多媒体技术好资源第讲数字图像基础

第五章数字图像基础概述:图像数据压缩有两个基本依据：一个是图像数据中有许多重复的数据，使用数学方法来表示这些重复数据就可以减少数据量；利用的压缩技术是无损压缩技术，另一个事实是人的眼睛对图像细节和颜色的辨认有一个极限，把超过极限的部分去掉，这也就达到压缩数据的目的。利用有损压缩技术。实际的图像压缩是综合使用各种有损和无损压缩技术来实现的。5.1视角系统对颜色的感知颜色是视觉系统对可见光的感知结果。可见光是波长在380nm～780nm之间的电磁波研究表明，人的视网膜有对红、绿、蓝颜色敏感程度不同的三种锥体细胞，另外还有一种在光功率极端低的条件下才起作用的杆状体细胞，因此颜色只存在于眼睛和大脑。视觉系统对颜色的感知特性眼睛本质上是一个照相机

人的视网膜(humanretina)通过神经元来感知外部世界的颜色，每个神经元或者是一个对颜色敏感的锥体(cone)，或者是一个对颜色不敏感的杆状体(rod)。

红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的光的感知程度不同，对不同亮度的感知程度也不同

人们可以使用数字图像处理技术来降低数据率而不使人感到图像质量明显下降。视觉系统对颜色和亮度的响应特性产生波长不同的光所需三基色自然界中的任何一种颜色都可以由R，G，B这3种颜色值之和来确定图中的纵坐标表示标称单位光强度，横坐标表示波长，负值表示某些波长(即颜色)不能精确地通过相加混色得到。使用等量的三基色可匹配等能量的白光。5.2彩色图象的颜色模式一个能发出光波的物体称为有源物体，它的颜色由该物体发出的光波决定，使用RGB相加混色模型；一个不发光波的物体称为无源物体，它的颜色由该物体吸收或者反射哪些光波决定，用CMY相减混色模型。

相加颜色模式显示彩色图像用RGB相加混色模型颜色＝R(红色的百分比)＋G(绿色的百分比)＋B(蓝色的百分比)相加颜色模式当三基色等量相加时，得到白色；等量的红绿相加而蓝为0值时得到黄色；等量的红蓝相加而绿为0时得到品红色；等量的绿蓝相加而红为0时得到青色。图象的相加色色一幅彩色图像像可以看成由由许多的点组组成的每个像素都有有一个值，称称为像素值，，它表示特定定颜色的强度度。一个像素值往往往用R，G，B三个分分量表示颜色相加列表表RGB颜色000黑001蓝010绿011青100红101品红110黄111白标准的电视图图形阵列适配配卡的16色色代码RGBHSL颜色000016000黑(Black)10012816024060蓝(Blue)2012808024060绿(Green)3012812812024060青(Cyan)412800024060红(Red)5128012820024060品红(Magenta)612812804024060褐色(Darkyellow)71921921921600180白(Lightgray)81281281281600120深灰(DarkGray)标准的电视图图形阵列适配配卡的16色色900255160240120淡蓝(Lightblue)100255080240120淡绿(Lightgreen)110255255120240120淡青(Lightcyan)12255000240120淡红(LightRed)132550255200240120淡品红(LightMagenta)14255255040240120黄(yellow)152552552551600240高亮白(Brightwhite)注意:色调-饱和度-亮亮度(hue-saturation-lightness，HSL)颜色模型型CMY相减混混色模型用彩色墨水或或颜料进行混混合，这样得得到的颜色称称为相减色。。任何一种颜色色都可以用三三种基本颜料料按一定比例例混合得到。。这三种颜色是是青色(Cyan)、品品红(Magenta)和黄色(Yellow)，通常写写成CMY，，称为CMY模型。减少了为视觉觉系统识别颜颜色所需要的的反射光CMY相减色色在相减混色中中，当三基色色等量相减时时得到黑色；；等量黄色(Y)和品红红(M)相减减而青色(C)为0时，，得到红色(R)；等量量青色(C)和品红(M)相减而黄黄色(Y)为为0时，得到到蓝色(B)；等量黄色色(Y)和青青色(C)相相减而品红(M)为0时时，得到绿色色(G)。相减色列表青色品红黄色相减色000白001黄010品红011红100青101绿110蓝111黑相减色与相加加色之间关系系相加混色相减混色生成的颜色RGBCMY

