第四章图像处理技术

§4.1颜色空间表示及其转换

人类绘制图画已有几千年的历史，我们的祖先很早就用颜料、墨水、彩笔绘制各种彩色的图画，把它画在布上、纸上和刻在石头上。

18世纪人类发明了摄影技术，能够把摄取的现实景物洗印在像纸上，今天，我们能够用电的方法把它存起来并显示在屏幕上。计算机面世的较长时间内，其输入输出的信息主要是数字和字符，20世纪80年代多媒体计算机出现，它使计算机能够综合处理声音、文字、数字和图像信息。彩色空间是如何表示的？⑴颜色的基本概念

彩色可用亮度、色调和饱和度来描述，人眼看到的任一彩色光都是这三个特性的综合效果——国际照明委员会CIE对颜色的描述是就用这三个特性来区分颜色，任一颜色都是这三个特征的综合效果。2009-3-291:33PM

亮度是光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉，它与被观察物体的发光强度有关，由于其强度不同，看起来可能亮一些或暗一些。白色是影响亮度的重要因素，此外亮度感还与人类视觉系统的视敏函数有关，即便强度相同，不同颜色的光束照射同一物体时也会产生不同的亮度。

色调是当人眼看到一种或多种波长的光时所产生的彩色感觉，它反映颜色的种类，是决定颜色的基本特性，例如红色、棕色等都是指色调。某一物体的色调，是指该物体在日光照射下所反射的各光谱成分作用于人眼的综合效果。

饱和度是指颜色的纯度即掺入白光的程度，或者说是指颜色的深浅程度。对于同一色调的彩色光，饱和度越深颜色越鲜明或者说越纯。例如，当红色加进白光之后冲淡为粉红色，其基本色调还是红色，但饱和度降低。饱和度还和亮度有关，因为若在饱和的彩色光中增加白光的成分，增加了光能，因而变得更亮了，但是它的饱和度却降低了。如果在某色调的彩色光中，掺入别的彩色光，则会引起色调的变化，只有掺入白光时仅引起饱和度的变化。2009-3-291:33PM

通常把色调和饱和度通称为色度，上述内容总结为：亮度表示某彩色光的明亮程度，而色度则表示颜色的类别与深浅程度。⑵三基色(RGB)原理自然界常见的各种颜色光，都可由红(R)、绿(G)、蓝(B)三种颜色光按不同比例相配而成，同样绝大多数颜色光也可以分解成红、绿、蓝三种色光。当然三基色的选择不是唯一的，也可以选择其它三种颜色为三基色。但是，三种颜色必须是相互独立的，即任何一种颜色都不能由其它两种颜色合成。由于人眼对红、绿、蓝三种色光最敏感，因此由这三种颜色相配所得的彩色范围也最广，所以一般都选这三种颜色作为基色。把三种基色光按不同比例相加称之为相加混色，由红、绿、蓝三基色进行相加混色的情况如下：红色+绿色=黄色红色+蓝色=品红绿色+蓝色=青色红色+绿色+蓝色=白色称黄、品红和青色为相加二次色，此外还可以看出：红色+青色=绿色+品红=蓝色+黄色=白色因此称青色、品红和黄色分别是红、绿、蓝三色的补色。2009-3-291:33PM颜色编辑器2009-3-291:33PM饱和度从0到255色调值0~255方形区域为色度图，可对色度进行调节（包括色调和饱和度）亮度0~255条形区域为亮度图，可调节亮度2009-3-291:33PM（3）常见的彩色空间在多媒体技术中，用得最多的是RGB彩色空间，它对任意彩色光F，其配色方程可写成：F＝r[R]＋g[G]＋b[B]

