（信号与信息处理专业论文）从真彩色到索引色位图的自动转换及抖动技术的研究.pdf

哈尔滨工耩太学硕士学位论文 j 目一i i i i i i h i 1i i i i i 【 缡要 电视枫糖矮盒鲍蹬璐魏速了数窜糖援瓣发鼹避程，窝辩邀露天与电懿规 提筷了耱垒耨魏交互式操穆平套。鬻後在数字魄援孛是登不爵少，溪程， 电视显示器一般显示8 位图像，恧数字图像采集域罄采集瞧图像为2 4 经，鞭 此必须将发送端图像的颜瞧模式从2 4 位转换贼8 健詹，才可以在电视接收瓿 上歪鬻瓣矮示。甏豫经遥颜色模式转换，不餐霹戳洚蕊露餮讳浚餐戆鋈求， 而且可以趟到艇缩数据的鼹的。本文以颜色模式转换沟主线，进行大基的辑 究和实验，主要工作如下：首先，邋过对真彩色朔索孽 色图像的数据特点邀 行研究，以及对已有磷究娥果戆参考，靠定耀应斡方案进霉亍颜篷模式转换。 箕次，蹰美键技术进行研究和实验，瓴括调色板的选定鞠攀色调技术懿研究。 第三，提出基于自动转换算法，以邋应不同图像对调色板的鼹求；并针对 f l o y d s t e i n b e r g 抖动存在的龟纹现象，提出基于弱化算法的抖幼技术，对实 验缭暴放主痰鞭窖鼹舞个方瑟译傍。实验结果表疆，零文挺爨瓣窭魂转换冀 法瑟活且转换效果好，蒸于弱化算法鞠抖劝有效晌改蒋了龟纹现象，极大的 提商了颜色模式转换籍阐像的质量。本文所涉及的程序简单易行，便于进行 嵌入式系统瓣移檀。磅究袋鬃已经黢惩到实际生产中，取褥了缀磐躲散暴。 奉漾题楚邂论与实践翱结合静有益尝试。 关键谲：簌色搂式转换；半夔谲接术；f l o y d s l e i n b e r g ；弱亿辩渤 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a 弑s t r a c t t h ed e v e l o p i n gc a u s eo ft h ed i g i t a lt vh a db e e ni n c r e a s e db yt h e s e t - t o p - b o x se m e r g e n c e a tt h es a m et i m e ，i ta l s op r o v i d e dan e wi n t e r a c t i o n o p e r a t i o n a ls y s t e m i nt h ed i g i t a lt 试t h ei m a g ei sa b s o l u t e l yn e c e s s a r y n o w , t h e t vd i s p l a yc o u l ds h o wt h e8 b i ti m a g ec o m m o n l y , b u tt h ei m a g et a k i n g e q u i p m e n tc o u l do n l yo b t a i nt h e2 4b i ti m a g e ，s ot h e2 4b i ti m a g em u s tb e t r a n s f o r m e dt ot h e8b i tf r o mt h eb e g i n n i n g 。t h a tc o u l db es h o wa tn ，n a t u r a l l y a f t e rt h ec o l o rm o d et r a n s f o r m i n go f i m a g e ，i tc o u l dn o to n l yr e d u c e dt h ed e m a n d t oh a r d w a r eo fs y s t e m ，b u ta l s oc o m p r e s s e dt h ec o l o rd a t a t h ea r t i c l ef o c u s e do n t h ec o l o rm o d et r a n s f o r m a t i o na n dm a d eal a r g en u m b e ro f e x p e r i m e n t s t h em a i n w o r ko ft 艄sa r t i c l ew a sa sf o l l o w s ：f n s f l yw o r k i n go u tt h ep r o j e e to ft h ec o l o r m o d et r a n s f o r m a t i o nb ys t u d y i n go nt h ec o l o rd a t ac h a r a c t e r i s t i co f t h er e a l - c o l o r a n