第3章数字图像图形表示与处理

§3多媒体技术基础及应用1第三章数字图像图形表示与处理§3多媒体技术基础及应用2本章要点1.相关基本概念、数字图像采样与量化原理；彩色空间及转换.2.图像文件及格式转换。§3多媒体技术基础及应用33.1彩色空间表示及其转换学习内容：图象的数字化颜色的基本概念彩色空间表示彩色空间转换§3多媒体技术基础及应用4颜色的基本概念颜色是视觉系统对可见光的感知结果；可见光是波长在380nm～780nm之间的电磁波；眼睛看到的大多数光不是单一波长的光，而是许多不同波长的光的组合；§3多媒体技术基础及应用5人的视觉系统眼睛本质上是一个照相机；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，可使用数字图像处理技术降低数据率而不致看起来图像质量太差§3多媒体技术基础及应用6视觉系统对颜色和亮度的响应§3多媒体技术基础及应用7颜色的基本概念自然界中的任何一种颜色都可以由R(red红)，G（green绿），B（blue蓝）这3种颜色值之和来确定，它们构成一个3维的RGB矢量空间。这就是说，R，G，B的数值不同混合得到的颜色就有所不同，也就是光波的波长不同。§3多媒体技术基础及应用8产生波长不同的光所需要的三基色值§3多媒体技术基础及应用9彩色光的三个特性亮度色调饱和度§3多媒体技术基础及应用10亮度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。对同一物体照射的光越强，反射光也越强（越亮）；对于不同的物体在相同照射情况下，反射越强，则看起来越亮。§3多媒体技术基础及应用11色调色调是人眼对的光的彩色感觉，它反映颜色的种类，是决定颜色的基本特性。某一物体的色调，是指该物体在日光照射下，反射的各光谱成分作用于人眼的综合效果对于透射物体则是透过该物体的光谱综合作用的结果在人眼中的反应。§3多媒体技术基础及应用12饱和度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说越纯。饱和度还和亮度有关。§3多媒体技术基础及应用13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。彩色光的三特性的小结亮度色调、饱和度合成色度§3多媒体技术基础及应用14三基色三基色原理三基色的选择并非唯一互相独立的颜色才能作为三基色红绿蓝——应用最广的三基色§3多媒体技术基础及应用15三基色原理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；（图）绝大多数颜色也可以分解成红、绿、蓝三种色光。§3多媒体技术基础及应用16三基色原理示意图§3多媒体技术基础及应用17相加混色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：红色十绿色一黄色红色十蓝色一品红绿色十蓝色一青色红色十绿色十蓝色一白色§3多媒体技术基础及应用18二次色和补色由于：红色十青色=绿色十品红=蓝色十黄色=白色称黄、品红和青色为相加二次色通常称青色、品红和黄色分别是红、绿、蓝三色的补色，由它们组成的色彩系统也称减法系统。§3多媒体技术基础及应用19亮度公式NTSC制式（美欧制式）：PAL制式（亚洲制式）：亮度Y=0.299R+0.587G+0.114B亮度Y=0.222R+0.707G+0.071B§3多媒体技术基础及应用20彩色空间表示在多媒体计算机中，常常涉及到几种不同的色彩空间表示颜色。如计算机显示时采用RGB彩色空间；彩色印刷时采用CMYK彩色空间；彩色全电视信号数字化时采用YUV彩色空间；为了便于色彩处理和识别，视觉系统又经常采用HSI彩色空间、。计算机显视器RGB彩色空间彩色印刷CMYK彩色空间彩色电视YUV和YIQ彩色空间视觉系统的HSB彩色空间§3多媒体技术基础及应用21(1).计算机显视器RGB彩色空间RGB彩色空间又称加色法系统。