其中r，g，b为三色系数，[R]，[G]，[B]为F色光的三色分量。可以表达24位颜色，相当于256*256*256=16,777,216种颜色相加混色之三基色及其补色CMYK彩色空间CMRY彩色图像由C（青）、M（品红）、Y（黄）、K（黑）四种基本颜色构成，用于印刷。专业图像处理软件可以编辑CMYK图像。数据量比RGB图像大，32bit的数据，合计4.3G种颜色。其它的还有：

HSV、HIS、YUV等彩色空间2009-3-291:33PM●颜色空间与用途CMYK模式(用于印刷)●特点:色彩灰暗分色胶片印版印辊印纸成品RGB模式(用于显示打印)●特点:色彩鲜艳2009-3-291:33PM§4.2图形与图像1图形(Graphic)

图形一般指用点、线、面等绘制（draw）的几何图(包含彩色图)，如直线、圆、圆弧、矩形、任意曲线和图表等。矢量图(vectorgraphics)是用一系列计算机指令集合的形式来描述或处理一幅图的，这些指令用来描述构成该图形的所有直线、圆、圆弧、矩形、曲线等图元的位置、维数和形状等。在计算机屏幕上显示矢量图形要有专门的软件，如AutoCad、PKPM、CorelDraw、AdobeIllustrator、MacromediaFreehand等，这些软件将描述图形的指令转换成在屏幕上显示的形状和颜色，也可产生和操作矢量图形的各成分，并对矢量图形进行移动、缩放、旋转和扭曲等变换。由于图形显示完全依赖数据的运算结果，显示速度受到影响。

2009-3-291:33PM2图像(Image)

数字图像指经由摄像机或扫描仪等设备输入、并以数字形式存储在计算机中的图像信息，这些图像可以是照片、绘画等等。在计算机中，图像都是由一些排成行列的点（像素）组成的数字阵列信息，阵列中的各项数字用来描述构成图像的各个点(称为像素点)的强度与颜色等信息。

3图像与图形的区别：1）图像数据量大，图形数据量小。2）图像的像点之间没有内在联系，在放大或缩小时，部分像点被丢失或重复添加，导致图像的清晰度受影响；图形由运算关系支配，放大或缩小不会影响图形的特征。3）图像的表现力强，适于表现自然；图形适于表现变化的曲线等。2009-3-291:33PM●图像：直接量化的原始信号形式●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，简单图形表示教学进程2009-3-291:33PM●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2009-3-291:33PM4影响图像质量的几个因素分辨率：是在单位长度中，所表达或包含的像素数目。分辨率的高低直接影响到图像的质量，一般其数值越大，像点密度越高，图像对细节的表现能力越强，清晰度越高。按应用场合不同，可将分辨率分为屏幕分辨率、显示分辨率、打印分辨率三种。屏幕分辨率：用每英寸行数表示，数值越大图形（图像）质量越好。显示分辨率：指画面由多少像素构成，数值越大，图像也就越清晰。显示器的最大分辨率与显示区域的大小、点距、视频带宽等因素有关，可用公式计算：显示区域的宽或高/点距。如：640X480.打印机分辨率又叫输出分辨率：指打印图像中存储的信息量，通常以“点/英寸”（DPI）表示，也称打印精度。衡量输出设备的精度，以每英寸的像素点数表示。2009-3-291:33PM●

Resolution(分辨率)单位图像分辨率●●dpi的数值越大，图像越清晰dpi(displaypixels/inch)每英寸显示的像数素300dpi96dpi21dpidpi视觉效果清晰度绝对清晰度2009-3-291:33PM5图像的颜色（1）图像的颜色模式：根据量化的颜色深度不同，图像颜色模式分两大类。A:二值图像—图像仅由两种颜色组成，用一位二进制数表示。B:彩色图像与灰度图像—颜色数量大于两种。（2）颜色深度：指数字位图图像中各像素的颜色(或亮度)信息用若干数据位来表示，这些数据位的个数称为图像的颜色深度(也简称为图像深度、颜色深度或深度)。颜色深度为n能描述的色彩数为2n。颜色深度反映了构成图像的颜色总数目。（3）文件的大小图形与图像文件的大小是指在磁盘上存储整幅图像所有点的字节数，反映了图像所需数据存储空间的大小，公式如下：