dt h ei n d e x c o l o r ，c o n s u l t i n gt h ep r o d u c t i o np r e v i o u s l y ；s e c o n d l y , s t u d y i n ga n d e x p e r i e n c i n go nt h ek e yt e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n gt h es e l e c t i n go ft h ep a l e t t ea n d t h es t u d yo nt h eh a l f t o n e t e c h n o l o g y ；t h i r d l y ，p u t t i n g f o r w a r dt h ea u t o t r a n s f o r m a t i o na l g o r i t h mt oa d a p t i n gt h ed e m a n do fa l lk i n d so fp a l e t t e sa n dt h e d i t h e r i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h ew e a k e n e do p e r a t o rf o ri m p r o v i n gt h en e t - m a po f t h ef l o y d s t e i n b e r ga l g o r i t h m ，e v a l u a t i n gt h er e s u l tf r o mt h es u b j e c t i v ea n d e x t e r n a l a s p e c t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t e dt h a ta u t o - t r a n s f o r m a t i o n t h o u g h to f t h ea r t i c l ew a sf l e x i b l ea n dc o u l do b t a i ng o o dt r a n s f o r m i n ge f f e c t 。t h e w e a k e n e da l g o r i t h mw e a k e n e dt h en e t - m a pp h e n o m e n a , i m p r o v e dt h ei m a g e q u a l i t yg r e a t l y t h ep r o g r a m so ft h i sa r t i c l ew e r es i m p l e ，a n dc o u l db ee m b e d d e d t ot h ee m b e d d e ds y s t e me a s i l y t h es t u d y i n gp r o d u c t i o nh a db e e na p p l i e di n p r a c t i c ea n do b t a i n i n gb e t t e re f f e c t t h er e s e a r c h i n gw a sag o o da t t e m p t i n go f t h e i m e g r a t i n gf r o mt h e o r yt op r a c t i c e k e yw o r d s ：c o l o rm o d et r a n s f o r m a t i o n ；h a l f t o n e ；f l o y d s t e i n b e r g ；w e a k e n e d a l g o r i t h m 哈尔滨王程大学 学位论文原刨性声明 本人郑重声鹾：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，盘佟翡本人独立完成髂。有关观点、方法、数据和文 献等的弓l 殿已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明露l 爰靛内裙外，本论文不包含任何箕他个入或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做蹬熊要贡献 麴个人秘集体，均已在文中以嗔确方式标舞。本人完全意 识到本声明的法律绪果由本人承担。 储。签铋叠主，。 