第4讲 图形图像数据的获取与处理

模拟图像在二维空间上是连续分布的，亮度的 值也是连续的，无法用计算机处理。为了用计算 机来处理图像，必须把连续的图像变换成离散的 图像，即图像的数字化。模拟图像经过数字化处 理后获得数字图像，即位图图像。 因为图像的连续性包含空间位臵和亮度两个方 面的内容，所以在对其进行数字化时，在空间位 臵上和在亮度上都要进行离散化。因此，图像的 离散化也包括采样、量化两个阶段。
（1）采样：图像I=f(x,y) 在其空间坐标上的离散化称为采 样。为了对一幅在空间上连续的 静止图像进行采样，将图像在二 维方向上分成M行、N列，构成 M×N个网格，如右图所示。 对于每一个网格，用一个亮 度值来表示，这个过程就是采样。 单位长度上采样点的个数为采样 频率。采样频率越高，得到的图 像越细腻，表现细节越逼真，但 数据量会增大，需要更大的存储 空间。 图像的采样频率的确定通常 也遵循奈奎斯特采样定理。
计算机应用中定义颜色的基本方法基于三基色原理， 即将物体的颜色分为红、绿、蓝3个分量，物体颜色的表 达公式为 颜色=R（红色的百分比）＋G（绿色的百分比）＋B （蓝色的百分比） 通常在计算机的真彩色模型中，用3个字节来存储颜 色信息，每一个分量为一个字节，如果一个对象的颜色被 设臵为红色分量255、绿色分量0、蓝色分量0，则表示该 对象的颜色为红色。
4.1.3常见的图像文件格式

BMP格式 JPEG格式 GIF格式 TIFF格式 PNG格式 PSD格式
4.2 图像编辑软件PHOTOSHOP
进行图像处理软件很多，其中以美国Adobe公司 的Photoshop功能最为强大，它不但提供绘图功能， 而且可以和扫描仪相连，获得计算机以外的媒体设 备的图像，它的图像编辑功能极为丰富，而且还可 以通过图层样式的设臵和滤镜等功能轻松获得艺术 绘画效果。 4.2.1 Photoshop简介 4.2.2 Photoshop的主要操作 4.2.3 Photoshop的综合图像处理实例
(2)三基色原理
任何一种颜色都可以用红、绿、蓝这3种基本颜色按不同比例混合得到， 同样，任何色光都可以分解成这3种颜色光，这就是所谓的三基色原理。实际 上，基本颜色的选择并不是唯一的，只要颜色相互独立，任何一种颜色都不 能由另外2种颜色合成，就可以选择这3种颜色为三基色。然而由于人眼对红、 绿、蓝3种颜色光最为敏感，所以通常都选择它们作为基色。 人类是三色视觉者，人类的视网膜有3种锥体细胞，分别处理低频信息 （对应于红色）、中频信息（对应于绿色）和高频信息（对应于蓝色）。所 以红、绿、蓝3种颜色被称为三基色。三基色以不同的比例相混合，可成为各 种色光。
图形和图像的区别
位图图像和矢量图形的主要区别在于以下几点。 （1）表达对象的复杂程度 （2）显示速度 （3）文件大小 （4）缩放时的性质
（1）表达对象的复杂程度。位图图像适合表现比较细致，层次 和色彩比较丰富，包括大量细节的场景；而矢量图形不适合表达复杂 的对象。事实上位图图像经常是真实世界的二维表达，而图形依赖于 简单的图元，无法表达复杂的真实世界。 （2）显示速度。位图图像的显示速度较快，存储器中图像的数 据可以装入内存直接显示在显示器上，因此显示的速度较快；而矢量 图形在显示时需要经过重新计算，因而显示速度相对慢一些。 （3）文件大小。位图图像要存储二维对象的每一个像素，图像 文件所占存储空间较大，通常要进行压缩；而矢量图形文件只保存生 成图形的算法、图形的控制点和属性信息，因此占用的存储空间很小。 （4）缩放时的性质。位图图像放大后图像会失真，呈现锯齿状， 这是因为图像存放的是固定像素的信息，当对位图图像进行放大时， 像素个数并没有增加，而是像素本身放大，因此出现失真；而矢量图 形文件并不保存具体的绘制的像素，保存的是图形的算法信息，当对 矢量图形进行放大时，它需要进行重新计算和重新显示即可，所以不 会失真。
4.1.2 图像的数字化
1．图像数字化 在计算机出现之前用普通相机捕捉到的关于现实 世界的影像可以被称为模拟图像或物理图像。模拟 图像一个像素点的亮度是该像素点空间位臵的函数， 任一幅单色图像可以表达为连续函数：I = f(x,y)。 其中I代表像素点的亮度值，它是连续变化的；x、y 代表像素点的二维空间位臵，也是连续变化的。针 对彩色图像，可以用红、绿、蓝3幅单色图像来表示， 即fR(x,y)、fG(x,y)、fB(x,y)。
