《多媒体技术及应用》课件第4章

同的饱和度和亮度，但它们的色相不同，把不同的色相按红、 橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序衔接起来，就形成了一个色 相连续变化过渡的圆环，称为色环，如图4-5所示。
2) 饱和度 饱和度(Saturation)是指彩色光呈现颜色的深浅或纯洁程 度。对于同一色相的彩色光，其饱和度越高，颜色就越纯； 而饱和度越小，颜色就越浅，或纯度越低。例如，红+白=粉 红的这个过程中，基本色相没有变化，但饱和度降低了。 饱和度还和亮度有关，同一色相越亮或越暗则越不纯。 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。
图4-5 色环
3) 亮度 亮度(Brightness)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。当彩色光的强 度降到使人看不到了，在亮度标尺上应与黑色对应。同样，对 于其照射强度变得很大时，在亮度标尺上应与白色对应。对于 不同的物体在相同照射情况下，反射越强者看起来越亮。此外， 亮度还与人眼的视觉敏感函数有关，即使强度相同，当不同颜 色的光照射同一物体时也会产生不同的亮度。 4) HSB色彩空间与RGB色彩空间的关系 HSB色彩空间可以用一个圆锥空间来描述，其中亮度B为 轴线，色相H为绕着圆锥截面的色环上的角量，饱和度S为穿 过中心的半径。按照不同的灰度等级，最亮点为纯白色，最暗 点为纯黑色。圆锥截面的圆周一圈上的颜色，为完全饱和的纯 颜色。
2．CMY色彩空间 由于彩色印刷或彩色打印的纸张不会自己发出光线，因 而印刷机或打印机就不能用RGB色彩来印刷或打印，它只能 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 来实现。油墨或颜料的三基色是青(Cyan)、洋红(Magenta)和 黄(Yellow)，简称为CMY。理论上说，任何一种由颜料表现 的色彩都可以用这三种基色按不同的比例混合而成。
为了理解人的视觉系统如何辨识彩色、计算机系统中如 何表示彩色图像，以及如何有效地减少其数据量，本章介绍 表示数字图像的基本常识、目前流行的文件格式及图像处理 软件，包括图像浏览软件ACDSee 10 Photo Manager和图像处 理软件Adobe Photoshop CS3，以及如何通过这两类软件实现 图像文件的浏览、处理和保存。
B I (1 S)
(4-5)
当120°≤H≤360°时：
R I (1 S)，
G
I
1
S cos cos(60
H H
)
，
B 1 (R G)
(4-6)
当240°≤H≤360°时：
R 1 (G B)，
3．HSB色彩空间 从人类视觉系统来看，色彩可用色相、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效果，这三个 特性可以说是色彩的三要素。亮度表示某彩色光的明亮程度； 而色相、饱和度统称为色度，表示颜色的类别与深浅程度。
1) 色相 色相(Hue)由可见光光谱中各分量成分的波长决定。它反 映色彩的种类，是彩色光的基本特性。在日光照射下，某一 物体所呈现的色相是该物体所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 用的效果。 苹果是红色的，这“红色”便是一种色相，它与色彩明 暗无关。黑、灰、白则为无色彩，即只有明暗，无彩色色相。 色相有一个自然次序：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫(red、 orange、yellow、green、cyan、blue、violet)。在这个次序中， 当混合相邻色彩时，可以获得在这两种色彩之间连续变化的 色相。色相在色圆上用圆周表示，圆周上的颜色具有相
CMY色彩空间：用相减混色三基色表示的色彩模式称为 CMY色彩空间。CMY模式是一种颜料模式，本质上与RGB色 彩空间没有区别，广泛运用于绘画和印刷领域。