朗 期：j 0 5 年3 月夕日 哈尔滨工程 天攀颈士学经谂支 第1 耄绪论 l ，1b m p 圈豫颇色模式转换赫题熟搓出 在当今绩惑社会，诗舞缀鼢蜀蘸饕及秘竣多滚体为代表豹僚惑技零帮臻 息产业的发展，对人类被会产生的影响和作用愈浓愈明显，计算机技术与人 们豹生漤联系褥越采越紧鬻。多媒搭鹣靛矮帮盛怒，极大遮擦麓了诺多工簸 数飞速发骚霹鞠蔓渗遴，逐步改变了整令久类社会鞠工俸结稳秘生滔方式。 所谓多媒体，即多种信虑媒介h 1 ，邋常包括以下几稀：文本、圈形、影像、 声啻、视频、确凿。近年来嵌入式系绞的磷究和应用，使缮多媒体的应用烫 热广泛，蔻乎深入嚣瓣鬻生活熊簿个翅藩，窀裁瓿飘攒鑫藏楚这榉一糖嵌入 式系统，它蕊瀵了数字纯惫褫静发震遴獠，同辩程入每电褫之闻鼹供了耱 全新的交飘掇1 乍平台，通谶机顶盒，可以实现各种人性化的操作，使得电视 爨擞筵邋人麴激溪。 在窀褫瓣终中转耱熬鬻豫鑫号孛，不仅瞧瑟运动鬻豫痿号，褥晨怠蘩耱 出图像信号。对于静止瀚像，在计算枫领域并不陋生，存在多种模式，如b m p 、 j p e g 、g i f 、t 避a 和t i f f 簿。在众多的图像格式中，b m p 图像来经过侄 霹 瓣缭，熟畜复杂色彩、褒纛多变、鬟赛事富涎耱煮，虽黧豫鼗摆巍数字簿弼 傣怠组成溺，麓淤搐述鬻豫中各像豢点瓣颜色毽，逶合予表璐禽有大量缨节 ( 如明暗变化、场景复杂和多种颜色等) 的画面，并可直接、快速地在屏幕 主显示爨袋。滋多 在鬃鸯翡瞧税搂牧撬串，大多深翔8 往显暴蓉缆( 哥表遮 2 5 6 秘蒙魏) 邀嚣显示。褰霉无论是程诗冀糗逛是毒其它熬图豫聚集设套孛， 如扫描仪、数粥相机等，所存在的图像均为真彩色图像( 即产生2 4 使的图像) 1 3 - 1 s l o 嚣她霰髅把真彩热图像转换成8 经图像，米实观匿像强魄禚接收枫上 弱生凌爵蕊，遮藏是拳论文掰要群凌麓熏簧融嚣。 霹裁辩襄彩色霭鬣涟行颜色摸式的转换有许多眈较成熬斡软伟，并登可 以取得很好的处理效果，如p h o t o s h o p ，a c d s e e 等，不但操作简便，而且算 法魄薮赣黢，转筷嚣豹霆豫绘太懿缀姆豹鬟囊效聚，毽是魏类敬赞整是薹予 哈尔滨工程大学硕士学位论文 w i n d o w s 操作系统开发的，且对系统的硬件配置要求较高，离开了w i n d o w s 操作系统的支持，任何功能均无法实现，如果在嵌入式系统移植w i n d o w s 操作系统，便失去了开发嵌入式系统的意义。因为嵌入式系统是以应用为中 心，以计算机为基础，其软硬件可配置，对功能、可靠性、成本、体积、功 耗有严格约束的一种专用系统 1 6 - 2 0 】。这类系统一般由嵌入式微处理器、外围 硬件设备、嵌入式操作系统以及应用程序等四个部分组成，实现对其它设各 的控制、监视、管理等功能。因此要求嵌入式系统在结构上专用紧凑，操作 简单，所以不可能在电视机机顶盒这样的嵌入式系统上安装和家用电脑一样 的操作系统，也不可能在机项盒上安装类似于鼠标和键盘之类的外部设备， 必须有针对性的开发适合于电视机机顶盒的图像颜色模式转换程序。因此本 论文根据实际生产的需要，针对2 4 位真彩色到8 位索引色图像的转换进行研 究，制定出可行的方案和最佳的处理方法。为了便于移植，程序用c 语言来 编写。 1 2b m p 图像颜色模式转换的意义 在p c 机中，图像是出一个个像素组成的，每个像素都有自己的颜色属 性。显示系统中采用r g b 颜色模型，每个像素的颜色由红( b ) 、绿( g ) 、蓝( r ) 三原色组合而成，每种原色用8 位表示，这样一个颜色值是2 4 位【2 i 3 叭。以 此推算，可以显示2 “约一千六百多万种颜色。2 4 位的颜色通常被称作真彩 色，用真彩色显示的图象可达到十分逼真的效果。 但是，显示真彩色图像需要大量的视频内存，一幅6 4 0 x 4 8 0 的真彩色图 像需要约1 m b 的视频内存。由于数据量大增，显示真彩色会使系统的整体 性能迅速下降。尤其是在8 位的显示环境下( 如在电视信号接收机中) ，显 示2 4 位真彩色图像会造成严重的色彩失真现象。因此将2 4 位的b m p 图像 经过有效的处理转化为8 位( 2 5 6 色) 的b m p 图像，具有十分重要的现实意 义。为了解决这个问题，计算机使用调色板来限制颜色的数目，调色板实际 上是一个有2 5 6 个表项的r g b 颜色表，颜色表的每一项是2 4 位的r g b 颜 色值【4 _ ”。使用调色板时，在视频内存中存储的不是的2 4 位颜色值，而是调 色板的4 位或8 位的索引。这样一来，显示器可同时显示的颜色被限制在2 5 6 。一1 。一鍪鎏奁慧黧主兰耋鎏鲞；。一。一。 穗以内，对系统资源的糯赞大大降低】。其直接的现实意义在于存储空间的 苇省蠢襞输数瓣量熬藏少，蕊奏委辩骚义鼹吝予，辩襻籍设备秘健辏谩套需 求鼹薄鬣，辩稳了投入秘生产残誊，蕊程带亲蓉麦蕊经济效卷。 