多媒体技术及应用-第5章-数字图像基础

1、中南大学信息科学与工程学院 黄东军多媒体原理与系统设计第五章 数字图像基础 色彩及其模型 数字图像的概念 图像的存储格式 图像压缩技术一、色彩及其模型1、色彩的概念色彩（或颜色，color）是物体发出或反射的光在视觉系统中形成的反应，这种反应使人们得以从视觉上区分物体的大小、形状、结构和属性等外部特征。2、色彩的三特性a.亮度（Luminance） 指色光的明暗程度，由色光所含的能量决定。光源色光的亮度正比于它的光通量（光功率）；物体色光的亮度正比于各点反射光的光通量。 光源功率越大，物体反射能力越强，则物体越亮；反之，越暗。亮度受视觉心理影响b.色调（Hue） 指颜色的类别，如通常所说的红色

2、、绿色、蓝色、品红、青色等色调。光源的色调由其光谱分布决定；物体的色调由照射光源的光谱和物体本身反射特性决定。 例如蓝布在日光照射下，只反射蓝光而吸收其它成分。如果分别在红光，黄光或绿光的照射下，它会呈现黑色。红玻璃在日光照射下，只透射红光，所以是红色。c.饱和度（Saturation） 是指色调深浅的程度。各种单色光饱和度最高。单色光中掺入的白光愈多，饱和度愈低，白光占绝大部分时，饱和度接近于零，白光的饱和度等于零。物体色调的饱和度决定于该物体表面反射光谱辐射的选择性程度，物体对光谱某一较窄波段的反射率越高，而对其它波长的反射率越低或不反射，则表明它有很高的光谱选择性，物体这一颜色的饱和度就

3、越高。3、色彩模型（ color models） 色彩模型是对三维色彩空间中的可见光子集的一个描述，即用于表示颜色形成方式和取值范围的空间数学模型。4、RGB模型 用红、绿、蓝三种基本颜色表示其他颜色的模型。红、绿、蓝原色是加性原色，不同量原色混合在一起可以产生不同的复合色。RGB颜色模型通常采用立方体空间来表示颜色范围。RGB模型RGB模型RGBA模型Alpha通道一般用作不透明度参数。如果一个像素的Alpha通道数值为0%，那它就是完全透明的（也就是看不见的），而数值为100%则意味着一个完全不透明的像素（传统的数字图像）。A- 表示Alpha通道5、CMYK模型 是用物质吸收光的数量表示

4、色彩的方式，即通过青(C)、品(M)、黄(Y)三原色颜料混合表示颜色，称为CMY颜色空间。增加一个黑(K)，得到CMYK模型，应用于实际的印刷工业中。 RGB模型中，当红、绿、蓝三原色混合时，产生白色。但CMYK模型中，混合青(C)、品(M)、黄(Y)三原色时会得到黑色。RGB模型与CMY模型加色模型减色模型Additive color modelAbstractive color model6、HSV模型 H为色相（hue）、S为饱和度（saturation）、V为亮度值 (value)。色相（H）是色彩的基本属性，即一般所说的颜色名称，如红色、黄色等。饱和度（S）是指色彩的纯度，饱和度越高

5、，色彩就越纯，越低则越灰，取0-100%的数值。亮度（V）是颜色的明亮程度，取0-100%。HSV模型从RGB到HSV模型的转换 v = max二、数字图像的概念1、数字图像 数值图像（digital images）是用二维像素矩阵表示的图像。2、像素 像素（pixel）是图像平面中特定位置上的一个点，具有一定的颜色属性。a pixel3、二值图像与灰度图像 像素值仅仅为两种颜色的图像是二值图像。像素值分布在RGB色彩空间中的灰度（即亮度）线上的数字图像（如上图所示）是灰度图像（ Gray-scale image ）。4、彩色图像 彩色图像是由三幅原色图像（红色、绿色和蓝色图像）融合而成图像。