HSB色彩空间：把图像分成彩色和灰度信息，更符合人 描述和解释色彩的方式，更适合许多灰度处理技术。
YVU和YIQ色彩空间：用于电视信号中色彩的表示。图 4-4 RGB彩色立方体
1．RGB色彩空间 RGB色彩空间用立体坐标系表示，如图4-4所示。R、G、 B三基色位于立方体3个坐标轴的角上；青色、洋红和黄色位 于3个坐标平面的角上；黑色在原点处；白色位于离原点最远 的角上；灰度等级沿着黑白两点的连线分布。各种不同的颜 色处在立方体表面或其内部，可以用从原点出发的向量来定 义。为方便起见，假定所有的颜色值都归一化，则图4-4所示 的立方体就是一个单位立方体，即所有R、G、B的值都在[0,1] 范围内取值。
光的混色是相加混色，即红、绿、蓝三基色按照不同的 比例相加合成混色。大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色 按不同的比例合成产生。
黄色、青色、洋红都是由两种原色混合而成的。由于红 色+青色=白色，绿色+洋红=白色，蓝色+黄色=白色，所以青 色、黄色、洋红分别是红色、蓝色、绿色的补色，即：
红色 + 蓝色 = 洋红 绿色 + 蓝色 = 青色 红色 + 绿色 = 黄色 红色 + 绿色 + 蓝色 = 白色 以适当的比例把三基色或者一种基色与其补色相混合可 产生白光，如图4-2所示。 与光的混色原理不同，颜料或着色剂的混色为相减混色。 相减混色是以吸收三基色比例不同而形成不同的颜色。颜料 的三基色是洋红、青色和黄色。颜料的三基色的补色分别是 绿、红和蓝。颜料三基色或者一种基色与其补色混合后产生 黑色。这种三基色模型如图4-3所示。
是极富信息的媒体，它们可以形象、生动、直观地表达信息， 尤其是随着计算机的图形用户界面(Graphics User Interface， GUI)和彩色显示技术的发展，进一步开发图形图像技术的应 用有了更强有力的支持。
图像是多媒体中携带信息最重要的媒体之一。统计资料 显示，人们获取的信息的70%来自视觉系统。在多媒体产品 中使用最多的素材之一就是图像。它具有形象、直观、便于 理解等特点。
给定一幅RGB色彩空间的图像，其H、S、B值可通过下 面的公式计算。注意，为了避免下式中字母的混淆，以 I(Intensity)代表亮度(Brightness)。
பைடு நூலகம்
图4-6 RGB和HSI模型间的关系
BG H 360 B G
(4-2)
S 1 3 [min(R,G, B)] RGB
I 1 (R G B) 3
4.1.2 色彩空间 色彩空间也称彩色模型、彩色系统或颜色空间。本节介
绍彩色图像中常见的色彩空间，即RGB、CMY/CMYK、 HSB(也称HIS/HSL)、YUV和YIQ及相互间的转换。
RGB色彩空间：用相加混色三基色表示的色彩模式为 RGB色彩空间。RGB色彩空间是最常用的一种色彩模式。在 这种模式下，图像的处理比较方便。例如，显示器采用RGB 色彩空间就是因为显示器是以电子光束分别轰击荧光屏上的 RGB三基色荧光材料发出亮光从而产生色彩。
第4章 图像初步处理
4.1 颜色与色彩空间 4.2 图像的基本概念 4.3 图像的浏览 4.4 图像的处理 4.5 图像的保存 习题4
教学目标 理解颜色与色彩空间； 了解图像的基本概念； 掌握图像浏览软件的基本使用方法； 掌握图像处理的基本方法。 中国有句俗语：“百闻不如一见。”这说明图形、图像
4.1 颜色与色彩空间
1666年，牛顿发现当太阳光通过玻璃棱镜时，出现的光 束不是白色，而是由从一端为红色到另一端为紫色的连续彩 色谱组成。
可见光是由电磁波谱中相对较窄的波段组成的，如图4-1 所示。
一般地，人类和动物接收的物体的颜色由该物体反射的 可见光的性质决定。如果一个物体对有限的可见光光谱范围 的光反射，则物体呈现某种颜色。例如，绿色物体反射具有 500～570 nm范围的光，吸收其他波长的光。如果一个物体反 射的光在所有可见光波长范围内是平衡的，则显示为白色。
图4-1 电磁波谱和可见光光谱
