第六章 彩色数字图像基础

MTI彩色数字图像基础多媒体技术第五讲1主要内容视觉系统对颜色的感知图像的颜色模型图像的基本属性图像的分类伽马()校正常用图像文件格式2视觉系统对颜色的感知可见光的波长范围为380nm～780nm，大多数自然光都是由不同波长的光组合而成。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中。颜色是视觉系统对可见光的感知结果。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，因此不同组成成分的可见光就呈现出不同的颜色,这就意味着，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。

3视觉系统对颜色的感知视觉系统对颜色和亮度的响应特性曲线（各个波长的光的强度相等）4视觉系统对颜色的感知上面的颜色响应曲线表明，人类眼睛对蓝光的灵敏度远远低于对红光和绿光的灵敏度。亮度响应曲线表明人眼对波长为550nm左右的黄绿色最为敏感。5视觉系统对颜色的感知许多具有不同光谱分布的光产生的视觉效果（颜色）是一样的。即光谱与颜色的对应是多对一的。光谱分布不同而看上去相同的两种颜色称为条件等色（匹配等色）。绝大部分可见光谱对眼睛的刺激效果都可以用红（700nm）、绿（546.1）、蓝（435.8nm）三色光按不同比例和强度的混合来等效表示。（三刺激理论）6视觉系统对颜色的感知匹配任意可见光所需的三原色光比例曲线7视觉系统对颜色的感知颜色匹配试验8视觉系统对颜色的感知9视觉系统对颜色的感知从人的主观感觉角度，颜色包含三个要素：1、色调（hue）：色调反映颜色的类别，如红色、绿色、蓝色等。色调大致对应光谱分布中的主波长。10视觉系统对颜色的感知2、饱和度（Saturation）饱和度是指彩色光所呈现颜色的深浅或纯洁程度。对于同一色调的彩色光，其饱和度越高，颜色就越深，或越纯；而饱和度越小，颜色就越浅，或纯度越低。高饱和度的彩色光可因掺入白光而降低纯度或变浅，变成低饱和度的色光。100%饱和度的色光就代表完全没有混入白光的纯色光。11视觉系统对颜色的感知3、明亮度（luminance）明亮度是光作用于人眼时引起的明亮程度的感觉。一般来说，彩色光能量大则显得亮，反之则暗。大量试验表明，人的眼睛能分辨128种不同的色调，10－30种不同的饱和度，而对亮度非常敏感。人眼大约可以分辨35万种颜色。12颜色模型颜色模型（colormodel）是用来精确标定和生成各种颜色的一套规则和定义。某种颜色模型所标定的所有颜色就构成了一个颜色空间。颜色空间通常用三维模型表示，空间中的颜色通常使用代表三个参数的三维坐标来指定对于人来说，可以通过色调、饱和度和亮度来定义颜色（HSL颜色模型）；对于显示设备来说，可以用红、绿、蓝磷光体的发光量来描述颜色（RGB颜色模型）；对于打印设备来说，可以使用青色、品红、黄色和黑色颜料的用量来指定颜色（CMYK颜色模型）。13

理论上绝大部分可见光谱都可用红、绿和蓝(RGB)三色光按不同比例和强度的混合来表示。颜色C＝R(红色的百分比)＋G(绿色的百分比)＋B(蓝色的百分比)

RGB模型称为相加混色模型，用于光照、视频和显示器。例如，显示器通过红、绿和蓝荧光粉发射光线产生彩色。RGB颜色模型(三基色原理)14CMYK颜色模型在理论上，绝大多数颜色都可以用三种基本颜料（青色cyan、品红magenta、和黄色yellow）按一定比例混合得到。理论上，青色、品红和黄色三种基本色素等量混合能得到黑色。但实际上，因为所有打印油墨都会包含一些杂质，这三种油墨混合实际上产生一种土灰色，必须与黑色(K)油墨混合才能产生真正的黑色，所以再加入黑色作为基本色形成CMYK颜色模型。CMYK模型称为相减混色模型。15相加色与相减色的关系16RGB模型到CMYK模型的转换分色算法（F代表白色）17颜色模型的空间表示RGB彩色空间和CMY彩色空间的表示法18HSL颜色模型在HSL模型中，H定义色调；S定义颜色的深浅程度或饱和度；L定义亮度。RGB模型和CMYK模型主要是面向设备的，而HSL模型更容易被人理解和控制。的白光量

