多媒体技术之彩色数字图像基础

多媒体技术之彩色数字图像基础第1页，共51页，2023年，2月20日，星期四分析以下的基本现象：为什么计算R、G、B三个分量就可以使人有颜色的视觉感觉？2第2页，共51页，2023年，2月20日，星期四基本概念颜色是外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉，影响的因素有：物体本身光源周围环境观察者的视觉系统3第3页，共51页，2023年，2月20日，星期四光光的本质：电磁波可见光：780nm～380nm波长大于780纳米的电磁波是红外线，微波和广播无线电波。波长小于380纳米的电磁波是紫外线，X－射线和宇宙射线。

4第4页，共51页，2023年，2月20日，星期四可见光可见光的光谱

颜色波长频率红色约625—740纳米约480—405兆赫橙色约590—625纳米约510—480兆赫黄色约565—570纳米约530—510兆赫绿色约500—565纳米约600—530兆赫青色约485—500纳米约620—600兆赫蓝色约440—485纳米约680—620兆赫紫色约380—440纳米约790—680兆赫5第5页，共51页，2023年，2月20日，星期四颜色感知颜色是视觉系统对可见光的感知结果物体由于内部物质的不同，受光线照射后，一部分光线被吸收，其余的被反射或投射出来，成为我们所见的物体的颜色。所以，颜色既与光有密切关系，也与被光照射的物体，以及与观察者均有关。6第6页，共51页，2023年，2月20日，星期四感知颜色的原理光的存在（光源色）物体的表面特性（物体色）人眼的视觉功能7第7页，共51页，2023年，2月20日，星期四眼睛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)。视网膜有对红、绿、蓝颜色敏感程度不同的三种锥体细胞8第8页，共51页，2023年，2月20日，星期四颜色感知红(L-cone)、绿(M-cone)和蓝(S-cone)三种锥体细胞对不同频率、不同亮度的光感知程度不同，人们可以使用数字图像处理技术来降低数据率而不感到图像质量明显下降。

各个波长的光的强度相等9第9页，共51页，2023年，2月20日，星期四颜色感知的三要素色调（Hue）表示光的颜色，决定于光的波长饱和度（Saturation）也称为纯度或彩度，指彩色的深浅或鲜艳程度，通常指彩色中白光含量的多少亮度（Luminance）表示某种颜色在人眼视觉上引起的明暗程度，与光的强度有关。饱和度/亮度与光幅度有关人眼看到的任一彩色光都是这三个特性的综合效果10第10页，共51页，2023年，2月20日，星期四色调（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。11第11页，共51页，2023年，2月20日，星期四饱和度（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。饱和度增加12第12页，共51页，2023年，2月20日，星期四亮度（luminance）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。

13第13页，共51页，2023年，2月20日，星期四Windows调色板14第14页，共51页，2023年，2月20日，星期四颜色模型是用来精确标定和生成各种颜色的一套规则和定义。15第15页，共51页，2023年，2月20日，星期四不同模型有源物体：能发光的物体，颜色由该物体发出的光波决定，无源物体：不发光的物体，颜色由该物体吸收或者反射的光波决定16第16页，共51页，2023年，2月20日，星期四颜色空间颜色空间某种颜色模型所标定的所有颜色就构成了一个颜色空间。颜色空间是用一种数学方法形象化表示颜色。通俗一点讲，就是各种色彩的集合，色彩的种类越多，颜色空间越大，能够表现的色彩范围即色域越广。17第17页，共51页，2023年，2月20日，星期四颜色空间分类从颜色感知的角度来分类，颜色空间可考虑分成如下三类：混合(mixture)型颜色空间RGBCMYCMYKXYZ非线性亮度/色度(luma/chroma)型颜色空间YUVYIQ强度/饱和度/色调(intensity/saturation/hue)型颜色空间HSVHSL18第18页，共51页，2023年，2月20日，星期四混合(mixture)型颜色空间按三种基色的比例合成颜色。基色是指互为独立的单色，任一基色都不能由其他两种基色混合产生。实现证明选择红色、绿色和蓝色这三种相互独立的基色，按照不同比例组合，可以配出的大部分与自然界色彩相符的颜色，能引起人眼各种不同的彩色感。

19第19页，共51页，2023年，2月20日，星期四RGB绝大部分可见光谱都可用红、绿和蓝(RGB)三原色光按不同比例和强度的混合来表示。20第20页，共51页，2023年，2月20日，星期四颜色＝R×(红色比例)＋G×(绿色比例)＋B×(蓝色比例)

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。21第21页，共51页，2023年，2月20日，星期四RGB加色22第22页，共51页，2023年，2月20日，星期四Lena

