第二讲色彩模型与图像文件演示教学

2023/2/71第二讲色彩(sècǎi)模型与图像文件基础第一页，共51页。2023/2/72色彩模型(móxíng)与图像文件基础主要(zhǔyào)内容色彩模型(móxíng)常见图像文件格式BMP文件结构BMP文件的读写与显示第二页，共51页。2023/2/73色彩(sècǎi)模型我们是如何描述(miáoshù)色彩的？

RGBCMYKHSILAB为了正确有效地表达和使用色彩(sècǎi)信息，需要建立色彩(sècǎi)模型，即如何描述和重现图像的色彩(sècǎi)。面向设备的色彩模型面向色彩感知的色彩模型第三页，共51页。2023/2/74色彩(sècǎi)模型RGB模型(móxíng)——面向输出显示设备RGB模型是基于仿生学原理，人的视网膜有三种细胞，分别对红、绿、蓝三种颜色敏感（其中绿色最敏感）。这三种颜色的光通过相加，可以混合出绝大部分肉眼能看到的颜色。使用最广泛的色彩模型。非常适合在输出(shūchū)显示场合使用，如彩色电视机的显像管、计算机的显示器。

国际照度委员会规定3种基本色的波长为R:700nm，G:546.1nm，B:435.8nm。第四页，共51页。2023/2/75色彩(sècǎi)模型RGB模型(móxíng)举例RGB(128,128,128)中性(zhōngxìng)灰RGB(255,0,0)高亮度、高饱和红色RGB(128,0,0)低亮度、低饱和红色RGB(255,128,128)高亮度、低饱和红色第五页，共51页。2023/2/76色彩(sècǎi)模型RGB模型(móxíng)的应用显示器（3荧光(yíngguāng)物质）

数码相机（3滤片）

图像处理软件（3通道）第六页，共51页。2023/2/77色彩(sècǎi)模型RGB模型(móxíng)的扩展-彩色电视模型(móxíng)彩色电视系统(xìtǒng)中所采用的色彩模型也是基于RGB的不同组合而成的。YIQ——北美电视系统YUV——欧洲电视系统（我国）YCbCr——DVD等消费类视频产品第七页，共51页。2023/2/78色彩(sècǎi)模型YIQYIQ色彩系统通常被北美的电视系统所采用（NTSC系统）。其中Y值表示(biǎoshì)亮度分量，I对应橙色和青色间的色彩，Q对应绿色和紫色间的色彩。RGB与YIQ之间的对应关系如下：第八页，共51页。2023/2/79色彩(sècǎi)模型YUVYUV色彩系统被欧洲的电视系统所采用（PAL系统），其中Y和上面的YIQ色彩系统中的Y相同，代表亮度分量，U和V代表色度分量，与I和Q的计算(jìsuàn)方式类似，但不完全相同。RGB与YUV之间的对应关系如下：第九页，共51页。2023/2/710色彩(sècǎi)模型YCbCrYCbCr色彩系统是从YUV色彩系统衍生出来的。常见于DVD、摄像机、数字电视(shùzìdiànshì)等消费类视频产品中。其中Y还是指亮度分量，而Cb和Cr则是将U和V做少量调整而得到的。RGB与YCbCr之间的对应关系如下：第十页，共51页。2023/2/711CMYK模型——面向输出(shūchū)印刷设备CMYK色彩系统是一种用于印刷的模式，分别是指青（Cyan）、品红（Magenta）、黄（Yellow）和黑（Black）。CMYK模式在本质上与RGB颜色模式没有什么区别，只是产生色彩的原理不同。RGB颜色合成是通过(tōngguò)颜色相加。而CMYK是通过(tōngguò)颜色相减产生其它颜色。RGB与CMYK没有一一对应的转换关系，转换过程会与显示器设置、印刷油墨设置以及分色设置有关。色彩(sècǎi)模型第十一页，共51页。2023/2/712色彩(sècǎi)模型CMKY模型(móxíng)打印机（4种油墨(yóumò)）

