第2章_彩色數(shù)字圖像基礎

1、2022-7-61多媒體技術(shù)基礎多媒體技術(shù)基礎第2章 彩色數(shù)字圖像基礎 2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎2第第2章章 彩色數(shù)字圖像基礎目錄彩色數(shù)字圖像基礎目錄2.1 視覺系統(tǒng)對顏色的感知視覺系統(tǒng)對顏色的感知2.2 圖像的顏色模型圖像的顏色模型2.2.1 顯示彩色圖像用RGB相加混色模型2.2.2 打印彩色圖像用CMY相減混色模型2.3 圖像的三個基本屬性圖像的三個基本屬性2.3.1 圖像分辨率2.3.2 像素深度與阿爾法()通道2.3.3 真彩色、偽彩色與直接色2.4 圖像的種類圖像的種類2.4.1 矢量圖與位圖2.4.2 灰度圖與彩色圖2.5 伽馬伽馬()校正校正2.5.1 的概念2.

2、5.2 校正2.6圖像文件格式圖像文件格式2.6.1 BMP文件格式2.6.2 GIF文件格式2.6.3 JPEG格式2.6.4 PNG格式參考文獻和站點參考文獻和站點 2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎32.1 視覺系統(tǒng)對顏色的感知視覺系統(tǒng)對顏色的感知n顏色是什么顏色是什么視覺系統(tǒng)對可見光的感知結(jié)果n可見光是波長在380780 nm之間的電磁波，我們看到的大多數(shù)光不是一種波長的光，而是由許多不同波長的光組合成的，因此有多種顏色的感覺顏色只存在于眼睛和大腦n人的視網(wǎng)膜有對紅、綠、藍顏色敏感程度不同的三種錐體細胞n桿狀體細胞在光功率極低的條件下才起作用在計算機圖像處理中，三種錐體細胞扮演重要

3、角色，桿狀細胞則未扮演什么角色 2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎42.1 視覺系統(tǒng)對顏色的感知視覺系統(tǒng)對顏色的感知(續(xù)續(xù)1)n視覺系統(tǒng)對顏色感知的特性視覺系統(tǒng)對顏色感知的特性眼睛本質(zhì)上是一個照相機n人的視網(wǎng)膜(human retina)通過神經(jīng)元感知外部世界的顏色，每個神經(jīng)元是一個對顏色敏感的錐體(cone) 紅、綠和藍三種錐體細胞對不同頻率的光的感知程度不同，對不同亮度的感知程度也不同n這就意味著，人們可以使用數(shù)字圖像處理技術(shù)來降低表示圖像的數(shù)據(jù)量而不使人感到圖像質(zhì)量有明顯下降。從理論上說，自然界中的任何一種顏色都可以由R，G，B這三種顏色值之和來確定，它們構(gòu)成一個三維的RGB矢量空間

4、n這就是說，R，G，B的數(shù)值不同，混合得到的顏色就不同，也就是光波的波長不同 2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎5 RGB ImageRed ChannelGreen ChannelBlue Channel2.1 視覺系統(tǒng)對顏色的感知視覺系統(tǒng)對顏色的感知(續(xù)續(xù)2)2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎62.2 圖像的顏色模型圖像的顏色模型n顯示彩色圖像用顯示彩色圖像用RGB相加混色模型相加混色模型一個能發(fā)出光波的物體稱為有源物體，它的顏色由該物體發(fā)出的光波決定nCRT使用3個電子槍分別產(chǎn)生紅(red)、綠(green)和藍(blue)三種波長的光，如圖2-1所示，并以各種不同的相對強度組合

