數(shù)字彩色圖像基礎(chǔ)課件

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數(shù)字彩色圖像基礎(chǔ)注：本部分內(nèi)容參考了林福宗《多媒體技術(shù)基礎(chǔ)》第四、五、六章《數(shù)字媒體技術(shù)基礎(chǔ)》第二講2上一講內(nèi)容回顧數(shù)字媒體導(dǎo)論數(shù)字媒體的基本概念數(shù)字媒體技術(shù)的原理數(shù)字媒體標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介數(shù)字媒體的應(yīng)用3本講內(nèi)容提要視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色的感知圖像的顏色模型圖像的基本屬性圖像的種類數(shù)字圖像的描述圖像文件格式作業(yè)2顏色的特性及度量顏色空間及其轉(zhuǎn)換5視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色的感知視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色感知的特性眼睛本質(zhì)上是一個(gè)照相機(jī)人的視網(wǎng)膜（humanretina）通過(guò)神經(jīng)元感知外部世界的顏色，每個(gè)神經(jīng)元是一個(gè)對(duì)顏色敏感的錐體（cone）

人的視網(wǎng)膜有對(duì)紅、綠、藍(lán)顏色敏感程度不同的三種錐體細(xì)胞紅、綠和藍(lán)三種錐體細(xì)胞對(duì)不同頻率的光的感知程度不同，對(duì)不同亮度的感知程度也不同從理論上說(shuō)，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(lái)確定，它們構(gòu)成一個(gè)三維的RGB矢量空間（三原色）R，G，B的數(shù)值不同，混合得到的顏色就不同67圖像的顏色模型什么是顏色模型（colormodel）定量的描述顏色的一套規(guī)則和定義人們提出了各種顏色模型。目前常用的顏色模型按用途可分為面向硬件顯示設(shè)備的RGB顏色模型面向彩色圖像打印的CMY顏色模型電視信號(hào)傳輸中的YUV顏色模型面向彩色圖像處理的HIS顏色模型面向特定應(yīng)用的自定義顏色模型。。。與顏色空間等價(jià)9顯示彩色圖像用RGB相加混色模型-2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＝R(紅的百分比)＋G(綠的百分比)＋B(藍(lán)的百分比)三種顏色的光強(qiáng)越強(qiáng)，到達(dá)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(méi)有光到達(dá)眼睛，就是一片漆黑當(dāng)三基色等量相加時(shí)，得到白色；等量的紅綠相加而藍(lán)為0時(shí)得到黃色；等量的紅藍(lán)相加而綠為0時(shí)得到品紅色；等量的綠藍(lán)相加而紅為0時(shí)得到青色。這些三基色相加的結(jié)果如圖所示

相加混色三種色彩疊加可形成1670萬(wàn)種顏色，即真彩色10打印彩色圖像用CMY相減混色模型-1一個(gè)不發(fā)光波的物體稱為無(wú)源物體，它的顏色由該物體吸收或者反射哪些光波決定用彩色墨水或顏料進(jìn)行混合，繪制的圖畫是一種無(wú)源物體，用這種方法生成的顏色稱為相減色在白光照射下，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(duì)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-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。所以又把青色、品紅、黃色稱為顏料三基色。顏料三基色的混色在繪畫、印刷中得到廣泛應(yīng)用11打印彩色圖像用CMY相減混色模型-2CMY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(shuō)，任何一種顏色都可以用青色(cyan)、品紅(magenta)和黃色(yellow)混合得到在相減混色中,當(dāng)三基色等量相減時(shí)得到黑色；……。三基色相減結(jié)果如圖所示按每個(gè)像素每種顏色用1位表示，相減法產(chǎn)生的8種顏色如表所示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(lán)111黑

相減混色相減色

13圖像屬性-2阿爾法(α)通道在每個(gè)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(lán)色分量各占一個(gè)8位的通道