文件字节数=像素总数X图像深度/8例：一幅640X480的256色图像大小为640X480X8/8=307200字节2009-3-291:33PM文件颜色与分辨率用途.GIF256/96dpi用于动画、多媒体程序界面，网页界面.BMP256～224/*dpi用于Windows环境下的任何场合.TIF256～232

/*dpi用于专业印刷.JPG216

～232/*dpi用于数字图片保存、传送.TGA256～224/96dpi用于专业动画影视制作.PCD216

～232/*dpi用于PHOTOCD●

注意：⑴图像文件的扩展名不要轻易修改，否则不能使用

⑵其它常见图像文件格式参见教材P122●数字化图像以文件的形式存在，其文件名有严格的约定6文件格式静态图像文件格式，当前比较流行的图像文件格式有：GIF，TIF，TGA，BMP，PCX，JPG，PIC，PCD等等。

2009-3-291:33PM●A4幅面(横)24bit彩色300dpi分辨率文件格式与数据量.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

23,481KB真彩色●

数据量大.TGA

23,481KB真彩色●

数据量大.PCD

23,481KB真彩色●

数据量大.TIF

24,697KB真彩色●

数据量大数据对比2009-3-291:33PM7单色图像●单色图像——颜色单一图像，但并非只有一种颜色的图像单色图像“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

●

单色图像用途：简单形式——文本显示、木刻、版画效果的图像复杂形式——书籍用图片、报纸用图片

●

单色图像格式：

TGA、JPG、TIF、PCX等2009-3-291:33PM8灰度图像

:

灰度图像是数字图像的最基本形式，灰度图像可以由黑白照片数字化得到，或从彩色图像进行去色处理得到。灰度图像只表达图像的亮度信息而没有颜色信息，因此，灰度图像的每个像素点上只包含一个量化的灰度级（即灰度值），用来表示该点的亮度水平，并且通常用1个字节（8个二进制位）来存储灰度值。如果灰度值用1个字节表示，则可以表示的正整数范围是0～255，也就是说，像素灰度值取值在0～255之间，灰度级数为256级。注意到人眼对灰度的分辨能力通常在20～60级，因此，灰度值存储以字节为单位既保证了人眼的分辨能力，又符合计算机数据寻址的习惯。灰度图像与黑白图像不同，在计算机图像领域中黑白图像只有黑色与白色两种颜色；灰度图像在黑色与白色之间还有许多级的颜色深度。但是，在数字图像领域之外，“黑白图像”也表示“灰度图像”，例如灰度的照片通常叫做“黑白照片”。2009-3-291:33PM9彩色图像

主要有两种颜色模式:

