《多媒體技術(shù)》教案3

長春工業(yè)大學(xué)課程教案/講稿用紙

教學(xué)設(shè)計/備

講授內(nèi)容

注

章節(jié)第三章

W泣U了解圖像的特征及指標、掌握圖像的顏色模型、了解數(shù)字化圖像

教學(xué)目的

的獲取及文件格式、掌握數(shù)字圖像處理方法。

人類的信息量的獲取65%來源于視覺，所以計算機中的圖像是計

算機多媒體技術(shù)所處理的重要信息之一，在日常生活中人們會發(fā)

導(dǎo)入新課現(xiàn)，有時用語言和文字難以表達的事物，用一張簡單的圖就能精

辟而準確地表達。因此，在多媒體計算機中圖形和圖像信息的獲

取及其文件格式就顯得非常重要。

在本章中，我們將介紹圖形和圖像的相關(guān)知識及基本原理，通過對顏色的理解掌

握常見的顏色模型，最后是圖像的數(shù)據(jù)表示，包括學(xué)習(xí)數(shù)字圖像的獲取過程、數(shù)據(jù)量

和文件格式。

3.1圖像原理

真實的圖像是如何存儲到計算機中的呢，在第一張概述已經(jīng)有了一定的了解，圖

像是以網(wǎng)格形式存儲的，如下圖所示。只要網(wǎng)格足夠細致，就能使得畫面足夠真實，

當然代價是存儲的數(shù)據(jù)量也就越多。下圖只存儲了輪廓點，依然能看出圖像的內(nèi)容，

但是失真程度很高，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)量需求可以選擇不同程度像點個數(shù)的存儲。

下面通過一個例子，說明計算機中圖像存儲的原理。

例：在8X16的像素點陣，存儲字符串"love"。

對于有一定計算機程序設(shè)計基礎(chǔ)的同學(xué)來說，首先想到的就是使用二維數(shù)組存儲

矩陣數(shù)據(jù)，可以使用定義Chara[8][16],代表8行16列的二維矩陣，假定坐標原點為

左下,則有了數(shù)據(jù)a[0][0]=，灰Ka[0][l]=,?,,a[0]⑵=次,a[l][l]='黑，,a[l][2]=^

黑'，…。共計8X16=128個值可以存儲內(nèi)容為“l(fā)ove"的此圖。這個過程，實際上己

經(jīng)完成了計算機中圖像的數(shù)據(jù)表示工作，是把圖像存入到計算機的過程。

當然，對于多媒體數(shù)據(jù)來說，圖像、照片和影視作品往往占有大量空間，是互聯(lián)

網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸負載的主要壓力。所以研究多媒體數(shù)據(jù)存儲的時候，除了數(shù)據(jù)如何表示外,

還會考慮數(shù)據(jù)壓縮。本例可以通過兩個方面對存儲的圖像做以壓縮。

第一，是像素點個數(shù)的壓縮。chara[8][16],一個字符數(shù)組元素占一個字節(jié)，整個8行

16列的二維數(shù)組占1字節(jié)X8X16=128字節(jié)。我們知道，一個二進制位(Ibit)可以代

表0和1兩個值，每增加一個二進制位就增加一倍表示的數(shù)據(jù)，所以8行我們可以由3

個二進制位表示(第0行由000表示，第一行由OOl表示，第二行由010表示，…)。

同樣16列可以由4個二進制位表示(第0列由0000表示，第一列由Oool表示，第二

列由OOIO表示，…)。

由此行列共計7個二進制位(7bit)可以存儲此二維矩陣，于原來的128字節(jié)相比

不到1字節(jié)的壓縮，效果立竿見影。如下圖所示。

第二，是像素值的壓縮。原來存儲的是a[0ηl]=，灰，，這樣的數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)此圖

片矩陣里的數(shù)據(jù)只有兩個值，一個是^i',另一個是'黑'。對于只有兩個值，正好1個

二進制(Ibit)的0和1來表示，那用0還是1代表，灰，呢，在這里我們選擇由0代表，

灰'。這是因為^e的點數(shù)量多，在數(shù)據(jù)壓縮過程中，大量的0比1更有利于各種壓縮。

綜合第一的像素個數(shù)(7bit)和第二的像素值(Ibit),此圖像共計8bit即1個字節(jié)

就可存儲了。補充說明下，這里的bit二進制位都用的是加法，實際上是因為他們都是

211這樣的n指數(shù)，就像二維矩陣一樣都是乘法，到指數(shù)變成的加法。

最終的圖像數(shù)據(jù)由1個字節(jié)記錄(3bit行值，4bit列值，Ibit顏色值)，舉幾個數(shù)據(jù)

說明一下，如下表所示。當然實際上由于只有兩種數(shù)據(jù)，灰，和'黑，，那么只存儲一種顏

色，不存另外的一種，完全可以表示出所有的數(shù)據(jù)，所以本例圖像存儲還是可以做進

一步的數(shù)據(jù)壓縮。

樣本數(shù)據(jù)行坐標列坐標顏色值

0010001111黑

0010010112黑

0100001121黑

0110011033灰

…

0110001131黑

通過本例子，不難發(fā)現(xiàn)，對于一幅圖像的數(shù)據(jù)量和幾個因素有關(guān)。分辨率：代表

圖像所需的網(wǎng)格的細致程度，是8X16還是1024X768,行值和列值越高，分辨率越高,

圖像越清晰，數(shù)據(jù)量越大；顏色深度：代表顏色的取值，本例只有‘灰'和'黑'兩個值，1

個二進制位(Ibit)即可存儲,如果是256種顏色，由28=256可知，8個二進制位(8bit)