图像处理软件（4通道）在处理图像时，一般不采用CMYK模式，因为：①这种模式的图像文件占用的存储空间较大；②色域范围比RGB小得多。第十二页，共51页。2023/2/713面向视觉感知(gǎnzhī)的色彩模型面向设备的色彩模型与人的视觉感知有一定距离，因此使用时不太方便。比如，描述一种颜色时，人很难描述出其中的R、G、B分量是多少。人总是(zǒnɡshì)从自身的视觉感知习惯出发，用亮度、色调和饱和度去描述一种颜色。比如：深红、淡蓝、浅灰等等。色彩(sècǎi)模型第十三页，共51页。2023/2/714亮度(liàngdù)亮度表示某种颜色在人眼(rényǎn)视觉上引起的明暗程度，它由光的强度（能量）决定：光的强亮越大，景物就越亮；光的强度越小，景物就越暗。对于灰度图象而言，亮度就是图像的灰度值。色彩(sècǎi)模型第十四页，共51页。2023/2/715色调(sèdiào)色调（色相）表示光的颜色，它由光的波长决定。例如自然界中的七色光就分别(fēnbié)对应着不同的色调，每种色调分别(fēnbié)对应着不同的波长。在通常的使用中，色调是由颜色名称标识的，比如红、橙或绿色。色彩(sècǎi)模型第十五页，共51页。2023/2/716饱和度饱和度指颜色的纯度（鲜艳程度），它由主波长的纯光谱色与白光的比例(bǐlì)决定，也就是说，夹杂白光的多少。越接近光谱色、白光比例(bǐlì)越小，则饱和度越高，色彩越鲜艳醒目；距离光谱色越远、白光比例(bǐlì)越大，饱和度越低，色彩越平淡晦暗，越不鲜艳。如对白光来讲，它的色饱和度为0（没有色彩），纯色的色饱和度是100%，指该彩色中不含白光。色彩(sècǎi)模型第十六页，共51页。2023/2/717HSI色彩(sècǎi)模型最直观的色彩描述方法。用色调（Hue）、色饱和度（Saturation）和亮度（Intensity）来描述色彩。它与人类颜色视觉感知非常接近，但独立于设备（设备造不出来，仅存在于软件中）。这个模型有两个特点：I分量与图像的彩色信息无关；其二，H和S分量与人感受颜色的方式是紧密相连的。这些特点使得HSI模型比RGB色彩空间更符合(fúhé)人的视觉特性，非常适合于借助人的视觉系统来感知彩色特性的图像处理算法。色彩(sècǎi)模型第十七页，共51页。2023/2/718HSI模型(móxíng)图例色彩(sècǎi)模型第十八页，共51页。2023/2/719HSI与RGB的转换(zhuǎnhuàn)公式HSI→RGBRGB→HSI色彩(sècǎi)模型演示(yǎnshì)第十九页，共51页。2023/2/720LAB色彩(sècǎi)模型一种能够描述颜色感觉的标准语言，能够用数学方法唯一精确定义颜色刺激所产生的感觉，这种模型就是LAB模型。L表示亮度，A赋予了从红到绿的所有颜色，B赋予了从黄到蓝的所有颜色，该模型覆盖(fùgài)了全部的可见光色谱。该模型与设备无关（仅存在于数学/软件中）。没有提供直接显示的格式，必须要转换到其它色彩空间来显示。色彩(sècǎi)模型第二十页，共51页。2023/2/721主要(zhǔyào)内容色彩模型(móxíng)常见图像文件格式BMP文件结构BMP文件的读写与显示色彩(sècǎi)模型与图像文件基础第二十一页，共51页。2023/2/722常见(chánɡjiàn)图像文件格式BMP（.bmp）文件(wénjiàn)BMP（Bitmap位图）是一种(yīzhǒnɡ)与设备无关（DIB）的图像文件格式，是Windows环境中经常使用的一种(yīzhǒnɡ)位图格式。其特点是不进行压缩，包含的图像信息丰富，但由此导致了占用磁盘空间过大的缺点。BMP在单机上非常流行，不受Internet网络欢迎。采用的是RGB色彩系统。第二十二页，共51页。2023/2/723常见(chánɡjiàn)图像文件格式GIF（.gif）文件(wénjiàn)GIF（GraphicsInterchangeFormat）是美国联机服务商CompuServe针对当时网络传输带宽的限制开发的图像格式。其特点(tèdiǎn)是压缩比高，磁盘空间占用较少，但不能存储超过256色的图像。在Internet上广泛应用：①它不仅可以存储单幅静止图像，也可以同时存储若干静止图像进而形成连续的动画；②指定透明区域；③渐显方式。采用的是RGB色彩系统。第二十三页，共51页。2023/2/724常见(chánɡjiàn)图像文件格式JPEG（.jpg）文件(wénjiàn)JPEG（JointPhotographicExpertsGroup）是利用JPEG方法(fāngfǎ)压缩的图像格式，有损压缩、压缩比非常高，但压缩/解压缩算法复杂、存储和显示速度慢。可以处理24位真彩色，适用于处理大幅的图像。JPEG是Internet中最受欢迎的图像格式。采用的是YCbCr色彩系统。第二十四页，共51页。2023/2/725常见(chánɡjiàn)图像文件格式TIFF（.tif）文件(wénjiàn)TIFF（TagImageFileFormat）是一种独立于操作系统和文件系统的格式，便于在软件间进行图像数据交换。文件格式复杂，记录的相关信息多（图层、通道信息、多幅图像）。该格式支持压缩；支持单色、256色、24位真彩色、32位色、48位色等多种色彩位；同时(tóngshí)支持RGB、CMYK、YCbCr等多种色彩系统。

