多媒體技術(shù)課件：第3章多媒體視頻技術(shù)

1、第3章 多媒體視頻技術(shù) 據(jù)統(tǒng)計，人們獲取的信息的65%-70%來自視覺系統(tǒng)，因此圖形圖像是人類最容易接受的信息之一，它具有文字不可比擬的優(yōu)點。多媒體計算機(jī)最常用的圖像有下述三種：圖形、靜態(tài)圖像和動態(tài)圖像（也稱視頻），獲得這三種圖像可用下述方法：(1) 計算機(jī)產(chǎn)生彩色圖形，靜態(tài)圖像和動態(tài)圖像；(2) 用掃描儀或數(shù)碼相機(jī)；(3) 用視頻信號數(shù)字化儀，將彩色全電視信號數(shù)字化后，輸入到多媒體計算機(jī)中，可獲得靜態(tài)和動態(tài)圖像。圖形圖像基本概念圖像的數(shù)字化彩色空間的表示及變換視覺系統(tǒng)對顏色的感知圖像的屬性常用圖形圖像文件格式主要學(xué)習(xí)內(nèi)容：.圖形圖像基本概念一、圖形 指用數(shù)學(xué)方法描述的，以點、直線、圓、橢圓、

2、弧線、扇形、矩形等幾何圖元為基本元素構(gòu)成的畫面，也可以使用實心或有等級變化的色彩來填充區(qū)域。 通過對這些數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行編程，形成能構(gòu)成一幅圖形的所有圖元的計算機(jī)指令集合，并存儲下來，就可以將畫面信息保存下來，用這種方式保存畫面信息的圖片我們稱為矢量圖。 適用于：用于描述輪廓不是非常復(fù)雜，色彩不是很豐富的對象，如幾何圖形，工程圖紙等。簡單，操作方便，可以對圖中的每一個部分分別進(jìn)行控制，任意進(jìn)行移動、縮小放大、旋轉(zhuǎn)、拷貝、屬性的改變等；相同的或類似的圖可以存到圖庫中。 缺點：當(dāng)圖變得很復(fù)雜時，計算機(jī)就要花費很長的時間去執(zhí)行繪圖指令。對于復(fù)雜的彩色照片很難用數(shù)學(xué)來描述，不適用矢量法表示。 二、圖像

3、指以像素點為基本單位構(gòu)成的位圖，在某些領(lǐng)域中也稱為光柵圖。 位圖可用一個矩形點陣表示，矩陣中的每一個點稱之為像素(Pixel)。像素是數(shù)字圖像中最小的可尋址元素。像素值稱為灰度或色彩數(shù)。 每個像素用若干個二進(jìn)制位來指定該像素的顏色、亮度和屬性。一幅圖像由許許多多描述每個像素的數(shù)據(jù)組成，這些數(shù)據(jù)通常稱為圖像數(shù)據(jù)。 優(yōu)點：清晰、美觀、逼真，能畫出比較復(fù)雜的圖像。顯示位圖圖像要比顯示矢量圖形快。照片等圖像常以位圖的形式存放。 缺點：存儲存容量大，因為位圖必須把屏幕上所有顯示的每一個像素的信息，都要存儲起來。一般同樣的幅圖，位圖的容量往往要比矢量圖多一至二倍，甚至好幾十倍。矢量圖和位圖比較 三、動態(tài)圖

4、像（視頻） 1動態(tài)視覺媒體產(chǎn)生原理 人眼看影像時，即使所看到的影像消失了，仍能繼續(xù)保留其影像0.1-0.4秒左右的時間，這就是“視覺暫留”性質(zhì)。 當(dāng)多幅連續(xù)圖像被快速播放時，由于人眼的視覺暫留性質(zhì)，使得畫面產(chǎn)生運動的效果。 說明：在動態(tài)視覺媒體中，一副畫面稱為一個“幀”，幀是組成動態(tài)視覺媒體的最基本單位。圖像沿時間軸以t的間隔排列，當(dāng)t視覺暫留時間，會產(chǎn)生動感。因此，畫面更換的速度必須至少達(dá)到大約12幀/秒（一幀就是一幅完整的圖像）一般電影畫面采用24幀/秒速度放映，電視畫面采用25幀/秒速度播放。 2.動態(tài)視頻文件特點由多個畫面（幀）組成，且畫面具有時間上的連續(xù)性和延續(xù)性。畫面內(nèi)容存在差異，

