第4章-彩色数字图像基础.ppt

1、多媒体技术教程 第4章 彩色数字图像基础,2/33,第4章 彩色数字图像基础目录,4.1 视觉系统对颜色的感知 4.2 图像的颜色模型 4.2.1 显示彩色图像用RGB相加混色模型 4.2.2 打印彩色图像用CMY相减混色模型 4.3 图像的三个基本属性 4.3.1 图像分辨率 4.3.2 像素深度与阿尔法()通道 4.3.3 真彩色、伪彩色与直接色 4.4 图像的种类 4.4.1 矢量图与位图 4.4.2 灰度图与彩色图,4.5 伽马()校正 4.5.1 的概念 4.5.2 校正 4.6 图像文件格式 4.6.1 BMP文件格式 4.6.2 GIF文件格式 4.6.3 PNG格式 参考文献和

2、站点,3/33,人们获取的信息的70来自视觉系统,实际就是图像和电视。图像数据压缩主要根据两个方面：图像数据中有许多重复的数据，使用数学方法来表示这些重复数据就可以减少数据量；-无损压缩技术人的眼睛对图像细节和颜色的辨认有一个极限，把超过极限的部分去掉，这也就达到压缩数据的目的。-有损压缩技术,4/33,4.1 视觉系统对颜色的感知,颜色是什么 视觉系统对可见光的感知结果 可见光是波长在380780 nm之间的电磁波，我们看到的大多数光不是一种波长的光，而是由许多不同波长的光组合成的，因此有多种颜色的感觉 颜色只存在于眼睛和大脑 人的视网膜有对红、绿、蓝颜色敏感程度不同的三种锥体细胞 杆状体细

3、胞在光功率极低的条件下才起作用 在计算机图像处理中，三种锥体细胞扮演重要角色，杆状细胞则未扮演什么角色,5/33,4.1 视觉系统对颜色的感知(续),视觉系统对颜色感知的特性 眼睛本质上是一个照相机 人的视网膜(human retina)通过神经元感知外部世界的颜色，每个神经元是一个对颜色敏感的锥体(cone) 红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的光的感知程度不同，对不同亮度的感知程度也不同 这就意味着，人们可以使用数字图像处理技术来降低表示图像的数据量而不使人感到图像质量有明显下降。 从理论上说，自然界中的任何一种颜色都可以由R，G，B这三种颜色值之和来确定，它们构成一个三维的RGB矢量空间

4、这就是说，R，G，B的数值不同，混合得到的颜色就不同，也就是光波的波长不同,6/33,4.2 图像的颜色模型,1、显示彩色图像用RGB相加混色模型一个能发出光波的物体称为有源物体，它的颜色由该物体发出的光波决定 任何一种颜色都可用三种基本颜色按不同的比例混合得到 颜色R(红的百分比)G(绿的百分比)B(蓝的百分比),当三基色等量相加时，得到白色；,图4-1 彩色显像产生颜色的原理,图4-2 相加混色,7/33,4.2 图像的颜色模型,彩色图像 一幅彩色图像可以看成是由许多的点组成的，如图4-3所示 图像中的单个点称为像素(pixel)，每个像素都有一个值，称为像素值，它表示特定颜色的强度 一个

5、像素值通常用R，G，B三个分量表示。如果每个像素的每个颜色分量 “1”和“0”表示，即每种颜色的强度是100%或0%，每个像素显示的颜色是8种颜色之一，见表4-1,表4-1相加色,图4-3 一幅图像由许多像素组成,8/33,4.2 图像的颜色模型,2、打印彩色图像用CMY相减混色模型一个不发光波的物体称为无源物体，它的颜色由该物体吸收或者反射哪些光波决定用 用彩色墨水或颜料进行混合，绘制的图画是一种无源物体，用这种方法生成的颜色称为相减色 CMY相减混色模型 用三种基本颜色即青色(cyan)、品红(magenta)和黄色(yellow)的颜料按一定比例混合得到颜色的方法，通常写成CMY，称为C

6、MY模型 从理论上说，任何一种颜色都可以用青色(cyan)、品红(magenta)和黄色(yellow)混合得到 用这种方法产生的颜色之所以称为相减混色，是因为它减少了为视觉系统识别颜色所需要的反射光,9/33,4.2 图像的颜色模型(续),在相减混色中, 当三基色等量相减时得到黑色； 彩色打印机采用,印刷彩色图片采用 由于彩色墨水和颜料的化学特性，用等量的三基色得到的黑色不是真正的黑色，因此在印刷术中常加一种真正的黑色(black ink)，所以CMY又写成CMYK。 按每个像素每种颜色用1位表示，相减法产生的8种颜色如表4-3所示,图4-4 相减混色,表4-3 相减色,10/33,4.2

