彩色数字图像基础讲解
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如果每个像素的像素值用一个字节表示，灰度 值级数就等于256级，每个像素可以是0-255之 间的任何一个值，一幅640×480的灰度图像就 需要占据300KB的存储空间。
图像的种类
图像的种类
彩色图像(color image)可按照颜色的数目来划 分，例如256色图像和真彩色(24bit颜色)等。 彩色图像的每个像素的R、G和B值用一个字节 来 表 示 ， 一 幅 640×480 的 8 位 彩 色 图 像 需 要 307.2KB的存储空间。一幅640×480的真彩色 图像需要921.6 KB的存储空间。
图像的RGB颜色模型
图像的CMYK颜色模型
CMYK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
生成的颜色 黑 蓝 绿 青 红
品红 黄 白
颜色模型的空间表示
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)
图像的HSL颜色模型
基于人类对颜色的感觉，HSL 模型描述颜色的三个基本特征： 色相是从物体反射或透过物体传播的颜色。在 0 到 360
图像的三个基本属性—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
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，那么一个像素共用24位表示，就 说像素的深度为24，每个像素可以是 224=16777216种颜色中的一种 。
图像的三个基本属性—像素深度
度的标准色轮上，色相是按位置度量的。在通常的使用中， 色相是由颜色名称标识的，比如红、橙或绿色。 饱和度是指颜色的强度或纯度。饱和度表示色相中灰成分 所占的比例，用从 0%（灰色）到 100%（完全饱和）的百 分比来度量。在标准色轮上，从中心向边缘饱和度是递增 的。 亮度是颜色的相对明暗程度，通常用从 0%（黑）到 100% （白）的百分比来度量。
许多24位彩色图像是用32位存储的，这个附加 的8位叫做alpha通道，它的值叫做alpha值，它 用来表示该像素如何产生特技效果。
图像的种类
图像的三个基本属性—分辨率
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。 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。
彩色数字图像基础
计算机图形、图像技术
计算机图形分为两大类──位图图像和矢量图形 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。
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），即人所共知的象素 来代表图象，每个象素都被分配一个特定位置 和颜色值。位图图象与分辨率有关，换句话说， 它包含固定数量的象素，代表图象数据。
用32位表示一个像素时，R，G，B分别用8位表示，剩下的8位常 称为α通道(alpha channel)位，或称为复盖(overlay)位、中断位、 属性位。它的用法可用一个预乘α通道(premultiplied alpha)的例 子说明。假如一个像素(A，R，G，B)的四个分量都用规一化的数 值表示，(A，R，G，B)为(1，1，0，0)时显示红色。当像素为 (0.5,1,0,0)时，预乘的结果就变成(0.5,0.5,0,0)，这表示原来该像 素显示的红色的强度为1，而现在显示的红色的强度降了一半。
YUV/YIQ特点 亮度信号(Y)和色度信号(U、V)是相互独立的； 可以利用人眼的特性来降低数字彩色图像所需 要的存储容量。
用YUV的好处
亮度信号Y解决了彩色电视机与黑白电 视的兼容问题。
大量实验表明，人眼对色差信号不敏感， 而对亮度信号特别敏感。用亮度信号Y传 送细节，用色差信号UV进行大面积涂色。
关键帧：视频数据具有很强的帧间相关性，动态视频 压缩正是利用帧间相关性的特点，通过前后两个关键 帧动态合成中间的视频帧。因此对于含有频繁运动的 视频图像序列，关键帧数少就会出现图像不稳定现象。
图像的种类
只有黑白两中颜色的图像称为单色图像 (monochrome image)，它的每个像素的像素 值用1位存储，它的值只有“0”或者“1”，一 幅 640×480 的 单 色 图 像 需 要 占 据 37.5KB 的 存 储空间。
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。
颜色模型的色域
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。
因为所有打印油墨都会包含一些杂质， 这三种油墨实际上产生一种土灰色，必 须与黑色 (K) 油墨混合才能产生真正的 黑色。将这些油墨混合产生颜色叫作四 色印刷。
图像的CMYK颜色模型
相加色与相减色关系
相加混色RGB 000 001 010 011 100 101 110 111
相减混色CMY 111 110 101 100 011 010 001 000
选YIQ的好处
