第2章图像处理基础知识

1、第2章 图像处理基础知识2.1 颜色的基本知识2.2 图像数字化2.3 常见图像文件格式2.4 图像质量评价 颜色模式颜色模式（颜色空间）是用来定义或描述颜色（颜色空间）是用来定义或描述颜色的一组规则。利用不同的规则，可形成不同的颜色的一组规则。利用不同的规则，可形成不同的颜色模式。在多媒体计算机的图像处理过程中，通常使模式。在多媒体计算机的图像处理过程中，通常使用用RGBRGB、HSIHSI、CMYKCMYK等多种颜色模式。等多种颜色模式。2.1 颜色的基本知识颜色的基本知识2）混色（三基色光按不同比例相加可产生混色光）（三基色光按不同比例相加可产生混色光） T各种彩色光，都可由红（各种彩色

2、光，都可由红（R）、绿（）、绿（G）、蓝（）、蓝（B）三种颜色光按不同比例相配而成；三种颜色光按不同比例相配而成；红蓝绿白黄青紫1）三基色原理）三基色原理1、RGB颜色模式 红色红色+绿色绿色=黄色黄色 红色红色+蓝色蓝色=紫色紫色 绿色绿色+蓝色蓝色=青色青色 红色红色+绿色绿色+蓝色蓝色=白色白色 所谓所谓RGBRGB颜色模式，就是用红（颜色模式，就是用红（R R）、绿（）、绿（G G）、蓝（）、蓝（B B）三种基本颜色来表示任意彩色。根据三基色原理，在三种基本颜色来表示任意彩色。根据三基色原理，在RGBRGB颜色颜色模式中，任意彩色光模式中，任意彩色光F F的配色方程可写成：的配色方程可

3、写成： F= rR+gG+bBF= rR+gG+bB 其中其中r r、g g、b b分别代表对应色的分别代表对应色的比例系数，比例系数， R R、 G G、 B B分别分别代表代表F F色光的红绿蓝三色分量。色光的红绿蓝三色分量。通过三个分量的不同比例，在屏幕上合成所需的任意颜色。通过三个分量的不同比例，在屏幕上合成所需的任意颜色。 混色原理属于混色原理属于“加性加性”颜色形成方法，计算机显示器颜色形成方法，计算机显示器就是采用这种原理产生颜色的。就是采用这种原理产生颜色的。在显示器屏幕的背面涂满在显示器屏幕的背面涂满了能发出不同色光（红、绿、蓝）的化学物点，当电子束了能发出不同色光（红、绿、

4、蓝）的化学物点，当电子束扫描到这些点时，它们就会发光。电子束按逐行扫描方式扫描到这些点时，它们就会发光。电子束按逐行扫描方式对屏幕上的所有点进行扫描，扫描一遍就会形成一帧彩色对屏幕上的所有点进行扫描，扫描一遍就会形成一帧彩色图像。图像。 特别提示：特别提示：T 这种彩色系统格式的设计反映了这种彩色系统格式的设计反映了人类观察人类观察彩色的方式。如：红色又分为浅红和深红色彩色的方式。如：红色又分为浅红和深红色等等。等等。T HSI颜色模式是从人的视觉系统出发，用颜色模式是从人的视觉系统出发，用色度（色度（Hue）、）、饱和度（饱和度（Saturation）和亮和亮度（度（Intensity）来描

5、述色彩。来描述色彩。2、HSI颜色模式 T I： 表示光照强度或称为表示光照强度或称为亮度亮度，它确定了像素的整，它确定了像素的整体亮度，而不管其颜色是什么。体亮度，而不管其颜色是什么。2、HSI颜色模式 TH：表示表示色度色度，由角度表示。反映了该颜色，由角度表示。反映了该颜色最接近什么样的光谱波长（既彩虹中的那种最接近什么样的光谱波长（既彩虹中的那种颜色）颜色）0o为红色，为红色，120o为绿色，为绿色，240o为蓝色为蓝色。2、HSI颜色模式 TS：表示饱和度，表示饱和度，是指颜色的鲜艳程度或纯是指颜色的鲜艳程度或纯度，即掺入白光的程度。度，即掺入白光的程度。T饱和度参数是色环的原点到彩

6、色点的半径长饱和度参数是色环的原点到彩色点的半径长度。度。在环的外围圆周是纯的或称饱和的颜色在环的外围圆周是纯的或称饱和的颜色，其饱和度值为，其饱和度值为1。在中心是中性（灰）影。在中心是中性（灰）影调，即饱和度为调，即饱和度为0。2、HSI颜色模式 人的视觉系统经常采用人的视觉系统经常采用HSI色彩空间，它比色彩空间，它比RGB色彩空间更符合人的视觉特性。在图像色彩空间更符合人的视觉特性。在图像处理和计算机视觉中大量使用处理和计算机视觉中大量使用HSI颜色模式颜色模式。特别提示：特别提示：3、CMY颜色模式 CMYCMY颜色模式是采用青（颜色模式是采用青（CyanCyan）、品红（）、品红（