5、產(chǎn)生不同的顏色RGB相加混色模型n組合紅、綠和藍光波來產(chǎn)生特定顏色的方法叫做相加混色法(additive color mixture) ，即RGB相加混色模型n相加混色是計算機應用中定義顏色的基本方法任何一種顏色都可用三種基本顏色按不同的比例混合得到顏色顏色R(紅的百分比紅的百分比)G(綠的百分比綠的百分比)B(藍的百分比藍的百分比)2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎72.2 圖像的顏色模型圖像的顏色模型(續(xù)續(xù)1)三種顏色的光強越強，到達我們眼睛的光就越多，它們的比例不同，我們看到的顏色也就不同。沒有光到達眼睛，就是一片漆黑當三基色等量相加時，得到白色；等量的紅綠相加而藍為0時得到黃色；等

6、量的紅藍相加而綠為0時得到品紅色；等量的綠藍相加而紅為0時得到青色。這些三基色相加的結(jié)果如圖2-2所示 圖2-1 彩色顯像產(chǎn)生顏色的原理 圖2-2 相加混色 2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎82.2 圖像的顏色模型圖像的顏色模型(續(xù)續(xù)2)彩色圖像n一幅彩色圖像可以看成是由許多的點組成的，如圖2-3所示n圖像中的單個點稱為像素(pixel)，每個像素都有一個值，稱為像素值，它表示特定顏色的強度n一個像素值通常用R，G，B三個分量表示。如果每個像素的每個顏色分量 “1”和“0”表示，即每種顏色的強度是100%或0%，每個像素顯示的顏色是8種顏色之一，見表2-1RGB顏色000黑001藍010

7、綠011青100紅101品紅110黃111白表2-1相加色圖2-3 一幅圖像由許多像素組成 2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎92.2 圖像的顏色模型圖像的顏色模型(續(xù)續(xù)3)n打印彩色圖像用打印彩色圖像用CMY相減混色模型相減混色模型一個不發(fā)光波的物體稱為無源物體，它的顏色由該物體吸收或者反射哪些光波決定用n用彩色墨水或顏料進行混合，繪制的圖畫是一種無源物體，用這種方法生成的顏色稱為相減色CMY相減混色模型n用三種基本顏色即青色(cyan)、品紅(magenta)和黃色(yellow)的顏料按一定比例混合得到顏色的方法，通常寫成CMY，稱為CMY模型n從理論上說，任何一種顏色都可以用青色(

8、cyan)、品紅(magenta)和黃色(yellow)混合得到用這種方法產(chǎn)生的顏色之所以稱為相減混色，是因為它減少了為視覺系統(tǒng)識別顏色所需要的反射光 2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎102.2 圖像的顏色模型圖像的顏色模型(續(xù)續(xù)4)在相減混色中, 當三基色等量相減時得到黑色；。三基色相減結(jié)果如圖2-4所示按每個像素每種顏色用1位表示，相減法產(chǎn)生的8種顏色如表2-2所示 C(青色)M(品紅) Y(黃色) 相減色000白001黃010品紅011紅100青101綠110藍111黑圖2-4 相減混色 表2-2 相減色 2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎112.2 圖像的顏色模型圖像的顏色模

9、型(續(xù)續(xù)5)n相加色與相減色是互補色相加色與相減色是互補色相加混色和相減混色之間成對出現(xiàn)互補色, 見表2-3 利用它們之間的關(guān)系，可把顯示的顏色轉(zhuǎn)換成打印的顏色在RGB中的顏色值為1的地方，在CMY對應的位置上，其顏色值為0。例如，RGB為0 1 0時，對應CMY為1 0 1 相加混色(RGB)相減混色(CMY)生成的顏色000111黑001110藍010101綠011100青100011紅101010品紅110001黃111000白表2-3 相加色與相減色的關(guān)系2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎122.3 圖像的三個基本屬性圖像的三個基本屬性n圖像分辨率圖像分辨率(resolution)

