圖像處理基礎知識.ppt

1、圖像處理基礎,顏色模型、色彩空間、圖像格式和視頻格式,顏色模型,在圖形學領域定義的顏色模型，就是在某種特定上下文中對于顏色的特性和行為的解釋方法。一般對色彩的討論都是基于通過紅、綠、藍三原色混合而產生其它顏色的成色機制。RGB顏色模型最便于諸如視頻監(jiān)視器或打印機等硬件設備上表示顏色。但在具體的圖形應用中，我們還會用到其它的一些顏色模型,HSV模型,HSV模型是面向用戶的，是一種復合主觀感覺的色彩模型。H、S、V分別指的是色調（彩）（hue）、色飽（saturation）和度和明度（value）。所以在這個模型中，一種顏色的參數便是H、S、V三個分量構成的三元組,HSV模型,HSV模型不同于RG

2、B模型的單位立方體，而是對應于一個圓柱坐標系中的一個立體錐形子集。在這個錐型中，邊界表示不同的色彩。H分量表示顏色的種類，取值范圍為01，相應的顏色從紅、黃、綠、藍綠、藍、紫到黑變化，且它的值由繞V軸的旋轉角決定，每一種顏色和它的補色之間相差180,HSV模型,YCbCr模型,YCbCr模型又稱為YUV模型，是視頻圖像和數字圖像中常用的色彩模型。在YCbCr模型中，Y為亮度，Cb和Cr共同描述圖像的色調（色差），其中Cb、Cr分別為藍色分量和紅色分量相對于參考值的坐標。YCbCr模型中的數據可以是雙精度類型，但存儲空間為8位無符號整型數據空間，且Y的取值范圍為16235，Cb和Cr的取值范圍為

3、16240。在目前通用的圖像壓縮算法中（如JPEG算法），首要的步驟就是將圖像顏色空間轉換為YCbCr空間,NTSC模型,NTSC模型是一種用于電視圖像的顏色模型。NTSC模型使用的是Y.I.Q色彩坐標系，其中，Y為光亮度，表示灰度信息；I為色調，Q為飽和度，均表示顏色信息。因此，該模型的主要優(yōu)點就是將灰度信息和顏色信息區(qū)分開來,色彩空間,色彩空間，通俗一點講，就是各種色彩的集合，色彩的種類越多，色彩空間越大，能夠表現的色彩范圍即色域越廣。 有兩類色彩空間，一類是基于RGB模型的色彩空間，另一類是CMYK色彩空間,Lab色彩空間,由國際照明協會（CIE）在1931年制定包括人眼所能看到的所有顏

4、色 是目前為止色域最寬的色彩空間，其每一色值組合對應一種確定的、與設備無關的色彩。 “理論化”的色彩，使不同設備的色彩能夠相互比較、模擬和匹配。在輸出、輸入設備有限的色域范圍內安全地進行色彩傳遞,幾種顏色空間的色域,RGB色彩空間,RGB對應的是紅綠藍三種原色光，這是因為自然界的所有顏色都可以用這三種光混合而成。在描述時，用R、G、B作為相互垂直的坐標軸來表示，是一種加光模式 RGB色彩空間在色彩的處理過程中主要是用來描述像顯示器、電視、掃描儀、數字相機等設備的 以顯示器為例，三種基色的中每一種都有一個0255的值的范圍，通過對紅、綠、藍的各種值進行組合來改變象素的顏色。所有基色的相加便形成白

5、色。反之，當所有的基色的值都為0時，便得到了黑色。 RGB色彩空間又有Adobe RGB、Apple RGB、sRGB 、ColorMatch RGB 、 Wide Gamut RGB 、 CIE GB 、Monitor RGB/Simplified Monitor RGB等幾種,sRGB(標準RGB)色彩空間,由微軟與惠普于1997年聯合確立，是基于PC的32位色彩空間。目前，被廣泛地應用于顯示器、打印機、掃描儀等設備，用以提高它們與打印輸出設備間的色彩匹配，保證色彩的一致性 同樣采用sRGB色彩空間的設備之間，可以實現色彩相互模擬，但卻是通過犧牲色彩范圍來實現各種設備之間色彩的一致性的，這

