第4章 图形图像信息处理技术

第4章图形图像信息处理技术第4章图形图像信息处理技术第4章图形图像信息处理技术4.1图像色彩的空间表示一、色彩的基本概念人们对颜色的感觉有四个要素：即光源，物体、眼睛和大脑。它是人正确判断色彩的必要条件。1、光的分类光是一种波，它有波长、频率和波速，按照人的视觉光可分为可见光和不可见光两类,光与波长的关系如图a所示。由图a可知可见光的波长为380～780nm。由物理学可知，可见光是有颜色的，其波长与颜色的关系如图b所示电磁波谱与可见光谱图b可见光谱图a电磁波谱380nm780nm380780第4章图形图像信息处理技术2、可见光的分类(1)单色光——光谱中不能再分解的色光称为单色光。如红、绿、蓝等。(2)复色光——有单色光混合而成的光。如阳光等。3、三基色（三原色）原理实验发现，自然界的各种颜色光，都可由红(R)、绿(G)、蓝(B)三种颜色光按不同比例混合而成；同样绝大多数颜色光也可以分解成红、绿、蓝三种颜色的光。由于这三种色光本身相互独立。人们把这三种颜色称作三原色（或三基色）。这个原理就称作三基色原理。如下图所示第4章图形图像信息处理技术三原色原理示意图注：三基色的选择并不唯一，事实上，只要三种单色相互独立就可以作为三基色。例如青（Cyan)、品红(Magenta)、黄(Yellow)也可以作为三基色。见右上图所示。CYM第4章图形图像信息处理技术4、三色学说理论（三刺激理论）在人眼视网膜上有三种不同类型的锥体神经细胞，它们分别对红、绿、蓝有很高的敏感度，每种神经细胞的兴奋都会引起一种原色的感觉。如当一种神经细胞处于兴奋状态，而另外两种相对处于抑制状态，那么就产生一种原色觉，如果两种或三种神经细胞都处于兴奋状态，那么就产生综合色觉。当光进入人眼后，在三种锥体细胞的作用下，产生不同颜色的光感。这就是三色学说理论，也叫三刺激理论。第4章图形图像信息处理技术5、色彩的三要素色彩可用色调、饱和度和亮度来描述，人眼看到的任一彩色都是这三个特性的综合感觉。这三个特性称作色彩的三要素。色彩连续变化的色环★色调：是由可见光谱中各分量成分的波长决定的，它反映颜色的种类，是色彩光的基本特性，如红色、棕色就是指色调。把太阳光带中色调按一定顺序衔接起来就形成一个色调连续变化的色环如右图所示。第4章图形图像信息处理技术★饱和度：指的是颜色的纯度，或者说是指颜色的浓淡程度，它取决于色彩光中白光的含量，对于同一色调的彩色光，饱和度越高，颜色就越浓，白光含量也就越少。通常我们把色调和饱和度通称为色度。★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。一般来说，彩色光能量大则显得亮，反之则暗。饱和度与亮度有关，如下图所示同一物体因受光不同会产生明度上的变化第4章图形图像信息处理技术6、物体的分类（1）发光物体（2）吸光物体7、物体的颜色物体由于内部物质的不同，受光线照射后会产生光的分解现象，一部分光线被物体吸收，其余的被物体反射出来。人眼看到的物体颜色，实际上是由发光物体发的光或吸光物体反射出来的那部分光构成的颜色。第4章图形图像信息处理技术二、色彩模型(色彩空间）所谓色彩模型就是定量颜色的方法，某种色彩模型所标定的所有颜色就构成了一个颜色空间。在不同的领域，人们采用的色彩模型往往不同。常用的色彩模型有：1、RGB模型根据三基色原理，用红色（Red）、绿色（Green）、蓝色（Blue）三种基本颜色按不同比例混合相加，就可以构成自然界中的各种颜色，这种颜色模式称为RGB模型。由于这种模型中的颜色是通过三基色混合相加而得，故它又被称为加色法，目前，彩色电视机、计算机彩色显示器都是采用RGB模型原理制作的(其定量色彩可有拾色器完成）。第4章图形图像信息处理技术它们的基本工作原理是利用阴极射线管中的三个电子枪通过发射出三种不同强度的电子束，使屏幕内侧覆盖的红、绿、蓝磷光材料发光而产生色彩的。RGB模型可用下图的单位立方体直观地描述出来。