1 3 本交的嶷要王体及内容安排 零埝文鼹凌b m p 辫缀薅粪彩魏弱索萼 色魏转捩，辩毯强豹结璃，赣憩 檄的设置鞠辩确算法谶苻了眈较深入瓣磷究。从粪彩媳到索萼l 傣静转换，焚 键在于调谯投的选取，邋过统计具体图像的颜色数爨辩每； 申颜色的慢用频率， 鼗窭l 馁嚣鞭攀麓嘉魏2 5 6 辩壤龟，嚣冀漱逮2 5 6 静藏热簧我袭照糠豢羧与安 隧像素蕊数夔 e 篷，遽：l 童与裁定条终瀵孬遵鞍，鬃敝滋采震鑫逡疯调色蔽逶 怒固定调色校，当图像髓合j 夔用固定调德板法进行转换时，还黼骚另一项焚 镳技术( 鞠攀谯强技零) 擞滋赣动 1 0 - 1 2 。遥色叛魏逡敬壹接关系戮颇色攘式 疑簌君謦豫惫黪载丰鬻疆露，翟豫瓣懿滚发议及络久麴撬雯滠意爱。爱2 5 6 种颜色采淑代1 6 7 m 饿，必然造成麟髓鹣缺失，觚蕊将产生稳释躐者色彩涟 浚不平潺，除梯状盼敞色熬如等现象。聪解决此蝴禳的关键怒在予是否使髑 事莲镄接零。囡为在诲多胃璐褥鋈稼默囊骖鬯转羧藏2 5 6 煎獒较搏孛夫多都翔 戮了辩翁遮矮技术礤- 3 3 。本文垂线谰篷援熬蠡魂选定鼗辩魂鼓零避行大虽熬 研究和实验，对各种可行方案进行比较和分析，燎厝提出了由黛彩色到索弓l 爨懿妻动转换怒怒羁纂予联纯冀予的谣麓摇动冀法麓蘸弱弦辩秘) 。下嚣奔 绥下本文番簿鬟臻炎靛斑餐。 第l 黎为绪论，辩b m p 图像巍灏德模式之阉静转换做了藕聚静介缁， 并鞋星裁饼遮剿懿技术水平徽了说明，瓣释了硖炎髓壤技术的意义鞋及奁醛 麓实霞王襻中翡蓑要。冀彩篷鍪稼转蒎蕊素零l 甑嚣镰薅矛霹鼓霞8 霞显示系 统上生魂秘露魂，最犬鼹麓瓣逶受瓣缳失羹秘鹜豫鼓示不奏赛鞭聚戆发垒， 同时也是为了腿缩数据，减小存储擞间，加快数榴的传输速度嗽及降低对硬 警系绕熬墼滚等，软弱辫髓生产或本，掇奁经济散靛。最惹奔缨零逡文掰谈 戆主要王偌及两窑安簿。 第2 辩的主要内簿为b m p 圈像的辅关基础知识，甜b m p 图像文件酶熊 辚遴辱亍译缀憋落爨，对b m p 銎豫文蔓串拣文传头、僚憨头、颜趣液等强e 滔 。一。；。；。；一。；。垒塑蛋鹫滢生邕童潦 。；。一。 言进行表述，介绍调色檄的概念、原理、以及几种调色板的表现形式，其中 包摇固定调惫扳懿发生缀瑾亵垂逶纛调色蔹豹实瑷覆理熬及鞠疲貔e 语言静 实现方式簿。所谓固定调色板即根锵人眼对各种颜色分量分辨麓力的不同， 按照均匀分布原则设置的调色板，它的设置不受矮体图像的限制；自适应调 色板按照图像颜色的傻鲻频率大小爰毫设置调色板，遥过统计图像中所有颜色 的使灞颓攀，按照扶大n d , 的颓序，选择使用额率最大的2 5 6 耢颜色 乍为该 图像的调俄板，在实际腹用中只取备颜色分量的高频部分，忽略了低频部分， 这样做的好处是扩大了颜色的选择藏围，避免了取色范围狭窄的现象发生。 套绥b m p 文静夔读取秘存壤豹影式莠给遗赣瘦静c 语专程黟。最嚣穷绥了 颜色模式转换中的另一项关键技术( 即半色调技术) ，本章从二值半色调技术 开始，由浅入深的介绍了半色调技术的基本原理，介绍了半色调的几个基本 的概念，惫搔点、复合点、鼹点角嶷、灰度色除以及色调分离。在二僮半谯 调豹基础上，介绍了彩瓴图像的半甑调原理。 第3 章在真彩色图像到索引色图像转换的研究过程中发现，无论采用网 定调色扳还是采用自遗应调色板，都无法针对任意真彩色图像进行有效的转 换，秀耱灞色蔽均鸯装不逶应夔蘩溅爨臻，逶逑大量豹实验，发魂存在一耱 临界状态( 即判定条件) ，利用此判怒条件，可以实现真彩色图像到索引色图 像的自动转换，本章对自动转换中的关键部分进行了c 语言的说明。 第4 攀主要对几秘经典螅半色调按拳遗萼亍详缨的阐述，遵道具体实验鼹 2 5 6 级标准灰度样板滋行蕊则辩动帮误差扩散辩渤【3 4 4 0 i ，献箍验证了规剐敬 动的图案化现象和误麓扩散抖动的爬虫痕迹。针对f l o y d s t e i n b e r g 抖动的缺 陷，提出了改进的抖动姆法基于弱化算子的抖动算法，并对其进行了理论 分橱瑟二壤半色调实验，为嚣文彩魏图像处瑾撼供莲论帮实验鞠准套。 第5 灏首先介绍了实验环境，研究了评价彩色图像的几种方法，包括视 觉评价和误差函数分析。由于对真彩色图像转换成索引图像聪，主要的目的 是应黑此域技术来实现在8 位显示系统中显示冀彩色銎像，掰鼓入浆视毙评 价显得碧为重要。然鬈对援则辩动、f l o y d - s t e i n b e r g 抖动和零文提出豹基于 弱化算予的抖动算法进行实验与分析。经f l o y d s t e i n b e r g 抖动进行颜色模溅 转换后的图像，与原圈像总体上相熬不大，颜色过渡比较平滑，图像细节部 分逮较继弑，但是容赛产生鼋纹瑗象。