α通道是一個(gè)256級(jí)灰階的圖像，用于表示每個(gè)像素的透明度（可將圖像分成不同的層）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：Newpixel=(alphaA)(pixelAcolor)+(alphaB)(pixelBcolor)在視頻制作中，可把廣告的圖標(biāo)、報(bào)道題花等圖案作為標(biāo)記或欄目標(biāo)題疊加在畫面上，使用α通道可對(duì)不同部分產(chǎn)生不同的透明效果14圖像屬性-3真彩色與偽彩色真彩色(truecolor)每個(gè)像素的顏色值用紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B)表示的顏色通常用24位表示，其顏色數(shù)224＝16777216種。也稱24位顏色(24-bitcolor)或全彩色(fullcolor)偽彩色(pseudocolor)在RGB真彩色出現(xiàn)之前，由于技術(shù)上的原因，計(jì)算機(jī)在處理時(shí)并沒(méi)有達(dá)到每像素24位的真彩色水平，為此人們創(chuàng)造了索引顏色，即偽彩色將像素值當(dāng)作彩色查找表(colorlook-uptable，CLUT)的表項(xiàng)入口地址，查找顯示圖像時(shí)要使用的R，G，B值，用查找出的R，G，B值產(chǎn)生的彩色。例如16種顏色的查找表，0號(hào)索引對(duì)應(yīng)黑色，...，15號(hào)索引對(duì)應(yīng)白色使用查找得到的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(méi)有完全反映原圖的顏色15圖像的種類-1矢量圖(vectorgraphics)–圖形一般是由點(diǎn)、線條、曲面等組成的畫面，多數(shù)是由繪圖軟件繪制出來(lái)的把圖形看作一段段具有一定寬度、一定長(zhǎng)度和方向性的線段組成，文件記錄的是每個(gè)線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)以及線段的色彩、寬度等信息，該文件可以看成是眾多矢量表示的集合。每一個(gè)矢量都是獨(dú)立的圖像對(duì)象，可以自由無(wú)限制的重新組合優(yōu)點(diǎn)目標(biāo)圖像的移動(dòng)、縮小或放大、旋轉(zhuǎn)、拷貝、屬性(如線條變寬變細(xì)、顏色)變更都很容易做到存儲(chǔ)空間小局限性很難用來(lái)描述真實(shí)世界的彩色照片17圖像的種類-3矢量圖與位圖的差別18圖像的描述—矩陣黑白圖像（二值圖像）每個(gè)像素只能是黑或者白，像素值為0/1灰度圖像每個(gè)像素由一個(gè)量化的灰度級(jí)來(lái)表示，一般為8bits的灰度級(jí)（0-255,0為純黑,255為純白）彩色圖像每個(gè)像素的信息由RGB三基色構(gòu)成1819圖像文件格式圖像文件格式是存儲(chǔ)圖形或圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)字圖像有多種存儲(chǔ)格式，每種格式一般由不同的開(kāi)發(fā)商支持。因此，要進(jìn)行圖像處理，必須了解圖像文件的格式，即圖像文件的數(shù)據(jù)構(gòu)成每一種圖像文件均有一個(gè)文件頭，在文件頭之后才是圖像數(shù)據(jù)21BMP文件格式-2BMP文件組成

BMP文件由文件頭、位圖信息頭、顏色信息(調(diào)色板)和圖形數(shù)據(jù)四部分組成

BMP文件頭

BMP文件頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)含有BMP文件的類型、文件大小和位圖起始位置等信息。

其結(jié)構(gòu)定義如下:

typedef

struct

tagBITMAP

{

WORDbfType;

//

位圖文件的類型標(biāo)識(shí)，必須為0x424D,即字符串”BM”

DWORD

bfSize;

//

位圖文件的大小，以字節(jié)為單位

WORDbfReserved1;

//

位圖文件保留字，必須為0

WORDbfReserved2;

//

位圖文件保留字，必須為0

DWORD

bfOffBits;

//

位圖數(shù)據(jù)的起始位置，以相對(duì)于位圖

//

文件頭的偏移量表示，以字節(jié)為單位

}

BITMAP;

22BMP文件格式-3位圖信息頭

BMP位圖信息頭數(shù)據(jù)用于說(shuō)明位圖的尺寸等信息。

typedef

struct

tagBITMAPINFOHEADER{

DWORD

biSize;

//

本結(jié)構(gòu)所占用字節(jié)數(shù)

LONGbiWidth;

//

位圖的寬度，以像素為單位

LONGbiHeight;

//

位圖的高度，以像素為單位

WORD

biPlanes;

//

目標(biāo)設(shè)備的級(jí)別，必須為1

WORD

biBitCount//

每個(gè)像素所需的位數(shù)，必須是1(雙色),

//

4(16色)，8(256色)或24(真彩色)之一

DWORD

biCompression;

//

位圖壓縮類型，必須是

0(不壓縮),

//

1(BI_RLE8壓縮類型)或2(BI_RLE4壓縮類型)之一

DWORD

biSizeImage;

//

位圖的大小，以字節(jié)為單位

LONGbiXPelsPerMeter;

//

位圖水平分辨率，每米像素?cái)?shù)

LONGbiYPelsPerMeter;

//

位圖垂直分辨率，每米像素?cái)?shù)

DWORD

biClrUsed;//

位圖實(shí)際使用的顏色表中的顏色數(shù)