7、图像的颜色模型,相加色与相减色是互补色 相加混色和相减混色之间成对出现互补色, 见表4-4 利用它们之间的关系，可把显示的颜色转换成打印的颜色 在RGB中的颜色值为1的地方，在CMY对应的位置上，其颜色值为0。例如，RGB为010时，对应CMY为101,表4-4 相加色与相减色的关系,11/33,3、色调-饱和度-亮度(hue-saturation-lightness，HSL)颜色模型 -HSB（brightness）是以人类对颜色的感觉为依据而建立的 色相：是由物体发射或反射出来的颜色。它是根据色彩在一个0-360的标准色盘上的位置来决定的，通常以颜色的名称来辨识，例如红、橙和绿等等，红色在

8、0度，绿色在120度，蓝色在240度。它基本上是RGB模式全色度的饼状图。 饱和度：表示色彩的纯度，有时也被称为彩度，为0%时为灰色。白、黑和其他灰色色彩都没有饱和度的。在最大饱和度时，每一色相具有最纯的色光。 亮度：是指颜色相对的亮度和暗度，通常是用为0%（黑）到100%（白）的方式进行测定。,4、lab颜色模型 一个要素是亮度（L），a 和b是两个颜色通道。,12/33,附加分析,就编辑图象而言，RGB色彩模式也是最佳的色彩模式，因为它可以提供全屏幕的24bit的色彩范围，即真彩色显示。但是，如果将RGB模式用于打印就不是 最佳的了，因为RGB模式所提供的有些色彩已经超出了打印的范围之外，

9、因此在打印一幅真彩色的图象时，就必然会损失一部分亮度，并且比较鲜艳的色彩肯定会 失真的。这主要因为打印所用的是CMYK模式，而CMYK模式所定义的色彩要比RGB模式定义的色彩少很多，因此打印时，系统自动将RGB模式转换为 CMYK模式，这样就难免损失一部分颜色，出现打印后失真的现象。,13/33,附加分析,CMYK模式是最佳的打印模式，RGB模式尽管色彩多，但不能完全打印出来。那么是不是在编辑的时候就采用CMYK模式呢？不是，原因如下： 用CMYK模式编辑虽然能够避免色彩的损失，但运算速度很慢。主要因为：1、即使在CMYK模式下工作，Photoshop也必须将CMYK模式转变为显示器所使用的R

10、GB模式。2、对于同样的图象，RGB模式只需要处理三个通道即可，而CMYK模式则需要处理四个 由于用户所使用的扫描仪和显示器都是RGB设备，所以无论什么时候使用CMYK模式工作都有把RGB模式转换为CMYK模式这样一个过程。 因此，是否应用CMYK模式进行编辑都存在RGB模式和CMYK模式转换的问题。 先用RGB模式进行编辑工作，再用CMYK模式进行打印工作这种打印前的模式转换，并不是避免图象损失最佳的途径，最佳方法是将Lab模式和CMYK模式相结合使用，这样可以最大程度的减少图象失真。,14/33,附加分析,Lab模式所定义的色彩最多，且与光线及设备无关并且处理速度与RGB模式同样快，比CM

11、YK模式快很多。因此，可以放心大胆的在图象编辑中使用Lab模 式。而且，Lab模式在转换成CMYK模式时色彩没有丢失或被替换。因此，最佳避免色彩损失的方法是：应用Lab模式编辑图象，再转换为CMYK模式打印 输出。在表达色彩范围上，处于第一位的是Lab模式，第二位的是RGB模式，第三位是CMYK模式,15/33,4.3 图像的三个基本属性,1、屏幕分辨率(screen resolution)显示分辨率 传统电视屏幕的宽高比为4:3；高清晰度电视屏幕的宽高比为169 2、图像分辨率(image resolution) 图像分辨率也称空间分辨率和像素分辨率,在图像显示应用中的图像分辨率表示法 (1

12、) 物理尺寸：每毫米线数(或行数) (2) 行列像素：像素/行行/幅，如640像素/行480行/幅 (3) 像素总数：如数码相机上标的500万像素 (4) 单位长度上的像素：如像素每英寸(pixels per inch，PPI) (5) 线对(line pair)数：以黑白相邻的两条线为一对，如5对线,图像数字化和打印应用中的图像分辨率表示法 通常用多少点每英寸(dots per inch，DPI)表示，如300 DPI,16/33,4.3 图像的三个基本属性(续),3、像素深度存储每个像素所用的位数 例如，用R，G，B三个分量表示的彩色图像，若每个分量用8位表示，那么一个像素共用24位表示，