⑴RGB彩色图像

RGB模式主要应用于显示和打印输出。●RGB——红、绿、蓝

R

GBR

G

BR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)2009-3-291:33PM

⑵CMYK彩色图像

CMYK模式主要应用于印刷。四种颜色混合可得多种颜色。●CMYK:青、品红、黄、黑

C

KMYC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)C

M

YK2009-3-291:33PM§4.3图形与图像的处理常常采集获取的源图像信息存在各种各样噪声和畸变，因此需要进行图像增强等处理，其目的就是为了改善图像视觉效果，主要内容包括色彩变换、灰度变换、图像锐化、噪声去除、几何畸变校正和图像尺寸变换等等，从而改善图像质量。数字图像处理的手段非常丰富,所有处理手段均建立在对数据进行数学运算的基础上,即图像处理就是数据处理。图像的处理须通过图像处理软件完成。常用图像增强技术有两类方法：基于图像域的方法和基于变换域的方法。第一类是直接在图像所在的空间进行处理，也就是在像素组成的空间里直接对像素进行操作；第二类是在图像的变换空间域对图像进行间接处理。2009-3-291:33PM4.3.1图像的灰度变换处理对于基于图像域的图像增强处理技术主要有三种形式：⑴基于像素点的点处理，也就是对图像的每次处理是对每个像素进行的；⑵基于模板的邻域处理，即每次对图像的处理是对小的子图像进行的；在图像上的应用主要表现在：检测图像边缘并增强边缘、图像柔化和锐化、增强和减少图像随机噪声等。⑶对整幅图像进行同一操作的并行处理。1.图像的点处理处理图像的最基本算法是点处理算法,主要用于图像的亮度调整、图像对比度的调整，以及图像亮度的反置处理等。2009-3-291:33PM（1）亮度调整亮度调整是点处理算法的一个应用领域。为了增加或者降低图像的亮度，通常采用对图像中的每个像点加上一个常数或者减去一个常数的方法。亮度调整公式为：（a）低亮度（b）正常亮度（c）高亮度2009-3-291:33PM⑵对比度调整点处理算法的另一个应用是图像对比度的调整。对比度调整方法就是首先找到像点亮度的阀值，然后把阀值以上的像点增加亮度，阀值以下的像点降低亮度，造成像点的亮度向极端方向变化的趋势，使像点的亮度产生较大差异，从而达到增加对比度的目的。（a）低对比度（b）正常对比度（c）高对比度2009-3-291:33PM⑶图像亮度反置

图像亮度反置是点处理算法的又一种应用，即是把图像点的亮度向相反方向变化，即亮度高→暗，亮度低→亮，形成类似照片负片的效果。基本原理是用最大允许亮度值减去当前像点的亮度值，并将此差值作为该像点的新值，计算公式为：Lnew=Lmax－L（a）普通“阳模”图像（b）亮度反置的“阴模”图像2009-3-291:33PM

2、图像的模板处理图像的模板处理范围比点处理大，处理的对象是一组像点，因此又叫邻域处理。主要有图像两种处理手段：图像平滑，即通过积分过程使得图像边缘模糊；图像锐化，即通过微分而使图像边缘突出、清晰。⑴图像锐化处理

图像锐化就是一种通过运算而适当增加像点之间亮度差异的方法，从数学角度上讲就是对图像进行微分处理。用这种方法可以去掉引起图像质量劣化的原因之一“模糊”，并使图像轮廓分明。图像锐化目的是加强图像中景物的边缘和轮廓，锐化作用是要使灰度反差增强。图像锐化法最常用的是梯度法。2009-3-291:33PM（2）图像边缘处理

图像边缘处理通常是指增强边缘影像，使图像的轮廓较为清晰。在制作特殊的艺术效果时，通常也使用图像边缘处理手段。2009-3-291:33PM（3）图像柔化处理图像的柔化处理与锐化处理正好相反，柔化处理追求图像柔和的过渡和朦胧的效果，采用计算相邻像素平均值的运算方法。2009-3-291:33PM4.3.2图像的几何变换图像的几何变换是指经过运算，改变图像的像素位置和排列顺序，从而实现图像的放大与宿小、图像旋转、图像镜像，以及图像平移等效果的处理过程。（1）图像的放大与缩小图像的放大与缩小是一种几何处理。图像在放大时，原图像的一个像点变成若干个像点，使被放大的图像像点数量大于原图像，而像点排列密度是固定不变的，因此达到放大图像的目的。

缩小图像与放大图像正好相反。在缩小图像时，原图像的多个像点变成一个像点，像点数量的减少，使图像的几何尺寸缩小了。缩小的图像与原图像相比，像点的对应关系发生很大变化，大量像点的丢失，使图像的细节难以辨认。2009-3-291:33PM不论图像进行放大还是缩小，其缩放比例很重要。对图像进行整比放大时，如放大1倍、2倍、3倍，像点增加数目为1个、2个、3个，不存在小数，放大的图像不会产生畸变。如果图像放大不是整倍数，例如1.2倍、1.75倍或2.41倍，则像点增加的个数不是整数，此时需要计算线性差值，以整数个像点作为图像数据。由于图像在缩放时不能保证象素之间对应的映射关系，如果多次进行图像缩放的话，将会产生非常大的图像畸变。因此，在图像处理中，为了保证图像质量，一般不进行一次以上的缩放操作。2009-3-291:33PM（2）图像旋转

