四川大學計算機學院多媒體基礎(chǔ)彩色數(shù)字圖像基礎(chǔ)

1、彩色數(shù)字圖像基礎(chǔ)四川大學 計算機學院陳 虎視覺系統(tǒng)對顏色的感知顏色是什么視覺系統(tǒng)對可見光的感知結(jié)果可見光是波長在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，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（約有600萬到700萬個，主要位于視網(wǎng)膜的中間部分）桿狀體細胞在光功率極低的條件下才起作用（約7500萬到15000 萬個，分布在視網(wǎng)膜表面 ）在計算機圖像處理中，錐體細胞扮演重要角色視覺系統(tǒng)對顏色的感知視覺系統(tǒng)對顏色的感知特性眼睛本質(zhì)上是一個照相機人的視網(wǎng)膜(human reti

2、na)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) 視覺系統(tǒng)對顏色的感知紅、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視覺系統(tǒng)對顏色的感知視覺系統(tǒng)對顏色和亮度的響應特性曲線（各個波長的光的強度相等）視覺系統(tǒng)對顏色的感知上面的顏色響應曲線表明，人類眼睛對藍

3、光的靈敏度遠遠低于對紅光和綠光的靈敏度。亮度響應曲線表明人眼對波長為550nm左右的黃綠色最為敏感。視覺系統(tǒng)對顏色的感知許多具有不同光譜分布的光產(chǎn)生的視覺效果（顏色）是一樣的。即光譜與顏色的對應是多對一的。光譜分布不同而看上去相同的兩種顏色稱為條件等色（匹配等色）。絕大部分可見光譜對眼睛的刺激效果都可以用紅（700nm）、綠（）、藍（）三色光按不同比例和強度的混合來等效表示。（三刺激理論）視覺系統(tǒng)對顏色的感知 匹配任意可見光所需的三原色光比例曲線視覺系統(tǒng)對顏色的感知從人的主觀感覺角度，顏色包含三個要素：1、色調(diào)（hue）： 色調(diào)反映顏色的類別，如紅色、綠色、藍色等。色調(diào)大致對應光譜分布中的主波

4、長。視覺系統(tǒng)對顏色的感知2、飽和度（Saturation） 飽和度是指彩色光所呈現(xiàn)顏色的深淺或純潔程度。對于同一色調(diào)的彩色光，其飽和度越高，顏色就越深，或越純；而飽和度越小，顏色就越淺，或純度越低。高飽和度的彩色光可因摻入白光而降低純度或變淺，變成低飽和度的色光。100%飽和度的色光就代表完全沒有混入白光的純色光。視覺系統(tǒng)對顏色的感知3、明亮度（luminance） 明亮度是光作用于人眼時引起的明亮程度的感覺。一般來說，彩色光能量大則顯得亮，反之則暗。 大量試驗表明，人的眼睛能分辨128種不同的色調(diào)，1030種不同的飽和度，而對亮度非常敏感。人眼大約可以分辨35萬種顏色。人的主觀感覺人的視覺系

5、統(tǒng)能夠適應光強度的級別的范圍是很寬的，由夜視閾值到強閃光之間的光強度的級別約為1010級 ；背景亮度會影響到對目標亮度的感覺；同時對比度（Simultaneous Contrast） 在相同亮度的刺激下,由于背景亮度不同,人眼所感受到的主觀亮度不同 顏色模型顏色模型（color model）是用來精確標定和生成各種顏色的一套規(guī)則和定義。某種顏色模型所標定的所有顏色就構(gòu)成了一個顏色空間。顏色空間通常用三維模型表示，空間中的顏色通常使用代表三個參數(shù)的三維坐標來指定對于人來說，可以通過色調(diào)、飽和度和亮度來定義顏色（HSL顏色模型）；對于顯示設(shè)備來說，可以用紅、綠、藍磷光體的發(fā)光量來描述顏色（RGB顏

6、色模型）；對于打印設(shè)備來說，可以使用青色、品紅、黃色和黑色顏料的用量來指定顏色（CMYK顏色模型）。RGB顏色模型顯示彩色圖像用RGB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 CRT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4-1所示，并以各種不同的相對強度組合 產(chǎn)生不同的顏色RGB顏色模型RGB相加混色模型組合紅、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

