彩色數(shù)字圖像基礎(chǔ)

1、彩色數(shù)字圖像基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形、圖像技術(shù)計(jì)算機(jī)圖形分為兩大類位圖圖像和矢量圖形n矢量圖形，是由叫作矢量的數(shù)學(xué)對(duì)象所定義的直線和曲線組成的。矢量根據(jù)圖形的幾何特性來(lái)對(duì)其進(jìn)行描述，矢量圖形與分辨率無(wú)關(guān)。n位圖圖象，也叫作柵格圖象。位圖圖象是用小方形網(wǎng)格（位圖或柵格），即人所共知的象素來(lái)代表圖象，每個(gè)象素都被分配一個(gè)特定位置和顏色值。位圖圖象與分辨率有關(guān)，換句話說(shuō)，它包含固定數(shù)量的象素，代表圖象數(shù)據(jù)。研究路線圖像數(shù)據(jù)壓縮主要根據(jù)下面兩個(gè)基本事實(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的：n 圖像數(shù)據(jù)中有許多重復(fù)的數(shù)據(jù)，使用數(shù)學(xué)方法來(lái)表示這些重復(fù)數(shù)據(jù)就可以減少數(shù)據(jù)量；n 人的眼睛對(duì)圖像細(xì)節(jié)和顏色的辨認(rèn)有一個(gè)極限，把超過(guò)極限的部分去掉，這也

2、就達(dá)到壓縮數(shù)據(jù)的目的。 利用前一個(gè)事實(shí)的壓縮技術(shù)就是無(wú)損壓縮技術(shù)，利用后一個(gè)事實(shí)的壓縮技術(shù)就是有損壓縮技術(shù)。實(shí)際的圖像壓縮是綜合使用各種有損和無(wú)損壓縮技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖像的RGB顏色模型n絕大部分可見(jiàn)光譜可用紅、綠和藍(lán) (RGB) 三色光按不同比例和強(qiáng)度的混合來(lái)表示。在顏色重疊的位置，產(chǎn)生青色、洋紅和黃色。n因?yàn)?RGB 顏色合成產(chǎn)生白色，它們也叫作加色。將所有顏色加在一起產(chǎn)生白色就是說(shuō)，所有光被反射回眼睛。加色用于光照、視頻和顯示器。例如，顯示器通過(guò)紅、綠和藍(lán)熒光粉發(fā)射光線產(chǎn)生彩色。圖像的RGB顏色模型圖像的CMYK顏色模型nCMYK模型以打印在紙張上油墨的光線吸收特性為基礎(chǔ)，白光照射到半透明

3、油墨上時(shí)，部分光譜被吸收，部分被反射回眼睛。n理論上，青色(C)、洋紅(M)和黃色(Y)色素能合成吸收所有顏色并產(chǎn)生黑色。由于這個(gè)原因，這些顏色叫作減色。圖像的CMYK顏色模型n 因?yàn)樗写蛴∮湍紩?huì)包含一些雜質(zhì)，這三種油墨實(shí)際上產(chǎn)生一種土灰色，必須與黑色 (K) 油墨混合才能產(chǎn)生真正的黑色。將這些油墨混合產(chǎn)生顏色叫作四色印刷。圖像的CMYK顏色模型相加色與相減色關(guān)系相加混色RGB相減混色CMY生成的顏色000111黑001110藍(lán)010101綠011100青100011紅101010品紅110001黃111000白顏色模型的空間表示顏色模型關(guān)系示意VGA調(diào)色板色度-飽和度-亮度 HSL(HS