由图可知，任一色彩F都可以用R、G、B三色的不同分量相加混合而成。即：F＝r[R]+g[G]+b[B]第4章图形图像信息处理技术2、HSB模型画家们习惯于用色相（Hue）、饱和度（Saturation）和亮度（Brightness）来描述色彩空间。这种色彩空间称作HSB模型。它可用下图来描述第4章图形图像信息处理技术3、YUV模型它主要是为解决黑白电视与彩色电视兼容而使用的一种模型。称作YUV模型。其中Y表示亮度，U、V表示色差。所为色差是指RGB三原色分量与亮度信号之差。它实现了亮度信号和彩色信号的分离。其转换关系如下第4章图形图像信息处理技术4、CMY模型(颜料的三基色是青、品红、黄）从理论上说，任何一种颜料的色彩都可以用青（Cyan）、品红（Magenta）和黄（Yellow）这三种基色颜料，按不同的比例混合而成。这种色彩表示方法称作CMY模型。在这个模型中，由于颜料不纯或油墨不易完全混合等原因，用等量的CMY三基色合成黑色时往往不能生成真正的黑色，为此，在印刷术中，人们通常用真正的黑色油墨来取代彩色中的黑色成分。以获得更真实的黑色效果。所以CMY又可写成CMYK。这种模型主要用于彩色打印机和彩色印刷系统中。第4章图形图像信息处理技术实际应用中，一幅图像在计算机中用RGB模型显示；用RGB或SHB模型编辑处理；打印输出时要转换成CMY模型；如果要印刷，则要转换成CMYK模型，用于套印彩色印刷品。第4章图形图像信息处理技术4.2图形图像的基本概念图形和图像是反映客观事物的两种不同的表现形式，一般来说用计算机绘制的图称作图形，用摄影机、扫描仪等获得的图称作图像。一、图形图形又称作矢量图形（Vector-BasedImage）是利用基本图元绘制出来的，这些图元有点、直线、圆、椭圆、矩形、弧和多边形等。在计算机中，图形主要通过绘图软件绘制，它以图元为单位，可对它进行放大、缩小、旋转、删除等一系列编辑操作。第4章图形图像信息处理技术二、图像图像是通过扫描仪、数码相机、摄像机等设备导入到计算机中的它将图像分成若干点，每个点称作一个象素，每个象素用若干个二进制数记录它的颜色、亮度等信息。并将每个象素的内容按一定的规则排列起来构成文件的内容。用这种形式表示的图像称作位图图像（Bit-MappedImage），简称为图像。三、图形与图像的特点见下页第4章图形图像信息处理技术矢量图形的特点数据量小：因为图形文件中记录的是绘制图形中图元的命令序列。放大、缩小、旋转等变换操作后不会产生失真：因为它是以数学方法描述的一种由几何元素组成的图形。见右图。有专门的矢量图绘制软件：如AdobeIllustrator、AutoCAD、FreeHand等。第4章图形图像信息处理技术位图图像的特点数据量大：因为每个像素都被分配一个特定位置和颜色值。颜色数目越多，数据量越大图像自然、逼真：因为它是用像素点来描述的图像。因此表现细腻、逼真。在变换操作时易出现失真：因为放大时是把每个像素点放大。见右图第4章图形图像信息处理技术四、位图图像与矢量图形的区别矢量图中，图形的颜色数目与文件的大小无关；图像中使用颜色的数目越多，文件则越大。对同一幅图画来说，矢量图形的数据远远小于位图图像，但矢量图形不如位图图像表现的自然、逼真。矢量图在进行放大、缩小、旋转时不会产生失真，而图象则会产生失真现象。简单的图使用矢量图形描述好一些，复杂的图使用位图好一些。第4章图形图像信息处理技术五、图像的主要属性1、分辨率显示器分辨率：是指显示器上能够显示的像素数目，比如1024×768表示屏幕可以显示768行，1024列，即768×1024个象素。屏幕显示的象素数目越多，显示出来的图像就越细腻。图像分辨率：是指一副图像所使用的像素数目，比如分辨率为320×240的一副图像（见下页图像）；表示它是由240行，320列，即240×320个象素组成。它既反映了图像的精细程度，又反映了图像在屏幕中的大小。在屏幕分辨率一定的条件下，图像分辨率越高，它在屏幕上显示的就越大。