10、屏幕分辨率(screen resolution)n衡量顯示設備再現(xiàn)圖像時所能達到的精細程度的度量方法。也稱顯示分辨率n用“水平像素數(shù)垂直像素數(shù)”表示，如640480表示顯示屏分成480行，每行顯示640個像素，整個顯示屏含有307200個顯像點u常見的屏幕分辨率: 640480，800600，1024768，12801024n傳統(tǒng)電視屏幕的寬高比為4:3；高清晰度電視屏幕的寬高比為16 9圖像分辨率(image resolution)n圖像精細程度的度量方法。對同樣尺寸的一幅圖，如果像素數(shù)目越多，則說明圖像的分辨率越高，看起來就越逼真。相反，圖像顯得越粗糙n圖像分辨率也稱空間分辨率(spati

11、al resolution)和像素分辨率(pixel resolution)2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎132.3 圖像的三個基本屬性圖像的三個基本屬性(續(xù)續(xù)1)在圖像顯示應用中的圖像分辨率表示法n(1) 物理尺寸：每毫米線數(shù)(或行數(shù))n(2) 行列像素：像素/行行/幅，如640像素/行480行/幅n(3) 像素總數(shù)：如數(shù)碼相機上標的500萬像素n(4) 單位長度上的像素：如像素每英寸(pixels per inch，PPI)n(5) 線對(line pair)數(shù)：以黑白相鄰的兩條線為一對，如5對線在圖像數(shù)字化和打印應用中的圖像分辨率表示法n通常用多少點每英寸(dots per in

12、ch，DPI)表示，如300 DPIn分辨率越高，圖像質(zhì)量就越高，像素就越多，要求存儲容量就越大圖像分辨率與屏幕分辨率是兩個不同的概念n從行列像素角度看，圖像分辨率是構(gòu)成一幅圖像的像素數(shù)目，而屏幕分辨率是顯示圖像的區(qū)域大小 2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎142.3 圖像的三個基本屬性圖像的三個基本屬性(續(xù)續(xù)2)n像素深度與阿爾法像素深度與阿爾法()通道通道 存儲每個像素所用的位數(shù)n例如，用R，G，B三個分量表示的彩色圖像，若每個分量用8位表示，那么一個像素共用24位表示，就說像素深度為24位像素深度決定彩色圖像的每個像素可能有的顏色數(shù)，或者確定灰度圖像的每個像素可能有的灰度級數(shù)n例如，

13、像素深度為24位時，每個像素可以是224=16 777 216種顏色中的一種像素深度越深，表達的顏色數(shù)目就越多，所占用的存儲空間也越大。相反，如果像素深度太淺，則影響圖像的質(zhì)量，圖像看起來讓人覺得很粗糙和很不自然由于受到設備和人眼分辨率的限制，不一定要追求特別深的像素深度2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎152.3 圖像的三個基本屬性圖像的三個基本屬性(續(xù)續(xù)3)n阿爾法阿爾法()通道通道在每個像素用32位表示的圖像表示法中的高8位，其余24位是顏色通道，紅色、綠色和藍色分量各占一個8位的通道 用于表示像素在對象中的透明度n例如，用兩幅圖像A和B混合成一幅新圖像，新圖像(New)的像素為：N

14、ew pixel =(alpha)(pixel A color) +(alpha)(pixel B color)n又如，一個像素(A，R，G，B)的四個分量都用規(guī)一化的數(shù)值表示時，u像素值為(1，1，0，0)時顯示紅色，表示紅色強度為1u像素值為(0.5，1，0，0)時，使用通道中的預乘數(shù)0.5與R，G，B相乘，其結(jié)果為(0.5,0.5,0,0)，表示紅色強度為0.5 2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎162.3 圖像的三個基本屬性圖像的三個基本屬性(續(xù)續(xù)4)n真彩色、偽彩色與直接色真彩色、偽彩色與直接色 真彩色(true color) n每個像素的顏色值用紅(R)、綠(G)和藍(B)表示