19颜色的输入20●数字图像：直接量化的原始信号●图像的最小单位是像点●用于表现自然影像●图形：运算形成的抽象化产物●图形由具有方向和长度的矢量表示●用于分析运算结果，简单图形表示图像的分类21图像的分类矢量图与点位图

矢量图形（Vectorgraph）是对图像抽象化的结果，反映了图像最重要的特征，以指令集合的形式出现。矢量图是用一系列计算机指令来表示一幅图，如画点、画线、画曲线、画圆、画矩形等。这种方法实际上是用数学方法来描述一幅图。矢量图的优点是：（1）缩放、旋转、移动时图像不会失真。（2）存储和传输时数据量较小。矢量图的缺点是：（1）图像显示时花费时间比较长。（2）真实世界的彩色图像难以转化为矢量图。22图像的分类矢量图与点位图

点位图是将一副图像在空间上离散化，即将图像分成许许多多的像素，每个象素用若干个二进制位来指定该像素的颜色或灰度值。点位图的优点是：（1）显示速度快。（2）真实世界的图像可以通过扫描仪、数码相机、摄像机等设备方便的转化为点位图。点位图的缺点是：（1）存储和传输时数据量比较大。（2）缩放、旋转时算法复杂且容易失真。23图像的分类矢量图点位图24矢量图形的显示步骤：用专门的软件读取并解释这些指令；转化成屏幕上显示的形状和颜色；使用实心的或者有等级深浅的单色或者色彩填充一些区域；25特性图形分为二维图形和三维图形两大类。矢量化特点使得图中各部分可以分别控制。因为每个部分都用数学方法描述，所以可做任意的比例、平移、旋转、错切、裁剪、填充等处理。26矢量图文件大小计算举例存储一幅由500条直线组成的矢量图形，每条线的信息可由起点X、起点Y、终点X、终点Y、属性等5个项目组成（属性指线的颜色和宽度等性质）。设屏幕大小为768*512，属性位用一个字节表示。则每条线的存储空间：

10*2+9*2+8=46bit图形文件大小：

500*46=2.8k27点阵图的概念与特性

1.概念在空间和亮度上已经离散化了的图像，又称位图、栅图或像素图。真实世界的图像可以通过扫描仪、数码相机、摄像机等设备方便的转化为点阵图。矩阵m×n

二值图0/1黑/白灰度（彩色）图

2、4、8bit…表示一个像素2829点位图图像的分类灰度图标准单色图标准灰度图30点位图图像的分类彩色图256色标准图像24位标准图像31图像的基本属性1、分辨率显示分辨率：指显示屏上能够显示出的象素数目。同样大小显示屏能够显示的象素越多，说明显示设备的分辨率越高，显示的图像质量也就越高。（640×480，1024×768）

图像分辨率：指组成一副图像的像素的密度，一般用单位长度上包含像素的个数来衡量。常用单位为DPI（dotsperinch），即每英寸多少点。32图像的基本属性2、像素深度像素深度是指存储每个像素所用的位数。像素深度决定彩色图像每个像素可能有的颜色数，或者确定灰度图像每个像素可能有的灰度级数。3、调色板一个彩色图像假如只包含24位真彩色空间中的16个离散的点（16色图），则可以建立一个颜色查找表，表中的每一行记录一组RGB值，实际像素的值用来指定该点颜色在查找表中的索引值，这样就可以大大缩小存储量。这个颜色查找表就叫做调色板。33图像的基本属性

4.真彩色、伪彩色与直接色真彩色(truecolor)