13、就说像素深度为24位 例如，像素深度为24位时，每个像素可以是224=16 777 216种颜色中的一种 例如，RGB 555表示一个像素时，用2个字节共16位表示，其中R，G，B各占5位，剩下一位作为属性位。在这种情况下，像素深度为16位，而图像深度为15位。 像素深度越深，表达的颜色数目就越多，所占用的存储空间也越大。相反，如果像素深度太浅，则影响图像的质量，图像看起来让人觉得很粗糙和很不自然 由于受到设备和人眼分辨率的限制，不一定要追求特别深的像素深度 VGA支持16种颜色，多媒体应用中推荐使用256色,17/33,4.3 图像的三个基本属性(续3),阿尔法()通道主要在表示叠加的时候使

14、用 1、用于表示像素在对象中的透明度16位表示图像的 一个像素时， R，G，B各占5位，剩下一位作为属性位，可以指定为T，2幅图像相叠，T=1-原图完全不可见T=0-原图完全可见 2、在每个像素用32位表示的图像表示法中，最高8位为通道，其余24位是颜色通道，红色、绿色和蓝色分量各占一个8位的通道 例如，用两幅图像A和B混合成一幅新图像，新图像(New)的像素为：New pixel =(alpha)(pixel A color) +(alpha)(pixel B color) 又如，一个像素(A，R，G，B)的四个分量都用规一化的数值表示时， 像素值为(1，1，0，0)时显示红色，表示红色强度

15、为1 像素值为(0.5，1，0，0)时，使用通道中的预乘数0.5与R，G，B相乘，其结果为(0.5,0.5,0,0)，表示红色强度为0.5 产生某些特效,18/33,4.3 图像的三个基本属性(续),真彩色、伪彩色与直接色 1、真彩色(true color) 有R，G，B三个基色分量，每个基色分量直接决定显示设备的基色强度，通常用24位表示，其颜色数22416 777 216种。也称24位颜色(24-bit color)或全彩色(full color) 2、伪彩色(pseudo color) 不是物体固有的而是人为的颜色 将像素值当作彩色查找表的表项入口地址，查找显示图像时要使用的R，G，B值

16、，用查找出的R，G，B值产生的彩色 使用查找得到的R，G，B数值显示的彩色是真的，但不是图像本身真正的颜色，它没有完全反映原图的颜色 3、直接色(direct color) 每个像素值由R，G，B分量构成，每个分量作为单独的索引值对它做变换，用变换后的R，G，B值产生的颜色,19/33,4.4 图像的种类,1、矢量图(vector graphics) 根据数学规则描述而生成的图 一幅图用数学描述的点、线、弧、曲线、多边形和其他几何实体和几何位置来表示，创建的图是对象的集合而不是点或像素模式的图，如图4-5(a)所示 绘图程序(draw programs)；存放矢量图的存储格式称为矢量图格式；存

17、储的数据主要是绘制图形的数学描述 优点 目标图像的移动、缩小或放大、旋转、拷贝、属性(如线条变宽变细、颜色)变更都很容易做到 相同或类似的图可以把它们当作图的构造块，并把它们存到图库中，这样不仅可加速矢量图的生成，而且可减小矢量图的文件大小 局限性 很难用数学方法来描述真实世界的彩照，这就要用位图法表示,20/33,4.4 图像的种类(续1),图4-5 矢量图与位图,21/33,4.4 图像的种类(续2),2、位图(bitmap，bitmapped image ) 用像素值阵列表示的图，如图4-5(b)所示 对位图进行操作时，只能对图中的像素进行操作，而不能把位图中的物体作为独立实体进行操作。

18、也称光栅图(raster graphics) 画位图或编辑位图的软件称为画图程序(paint programs)；存放位图的格式称为位图格式；存储的内容是描述像素的数值 特性 位图的获取通常用扫描仪、数码相机、摄像机、录像机、视像光盘和相关的数字化设备 位图文件占据的存储空间比较大 影响位图文件大小的因素 图像分辨率：分辨率越高，表示组成一幅图的像素就越多，图像文件就越大 像素深度：像素深度越深，表达单个像素的颜色和亮度的位数越多，图像文件就越大,22/33,4.4 图像的种类(续3),图形图像（矢量图像） 用位图来表示矢量图形 用像素值阵列表示的位图边沿较光滑； 用矢量图转换成的位图边沿较粗

19、糙,位图,图形图像-由矢量图转换来的,23/33,4.4 图像的种类(续4),灰度图和彩色图像256色图像：每个像素的R、G和B值用一个字节来表示，一幅640480的彩色图像需要300 KB的存储空间 真彩色图像：每个像素的R，G，B分量分别用一个字节表示，一幅640480的真彩色图像需要900 KB的存储空间,标准单色图,标准灰度图,256色标准图像,24位标准图像,24/33,4.5 伽马( )校正,-CRT（显示器/电视机）的响应曲线，即显示设备的亮度与输入电压的非线性关系。光亮度 (输入电压),对应一个“理想”监视器，gamma 值为 1 ；也就是说，这个监视器具有从完美的白色通过灰色