就能存256種色彩，存儲的顏色越多，色彩越真實，數(shù)據(jù)量越大；壓縮編碼技術(shù)：對

于多媒體數(shù)據(jù)來說，數(shù)據(jù)量大是必須考慮的問題，對于不同的數(shù)據(jù)有著不同的特征，

比如圖像內(nèi)不同位置的局部具有相同的文理結(jié)構(gòu)、相鄰像素點之間的空間連續(xù)性、一

副圖像內(nèi)很多像點都是相近的或者相同的顏色、人類視覺原理發(fā)現(xiàn)的人眼不敏感色彩

等，根據(jù)具體數(shù)據(jù)的不同，有著適合自己的不同的壓縮算法。

3.1.1圖像和圖形

圖像是直接量化的原始信號形式，由像素點構(gòu)成，像素點是組成圖像的最基本的

元素。

圖形是指經(jīng)過計算機運算而形成的抽象化結(jié)果，由具有方向和長度的矢量線段構(gòu)

成。因此，人們通常把圖形叫做“矢量圖”。

圖形的描述不使用像點數(shù)據(jù)，而是使用坐標數(shù)據(jù)、運算關(guān)系以及顏色描述數(shù)據(jù)。

βAVA

◎?！?小

》▲▲C^恭C^

由于圖形不直接采用逐個描述像點的方法，因此數(shù)據(jù)量很小。但是，由于圖形的

顯示完全依賴數(shù)據(jù)的運算結(jié)果，因而稍微復(fù)雜的圖形需要花費較多的運算時間，顯示

速度受到影響。

圖像與圖形除了在構(gòu)成原理上的區(qū)別外，還具有以下一些區(qū)別：

(1)圖像的數(shù)據(jù)量相對較大，圖形的數(shù)據(jù)量相對較小。

(2)圖像的像點之間沒有內(nèi)在聯(lián)系，在放大與縮小時，部分像點被丟失或被重復(fù)

添加，導(dǎo)致圖像的清晰度受影響；而圖形由運算關(guān)系支配，放大與縮小不會影響圖形

的各種特征。

(3)圖像的表現(xiàn)力較強，層次和色彩較豐富，適于表現(xiàn)自然的、細節(jié)的事物；圖

形則適于表現(xiàn)變化的曲線、簡單的圖案、運算的結(jié)果等。

圖像分辨率

1.屏幕分辨率

屏幕分辨率(SCreenResolution)是由顯示器的硬件來決定的。分辨率就是屏幕圖

像的精密度，是指顯示器所能顯示的像素的多少。一般的CRT(CathodeRayTube)顯

示器通常分辨率都很高，是因為陰極射線可以達到足夠細的分辨率。而液晶顯示器LCD

(LiquidCrystalDisplay)或者筆記本式計算機的顯示屏由于硬件的液晶分子層間隙的

大小，通常只能達到如下圖所示的1366×768的分辨率。通常情況下，這種硬件分辨

率決定了顯示器的質(zhì)量，分辨率越高，畫面越細致。

更改顯示器的外觀

?

2.顯示分辨率

顯示分辨率(DiSPIayReSoIUtion)確定屏幕上顯示圖像區(qū)域的大小，即構(gòu)成全屏顯示的

像素點的個數(shù)。以每行擁有的像素點數(shù)X屏幕顯示行數(shù)來表示，比如1280X768等，

顯示分辨率最高的時候可以取硬件分辨率，也就是屏幕分辨率。

更改顯示SS的外觀

3.圖像分辨率

圖像分辨率(ImageResolution)是圖像獲取的時候就固定了的固有屬性，由手機或者

數(shù)碼相機的光敏原件及拍攝的參數(shù)決定，如下圖所示的圖片就是800X600的圖像分辨

率。

sa安全洋細信息；以前的版本

拍捐日期aa59892bθd24c

程序名稱6d9e6cd40ec.jp

獲取日期g

版權(quán)