第二十五页，共51页。2023/2/726主要(zhǔyào)内容色彩(sècǎi)模型常见图像文件格式BMP文件结构BMP文件的读写与显示色彩(sècǎi)模型与图像文件基础第二十六页，共51页。2023/2/727BMP文件格式BMP文件(wénjiàn)的组成BMP文件(wénjiàn)可以分成四个部分：文件(wénjiàn)头BITMAPFILEHEADER信息头BITMAPINFOHEADER调色板Palette实际的位图数据ImageDataWindows位图BMP文件结构示意图

第二十七页，共51页。2023/2/728BMP文件格式文件(wénjiàn)头BITMAPFILEHEADERtypedefstructtagBITMAPFILEHEADER{WORDbfType;//2个字节(zìjié)DWORDbfSize;//4个字节(zìjié)WORDbfReserved1;//2个字节(zìjié)WORDbfReserved2;//2个字节(zìjié)DWORDbfOffBits;//4个字节(zìjié)}BITMAPFILEHEADER;这个结构的长度是固定的，为14个字节（WORD为无符号16位整数(zhěngshù)，DWORD为无符号32位整数(zhěngshù)），各个成员的说明如下：第二十八页，共51页。2023/2/729bfType指定文件类型，必须是0x424D，即字符串”BM”，也就是说所有.bmp文件的头两个字节都是”BM”bfSize指定文件大小，包括文件头本身的14个字节bfReserved1，bfReserved2 为保留字，不用考虑bfOffBits 为从文件头到实际的位图数据的偏移字节数，即结构(jiégòu)示意图中前三个部分的长度之和。文件(wénjiàn)头BITMAPFILEHEADERBMP文件格式第二十九页，共51页。2023/2/730BMP文件格式BMP文件(wénjiàn)的组成BMP文件可以分成(fēnchénɡ)四个部分：文件(wénjiàn)头BITMAPFILEHEADER信息头BITMAPINFOHEADER调色板Palette实际的位图数据ImageDataWindows位图BMP文件结构示意图

第三十页，共51页。2023/2/731信息(xìnxī)头BITMAPINFOHEADERBMP文件格式typedefstructtagBITMAPINFOHEADER{DWORDbiSize;

LONGbiWidth;LONGbiHeight;WORDbiPlanes;WORDbiBitCount;DWORDbiCompression;DWORDbiSizeImage;

LONGbiXPelsPerMeter;

LONGbiYPelsPerMeter;

DWORDbiClrUsed;

DWORDbiClrImportant;