7、例混 合得到顏色R(紅的百分比)G(綠的百分比)B(藍的百分比)RGB顏色模型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。RGB顏色模型彩色圖像一幅彩色圖像可以看成是由許多的點組成的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RGB顏色模型一個像素值通常用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10

8、0% 或0%，每個像素顯示的顏色是8種顏色之一。CMY顏色模型打印彩色圖像用CMY相減混色模型用這種方法產(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 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顏色模型CMY相減混色模型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模型從理論上說，任何一種顏色都可以用青色(cyan)、品紅 (magenta)和

9、黃色(yellow)混合得到實際上，因為所有打印油墨都會包含一些雜質(zhì)，這三種油墨混合實際上產(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，所以再加入黑色作為基本色形成CMYK顏色模型。CMY顏色模型在相減混色中，三基色相減結(jié)果如下CMY顏色模型按每個像素每種顏色用1位表示，相減法產(chǎn)生的8 種顏色如下所示相加色與相減色的關(guān)系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,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010時，對應CMY為101 相加色與相減色的關(guān)系相加色與相減色RG

10、B模型到CMYK模型的轉(zhuǎn)換分色算法（F代表白色）RGB彩色空間和CMY彩色空間RGB彩色空間和CMY彩色空間的表示法HSI顏色模型HSI模型是Munseu提出的， 它反映了人的視覺系統(tǒng)觀察彩色的方式，在藝術(shù)上經(jīng)常使用HSI模型。HSI模型中，H表示色調(diào)(Hue)，S表示飽和度(Saturation)， I表示亮度(Intensity，對應成像亮度和圖像灰度)。這個模型的建立基于兩個重要的事實： I分量與圖像的彩色信息無關(guān)； H和S分量與人感受顏色的方式是緊密相聯(lián)的。 這些特點使得HSI模型非常適合借助人的視覺系統(tǒng)來感知彩色特性的圖像處理算法。HSI顏色模型HIS格式HSI格式色相環(huán)描述了色相和

11、飽和度兩個參數(shù)。色相由角度表示，它反映了該彩色最接近什么樣的光譜波長。一般假定0表示的顏色為紅色， 120的為綠色，240的為藍色。0到240的色相覆蓋了所有可見光譜的彩色，在240到300之間為人眼可見的非光譜色（紫色）。飽和度是指一個顏色的鮮明程度，飽和度越高，顏色越深， 如深紅，深綠。飽和度參數(shù)是色環(huán)的原點（圓心）到彩色點的半徑的長度。由色相環(huán)可以看出，環(huán)的邊界上純的或飽和的顏色， 其飽和度值為1。在中心是中性（灰色）陰影， 飽和度為0。 HSI格式RGB轉(zhuǎn)HSI其中R、G、B均介于0，1HSI轉(zhuǎn)RGB1、當H落在0度，120度時HSI轉(zhuǎn)RGB2、當H落在120度，240度時HSI轉(zhuǎn)RG

12、B3、當H落在240度，360度時HSI轉(zhuǎn)RGBHIS和RGBHIS和RGB彩色圖RGBCMKYHSI顏色輸入圖像的種類矢量圖（vector graphics）根據(jù)數(shù)學規(guī)則描述而生成的圖一幅圖用數(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)學描述圖像的種類優(yōu)點目標圖像的移動、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

13、圖庫中，這樣不僅可加速矢量圖的生成，而且可減小矢 量圖的文件大小局限性很難用數(shù)學方法來描述真實世界的彩照，這就要用位圖法表示 圖像的種類位圖（bitmap，bitmapped image ）用像素值陣列表示的圖對位圖進行操作時，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)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位圖格式；存儲的內(nèi)容是描述像素的 數(shù)值圖像的種類矢量圖與位圖矢量圖點位圖圖像的種類特性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(shè)備位圖

14、文件占據(jù)的存儲空間比較大影響位圖文件大小的因素-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-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 圖像的種類圖形圖像(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 矢量圖轉(zhuǎn)換成的位圖邊沿較粗糙圖像的種類灰度圖(gray-scale image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(mon