圖

像

尺

寸

800X600

寬

度

800像素

嘉

度

6∞像素

圖像分辨率是指組成一幅圖像的像素密度的度量方法，用每英寸多少個像素點表

示PPi(pixelsperinch)0也有人用dpi(dotperinch)來表示,有時PPi和dpi經(jīng)常都會

出現(xiàn)混用現(xiàn)象。但是他們所用的領(lǐng)域也存在區(qū)別。從技術(shù)角度說，"像素”只存在于計

算機顯示領(lǐng)域，而"點”只出現(xiàn)于打印或印刷領(lǐng)域。

對同樣大小的一幅圖，如果組成該圖的圖像像素越多，則說明圖像的分辨率越高,

看起來就越逼真(包含了更多的圖像細節(jié))。相反，則圖像顯得越粗糙。如圖3-13所示

是不同圖像分辨率的相同圖像在相同大小顯示區(qū)域顯示情況。

(c)125X94PPi圖像_____(b)250X188ppi圖像

(e)500×375ppi圖像

4.圖像縮小后再放大的失真

圖像像素點陣顧名思義就是由像素點構(gòu)成的，如同用馬賽克去拼貼圖案一樣，每

個馬賽克就是一個點，若干個點以矩陣排列成圖案。

以下模擬一次縮小的過程，假設(shè)我們要將一幅10X6像素組成的圖像縮小為5X3

像素組成的圖像，每個灰色方塊代表一個像素。當縮小指令發(fā)出后，等距離地抽取像

素并丟棄。然后再將剩余的像素拼合起來，形成縮小后的圖案。

在縮小以后，像素數(shù)從60降到了15,這其中丟棄了45像素的信息。然后如果又

將縮小后的圖像擴大到60像素，雖然像素總量和原先一樣是60,但在第一次轉(zhuǎn)換中丟

棄的45像素信息卻是找不回來的。圖形圖像處理軟件一般是采用插值算法去彌補這45

像素。所謂插值算法，就好比猜測，憑空去"捏造”那些并不存在的像素。

如取縮小圖中左上角那2X2的部分。現(xiàn)有A、B、C、D四個像素，要將2X2擴

成3X3,那么就要多出5個像素。圖中的標號是1、2、3、4、5。如何確定這原先并

不存在的像素的顏色呢？一般是將現(xiàn)有兩個像素的顏色值取平均，作為新像素的顏色。

也就是說A和B運算后得出1；AC運算后得出2；BD得出4；CD得出5；3則是由

1245運算得出的。

AnB

234

CD

注意：以上內(nèi)容是為了便于理解而打的比方，真正的圖像運算概念和過程遠比這

復(fù)雜的多。

可以想象，用這樣方式“捏造”出來的像素和真正原先的像素肯定存在誤差甚至

是很大的誤差。以上就是圖像放大和縮小的原理，過程中會"捏造"或“扔掉”很多

像素(應(yīng)該捏造或隱藏)，調(diào)整圖像的大小時就是添加或扔掉這些像素重新確定圖片的

大小。當然，在某些時候為了提高圖像的質(zhì)量，也使用插補法來擴充圖像的原有分辨

率。

圖像的顏色深度

圖像分辨率分析的是組成一幅圖像需要多少像素點，是圖像的幅面問題。而圖像

深度(ImageDepth)是描述圖像中每個像素的數(shù)據(jù)所占的二進制位數(shù)，它決定了彩色

圖像中可以出現(xiàn)的最多顏色數(shù)，或者灰度圖像中的最大灰度等級數(shù)。

a)1位圖像

1位圖像指的是在構(gòu)成圖像的像素點只用一個二進制位來表示，那么這個位可以取

兩個值O和1,即兩種狀態(tài)。所以把這樣的圖像稱為二值圖像(binaryimage),也稱為

1位單色(monochrome)圖像。對于單色圖像，依然可以根據(jù)像素的疏密程度來顯示

復(fù)雜的內(nèi)容。

b)8位灰度圖像

灰度圖像(GraySCalelmage),也稱為灰階圖像：8位圖像中每個像素可以由0(黑)

到255(白)的亮度值表示。0?255之間取值表示不同的亮度值，不同程度的灰度級。

如下圖所示：

灰度數(shù)字圖像是每個像素只有一個采樣顏色的圖像。這類圖像通常顯示為從最暗

的黑色到最亮的白色的灰度，盡管理論上這個采樣可以獲取任何顏色的不同深淺，甚

至可以是不同亮度上的不同顏色?；叶葓D像與單色圖像不同，單色圖像只有黑色與白

色兩種顏色:灰度圖像在黑色與白色之間還有許多級的顏色深度。8位灰色圖像如圖所

c)24位真彩色圖像

在一個24位真彩色(truecolor)圖像中,每個像素由3個字節(jié)(3×8bit=24bit,

24位真彩色圖像)表示，通常是代表RGB(Red、Green、Blue)三個基色分量，R、G

和B每個分量存儲時占用一個字節(jié)(8bit)。每個RGB分量直接決定其基色的強度，取

值區(qū)間每個都是在0-255。這種格式支持256X256X256(共計16777216)種可能

的顏色組合，如下所示：

24位真彩色圖像如圖所示。

d)32位真彩色圖像

在一個使用32位存儲的真彩色圖像中，每個像素由4個字節(jié)(4×8bit=32bit)組

成。R(Red)、G(Green)、B(Blue)三種顏色以及阿爾法通道各占8bit<,RGB我們

都知道代表紅綠藍，阿爾法通道(AlPhaChannel)代表一張圖片的透明程度。由于阿

爾法通道由1個字節(jié)存儲，既是可以取256個值(0-255)。

阿爾法通道并非只能出現(xiàn)在32位真彩色圖像中，例如：一個使用16位存儲的圖

片，可以是5位(25=32個值)表示紅色(0-31)中取值，5位表示綠色，5位表示藍

色，1位是阿爾法(0和1兩個值)。在這種情況下，它要么表示透明的，要么表示不

透明的。

阿爾法通道還可以在圖像處理中有所體現(xiàn)，兩幅圖像A和B混合成一幅新圖像C,

新圖像的像素為:NewPixelCcolor=(alpha)(pixelAcolor)+(alpha)(pixelBcolor),這

里的alpha作為參數(shù)可以表示透明程度的選擇，進行合成。

D調(diào)色板(顏色查找表)