6、8位彩色图像24位彩色图像5、真彩图像 像素值直接表示了颜色属性的彩色图像称为真彩图像。24位彩色图像红色绿色蓝色3个字节6、伪彩图像 伪彩图像是指像素值不直接表示颜色值本身而是表示了颜色在调色板中索引的彩色图像。8位彩色图像红色绿色蓝色索引红色绿色蓝色7、图像分辨率 图像在水平和垂直方向上的像素数的乘积。中国首次探月工程的第一幅月球表面图像，覆盖区域宽280公里，长460公里，分辨率达到120米。图像分辨率为2300 x 38001. BMP 文件的结构三、图像文件的格式File type (WORD)File size (DWORD)Reserved ( DWORD, 0 )Bitmap

7、data offset (DWORD)Bitmap information header size WidthHeightPlanes ( 1 )BitCount, i.e. Bits per pixel ( 1,4,8,24 )Compression (1:RLE_8;4:RLE_4)Image sizeXPeIsPerMeterYPeIsPerMeterColors usedColors importantBlue (BYTE)Green (BYTE)Red (BYTE)Reserved (BYTE).Bitmap dataAA2.BMP 文件的数据存储格式非压缩格式：a0 的D7 位表示

8、第1个像素a0 的D0 位表示第8个像素a1 的D7 位表示第9个像素a0If BitCount = 1 then If BitCount = 8 then a0 字节表示第1个像素a1 字节表示第2个像素a0a1If BitCount = 24 then a0 , a1 and a2 bytes indicate the first pixela3, a4, a5 bytes indicate the 2th pixela0a1a2压缩格式a. BI_RLE_8 编码基本规则：一个字节表示一个像素，二个字节为一个编码单元。编码算法：If the first byte = 0 then cas

9、e second byte = 0 then the two bytes indicate the end of a line case second byte = 1 then the two bytes indicate the end of the image case second byte = 2 then the two bytes translate the following two bytes which indicate the horizontal and vertical offset for the next pixel placeEnd ifa. BI_RLE_8

10、编码（续）If the first byte = 0 and the second byte = 3 then the second byte indicates that the following it, there are second_byte pixels ;End ifIf the first byte 0 then the first byte indicates the second byte should be repeated first_byte times ;End ifBI_RLE_8 编码举例有如下的采用 BI_RLE_8 编码的位图文件图像数据 :05 04 03

11、 07 00 02 05 01 00 03 05 06 07 00 03 07 00 00 09 1E 00 01则解码的位图数据排列入下： 04 04 04 04 04 07 07 07 05 06 07 07 07 071E 1E 1E 1E 1E 1E 1E 1E 1Eb. BI_RLE_4 编码One byte indicates two pixels; Two bytes are integrated as one codec unit.If the first byte = 0 then case second byte = 0 then the two bytes indicat

12、e the end of a line case second byte = 1 then the two bytes indicate the end of the image case second byte = 2 then the two bytes translate the following two bytes which indicate the horizontal and vertical offset for the next pixel placeEnd ifIf the first byte = 0 and the second byte = 3 then the s

13、econd byte indicates that following the second byte, there are second_byte pixels which are single pixels to be displayed;End ifIf the first byte 0 then the first byte indicates that in the second byte, there are first_ byte pixels to be repeated;End ifBI_RLE_4 codec : exampleThere is a set of bitma

14、p file data compressed by BI_RLE_8 codec :05 67 03 57 00 02 05 01 00 05 85 67 70 00 03 37 00 00 09 1E 00 01The pressed bitmap data are 6 7 6 7 6 5 7 5 8 5 6 7 7 3 7 31 E 1 E 1 E 1 E 1四、图像压缩技术:JPEG1、The architecture of JPEGPicture PreparationPixel Block, MCU Picture ProcessingPredictor FDCT Quantizat

15、ionEntropy EncodingRun-lengthHuffman Arithmetic2、Lossy Sequential DCT-based ModeQuantizationFDCTEntropy Encodertables pressed image data8 x 8 blockstablesCompressed image dataFDCT（Forward Discrete Cosine Transform ）SxyFuvFDCTfor u, v = 0otherwise Quantizitione.g.Luminance tableChrominance tableTable

16、s for QuantizitionHow to process the DC-coefficients ? Between adjacent data units the variation of color is fairly small. Therefore, a DC-coefficient is encoded as the delta between the current DC-coefficient and the previous one.DCi-1DCiBlocki-1BlockiDIFF = DCi DCi-1How to process the AC-coefficients ? Compress AC-coefficients by RLE using the zigzag sequence permitting very efficient entropy encoding.* * * * * * *