15、ochrome/bit image)，每個像素的像素值用一位存儲，其值是“0”或“1”一般灰度圖用一個字節(jié)表示一個像素的 (256級灰度)， 一幅640480的灰度圖像需要占據(jù)300 KB的存儲空間圖像的種類標準單色圖 標準灰度圖圖像的種類彩色圖像(color image)每個像素包含顏色信息的圖像?？砂凑疹伾臄?shù)目劃分256色圖像：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的存儲空間真彩色圖像：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 儲空間圖像的種類256色標準圖像 24位標準圖像圖像的種類分辨

16、率屏幕分辨率(screen resolution) 。衡量顯示設(shè)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- 常見的屏幕分辨率: 640480，800600，1024768， 12801024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169圖像的屬性圖像分辨率(image resolution)。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，圖像顯得越粗糙圖像分辨率也稱

17、空間分辨率(spatial resolution)和像素分辨 率(pixel resolution)圖像分辨率與屏幕分辨率是兩個不同的概念從行列像素角度看，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)域大小圖像的屬性在圖像顯示應用中的圖像分辨率表示法 (1) 物理尺寸：每毫米線數(shù)(或行數(shù)) (2) 行列像素：像素/行行/幅，如640像素/行480行/幅 (3) 像素總數(shù)：如數(shù)碼相機上標的500萬像素 (4) 單位長度上的像素：如像素每英寸(pixels per inch，PPI) (5) 線對(line pair)數(shù)：以黑白相鄰的兩條線為一對，如5對線圖像數(shù)字化和打印應用中

18、的圖像分辨率表示法。通常用多少點每英寸(dots per inch，DPI)表示，如300 DPI分辨率越高，圖像質(zhì)量就越高，像素就越多，要求存儲容量 就越大圖像的屬性像素深度與阿爾法()通道存儲每個像素所用的位數(shù) 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) 例如，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 圖像的屬性像素深度越深，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

19、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(shè)備和人眼分辨率的限制，不一定要追求特 別深的像素深度圖像的屬性阿爾法()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：New pixel =(alpha)(pixel A color) +(alpha)(pixel B color)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，像素值為(1，1，0，0)時顯示紅色，表示紅色強度為1像素值為，1，0

20、，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 度為圖像的屬性調(diào)色板 一個彩色圖像假如只包含24位真彩色空間中的16個離散的點（16色圖），則可以建立一個顏色查找表，表中的每一行記錄一組RGB值，實際像素的值用來指定該點顏色在查找表中的索引值，這樣就可以大大縮小存儲量。這個顏色查找表就叫做調(diào)色板。圖像的屬性真彩色每個像素的顏色值用紅(R)、綠(G)和藍(B)表示的顏色通常用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)圖像的屬性偽彩色(pseudo color)

21、不是物體固有的而是人為的顏色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圖像的屬性根據(jù)一定的準則對灰度值賦以彩色值將灰度圖像轉(zhuǎn)換為彩色圖像，提高視覺分辨效果圖像的屬性圖像的屬性圖像的屬性伽馬()校正一個圖像系統(tǒng)中一般包含輸入設(shè)備（掃描儀、攝像機、數(shù)碼相機）、存儲設(shè)備（膠片、磁盤）和輸出設(shè)備三大模塊。各種涉及到光電轉(zhuǎn)換的設(shè)備的輸入輸出特性曲線一般是非線性的，且表現(xiàn)為冪函數(shù)的形式： y

22、xn 輸出(輸入) （按照慣例，“輸入”和“輸出”都縮放到01之間）。所以整個圖像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是一個冪函數(shù)。 12n一個圖像系統(tǒng)追求的目標：真實的再現(xiàn)原始場景。伽馬()校正伽馬()校正伽馬()校正伽馬()校正Photoshop 中提供的Gamma校正功能圖像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)BMP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(shè)備無關(guān)的位圖(DIB)文件格式 device-independent bitmap的縮寫像素存儲順序和像素深度與具體設(shè)備無關(guān)文件擴展名是.BMP或.bmpBMP文件格式文件結(jié)構(gòu) 位圖文件頭(bitma