7、MagentaMagenta）、）、黄（黄（YellowYellow）三种基本颜色按一定比例合成颜色的方法）三种基本颜色按一定比例合成颜色的方法。它。它通过颜料未吸收而反射出来的光线来判断颜色的，其原理称通过颜料未吸收而反射出来的光线来判断颜色的，其原理称为为“减色减色”原理原理。 青色颜料：吸收红光青色颜料：吸收红光品红颜料：吸收绿光品红颜料：吸收绿光黄色颜料：吸收蓝光黄色颜料：吸收蓝光例如：当白光照到青色颜料上，红光被吸收，返例如：当白光照到青色颜料上，红光被吸收，返回绿光和蓝光，所以呈现青色。回绿光和蓝光，所以呈现青色。3、CMY颜色模式 虽然理论上利用虽然理论上利用CMYCMY三基色混

8、合可以制作出所需要的各种三基色混合可以制作出所需要的各种色彩，但实际上色彩，但实际上同量的同量的CMY CMY 混合后并不能产生完善的黑色或混合后并不能产生完善的黑色或灰色灰色，因此在，因此在印刷时必须加上一个黑色（印刷时必须加上一个黑色（BlackBlack），），由于字由于字母母B B已经用来表示蓝色，因此黑色选用单词已经用来表示蓝色，因此黑色选用单词BlackBlack的最后一个的最后一个字母字母“K K”来表示，这样来表示，这样又称为又称为CMYKCMYK颜色模式颜色模式。3、CMY颜色模式 彩色打印和彩色印刷都是采用彩色打印和彩色印刷都是采用CMYKCMYK彩色模式实现彩彩色模式实现

9、彩色输出的色输出的。因此，当要。因此，当要将将MPCMPC上的显示图像通过彩色打上的显示图像通过彩色打印机输出时，系统会自动将印机输出时，系统会自动将RGBRGB彩色模式转换为彩色模式转换为CMYKCMYK彩彩色模式表示色模式表示。从理论上讲，。从理论上讲，RGBRGB与与CMYCMY彩色模式是互补的，彩色模式是互补的，可以互相转换，但实际上因为发射光与反射光的性质完可以互相转换，但实际上因为发射光与反射光的性质完全不同，显示器上看到的颜色不可能精确地在打印机上全不同，显示器上看到的颜色不可能精确地在打印机上复制出来，因此复制出来，因此同一彩色图像的显示与打印颜色会有细同一彩色图像的显示与打印

10、颜色会有细微差别。微差别。 特别提示： 图像数字化是将一幅图像转化成计算机能处理的形图像数字化是将一幅图像转化成计算机能处理的形式式数字图像的过程。数字图像的过程。2.2 数字化原理 图像采样过程就是图像空间离散化的过程，即将空间上连续图像采样过程就是图像空间离散化的过程，即将空间上连续的图像变换成离散点的操作。的图像变换成离散点的操作。 先沿垂直方向采样，先沿垂直方向采样， 再沿水平方向采样这两个步骤完成采再沿水平方向采样这两个步骤完成采样操作。对于运动图像（即时间域上的连续图像），需先在时样操作。对于运动图像（即时间域上的连续图像），需先在时间轴上采样，再沿垂直方向采样，最后沿水平方向采样

11、由这三间轴上采样，再沿垂直方向采样，最后沿水平方向采样由这三个步骤完成。个步骤完成。 采样采样2.2 数字化原理采样间隔根据采样定理确定。设图像采样间隔根据采样定理确定。设图像f(x,y)的傅立叶变换的傅立叶变换F(u,v)满足：满足：则当采样间隔则当采样间隔x和和y满足条件满足条件 时，可由采样后的图像精确时，可由采样后的图像精确重建原图像重建原图像f(x,y)。式中：式中：uc和和vc分别为在分别为在x方向和方向和y方向的频谱宽度。方向的频谱宽度。 otherwisevvuuvuFvuFcc0,),(),(ccvyux2121定义采样函数为： mnynyxmxyxs),(),( 量化量化

12、采样所得的像素值（即灰度值）仍是连续量。采样所得的像素值（即灰度值）仍是连续量。图像量化过程图像量化过程是图像灰度幅值的离散化过程是图像灰度幅值的离散化过程。 若连续灰度值用若连续灰度值用z来表示，对于满足来表示，对于满足zizzi+1的的z值，都量值，都量化为整数化为整数qi。qi称为像素的灰度值，称为像素的灰度值，z与与qi的差称为量化误差。的差称为量化误差。连 续 灰 度 值 量 化 值 (整 数 值 )灰 度 标 度 灰 度 量 化Zi1ZiZi1qi1qi125525412812710(a)(b)量化示意图（a） 量化； (b) 量化为8 bit 表示像素明暗程度的整数称为像素的灰度