}BITMAPINFOHEADER;这个结构的长度(chángdù)是固定的，为40个字节，各个成员的说明如下：第三十一页，共51页。2023/2/732信息(xìnxī)头BITMAPINFOHEADERBMP文件格式biSize指定这个结构的长度，固定(gùdìng)为40。biWidth指定图像的宽度，单位是像素。biHeight指定图像的高度，单位是像素。biPlanes必须是1，不用考虑。biBitCount指定表示颜色时要用到的位数，常用的值为1（黑白二色图）,4（16色图）,8（256色）,24（真彩色图）。第三十二页，共51页。2023/2/733信息(xìnxī)头BITMAPINFOHEADERBMP文件格式biCompression指定位图是否压缩。Windows位图可以采用压缩格式，但用的不多。我们只讨论的不压缩的情况，biCompression为BI_RGB（Windows定义好的常量）。biSizeImage位图数据占用的字节数，可以通过图像(túxiànɡ)的高度、宽度、颜色深度计算出来。如果biCompression为BI_RGB，则该项可以为零。第三十三页，共51页。2023/2/734信息(xìnxī)头BITMAPINFOHEADERBMP文件格式biXPelsPerMeter指定目标设备的水平分辨率，单位是每米的像素个数。biYPelsPerMeter指定目标设备的垂直分辨率，单位同上。biClrUsed指定本图象实际用到的颜色数（决定调色板数组元素的个数），如果该值为零，则用到的颜色数为2的biBitCount次方。biClrImportant指定本图象中重要的颜色数，该值通常为零，即认为(rènwéi)所有的颜色都是重要的。第三十四页，共51页。2023/2/735BMP文件格式BMP文件(wénjiàn)的组成BMP文件可以(kěyǐ)分成四个部分：文件(wénjiàn)头BITMAPFILEHEADER信息头BITMAPINFOHEADER调色板Palette实际的位图数据ImageDataWindows位图BMP文件结构示意图

第三十五页，共51页。2023/2/736什么(shénme)是调色板？为什么(shénme)要使用调色板？BMP文件格式先来看个简单(jiǎndān)的例子：对一幅100x100的256色图像，它共有10000个像素，如果每一个像素都用R、G、B三个分量表示，一个像素需要3个字节。图像保存(bǎocún)下来的字节数为30000字节。

由于图像最多有256种颜色，如果建立一个256行的颜色表，每一行记录一种颜色的R、G、B值，这样当表示一个像素的颜色时，只需要指出颜色在第几行。例如如果表中的第1行为RGB(255,0,0)，那么当某个像素为红色时，只需要表明1即可。通过颜色索引表来表示该图象，256种颜色状态可用1个字节表示，图像数据只用100×100×1=10000字节，加上颜色表3×256，一共才10768字节。字节数大约只有前面法的1/3。第三十六页，共51页。2023/2/737为什么要使用(shǐyòng)调色板？BMP文件格式其实这张RGB表就是通常(tōngcháng)所说的调色板，它还有一个更确切的名称“颜色查找表LUT（LookUpTable）”。引入调色板的目的是节约存储空间。在Windows位图中便使用到了调色板技术，不仅仅是Windows位图，其他(qítā)许多图像文件格式如“.gif”、“.tif”都用到了调色板。第三十七页，共51页。2023/2/738关于(guānyú)24位真彩色图像的调色板BMP文件格式24位真彩图象不需要(xūyào)调色板~！原因很简单：如果使用调色板，表示一个像素颜色在调色板中的索引要用24位（因为共有224种颜色，即调色板有224行），这和直接用R、G、B这3个分量表示用的字节数一样，不但没有(méiyǒu)节省任何空间，还要加上一个调色板所占的空间224×3个字节。第三十八页，共51页。2023/2/739调色板(Palette)