大量实验统计，人眼对红黄之间的颜色变化最 敏感，而分辨蓝和紫之间颜色变化最不敏感。 所以把相角为123°的橙色及其相反相角的 303°的青色定义为I轴，它表示人眼最敏感的 色轴。与I正交的色度信号轴，通过33°— 0°—213°线，叫Q轴，它表示人眼最不敏感 的色轴。在传送分辨率弱的Q信号是，可用较 窄的频带，而传送分辨率较强的I信号是，可用 较宽的频带。
电视信号
黑白全电视信号 摄象机把图象信号转变成的最后输出信号就是 全电视信号。全电视信号主要由三个部分组成： 图象信号（视频信号）、复合消隐信号、复合 同步信号。
彩色全电视信号 彩色全电视信号主要由：亮度信号、色度信号、 复合同步信号、复合消隐信号组成。
数字视频的制式
数字视频是由一序列静止画面组成的，称为帧。帧率 选择在每秒24~30帧之间，视频的运动就非常光滑连续； 而低于每秒15帧，连续运动视频就会有停顿的感觉。
影响数字视频质量的因素
帧速：25帧/秒（PAL）、30帧/秒（NTSC）。帧速越高， 数据量越大，质量越好。
分辨率：视频分辨率越大，数据量越大，质量越好。
颜色数：指视频中最多能使用的颜色数。颜色位数越 多，色彩越逼真，数据量也越大。
压缩比：压缩比较小时对图像质量不会有太大影响， 而超过一定倍数后，将会明显看出图像质量下降，而 且压缩比越大在回放时花费在解压的时间越长。
PAL制规定视频每秒25帧，每帧625个扫描行。625行中 用于扫描图像的有效行数只有576行，所以图像在垂直 方向上的分辨率为576点。按现行4：3（宽：高）的电 视标准，图像在水平方向上的分辨率应为576*4/3=768 点，这就得到了768*576这一常见的图像大小。
NTSC制规定每秒30帧，每帧525行，同样采用了隔行扫 描方式，每一帧由两场组成，其图像大小是720*486。 由于PAL制与NTSC制的场频、行频以及色彩处理方式均 不同，因此两者是互不兼容的。
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。
彩色空间的线性变换标准
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。彩色空间变 换有三种：
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适用于计算机用的显示器
彩色空间的线性变换标准
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。
研究路线
图像数据压缩主要根据下面两个基本事实来实现的：
图像数据中有许多重复的数据，使用数学方法来 表示这些重复数据就可以减少数据量；
人的眼睛对图像细节和颜色的辨认有一个极限， 把超过极限的部分去掉，这也就达到压缩数据的 目的。
利用前一个事实的压缩技术就是无损压缩技术， 利用后一个事实的压缩技术就是有损压缩技术。 实际的图像压缩是综合使用各种有损和无损压缩 技术来实现的。
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）。
图像的Lab颜色模型
A. 光度=100（白） B. 绿到红分量 C. 蓝到黄分量 D. 光度=0（黑）到红分量
关于“溢色”
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。
彩色空间RGB-YUV
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U =﹣0.147R﹣0.289G + 0.436B V = 0.615R﹣0.515G﹣0.100B
彩色空间RGB-YIQLeabharlann Baidu
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B I = 0.596R﹣0.275G﹣0.321B Q = 0.212R﹣0.523G + 0.311B
图像的HSL颜色模型
图像的Lab颜色模型
L*a*b 颜色模型是在 1931 年国际照明委员会 （CIE）制定的颜色度量国际标准的基础上建 立的。1976 年，这种模型被重新修订并命名 为 CIE L*a*b。
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。
用这种办法定义一个像素的属性在实际中很有用。例如在一幅彩 色图像上叠加文字说明，而又不想让文字把图复盖掉，就可以用 这种办法来定义像素，而该像素显示的颜色又有人把它称为混合 色(key color)。在图像产品生产中，也往往把数字电视图像和计 算 机 生 产 的 图 像 混 合 在 一 起 ， 这 种 技 术 称 为 视 图 混 合 (video keying)技术，它也采用α通道。
图像的三个基本属性
真彩色、伪彩色与直接色 真彩色(true color)
真彩色图通常是指RGB 8:8:8，即图 像的颜色数等于224，也常称为全彩 色(full color)图像。
在用二进制数表示彩色图像的像素时， 除R，G，B分量用固定位数表示外，往 往还增加1位或几位作为属性(Attribute) 位。例如，RGB 5:5:5表示一个像素时， 用2个字节共16位表示，其中R，G，B各 占5位，剩下一位作为属性位。在这种情 况下，像素深度为16位，而图像深度为 15位
图像的三个基本属性—像素深度
彩色空间RGB-YCrCb