23、p-file header) 位圖信息頭(bitmap-information header) 彩色表(color table) 位圖的字節(jié)(byte)陣列BMP文件格式typedef struct tagBITMAPFILEHEADER WORD bfType; /* 說明文件的類型 */ DWORD bfSize; /* 說明文件的大小，用字節(jié)為單位 */ WORD bfReserved1; /* 保留，設(shè)置為0 */ WORD bfReserved2; /* 保留，設(shè)置為0 */ DWORD bfOffBits; /* 說明從BITMAPFILEHEADER結(jié)構(gòu) 開始到實際的圖像數(shù)據(jù)之間

24、的字 節(jié) 偏移量 */ BITMAPFILEHEADER;BMP文件格式typedef struct tagBITMAPINFOHEADER DWORD biSize; /* 說明結(jié)構(gòu)體所需字節(jié)數(shù) */ LONG biWidth; /* 以像素為單位說明圖像的寬度 */ LONG biHeight; /* 以像素為單位說明圖像的高速 */ WORD biPlanes; /* 說明位面數(shù)，必須為1 */ WORD biBitCount; /* 說明位數(shù)/像素，1、2、4、8、24 */ DWORD biCompression; /* 說明圖像是否壓縮及壓縮類型 */ DWORD biSizeIm

25、age; /* 以字節(jié)為單位說明圖像大小 */ LONG biXPelsPerMeter; /* 說明水平分辨率，像素/米 */ LONG biYPelsPerMeter; /* 說明垂直分辨率，像素/米 */ DWORD biClrUsed; /* 說明圖像實際用到的顏色數(shù)，如果為0 則顏色數(shù)為2的biBitCount次方 */ DWORD biClrImportant; /*說明對圖像顯示有重要影響的顏色 索引的數(shù)目，如果是0，表示都重要。*/ BITMAPINFOHEADER;BMP文件格式 調(diào)色板實際上是一個數(shù)組，它所包含的元素與位圖所具有的顏色數(shù)相同，決定于biClrUsed和biB

26、itCount字段。數(shù)組中每個元素的類型是一個RGBQUAD結(jié)構(gòu)。typedef struct tagRGBQUAD BYTE rgbBlue; /*指定藍色分量*/ BYTE rgbGreen; /*指定綠色分量*/ BYTE rgbRed; /*指定紅色分量*/ BYTE rgbReserved; /*保留，指定為0*/ RGBQUAD;BMP文件格式 緊跟在彩色表之后的是圖像數(shù)據(jù)字節(jié)陣列。圖像的每一掃描行由表示圖像像素的連續(xù)的字節(jié)組成，每一行的字節(jié)數(shù)取決于圖像的顏色數(shù)目和用像素表示的圖像寬度。掃描行是由底向上存儲的，這就是說，陣列中的第一個字節(jié)表示位圖左下角的像素，而最后一個字節(jié)表示位圖

27、右上角的像素。 GIF文件格式GIF-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1987年開發(fā)的版本號為GIF87a1989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/圖像的控制信息塊組成GIF文件格式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(shè)置透明(transparency)的背景GIF文件定義的圖像中可以加入文本。支持圖像數(shù)據(jù)的交叉存儲方

28、式，這樣一個大的圖像可以逐步顯示，讓用戶首先看到圖像概貌，然后逐步清晰GIF文件格式1HeaderGIF文件頭2Logical Screen Descriptor邏輯屏幕描述塊3Gloabal Color Table全局顏色表。擴展模塊（任選）4Image Descriptor圖像描述塊5Local Color Table局部顏色表可6Table Based Image Data表基壓縮圖像數(shù)據(jù)重7Graphic Control Extension圖像控制擴展塊復8Plain Text Extension無格式文本擴展塊n9Comment Extension注釋擴展塊次10Application Extension應用程序擴展塊。擴展模塊（任選）11GIF TrailerGIF文件結(jié)束快GIF文件格式JPEG格式JPEG格式Joint Photographic Experts Group的縮寫