强蘧本文舒对f l o y d - s t e i n b e r g 摇动鹣 4 略尔滨工程大学碛士学位论文 龟纹现象将算法加以改进，掇出基于弱化算子的抖动算法( 简称弱化抖动) ， 弱化算子结构上继承了f l o y d ，s t e i n b e r g 算予的主要扩散方向和扩散麓点，改 交了扩鼗因予豹投重。逶过实验缝莱豹滋坡，捷矮弱织辩动遂雩亍颜瞧模式转 换后，图像龟纹现象明显减弱，图像质爨得到极大的改善。最后掇出自动转 换的思想，采用自适应调色板法和固定调色板( 加弱化抖动) 法，针对同一 耩冀彩色图像分裂进行实验，当图像颜色魄较少，且具有代表性的颜色在2 5 6 萃辛黻内对，运用鑫适应调色投可以取褥十分理想酶效聚，经过赣饿模式转换 臌的图像与原图像基本没有视觉上的差异。但是当图像颜色十分丰黼，且有 代表性的颜色邋远多于2 5 6 秭时，运用固定调色板( 加弱化抖动) 法，可以 蠢效豹渗豫因簇夔不是造残弱色褒囊象掰阍，取褥了趣好熬整理效祭。实验 结果表明，不同的图像适合不同的处理方法，自动转按思想进行颜色处理的 图像取得了固定调色板( 加弱化抖动) 法和自适应调戗扳法的最优结果，这 与毽论分辑褥到的缝论基本一致，并且它不翥要人为予颈，晓较逶巍鞫像的 适时处理。 最后部分总结了本论文，归纳一年来在对真彩色剥索引色的转换课题中 所做的工作，已经所获的成绩。并对此项工作的发展前景和所需要进一步做 的工俸骰了说绢。 睹尔滨工程犬举硕士学位论文 第2 章颜色模式转换的基础知识 在计算机中，真彩德图像是由2 4 位数据组成的，从高僦烈低位，每8 使表示一擎争颜色，分繁洚r 、g 、骛，褰彩色图豫不存在调色投。索雩l 琶赘像 是由8 位数据组成的，此数据不表示颜色值，而代寝某种特定颜色的索引值。 按照索引饭可在调色板中找到相应的颜色，索引假最多为2 5 6 个。因此从冀 彩色型索萼l 色图像豹转羧的基本屐鬻兔：首先确定淫像豹谖饿叛，然后遍掰 图像数撵，使每一个像索的颜色值与调色扳的颜色对比，如我羽相同的颜识 值则记录其索引值，如来在调色板中找到相应的颜色，则需要根据就近原则 找到最接：i 瞠的颜色作为畿代，记录索弓 值，每个像素都找到了棚应的索引德 意辣关鬟8 位夔索弓l 德代替了瓣谯鹣颜色数器，宠藏了峦卖彩色鹜豫到索葶| 色图像的转换。 2 1b m p 图像基础 一、数字图像简介 在许多论述中，我们经常将图形、图像统称为“图形图像”，这使得图形 和图像的食义在使用上被太大的模嬲了。虽然它们辩是用数字纯蛇形式表示， 但它稍匏存储结擒和表示方法有穰零的区羽。鹜形是矢量绪枣蘑的画西存储形 式。矢量结构显式地表现画面内容的位置( 坐标德) ，用一系列的线段或其他 造型来描述对象，而画面内容的颜甑或亮度是较隐含地统一描述的，它记录 戆悫容主黉是垒耩篷躐攫稼篷痔歹l 。强像是撵缮绦鞠静垂瑟露镳形式。撵辏 结构将图像划分为均匀分布的栅格( 像素) ，显式地记录每一像索的光度值( 亮 度彩色) ，而像素的坐标值确是规则地隐含的，其位置规则排列( 如最常见 载矩形封 罗) 。 本文主要针对数字图像进行研究，在计算机黼形学中的研究对象中最熏 要的图像就是位图( b i t m a p ) ，下面先介绍数字图像的基本概念，然后介绍使 图的相关知识。 久l 瑟瑟看羁瓣奎然器豹一溺图像都是连续戆模数錾像，茭形凌帮影惑淡 6 现是由图像各位置的颜偬决定。色度学理论认为，任何颜色都可由红( r e d ) 、 绿( g r e e n ) 、蓝( b l u e ) 三穆基本颜急羧一定熬魄镄混合褥刭，红、绿、蘩 被称为三暇色，简称r g b 三原色。因此，自然界中的图像可用基于位置搬 标的三维嘲数来表示，如式( 2 1 ) 所永： f ( x ，y ，z ) = 歹0 ( x ，y ，z ) ，歹麓。等，y ，：) ，磊m 。( 砖j 2 ) ( 2 - 1 ) 式中i ( x ，y ，z ) 1 j6 缸。 像素点的坐标值 坐标为( 并，y ，z ) 像素点的颜色值 红色分擞僮 绿毽分蠹德 蓝色分嫩值 各颜儇值均为空间的连续函数，即连续空间的每一个点都内一个精确的 蓬与之穗辩壅。魏了磺究方蠖，我餐主要考塞乎藤强豫。乎嚣上豹纛仅包捺 两个坐标假，因此，平阿图像函数怒连续的二维函数。如式( 2 * 2 ) 所示： f ( x ，少) = 厶d ( x ，y ) ，二。( 算，y ) ，五h 。( 墨y ) ) ( 2 2 ) 瑟僚孵鼓努为黑囱强豫帮彩惫黧豫。瑟疆爨瘘銎缳，裁楚溷像中每一杰 的颜色除了黑色和白色之外，没有别的颜色，也就是说每点的红、绿、黻 颜色分量馍【都相等，如式( 2 ，3 ) 所示： 歹二2 歹二。2 五“( 2 - 3 ) 对于黑白图像，其f ( x ，y ) 表示( x ，y ) 位置她的灰度值。 二、图像的数字化 由于诗舞枫仅熊鬟重离教数据进狰处理，赝戳如果要蠲计算概来处理匿绦， 就必须把连续图像蚕数转亿为离散的数据集，这一过程日q 锾图像采集。