6、是所有RGB色彩空間中最狹窄的一個 sRGB也稱“互聯網標準色空間”，與普通的個人電腦監(jiān)視器的特性相匹配，普通電腦顯示器一般無法再現超越sRGB空間色域的圖象。通常在電腦監(jiān)視器上再現的圖象色彩比sRGB圖象更淺些,Adobe RGB色彩空間,Adobe RGB由Adobe 公司在1998年制定，其雛形最早用在Photoshop 5.x中，被稱為SMPTE-240M 具備非常大的色彩范圍，其絕大部分色彩卻又是設備可呈現的，這一色彩空間全部包含了CMYK的色彩范圍，為印刷輸出提供了便利，可以更好地還原原稿的色彩，在出版印刷領域得到了廣泛應用 高端數碼相機采用Adobe RGB色彩空間，層次較豐富，

7、但色彩飽和較低,Adobe RGB 色域的顯示問題,Adobe RGB 的色域比一般的 sRGB 色域更廣，更接近人肉眼所能感知的顏色，所以廣為專業(yè)制作人員所應用。 主流顯示器只能輸出 8-bit sRGB 色域，如果采用 Adobe RGB 色域處理數碼相片時可能會出現藍色區(qū)域無法正確顯示的問題，從而導致偏色。 采用 10 bit color 時，色階大為廣闊，能有更廣闊的色域，可解決 Adobe RGB 的色域問題。 采用10 bit color，需顯示器、顯卡和應用程序的支持，如Adobe 的 Photoshop CS4、CS5 繪圖編輯軟件等已經支持,CMYK色彩空間,CMYK色彩空間

8、，是一種減光模式，它是四色打印的基礎。這四色是：青（Cyan）、品紅（Magenta）、黃（Yellow）、黑（Black）。青色是紅色的互補色。黃色是藍色的互補色，品紅是綠色的互補色， 當陽光照射一物體時，物體吸收部分光線，并將其它光線反射。反射光就是我們所看見的物體顏色，這是一種減色模式。 依賴于這種減色方式，演變出了適合于打印、印刷的CMYK模式。由于在實際中這三種顏色的油墨很難疊加出真正地黑色，因此在打印、印刷時又引入了黑色以強化暗調，加深暗部色彩。 在CMYK模式下，每一種顏色都是以這四色的百分比來表示的，原色的混合將產生更暗的顏色,數字圖像的類型,RGB圖像，采用RGB彩色模型的真

9、彩圖像。不需使用調色板。每個像素的顏色由像素位置上紅、綠、藍亮度的組合確定。 灰度圖像，只包含亮度信息，不包含色彩信息的圖像。灰度圖像是一個數據矩陣I，其值表示一定范圍內的亮度值。 二值圖像，每個像素的值僅為0或1的圖像，是黑白圖像。存儲空間小、處理速度快。通過二值圖像，可比較容易地獲取目標區(qū)域的特征，便于圖像分析和識別。 索引圖像，是一種把像素值直接作為RGB調色板下標的圖像。調色板通常與索引圖像存儲在一起，裝載圖像時，調色板將和圖像一同自動裝載,數字圖像的文件格式,圖像格式與圖像類型不同，指的是存儲圖像采用的文件格式。不同的操作系統(tǒng)、不同的圖像處理系統(tǒng)，所支持的圖像格式都有可能不同。 在實