調(diào)色板的概念并不陌生，在很多的圖像處理軟件中都有接觸，它不僅是用來控制

色系，顏色效果的功能，更主要的是它可以用來節(jié)省空間，也就是圖像的一種數(shù)據(jù)壓

縮方法。

以一副1280X800,24位(RGB)真彩色圖像(數(shù)據(jù)量約為2.93MB)為例，說明

下調(diào)色板的工作原理。

未經(jīng)壓縮的圖像，采用RGB顏色空間模型，如下圖所示，使用vec3(r,g,b)表示，

相當于三維直角坐標系，x、y、Z軸相當于紅、綠、藍三通道，原點vec3(0.0,0.0,0.0)

代表黑色，頂點vec3(1.0,1.0,1.0)代表白色，點vec3(1.0,0,0)代表紅色，點vec3(0,1,0)

代表綠色，點vec3(0,0,1)代表藍色，原點到頂點的中軸線X=y=Z代表灰度線，灰度

線上的點代表另外兩維空間顏色值取0,當前維度為256個灰階中的一個。

為了對這樣的立方體進行壓縮，減少數(shù)據(jù)量,最直接的方法就是在立方體中選擇

一些點作以保留，其他相近的點取這些保留點的值，如下圖所示。

這樣顏色樣本就可以大幅縮減，當然隨之而來的是，個別像點的顏色發(fā)生了變化,

如"黑灰”存儲為“黑”，這也就是顏色取值時的失真的原因之一。對于這樣的保留下

來的像點是如何選取的呢？是一個比較直觀的取點方法就是先把RGB立方體分成大小

相等的塊，然后選取每個小塊立方體中央的顏色，如下圖所示。這種方法易于理解，

算法簡單，實現(xiàn)方便等優(yōu)點。

但實際上并非按照上面的方法獲取的像素點，下圖是一張顏色查找表（CoIOr

Look-UpTable,CLUT）,是選中的像點的集合，這些點并不是通過計算得到的，而是

根據(jù)人類的視覺原理通過實驗測試得到的。

人眼對顏色的敏感程度，比起藍色，人類對紅色、綠色更敏感，紅色和綠色取值

就精細一些，藍色的就粗獷一些（大量點取相同的值）。例如：圖像壓縮過程中，我們

可以將紅色和綠色的范圍從0-255縮小到3位（0?7）,而藍色的范圍縮小到2位（0?