RGB彩色空间采用三种基本颜色，即RGB(红，绿，蓝)。彩色显视器的输入需要RGB三个彩色分量，通过三个分量的不同比例配合，在显示屏幕上合成所需要的任意颜色，三种颜色均无时显示黑色。在RGB彩色空间，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[R]、g[G]、b[B]为F色光的三色分量。任意一种色光，其色度可由相对色系数中的任意两个唯一的确定。§3多媒体技术基础及应用22显示器产生颜色的原理§3多媒体技术基础及应用23(2).彩色印刷CMYK彩色空间CMYK彩色空间又称减色法系统。彩色印刷采用靛蓝、品红、黄色和黑色四种油墨印刷各种颜色，通常把这四种颜色简称CMYK。靛蓝、品红、黄色三种颜色混合在一起时应呈黑色。在现实中，把等量的靛蓝、品红、黄色油墨混合在一起产生不是黑色而是深棕色。因此又加入一些黑墨以打印真正的黑色。§3多媒体技术基础及应用24(3).彩色电视YUV和YIQ彩色空间现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄像机或彩色电荷耦合器件摄像机，把摄得的彩色图像信号，经分色棱镜分成R0G0B0三个分量的信号，分别经放大和校正得到了RGB信号，再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y、色差信号R-Y和B-Y，最后发送端将Y、R-Y及B-Y三个信号进行编码，用同一信道发送出去。这就是常用的YUV彩色空间。§3多媒体技术基础及应用25YUV彩色空间的优点1.亮度信号Y解决了彩色电视机与黑白电视机的兼容问题；2.可以利用人眼的特性来降低数字彩色图像所需要的存储容量。YUV色彩空间常用在PAL制式中，在多媒体计算机中也采用了这种色彩空间，数字化后通常为Y∶U∶V=8∶4∶4或者是Y∶U∶V=8∶2∶2。§3多媒体技术基础及应用26实例一幅彩色图像的大小为640×480像素，按RGB=8∶8∶8存储，即R、G和B分量都用8位二进制数表示，所需要的存储容量为921600字节。如果用Y:U:V=8:2:2来表示，Y分量仍然为640×480，且仍用8位表示，而对每四个相邻像素(2×2)的U、V值分别用相同的一个值表示，那么所需的存储空间就减少到460800字节。§3多媒体技术基础及应用27(4).HSB彩色空间在HSI彩色空间中，人们常用H、S、B参数描述颜色特性，其中H表示色调，S表示颜色的饱和度，B表示光的强度。HSI彩色空间能够减少彩色图像处理的复杂性，而且更接近人对色彩的认识和解释。§3多媒体技术基础及应用28彩色空间变换的目的为了降低数据量而利用人的视觉特性把RGB空间表示的彩色图像变换到其它彩色空间。每一种变换使用的参数都是为了适应某种类型的显示设备。§3多媒体技术基础及应用29色彩空间的转换RGB与YUV之间的转换彩色摄像机最初得到的是经过y校正的RGB信号，为了和黑白电视机兼容及压缩编码，在传送过程中包含亮度信号和色差信号，亮度方程简化如下：Y=0.3R+0.59G+0.11B三个色差信号B-Y，R-Y，G-Y中有两个是独立的，另一个可用亮度方程和两个色差信号通过运算得到。§3多媒体技术基础及应用30RGB与YUV之间的变换考虑人眼的视觉特性而对色差信号压缩之后，可表示为以下矩阵计算形式。BGRVUY096.052.061.044.029.015.011.059.03.0§3多媒体技术基础及应用31隔行扫描与逐行扫描§3多媒体技术基础及应用323.2数字图像与图形§3多媒体技术基础及应用33数字图像与图形多媒体计算机常用的三种图像：图形、静态图像、动态图像获取三种图像的方法：1.计算机产生2.扫描输人3.