4、B)顏色模型 hue SaturationLightness(brightness)圖像的HSL顏色模型基于人類對(duì)顏色的感覺(jué)，HSL 模型描述顏色的三個(gè)基本特征：n色相是從物體反射或透過(guò)物體傳播的顏色。在 0 到 360 度的標(biāo)準(zhǔn)色輪上，色相是按位置度量的。在通常的使用中，色相是由顏色名稱標(biāo)識(shí)的，比如紅、橙或綠色。n飽和度是指顏色的強(qiáng)度或純度。飽和度表示色相中灰成分所占的比例，用從 0%（灰色）到 100%（完全飽和）的百分比來(lái)度量。在標(biāo)準(zhǔn)色輪上，從中心向邊緣飽和度是遞增的。n亮度是顏色的相對(duì)明暗程度，通常用從 0%（黑）到 100%（白）的百分比來(lái)度量。圖像的HSL顏色模型圖像的Lab顏色模

5、型nL L* *a a* *b b 顏色模型顏色模型是在 1931 年國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）制定的顏色度量國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上建立的。1976 年，這種模型被重新修訂并命名為 CIE L*a*b。n L*a*b 顏色設(shè)計(jì)為與設(shè)備無(wú)關(guān)；不管使用什么設(shè)備（如顯示器、打印機(jī)、計(jì)算機(jī)或掃描儀）創(chuàng)建或輸出圖象，這種顏色模型產(chǎn)生的顏色都保持一致。 nL*a*b 顏色由亮度或光亮度分量 (L) 和兩個(gè)色度分量組成；兩個(gè)分量即 a 分量（從綠到紅）和 b 分量（從藍(lán)到黃）。圖像的Lab顏色模型nA. 光度=100（白）nB. 綠到紅分量nC. 藍(lán)到黃分量nD. 光度=0（黑）到紅分量關(guān)于“溢色”顏色模型的色域n

6、色域是一個(gè)色系能夠顯示或打印的顏色范圍。人眼看到的色譜比任何顏色模型中的色域都寬。n在顏色模型中，L*a*b具有最寬的色域，它包括RGB和CMYK色域中的所有顏色。通常RGB色域包含能在計(jì)算機(jī)顯示器或電視屏幕（發(fā)出紅、綠和藍(lán)光）上所有能顯示的顏色。因而一些諸如純青或純黃等顏色不能在顯示器上精確顯示。顏色模型的色域nCMYK色域較窄，僅包含使用印刷色油墨能夠打印的顏色。當(dāng)不能被打印的顏色在屏幕上顯示時(shí)，它們稱為溢色即超出CMYK色域之外。彩色空間的線性變換標(biāo)準(zhǔn)nYIQ適用于NTSC彩色電視制式 nYUV適用于PAL和SECAM彩色電視制式 nYCrCb適用于計(jì)算機(jī)用的顯示器為了使用人的視角特性以

7、降低數(shù)據(jù)量，通常把RGB空間表示的彩色圖像變換到其他彩色空間。彩色空間變換有三種：彩色空間的線性變換標(biāo)準(zhǔn)nYUV與YIQ模型 在彩色電視制式中，使用YUV和YIQ模型來(lái)表示彩色圖像。在PAL彩色電視制式中使用YUV模型，Y表示亮度，UV用來(lái)表示色差，U、V是構(gòu)成彩色的兩個(gè)分量；在NTSC彩色電視制式中使用YIQ模型，其中的Y表示亮度，I、Q是兩個(gè)彩色分量。nYUV/YIQ特點(diǎn) 亮度信號(hào)(Y)和色度信號(hào)(U、V)是相互獨(dú)立的； 可以利用人眼的特性來(lái)降低數(shù)字彩色圖像所需要的存儲(chǔ)容量。用YUV的好處n 亮度信號(hào)Y解決了彩色電視機(jī)與黑白電視的兼容問(wèn)題。 n大量實(shí)驗(yàn)表明，人眼對(duì)色差信號(hào)不敏感，而對(duì)亮度信