分辨率为320×240的一副图像如下：第4章图形图像信息处理技术2、颜色深度颜色深度：是图像文件中记录一个像素所需要的二进制位数，它决定了彩色图像中可出现的最多颜色数，或者灰度图像中的最大灰度等级数。颜色深度越高，图像色彩就越丰富，画面也就越自然、逼真，但数据量也就越大。常见的颜色深度有：4位、8位、16位、24位、32位。第4章图形图像信息处理技术4.3图形图像的获取及表现一、图形图像的获取方式1、图形的获取(1)利用软件绘制图形；比较著名的软件有Illustrator、CorelDRAW、FreeHand等。(2)利用数字化仪绘制图形；见右图(3)利用光笔绘制图形。数字化仪第4章图形图像信息处理技术2、图像的获取主要是利用图象采集设备（如扫描仪、摄象机、数码相机等），将图像采集到计算机中。目前，计算机获取数字图像的方式有两种：一种是利用图像采集卡将模拟视频信号采集到计算机中；另一种是直接将数字图像通过数据接口传输到计算机中。第4章图形图像信息处理技术二、图形图像的表现形式1、用显示器显示图像：显示器有两种，一种是阴极射线管显示器称作CRT（CathodeRayTubes），另一种是液晶显示器称作LCD（LiquidCrystalDisplay）。第4章图形图像信息处理技术2、用打印机打印图像：第4章图形图像信息处理技术4.4图形图像的文件格式★BMP（BitMapPicture）格式它是微软公司为Windows环境设置的标准图像文件格式，也是PC机上最常用的位图格式，有压缩和不压缩两种形式，该格式可表现从2位到24位的色彩，分辨率也可从480x320至1024x768。★GIF（GraphicsInterchangeFormat）格式它是CompuServe公司开发的图像文件格式。特点是一个文件可以存放多幅图像，缺点是存储色彩最高只能达到256种。第4章图形图像信息处理技术★JPG（JointPhotographicExpertGroup）格式它是用JPEG压缩标准压缩的文件格式，其特点是压缩比高，失真率较小，目前非常流行。对于同一幅画面，JPG格式存储的文件是其他类型图形文件的1/10到1/20，而且色彩数最高可达到24位，所以它被广泛应用于Internet上Homepage或Internet上的图片库。★TIF（TaggedImageFileFormat）格式它是Aldus和微软公司联合开发的文件格式，其特点是文件体积庞大，但存储信息量多，细微层次的信息较多，有利于原稿的复制。该格式有压缩和非压缩两种形式，最高支持的色彩数可达16M。第4章图形图像信息处理技术★PSD（PhotoShopDocument）格式它是Adobe公司开发的图像处理软件Photoshop的专用文件格式。它的特点是可以存放图层、通道、遮罩等多种设计样稿，以便下次打开文件时修改上次的设计。★TGA（TaggedGraphic）格式它是Truevision公司为其显示卡开发的图形文件格式，创建时期较早，最高色彩数可达32位。VDA，PIX，WIN，BPX，ICB等均属其旁系。第4章图形图像信息处理技术★PCX格式它是Z-Soft公司为PC画笔设计的图像文件格式。PCX的图像深度可选为1、4、8bit。由于这种文件格式出现较早，采用RLE行程编码，格式简单，压缩比适中，现在仍比较流行。第4章图形图像信息处理技术4.5显示系统及数字相机一、显示系统显示系统主要由显示器和显示适配器组成。1、显示器（Monitor）(1)CRT(CathodeRayTube）显示器它的核心部件是显象管，其主要性能指标如下：★显示器尺寸(17或19）★刷新频率(75Hz以上)★点距(0.2~0.3mm)★分辨率(1024×768）第4章图形图像信息处理技术（2）LCD(LiquidCrystalDisplay）显示器它的主要部件是液晶屏，分辨率是(1440×900）。主要优点是：体积小，重量轻，功耗低，辐射小，无闪烁等。