BMP文件格式调色板实际上是一个数组，共有biClrUsed个元素（如果该值为零，则有2的biBitCount次方个元素）。数组中每个元素的类型是一个RGBQUAD结构，占4个字节，其定义如下：typedefstructtagRGBQUAD{BYTErgbBlue;//该颜色的蓝色分量(fènliàng)BYTErgbGreen;//该颜色的绿色分量(fènliàng)BYTErgbRed;//该颜色的红色分量(fènliàng)BYTErgbReserved;//保留值，不考虑}RGBQUAD;真彩色图，不需要调色板的，BITMAPINFOHEADER后直接(zhíjiē)是位图数据。第三十九页，共51页。2023/2/740关于(guānyú)灰度图像的调色板BMP文件格式BMP格式的文件中并没有灰度图这个概念，但可以很容易地用BMP文件来表示灰度图。方法是用256色的调色板，不过这个调色板有些特殊，每一项的RGB都相同。RGB值从(0,0,0)、(1,1,1)一直到(255,255,255)。(0,0,0)是全黑色，(255,255,255)是全白色。对于R=G=B的色彩，带入YIQ或YUV色彩系统转换公式(gōngshì)中可以看到只有亮度信息，颜色分量都是0，即没有色彩信息。第四十页，共51页。2023/2/741BMP文件格式BMP文件(wénjiàn)的组成BMP文件可以分成(fēnchénɡ)四个部分：文件(wénjiàn)头BITMAPFILEHEADER信息头BITMAPINFOHEADER调色板Palette实际的位图数据ImageDataWindows位图BMP文件结构示意图

第四十一页，共51页。2023/2/742位图数据(shùjù)BMP文件格式对于用到调色板的位图，图象数据就是该像素颜色在调色板中的索引(suǒyǐn)值，对于真彩色图，图象数据就是实际的R,G,B值。下面就2色，16色，256色位图和真彩色位图分别介绍。2色位图，用1位就可以(kěyǐ)表示该像素的颜色（一般0表示黑，1表示白），一个字节可以(kěyǐ)表示8个像素。16色位图，用4位可以(kěyǐ)表示一个像素的颜色，所以一个字节可以(kěyǐ)表示2个像素。256色位图，一个字节表示1个像素。真彩色图，三个字节表示1个像素。第四十二页，共51页。2023/2/743位图数据(shùjù)——需要注意的两点BMP文件格式①每一行的字节数必须是4的整倍数，如果不是，则需要补齐。②BMP文件的数据是从下到上，从左到右的。也就是说，从文件中最先读到的是图象最下面一行的左边第一个像素，然后是左边第二个像素。。。接下来是倒数第二行左边第一个像素，左边第二个像素。。。依次(yīcì)类推，最后得到的是最上面一行的最右一个像素。第四十三页，共51页。2023/2/744主要(zhǔyào)内容色彩模型常见图像文件(wénjiàn)格式BMP文件(wénjiàn)结构BMP文件(wénjiàn)的读写与显示色彩模型(móxíng)与图像文件基础第四十四页，共51页。2023/2/745显示(xiǎnshì)位图的WindowsAPI函数BMP文件(wénjiàn)的读写与显示intStretchDIBits( HDChdc,//handletoDC intXDest,//x-coordofdestinationupper-leftcorner intYDest,//y-coordofdestinationupper-leftcorner intnDestWidth,//widthofdestinationrectangle intnDestHeight,//heightofdestinationrectangle intXSrc,//x-coordofsourceupper-leftcorner intYSrc,//y-coordofsourceupper-leftcorner intnSrcWidth,//widthofsourcerectangle intnSrcHeight,//heightofsourcerectangle

CONSTVOID

*lpBits,//bitmapbits

CONSTBITMAPINFO

*lpBitsInfo,//bitmapdata

UINTiUsage,//usageoptions DWORDdwRop//rasteroperationcode);第四十五页，共51页。2023/2/746显示(xiǎnshì)位图的关键BMP文件(wénjiàn)的读写与显示文件(wénjiàn)头BITMAPFILEHEADER信息头BITMAPINFOHEADER调色板Palette实际的位图数据ImageData指针1LPBITMAPINFOlpBitsInfo指针2VOID*lpBits指针2可由指针1获得：LPVOIDlpBits=(LPVOID)&lpBitsInfo->bmiColors[lpBitsInfo->bmiHeader.biClrUsed];第四十六页，共51页。2023/2/747本讲小结(xiǎojié)