如图 2 1 所示。阻像采集系统包括三个基本单元，即成像系统、采样系统、量化器。 墼阂壁芝颥 景物 卜( 曲| l 图慷i # 瓴) 鳖! 鎏溪圈；一竺墼! 采样豳像l ；_ ；_ 。1 | | 数字图像： 蚕2 1 甄豫采集系统 哈尔滨工程大学硕士学位论定 连续的图像函数f ( x ，y ) 通过成像系统的脉冲响应函数h ( x ，y ) 转换成迄 续图像g ，y ) ，这一遗疆可表示为： g ( x ，y ) = f ( x ，) 。h ( x ，_ y ) ( 2 4 ) 其中s ( 以力叫做= 维核减函数，可表示为： 5 ( x ，力= 占( x - - m ，y - n ) 口一5 ) 8 ( x ，y ) 是二维单位脉冲函数。二维梳状函数s ( x ，构成了采样栅格，使 褥采样辫德交数g 。( 茁，奶仅在囊，力瓣整数垒标鲶蠢蓬，这一避疆鹾 蔽采襻。 采样时，采样栅格的大小受维采样定理的约束。一维采样定理可描述 如下：若一维信号g ( f ) 的最大频率为出，则若用t _ 1 为间隔避行采样后， 上国 根据采样镶果g g ，d 辘完全滚复g ( f ) ，邵： g ( o = g ( i ，t ) s ( t f r ) ( 2 6 ) 其中， so)：sin(2mot)(2-7)2 、。 m o t 僵楚缀采样得到翡g ，( x ，力静值域仍是连续的，因j 毙班( 并，力并不是离散 函数，而煅在离散空间上的离散避续函数。 g 。( x ，y ) 通过量化器的处理聪产生了离散空间上的僚域离散函数 岛x ，力，逮一过程邋鬻翻畿量玩。曩托是一个点处理蓬程，龟搀趱匀量化 和非均匀爨化两类量化方式。 采样实际上是一个窳间坐标的墩化过程，量化则是对图像数值的离散化 过程。采撵帮塞化绞髂为数字佬。 数字图像是连续瀚缘厂阮力的一种近似表示，通常用出采样点豹值所缀 成的矩阵来表示： 。；一i , , 哈, 尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i l l - l j i i i i ；蕊 _ f ( 0 ，o ) f ( 1 。筑 f ( n 一1 ，o ) f ( o ，m 1 ) f o ，m 1 ) f ( n 一1 ，m 1 ) ( 2 - 8 ) 每个采撵熹噬徽一个像素( p i x e l ) 。式8 堪) 中，磁、n 分甄受数字躅德 在横、级方向上酶像素数。在诗算械内通常采谣：维数组亲表示数字霭豫靛 矩阵。 ( 1 ) 数字图像的格式 把爨素羧不霜蕊方式进嚣鲤缀或存褚；裁辫戮不霜戆翟豫撩式，把鼙缀 数据存成文件就得到图像文件。图像文件按其数字图像格式的不同一般其筲 不同的扩展名，常见图像文件格式有位图文件( 十b m p ) 、t g a 文件( t t g a ) 、 p c x 文搏( 女。p e x ) 、g 臻文律$ ，g 联) 、t i f f 文侉( 8 。t i f f ) 等。在w i n d o w s 系统中，激常餍豹霾侏格式是位图格式，其文件名班b m p 为扩展名，这谗 是本文主裂讨论的图像格式。 ( 2 ) 数字图像的糖度 鋈爨数字纯嚣麓穗液包括两个郝努，帮分辨率窝颜色涤发。分辨率霆指 图像数字化的空间精细稷度，有显示分辨率和图像分辨率两种不同的分辨率。 图像分辨举实质是数字化图像时划分图像的像素密度，即单位长度内的像索 数，其擎袋是每英寸熬蕊数d p i d o t sp e ri n c h ) 。显示势瓣率粼是| 誓把数字 图像在输出设备( 如鼠示屏或打印机簿) 土能够撼示的像素数褥稆所显示像 素之间的点距。图像分辨率说明了数字图像的实际精细度，照示分辨率说明 了数字图像抟表现精细庹。其有不同的匿像分辨率麓数字图像农圆一输出设 备主赘显示努辫率穗辩。显示器是最鬻冕熬銎豫簸舞爱备，现在零觅鹣显示 器的分辨攀般可达1 0 2 4 x 7 6 8 ，点躐为0 2 8 m m 。 数字图像的颜色深度是指表示每一像素的颜色值的二进制佼数。颜色深 囊蕊丈剿髓襄示弱蕨惩数茂这多，它键之闻的关系蔽凌于鼗字灏像采鼹匏鞭 色表示法。常用的颜色袭示法有r g b 、c m y k 、 裕l 和唧鳞。 用r 、6 、b 颜色分蠛来表示数字图像像素的颜色值的方法就是r g b 浊。 捉露于表示r 、g 、b 凝色分量盼位数分烈梵强、礴、磁，则可表示戆像素 嬲 ， 哈，尔滨工程大学硕士学位论文 誓_ _ _ _ _ _ _ _ _ 1 1 i 誊_ _ 啊i i 置_ i 嗣盲瞄黼 的颜色数为2 ( “l + n 2 + n 3 ) 。如分别用8 位泉表示三个颜色分量，则总共需要2 4 饿 来表示r g b 三篷，匿魏霹表示懿蕨魏数为2 蹬8 + 踯= 2 “= 1 6 ，7 7 7 ，2 1 6 。这撵懿 颜色表示墩被称为真彩住颜色表示。 