000111黑001110蓝010101绿011100青100011红101010品红110001黄111000白RGB与CMYK间关系系彩色空间的线线性变换标准准为使用人的视视角特性以降降低数据量，，通常把RGB空间表示示的彩色图像像变换到其他他彩色空间。。目前采用的彩彩色空间变换换有三种：YIQ,YUV和YCrCb。每每一种彩色空空间都产生一一种亮度分量量信号和两种种色度分量信信号，而每一一种变换使用用的参数都是是为了适应某某种类型的显显示设备。YIQ适用于于NTSC彩彩色电视制式式，YUV适适用于PAL和SECAM彩色电视视制式，而YCrCb适适用于计算机机用的显示器器。YUV与YIQYIQ模型，，其中的Y表表示亮度，I、Q是两个个彩色分量。。YUV模型，，Y表示亮度度，UV用来来表示色差，，U、V是构构成彩色的两两个分量；YUV表示法法的重要性是是它的亮度信信号(Y)和和色度信号(U、V)是是相互独立的的，也就是Y信号分量构构成的黑白灰灰度图与用U、V信号构构成的另外两两幅单色图是是相互独立的的。可用于对对单色图分别别进行编码。。YUV表示法法的另一个优优点是可以利利用人眼的特特性来降低数数字彩色图像像所需要的存存储容量。YUV利于于数据压缩,依据是?YUV与RGB彩色空间间变换Y=0.299R+0.587G+0.114BU=-0.147R-0.289G+0.436BV=0.615R-0.515G-0.100BYIQ与RGB彩色空间间变换Y=0.299R+0.587G+0.114BI=0.596R-0.275G-0.321BQ=0.212R-0.523G+0.311BYCrCb与与RGB彩色色空间变换Y＝0.299R＋0.578G＋＋0.114BCr＝(0.500R－－0.4187G－0.0813B)＋128Cb=(-0.1687R－0.3313G＋＋0.500B)＋1285.4图象的的三个属性图像的属性包包含分辨率、、像素深度、、真/伪彩色色、图像的表表示法和种类类等。显示分辨率是是指显示屏上上能够显示出出的像素数目目图像分辨率是是指组成一幅幅图像的像素素密度的度量量方法。图像分辨率与与显示分辨率率是两个不同同的概念。图图像分辨率是是确定组成一一幅图像的像像素数目，而而显示分辨率率是确定显示示图像的区域域大小。如果果显示屏的分分辨率为640×480，那末一幅幅320×240的图像像只占显示屏屏的1/4；；像素深度像素深度是指指存储每个像像素所用的位位数，它也是是用来度量图图像的分辨率率。像素深度决定定彩色图像的的每个像素可可能有的颜色色数，或者确确定灰度图像像的每个像素素可能有的灰灰度级数。一幅彩色图像像的每个像素素用R，G，，B三个分量量表示，若每每个分量用8位，那末一一个像素共用用24位表示示，就说像素素的深度为24，每个像像素可以是224=16777216种颜颜色中的一种种。在用二进制数数表示彩色图图像的像素时时，除R，G，B分量用用固定位数表表示外，往往往还增加1位位或几位作为为属性(Attribute)位。。例如，RGB5∶5∶5表示一一个像素时，，用2个字节节共16位表表示，其中R，G，B各各占5位，剩剩下一位作为为属性位。在在这种情况下下，像素深度度为16位，，而图像深度度为15位。。真彩色、伪彩彩色与直接色色真彩色(truecolor)真彩色是指在在组成一幅彩彩色图像的每每个像素值中中，有R，G，B三个基基色分量，每每个基色分量量直接决定显显示设备的基基色强度，这这样产生的彩彩色称为真彩彩色。