20、到黑色的连续线性渐变效果。然而，理想的显示设备是不存在的。电脑监视器是“非线性”的设备。gamma 值越高，非线性程度越大。NTSC 视频的标准 gamma 值为 2.2。对于电脑监视器，gamma 值一般在 1.5 到 2.0 之间。 在电脑上创建图像的时候，您根据从监视器上看到的色彩值和强度设置图片。因此，在您的监视器上看上去很完美的一幅图片，保存时将会补偿监视器 gamma 值引起的偏差。同一幅图像在其他的监视器上（或复制到受到 gamma 影响的显示介质上）的显示会有所差别，这取决于显示介质的 gamma 值。,25/33,校正(gamma correction),为补偿显示设备非线性

21、的显示特性而采用的校正技术在把输入电压送到显示设备之前对它做一次变换，使输入到显示设备的电压= (输入电压) ，这个变换称为校正显示设备不同，的值也有所不同。阴极射线管(CRT)典型的值在2.252.5之间,1、gamma 校正是指更改 gamma 值以匹配监视器的中间灰度 2、Gamma 校正补偿了不同输出设备存在的颜色显示差异，从而使图像在不同的监视器上呈现出相同的效果。3、一个理想的Gamma校正通过相反的非线性转换把该转换反转输出来。,26/33,4.5 伽马( )校正(续1),一个理想的Gamma校正通过相反的非线性转换把该转换反转输出来。,27/33,4.5 伽马( )校正(续2)

22、,28/33,4.5 伽马( )校正(续3),29/33,4.6 图像文件格式,图像文件格式是存储图形或图像数据的数据结构1、 BMP文件格式-标准位图文件格式 Windows环境下，在任何设备类型的显示设备上都可以显示 2、 GIF图形文件交换格式图像的相关信息以数据块(block)为单位，在一个文件中可存放多幅彩色图形/图像，设置透明背景，并可像动画那样演示基于LZW算法的连续色调的无损压缩格式。其压缩率一般在50左右 图像的像素资料不会被丢失，然而丢失的是图像的色彩最多256种颜色解码时逐次逼近显示,30/33,4.6 图像文件格式(续),3、 PNG格式便携网络图形格式 PNG使用从L

23、Z77派生的数据无损压缩算法 保留的GIF文件格式特性 使用彩色查找表或称调色板，支持256种颜色的彩色图像 流式读/写性能：允许连续读出和写入图像数据，这个特性很适合于在通信过程中生成和显示图像 逐次逼近显示 透明性 辅助信息 独立于计算机软硬件环境 使用无损压缩。,31/33,4.6 图像文件格式(续),增加的GIF文件格式所没有的特性： 每个像素为48位的真彩色图像 每个像素为16位的灰度图像 可为灰度图和真彩色图添加多达16位的通道 添加图像的信息 使用循环冗余码(cyclic redundancy code，CRC)检测损害的文件 加快图像显示的逐次逼近显示方式。 标准的读/写工具包

24、,32/33,TIFF图像格式：扩展名是TIF，一种非失真的压缩格式(最高也只能做到23倍的压缩比)能保持原有图像的颜色及层次，但占用空间却很大。例如一个200万像素的图像，差不多要占用6MB的存储容量，故TIFF常被应用于较专业的用途，如书籍出版、海报等，极少应用于互联网上。 JPEG图像格式：一种失真式的图像压缩方式将图像压缩在很小的储存空间中，其压缩比率通常在10:140:1之间。JPEG格式的图像主要压缩的是高频信息，对色彩的信息保留较好，因此也普遍应用于需要连续色调的图像中。PSD文件格式 这是Photoshop图像处理软件的专用文件格式，文件扩展名是psd，可以支持图层、通道、蒙板和不同色彩模式的各种图像特征，是一种非压缩的原始文件保存格式。扫描仪不能直接生成该种格式的文件。PSD文件有时容量会很大，但由于可以保留所有原始信息，在图像处理中对于尚未制作完成的图像，选用 PSD格式保存是最佳的选择。,33/33,TGA格式属于一种图形、图像数据的通用格式，在多媒体领域有很大影响，是计算机生成图像向电视转换的一种首选格式。 TGA图像格式最大的特点是可以做出不规则形状的图形、图像文件，一般图形、图像文件都为四方形，若需要有圆形、菱形甚至是缕空的图像文件时，TGA可就派上用场了! TGA格式支持压缩，使用不失真的压缩算法。 exif 、pcx、svg、cdr、eps等,