第四章 数字图像基础

相加色与相减色关系
清书P66
颜色模型的空间表示
RGB彩色空间和CMY彩色空间的表示法
4.3 4.3.1
颜色空间的线性变换
颜色空间
颜色空间是表示颜色的一种数学方法。 对人来说：用色调、饱和度、亮度表示颜色 显示器：可用红、绿、蓝磷光体的发光量表示 颜色 打印和印刷设备：用青色、品红色、黄色和黑 色的反射和吸收来产生颜色。
像素深度
• 虽然像素深度或图像深度可以很深，但各种VGA的 颜色深度却受到限制。 例如，标准VGA支持4位16种颜色的彩色图像， 多媒体应用中推荐至少用8位256种颜色。
由于设备的限制，人眼分辨率的限制，一般 不一定要追求特别深的像素深度。
像素深度越深，存储空间也越大。 相反，若像素深度太浅，图像会很粗糙和不自然。
图像分辨率
• 图像分辨率是指组成一幅图像的像素密度的度量方法。 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(dots per inch,DPI)表示。分辨 率越高，像素就越多。 • 图像分辨率与显示分辨率是两个不同的概念。图像分辨 率是确定组成一幅图像的像素数目，而显示分辨率是确 定显示图像的区域大小。 如果显示屏的分辨率为640×480，那末一幅 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。
清书P63
视觉系统对颜色的感知
视觉系统对颜色和亮度的响应特性
4.2
图像的颜色模型
颜色模型：用简单方法描述所有 颜色的一套规则和定义。 1. 图像的RGB颜色模型 2. 图像的CMYK颜色模型
清书P66
图像的RGB颜色模型
绝大部分可见光谱可用 红、绿和蓝 (RGB) 三色光 按不同比例和强度的混合来 表示。在颜色重叠的位置， 产生青色、洋红和黄色。 因为 RGB 颜色合成产 生白色，它们也叫作加色。 将所有颜色加在一起产生白 色──就是说，所有光被反 射回眼睛。加色用于光照、 视频和显示器。例如，显示 器通过红、绿和蓝荧光粉发 射光线产生彩色。
清书P95
• 颜 色 空 间 举 例
HSL颜色空间
清书P95
颜色空间 现在，人们已经构造了各种各样的颜色 空间，适应不同的场合。 例如… 颜色空间有设备相关和设备无关之分。
清书P9
颜色模型关系示意
颜色模型关系示意
VGA调色板
色度-饱和度-亮度 HSL(HSB)颜色模型
hue saturation lightness (brightness)
际照明委员会（CIE）制定的颜色度 量国际标准。 L*a*b 颜色设计为与设备无关； 不管使用什么设备（如显示器、打 印机、计算机或扫描仪）创建或输 出图象，这种颜色模型产生的颜色 都保持一致。 L*a*b 颜色由亮度或光亮度分量 (L) 和两个色度分量组成；两个分 量即 a 分量（从绿到红）和 b 分 量（从蓝到黄）。 清书P108
RGB相加混色模型
图像的RGB颜色模型
颜色＝R（红色的百分比）＋ G（绿色的百分比）＋ B（蓝色的百分比） 若像素中RGB的每个分量只用1位二进制 数表示，则只能表示出8种颜色。
具体如何表示？
图像的CMYK颜色模型
无源物体的颜色，由它吸收 或反射哪些光波决定。 所以用CMY相减混色模型。
以打印在纸张上油墨的光线吸收特性为基础 ，白光照射到半透明油墨上时，部分光谱被吸收 ，部分被反射回眼睛。 理论上，青色(C)、洋红(M)和黄色(Y)色素能 合成吸收所有颜色并产生黑色。由于这个原因， 这些颜色叫作减色。
图像的CMYK颜色模型
CMY相减混色模型
清书P68
图像的CMYK颜色模型
• 因为彩色墨水和颜料的化学特性（如包含一些 杂质），等量三种基本颜色混合实际上产生的是 土灰色，无法产生真正的黑色。 所以增加一种黑色（K），即为CMYK。将这些油 墨混合产生颜色叫作四色印刷。 显示器的彩色图片如何在打印机上输出？ 相加色与相减色有直接对应关系。－－互补性
伪彩色(pseudo color)