4.1.1 三基色原理 三基色原理是色度学的基本原理，指以红(R)、绿(G)、蓝
(B)为三基色(也称三原色)，大多数的颜色可以通过红、绿、 蓝三基色按照不同的比例合成产生。三基色的选择不是唯一 的，也可以选择其他三种颜色为三基色，但三基色的选择必 须遵循一条原则，即任一种颜色都不能由其他两种颜色合成。 因为人的眼睛对红、绿、蓝这三种色光最敏感，所以，以这 三种颜色作为基色相配来获得彩色得到了最为广泛的应用。 绝大多数单色光都可以分解成红、绿、蓝三种色光。
由于人的视觉系统对色彩色的敏感度和对亮度的敏感度 不同，人的视觉对亮度的敏感程度远强于对色彩浓淡的敏感 程度，当图像亮度有变化时视觉反应明显，而当色彩浓淡有 变化时视觉往往没有反应，因此，HSB比RGB色彩空间更符 合人的视觉特性。采用HSB色彩空间能够减少彩色图像处理 的复杂性，提高处理速度。在图像处理和计算机视觉中大量 算法都可在HSB色彩空间中方便地使用，例如图像边缘检测 或图像边缘增强等，只要对HSB色彩空间的亮度信号进行操 作就可获得良好的效果，而在RGB色彩空间要做上述处理就 很不方便。因此，用HSB色彩空间可以大大简化图像分析和 处理的工作量。
HSB色彩空间和RGB色彩空间是同一物理量的不同表示 法，因而它们之间存在着转换关系。彩色图像的获取可采用 RGB空间，图像的编辑可采用HSB空间。令图4-4中彩色立方 体的黑顶点为(0,0,0)，白顶点为(1,1,1)，旋转后得RGB色彩空 间如图4-6(a)所示。图中亮度(灰度级)沿着连接黑和白两顶点 的连线分布。如果要确定图4-6(a)中任意点的亮度值，可通过 一个垂直于亮度轴的平面，平面包含该彩色点，该平面与亮 度轴的交点就为[0, 1]范围内的亮度值。事实上，亮度轴上点 的饱和度是零，且沿着这条轴线所有的点都是灰度。
C 1 R
M
1
G
Y 1 B
(4-1)
上式显示从涂覆青色颜料的表面反射的光不包含红色(即 公式中C=1-R)。同理，纯洋红色不反射绿色，纯黄色不反射蓝 色。
在实际应用中，由于彩色油墨或颜料的化学特性，用等量 的C、M、Y三基色得到的黑色并不是纯正的黑色，因此在印 刷过程常添加黑色油墨或颜料，形成CMYK。彩色打印机和彩 色印刷系统都采用CMY/CMYK色彩空间。
因为CMY空间正好与RGB空间互补，所以用白色减去 RGB空间中的某一色彩值就等于同样色彩在CMY空间中的值。 从另一个角度看，印刷色与显示色的区别在于印刷色总是以 白色为底色，而显示色总是以黑色为底色，两者使用的颜色 正好互补。根据这个原理，很容易把RGB空间转换成CMY空 间。
假设所有的彩色值都归一化为[0,1]范围，从RGB到CMY 的彩色转换公式如下：
图4-2 光原色三基色的混色
图4-3 颜料原色三基色的混色
在白光照射下，青色颜料能吸收红色而反射青色，黄色 颜料吸收蓝色而反射黄色，洋红颜料吸收绿色而反射洋红， 即：
白色 － 红色 = 青色 白色 － 绿色 = 洋红 白色 － 蓝色 = 黄色 如果把青色和黄色两种颜料混合，由于颜料吸收了红色 和蓝色，从而反射了绿色。对于颜料的混合表示如下： 黄色 + 青色 = 白色 － 红色 － 蓝色 = 绿色 洋红 + 青色 = 白色 － 红色 － 绿色 = 蓝色 黄色 + 洋红 = 白色 － 绿色 － 蓝色 = 红色 青色 + 黄色 + 洋红 = 白色 － 红色 － 蓝色 － 绿色 = 黑色
(4-3) (4-4)
其中，
arccos
[(R
1 [(R G) (R 2 G)2 (R G)(G
B)] B)]1/ 2
给定一幅HSB色彩空间的图像，其R、G、B值可通过下 面的公式计算。
当0°≤H≤120°时：
R
I
1
S cos cos(60
H H
)
，
G 1 (R B)，
图4-4 RGB彩色立方体
RGB色彩空间中的图像均由3个分量图像组成，每一个 分量图像都是其基色图像，即8位的红、绿、蓝图像。每一 个RGB彩色像素[(R, G, B)值3个一组]都为24位深度，颜色总 数是224=16 777 216。当RGB图像送入RGB显示器时，这三 幅图像在荧光屏上混合产生一幅合成的彩色图像。