3）,總共8位。同時，人類對圖像的位置也有所差異，對左上敏感，對右下不敏感，

所以在圖像的右下是可以進行大量壓縮的。

RGB值RGB值RGB值

000#000000黃色2552550#FFFFOO淺灰蜜色176224230#80E0E6

413633#292421香蕉色22720787?∈3CF57品I65105225#4169El

192192192*COCOCO犒寅25515318肝F9912石板蜜10690205#6A5ACD

128138135*808A87dougello23514285*EB8E55夭蟹135206235*87CEEB

112128105#708069forumgold255227132*FE384

128128105#808069金黃色2552150*FFD700者色0255255#00FFFF

黃花色218165105*OAA569嫌土569415*385E0F

白色255255255*FFFFF瓜色227168105*∈3A869&青84684*082E54

)-

古毫白250235215*FAEBD7255970#FF6100（1綠色127255212*7FFFD4

天籃色240255255*FOFFFF255973*FF6103青綠色64224208MOEODO

白JS245245245*F5F5F5胡蘿卜色23714533*ED9121緣色02550*OOFFOO

白杏仁255235205*FFFFCD?*2551280曄F8000黃球色1272550*7FFFOO

comstlk255248220*FFF8DC淡貨色245222179MF5DEB3m^.14564#309140

蜜殼色252230201*FCE6C9≡^020187*00C957

31284242森林綠

花白255250240#FFFAFo*802A2AI3413934*228B22

米首

ga∣nsboω220220220OCDCDC163148128*A39480革地緣1242520*7CFCOO

I138

ghostWhrte248248255#F8F8FFI槌濃黃土包5415#6A360F5°20550*32CD32

I限例

I耀標土色

XM240255240#FOFFFO1355136#873324薄荷色189252201#8DFCC9

象牙自250255240#FAFFFO育克力電21010530M)2691E革綠色10714235*6β8E23

亞麻色250240230*FAF0E6肉色25512564#FF7D40Bi綠色4812820*308014

navajoWh∣te255222173*FFDEAD黃福色240230140*F0E68C4613987*2E8B57

oldIace253245230*FDF5E6政城紅188143143*8C8F8F■綠色0255127#00FF7F

海貝殼色255245238*FFF5EE有貢土色1999720#C76114

雪白255250250*FFFAFA1157418M734A1216032240,A020F0

紫9≡?∣

3殖邕標943818*5E261213843226#8A2BE2

紅色25500fFF00001608245*A0522D160102211*A066D3

8?紅15610231*9C661F1396919#80451315351250#9933FA

廟2272313#E3170D沙標色24416496#F4A460淡紫色218112214OA70D6

籍期色25512780WFFTFSO稼拐色210180140*O2B48C梅紅色221160221*OOAODD

耐火琳紅1783434#822222

印度紅1762331#80171F皙色00255#OOOOFF

1764896#803060牯色6189171M3D59AB

粉紅255192203肝FCoC8曲S330144255#1E90FF

草芥色1353887#872657jack>eblue112370#081746

橙紅色250128114奸A80723168158*03A89E

蕃茄紅2559971#FF63472525112#191970

楮紅255690奸F4500孔爸道51161201*33A1C9

深紅色2550255#FFOoFF土耳其玉色0199140W0C78C

顏色查找表來存儲顏色信息，顏色查找表也就是通常說的調(diào)色板（palette）。圖像

中的其他像點的顏色取值在顏色查找表中找到相近的點做存儲。同時，我們也發(fā)現(xiàn)實

際上計算機存儲圖像數(shù)據(jù)的方法，可以由原來的每個像點單獨存儲自己的像素值

（RGB）,現(xiàn)在分兩部分存儲：一是顏色查找表（存儲真實的顏色值）；二是像點存的

顏色索引值（此索引值只是在顏色查找表中的一個編號，通過此編號可以找到對應(yīng)的

顏色值），由于存儲的是索引號，不是具體的顏色，可以節(jié)省大量存儲空間。

有了顏色查找表后，如何把原來的24位真彩色圖像，映射到顏色查找表中的8位

（256種顏色）中呢？通常是采用中值區(qū)分算法（median-cutalgorithm）,計算實際像素

值和顏色查找表中的那個像素更近一些。這樣的描述帶來兩種可能：好的可能，實際

像素和顏色查找表的某個像素很近，那么顏色將很真實；郁悶的可能，實際像素和顏

色查找表的多個像點都很相近，選擇其中一個都會有很大誤差，導(dǎo)致圖像失真。如下

圖所示的是顏色查找表和圖像實際像點不同程度的匹配效果：

由上圖可知道，在一幅圖中仔細選擇使用那些顏色，具有最佳表現(xiàn)力是有意義的:

如果一幅圖像繪畫的是日落場景，那么精確地表現(xiàn)紅色而又僅存儲少量的綠色是合理

的。這就是為什么每個單獨的彩色圖像文件中存儲著各自對應(yīng)的顏色查找表（調(diào)色板）。

3.2圖像的顏色

對于圖像的設(shè)計與處理，認識顏色是創(chuàng)建完美圖像的基礎(chǔ)。在計算機上有一套特

定的記錄和處理顏色的技術(shù)。因此，要理解圖像處理軟件中所出現(xiàn)的各種有關(guān)顏色的

術(shù)語，首先要具備基本的顏色理論知識。

顏色的來源

顏色是通過眼、腦和我們的生活經(jīng)驗所產(chǎn)生的一種對光的視覺效應(yīng)。人對顏色的

感覺不僅僅由光的物理性質(zhì)所決定，比如人類對顏色的感覺往往受到周圍顏色的影響。

有時人們也將物質(zhì)產(chǎn)生不同顏色的物理特性直接稱為顏色。

直接光

■—明透遇先

光源

W反射光

物慰

接受光的刺激>?生色彩的知??和反<?

電磁波的波長和強度可以有很大的區(qū)別，在人可以感受的波長范圍內(nèi)（約380納

米至740納米），這個波長范圍的光被稱為可見光，有時也簡稱為光。

一個物體的光譜決定這個物體的光學(xué)特性，包括它的顏色。不同的光譜可以被人

接收為同一個顏色。雖然可以將一個顏色定義為所有這些光譜的總和，但是不同的動

物所看到的顏色是不同的，不同的人所感受到的顏色也是不同的，因此這個定義是相

當主觀的。

假如一個物體的表面的結(jié)構(gòu)使得它有間隙的吸光和反光的部分，而這些不同的光

學(xué)特性的部分之間的距離與光的波長相應(yīng)，那么白光照射到這個表面上時就會發(fā)生衍

射，一定顏色的光會被向一定的角度反射。這個物體的表面就會產(chǎn)生特別的彩虹般的

閃光?？兹傅挠鹈?、許多蝴蝶的翅膀、貝母等就會產(chǎn)生這樣的結(jié)構(gòu)顏色。最近一些汽

車制造商也使用特別的漆來達到這樣的熒光效果。

顏色概述

純顏色通常使用光的波長來定義，用波長定義的顏色叫光譜色（SPeCtralCOIOr）。除

了用波長來對顏色進行描述外，還可以通過大腦對不同顏色的感覺來描述。這些感覺

由國際照明委員會CIE（InternationalCommissiononIllumination,這個委員會創(chuàng)建的目

的是要建立一套界定和測量色彩的技術(shù)標準?？苫厮莸?930年，此標準一直沿用到數(shù)