15、的顏色n通常用24位表示，其顏色數(shù)22416 777 216種。也稱24位顏色(24-bit color)或全彩色(full color)偽彩色(pseudo color)n不是物體固有的而是人為的顏色n將像素值當作彩色查找表(color look-up table，CLUT)的表項入口地址，查找顯示圖像時要使用的R，G，B值，用查找出的R，G，B值產(chǎn)生的彩色n使用查找得到的R，G，B數(shù)值顯示的彩色是真的，但不是圖像本身真正的顏色，它沒有完全反映原圖的顏色直接色(direct color)n每個像素值由R，G，B分量構(gòu)成，每個分量作為單獨的索引值對它做變換，用變換后的R，G，B值產(chǎn)生的顏色20

16、22-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎172.4 圖像的種類圖像的種類n矢量圖矢量圖(vector graphics) 根據(jù)數(shù)學規(guī)則描述而生成的圖n一幅圖用數(shù)學描述的點、線、弧、曲線、多邊形和其他幾何實體和幾何位置來表示，創(chuàng)建的圖是對象的集合而不是點或像素模式的圖，如圖2-5(a)所示n繪制和顯示矢量圖的軟件通常稱為繪圖程序(draw programs)；存放矢量圖的存儲格式稱為矢量圖格式；存儲的數(shù)據(jù)主要是繪制圖形的數(shù)學描述 優(yōu)點n目標圖像的移動、縮小或放大、旋轉(zhuǎn)、拷貝、屬性(如線條變寬變細、顏色)變更都很容易做到n相同或類似的圖可以把它們當作圖的構(gòu)造塊，并把它們存到圖庫中，這樣不僅可加速矢量圖的

17、生成，而且可減小矢量圖的文件大小局限性n很難用數(shù)學方法來描述真實世界的彩照，這就要用位圖法表示2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎182.4 圖像的種類圖像的種類(續(xù)續(xù)1) 圖2-5 矢量圖與位圖2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎192.4 圖像的種類圖像的種類(續(xù)續(xù)2)n位圖位圖(bitmap，bitmapped image )用像素值陣列表示的圖，如圖2-5(b)所示n對位圖進行操作時，只能對圖中的像素進行操作，而不能把位圖中的物體作為獨立實體進行操作。也稱光柵圖(raster graphics)n畫位圖或編輯位圖的軟件稱為畫圖程序(paint programs)；存放位圖的格式稱為

18、位圖格式；存儲的內(nèi)容是描述像素的數(shù)值特性n位圖的獲取通常用掃描儀、數(shù)碼相機、攝像機、錄像機、視像光盤和相關(guān)的數(shù)字化設備n位圖文件占據(jù)的存儲空間比較大n影響位圖文件大小的因素u圖像分辨率：分辨率越高，表示組成一幅圖的像素就越多，圖像文件就越大u像素深度：像素深度越深，表達單個像素的顏色和亮度的位數(shù)越多，圖像文件就越大 2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎202.4 圖像的種類圖像的種類(續(xù)續(xù)3)n圖形圖像圖形圖像(graphical image )表示圖形的位圖，即用矢量圖表示的圖形轉(zhuǎn)換成用像素表示的圖像也稱矢量圖像(vector based image)用像素值陣列表示的位圖邊沿較光滑；用矢

19、量圖轉(zhuǎn)換成的位圖邊沿較粗糙 位圖圖形圖像2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎212.4 圖像的種類圖像的種類(續(xù)續(xù)4)n灰度圖灰度圖(gray-scale image或或intensity image)只有明暗不同的像素而沒有彩色像素組成的圖像只有黑白兩種顏色的圖像稱為單色圖像(monochrome/bit image)，如圖2-6(a)所示n每個像素的像素值用一位存儲，其值是“0”或“1”用一個字節(jié)表示一個像素的灰度圖(256級灰度)如圖2-6(b)所示n一幅640480的灰度圖像需要占據(jù)300 KB的存儲空間圖2-6 (a) 標準單色圖圖2-6(b) 標準灰度圖2022-7-62章 彩色

