，再进行假彩色处理就将获得十分满意的结果。

计算机还能对黑白图象进行空间和定向滤波，以除去原底片中噪声，信息提取也是计算机图象处理一个重要方面，这些都能增强假彩色处理的效果。上述假彩色图象增强技术，已经广泛地应用于某些领域，例如地球资源勘查、分类、军事侦察、气象云图和强对流天气预报、渔业资源预报、医学、生物细胞、细菌形态研究和分类及农林业。在这些领域内，假彩色图象增强技术已成为一种有成效的技术。1

黑白片分层染色合成假彩色图象研究背景黑白象片一般不能反映自然彩色，只能通过密度的差异反映被摄目标的形状和明暗程度。由于人们的眼睛对黑白影象的分辨能力是有限的，据实验证明，肉眼对彩色信息的分辨力较对黑白信息的分辨力高100倍。我们曾应用黑白航摄负片，分层浮雕染色合成假彩色图象，初步试验表明，运用此种方法将普通黑白片变成假彩色图象，能增强图象的分辨力，扩大黑白片使用范围。

现将有关黑白片分层浮雕染色合成假彩色图象的依据、方法和效果简述如下。

黑白密度分层的依据各种物质反射和辐射电磁波能量的大小是不同的。用照相机或其它遥感器摄影或扫描，所得到的黑白图象(包括X光片、全色片和黑白红外片等)，记录了地物光谱反射能量的差异，图象上的灰度是连续的。

为提高对图象的分辨力，从黑白图象变成假彩色图象，有两种方法：一是等密度分割；二是黑白密度分层。前者是用密度分割仪，将连续灰度划分为12、24、32级等。每一级显示出一定的颜色。这种假彩色图象在研究海洋、湖泊等水体的深浅上效果较好。但因机械地进行密度分割，往往会失去图象灰度的连续性，使人们的视觉判读能力混乱。后者是将黑白密度分层染色合成假彩色图象。它以色相的连续性代替黑白灰度的连续性。这种假彩色图象对目视判读比较有利。

正确的摄影和图象的处理过程，一般都能使明亮地物和阴暗地物，容纳在感光材料特性曲线的直线部分，得到较好的记录和显示，如果曝光、显影不足，则仅有少量明亮地物落在特性曲线的直线部位，大部分中等亮度及阴暗地物，均落在特性曲线的趾部；如果曝光、显影过度，则只有少量阴暗地物落在特性曲线直线部位，而大多数中等亮度和明亮地物，却落在特性曲线的肩部。由于趾部和肩部的密度值与曝光量是非线性关系，黑白密度分层就是利用这种非线性特性。首先把原黑白图象的高密度部分和低密度部，通过曝光不足和曝光过度，拷贝复制得一张低密度层和一张高密度层。然后用正片和负片迭加掩模，得到中密度层(简称中间片)，这种中间片不仅改变了原片的反差，而且破坏了原片的线性关系，扩大了高、中、低分层负片的密度差。

图2是黑白分层的原理示意图，第Ⅰ象限曲线A表示正确摄影曝光和处理，所获得的负片特性曲线。第Ⅱ象限曲线B和曲线C，表示用负片A通过曝光正常和曝光不足拷贝得到的两张正片。第Ⅲ象限的曲线D(表示高密度层)和曲线E(表示低密度层)是用正片B分别曝光过度和曝光不足拷贝而得，曲线F是用曝光不足的正片C同原负片A或复制负片迭加掩模得到的中间片第Ⅳ象限中。DM、FM、EM曲线分别表示利用高、中、低三张非线性的分层负片拷贝制作的正象浮雕模片。由于分层负片的度密范围是不可能相同的，所以拷制浮雕模片时，应根据密度的大小适当调整曝光量，即移动浮雕模片曲线在横坐标上的位置，使三条曲线在某一点重合，即得到中性灰。一般可出现如图3所示的三种情况。由于这三种曲线是不平行的，所以无论怎样组合迭加，始终只有少数点重合出现中性灰。利用这三张浮雕模片染色合成的彩色图象，既有密度分层，又有部分密度交叉的特点，色彩层次一般都比较丰富。实验证明，用一张黑白负片直接通过曝光不足、曝光适中，曝光过度，拷贝三张分层浮雕模片，染色合成的彩色图象效果是很差的。这是由于曝光不足和曝光过度拷贝的浮雕模片，虽然具有非线性特性，但是曝光适中的浮雕模片仍保留着线性关系，就是说其密度的变化是等比例的。由于黄、品、青染料的曲线迭加后，大部分点都落在同一条直线上。因此合成图象呈现棕灰色，无鲜明的色彩层次，起不到彩色增强的作用。

若改变高、中、低分层浮雕模片的密度范围和组合方式，将会产生多种多样的染印合成图象。分层浮雕模片的密度范围的大小，可根据专业判读的要求，通过试验来确定。

研究结论（1）各类型色差拉大，边界增强。如山坡上的裸露熔岩，在黑白片上与草地的灰度相差甚微，在彩色红外片上色差也不明显，但在分层浮雕染色合成后，裸露熔岩和草地的颜色不同，这样就能准确地勾绘出这两种土地利用类型的界线。

（2）有利于局部图斑细小、类型交错分布地区的判读分析与综合制图。如熔岩台地、轮耕地和草地错综分布的地区，在1:3.5万的黑白片上很难区分。只能以轮耕地为主的组合类型来处理。但在假彩色片上，轮耕地与草地的轮廓可明显划分出来。

（3）有利于渠道和道路的判别区分。在1:3.5万的黑白片上，有的水渠道与乡村小道因密度差异小，很难区分，而在彩色片上，由于正负片掩模扩大了水渠和道路之间的密度，可得到明显的区分。由于黑白片分层浮雕染色假彩色片，在彩色影象上有时出现密度相同，而类型不同的地物呈同一种颜色，如水面与绿色林地均为红色。因此，在判读分析时，除参考色彩指标外，还要分析水体与绿色林地在图斑结构上的差异。

我们认为，在国内彩色感光材料不足，应用彩色摄有一定困难的情况下，用黑白航摄象片和卫星象片分层浮雕染色成合多种多样的假彩色图象，进行专业判读和制图是一种可行的方法。这种黑白分层方法，主要靠熟练技巧和经验，各层之间的密度范围不易控制准确，再加上多次拷贝和掩模，原片信息量损失较多。如果将这种光学处理方法与计算机图象处理结合起来，不仅可以减少信息量的损失，而且可以加快速度提高精度。2

本词条内容贡献者为:

胡芳碧 - 副教授 - 西南大学