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 Cr＝(0.500R－0.4187G－0.0813B)＋128 Cb=(－ 0.1687R－0.3313G＋0.500B)＋128
图像的种类
图像的种类
彩色图像(color image)可按照颜色的数目来划 分，例如256色图像和真彩色(24bit颜色)等。 彩色图像的每个像素的R、G和B值用一个字节 来 表 示 ， 一 幅 640×480 的 8 位 彩 色 图 像 需 要 307.2KB的存储空间。一幅640×480的真彩色 图像需要921.6 KB的存储空间。
图像的RGB颜色模型
图像的CMYK颜色模型
CMYK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
生成的颜色 黑 蓝 绿 青 红
品红 黄 白
颜色模型的空间表示
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)
图像的HSL颜色模型
基于人类对颜色的感觉，HSL 模型描述颜色的三个基本特征： 色相是从物体反射或透过物体传播的颜色。在 0 到 360
图像的三个基本属性—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
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，那么一个像素共用24位表示，就 说像素的深度为24，每个像素可以是 224=16777216种颜色中的一种 。
图像的三个基本属性—像素深度
度的标准色轮上，色相是按位置度量的。在通常的使用中， 色相是由颜色名称标识的，比如红、橙或绿色。 饱和度是指颜色的强度或纯度。饱和度表示色相中灰成分 所占的比例，用从 0%（灰色）到 100%（完全饱和）的百 分比来度量。在标准色轮上，从中心向边缘饱和度是递增 的。 亮度是颜色的相对明暗程度，通常用从 0%（黑）到 100% （白）的百分比来度量。
许多24位彩色图像是用32位存储的，这个附加 的8位叫做alpha通道，它的值叫做alpha值，它 用来表示该像素如何产生特技效果。
图像的种类
图像的三个基本属性—分辨率
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。 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。
彩色数字图像基础
计算机图形、图像技术
计算机图形分为两大类──位图图像和矢量图形 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。
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），即人所共知的象素 来代表图象，每个象素都被分配一个特定位置 和颜色值。位图图象与分辨率有关，换句话说， 它包含固定数量的象素，代表图象数据。
用32位表示一个像素时，R，G，B分别用8位表示，剩下的8位常 称为α通道(alpha channel)位，或称为复盖(overlay)位、中断位、 属性位。它的用法可用一个预乘α通道(premultiplied alpha)的例 子说明。假如一个像素(A，R，G，B)的四个分量都用规一化的数 值表示，(A，R，G，B)为(1，1，0，0)时显示红色。当像素为 (0.5,1,0,0)时，预乘的结果就变成(0.5,0.5,0,0)，这表示原来该像 素显示的红色的强度为1，而现在显示的红色的强度降了一半。
YUV/YIQ特点 亮度信号(Y)和色度信号(U、V)是相互独立的； 可以利用人眼的特性来降低数字彩色图像所需 要的存储容量。
用YUV的好处
亮度信号Y解决了彩色电视机与黑白电 视的兼容问题。
大量实验表明，人眼对色差信号不敏感， 而对亮度信号特别敏感。用亮度信号Y传 送细节，用色差信号UV进行大面积涂色。
关键帧：视频数据具有很强的帧间相关性，动态视频 压缩正是利用帧间相关性的特点，通过前后两个关键 帧动态合成中间的视频帧。因此对于含有频繁运动的 视频图像序列，关键帧数少就会出现图像不稳定现象。
图像的种类
只有黑白两中颜色的图像称为单色图像 (monochrome image)，它的每个像素的像素 值用1位存储，它的值只有“0”或者“1”，一 幅 640×480 的 单 色 图 像 需 要 占 据 37.5KB 的 存 储空间。
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。
颜色模型的色域
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。
因为所有打印油墨都会包含一些杂质， 这三种油墨实际上产生一种土灰色，必 须与黑色 (K) 油墨混合才能产生真正的 黑色。将这些油墨混合产生颜色叫作四 色印刷。
图像的CMYK颜色模型
相加色与相减色关系
相加混色RGB 000 001 010 011 100 101 110 111
相减混色CMY 111 110 101 100 011 010 001 000
选YIQ的好处
大量实验统计，人眼对红黄之间的颜色变化最 敏感，而分辨蓝和紫之间颜色变化最不敏感。 所以把相角为123°的橙色及其相反相角的 303°的青色定义为I轴，它表示人眼最敏感的 色轴。与I正交的色度信号轴，通过33°— 0°—213°线，叫Q轴，它表示人眼最不敏感 的色轴。在传送分辨率弱的Q信号是，可用较 窄的频带，而传送分辨率较强的I信号是，可用 较宽的频带。