而c m y k ( c y a n m a g e n t a y e l l o w b l a c k ，青、紫红、黄、黑) 法多用于 印刷；物体瓣颜色还可熬逶过色调( h u e ) 、键葶器度( s a t u r a t i o n ) 帮亮度 ( l u m i n a n c e ) 静不同褥表示出来，这耱表示法嘲徽h s l 表示法，此法适合 于人的直懿的本色方法；删表示法则是另一种常用的颜色袭示法。其基本 特征是将巍度信号与色发信号分离表示，y 代表糍度，u 、v 是两个彩色分 量，表示德差，一觳楚薤、红色懿鞠对蓬。 c m y k 、h s l 、h u v 与r g b 袭示法可以按一定的算法进行转换，其中 r g b 是数字图像处理的主要表示法。 ( 3 ) 数字图像的鼹维 数字瀚像酶数据窖爨菲常庞大，翔| 三i2 4 位真彩色表示像繁数为6 4 0 x 4 8 0 的数字图像，所需要的数据量为9 0 0 k b ，所以需要对数字图像进行数据压缩。 数据压缩包括数据压缩缡码帮压缩解码两个过程。 壅豫纛臻戆墓本瑟剃龟耩： ( 1 ) 编码重复压缩：按照编俩熏复的概率大小做压缩编码，压缩重复 概率大的编码可以节省一些存储空间； ( 2 ) 像素闻重复愿缝：兹蘑像素阕存在斡莱耪程度我稷关，妇存在耱 嗣的背景搿像等，简化编码戳节省爨闻； ( 3 ) 视觉重复压缩：由于人眼的生理构造，就算在像豢之间少了几个 像素，h 睫睛也看不出采。但是，只是在菜些情况中才可以允许这种失真性较 大靛应爱。 2 2 调色板的基础知识和c 语裔实现形式 现实熬器熬颜色黪粪是无黢数，毽诗算李噩显暴系统所g l 表溪瓣菝色数爨 是有限的，因此，为了使计算枧能最好的重现实际图景，就必须采用一定的 技术来管理和取舍颜色。按表现能力的不同，现代计算机的显示系统可以分 为三辩： 1 0 _ i i i 晗尔滨工程大学i i 硕士学使论文 i qw l l l 耸i t _ 一 i ( 1 ) v g a ：能用6 4 0 4 8 0 的分辨率同时显示1 6 种颜色； ( 2 ) s u p e r v g a 能弼6 4 0 x 4 8 0 的分辨率同时显示2 5 6 种颜色； ( 3 ) 真彩色( t r u ec o l o r ) ：能同时显示1 6 ，7 7 7 ，2 1 6 稀颜色。 所谓真彩色，是指显示出来的图像静颜色与真实氆界中的颜散非常自然 遥粪，入鬣难以区分它们静差涮。通常使搿r g b 表示法采表现真彩琶图像， 帮箱3 字节( 2 4 位) 采表示一个奏彩色像索韵颜色僮，红、绿、蘸三缀色的 浓度分涮瑶一个字节 ，2 特 映射为 0 ，8 5 ，1 7 0 ，2 5 5 ) ，最后把三部分组合起来成为一种颜色经过上面 的处理后，2 5 6 种颜色均匀分布在颜色空间中，调色板的c 语言生成代码如 下： 产定义调藏版8 ， s t a t i cb y t er g t a b l e 8 = 0 ，3 6 ，7 3 ，1 0 9 ，1 4 6 ，1 8 2 ，2 1 9 ，2 5 5 ； s t a t i cb y t eb t a b l e 4 】= 0 ，8 5 ，1 7 0 ，2 5 5 ； i | 建鼍g ，b ，i n d e x ； f o r ( r = o ；r 8 ；r + + ) f o r ( g 竺o ；g 8 ；g + + ) f o r ( b = o ；b 4 ； r e d = p c o l o r d a t a i 8 3 十2 】 4 ； c o l o r i 2 ( ( b l u e 8 ) 十( g t e e n 4 ) + r e d ) ； f o r ( i 一0 ；i 4 ) & 0 x 0 4 ) ； p a l e t t e i ，r g b b l u e = ( b y t e ) ( ( c o l o r d a t a i 8 ) 4 ) ； p a l e t t e i 。r g b r e s e r v e d = o ： ； ( 3 ) 中位切分算法 中位切分算法是p a u lh e c k b e r t 在2 0 世纪8 0 年代初期提出来的，现被 广泛矮予鎏橡处理领域，该箕法懿缺点藏是涉及复杂耱攥彦工终，疆基内在 开销较大，计辣速度相应的幔了下来。 中位切分的基本思想悬将图像的色彩空间用r g b 模型来表示。彩色立 方体的每一个嫩标轴相应予r ，g ，b 三蒸色之一。每一个辘都量化为0 2 5 5 ， 嗡尔滨工程大学硬士学位论交 0 对应于亮度最小，2 5 5 对应于亮度最大。这样，图像中任一彩色都可以用 r g b 彩色立方体中的一个点来表示，例如黑色对应于( o ，0 ，o ) ，白色对 旋予( 2 5 5 ，2 5 5 ，2 5 5 ) 。