5、又有相關(guān)性。具有強(qiáng)烈的實時性。數(shù)據(jù)量非常大，通常采用壓縮代碼存儲。 3.技術(shù)參數(shù)圖像質(zhì)量：位圖顏色與分辨率有關(guān)，過分的數(shù)據(jù)壓縮將影響圖像質(zhì)量。幀速度。一般動畫為12-24幀/秒；NTSC電視制式是30幀/秒；PAL電視制式是25幀/秒。數(shù)據(jù)量：與播放時間、畫面幾何尺寸、顏色數(shù)量和采用的壓縮算法等因素有關(guān)。4.動畫與視頻的異同 圖像幀主要由人工繪制或計算機(jī)圖像軟件產(chǎn)生，用人工合成的方式形成。 圖像是實時獲取的自然景物，是視頻信號源（電視、錄像等）經(jīng)數(shù)字化后產(chǎn)生的，是對真實世界的記錄。動 畫視 頻3.1 彩色空間表示及變換一、 采樣與量化 圖像有模擬圖像和數(shù)字圖像兩種：我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷降膱D像一般

6、是連續(xù)形式的模擬圖像。多媒體計算機(jī)要處理圖像和視頻信息，首先必須把連續(xù)的圖像函數(shù)進(jìn)行空間和幅值的離散化處理，轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，這就是連續(xù)圖像數(shù)字化。圖像的數(shù)字化包括采樣和量化兩個過程。 1、采樣(Sampling)1) 采樣和采樣點 圖像在空間上的離散化稱為采樣，即數(shù)字化圖像坐標(biāo)，也就是用空間上部分點的顏色值代表圖像，這些點稱為采樣點。每個采樣點就是一個像素，像素是表示圖像的最小單位。2) 采樣方法 由于圖像是一種二維分布的信息，為了對它進(jìn)行采樣操作，需要先將二維信號變?yōu)橐痪S信號，再對一維信號完成采樣。 做法：沿x方向以等間隔x采樣，采樣點數(shù)為M，沿y方向以等間隔y采樣，采樣點數(shù)為N，于是得到一

7、個MN的離散樣本陣列。 3) 非均勻采樣 在灰度級變化尖銳的區(qū)域，用細(xì)膩的采樣，在灰度級比較平滑的區(qū)域，用粗糙的采樣。2、量化 量化是對每個離散點像素的灰度或顏色樣本進(jìn)行數(shù)字化處理。具體說，就是在樣本幅值的動態(tài)范圍內(nèi)進(jìn)行分層、取整，以正整數(shù)表示。 對于黑白灰度圖，可以用2的整數(shù)冪表示在計算機(jī)中灰度級別，即G=2m，當(dāng)m=8，7，6，1時，其對應(yīng)的灰度等級分別為256，128，64，2。若m=1，即用灰度等級為2，構(gòu)成的二值圖像只有黑白之分，沒有灰度層次；通常會采用m=8，則圖像用256級灰度表示，這樣可以使模數(shù)變換時保證有足夠的灰度層次。二、 顏色的幾個基本概念1、光的本質(zhì) 物體由于內(nèi)部物質(zhì)的

8、不同，受光線照射后，產(chǎn)生光的分解現(xiàn)象。一部分光線被吸收，其余的被反射或投射出來，成為我們所見的物體的色彩。所以，色彩和光有密切關(guān)系，同時還與被光照射的物體有關(guān)，并與觀察者有關(guān)。 色彩是通過光被我們所感知的，從物理學(xué)角度來看，光是一種電磁輻射，從380nm到780nm波長的電磁輻射能夠被人眼所見，叫做可見光。在可見光譜內(nèi)，不同波長的輻射引起人的不同顏色感覺。從圖3.1電磁波譜及可見光譜示意圖可清楚地說明。 a 電磁波譜 b 可見光譜 顏色是人的視覺系統(tǒng)對可見光的感知結(jié)果，一方面是由于物體能發(fā)出或者反射和吸收各種不同波長的光線；另一方面是由于人能通過眼睛感受到這些不同波長的光，再通過大腦產(chǎn)生不同顏

9、色的感覺。2、物體的顏色 （1） 顏色的來源： 一種是發(fā)光體所呈現(xiàn)的顏色，例如各種彩色燈和霓紅燈等所發(fā)出的彩色光； 另一種是物體反射或透射的彩色光。那些本身不發(fā)光的物體，在外界光線照射下能有選擇地吸收一些波長的光，而反射或透射另一些波長的光，從而使物體呈現(xiàn)一定的顏色。 （2） 既然物體呈現(xiàn)的顏色是由于物體反射(或透射)光的種類不同而產(chǎn)生的，那么物體呈現(xiàn)的顏色顯然與照射它的光源有關(guān)。 （3） 不能從看到的顏色來判斷光譜的分布。是因為雖然一定的光譜分布表現(xiàn)為一定的顏色，但同一顏色則可由不同的光譜分布而獲得。 例如，黃色可以由單一波長的黃光產(chǎn)生，也可以由兩種波長不同的光(紅光和綠光)按一定比例混合而