8、號(hào)特別敏感。用亮度信號(hào)Y傳送細(xì)節(jié)，用色差信號(hào)UV進(jìn)行大面積涂色。 選YIQ的好處n大量實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，人眼對(duì)紅黃之間的顏色變化最敏感，而分辨藍(lán)和紫之間顏色變化最不敏感。所以把相角為123的橙色及其相反相角的303的青色定義為I軸，它表示人眼最敏感的色軸。與I正交的色度信號(hào)軸，通過(guò)33 0213線，叫Q軸，它表示人眼最不敏感的色軸。在傳送分辨率弱的Q信號(hào)是，可用較窄的頻帶，而傳送分辨率較強(qiáng)的I信號(hào)是，可用較寬的頻帶。 彩色空間RGB-YUVnY = 0.299R + 0.587G + 0.114BnU =0.147R0.289G + 0.436B nV = 0.615R0.515G0.100B彩色空間

9、RGB-YIQnY = 0.299R + 0.587G + 0.114B n I = 0.596R0.275G0.321B nQ = 0.212R0.523G + 0.311B彩色空間RGB-YCrCbn數(shù)字域中的彩色空間變換與模擬域的彩色空間變換不同。它們的分量使用Y、Cr和Cb來(lái)表示，與RGB空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：nY 0.299R0.578G0.114B nCr(0.500R0.4187G0.0813B)128 nCb=( 0.1687R0.3313G0.500B)128電視信號(hào)n黑白全電視信號(hào) 攝象機(jī)把圖象信號(hào)轉(zhuǎn)變成的最后輸出信號(hào)就是全電視信號(hào)。全電視信號(hào)主要由三個(gè)部分組成：圖象信號(hào)（視

10、頻信號(hào)）、復(fù)合消隱信號(hào)、復(fù)合同步信號(hào)。 n彩色全電視信號(hào) 彩色全電視信號(hào)主要由：亮度信號(hào)、色度信號(hào)、復(fù)合同步信號(hào)、復(fù)合消隱信號(hào)組成。 數(shù)字視頻的制式數(shù)字視頻的制式n數(shù)字視頻是由一序列靜止畫(huà)面組成的，稱為幀。幀率選擇在每秒2430幀之間，視頻的運(yùn)動(dòng)就非常光滑連續(xù)；而低于每秒15幀，連續(xù)運(yùn)動(dòng)視頻就會(huì)有停頓的感覺(jué)。nPAL制規(guī)定視頻每秒25幀，每幀625個(gè)掃描行。625行中用于掃描圖像的有效行數(shù)只有576行，所以圖像在垂直方向上的分辨率為576點(diǎn)。按現(xiàn)行4：3（寬：高）的電視標(biāo)準(zhǔn)，圖像在水平方向上的分辨率應(yīng)為576*4/3=768點(diǎn)，這就得到了768*576這一常見(jiàn)的圖像大小。nNTSC制規(guī)定每秒3

11、0幀，每幀525行，同樣采用了隔行掃描方式，每一幀由兩場(chǎng)組成，其圖像大小是720*486。由于PAL制與NTSC制的場(chǎng)頻、行頻以及色彩處理方式均不同，因此兩者是互不兼容的。影響數(shù)字視頻質(zhì)量的因素n幀速：25幀/秒（PAL）、30幀/秒（NTSC）。幀速越高，數(shù)據(jù)量越大，質(zhì)量越好。n分辨率：視頻分辨率越大，數(shù)據(jù)量越大，質(zhì)量越好。n顏色數(shù)：指視頻中最多能使用的顏色數(shù)。顏色位數(shù)越多，色彩越逼真，數(shù)據(jù)量也越大。n壓縮比：壓縮比較小時(shí)對(duì)圖像質(zhì)量不會(huì)有太大影響，而超過(guò)一定倍數(shù)后，將會(huì)明顯看出圖像質(zhì)量下降，而且壓縮比越大在回放時(shí)花費(fèi)在解壓的時(shí)間越長(zhǎng)。n關(guān)鍵幀：視頻數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的幀間相關(guān)性，動(dòng)態(tài)視頻壓縮正是利