DWORD

biClrImportant;//

位圖顯示過(guò)程中重要的顏色數(shù)

}

BITMAPINFOHEADER;23BMP文件格式-4顏色表（調(diào)色板）顏色表用于說(shuō)明位圖中的顏色，它有若干個(gè)表項(xiàng)，每一個(gè)表項(xiàng)是一個(gè)RGBQUAD類型的結(jié)構(gòu)，定義一種顏色。RGBQUAD結(jié)構(gòu)的定義如下:

typedef

struct

tagRGBQUAD

{

BYTErgbBlue;//

藍(lán)色的亮度(值范圍為0-255)

BYTErgbGreen;

//

綠色的亮度(值范圍為0-255)

BYTErgbRed;

//

紅色的亮度(值范圍為0-255)

BYTErgbReserved;//

保留，必須為0

}

RGBQUAD;顏色表中RGBQUAD結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)有biBitCount來(lái)確定:

當(dāng)biBitCount=1,4,8時(shí)，分別有2,16,256個(gè)表項(xiàng);

當(dāng)biBitCount=24時(shí)，沒(méi)有顏色表項(xiàng)。位圖信息頭和顏色表組成位圖信息，BITMAPINFO結(jié)構(gòu)定義如下:

typedef

struct

tagBITMAPINFO

{

BITMAPINFOHEADER

bmiHeader;

//

位圖信息頭

RGBQUAD

bmiColors[1];

//

顏色表

}

BITMAPINFO;25BMP文件格式-6總結(jié)Windows所使用的BMP文件，在開(kāi)始處有一個(gè)文件頭，大小為54字節(jié)。文件頭保存了包括文件格式標(biāo)識(shí)、顏色數(shù)、圖象大小、壓縮方式等信息對(duì)24位色不壓縮的BMP，文件頭中的信息基本不需要注意，只有“大小”這一項(xiàng)對(duì)有用。圖象的寬度和高度都是一個(gè)32位整數(shù)，在文件中的地址分別為0x0012和0x0016。54個(gè)字節(jié)以后，如果是16色或256色BMP，則還有一個(gè)顏色表，但24位色BMP沒(méi)有這個(gè)，可不考慮。接下來(lái)就是實(shí)際的像素?cái)?shù)據(jù)了。24位色的BMP文件中，每三個(gè)字節(jié)表示一個(gè)像素的顏色。注意，通常使用RGB來(lái)表示顏色，但BMP文件則采用BGR，就是說(shuō)，順序被反過(guò)來(lái)了每一行的字節(jié)數(shù)一行的字節(jié)數(shù)必須是4的整數(shù)倍，如果不是，則需要補(bǔ)齊BMP文件的數(shù)據(jù)存放是從下到上，從左到右的。也就是說(shuō)，從文件中最先讀到的是圖像最下面一行的左邊第一個(gè)像素，然后是左邊第二個(gè)像素，接下來(lái)是倒數(shù)第二行左邊第一個(gè)像素，左邊第二個(gè)像素。依次類推，最后得到的是最上面一行的最右邊的一個(gè)像素26作業(yè)2用VC或者C/C++實(shí)現(xiàn)一個(gè)包含如下功能的程序打開(kāi)24位彩色bmp文件,顯示該圖像將圖像內(nèi)容順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度后顯示出來(lái)將圖像分成等大小的4塊，將第1和第3塊像素互換后保存將旋轉(zhuǎn)后的圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像顯示，并保存對(duì)灰度圖像求Sobel邊緣圖，顯示出來(lái)，并保存對(duì)灰度圖像進(jìn)行Gaussian平滑，并保存（需要體會(huì)平滑的作用）對(duì)灰度圖像進(jìn)行2值化（可嘗試使用不同的閾值，如30，50，128，160）要求不可借助其它SDK，只能用C/C++來(lái)實(shí)現(xiàn)，可參考網(wǎng)上代碼作業(yè)提交：源程序+原始圖像+各結(jié)果圖像（可拷貝到word文件中）29顏色的三個(gè)特性-2色調(diào)表示法色調(diào)（Hue）在顏色圓上用圓周表示，圓周上的顏色具有相同的飽和度和明度，但它們的色調(diào)不同,如圖所示30顏色的三個(gè)特性-3飽和度(Saturation)指顏色的純潔性可用來(lái)區(qū)別顏色明暗的程度當(dāng)一種顏色摻入其他光成分越多時(shí)，就說(shuō)該顏色越不飽和一種顏色+其他光成分=顏色不飽和完全飽和的顏色是指沒(méi)有滲入白光所呈現(xiàn)的顏色單一波長(zhǎng)的光譜色是完全飽和的顏色半徑表示法見(jiàn)圖(a)，沿徑向方向上的顏色具有相同的色調(diào)和明度，但它們的飽和度不同圖(b)所示的七種顏色具有相同的色調(diào)和明度，但具有不同的飽和度，左邊的飽和度最淺，右邊的飽和度最深