10、產(chǎn)生，二者給人的顏色感覺卻是相同的。3、顏色三特性 （1）色調(diào)（Hue）：指人眼看到光時所產(chǎn)生的彩色感覺，由光的波長決定，用于區(qū)別顏色種類。 （2）飽和度（Saturation）：指顏色的純度，即摻入白光的多少，對于同一色調(diào)的彩色光，飽和度越深顏色越鮮明或說越純。（3）亮度（Brightness）：又稱為明亮度，光作用于人眼時所引起的明亮程度的感覺，它與被觀察物體的發(fā)光和反射光的強(qiáng)度有關(guān)。亮度的一個極端是黑色(沒有光)，另一個極端則是白色。 色調(diào)和飽和度統(tǒng)稱為色度，上述內(nèi)容總結(jié)為：亮度表示某彩色光的明亮程度，而色度則表示顏色的類別和深淺程度。4、三原色（三基色）原理 國際照明委員會（CIE）定

11、義： 紅（波長700nm）、綠（波長546.1nm）、藍(lán)（波長435.8nm）是自然界中所有顏色的基礎(chǔ)，自然界中常見的各種顏色的光大都是由這三種波長的光以不同的強(qiáng)度疊加而成的，絕大多數(shù)顏色的光也可分解稱紅、綠、藍(lán)三種顏色。 一般將紅、綠、藍(lán)三色稱為三原色，三原色是相互獨立的，它們按不同比例混合可以得到其它各種顏色，但任何一種原色都不能由其他兩種顏色合成。5、補色的概念+=+=+=+=三、彩色空間表示 在一個典型的多媒體計算機(jī)系統(tǒng)中，常常涉及到用幾種不同的彩色空間表示圖形和圖像的顏色，以對應(yīng)于不同的場合和應(yīng)用。因此，數(shù)字圖像的生成、存貯、處理及顯示時對應(yīng)不同的彩色空間需要作不同的處理和轉(zhuǎn)換。 所

12、謂顏色模型指的是某個三維彩色空間中的一個可見光子集。它包含某個色彩域的所有色彩。任何一個色彩域都只是可見光的子集，任何一個顏色模型都無法包含所有的可見光。1、RGB彩色空間 用波長為700nm、546.1nm和435.8nm的單色光作為： 紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三原色，即三基色。三種基色是相互獨立的，任何一種基色都不能由其它兩種顏色合成。 RGB顏色模型是三維直角坐標(biāo)顏色系統(tǒng)中的一個單位正方體 ，在正方體的主對角線上，各原色的量相等，產(chǎn)生由暗到亮的白色，即灰度。（0，0，0）為黑，（1，1，1）為白，正方體的其他6個角點分別為紅、黃、綠、青、藍(lán)和品紅。用三維立方體描述的RGB彩色空間 根

13、據(jù)三基色原理，用基色光單位來表示光的量，則在RGB彩色空間，任意色光F都可以用R、G、B三色不同分量的相加混合而成： FrR + gG + bB 若每一個顏色的等級都是256級，取值0255，整個F就是224，即24位色，真彩色。、CMY彩色空間 在白光照射下，青色顏料能吸收紅色而反射青色，黃色顏料吸收藍(lán)色而反射黃色，品紅顏料吸收綠色而反射品紅。也就是： 白色-紅色=青色 白色-綠色=品紅 白色-藍(lán)色=黃色 另外，如果把青色和黃色兩種顏料混合，在白光照射下，由于顏料吸收了紅色和藍(lán)色，而反射了綠色，對于顏料的混合我們表示如下： 顏料(黃色+青色)=白色-紅色-藍(lán)色=綠色 顏料(品紅+青色)=白色

14、-紅色-綠色=藍(lán)色 顏料(黃色+品紅)=白色-綠色-藍(lán)色=紅色 以上的都是相減混色,相減混色就是以吸收三基色比例不同而形成不同的顏色的。 但在彩色印刷和打印領(lǐng)域，無法通過染料發(fā)光來產(chǎn)生顏色，因此只能用一些油墨或顏料吸收特定的光波而反射其他光波來產(chǎn)生顏色，這樣得到的顏色稱為相減色。 把青（Cyan）、品紅（Magenta）和黃（Yellow）稱為顏料三基色，簡稱為CMY。顏料三基色的混色在繪畫、印刷中得到廣泛應(yīng)用。 彩色印刷或彩色打印的紙張是不能發(fā)射光線的，因而印刷機(jī)或彩色打印機(jī)就只能使用一些能夠吸收特定的光波而反射其它光波的油墨或顏料。理論上說，任何一種由顏料表現(xiàn)的色彩都可以用這三種基色按不同