（1）分辨率。图像分辨率是一个和采样相关的 概念，指数字图像单位尺寸内的像素个数,单位是 DPI,即每英寸像素数。分辨率越高，像素密度越大， 图像越清晰。 （2）颜色深度。颜色深度是一个和图像量化相 关的概念。位图图像中各像素的亮度或颜色信息用 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（又称图像深度）。颜色深度决定了位图 中出现的最大颜色数。和量化位数对应，目前图像 的颜色深度有以下几种，即1、4、8、16、24和32。
4.1 图形图像基础 4.2 图像编辑软件hotoshop
第4讲 图形图像数据的编辑与处理
4.1 图形图像基础
在现实生活中图形和图像是既有区别又有联系的两个 概念，二者所指的都是在二维平面上能在人的视觉系统中 产生视觉印象的客观对象，一般图形所指代的客观对象往 往带有鲜明的几何意义，而图像指代的客观对象往往是对 实物的拍摄。计算机中图形和图像的区别除了和现实生活 类似含义外，计算机中的图形和图像的差别主要反映在它 们的数据的表示方式上。
（3）真彩色和伪彩色
真彩色：真彩色是指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的基色强 度，这样表示的颜色称为真彩色。在计算机系统中，如果把R、 G、B分量都用8位字长来表示，可生成2的24次方即16777216 种颜色，每个像素的颜色都是由其中的数值直接决定的。这样 得到的颜色在人眼能分辨的范围内可以完全反映原图像的真实 色彩，所以叫真彩色，如JPEG图像。 伪彩色：伪彩色是相对于真彩色而言的。在计算机系统中， 为了减少彩色图像的存储空间，在生成图像时，对图像中不同 颜色进行采样，产生包含各种颜色的颜色表，即颜色查找表。 图像中每个像素的像素值并不作为该像素的三基色颜色值，而 是作为地址索引，在颜色查找表中查找这个像素实际的R、G、 B分量值。这样表示的颜色被称为伪彩色，如GIF图像。
4.2.1 PHOTOSHOP简介
Photoshop目前最新的版本是Photoshop CS4，但应用较 广的版本为Photoshop CS3，下面主要以Photoshop CS3为例 介绍怎样在Photoshop中进行简单的图像编辑和处理。 Photoshop本身文件的扩展名为“*psd”，但支持多种图 像文件格式的打开和存储。Photoshop中支持多种图像模式， 图像模式由【图像】→【模式】菜单设定，其中最常用的有4 种模式为黑白二值图、灰度图、RGB彩色图、CMYK彩色图。黑 白二值图中只能有黑、白两色，常用于线图。灰度图中有黑 到白的各种灰度层次，常用8位的存储。RGB彩图用RGB（红、 绿、蓝）3种颜色的不同比例配合合成所需要的任意颜色，适 用于显示器屏幕显示的彩图。RGB模式的彩图在印刷时某些颜 色可能出现与设计色偏差，因此需要彩图印刷时一般选用 CMYK彩图模式。
（2）量化：经过采样得到的图像亮度(颜色)样 本值，在亮度区间上仍然是连续的，把亮度区间划 分成K个区间，一个区间对应于一个亮度值，对于所 有落入第i个区间的任何亮度值，都用同一个亮度值 来表示，这个过程称为图像的量化。 量化位数通常有1位、4位、8位、16位、24位和 32位。
2．图像数字化相关概念
(3)颜色空间
颜色空间是颜色描述的一种方法，也称为颜色模 型。在计算机和多媒体系统中，表示图像的颜色常常 涉及不同的颜色空间，如RGB颜色空间、CMY颜色空 间、YUV颜色空间等。不同的颜色空间有各自的特点， 分别有不同的应用场合。
RGB 颜 色 空 间 ： 利 用 红 （ Red ） 、 绿 （ Green ） 、 蓝 （Blue）3种颜色来表示所有颜色的方法称为RGB颜色空间。 计算机系统中的彩色图像一般都用 R、G、B等3个分量表示， 分别对应红、绿、蓝3种颜色。 CMY 颜色空间：利用青（ Cyan ）、品红（ Magenta ）、 黄（Yellow）3种颜色来表示所有颜色的方法称为 CMY颜色空 间。 YUV颜色空间：在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩 色摄像机或彩色 CCD （电荷耦合器件）摄像机。这些设备把 摄取的彩色图像信号经过分色、放大和校正得到 R、 G 、 B 三 基色，再经过矩阵变换得到的亮度信号 Y 和两个色差信号 U （R-Y）与V（B-Y），最后发送端将这3个信号分别进行编码， 用同一信道发送出去，这就是所谓的YUV颜色空间。