：在组成一幅彩色图像的每个像素值中，有R，G，B三个基色分量，每个基色分量直接决定显示设备的基色强度，这样产生的彩色称为真彩色。也称为全彩色(fullcolor)

。

如果用RGB8:8:8方式表示一幅彩色图像，每个基色分量占一个字节，共3个字节，每个像素的颜色就是由这3个字节中的数值直接决定，可生成的颜色数就是224＝16,777,216种。许多24位彩色图像是用32位存储的，这个附加的8位叫做alpha通道，它的值叫做alpha值，它用来表示该像素如何产生特技效果。

真彩色图像所需要的存储空间很大，而人的眼睛是很难分辨出这么多种颜色的，因此在许多场合往往用RGB5:5:5来表示，每个彩色分量占5个位，再加1位显示属性控制位共2个字节，生成的真颜色数目为215=32K。34伪彩色(pseudocolor)

：每个像素的颜色不是由每个基色分量的数值直接决定，而是把像素值当作彩色查找表(colorlook-uptable，CLUT)(调色板)的表项入口地址，去查找一个显示图像时使用的R，G，B强度值，用查找出的R，G，B强度值产生的彩色称为伪彩色。彩色查找表CLUT是一个事先做好的表，表项入口地址也称为索引号。例如16种颜色的查找表，0号索引对应黑色，...，15号索引对应白色。彩色图像本身的像素数值和彩色查找表的索引号有一个变换关系，这个关系可以使用OS定义的变换关系，也可以使用你自己定义的变换关系。使用查找得到的数值显示的彩色是真的，但不是图像本身真正的颜色，它没有完全反映原图的彩色。3536直接色(directcolor)

：每个像素值分成R，G，B分量，每个分量作为单独的索引值对它做变换。也就是通过相应的彩色变换表找出基色强度，用变换后得到的R，G，B强度值产生的彩色称为直接色。与真彩色相比，相同之处是都采用R，G，B分量决定基色强度，不同之处是前者的基色强度直接用R，G，B决定，而后者的基色强度由R，G，B经变换后决定。与伪彩色相比，相同之处是都采用查找表，不同之处是后者对R，G，B分量分别进行变换，前者是把整个像素当作查找表的索引值进行彩色变换。

37位图图像●图像由基本显示单元“像点”构成图像像点8bit(28=256色)16bit(216=65536色)24bit(224=16M色)●8位图像●16位图像●24位图像●

二进制位与图像之间存在严格的“位映射”关系●

像点由若干个二进制位进行描述●

二进制位代表图像颜色的数量●

具有位映射关系的图叫作“位图”●

“位图”特指图像385.点阵图文件的大小：图像文件的大小是指存储整幅图像所占的字节数，与图像分辨率和位深度有关。文件的字节数=图像分辨率×位深度/8396.点阵图文件大小计算设图像的垂直方向分辨率为h像素，水平方向分辨率为w像素，图像深度为c

位，则该图像所需数据空间的大小B

的计算公式为：

B=(h*w*c)/8Byte40例题：一幅图像分辨率为640*480的二值图像，其文件的大小是：

B=(640*480*1)/8=38400Byte

B=(640*480*log2256)/8=307200Byte一幅同样大小的图像，若显示256色，则其文件的大小是：41总结：点阵图与矢量图的比较点阵图：逼真：真实世界的图像通过设备转化；存储和传输时数据量大；解决办法：海量存储、数据压缩缩放、旋转时算法复杂且容易失真。矢量图：图形缩放后不变形；局部处理不影响其他部分；42

位图文件(Bitmap-File，BMP)格式是Windows采用的图像文件存储格式，在Windows环境下运行的所有图像处理软件都支持这种格式。BMP位图文件默认的文件扩展名是bmp或者dib。BMP图像文件格式