20、數(shù)字圖像基礎222.4 圖像的種類圖像的種類(續(xù)續(xù)5)n彩色圖像彩色圖像(color image)每個像素包含顏色信息的圖像?？砂凑疹伾臄?shù)目劃分n256色圖像(如圖2-7)：每個像素的R、G和B值用一個字節(jié)來表示，一幅640480的彩色圖像需要300 KB的存儲空間n真彩色圖像(如圖2-8)：每個像素的R，G，B分量分別用一個字節(jié)表示，一幅640480的真彩色圖像需要900 KB的存儲空間圖2-7 256色標準圖像 圖2-8 24位標準圖像 2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎232.5 伽馬伽馬( )校正校正n 校正校正(gamma correction)為補償顯示設備非線性的顯示特性而

21、采用的校正技術(shù)n顯示設備產(chǎn)生的光亮度與輸入給它的電壓之間呈現(xiàn)的關(guān)系為 光亮度 (輸入電壓) 其中，是冪函數(shù)的指數(shù)，是一個常數(shù)，用來衡量非線性部件的轉(zhuǎn)換特性n在把輸入電壓送到顯示設備之前對它做一次變換，使輸入到顯示設備的電壓= (輸入電壓) ，這個變換稱為校正n顯示設備不同，的值也有所不同。陰極射線管(CRT)典型的值在2.252.45之間 2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎242.5 伽馬伽馬( )校正校正(續(xù)續(xù)1)na ramp is shown in 16 steps from gray-level 0 to gray-level 255.(a): display of ramp fo

22、rm 0 to 255, with no gamma correction. (b): image with gamma correction applied.2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎252.5 伽馬伽馬( )校正校正(續(xù)續(xù)2) Original Brightness GammaOriginalBrightnessGamma2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎262.5 伽馬伽馬( )校正校正(續(xù)續(xù)3)nThe first picture is the original image. Because of the bright snow in the background, t

23、he subject in the picture was under-exposed（曝光不足） and is too dark. The second picture shows how just Contrast and Brightness were used to fix the image. Note how the image appears to be washed out(褪色). In the third picture, A gamma correction allows the features to become more pronounced without the

24、 washing out effect. 2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎272.5 伽馬伽馬( )校正校正(續(xù)續(xù)4)2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎282.5 伽馬伽馬( )校正校正(續(xù)續(xù)5)2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎292.5 伽馬伽馬( )校正校正(續(xù)續(xù)6)2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎302.6 圖像文件格式圖像文件格式 圖像文件格式是存儲圖形或圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖像文件格式是存儲圖形或圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)nBMP文件格式文件格式 bitmap的簡寫 微軟公司開發(fā)的在Windows環(huán)境下的標準位圖文件格式與設備無關(guān)的位圖(DIB)文件格式ndevice-i

25、ndependent bitmap的縮寫n像素存儲順序和像素深度與具體設備無關(guān)文件擴展名是.BMP或.bmp2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎312.6 圖像文件格式圖像文件格式(續(xù)續(xù)1) 文件結(jié)構(gòu)nBMP位圖文件可看成由4個部分組成u位圖文件頭(bitmap-file header)u位圖信息頭(bitmap-information header)u彩色表(color table) u位圖的字節(jié)(byte)陣列n數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)各部分的名稱見表2-4組成部分的名稱數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的名稱位圖文件頭(bitmap-file header)BITMAPFILEHEADER位圖信息頭(bitmap-inform

26、ation header)BITMAPINFOHEADER彩色表(color table)RGBQUAD圖像數(shù)據(jù)陣列字節(jié)(byte)BYTE表2-4 BMP圖像文件結(jié)構(gòu) 2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎322.6 圖像文件格式圖像文件格式(續(xù)續(xù)2)nGIF格式格式圖形文件交換格式圖形文件交換格式Graphics Interchange Format的縮寫CompuServe公司開發(fā)的圖像文件存儲格式n1987年開發(fā)的版本號為GIF87an1989年擴充后的版本號為GIF89a。圖像的相關(guān)信息以數(shù)據(jù)塊(block)為單位n一個GIF文件由表示圖形/圖像的數(shù) 據(jù)塊、數(shù)據(jù)子塊以及顯示圖形/圖像