15、的比例混合而成，這種色彩表示方法稱CMY彩色空間表示法。彩色打印機(jī)和彩色印刷系統(tǒng)都采用CMY彩色空間。 由于彩色墨水和顏料的化學(xué)特性，用等量的CMY三基色得到的黑色不是真正的黑色，因此在印刷術(shù)中常加一種真正的黑色（black ink），所以CMY又寫成CMYK。 RGB與CMY的關(guān)系： 相加色與相減色之間有一個直接的互補關(guān)系。若每種顏色用1位二進(jìn)制數(shù)表示，RGB和CMY都能產(chǎn)生的 8 種顏色，其互補關(guān)系如表所示3、HSI彩色空間 HSI彩色空間是從人的視覺系統(tǒng)出發(fā)，用色調(diào)（H），飽和度（S)和亮度（I）來描述色彩的。這種色彩描述對人來說是自然的，直觀的，更適合人的視覺特性。 HSI彩色空間可以

16、用一個雙錐體空間模型來描述。 色調(diào)：指物體傳導(dǎo)或反射的波長。更常見的是以顏色如紅色，橘色或綠色來辨識，取0到360度的數(shù)值來衡量。飽和度：是指色彩的強(qiáng)度或純度。飽和度代表灰色與色調(diào)的比例，并以0%(灰色)到100%(完全飽和)來衡量。亮度：是指顏色的相對明暗度，是光作用在人眼所引起的明亮程度的感覺，它和能量大小及人眼對不同波長的感知能力有關(guān)，通常以0% (黑色)到100%(白色)的百分比來衡量。如圖3.4(C)所示，亮度值是沿著圓錐的軸線度量的，沿著圓錐軸線上的點表示完全不飽和的顏色，按照不同的灰度等級，最亮點為純白色、最暗點為純黑色。 圓錐縱切面 圓錐橫切面圖縱切面描述了同一色調(diào)的不同亮度和

17、飽和度的關(guān)系。在橫切面中，色調(diào)H為繞著圓錐截面度量的色環(huán)，圓周上的顏色為完全飽和的純色，色飽和度為穿過中心的半徑橫軸。 HSI彩色空間的模型有兩個特點： 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。 HSI彩色空間完全反映了人感知顏色的基本屬性，與人感知顏色的結(jié)果一一對應(yīng)，因此，HSI模型被廣泛應(yīng)用于人的視覺系統(tǒng)感知顏色的圖像表示和處理系統(tǒng)中。 表3.2： 幾種常見顏色在RGB和HIS空間的描述 HSI彩色空間和RGB彩色只是同一物理量的不同表示法，因而他們之間存在著轉(zhuǎn)換關(guān)系。公式3.23.5是一種RGB和HSI之間相互轉(zhuǎn)換的模型，在轉(zhuǎn)換之前首先要將R，G和B歸一化

18、到0，1之間。其中從HSI到RGB彩色空間的轉(zhuǎn)換，在原始色分割中有3個相隔120的扇形。先定義 :則 （1）若，則RG扇形：（2）若，則為GB扇形 （3）若，為BR扇形， 彩色空間可分為兩大類：與設(shè)備相關(guān)的彩色空間和與設(shè)備無關(guān)的彩色空間。 與設(shè)備相關(guān)的彩色空間指定生成的顏色與生成顏色的設(shè)備有關(guān)。例如:計算機(jī)顯示系統(tǒng)，使用比較多的顏色空間是RGB，顯示器使用其來顯示顏色；而在計算機(jī)許多圖像處理軟件中，常使用HSI、HSB顏色空間表示顏色；在印刷業(yè)中使用比較多的顏色空間是CMYK；在彩色電視圖像的傳輸中使用比較多的顏色空間有YUV、YIQ等。4、 YUV彩色空間-PAL制式的電視使用的彩色空間 在