12、用幀間相關(guān)性的特點(diǎn)，通過(guò)前后兩個(gè)關(guān)鍵幀動(dòng)態(tài)合成中間的視頻幀。因此對(duì)于含有頻繁運(yùn)動(dòng)的視頻圖像序列，關(guān)鍵幀數(shù)少就會(huì)出現(xiàn)圖像不穩(wěn)定現(xiàn)象。圖像的種類n只 有 黑 白 兩 中 顏 色 的 圖 像 稱 為 單 色 圖 像(monochrome image)，它的每個(gè)像素的像素值用1位存儲(chǔ)，它的值只有“0”或者“1”，一幅640480的單色圖像需要占據(jù)37.5KB的存儲(chǔ)空間。n如果每個(gè)像素的像素值用一個(gè)字節(jié)表示，灰度值級(jí)數(shù)就等于256級(jí)，每個(gè)像素可以是0-255之間的任何一個(gè)值，一幅640480的灰度圖像就需要占據(jù)300KB的存儲(chǔ)空間。 圖像的種類圖像的種類n彩色圖像(color image)可按照顏色的數(shù)

13、目來(lái)劃分，例如256色圖像和真彩色(24bit顏色)等。彩色圖像的每個(gè)像素的R、G和B值用一個(gè)字節(jié)來(lái)表示，一幅640480的8位彩色圖像需要307.2KB的存儲(chǔ)空間。一幅640480的真彩色圖像需要921.6 KB的存儲(chǔ)空間。n許多24位彩色圖像是用32位存儲(chǔ)的，這個(gè)附加的8位叫做alpha通道，它的值叫做alpha值，它用來(lái)表示該像素如何產(chǎn)生特技效果。 圖像的種類圖像的三個(gè)基本屬性分辨率n顯示分辨率 顯示分辨率是指顯示屏上能夠顯示出的像素?cái)?shù)目。n圖像分辨率 圖像分辨率是指組成一幅圖像的像素密度的度量方法。對(duì)同樣大小的一幅圖，如果組成該圖的圖像像素?cái)?shù)目越多，則說(shuō)明圖像的分辨率越高，看起來(lái)就越逼

14、真。相反，圖像顯得越粗糙。圖像的三個(gè)基本屬性像素深度 n像素深度是指存儲(chǔ)每個(gè)像素所用的位數(shù)，它也是用來(lái)度量圖像的分辨率 n例如，一幅彩色圖像的每個(gè)像素用R，G，B三個(gè)分量表示，若每個(gè)分量用8位，那么一個(gè)像素共用24位表示，就說(shuō)像素的深度為24，每個(gè)像素可以是224=16777216種顏色中的一種 。圖像的三個(gè)基本屬性像素深度 n在用二進(jìn)制數(shù)表示彩色圖像的像素時(shí)，除R，G，B分量用固定位數(shù)表示外，往往還增加1位或幾位作為屬性(Attribute)位。例如，RGB 5:5:5表示一個(gè)像素時(shí)，用2個(gè)字節(jié)共16位表示，其中R，G，B各占5位，剩下一位作為屬性位。在這種情況下，像素深度為16位，而圖像深

15、度為15位 圖像的三個(gè)基本屬性像素深度 n用32位表示一個(gè)像素時(shí)，R，G，B分別用8位表示，剩下的8位常稱為通道(alpha channel)位，或稱為復(fù)蓋(overlay)位、中斷位、屬性位。它的用法可用一個(gè)預(yù)乘通道(premultiplied alpha)的例子說(shuō)明。假如一個(gè)像素(A，R，G，B)的四個(gè)分量都用規(guī)一化的數(shù)值表示，(A，R，G，B)為(1，1，0，0)時(shí)顯示紅色。當(dāng)像素為(0.5,1,0,0)時(shí)，預(yù)乘的結(jié)果就變成(0.5,0.5,0,0)，這表示原來(lái)該像素顯示的紅色的強(qiáng)度為1，而現(xiàn)在顯示的紅色的強(qiáng)度降了一半。n用這種辦法定義一個(gè)像素的屬性在實(shí)際中很有用。例如在一幅彩色圖像上疊