伪彩色伪彩色图像的的含义是，每每个像素的颜颜色不是由每每个基色分量量的数值直接接决定，而是是把像素值当当作彩色查找找表(colorlook-uptable，CLUT)的表项项入口地址，，去查找一个个显示图像时时使用的R，，G，B强度度值，用查找找出的R，G，B强度值值产生的彩色色称为伪彩色色。直接色每个像素值分分成R，G，，B分量，每每个分量作为为单独的索引引值对它做变变换。也就是是通过相应的的彩色变换表表找出基色强强度，用变换换后得到的R，G，B强强度值产生的的彩色称为直直接色。它的的特点是对每每个基色进行行变换。真彩色和伪彩彩色图像之间间的差别5.5图象象种类矢量图和位图图计算机包含两两种类型的图图形格式：矢矢量图（VectorBasedImage）和位图图（BitMappedImage）。矢量图(图形形)：主要用用于工程图、、白描图、图图例、卡通漫漫画和三维建建模等。由图图形应用程序序创建,在在数学上定义义为一系列由由线连接的点点，其内部表表示为单个的的线条、文字字、圆、矩形形、多边形等等图形元素。。每个图元称称为对象，可可以用一个代代数式来表达达，并且是一一个独立的实实体，具有颜颜色、形状、、大小和屏幕幕位置等属性性。通过软件，矢矢量图很容易易转化为位图图，而位图转转化为矢量图图则需要复杂杂而庞大的数数据处理。2.位图(图图像)：是直接量化的的原始图像信信号形式,图图像的最小单单位是像点,用于表现现自然影像。。像素点由若若干个二进制制位进行描述述，二进制位位代表像素点点颜色的数量量，二进制位位与图像之间间存在严格的的“位映射””关系，具有有位映射关系系的图叫作““位图”。位图与矢量图图的不同点：：1）位图的容容量一般较大大，与图的尺尺寸和颜色有有关；矢量图图一般较小，，与图的复杂杂程度有关。。2）位位图的的文件件内容容是点点阵数数据；；矢量量图的的文件件内容容是图图形指指令。。3）位位图的的显示示速度度与图图的容容量有有关；；矢量量图的的显示示速度度与图图的复复杂程程度有有关。。4）从从应用用特点点看，，位图图适于于“获获取””和和“复复制””，表表现力力丰富富，但但编辑辑较复复杂；；矢量量图易易于编编辑，，适于于“绘绘制””和和“创创建””，但但表现现力受受限。。彩色图图像●RGB———红红、、绿、、蓝RGBRGBR数组—8bit表示(256阶梯)G数组—8bit表示(256阶梯)B数组—8bit表示(256阶梯)最大表示：28×28×28=224=16777216(16.7M)教学进进程CMYK彩彩色图图像●●CMYK青青、、品红红、黄黄、黑黑CKMYC数组—8bit表示(256阶梯)M数组—8bit表示(256阶梯)Y数组—8bit表示(256阶梯)K数组—8bit表示(256阶梯)最大表示：28×28×28×28=232=4294967296(4294M)CMYK教学进进程灰度图图象灰度图图象是是按照照灰度度的等等级数数目进进行划划分进进行如果灰灰度等等级用用8位位表示示，则则灰度度等级级就是是256级级如果灰灰度等等级用用1位位表示示，则则称为为单色图图象单色图图像●单色图图像————色色族单单一的的图像像，但但并非非只有有一种种颜色色的图图像单色图图像“二值”图像只有黑、白两色简单形式复杂形式“灰度”图像具有256级灰度●单色图图像用用途：：简单形形式————文文本显显示、、木刻刻、版版画效效果的的图像像复杂形形式————书书籍用用图片片、报报纸用用图片片●单色图图像格格式：：TGA、JPG、TIF、PCX等教学进进程JPEG压压缩算算法由ISO和和IEC两两个组组织联联合组组成的的一个个专家家组，，负责责制定定静态态的数数字图图象数数据压压缩编编码标标准可用于于静态态图象象，也也可以以用于于动态态图象象基本压压缩算算法：：离散余余弦变变换：：25：1没有有区别别预测技技术为为基础础的无无损压压缩算算法JPEG2000压压缩算算法：：小波波变换换●压缩比比———10:1~100:1(一一般压压缩比比