19、現(xiàn)代彩色電視系統(tǒng)中，通常采用三管彩色攝像機(jī)或彩色CCD(點耦合器件)攝像機(jī)，它把攝得的彩色圖像信號，經(jīng)分色、分別放大校正得到RGB，再經(jīng)過矩陣變換電路得到亮度信號Y和兩個色差信號BY（U)、RY(V)， 最后發(fā)送端將亮度和色差三個信號分別進(jìn)行編碼，用同一信道發(fā)送出去。這就是我們常用的YUV色彩空間。 采用YUV色彩空間的重要性是它的亮度信號Y和色度信號U、V是分離的。如果只有Y信號分量而沒有U、V分量， 那么這樣表示的圖就是黑白灰度圖。彩色電視采用YUV空間正是為了用亮度信號Y解決彩色電視機(jī)與黑白電視機(jī)的兼容問題，使黑白電視機(jī)也能接收彩色信號。 可以稱為CCD圖像傳感器,也叫圖像控制器。CCD

20、是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。 CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數(shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把光信號轉(zhuǎn)換成電荷信號。CCD上有許多排列整齊的光電二極管，能感應(yīng)光線，并將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)外部采樣放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號。 根據(jù)美國國家電視制式委員會，NTSC制式的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)白光的亮度用Y來表示時，它和紅、綠、藍(lán)三色光的關(guān)系可用如下式的方程描述： Y0.299 R + 0.587 G + 0.114B （3.1） 這就是常用的灰度轉(zhuǎn)換公式。色差U、V是由BY、RY按不同比例壓縮而成的。

21、 BY=-0.299R-0.587G+0.886B （3.2） RY= 0.701R-0.587G-0.114B 為了達(dá)到彩色與黑白兼容，要求傳輸?shù)膭討B(tài)范圍滿足亮度信號的要求，如果按上述方法傳輸彩色電視信號，會造成幅度失真，為此必須對彩色信號進(jìn)行壓縮，壓縮方法是讓色差信號乘上一個小于1的壓縮系數(shù)： U=m(B-Y）=0.493(B-Y) (3.3) V=n(R-Y) =0.877(R-Y) 將（3.2）代入（3.3），整理后得到Y(jié)UV彩色空間與RGB彩色空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下： 在YUV空間中，U和V是平面上的兩個相互正交的矢量。如圖所示：色度信號是一個二維矢量(U和V)。每一種顏色對應(yīng)一個色度信

22、號矢量，它的飽和度由模值S表示，色調(diào)由相位角表示。YUV彩色空間色度信號矢量平面選用YUV的好處：(1) 亮度信號Y解決了彩色電視機(jī)與黑白電視的兼容問題。(2) 大量實驗表明，人眼對色差信號不敏感，而對亮度信號特別敏感。可以利用人眼的特性來降低數(shù)字彩色圖像所需要的存儲容量。人眼對彩色細(xì)節(jié)的分辨能力遠(yuǎn)比對亮度細(xì)節(jié)的分辨能力低。由于這個原因，就可以把彩色分量的分辨率降低而不明顯影響圖像的質(zhì)量，因而就可以把幾個相鄰像素不同的彩色值當(dāng)作相同的彩色值來處理，從而減少所需的存儲容量。所以電視信號在存儲時，對于人眼敏感的亮度信號Y不進(jìn)行壓縮；而對人眼不那么敏感的彩色信號U、V，則可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)膲嚎s。一般壓縮

23、比例為Y：U：V=8：4：4；若要獲得更大的壓縮效果，還可以采用壓縮比例為Y：U：V=8：2：2。 在RGB彩色空間中，三個顏色的重要程度相同，所以需要使用相同的分辨率進(jìn)行存儲，例如，要存儲24位RGB彩色圖像，則R、G和B分量都用8位二進(jìn)制數(shù)表示，圖像的大小為640480像素，那么所需要的存儲容量為921,600字節(jié)。如果用YUV來表示同一幅彩色圖像，Y分量仍然為640480，并且Y分量仍然用8位表示，而對每四個相鄰像素(22)的U、V值分別用相同的一個值表示，Y:U:V= 4:1:1，那么存儲同樣的一幅圖像所需的存儲空間就減少到460,800字節(jié)。這實際上也是圖像壓縮技術(shù)的一種方法。5、Y

24、IQ彩色空間- NTSC彩色電視制式采用的彩色空間 YIQ彩色空間是YUV彩色空間衍生出來的，通常被中北美洲和日本的電視系統(tǒng)NTSC選為色彩視頻標(biāo)準(zhǔn)。Y是指顏色的明視度（Luminance），即亮度（Brightness），其實就是圖像的灰度值（Gray value），而I和Q則是指色調(diào)（Chrominance），即描述圖像色彩及飽和度的屬性. YIQ色彩空間是為充分利用人的視覺系統(tǒng)的顏色響應(yīng)特性而設(shè)計的。其主要優(yōu)點是去掉了亮度和顏色信息間的緊密聯(lián)系，因而能不影響圖像的顏色情況下處理圖像的亮度成分。將彩色圖像從RGB轉(zhuǎn)換到Y(jié)IQ彩色空間，可以把彩色圖像中的亮度信息與色度信息分開，分別獨立進(jìn)行處