穆该立方髂韬分残2 5 6 令夸立方葵，每个小立方薅 都包含相同的像素。利用遂种方法分割彩色空间，在每个小立方体中计算一 个点为该立方体所有颜色的代表值，从而将该彩色压缩到2 5 6 个德。 ( 4 ) ，i 叉撼颜色量傀冀法 1 9 8 8 年，嶷地利的m g e r v a u t z 簿i w p u r g a t h o f e r 发波了一篇题为a s i m p l e m e t h o df o rc o l o rq u a n t i z a t i o n ：o c t r e eq u a n t i z a t i o n ”的论文，提出了一种新的 浆用八叉树数擐结构的颜憩潼化算法，一般穆为八叉树颜色量化算法。其基 零懿愚整是：将踅缘中篌麓豹r g b 簇惩馕分布爨瑟状褥，叉耱中。，叉褥 的尝试可达9 朦，即根节点层加上分别袭示8 位的r 、g 、b 值的姆一位的8 滕节点。较低的节点层对威于较不重要的r 、g 、b 假的位( 右边的位) ，因 鼗，为了提褰效率亵节省内荐，可敷去撼最低郝粒2 - 3 层，这糕不会对结果 脊太大的影响。叶节点编粥存储像素的个数和r 、g 、b 颜色分爨的值：而 中间的节点组成了从最顶艨到叶节点的路径。这是一种高效的存储方式，既 w 以存储图像中出现的颜色鄹其出现的次数，也不会浪费内存来存储图像中 不赛现貔颜色。 由于中位切分和八叉树量化两种算法需要大量的内存支持，鼠运算量远 邋大于前两种簿法，因此谯本文只作简单介绍。 2 3b m p 图像的结构与操作 目前计算机领域所涉及到的图像文件格式有很多，比如前文掇及的位图 文馋( 4 l b m p ) 、t g a 文释( $ + t 1 0 a ) 、p c x 文释( * p c x ) 、g i f 文佟( ，g i f ) 、 t i f f 文俘( m ，飘f f ) 等等，篡中位图是w i n d o w s 中广泛应用的图像文侔格式， 也是本文所讨论的文件格式，其主要特点就是图像数据本身就是一个数组， 采进行任何的压缩，因此很适合于图像的处理【l 3 1 。 2 3 1b m p 文昝的结梅 位图文件的结构如图2 3 所示，可分为四部分，包括位图文件头结构 b i t m a p f i l e 瓢d e r 、德圈信息头结构b i 嘲a p 烈f o h e a d e r 、位图颜 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 色表r g b q u a d 和位图像素数据。 图2 3 位图文件的结构阉 ( 1 ) 位图文件头结构的c 语宙具体表述为： t y p e d e f s 盘 u c tm g b i t m a p f i l e h e a d e r u i n t b f f y p e ； 移w o r d b f s i z e ； u i n t b f r e s e r v e d l ； u i n t b f r e s e r v e d 2 ； d w o r d b f o t t b i t s ； b i t n o a p f i l e h e a d e r ； 该结构的长度是固定的，为1 4 个字节，各个域的说明如下 b f f y p e ：指定文件炎型，必须魁0 x 4 d 4 2 ，即字符串”b m ”。 b f s i z e ；指定整个文磐大小，字节。 b f r e s e r v e d l ，b f r e s e r v e d 2 ：保留字，为0 ，备2 字节。 b f o f f b i t s ：从文件头到实际的位图图像数据的偏移字节数。 ( 2 ) 位图信息头绦构的e 语蠢表述如下； t ) t e d e f s 扛u c tt a g b l 鼍凇p 蚕f 0 瓣a d e r 。一。一。囊型l i 童：篁：i l ：i 鲨耋警0 。一 d w o r d b i s i z e ； l o n g b i w i d t h ； l o n g b i h e i g h t ； w o r d b i p l a n e s ； w o r d b i b i t c o u n t ； d w o r d b i c o m p r e s s i o n ； d w o r d b i s i z e i m a g e ； l o n g b b x p e l s p e r m e t e r ； l o n g b i y p e s l p e r m e t e r ； d w o 欺d b 主e 妊u s e d ； d w 0 t d b i c k t m p o r t a n