(a)半徑表示法(b)飽和度表示法31顏色的三個(gè)特性-4明度(Brightness)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)可見(jiàn)物體輻射光或發(fā)射光多少的感知屬性同一物體因受光不同會(huì)產(chǎn)生明度上的變化。有色表面的明度取決于亮度和表面的反射率感知的明度與反射率不成正比，認(rèn)為是一種對(duì)數(shù)關(guān)系明度的主觀感覺(jué)值目前無(wú)法用物理設(shè)備測(cè)量可用亮度(luminance)即輻射的能量來(lái)度量一個(gè)極端是黑色(沒(méi)有光)，另一個(gè)極端是白色，在這兩個(gè)極端之間是灰色32顏色的三個(gè)特性-5明度（Brightness）明度常用垂直軸表示，見(jiàn)圖(a)在圖(b)中，七種顏色具有相同色調(diào)和飽和度不同的明度底部的明度最小頂部的明度最大(a)垂直軸表示法(b)示例33飽和度和亮度的關(guān)系同一色調(diào)越亮或越暗越不純。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，但是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，其飽和度也降低了。34顏色的三個(gè)特性-6亮度（luminance）由于明度很難度量，因此國(guó)際照明委員會(huì)定義了一個(gè)比較容易度量的物理量，稱為亮度(luminance)。亮度的值是可度量的，它用單位面積上反射或者發(fā)射的光的強(qiáng)度表示光的強(qiáng)度用“intensity”表示，但在許多中文工具書(shū)和科技文獻(xiàn)中把“intensity”和“l(fā)uminance”都翻譯成“亮度”總結(jié)：色調(diào)與光波的波長(zhǎng)有直接關(guān)系，亮度和飽和度與光波的幅度有關(guān)。35顏色空間-1表示顏色的一種數(shù)學(xué)方法對(duì)人，可以通過(guò)色調(diào)、飽和度和明度來(lái)定義顏色對(duì)顯示設(shè)備，用紅、綠和藍(lán)發(fā)光體的發(fā)光量來(lái)描述顏色對(duì)打印或印刷設(shè)備，使用青色、品紅色、黃色和黑色的反射和吸收來(lái)產(chǎn)生指定的顏色通常用三維模型表示顏色常用代表三個(gè)參數(shù)的三維坐標(biāo)來(lái)指定，這些參數(shù)描述顏色在顏色空間中的位置36顏色空間-2例：如圖表示用色調(diào)、飽和度和明度構(gòu)造的HSB(hue,saturation，andbrightness)

顏色空間色調(diào)用角度標(biāo)定，紅色標(biāo)為0°,青色標(biāo)為180°飽和度的深淺用半徑大小表示明度用垂直軸表示HIS（Intensity）

色調(diào)-飽和度-明度顏色空間37HIS/HSB

（A）HSI圓錐空間模型（B）線條示意圖：圓錐上亮度、色度和飽和度的關(guān)系。（C）縱軸表示亮度：亮度值是沿著圓錐的軸線度量的，沿著圓錐軸線上的點(diǎn)表示完全不飽和的顏色，按照不同的灰度等級(jí)，最亮點(diǎn)為純白色、最暗點(diǎn)為純黑色。（D）圓錐縱切面：描述了同一色調(diào)的不同亮度和飽和度關(guān)系。（E）圓錐橫切面：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(guò)中心的半徑橫軸。38顏色空間-339膚色模型（Skinmodel）膚色檢測(cè)在人臉檢測(cè)、手勢(shì)識(shí)別、人體跟蹤、敏感圖像過(guò)濾等問(wèn)題中得到廣泛應(yīng)用它通常被作為預(yù)處理環(huán)節(jié)來(lái)降低問(wèn)題求解的計(jì)算復(fù)雜度由于種族、光照、背景等因素的影響，準(zhǔn)確分割人體膚色區(qū)域仍是一個(gè)有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題40膚色模型（Skinmodel）膚色在不同顏色空間上的分布計(jì)算機(jī)表示中最常用的RGB顏色空間RGBisdevelopedwithCRTasanadditivecolorspaceIthashighcorrelation,non-uniformityandmixingofchrominanceandluminancedata.ThereforeRGBisnotsuitableforcoloranalysisandcolorbasedrecognition41膚色