25、理。 通過上圖可得知Y、I、Q三個分量Y最敏感，每個像素點可取一個Y，I次敏感，每兩個像素點可取一個I，Q最不敏感，每四個像素點可取一個Q，按這種壓縮方法，Y:I:Q=4:2:1。 YIQ模型與YUV模型類似，YIQ彩色空間中的I和Q分量相當(dāng)于將YUV空間中的UV分量做了一個33度的旋轉(zhuǎn)。它們之間的關(guān)系可以用式3-4表示： （3.4）U=0.493（B-Y) V=0.877(R-Y)sin33.cos33.839整理（3.4）式可得 I=0.736(R-Y)-0.269(B-Y) （3.5） Q=0.478(R-Y)+0.414(B-Y) Y=0.299R+0.587G+0.114B整理（3.

26、5）式可得RGB與YIQ的轉(zhuǎn)換公式為：.0 與設(shè)備無關(guān)的顏色空間指顏色空間指定生成的顏色與生成顏色的設(shè)備無關(guān)，用該空間指定的顏色無論在什么設(shè)備上生成的顏色都相同。 在色彩管理中，選擇與設(shè)備無關(guān)的彩色空間是十分重要的，與設(shè)備無關(guān)的彩色空間由國際照明委員會(CIE)制定，它們包含了人眼所能辨別的全部顏色，是顏色的基本度量方法，通常被當(dāng)作國際性的顏色空間標(biāo)準(zhǔn)，特別是在科學(xué)計算中得到廣泛的應(yīng)用。 這類顏色空間有CIE LAB、CIE XYZ等。6、CIE Lab 彩色空間 CIE協(xié)會在1976年制定的一個衡量顏色的標(biāo)準(zhǔn)，Lab色域包含RGB和CMYK的全部顏色，它是一種包含所有顏色的標(biāo)準(zhǔn)化顏色模型，自

27、然界中任何一點色都可以在Lab空間中表達(dá)出來。由于Lab的彩色空間要比RGB模式和CMYK模式的彩色空間大，這就意味著RGB以及CMYK所能描述的色彩信息在Lab空間中都能得以影射。模型中的數(shù)值描述正常視力的人能夠看到的所有顏色。有三個軸，垂直軸L是亮度分量，A和B軸是兩個顏色分量。 其中：L值：光亮度，其值從0(黑色)100(白色)；A分量：由綠色到紅色的光譜變化，稱紅-綠軸；B分量：由藍(lán)色到黃色的光譜變化，稱為黃-藍(lán)軸A和B的取值范圍均為010。若A=B=0，則表示無色彩，此時L就代表從黑到白的比例系數(shù)。 Lab顏色模型是以數(shù)字化方式來描述人的視覺感應(yīng)，用這種模型可以解決在顏色復(fù)制過程中因

28、使用不同的顯示器或不同的印刷設(shè)備（打印機(jī)）而引起的顏色可變性問題，易于產(chǎn)生一致的顏色，而不管用戶使用的是何種設(shè)備（例如顯示器、掃描儀或計算機(jī)），所以它彌補了RGB和CMYK模式必須依賴于設(shè)備色彩特性的不足。四、 亮度、色調(diào)、飽和度 計算機(jī)在圖像處理上采用數(shù)字化，可以非常精確地表現(xiàn)色彩的變化，色調(diào)是相對連續(xù)變化的。用一個園環(huán)來表現(xiàn)色譜的變化，就構(gòu)成了一個色彩連續(xù)變化的色環(huán)。太陽光帶中的六標(biāo)準(zhǔn)色(紅、橙、黃、綠、藍(lán)（青）、紫)與六個中間色，即紅橙，黃橙，黃綠，藍(lán)綠（青），藍(lán)紫，紅紫（品紅），合稱十二色相或色調(diào)。把不同的色調(diào)按紅橙黃綠藍(lán)紫的順序銜接起來，就形成了一個色調(diào)連續(xù)變化過渡的圓環(huán)，稱作為色環(huán)