16、加文字說(shuō)明，而又不想讓文字把圖復(fù)蓋掉，就可以用這種辦法來(lái)定義像素，而該像素顯示的顏色又有人把它稱為混合色(key color)。在圖像產(chǎn)品生產(chǎn)中，也往往把數(shù)字電視圖像和計(jì)算機(jī)生產(chǎn)的圖像混合在一起，這種技術(shù)稱為視圖混合(video keying)技術(shù)，它也采用通道。 圖像的三個(gè)基本屬性真彩色、偽彩色與直接色 n真彩色(true color) 真彩色圖通常是指RGB 8:8:8，即圖像的顏色數(shù)等于224，也常稱為全彩色(full color)圖像。 圖像的三個(gè)基本屬性真彩色、偽彩色與直接色n偽彩色(pseudo color) 偽彩色圖像的含義是，每個(gè)像素的顏色不是由每個(gè)基色分量的數(shù)值直接決定，而是

17、把像素值當(dāng)作彩色查找表(color look-up table，CLUT)的表項(xiàng)入口地址，去查找一個(gè)顯示圖像時(shí)使用的R，G，B強(qiáng)度值，用查找出的R，G，B強(qiáng)度值產(chǎn)生的彩色稱為偽彩色。 使用查找得到的數(shù)值顯示的彩色是真的，但不是圖像本身真正的顏色，它沒(méi)有完全反映原圖的彩色。 圖像的三個(gè)基本屬性真彩色、偽彩色與直接色n直接色(direct color) 每個(gè)像素值分成R，G，B分量，每個(gè)分量作為單獨(dú)的索引值對(duì)它做變換。也就是通過(guò)相應(yīng)的彩色變換表找出基色強(qiáng)度，用變換后得到的R，G，B強(qiáng)度值產(chǎn)生的彩色稱為直接色。它的特點(diǎn)是對(duì)每個(gè)基色進(jìn)行變換。 用這種系統(tǒng)產(chǎn)生顏色與真彩色系統(tǒng)相比，相同之處是都采用R，G

18、，B分量決定基色強(qiáng)度，不同之處是前者的基色強(qiáng)度直接用R，G，B決定，而后者的基色強(qiáng)度由R，G，B經(jīng)變換后決定。因而這兩種系統(tǒng)產(chǎn)生的顏色就有差別。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用直接色在顯示器上顯示的彩色圖像看起來(lái)真實(shí)、很自然。 這種系統(tǒng)與偽彩色系統(tǒng)相比，相同之處是都采用查找表，不同之處是前者對(duì)R，G，B分量分別進(jìn)行變換，后者是把整個(gè)像素當(dāng)作查找表的索引值進(jìn)行彩色變換。 圖像文件格式nBMP文件格式 位圖文件(Bitmap-File，BMP)格式是Windows采用的圖像文件存儲(chǔ)格式，由4個(gè)部分組成：位圖文件頭(bitmap-file header)、位圖信息頭(bitmap-information header)、彩色表(color table)和定義位圖的字節(jié)陣列。圖像文件格式nGIF文件格式 GIF(Graphics Interchange Format)格式由CompuServe公司于87年開(kāi)發(fā)，版本號(hào)GIF87a，89年擴(kuò)充后版本號(hào)為GIF89a。 GIF圖像文件以塊(block)為單位存儲(chǔ)信息。GIF文件采用LZW壓縮算法來(lái)存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)。圖像文件格式圖像文件格式nPNG文件格式 流式網(wǎng)絡(luò)圖形格式(Portable Network Graphic Format，PNG)名稱來(lái)源于非官方的“PNGs Not GIF”，是一種位圖文件