字視頻時代，其中包括白光標準和陰極射線管內(nèi)表面紅、綠、藍三種磷光理論上的理

想顏色。）做了定義，用顏色的三個特性來區(qū)分顏色，分別是色調(diào)、飽和度和亮度。

（1）亮度是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)光強

度有關(guān)。由于其強度不同，看起來可能亮一些或者暗一些，顯然，如果顏色光的強度

降到使人看不到了，在亮度標尺上它應(yīng)與黑色對應(yīng)，同樣，如果其強度變得很大，那

么亮度等級應(yīng)與白色對應(yīng)。對于同一物體照射的光越強，反射光也就越強，也稱為越

亮；對于不同的物體在相同照射情況下，反射越強者看起來越亮。此外亮度還與人類

視覺系統(tǒng)的視敏函數(shù)有關(guān)，即便強度相同，不同顏色的光照射同一物體時也會產(chǎn)生不

同的亮度。

（2）色調(diào)是當人眼看一種或者多種波長的光時所產(chǎn)生的彩色感覺，它反映顏色的

種類，是決定顏色的基本特性。紅色、棕色等都是指色調(diào)。某一物體的色調(diào)，是指該

物體在日光照射下，所發(fā)射的各光譜成分作用于人眼的綜合效果，對于透射物體則是

透過該物體的光譜綜合作用的結(jié)果。

（3）飽和度是指顏色的純度即摻入白光的程度，或者說是指顏色的深淺程度，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。例如，當紅色加入白光之后

沖淡為粉紅色，其基本色調(diào)還是紅色，但是飽和度降低，換句話說，淡色的飽和度比

鮮色要低一些。飽和度還和亮度有關(guān)，因為若在飽和的彩色光中增加白光的成分，增

加了光能，因而變得更亮了，但是它的飽和度卻降低了。如果在某色調(diào)的彩色光中，

摻入別的彩色光，則會引起色調(diào)的變化，只有摻入白光時引起飽和度的變化。

通常使用下圖所示的顏色圓來表示亮度、色調(diào)和飽和度。其中用沿著圓周來表示

色調(diào)，沿徑向表示飽和度，沿垂直方向表示亮度。

通常把色調(diào)和飽和度通稱為色度，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與深淺程度。

f亮度

三基色原理

自然界常見的各種彩色光，都可以由紅（Red用R來表示）、綠（Green用G來表

示）、藍（BIUe用B來表示）三種顏色按照不同比例相配而成，同樣絕大多數(shù)顏色也可

以分解成紅、綠、藍三種色光，這就是三基色原理。對于我們目前使用的顯示器用的

就是這三色來實現(xiàn)彩色的輸出顯示，當然三基色的選擇不是唯一的，根據(jù)具體情況可

以選擇其他的三種顏色作為三基色，但是，選擇的顏色必須是互相獨立的，即任何一

種顏色都不能由其他兩種顏色合成。由于人眼對紅、綠、藍三種色光最敏感，所以一

般都選擇這三種顏色作為基色。

把三種基色光按照不同比例混合相加，稱之為相加混色。由紅、綠、藍三基色相

加混色的情況如下：

紅色+綠色=黃色

紅色+藍色=品紅

綠色+藍色=青色

紅色+綠色+藍色=白色

由于人眼對相同亮度單色光的主觀感覺不同，所以用相同亮度的三基色混色時，

如果把混色后所得到的單色光亮度定為100%的話，那么人的主觀感覺是：綠光僅次于

白光，是三基色中最亮的；紅光次之，亮度約為綠光的一半；藍光最弱，亮度約占紅

光的三分之一。當白色光的亮度用Y來表示的時候，那么用如下方程描述白色光：

Y=0.299R+0.587G+0.114B

這是最常用的亮度公式。它是根據(jù)美國國家電視標準委員會的NTSC(National

TelevisionStandardsCommittee)制式推導(dǎo)得到的。如果是采用PAL(PhaseAlternating

Line)制式時的亮度公式改為：

Y=0.222R+0.707G+0.071B

這兩個公式不同的原因是由于所選取的顯示三基色不同。

三基色在相加混色的時候有以下三種方法。

(1)時間混色法。將三基色按照一定比例輪流投射到同一屏幕上，由于人眼的視

覺惰性(視覺惰性現(xiàn)象也稱為視覺的暫留。當一幅圖像在眼睛中成像后，圖像的突然

消失并不會使視覺神經(jīng)和視覺處理中心的信號也突然消失，而是發(fā)生一個按指數(shù)規(guī)律

衰減的過程，信號完全消失需要一個相當長的時間。當人在黑暗中揮動一支點燃的香

煙時，實際的景物是一個亮點在運動，然而看到的卻是一個亮圈。如果讓觀察者觀察

按時間重復(fù)的亮度脈沖，當脈沖重復(fù)頻率不夠高時，人眼就有一亮一暗的感覺，稱為

閃爍；重復(fù)頻率足夠高，閃爍感覺消失，看到的則是一個恒定的亮點。閃爍感覺剛好

消失時的重復(fù)頻率叫做臨界閃爍頻率。脈沖的亮度越高，臨界閃爍頻率也相應(yīng)地越

高。)，只要交替速度足夠快，產(chǎn)生的彩色視覺與三基色直接相混時一樣如下圖旋轉(zhuǎn)和

靜止的陀螺?