借助数字化仪，将彩色全电视信号数字化后输人§3多媒体技术基础及应用34图像数字化图象的数字化图像的数字化和声音的数字化原理相似，同样需要经过采样和量化的过程，只是，图像是平面的二维信息，比声音信号复杂的多，所以它的采样是在X，Y两个坐标方向上的，另外对于黑白灰度图像和彩色图像的量化也有所不同，图像数字化包括图像采样采样样本的量化§3多媒体技术基础及应用35图像采样图像采样的含义采样密度和采样定理采样定理阐述了采样密度与F（X，Y）频带之间的依存关系，频带越窄，相应的采样频率越可以降低，采样频率是图像变化频率二倍时，可以保证有离散的图像数据无失真地重现原图，但F（X，Y）的频带不可能时有限的，因此图像采样总存在失真，或者说失真对于数字图像是再所难免的。XYXY采样密度§3多媒体技术基础及应用36量化及其含义量化是对每个采样得到的离散点——的灰度或色彩样本进行数字化的过程，是在样本幅值的动态范围内进行分层、取整。灰度图像以及灰度级的表示在计算机中用2？表示灰度，通常A/D变换产生的灰度是256级灰度。彩色值的量化取决于所选彩色空间图像的彩色的表示空间不同，因为彩色图像的彩色的表示空间不同，会造成量化的方法和取值的不同，自然会影响到算法以及其他各个处理细节的不同。§3多媒体技术基础及应用37图像文件格式及其转换位图和矢量图位图由像素组成,适合存储真实场景,占用存储空间大,大小与画面内容与复杂程度无关.容量由图像分辨率和图像深度决定,显示速度比矢量图快.矢量图存储的是绘图的图形指令,适合存储复杂的曲线图形,占用的空间小,大小决定于图形的复杂程度,显示速度因为计算还原较慢.§3多媒体技术基础及应用38静态图像的文件与转换常见的静态图像文件的扩展名是BMP、GIF、TGA、TIFF、JPEG、PCX、PSD等。§3多媒体技术基础及应用39BMP文件BMP是DOS和Windows兼容计算机上的标准Windows图像格式。BMP格式支持RGB、索引颜色、灰度和位图颜色模式，但不支持alpha通道。可以为图像指定MsWindows或OS/2格式以及位深度。对于使用Windows格式的4位和8位图像，还可以指定RLE压缩。§3多媒体技术基础及应用40GIF文件图形交换格式(GIF)是在WorldWideWeb及其它联机服务上常用的一种文件格式，用于显示超文本标记语言(HTML)文档中的索引颜色图形和图像。GIF是一种用LZW压缩的格式，用于最小化文件大小和电子传输时间。GIF格式保留索引颜色图像中的透明度，但不支持alpha通道。*注意：GIF文件有动态文件和静态文件两种格式。§3多媒体技术基础及应用41Targa格式TGA文件TGA格式专门用于使用Truevision®视频卡的系统，并且通常受MS-DOS颜色应用程序的支持。Targa格式支持24位RGB图像（8位x3颜色通道）和32位RGB图像（8位x3颜色通道外加一个8位alpha通道）。Targa格式也支持无alpha通道的索引颜色和灰度图像。以这种格式存储RGB图像时，可以选取像素深度。§3多媒体技术基础及应用42TIFF文件标记图像文件格式(TIFF)用于在应用程序和计算机平台之间交换文件。TIFF是一种灵活的位图图像格式，几乎受所有的绘画、图像编辑和页面版面应用程序的支持。而且，几乎所有的桌面扫描仪都可以生成TIFF图像。TIFF格式支持具有alpha通道的CMYK、RGB、Lab、索引颜色和灰度图像以及无alpha通道的位图模式图像。Photoshop可以在TIFF文件中存储图层；但是，如果在其它应用程序中打开此文件，则只有拼合图像是可见的。Photoshop也可以用TIFF格式存储注释、透明度和多分辨率金字塔数据。§3多媒体技术基础及应用43JPEG格式JPG文件一种常用的压缩格式文件，联合图片专家组(JPEG)格式是在WorldWideWeb及其它联机服务上常用的一种格式，用于显示超文本标记语言(HTML)文档中的照片和其它连续色调的图像。JPEG格式支持CMYK、RGB和灰度颜色模式，但不支持alpha通道。与GIF格式不同，JPEG保留RGB图像中的所有颜色信息，但通过有选择地扔掉数据来压缩文件大小。JPEG图像在打开时自动解压缩。压缩的级别越高，得到的图像品质越低；而压缩的级别越低