≯40:1)●压缩原原理————采采用无无失真真预测测编码码、有有失真真DCT编编码等等混合合编码码方式式●无失真真预测测编码码———线线性性预测测编码码，压压缩比比2:1●有失真真DCT编编码————[1]离离散余余弦变变换压压缩编编码，，压缩缩比40:1[2]霍霍夫曼曼编码码(增强强型编编码)[3]自适适应算算术编编码(增增强型型编码码)●特点[1]压缩比可调[2]对CPU的响应速度要求不高[3]压缩算法复杂(可同时使用四种压缩编码方式)JPEG图图像压压缩算算法JPEG图图像压压缩算算法JPEG是是有有损压压缩算算法JPEG核核心心是““离散散余弦弦变换换(DiscreteCosineTransform,DCT)””JPEG压压缩缩算法法的基基本步步骤为为：1、离离散余余弦变变换DCTTransformation2、系系数量量子化化CoefficientQuantization3、Huffman无损损压缩缩LosslessCompression静态图图象压压缩原原理图图JPEG压压缩的的主要要计算算步骤骤正向离离散余余弦变变换(FDCT)。。量化(quantization)。。Z字形形编码码(zigzagscan)。。使用差差分脉脉冲编编码调调制(differentialpulsecodemodulation，DPCM)对直直流系系数(DC)进进行编编码。。使用行行程长长度编编码(run-lengthencoding，，RLE)对交交流系系数(AC)进进行编编码。。熵编码码(entropycoding)。正向离离散余余弦变变换对每个个单独独的彩彩色图图像分分量，，把整整个分分量图图像分分成8×8的图图像块块，并并作为为两维维离散散余弦弦变换换DCT的的输入入。通通过DCT变换换，把把能量量集中中在少少数几几个系系数上上。正向离离散余余弦变变换DCT变换换使用用下式式计算算逆变换换使用用下式式计算算C(u),C(v)=1/,当当u,v=0；；C(u),C(v)=1,其其他。。正向离离散余余弦变变换计算两两维的的DCT变变换时时，可可使用用下面面的计计算式式把两两维的的DCT变变换变变成一一维的的DCT变变换量子化化QuantizationDCT变换换的输输入是是8位位的象象素值值（0~255，JPEG实实现时时将其其减去去128，，范围围变成成-128~127），，但输输出范范围是是从––1024到1023，，占占11位。。量子化化即通通过整整除运运算减减少输输出值值的存存储位位数。。使用量量子化化矩阵阵（QuantizationMatrix）来来实现现量子子化。。量子化化公式式为：：量化后后的值值(i,j)=ROUND(DCT(i,j)/量量子子(i,j))逆量子子化公公式为为：DCT(i,j)=量量化后后的值值(i,j)*量量子(i,j)量子化化是JPEG算算法中中损失失图像像精度度的根根源，，也是是产生生压缩缩效果果的源源泉量子子表表QuantumTable4710131619222571013161922252810131619222528311316192225283134161922252831343719222528313437402225283134374043252831343740434610192837465564731928374655647382283746556473829137465564738291100465564738291100109556473829110010911864738291100109118127738291100109118127136quality=4quality=9Quantum[i][j]=1+((1+i+j)*quality)Zig-Zag编编码码(0,0)->(0,1)->(1,0)->(2,0)->…………将量量子子化化的的矩矩阵阵按按Zig-Zag顺顺序序排排列列将原原始始数数列列转转换换为为差差值值数数列列对差差值值数数列列进进行行编编码码，，可可以以使使用用Huffman编编码码、、算算术术编编码码或或熵熵编编码码等等方方法法Z形形编编码码量化化后后的的系系数数要要重重新新编编排排，，目目的的是是为为了了增增加加连连续续的的““0””系系数数的的个个数数，，就就是是““0””的的游游程程长长度度，，方方法法是是按按照照Z字字形形的的式式样样编编排排。。