(2)空間混色法。將三基色同時投射到彼此距離很近的點上，利用人眼分辨力有

限的特性而產(chǎn)生混色，或者使用空間坐標相同的三基色光的同時，投射產(chǎn)生合成光。

如下圖所示，近看是若干個瓦片，瓦片顏色各異，遠看房頂是一個混合的顏色。

(3)生理混色法。利用兩只眼睛分別觀看兩個不同顏色的同一景象，也可以獲得

混色效果。

顏色模型

顏色模型是指彩色圖像所使用的顏色描述方法。使用顏色模型的目的是盡可能多

和有效地描述各種顏色，以便需要時能方便地加以選擇。各個領(lǐng)域一般使用不同的顏

色模型，如計算機顯示時采用的是RGB模型，彩色電視信號傳輸時采用YUV模型，

打印輸出彩色圖像時用CMY模型，還有另外一些顏色模型的表示方法，下面將討論幾

種常見的顏色模型。

1.RGB模型

在多媒體計算機技術(shù)中，因為計算機的彩色監(jiān)視器的輸出需要RGB三個彩色分量,

通過三個分量的不同比例，在顯示屏幕上合成所需的任意顏色。所以不管多媒體系統(tǒng)

中采用什么形式的顏色模型表示，最后輸出一定要轉(zhuǎn)換成RGB彩色表示。

RGB模型采用相加混色的方法，因為沒有光是全黑，各色光加入后才產(chǎn)生色彩。

同時越加越高，加到極限時成為白色?，F(xiàn)在使用的彩色顯示器和電視機都是利用這三

基色混合原理來顯示圖像，而把彩色圖片輸入到計算機的彩色掃描儀則是利用它的逆

過程。掃描是把一幅彩色圖片分解成R、G、B三種基色，每一種基色的數(shù)據(jù)代表特定

顏色的強度。當這三種基色的數(shù)據(jù)在計算機中重新混合時又顯示出它原來的顏色。

2.HSL模型

HSL(Hue,Lightness,Saturation)模型是使用H、L和S三個參數(shù)來生成顏色。

H為顏色的色調(diào)，改變它的數(shù)值可生成不同的顏色表示；S為顏色的飽和度，改變它可

使顏色變亮或者變暗；L為顏色的亮度參量。由于人的視覺對亮度的敏感程度遠強于對

顏色濃淡的敏感程度，為了便于色彩處理和識別，人的視覺系統(tǒng)經(jīng)常采用HSL顏色空

間，它比RGB顏色空間更符合人的視覺特性。

3.YUV模型

YUV是被歐洲電視系統(tǒng)所采用的一種顏色編碼方法，是PAL和SECAM模擬彩色

電視制式采用的顏色空間。YUV主要用于優(yōu)化彩色視頻信號的傳輸，使其向后相容老

式黑白電視。與RGB視頻信號傳輸相比，它最大的優(yōu)點在于只需占用極少的頻寬(RGB

要求三個獨立的視頻信號同時傳輸)。其中“Y”表示明亮度(Luminance),也就是灰

階值；而"U”和“V”表示的則是色度(Chrominance),作用是描述影像色彩及飽和

度，用于指定像素的顏色。"亮度”是透過RGB輸入信號來建立的，方法是將RGB信

號的特定部分疊加到一起?！吧取眲t定義了顏色的兩個方面一色調(diào)與飽和度，分別用

Cr和Cb來表示。其中，Cr反映了RGB輸入信號紅色部分與RGB信號亮度值之間的

差異。而Cb反映的是RGB輸入信號藍色部分與RGB信號亮度值之間的差異。

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，那么這樣表示的圖像就是黑白灰度圖像。彩色電

視采用YUV空間正是為了用亮度信號Y解決彩色電視機與黑白電視機的兼容問題，使

黑白電視機也能接收彩色電視信號。

4.CMY模型

計算機屏幕顯示彩色圖像時采用的是RGB模型,而在打印時一般需要轉(zhuǎn)換成CMY

模型。CMY模型(Cyan,Magenta,Yellow)是采用青、品紅(洋紅)、黃色三種基

色按一定比例合成顏色的方法。CMY模型和RGB模型不同，色彩的產(chǎn)生不是直接來

自于光線的色彩，而是由照射在顏料上反射回來的光線所產(chǎn)生。顏料會吸收一部分光

線("減去”光)，而未吸收的光線會反射出來，成為視覺判定顏色的依據(jù)，所以這種

色彩的產(chǎn)生方式稱為減色法。所有的顏料都加入后才能成為純黑，當顏料減少時，才

開始出現(xiàn)色彩，顏料全部除去后才成為白色。

RGB模式是一種發(fā)光的色彩模式，你在一間黑暗的房間內(nèi)仍然可以看見屏幕上的

內(nèi)容:CMYK是一種依靠反光的色彩模式，我們是怎樣閱讀報紙的內(nèi)容呢？是由陽光

或燈光照射到報紙上，再反射到我們的眼中，才看到內(nèi)容。它需要有外界光源，如果

你在黑暗房間內(nèi)是無法閱讀報紙的。

RGB

雖然理論上利用CMY三原色混合可以制作出所需要的各種色彩，但實際上同量的

CMY混合后并不能產(chǎn)生完善的黑色或者灰色。因為所有打印油墨都會包含一些雜質(zhì)，

這三種油墨實際上產(chǎn)生一種土灰色，必須與黑色K(black)油墨混合才能產(chǎn)生真正的

黑色。因此，在印刷時必須加上一個黑色，這樣又稱為CMYK模式。四色印刷便是依

據(jù)CMYK模式發(fā)展而來的?以常見的彩色印刷品為例，我們所看到的五顏六色的彩色

印刷品，其實在印刷的過程中僅僅只用了四種顏色。在印刷之前先通過計算機將一張

真彩色圖像，分成四張單色透明的灰度圖的分色膠片，只有將這C、M、Y、K四種顏

色疊印在一起的時候，就能產(chǎn)生一張絢麗多姿的彩色照片。

3.3數(shù)字化圖像

數(shù)字圖像的獲取

如同音頻信號是基于時間的連續(xù)函數(shù)，在現(xiàn)實空間，以照片形式或視頻記錄介質(zhì)