图像的旋转主要是指图像在平面上绕轴旋转。图像旋转轴垂直于平面，图像绕轴旋转一个角度。由于图像在旋转时存在运算误差和差值误差，因此，在进行图像处理时，旋转操作应尽可能一次完成，以减少图像失真。如果进行多次旋转操作，则运算误差和差值误差会累计增大，造成较大的畸变失真。（3）图像镜像

把图像进行水平翻转或者垂直翻转，是几何处理的又一种应用形式。该处理能够形成图像的镜像。镜像的形成比较简单，只需改变像点的排列顺序即可。如果把对应于纵向中轴线左右的像点位置对调，就能形成图像的水平镜像；若把对称于横向中轴线上下的像点位置对调，即可形成垂直镜像。2009-3-291:33PM

(a)原图像(b)水平镜像(c)垂直镜像4.图像平移

图像的平移也是几何处理的一种形式，图像在平移时，其像点之间的相对位置不变，而像点的绝对坐标发生变化。图像可整体平移，也可局部平移。图像在平移后，其坐标对应关系如下：2009-3-291:33PM●获取Windows界面(抓图)●获取整屏画面PrintScreenWindows的公用剪贴板Word／画图Alt●＋

获取当前窗口PrintScreen获取Windows界面●使用图形●如果在Word中使用，先粘贴到画图工具中，保存文件后，再在Word中插入图片

●粘贴到画图工具后，选择“24位位图(bmp)”保存图形画图工具2009-3-291:33PM6.3图像的帧处理

将一幅以上的图像以某种特定的形式合成在一起，形成新的图像，这个过程就是图像的帧处理。所谓“特定的形式”是指：1）经过“逻辑与”运算进行图像的合成。2）按照“逻辑或”运算关系合成。3）以“异或”逻辑运算关系进行合成。4）图像按照相加、相减以及有条件的复合算法进行合成。5）图像覆盖、取平均值进行合成。图像处理软件通常具有图像的帧处理功能，并且可以多种特定的形式合成图像。2009-3-291:33PM⑴动态原理●动态图像定义多帧图像的有序组合10动态图像文件Δt●动态原理Δt≤1/24s(视觉滞留时间)，就会在人眼产生连续活动视觉效果。●动态图像:是连续渐变的静态图像或图形序列，沿时间轴顺次更换显示，从而构成运动视觉感受的媒体。分两类：动画、视频信号⑴动画：是图像由人工或计算机产生。⑵视频：是通过实时摄取自然景象或活动对象。●动态图像特点具有时间上的连续性和延续性、具有帧间的相关性、具有强烈的实时性。2009-3-291:33PM⑵动态图像的技术参数●帧速度帧的切换速度

[1]NTSC制30Frame/s[2]PAL制25Frame/s●数据量相关因素：

[1]画面几何尺寸

[2]颜色数量

[3]采用的压缩算法●图像质量相关因素——位图的颜色与分辨率，过分的数据压缩将影响图像质量Frame1#Frame2#……2009-3-291:33PM⑶动态图像文件描述动态图像文件●

AVI(AudioVideoInterlaced)——音频视频交互文件(.avi)音频+视频●

FLC(Flicks)——电影(动画)文件(.fli

或.flc)AVI固定显示分辨率320×240采用高分辨率效果差视频FLC多种显示分辨率640×480…ENDFLC动画文件特点：具有足够画面，但最大像素为216；帧间速