这这样样就就把把一一个个8x8的的矩矩阵阵变变成成一一个个1x64的的矢矢量量，，频频率率较较低低的的系系数数放放在在矢矢量量的的顶顶部部。。直流流系系数数编编码码8x8图图像像块块经经过过DCT变变换换之之后后得得到到的的DC直直流流系系数数有有两两个个特特点点:一是是系系数数的的数数值值比比较较大大，，二是是相相邻邻8x8图图像像块块的的DC系系数数值值变变化化不不大大。。JPEG算算法法使使用用了了差差分分脉脉冲冲调调制制编编码码(DPCM)技技术术，，对对相相邻邻图图像像块块之之间间量量化化DC系系数数的的差差值值(Delta)进进行行编编码码Delta＝＝DC(0,0)k-DC(0,0)k-1交流流系系数数编编码码量化化AC系系数数的的特特点点是是1x64矢矢量量中中包包含含有有许许多多““0””系系数数，，并并且且许许多多““0””是是连连续续的的游程程长长度度编编码码(RLE)对对它它们们进进行行编编码码JPEG使使用用了了1个个字字节节的的高高4位位来来表表示示连连续续““0””的的个个数数，，而而使使用用它它的的低低4位位来来表表示示编编码码下下一一个个非非““0””系系数数所所需需要要的的位位数数，，跟跟在在它它后后面面的的是是量量化化AC系系数数的的数数值值。。0的的个个数数下个个非非““0””系系数数位位数数量化化AC系系数数的的数数值值熵编编码码使用用熵熵编编码码还还可可以以对对DPCM编编码码后后的的直直流流DC系系数数和和RLE编编码码后后的的交交流流AC系系数数作作进进一一步步的的压压缩缩。。在JPEG有有损损压压缩缩算算法法中中，，使使用用霍霍夫夫曼曼编编码码器器来来减减少少熵熵。。使使用用霍霍夫夫曼曼编编码码器器的的理理由由是是可可以以使使用用很很简简单单的的查查表表(lookuptable)方方法法进进行行编编码码。。ValueSSS00-1,11-3,-2,2,32-7..-4,4..73组成成位位数数据据流流JPEG编编码码的的最最后后一一个个步步骤骤是是把把各各种种标标记记代代码码和和编编码码后后的的图图像像数数据据组组成成一一帧帧一一帧帧的的数数据据，，这这样样做做的的目目的的是是为为了了便便于于传传输输、、存存储储和和译译码码器器进进行行译译码码，，这这样样的的组组织织的的数数据据通通常常称称为为JPEG位位数数据据流流(JPEGbitstream)。。一个个真真实实的的编编码码和和解解码码过过程程JPEG的的其其他他问问题题将原原始始图图像像划划分分成成多多个个8X8或或16X16的的矩矩阵阵进进行行处处理理要求求矩矩阵阵中中每每个个点点的的像像素素值值范范围围是是0~255二值值、、16级级灰灰度度等等均均转转换换为为256级级灰灰度度图图像像进进行行处处理理对非非256色色的的彩彩色色图图象象，，先先转转换换成成真真彩彩色色图图像像，，然然后后使使用用分分色色法法将将图图像像分分成成红红、、蓝蓝、、绿绿三三个个256级级灰灰度度图图像像，，再再进进行行处处理理5.6.1数数据据格格式式■BMP格格式——Bitmap，，Microsoft公司开开发，用用于Windows环环境●使用要点点(1)用用于表表现打印印、显示示用图像像(2)不不适于于网络传传送(3)不不适于于提供印印刷文件件5.6静静态图图像文件件文件头调色板数据(反向排列)图像数据●特点(1)扩展名采用“.bmp”(2)文件描述单一(静止)图像(3)彩色模式:24~232(4)调色板RGB数据顺序反向排列(5)以图像左下角为起点排列数据(6)一般采用非压缩数据格式教学进程程●TIFF格式TagImageFileFormat，，Aldus公公司开发发，用于于精确描描述图像像的场合合●使用要点点(1)平平面设设计作品品的最佳佳表现形形式(2)用用于提提供印刷刷文件(3)不不适于于网络传传送文件头标识信息区图像数据●特点(1)扩展名采用“.tif”(2)文件描述单一(静止)图像(3)彩色模式:21(单色)