10、際應用中常用到以下幾種圖像格式：BMP、JPEG、 JPEG 2000 、TIFF/TIF、PCX、PSD、PNG、GIF格式等。在這些圖像格式中，我們使用最多的就是BMP、JPEG和PNG三種,BMP格式,BMP是是一種與硬件設備無關的，Windows操作系統(tǒng)中的標準圖像文件格式。隨著Windows操作系統(tǒng)的流行，BMP位圖格式理所當然地被廣泛應用。這種格式的特點是包含的圖像信息較豐富，占用磁盤空間過大。目前BMP在單機上比較流行。 BMP文件的圖像深度可選lbit、4bit、8bit及24bit。BMP文件存儲數據時，圖像的掃描方式是按從左到右、從下到上的順序。 典型的BMP圖像文件由三部

11、分組成：位圖文件頭，它包含BMP圖像文件的類型、顯示內容等信息；位圖信息，它包含有BMP圖像的寬、高、壓縮方法；圖像數據,JPEG格式,JPEG也是常見的一種圖像格式，它由聯合照片專家組（Joint Photographic Experts Group）開發(fā)并以命名為ISO 10918-1，JPEG僅僅是一種俗稱而已。它用有損壓縮方式去除冗余的圖像和彩色數據，獲取得極高的壓縮率的同時能展現十分豐富生動的圖像。 JPEG還是一種很靈活的格式，具有調節(jié)圖像質量的功能，允許你用不同的壓縮比例對這種文件壓縮。完全可以在圖像質量和文件尺寸之間找到平衡點。 JPEG的應用也非常廣泛，特別是在網絡和光盤讀物

12、上，。目前各類瀏覽器均支持JPEG這種圖像格式，因為JPEG格式的文件尺寸較小，下載速度快，使得Web頁有可能以較短的下載時間提供大量美觀的圖像,JPEG2000格式,JPEG 2000同樣是由JPEG 組織負責制定的，它有一個正式名稱叫做“ISO 15444”，是JPEG格式的升級版，其壓縮率比JPEG高約30%左右。 與JPEG不同的是，JPEG2000 同時支持有損和無損壓縮，而 JPEG 只能支持有損壓縮。JPEG2000的一個極其重要的特征在于它能實現漸進傳輸，這一點與GIF的漸顯有異曲同工之妙，即先傳輸圖像的輪廓，然后逐步傳輸數據，不斷提高圖像質量，讓圖象由朦朧到清晰顯示，而不必是

13、像現在的 JPEG 一樣，由上到下慢慢顯示。 JPEG2000還支持所謂的感興趣區(qū)域特性，任意指定影像上你感興趣區(qū)域的壓縮質量，還可以選擇指定的部份先解壓縮。 JPEG 2000 和 JPEG 相比優(yōu)勢明顯，且向下兼容，因此取代傳統(tǒng)的JPEG格式指日可待。 JPEG2000可應用于傳統(tǒng)的JPEG市場，如掃描儀、數碼相機等，亦可應用于新興領域，如網路傳輸、無線通訊等等,TIFF圖像文件格式,TIFF格式 TIFF（Tag Image File Format）是一種廣泛使用的圖像格式，由Aldus和微軟聯合開發(fā)，最初是出于跨平臺存儲掃描圖像的需要而設計的。特點是圖像格式復雜、存貯信息多。因為它存儲

14、的圖像細微層次的信息多，圖像質量也得以提高，有利于原稿的復制。 TIFF支持多種編碼，包括RGB無壓縮、RLE壓縮及JPEG壓縮。 TIFF圖像文件由三個數據結構組成，分別為文件頭、若干稱為IFD的包含標記指針的目錄以及數據本身。TIFF圖像文件中的第一個數據結構稱為圖像文件頭或IFH。這個結構是一個TIFF文件中唯一的、有固定位置的部分；IFD圖像文件目錄是一個字節(jié)長度可變的信息塊，Tag標記是TIFF文件的核心部分，在圖像文件目錄中定義了要用的所有圖像參數，目錄中的每一目錄條目就包含圖像的一個參數。 TIFF是現存圖像文件格式中最復雜的一種，具有擴展性、方便性、可改性，是微機上使用最廣泛的