• 伪彩色，每个像素的颜色不是由基色分量的数值 直接决定，而是把像素值当作彩色查找表(CLUT) 的表项入口地址，去查找RGB强度值，用查找出的 RGB强度值产生的彩色称为伪彩色。
• 彩色查找表CLUT是一个事先做好的表，表项入口 地址也称为索引号。彩色图像本身的像素数值和 彩色查找表的索引号有一个变换关系，这个关系 可以使用Windows定义的变换关系，也可以使用你 自己定义的变换关系。
• 象素深度（位数） • 真彩色、伪彩色，直接色
– 伪彩（颜色查找表） – 直接色（三种压缩分别采样查找表）
清书69
显示分辨率
• 显示分辨率是指显示屏上能够显示出的像素数 目。 例如，显示分辨率为640×480表示显示屏分 成480行，每行显示640个像素，整个显示屏就 含有307200个显像点。 • 屏幕能够显示的像素越多，说明显示设备的分 辨率越高，显示的图像质量也就越高。CRT显示 类似于彩色电视机中的CRT。显示屏上的每个彩 色像点由代表R，G，B三种模拟信号的相对强度 决定，这些彩色像点就构成一幅彩色图像。 • 孔眼之间的距离称为点距(dot pitch)
• 使用查找得到的数值显示的彩色是真的，但不是 图像本身真正的颜色，没有完全反映原图的彩色。
直接色(direct color)
• 每个像素值分成R，G，B分量，每个分量作为单独 的索引值对它做变换。也就是通过相应的彩色变 换表找出基色强度，用变换后得到的RGB强度值产 生的彩色称为直接色。 • 这种系统产生颜色与真彩色系统相比，相同之处？ 不同之处是什么？ • 试验结果表明，使用直接色在显示器上显示的彩 色图像看起来真实、很自然。 • 这种系统与伪彩色系统相比，相同之处？不同之 处是什么？
清书P111
电视系统的颜色空间
YUV与YIQ模型
在彩色电视制式中，使用YUV和YIQ模型来表示彩色图 像。在PAL彩色电视制式中使用YUV模型，Y表示亮度，UV 用来表示色差，U、V是构成彩色的两个分量；在NTSC彩色 电视制式中使用YIQ模型，其中的Y表示亮度，I、Q是两个 彩色分量。
YUV/YIQ特点 • 亮度信号(Y)和色度信号(U、V)是相互独立 的 • 可以利用视觉特性来降低数字彩色图像的 存储容量。
• α通道(alpha channel)位 :在用32位表示一个像 素时，若R，G，B分别用8位表示，剩下的8位常称 为α通道 (属性位 )
为什么要增加属性位？
真彩色(true color)
• 真彩色是指在组成一幅彩色图像的每个像素值 中，有R，G，B三个基色分量，每个基色分量直接 决定显示设备的基色强度，这样产生的彩色称为 真彩色。 • 如果用RGB 8:8:8方式表示一幅彩色图像，即 RGB都用8位来表示，共3个字节，每个像素的颜色 由这3个字节中的数值直接决定，可生成的颜色数 就是224 ＝16 777 216种，也称全彩色。 • 在许多场合往往用RGB 5:5:5来表示真彩色，每 个分量占5个位，再加1位显示属性控制位共2个字 节，生成的真颜色数目为215 = 32K。
像素深度
像素深度是指存储每个像素所用的位数，它 也是用来度量图像的分辨率。 像素深度决定彩色图像的每个像素可能有的 颜色数，或者确定灰度图像的每个像素可能有的 灰度级数。 例如，一幅彩色图像的每个像素用R，G，B 三个分量表示，若每个分量用8位，那末一个像素 共用24位表示，就说像素的深度为24，每个像素 可以是224=16 777 216种颜色中的一种。 也说成是图像深度。表示一个像素的位数越 多，它能表达的颜色数目就越多，而它的深度就 越深。
清书P71 武书61
4.4.2 图像的种类
矢量图
是绘图程序用一系列的计算机指令绘制和显示 一幅图的。 优点： •当要管理每一小块图像时，很有效 •移动、缩放、旋转、改变属性等很容易 •利用图库的构造块，可加速画生成，减小文件大小 但是，不合适描述太复杂的图。
4.3.3 CIE LAB颜色模型
CIE颜色系统