13、级（或灰度值或灰度）。 一幅数字图像中不同灰度级的个数称为灰度级数，用G表示。一般来说， ，g就是表示存储图像像素灰度值所需的比特位数。一幅大小为MN、灰度级数为G的图像所需的存储空间，即图像的数据量，大小为gG2MNg （bit）灰度量化示意图灰度量化示意图若各种颜色成分均按若各种颜色成分均按8bit量化，量化，即每种颜色量级别是即每种颜色量级别是256， 则可以处理？种颜色。则可以处理？种颜色。 不同量化级别对图像质量的影响不同量化级别对图像质量的影响 量化级数越多，图像质量越好，当量化级数越少时，图像质量量化级数越多，图像质量越好，当量化级数越少时，图像质量越差，图像出现假轮廓。越差，图

14、像出现假轮廓。2.4 图像文件格式2.3.1 BMP文件格式2.3.2 GIF文件格式2.3.3 TIFF文件格式2.3.4 JPEG文件格式2.3.5 DICOM文件格式2.3.1 JPEG文件格式文件格式 当前最有效和最基本的压缩格式。使用当前最有效和最基本的压缩格式。使用ADCT技术压技术压缩（一种有损压缩算法），可以设置压缩比例。压缩前和缩（一种有损压缩算法），可以设置压缩比例。压缩前和压缩后文件的体积比可达到压缩后文件的体积比可达到2：1至至40：1。扩展名为。扩展名为jpg或或jpeg。 2.3 图像文件格式2.3 图像文件格式2.3.2 BMPBMP文件格式文件格式 Window

15、s自带格式，图像格式非常简单，最多能存储自带格式，图像格式非常简单，最多能存储224种颜色的位图，无压缩，文件体积大。但是由于种颜色的位图，无压缩，文件体积大。但是由于Windows系统的普及所以该格式应用较广。扩展名为系统的普及所以该格式应用较广。扩展名为bmp。Jpg 909 KBbmp 5.49 MB2.3 图像文件格式2.3.2 BMPBMP文件格式文件格式 位图：位图：亦称为点阵图像或绘制图像，是由称作像素（图片元素）的单个点组成的。2.3.2 BMPBMP文件格式文件格式 2.3 图像文件格式矢量图：矢量图：使用直线和曲线来描述图形，它们都是通过数学公式计算获得的。例如一幅花的矢量

16、图形实际上是由线段形成外框轮廓，由外框的颜色以及外框所封闭的颜色决定花显示出的颜色 。2.3 图像文件格式2.3.2 BMPBMP文件格式文件格式 位图与矢量图位图与矢量图2.3.3 GIF文件格式文件格式用于网络图像传输。只能保存用于网络图像传输。只能保存256种色彩（即每个像素使用一种色彩（即每个像素使用一个字节来表示），且支持像素透明处理和序列动画保存。个字节来表示），且支持像素透明处理和序列动画保存。扩展名为扩展名为gif。2.3 图像文件格式2.3 图像文件格式2.3.3 TIFFTIFF文件格式文件格式 TIFF最大色深为最大色深为32bit，可采用，可采用LZW无损压缩方案存储无

17、损压缩方案存储。TIFF还可支持多层图层。还可支持多层图层。2.3.5 DICOM文件格式文件格式 DICOM 是医学图像文件存储格式，为各类医学图像数是医学图像文件存储格式，为各类医学图像数据的存档、传输和共享而起草和颁布的。据的存档、传输和共享而起草和颁布的。DICOM格式格式支持几乎所有的医学数字成像设备，例如支持几乎所有的医学数字成像设备，例如CT、MR、DR、超声、内窥镜、电子显微镜等，成为现代医学图、超声、内窥镜、电子显微镜等，成为现代医学图像存储传输技术和医学影像学的主要组成部分。像存储传输技术和医学影像学的主要组成部分。DICOM文件的常见扩展名为文件的常见扩展名为DCM。2.

18、3 图像文件格式2.4 图像质量评价2.4.1 图像质量的客观评价2.4.2 图像质量的主观评价T 对于数字图像保真度，常用峰值均方误差PMSE 对图像质量进行评价T等效信噪比 21121()( , )( , ) JKjkfj kfj kJKPMSEA1010log ()PSNRPMSE 2.4.1 图像质量的客观评价PSNRf(j,k)被变换的图像场，Af(j,k )的最大值PSNR的在衡量不同压缩器时的作用 (PSNR值25.56时的效果)(PSNR值29.87时的效果)PSNR的局限性 T PSNR数值都是数值都是27.123，但是单从数值上，我们并，但是单从数值上，我们并不能判断哪一幅更好。不能判断哪一幅更好。 2.4.2 图像质量的主观评价 尽管客观保真度准则提供了一种简单、方便的评估信尽管客观保真度准则提供了一种简单、方便的评估信息损失的方法，但很多图最终是供人观看的。事实上，具息损失的方法，但很多图最终是供人观看的。事实上，具有相同客观保真度的不同图像，在人的视觉中可能产生不有相同客观保真度的不同图像，在人的视觉中可能产生不同的在视觉效果。这种情况下，用主观的方法来测量图像同的在视觉效果。这种情况下，用主观的方