27、的控制信息塊組成 在一個文件中可存放多幅彩色圖形/圖像，并可像幻燈片那樣顯示或像動畫那樣演示采用LZW壓縮算法來壓縮圖像數(shù)據(jù)用戶可為圖像設置透明(transparency)的背景2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎332.6 圖像文件格式圖像文件格式(續(xù)續(xù)3)nGIF圖像格式具有累進顯示功能，適合網(wǎng)絡瀏覽器觀看 nGIF圖像格式能支持透明背景（JPEG不支持）nGIF圖像格式能支持動畫透透明明背背景景2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎342.6 圖像文件格式圖像文件格式(續(xù)續(xù)4)nJPEG格式格式 Joint Photographic Experts Group的縮寫 JPEG委員會在制

28、定JPEG標準時定義了許多標記(marker)，用來區(qū)分和識別圖像數(shù)據(jù)及其相關(guān)信息廣泛使用的JPEG文件格式是JPEG文件交換格式(JPEG File Interchange Format，JFIF)，版本號為1.02，這是1992年9月由在C-Cube Microsystems公司工作的Eric Hamilton提出的由于JFIF文件格式直接使用JPEG標準為應用程序定義的許多標記，因此JFIF格式就成了事實上的JPEG文件交換格式標準 2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎352.6 圖像文件格式圖像文件格式(續(xù)續(xù)5)nJPEG的最新標準是JPEG2000（圖像文件擴展名是 .jp2 ），

29、它采用更先進的技術(shù)，可取得更好的效果2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎362.6 圖像文件格式圖像文件格式(續(xù)續(xù)6)nPNG格式格式便攜網(wǎng)絡圖形格式便攜網(wǎng)絡圖形格式Portable Network Graphic Format的簡稱20世紀90年代中期開始開發(fā)的圖像文件存儲格式，其目的是企圖替代GIF和TIFF文件格式，同時增加一些GIF文件格式所不具備的特性名稱來源于非官方的“PNGs Not GIF”，是一種位圖文件(bitmap file)存儲格式用來存儲灰度圖像時，灰度圖像的深度可多達16位，存儲彩色圖像時，彩色圖像的深度可多達48位，并且還可存儲多達16位的通道數(shù)據(jù)PNG使用從L

30、Z77派生的數(shù)據(jù)無損壓縮算法 2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎372.6 圖像文件格式圖像文件格式(續(xù)續(xù)7)保留的GIF文件格式特性n使用彩色查找表或稱調(diào)色板，支持256種顏色的彩色圖像n流式讀/寫性能(streamability)：允許連續(xù)讀出和寫入圖像數(shù)據(jù)，這個特性很適合于在通信過程中生成和顯示圖像n逐次逼近顯示(progressive display)：可使在通信鏈路上傳輸圖像文件的同時就在終端上顯示圖像，把整個輪廓顯示出來之后逐步顯示圖像的細節(jié)，也就是先用低分辨率顯示圖像，然后逐步提高它的分辨率n透明性(transparency)：可使圖像中某些部分不顯示，以創(chuàng)建一些有特色的圖像n輔助信息(ancillary information)：可用來在圖像文件中存儲一些文本注釋信息n獨立于計算機軟硬件環(huán)境n使用無損壓縮。 2022-7-62章 彩色數(shù)字圖像基礎382.6 圖像文件格式圖像文件格式(續(xù)續(xù)8)增加的GIF文件格式所沒有的特性：n每個像素為48位的真彩色圖像n每個像素為16位的灰度圖像n可為灰度圖和真彩色圖添加通道n添加圖像的信息n使用循環(huán)