15、圖像文件格式之一,GIF格式,GIF即Graphics Interchange Format（圖形交換格式），是上世紀80年代美國的CompuServe針對當時網絡傳輸帶寬的限制開發(fā)出來的圖像格式。 GIF格式的特點是壓縮比高，磁盤空間占用較少，所以這種圖像格式迅速得到了廣泛的應用。最初的GIF只是簡單地用來存儲單幅靜止圖像（GIF87a），后來可同時存儲若干幅靜止圖象進而形成連續(xù)的動畫，是當時支持2D動畫幾種格式之一（稱為GIF89a），甚至可指定透明區(qū)域，使圖像具有非同一般的顯示效果。目前網上大量采用的彩色動畫文件多為這種格式。 此外，考慮到網絡傳輸中的實際情況，GIF圖像格式還增加了漸顯

16、方式，即在圖像傳輸過程中，用戶可先看到圖像的大致輪廓，然后隨著傳輸過程的繼續(xù)而逐步看清圖像中的細節(jié)部分，從而適應了用戶的“從朦朧到清楚”的觀賞心理。 GIF不能存儲超過256色的圖像。盡管如此，這種格式仍在網絡上大行其道，這和GIF圖像文件短小、下載速度快、可用許多具有同樣大小的圖像文件組成動畫等優(yōu)勢是分不開的,PSD格式和PNG格式,PNG（Portable Network Graphics）是一種新興的網絡圖像格式。1994由于Unysis公司宣布GIF擁有專利的壓縮方法，從而促使結合GIF及JPG兩家之長的PNG 誕生，96年10月由PNG向國際網絡聯盟提出并得到推薦認可。它能把圖像文件

17、壓縮到極限以利于網絡傳輸，但又能保留所有與圖像品質有關的信息；它的另一個特點是顯示速度很快，只需下載1/64的圖像信息就可以顯示出低分辨率的預覽圖像；PNG還支持透明圖像的制作。 PNG的缺點是不支持動畫應用效果，如果在這方面能有所加強，簡直就可以完全替代GIF和JPEG了。如今在網絡上比較流行這種格式。 PSD格式是Adobe公司的圖像處理軟件PS的專用格式Photoshop Document（PSD）。PSD其實是PS進行平面設計的一張草圖，包含有各種圖層、通道、遮罩等多種設計的樣稿，以便于下次打開文件時可以修改上次的設計。在PS所支持的各種圖像格式中，PSD的存取速度比其它格式快很多，功

18、能也很強大。由于PS越來越被廣泛地應用，相信這種格式也會逐步流行起來,AVI格式,AVI格式：它的英文全稱為Audio Video Interleaved，即音頻視頻交錯格式。它于1992年被Microsoft公司推出，隨Windows3.1一起被人們所認識和熟知。所謂“音頻視頻交錯”，就是可以將視頻和音頻交織在一起進行同步播放。這種視頻格式的優(yōu)點是圖像質量好，可以跨多個平臺使用，其缺點是體積過于龐大，而且更加糟糕的是壓縮標準不統(tǒng)一，最普遍的現象就是高版本Windows媒體播放器播放不了采用早期編碼編輯的AVI格式視頻，而低版本Windows媒體播放器又播放不了采用最新編碼編輯的AVI格式視頻

19、，所以我們在進行一些AVI格式的視頻播放時常會出現由于視頻編碼問題而造成的視頻不能播放或即使能夠播放，但存在不能調節(jié)播放進度和播放時只有聲音沒有圖像等一些莫名其妙的問題，如果用戶在進行AVI格式的視頻播放時遇到了這些問題，可以通過下載相應的解碼器來解決,nAVI格式,nAVI是newAVI的縮寫，是一個名為ShadowRealm的地下組織發(fā)展起來的一種新視頻格式(與上述AVI格式沒有太大聯系)。由Microsoft ASF壓縮算法的修改而來的，但是又與下面介紹的網絡影像視頻中的ASF視頻格式有所區(qū)別，它以犧牲原有ASF視頻文件視頻“流”特性為代價而通過增加幀率來大幅提高ASF視頻文件的清晰度。