29、，如圖所示。1.色調(diào) 色彩連續(xù)變化的色環(huán) 從人的視覺系統(tǒng)看，色彩可以用色調(diào)、飽和度和亮度來描述，人眼看到的任一彩色光都是這三個特性的綜合效果，這三個特性可以說是色彩的三要素，其中色調(diào)與光波的波長有直接關(guān)系，亮度和飽和度與光波的幅度有關(guān)。2.亮度與明度（1）同一物體因受光不同會產(chǎn)生明度上的變化。照射的光越強(qiáng)，反射光也越強(qiáng)，看起來越亮。如果彩色光的強(qiáng)度降到使人看不到了，在亮度標(biāo)尺上它應(yīng)與黑色對應(yīng)，同樣，如果其強(qiáng)度變得很大，那么亮度等級應(yīng)與白色對應(yīng)。亮度是非彩色屬性，彩色圖像中的亮度應(yīng)對應(yīng)于黑白圖像中的灰度。如圖所示。同一景象因受光不同會產(chǎn)生明度上的變化（2）不同顏色的光，強(qiáng)度相同時照射同一物體也會

30、產(chǎn)生不同的亮度感覺，見圖。 明度也可以說是各種純正的色彩相互比較所產(chǎn)生的明暗差別。在純 正光譜中，黃色的明度最高，顯得最亮，其次是橙和綠，再其次是紅和藍(lán)，紫色明度最低，顯得最暗。3.飽和度與純度 如圖所示，淡色的飽和度比濃色要低一些。 飽和度還和亮度有關(guān)，同一色調(diào)越亮或越暗越不純。 對于同一色調(diào)的彩色光，飽和度越深，顏色越鮮明或說越純，相反則越淡。 在飽和的彩色光中增加白光的成分，相當(dāng)于增加了光能，因而變得更亮了，但它的飽和度卻降低了。若增加黑色光的成分，相當(dāng)于降低了光能，因而變得更暗，飽和度也降低了。飽和度越高，色彩越艷麗、越鮮明突出。 飽和度與純度3. 2 視覺系統(tǒng)對顏色的感知一、 視覺系

31、統(tǒng)對顏色的感知特性 人們認(rèn)為顏色是視覺系統(tǒng)對可見光的感知結(jié)果?？梢姽馐遣ㄩL380780nm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。人們在研究眼睛對顏色的感知過程中普通認(rèn)為，人的視網(wǎng)膜有對紅、綠、藍(lán)顏色敏感程度不同的三種錐體細(xì)胞，另外還有一種在光功率極端低的條件下才起作用的桿狀體細(xì)胞，因此顏色只存在于眼睛和大腦。在計算機(jī)圖像處理中，桿狀細(xì)胞還沒有扮演什么角色。人的視覺系統(tǒng)對顏色的感知可歸納出如下幾個特性：（1）眼睛本質(zhì)上是一個照相機(jī)。人的視網(wǎng)膜(human retina)通過神經(jīng)元來感知外部世界的顏色，每個神經(jīng)元或者是一個對顏色敏感的錐體(cone)，或

32、者是一個對顏色不敏感的桿狀體(rod)。（2）紅、綠和藍(lán)三種錐體細(xì)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)量明顯下降。（3）自然界中的大多種顏色都可以由R、G、B這3種顏色值之和來確定，它們構(gòu)成一個3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。二、視覺系統(tǒng)對顏色和亮度的響應(yīng)特性 下圖是各個波長的光的強(qiáng)度相等情況下，視覺系統(tǒng)對顏色和亮度的響應(yīng)特性曲線，該曲線表明：人類眼睛對藍(lán)光的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對紅光和綠光的靈敏度。亮度響應(yīng)曲線表明人眼對波長為55

33、0nm左右的黃綠色最為敏感。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(yīng)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（546.1）、藍(lán)（435.8nm）三色光按不同比例和強(qiáng)度的混合來等效表示，這就是三刺激理論。3.3 圖像的屬性 描述一幅圖像需要使用圖像的屬性。圖像的屬性：分辨率、像素深度、真/偽彩色、圖像的表示法和種類等。一、分辨率 兩種分辨率：顯示分辨率和圖像分辨率。1顯示分辨率。 顯示分辨率是指顯示屏上能夠顯示出的像素數(shù)目。分辨率是用點來衡量的，顯示器上這個“點”就是指像

34、素。顯示分辨率的數(shù)值是指整個顯示器所有可視面積上水平像素和垂直像素的數(shù)量。例如800600的分辨率，是指在整個屏幕上水平顯示800個像素，垂直顯示600個像素。 顯示分辨率的水平像素和垂直像素的總數(shù)總是成一定比例的，一般為4:3、16:9或16:10。每個顯示器都有自己的最高分辨率，并且可以兼容其它較低的顯示分辨率，所以一個顯示器可以用多種不同的分辨率顯示。在相同大小的屏幕上，分辨率越高，顯示就越小。由于顯示器的尺寸有大有小，而顯示分辨率又表示所有可視范圍內(nèi)像素的數(shù)量，所以相同的分辨率對不同的顯示器顯示的效果也是不同的。2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，單位是Dp