(4)颜色三要素
颜色还可以用三要素来描述，颜色的三要素是色调、 饱和度和亮度。色调与光波的波长有直接关系，亮度和饱 和度与光波的幅度有关，人眼看到的任一彩wenku.baidu.com光都是这3个 特性的综合效果。
（1）色调（Hue）：又称为色相，指颜色的外观，用于 区别颜色的名称或颜色的种类。色调取决于可见光谱中的光 波的波长。色调是视觉系统对一个区域所呈现颜色的感觉， 就是视觉系统对可见物体辐射或者发射的光波波长的感觉。 色调的种类很多，大概一千万种以上，专业人士可辨认出的 颜色大约可达三百至四百种。按波长从长到短色调次序为红、 橙、黄、绿、青、蓝、紫。混合相邻颜色时，可以获得在这 两种颜色之间连续变化的色调。
由于各种颜色都可以用三种基色混合而成，基于三基色 原理，人们还提出了相加混色和相减混色的理论。 相加混色：把 3种基色光按不同比例相加称之为相加混 色。三基色混合的比例决定混合色的色调，当三基色的比 例相同时得到的是白色。三基色进行等量相加混合得到颜 色的关系如：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，红色+青色 =绿色 +品 红=蓝色+黄色=白色等等。 相减混色：相减混色利用了滤光特性，即在白光中减去 一种或几种颜色而得到另外的颜色。比如黄色=白色－蓝色， 红色=白色－绿色－蓝色等。
（2）饱和度（Saturation）：表示颜色的纯净程度， 可用来区别颜色深浅的程度。当一种颜色渗入白光成分愈 多时，就说颜色愈不饱和。没有渗入白光所呈现的颜色 （如仅由单一波长组成的光谱色）被称为饱和色。 （3）亮度（Intensity）：指色彩所引起的人眼对明 暗程度的感觉，是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少 的感知属性。它与被观察物体的发光强度有关。 计算机可以基于三基色原理来表达颜色，也可以基于 颜色的三要素表达颜色，Windows的标准颜色对话框中即 提供基于三基色和基于三要素的两种颜色控制方式。当然 一些复杂的图像处理软件如Photoshop还会提供更丰富的 颜色控制方式。
4.1.1 图像和图形的概念 4.1.2 图像的数字化 4.1.3 常见的数字图像文件格式
4.1.1 图像和图形的概念
1．图像和图形 图像（Image）在计算机中又被称为点阵图或 位图，它将二维平面对象的信息细化为密集排列 的点，然后将这些点的信息（亮度或颜色）按顺 序存储在计算机中。在计算机中，图像的实质是 一个数字矩阵，矩阵中各项数字用来描述构成图 像的每一个点的亮度、颜色等信息。构成图像的 点被称为像素（Pixel）。图像通常用数字设备捕 捉的实际场景画面或以数字化形式存储的任意画 面来获得。
图形（Graphics）在计算机中又被称为矢量图， 一般指用计算机绘制的画面，它具有两个要素：一 是几何要素，主要刻画对象的轮廓、形状等；二是 非几何要素或者称之为属性要素，刻画对象的颜色、 纹理等。 图形文件中只记录生成图的算法及图形的控制 点信息和属性信息，这些是用一个指令集合来描述 的。这些指令描述构成一幅图的所有直线、圆、圆 弧、矩形、曲线等图元的数量、维数和大小、形状、 颜色。显示时需要相应的软件读取这些指令，根据 这些指令在屏幕显示相应的形状和颜色。
2．色彩的表达
(1)颜色的定义。 颜色信息是图形和图像所共有的信息。颜色是人的视觉 系统对可见光的感知结果。可见光是一种光波，本质是电磁 波。电磁波的波长范围很大，人眼只能感觉大约350nm～ 750nm波长范围的光波，如下图所示。不同波长的光波对应 到不同的颜色。
物体由于内部物质的不同，受光线照射后，一部 分光线被吸收，其余的被反射或透射出来，成为人 眼所见的物体的颜色。不透明物体的颜色是它的反 射光的颜色，而透明物体的颜色是它的透射光的颜 色。 从上面介绍可知，颜色是人眼对物体反射或透射 光的感觉。颜色的产生比较复杂，它既与光有密切 关系，也与被光照射的物体有关，还与观察的主 体——人有关。