20、 DV-AVI格式：DV的英文全稱是Digital Video Format，是由索尼、松下、JVC等多家廠商聯合提出的一種家用數字視頻格式。目前非常流行的數碼攝像機就是使用這種格式記錄視頻數據的。它可以通過電腦的IEEE 1394端口傳輸視頻數據到電腦，也可以將電腦中編輯好的的視頻數據回錄到數碼攝像機中。這種視頻格式的文件擴展名一般是.avi，所以也叫DV-AVI格式,MPEG格式,它的英文全稱為Moving Picture Expert Group，即運動圖像專家組格式，家里?？吹腣CD、SVCD、DVD就是這種格式。MPEG文件格式是運動圖像壓縮算法的國際標準，它采用了有損壓縮方法減少運

21、動圖像中的冗余信息，說的更加明白一點就是MPEG的壓縮方法依據是相鄰兩幅畫面絕大多數是相同的，把后續(xù)圖像中和前面圖像有冗余的部分去除，從而達到壓縮的目的(其最大壓縮比可達到200:1)。目前MPEG格式有三個壓縮標準，分別是MPEG1、MPEG2、和MPEG4，另外，MPEG-7與MPEG-21仍處在研發(fā)階段,MPEG格式,MPEG1：制定于1992年，它是針對1.5Mbps以下數據率的數字存儲媒體運動圖像及伴音編碼而設計的國際標準。即VCD制作格式。使用MPEG-1，可把一部120分鐘長的電影壓縮到1.2GB左右大小。這種視頻格式的文件擴展名包括.mpg、.mlv、.mpe、.mpeg及VC

22、D光盤中的.dat文件等。 MPEG2：制定于1994年，目標為高級工業(yè)標準的圖像質量以及更高的傳輸率。主要應用在DVD/SVCD的制作(壓縮)方面，同時在一些HDTV和一些高要求視頻編輯、處理上面也有相當的應用。這種視頻格式的文件擴展名包括.mpg、.mpe、.mpeg、.m2v及DVD光盤上的.vob文件等,MPEG格式,MPEG3（MPEG AUDIO LAYER 3）是一種具有高壓縮率的音響信號文件。可與CD/MD的音質媲美。MP3高達10比1的壓縮比率。 MPEG4：制定于1998年，MPEG4是為了播放流媒體的高質量視頻而專門設計的，它可利用很窄的帶寬，通過幀重建技術，壓縮和傳輸數

23、據，以求使用最少的數據獲得最佳的圖像質量。目前MPEG-4最有吸引力的地方在于它能夠保存接近于DVD畫質的小體積視頻文件。另外，還包含了以前MPEG壓縮標準所不具備的比特率的可伸縮性、動畫精靈、交互性甚至版權保護等特殊功能。這種視頻格式的文件擴展名包括.asf、.mov和DivX AVI等,H.264格式,H.264是目前最先進的編碼格式，這種編碼的視頻一般被封裝在MP4的格式中使用，即H264編碼的視頻一般的格式都是MP4格式，這種格式的文件非常小，清晰度非常高。 H.264是ITU-T的VCEG（視頻編碼專家組）和ISO/IEC的MPEG（活動圖像編碼專家組）的聯合視頻組（JVT：joint video team）開發(fā)的一個新的數字視頻編碼標準，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4的第10 部分。98年1月開始草案征集，次年9月完成首個草案，01年5月制定了其測試模式TML-8，02年6月的 JVT第5次會議通過了H.264的FCD板，03年3月正式發(fā)布,H.264格式,H.264與以前的國際標準如H.263和MPEG-4相比，最大優(yōu)勢體現在以下四個方面： 將每個視頻幀分離成由像素組成的塊，因此視頻幀的編碼處理的過程可以達到塊的級別。 采用空間冗余的方法，對視頻幀的一些原始塊進行空間預測、轉換、優(yōu)化和熵編碼（可變長編碼）。 對連續(xù)幀的