RGB模型是设备相关的，不能通用。 颜色科学史上的两次重要会议。 1931，CIE(国际照明委员会)，剑桥 1976，规定了两种颜色空间 CIE XYZ是其他颜色系统的基础
清书P99
4.3.3 CIE LAB颜色模型
CIE L*a*b 颜色模型是1976年国
目 录
4.1 视觉系统对颜色的感知 4.2 图像的颜色模型 4.3 颜色空间的线性变换 4.4 图像的基本属性和种类 4.5 JPEG压缩编码 4.6 图像文件格式
4.1 视觉系统对颜色的感知
可见光是波长在380nm－780nm间的电磁波。 眼睛本质上是一个照相机。 红绿蓝三种锥体细胞对不同频率的光感知 程度不同，对不同亮度感知程度不同。 任何颜色都可以用RGB三种颜色合成得到。
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B I = 0.596R - 0.275G - 0.321B Q = 0.212R - 0.523G + 0.311B
写成矩阵的形式：
清书P127
彩色空间RGB-YCrCb
YCrCb与RGB彩色空间变换
数字域中的彩色空间变换与模拟域的彩色空间变换不同。 它们的分量使用Y、Cr和Cb来表示，与RGB空间的转换关系 如下： Y＝0.299R＋0.578G＋0.114B
4.3.2 HSL颜色模型
色调－饱和度－亮度 Hue-satuation-lightness(HSL)
H S 定义颜色的波长，称色调； 定义颜色的强度，称饱和度；
完全饱和：没有掺入白光的颜色
HSL颜色空间 色调－饱和度－明度 (HSB) 清书P93、95
L 定义物体反射或辐射的能量多 少，称为亮度。
Cr＝(0.500R－0.4187G－0.0813B)＋128 Cb=(-0.1687R－0.3313G＋0.500B)＋128 写成矩阵的形式：
武汉书60
4.4 图像的基本属性和种类
4.4.1 图像的基本属性 4.4.2 图像的种类
4.4.1 图像基本属性
• 分辨率
– 显示分辨率（点距） – 图像分辨率（象素数目）
清书P114
彩色空间RGB-YUV
YUV与RGB彩色空间变换
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U = - 0.147R- 0.289G + 0.436B V = 0.615R - 0.515G - 0.100B
写成矩阵的形式：
清书P126
彩色ห้องสมุดไป่ตู้间RGB-YIQ
YIQ与RGB彩色空间变换
真彩色和伪彩色图像之间的差别
4.4.2 图像的种类
在计算机中，表达图像和生成图形图像有两种 常用方法：
• 矢量图（绘制）
矢量图形，是由叫作矢量的数学对象所定义的直线和曲线组 成的。矢量根据图形的几何特性来对其进行描述，矢量图形 与分辨率无关。
• 点位图（采集）
位图图象，也叫作栅格图象。位图图象是用小方形网格（位 图或栅格），即象素来代表图象，每个象素用二进制数表示 颜色、亮度和属性。
4.3.5 彩色空间的线性变换
变换的目的：为了使用人的视角特性以降低数 据量，通常把RGB空间表示的彩色图像变换到其他 彩色空间。 由广播电视需求而开发的彩色空间有： YIQ, YUV和YCrCb
YIQ适用于NTSC彩色电视制式
YUV适用于PAL和SECAM彩色电视制
式 YCrCb是数字电视采用的标准
A. 光度=100（白） B. 绿到红分量 C. 蓝到黄分量 D. 光度=0（黑）到白 分量
4.3.4 颜色模型的色域
色域是一个色系能够显示或打
印的颜色范围。人眼看到的色谱比 任何颜色模型中的色域都宽。 在颜色模型中，L*a*b具有最 宽的色域，它包括RGB和CMYK色域 中的所有颜色。通常RGB色域包含 能在计算机显示器或电视屏幕（发 出红、绿和蓝光）上所有能显示的 颜色。因而一些诸如纯青或纯黄等 颜色不能在显示器上精确显示。 CMYK色域较窄，仅包含使用印刷色油墨能够打印的颜色。 当不能被打印的颜色在屏幕上显示时，它们称为溢色──即 超出CMYK色域之外。