~232(4)支持多平台(PC&Macintosh)(5)可采用多种压缩数据格式教学进程程●TGA格格式TagaImageFormat，Truevision公司开开发，用用于屏显显和动画画帧显示示●使用要点点(1)用用于表表现影视视广播级级动画的的帧(2)不不适于于保存高高质量印印刷文件件(3)不不适于于网络传传送●特点(1)扩展名采用“.tga”(2)文件描述单一(静止)图像(3)彩色模式:20(1色)

~232(显示模式依赖显示卡)(4)图像分辨率固定为96dpi文件头调色板信息图像数据数据补充区教学进程程●GIF格格式GraphicsInterchangeFormat,CompuServe公司开发发,用用于屏显显和网络络●使用要点点(1)用用于屏屏幕显示示图像和和电脑动动画(2)用用于网网络传送送(3)不不适于于保存高高质量印印刷文件件●特点(1)扩展名采用“.gif”(2)具有87a、89a两种格式87a——描述单一(静止)图像89a——描述多帧图像(3)彩色模式:28(256色)，分辨率96dpi(4)采用改进的LZW压缩算法文件头逻辑屏幕描述图像数据结束标志调色板信息教学进程程●JPEG格式JointPhotographicExpertsGroup，联联合专家家小组开开发，用用于彩色色图像的存储和和网络传传送●使用要点点(1)用用于保保存表现现自然景景观的图图像(2)用用于网网络传送送(3)不不适于于表现有有明显边边界的图图形(4)不不适用用于高质质量印刷刷文件●特点(1)扩展名采用“.jpg”(2)采用有损压缩编码形式，数据量小(3)彩色模式:232(真彩色)(4)经解压缩，方可显示图像，显示速度慢经压缩的图像数据各类压缩算法教学进程程本章复习习图象颜色色模型矢量图与与位图JPEG压缩编编码与方方法（DCT的的有损压压缩）图象文件件格式Photoshop软软件应用用9、静夜四四无邻，，荒居旧旧业贫。。。1月-231月-23Thursday,January5,202310、雨中黄叶树树，灯下白头头人。。20:37:3620:37:3620:371/5/20238:37:36PM11、以我我独沈沈久，，愧君君相见见频。。。1月-2320:37:3620:37Jan-2305-Jan-2312、故人江海别别，几度隔山山川。。20:37:3620:37:3620:37Thursday,January5,202313、乍见见翻疑疑梦，，相悲悲各问问年。。。1月-231月-2320:37:3620:37:36January5,202314、他乡生生白发，，旧国见见青山。。。05一一月20238:37:36下午午20:37:361月-2315、比不不了得得就不不比，，得不不到的的就不不要。。。。一月238:37下下午午1月-2320:37January5,202316、行动出成成果，工作作出财富。。。2023/1/520:37:3620:37:3605January202317、做前，能够够环视四周；；做时，你只只能或者最好好沿着以脚为为起点的射线线向前。。8:37:36下午8:37下下午20:37:361月-239、没有有失败败，只只有暂暂时停停止成成功！！。1月-231月-23Thursday,January5,202310、很多事事情努力力了未必必有结果果，但是是不努力力却什么么改变也也没有。。。20:37:3620:37:3620:371/5/20238:37:36PM11、成功就就是日复复一日那那一点点点小小努努力的积积累。。。1月-2320:37:3620:37Jan-2305-Jan-2312、世世间间成成事事，，不不求求其其绝绝对对圆圆满满，，留留