35、i，即每英寸多少個像素點。對同樣大小的一幅圖，如果組成該圖的像素數(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。 當(dāng)數(shù)字圖像是用輸入設(shè)備（如掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等）獲取時，其圖像分辨率取決于輸入設(shè)備的分辨率設(shè)置。如，在用掃描儀掃描彩色圖像時，通常要指定圖像的分辨率，如果用300Dpi來掃描一幅810的彩色圖像，就得到一幅24003000個像素的圖象。 若數(shù)字圖像是用工具軟件（如Photoshop等）編輯生成的，其圖像分辨率取決于創(chuàng)建或保存圖像文件時的參數(shù)設(shè)置。二、像素深度 像素深度是指存儲每個像素所用的位數(shù)，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

36、個像素可能有的灰度級數(shù)。 例如，一幅彩色圖像的每個像素用R、G、B三個分量表示，若每個分量用8位，那么一個像素共用24位表示，就說圖像深度為24。 1真彩色 真彩色（true-color）是指圖像中的每個像素值都分成R、G、B三個基色分量，每個基色分量直接決定其基色的強(qiáng)度，這樣產(chǎn)生的色彩稱為真彩色。 如，在一幅24位真彩色圖像中，每個像素值由三個字節(jié)，即24位二進(jìn)制數(shù)值來表示。三個字節(jié)分別表示R、G、B三原色分量的強(qiáng)度，每個原色分量的強(qiáng)度等級有28256種，可生成的顏色數(shù)為224 16777216種，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人眼所能辨別的范圍，故又稱為全彩色圖像。三、真?zhèn)尾噬珎尾噬╬seudo-color

37、）圖像每個像素的顏色不是由每個基色分量的數(shù)值直接決定，每個像素值實際上是一個索引值或代碼，該代碼值作為色彩查找表CLUT（Color Look-Up Table）中某一項的入口地址。顏色查找表CLUT是一個事先做好的表，表項入口地址也稱為索引號，每個索引號對應(yīng)一種顏色。 圖像的像素值表示的是CLUT的索引號，當(dāng)圖像顯示時，根據(jù)圖像的像素值所對應(yīng)的索引號在CLUT中找到最終的顏色。如果原圖像中的一種顏色沒有出現(xiàn)在CLUT中，程序會選取已有顏色中最相近的顏色或使用已有的顏色模擬該種顏色。 這種用查找映射的方法產(chǎn)生的色彩稱為偽彩色。例如，如果像素點存儲的值為30，則意味著對應(yīng)著顏色查找表30號顏色，

38、CLUT中第30號像素值再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)顏色顯示出來。直接色 直接色（direct-color），也叫調(diào)配色，其獲取是通過每個像素點的R、G、B分量分別作為單獨的索引值進(jìn)行變換，經(jīng)相應(yīng)的色彩變換表找出各自的基色強(qiáng)度，用變換后的R、G、B強(qiáng)度值產(chǎn)生的色彩。 直接色與偽彩色相比，相同之處是都采用查找表，不同之處是前者對R、G、B分量分別進(jìn)行查找變換，后者是把整個像素當(dāng)作查找的索引進(jìn)行查找變換。因此，直接色的效果一般比偽彩色好。 直接色與真彩色比，相同之處是都采用R、G、B分量來決定基色強(qiáng)度，不同之處是前者的基色強(qiáng)度是由R、G、B經(jīng)變換后得到的，而后者是直接用R、G、B決定。因而這兩種系統(tǒng)產(chǎn)生的顏色就有差別。試驗結(jié)果表明，使用直接色在顯示器上顯示的彩色圖像看起來真實、很自然。四、圖像數(shù)據(jù)量 取決于圖像分辨率、圖像深度等因素，圖像的分辨率越高、圖像深度越深，則數(shù)字化后的圖像效果越逼真、圖像數(shù)據(jù)量也越大。 圖像數(shù)據(jù)大小可用下面的公式來估算： 圖像數(shù)據(jù)量圖像的總像素圖像深度 / 8 （Byte） 一幅640480、真彩色的圖像，其文件大小約為： 64048024/ 8 = 1 M (Bytes)3.4 常用的圖像文件格式 1.BMP格式 由Microsoft公司推出，在Windows環(huán)境