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通常は原理的に不可能です。
なぜなら、カラー画像は一般的に3つの独立したベクトルが張る色空間で表現されます。
ここで、色空間をRGB、濃淡をGrayとすると、明らかにベクトルが足りないので、色空間を変換できません。
よって、GrayからRGBへの色空間の変更ができないので、濃淡画像をカラー画像に変換することは*通常*できないことが示された。

疑似カラー画像に変換したり、ユーザか適当に色を配置してそれを元にカラー画像にすることは既に研究されています。
グレースケール画像に色差情報をこっそり埋め込んだり埋め込まなかったりって、最近僕が研究したんだけど。