BMP文件大体上分为四个部分：位图文件头BITMAPFILEHEADER位图信息头BITMAPINFOHEADER调色板Palette实际的位图数据ImageData43BMP图像文件格式typedefstructtagBITMAPFILEHEADER{WORDbfType;/*说明文件的类型*/DWORDbfSize;/*说明文件的大小，用字节为单位*/WORDbfReserved1;/*保留，设置为0*/WORDbfReserved2;/*保留，设置为0*/DWORDbfOffBits;/*说明从BITMAPFILEHEADER结构开始到实际的图像数据之间的字节偏移量*/}BITMAPFILEHEADER;44BMP图像文件格式typedefstructtagBITMAPINFOHEADER{DWORDbiSize;/*说明结构体所需字节数*/LONGbiWidth;/*以像素为单位说明图像的宽度*/LONGbiHeight;/*以像素为单位说明图像的高速*/WORDbiPlanes;/*说明位面数，必须为1*/WORDbiBitCount;/*说明位数/像素，1、2、4、8、24*/DWORDbiCompression;/*说明图像是否压缩及压缩类型*/DWORDbiSizeImage;/*以字节为单位说明图像大小*/LONGbiXPelsPerMeter;/*说明水平分辨率，像素/米*/LONGbiYPelsPerMeter;/*说明垂直分辨率，像素/米*/DWORDbiClrUsed;/*说明图像实际用到的颜色数，如果为0则颜色数为2的biBitCount次方*/DWORDbiClrImportant;/*说明对图像显示有重要影响的颜色索引的数目，如果是0，表示都重要。*/}BITMAPINFOHEADER;45BMP图像文件格式调色板实际上是一个数组，它所包含的元素与位图所具有的颜色数相同，决定于biClrUsed和biBitCount字段。数组中每个元素的类型是一个RGBQUAD结构。typedefstructtagRGBQUAD{BYTErgbBlue;/*指定蓝色分量*/BYTErgbGreen;/*指定绿色分量*/BYTErgbRed;/*指定红色分量*/BYTErgbReserved;/*保留，指定为0*/}RGBQUAD;46BMP图像文件格式紧跟在彩色表之后的是图像数据字节阵列。图像的每一扫描行由表示图像像素的连续的字节组成，每一行的字节数取决于图像的颜色数目和用像素表示的图像宽度。扫描行是由底向上存储的，这就是说，阵列中的第一个字节表示位图左下角的像素，而最后一个字节表示位图右上角的像素。47

GIF（GraphicsInterchangeFormat）格式由CompuServe公司于87年开发，版本号GIF87a，89年扩充后版本号为GIF89a。GIF图像文件以块(block)为单位存储信息。一个GIF文件由表示图形/图像的数据块、数据子块以及显示图形/图像的控制信息块组成，称为GIF数据流(DataStream)。数据流中的所有控制信息块和数据块都必须在文件头(Header)和文件结束块(Trailer)之间。GIF图像文件格式48GIF图像文件格式1HeaderGIF文件头2LogicalScreenDescriptor逻辑屏幕描述块3GloabalColorTable全局颜色表。。。。。。扩展模块（任选）4ImageDescriptor图像描述块5LocalColorTable局部颜色表可6TableBasedImageData表基压缩图像数据重7GraphicControlExtension图像控制扩展块复8PlainTextExtension无格式文本扩展块n9CommentExtension注释扩展块次10ApplicationExtension应用程序扩展块。。。。。。扩展模块（任选）11GIFTrailerGIF文件结束快49GIF图像文件格式GIF文件采用了LZW无损压缩算法来存储图像数据。GIF文件允许设置背景的透明属性。GIF文件格式可在一个文件中存放多幅彩色图像并且制作出幻灯片或者动画效果。GIF文件支持图像数据的交叉存储方式，这样一个大的图像可以逐步显示，让用户首先看到图像概貌，然后逐步清晰。GIF文件定义的图像中可以加入文本。GIF文件格式的特点：50算法概要