保存的圖像，其亮度與顏色等信號都是基于二維空間的連續(xù)函數(shù)。計算機無法接收和

處理這種空間分布和亮度取值均連續(xù)分布的圖像。圖像信號的數(shù)字化，也就是按一定

的空間間隔自左到右、自上而下提取畫面信息，并按一定的精度進行量化的過程。

數(shù)字圖像的獲取可以分為采樣、量化和編碼三個步驟。其中采樣的結(jié)果就是通常

所說的圖像分辨率，而量化的結(jié)果則是圖像所能容納的顏色總數(shù)（圖像深度）。

1.采樣

圖像采樣就是將二維空間上模擬的連續(xù)亮度或彩色信息，轉(zhuǎn)換成一系列有限的離

散數(shù)值來表示。由于圖像是一種二維分布的信息，所以采樣就是對圖像在水平方向和

垂直方向上進行等間隔的取樣。如果水平方向上被劃分成M個點，垂直方向上被劃分

成N個點，那么MXN就是圖像的分辨率。

2.量化

采樣是對圖像的空間坐標進行離散化處理，而量化是對每個離散點，也就是像素

的灰度或顏色樣本進行數(shù)字化處理，把模擬的連續(xù)亮度值使用數(shù)字的離散亮度值來表

3.編碼

數(shù)字化得到的圖像數(shù)據(jù)量十分巨大，必須采用編碼技術(shù)來壓縮信息。在一定意義

上講，編碼壓縮技術(shù)是實現(xiàn)圖像傳輸與存儲的關(guān)鍵。

數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量

一幅模擬圖像按照一定的圖像分辨率和圖像深度進行采樣，從而得到一幅數(shù)字化

的圖像。數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量公式可按照以下公式計算：

圖像數(shù)據(jù)量=圖像水平分辨率X圖像垂直分辨率X圖像深度!8

【例】：一幅分辨率為1280X800,24位真彩色圖像，計算圖像數(shù)字化后的數(shù)據(jù)量。

【解答】：圖像熔化后的數(shù)據(jù)量為：

圖像數(shù)據(jù)量=1280×800×24÷8=3072000B=3000kB≈?2.93MB

由此看出，圖像的分辨率越高，圖像的深度越深，則數(shù)字化后的圖像效果就越逼

圖像分辨率圖像深度（bit）數(shù)據(jù)量（?g）

800×60016937.5

800×600241406.25

1024×768242304

1024×768323072

1280×800243000

3.3.3數(shù)字圖像的文件格式

能理解識別信息的用途和壓縮原理的編碼規(guī)則，那么就不難讀寫各類圖像文件，

甚至自行設(shè)計出一種圖像文件格式。

1.圖像文件的一般結(jié)構(gòu)

一般的圖像文件結(jié)構(gòu)主要都包含有文件頭、文件體和文件尾等三部分。

(1)文件頭：軟件ID、軟件版本號、圖像分辨率、圖像尺寸、圖像深度、彩色類

型、編碼方式、壓縮算法

(2)文件體：圖像數(shù)據(jù)、彩色變換表

(3)文件尾：用戶名、注釋、開發(fā)日期、工作時間

以上是一個大概的圖像文件結(jié)構(gòu)說明，實際的結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的格式其中的條目要

細得多，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜得多，各個條目所占空間及條目間的排列順序也大不相同。目前

還沒有非常統(tǒng)一的圖像文件格式。但大多數(shù)圖像處理軟件都與數(shù)種圖像文件格式相兼

容，也即可讀取多種不同格式的圖像文件。這樣，不同的圖像格式間可相互轉(zhuǎn)換。當

然，還有專門的圖像格式轉(zhuǎn)換軟件，用于各種圖像格式間的轉(zhuǎn)換。

2.BMP圖像文件格式

BMP(Bitmap))是一種與硬件設(shè)備無關(guān)的圖像文件格式，使用非常廣。它采用位

映射存儲格式，除了圖像深度可選以外，不采用其他任何壓縮，因此，BMP文件所占

用的空間很大。BMP文件的圖像深度可選Ibit、4bit、8bit及24bkBMP文件存儲數(shù)

據(jù)時，圖像的掃描方式是按從左到右、從下到上的順序。

由于BMP文件格式是Windows環(huán)境中交換與圖有關(guān)的數(shù)據(jù)的一種標準，因此在

Windows環(huán)境中運行的圖形圖像軟件都支持BMP圖像格式。

典型的BMP圖像文件由三部分組成：①位圖文件頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：包含BMP圖像文

件的類型、顯示內(nèi)容等信息；②位圖信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：包含有BMP圖像的寬、高、壓縮

方法:③定義顏色等信息。如下為一副BMP格式的圖片顯示以及其十六進制形式的顯

無標題.bmp

項目類型KankanBMP圖像

修改日期：2016-5-139:31

4尺寸:82X88

-J大小:21.3KB

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