RGBImageRedChannelGreenChannelBlueChannel23第23页，共51页，2023年，2月20日，星期四加色模型阴极射线管CRT(cathoderaytube)是一个有源物体，使用3个电子枪分别产生红、绿和蓝三种波长的光，并以各种不同的相对强度综合起来产生相加混色，称为RGB相加模型24第24页，共51页，2023年，2月20日，星期四CRT25第25页，共51页，2023年，2月20日，星期四减色模型彩色印刷或彩色打印的纸张是不能发射光线的，因而印刷机或彩色打印机就只能使用一些能够吸收特定的光波而反射其他光波的油墨或颜料。颜料的特性刚好和光线相反，颜料是吸收光线，而不是增强光线。26第26页，共51页，2023年，2月20日，星期四CMY油墨或颜料的3基色是青（Cyan）、品红（Magenta）和黄（Yellow），简称为CMY。青色对应蓝绿色，品红对应紫红色。理论上说，任何一种由颜料表现的颜色都可以用这三种基色按不同的比例混合而成，这种颜色表示方法称CMY颜色空间表示法。彩色打印机和彩色印刷系统都采用CMY颜色空间。27第27页，共51页，2023年，2月20日，星期四在CMY相减混色中，三基色等量相减时得到黑色；等量黄色(Y)和品红(M)相减而青色(C)为0时，得到红色(R)；等量青色(C)和品红(M)相减而黄色(Y)为0时，得到蓝色(B)；等量黄色(Y)和青色(C)相减而品红(M)为0时，得到绿色(G)。28第28页，共51页，2023年，2月20日，星期四CMY29第29页，共51页，2023年，2月20日，星期四CMY与RGBCMY空间正好与RGB空间互补也即用白色减去RGB空间中的某一颜色值就等于同样颜色在CMY空间中的值。【例】当RGB为1:1:1时，在相加混色中产生白色，而CMY为1:1:1时，在相减混色中产生黑色。RGB相加混色

CMY相减混色

对应颜色

000111

001110

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011100

100011

101010

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111000

30第30页，共51页，2023年，2月20日，星期四RGBCMY31第31页，共51页，2023年，2月20日，星期四RGB和CMY的表示法32第32页，共51页，2023年，2月20日，星期四CMYK理论上将印刷三原色混合之后，应该可以将红绿蓝光通通吸收而得到黑色。由于彩色墨水和颜料的化学特性，现实生活中并找不到这种光线吸收、反射特性都十分完美的颜料，将三种颜色混合后还是会有些许光线反射出来，而呈现暗灰色或深褐色。因此在印刷术中常加一种真正的黑色（blackink），所以CMY又写成CMYK。33第33页，共51页，2023年，2月20日，星期四34第34页，共51页，2023年，2月20日，星期四非线性亮度/色度型颜色空间用一个分量表示非色彩的感知，用两个独立的分量表示色彩的感知。当需要黑白图像时，这样的系统非常方便。人眼对彩色细节的分辨能力远比对亮度细节的分辨能力低。35第35页，共51页，2023年，2月20日，星期四YUV在PAL彩色电视制式中使用YUV模型，其中Y表示亮度，UV用来表示色差，U、V是构成彩色的两个分量。36第36页，共51页，2023年，2月20日，星期四YUV与RGB彩色空间变换RGB和YUV的对应关系可以近似地用下面的方程式表示：Y=0.299R+0.587G+0.114BU=-0.147R-0.289G+0.436BV=0.615R-0.515G-0.100B37第37页，共51页，2023年，2月20日，星期四强度/饱和度/色调型颜色空间用饱和度和色度描述色彩的感知，可使颜色的解释更直观，而且对消除光亮度的影响很有用。38第38页，共51页，2023年，2月20日，星期四HSL在HSL（Hue、SaturationLightness、）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，用HSL模型描述颜色更加自然，符合人眼对颜色的感知方式，比较容易为画家所理解，但使用时却不方便，所以显示时要转换成RGB模式，印刷要转换成CMYK39第39页，共51页，2023年，2月20日，星期四模型转换在进行视频图像处理时，常常会涉及到用几种不同色彩模型（或颜色模型）来表示图像的颜色。各个应用领域一般使用不同的色彩模型，如计算机显示时采用的是RGB模型，彩色电视信号传输时采用YUV模型，打印输出彩色图像时用CMY模型40第40页，共51页，2023年，2月20日，星期四色盲色盲是指缺乏或完全没有辨别色彩的能力。在人的视网膜上有一种感光细胞——锥细胞，它有红、绿、蓝3种感光色素。每一种感光色素主要对一种原色光产生兴奋，而对其余两种原色光产生程度不等的反应。如果某一种色素缺乏，则会产生对此种颜色的感觉障碍，表现为色盲或色弱（辨色力弱）。41第41页，共51页，2023年，2月20日，星期四正常缺少L-cone,红色盲缺少M-cone，绿色盲缺少S-cone，蓝黄色盲42第42页，共51页，2023年，2月20日，星期四色盲测试男：8%,女:0.5%43第43页，共51页，2023年，2月20日，星期四44第44页，共51页，2023年，2月20日，星期四图像的基本属性

分辨率像素深度真/伪彩色图像的表示法和种类45第45页，共51页，2023年，2月20日，星期四图像分辨率组成一幅图像的像素(pixel)密度的度量方法。对同样大小的一幅图，如果组成该图的图像像素数目越多，则说明图像的分辨率越高，看起来就越逼真。相反，图像显得越粗糙。在用扫描仪扫描彩色图像时，通常要指定图像的分辨率，用每英寸多少点(dotsperinch，DPI)表示。如果用300DPI来扫描一幅8″×10″的彩色图像，就得到一幅2400×3000个像素的图像。46第46页，共51页，2023年，2月20日，星期四显示分辨率显示分辨率是确定显示图像的区域大小。如果显示屏的分辨率为640×480，那么一幅320×240的图像只占显示屏的1/4；相反，2400×3000的图像在这个显示屏上就不能显示一个完整的画面。47第47页，共51页，2023年，2月20日，星期四像素深度