JPEG(JointPhotographicExpertsGroup)是一个由ISO和CCITT两个组织机构联合组成的一个图像专家小组，负责制定静态的数字图像数据压缩编码标准，这个专家组开发的算法称为JPEG算法，并且成为国际上通用的标准。JPEG是一个适用范围很广的静态图像数据压缩标准，既可用于灰度图像又可用于彩色图像。JPEG不仅适于静止图像的压缩，电视图像的帧内图像的压缩编码，也常采用此算法。JPEG标准还可以大范围地调节图像压缩率及其保真度。标准主要采用了两种基本的压缩算法，一种是采用以离散余弦变换(DCT)为基础的有损压缩算法，另一种是采用以预测技术为基础的DPCM无损压缩算法。JPEG编码标准51JPEG编码标准基于DPCM的无损编码模式：压缩比可以达到2:1。基于DCT的有损顺序编码模式：压缩比可以达到10:1以上。基于DCT的递增编码模式基于DCT的分层编码模式JPEG规定了4种运行模式，以满足不同需要：52JPEG有损顺序编码算法的主要计算步骤如下：1.将源图像分成几个颜色平面（分量图像）。2.分成8×8数据块进行正向离散余弦变换(FDCT)。2.量化(quantization)。3.Z字形排列量化结果(zigzagscan)。4.使用差分脉冲编码调制(differentialpulsecodemodulation，DPCM)对直流系数(DC)进行编码。5.使用行程长度编码(run-lengthencoding，RLE)对交流系数(AC)进行编码。6.熵编码(entropycoding)。JPEG编码标准53JPEG编码标准54译码或者叫做解压缩的过程与压缩编码过程正好相反。IDCTJPEG编码标准55正向离散余弦变换对每个单独的彩色图像分量，把整个分量图像分成8×8的图像块，如图所示，并作为两维离散余弦变换DCT的输入。通过DCT变换，把能量集中在少数几个系数上。DCT变换使用下式计算逆变换使用下式计算JPEG编码标准56量化对于有损压缩算法，JPEG算法使用如图所示的均匀量化器进行量化，量化步距是按照系数所在的位置和每种颜色分量的色调值来确定。

JPEG编码标准57量化因为人眼对亮度信号比对色差信号更敏感，因此使用了两种量化表：亮度量化值和色差量化值。此外，由于人眼对低频分量的图像比对高频分量的图像更敏感，因此图中的左上角的量化步距要比右下角的量化步距小。JPEG编码标准58DC系数DPCM编码和AC系数Z形排列之后采用RLE编码JPEG编码标准59熵编码

使用熵编码还可以对DPCM编码后的直流DC系数和RLE编码后的交流AC系数作进一步的压缩。

JPEG标准规定了两种熵编码算法：哈夫曼编码和自适应算术编码。哈夫曼编码采用的一般是固定的哈夫曼编码表，而不是临时统计出来的，并且对亮度分量和色度分量采用了不同的哈夫曼表。JPEG编码标准60基于DPCM的无损编码模式：主要采用了三邻域二维预测编码和熵编码。无失真编码器源图像数据压缩的图像数据预测器熵编码器表说明DPCM预测编码框图JPEG编码标准61JPEG编码标准基于DCT的递增编码模式：此模式与顺序模式编码步骤基本一致，不同之处在于递增模式每个图像分量的编码要经过多次扫描才完成。第一次扫描只进行一次粗糙的压缩，然后根据此数据先重建一幅质量低的图像，以后的扫描再作较细的扫描，使重建图像质量不断提高，直到满意为止。递增模式分为两种：（1）按频段累进。（2）按位累进。62JPEG编码标准基于DCT的分层编码模式：（1）降低原始图像的空间分辨率。（2）对已经降低分辨率的图像按照顺序编码模式进行压缩并存储或传输。（3）对低分辨率图像进行解码，然后用插值法提高图像的分辨率。（4）将分辨率已经升高的图像作为原图像的预测值，并把它与原图像的差值进行基于DCT的编码。（5）重复步骤3、4直到图像达到完整的分辨率。63JPEG图像文件格式JPEG标准委员会没有对JPEG文件格式作出明确的定义，现在被广泛采用的是1992年9月由C-CubeMicrosystems公司提出的JPEG文件交换格式（JPEGFileInterchangeFormat，JFIF），版本号为1.02。JFIF文件格式直接使用JPEG标准为应用程序定义的许多标记，因此JFIF格式成了事实上JPEG文件交换格式标准。

JEPG文件大体上可以分成两个部分：标记码（tag）和压缩数据。标记码部分给出了JPEG图像的所有信息，如图像的宽、高、Huffman表、量化表等等。64JPEG图像文件格式JPEG文件使用的颜色空间是电视图像信号数字化标准ITU-RBT601推荐标准规定的YCbCr彩色空间。从RGB转换成YCbCr的计算公式如下：Y=0.299R+0.587G+0.114BCb=-0.1687R-0.3313G+0.5B+128Cr=0.5R-0.4187G-0.0813B+12865●A4幅面(横)24bit彩色300dpi分辨率图像数据量对比.jpg

883KB损失15%色重复保存,损失加剧.gif

4,501KB256色格式转换容易失真.bmp

25,481KB真彩色●

数据量大.tga

25,481KB真彩色●

数据量大.pcd

25,481KB真彩色●

数据量大.tif

25,697KB真彩色●数据量大数据对比66图形图像设备与原理67一、输入设备1.鼠标（跟踪球、操作杆）2.光笔：能检测出光的笔（定位，识取，笔划跟踪等功能）3.手写板和手写笔包括：电阻式压力板、电磁式感应板和电容式触控板684.坐标数字化仪/图形板（结合画笔使用）5.触摸屏（电阻、电容、红外线、表面声波、压力矢量）手挡住红外线红外发射管红外接收管人体电场形成锅台电容低电压交流电场696.扫描仪（Scanner）利用光电转换原理，通过扫描仪光电的移动或原稿的移动，把黑白或彩色的原稿信息数字化后输入到计算机中。所形成的是点阵图。70扫描仪的种类手动式扫描仪平面式扫描仪滚筒式扫描仪胶片扫描仪便挟扫描仪71扫描仪技术参数幅面，如A3、A4光学分辨率，如1200dpi*2400dpi扫描分辨率，如600dpi*1200dpi灰度与色彩，如256级灰度，24位真彩色扫描速度与计算机接口，如SCSI、USB、打印口727.摄像机和数字照相机数字照相机原理

数字照相机不用胶片，而使用CCD阵列，把来自CCD阵列的电压信号送到模数转换器后，变换成图像的像素值。

CCD：电荷耦合器件，把光转换为不同强度的电荷。73二、输出设备图形绘制设备：打印机和绘图仪点阵针式打印机打印机喷墨打印机激光打印机静电绘图仪绘图仪笔式绘图仪74显示设备：（1）阴极射线管显示器

CRTCathodeRayTube组成部分：电子枪、偏转装置、荧光屏75

单色CRT加电后，电子枪发射电子束，经偏转装置调整方向，射到荧光屏上。荧光屏内壁涂有荧光粉，将电子束的动能转化为光能。电子束强度等级不同，光的强弱不同，从而产生灰度级。76

彩色CRT有三支电子枪，分别对应红绿蓝三基色的强弱。三色荧光粉按三基色叠加原理产生彩色图像。77（2）平板显示器FPD

一般指显示器深度小于显示屏幕对角线1/4长度的显示器件。

a.液晶显示器LCD

液晶：液态晶体，一种有机化合物；本身不发光，需背光源；具有光学各向异性，能调制外照光实现信息显示。观察方向光源液晶层：液态晶体在电场作用下改变状态78

b.等离子体显示器PDP

利用惰性气体在一定电压作用下产生气体放电现象而实现。彩色PDP技术与荧光灯显示原理相同：气体放电产生紫外线紫外线激发荧光粉荧光粉发射可见光（三基色荧光粉实现红绿蓝三色，每基色实现256级灰度）结