电视信号
黑白全电视信号 摄象机把图象信号转变成的最后输出信号就是 全电视信号。全电视信号主要由三个部分组成： 图象信号（视频信号）、复合消隐信号、复合 同步信号。
彩色全电视信号 彩色全电视信号主要由：亮度信号、色度信号、 复合同步信号、复合消隐信号组成。
数字视频的制式
数字视频是由一序列静止画面组成的，称为帧。帧率 选择在每秒24~30帧之间，视频的运动就非常光滑连续； 而低于每秒15帧，连续运动视频就会有停顿的感觉。
影响数字视频质量的因素
帧速：25帧/秒（PAL）、30帧/秒（NTSC）。帧速越高， 数据量越大，质量越好。
分辨率：视频分辨率越大，数据量越大，质量越好。
颜色数：指视频中最多能使用的颜色数。颜色位数越 多，色彩越逼真，数据量也越大。
压缩比：压缩比较小时对图像质量不会有太大影响， 而超过一定倍数后，将会明显看出图像质量下降，而 且压缩比越大在回放时花费在解压的时间越长。
PAL制规定视频每秒25帧，每帧625个扫描行。625行中 用于扫描图像的有效行数只有576行，所以图像在垂直 方向上的分辨率为576点。按现行4：3（宽：高）的电 视标准，图像在水平方向上的分辨率应为576*4/3=768 点，这就得到了768*576这一常见的图像大小。
NTSC制规定每秒30帧，每帧525行，同样采用了隔行扫 描方式，每一帧由两场组成，其图像大小是720*486。 由于PAL制与NTSC制的场频、行频以及色彩处理方式均 不同，因此两者是互不兼容的。
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。
彩色空间的线性变换标准
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。彩色空间变 换有三种：
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适用于计算机用的显示器
彩色空间的线性变换标准
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。
研究路线
图像数据压缩主要根据下面两个基本事实来实现的：
图像数据中有许多重复的数据，使用数学方法来 表示这些重复数据就可以减少数据量；
人的眼睛对图像细节和颜色的辨认有一个极限， 把超过极限的部分去掉，这也就达到压缩数据的 目的。
利用前一个事实的压缩技术就是无损压缩技术， 利用后一个事实的压缩技术就是有损压缩技术。 实际的图像压缩是综合使用各种有损和无损压缩 技术来实现的。
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）。
图像的Lab颜色模型
A. 光度=100（白） B. 绿到红分量 C. 蓝到黄分量 D. 光度=0（黑）到红分量
关于“溢色”
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。
彩色空间RGB-YUV
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U =﹣0.147R﹣0.289G + 0.436B V = 0.615R﹣0.515G﹣0.100B
彩色空间RGB-YIQLeabharlann Baidu
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B I = 0.596R﹣0.275G﹣0.321B Q = 0.212R﹣0.523G + 0.311B
图像的HSL颜色模型
图像的Lab颜色模型
L*a*b 颜色模型是在 1931 年国际照明委员会 （CIE）制定的颜色度量国际标准的基础上建 立的。1976 年，这种模型被重新修订并命名 为 CIE L*a*b。
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。
用这种办法定义一个像素的属性在实际中很有用。例如在一幅彩 色图像上叠加文字说明，而又不想让文字把图复盖掉，就可以用 这种办法来定义像素，而该像素显示的颜色又有人把它称为混合 色(key color)。在图像产品生产中，也往往把数字电视图像和计 算 机 生 产 的 图 像 混 合 在 一 起 ， 这 种 技 术 称 为 视 图 混 合 (video keying)技术，它也采用α通道。
图像的三个基本属性
真彩色、伪彩色与直接色 真彩色(true color)
真彩色图通常是指RGB 8:8:8，即图 像的颜色数等于224，也常称为全彩 色(full color)图像。
在用二进制数表示彩色图像的像素时， 除R，G，B分量用固定位数表示外，往 往还增加1位或几位作为属性(Attribute) 位。例如，RGB 5:5:5表示一个像素时， 用2个字节共16位表示，其中R，G，B各 占5位，剩下一位作为属性位。在这种情 况下，像素深度为16位，而图像深度为 15位
图像的三个基本属性—像素深度
彩色空间RGB-YCrCb
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 Cr＝(0.500R－0.4187G－0.0813B)＋128 Cb=(－ 0.1687R－0.3313G＋0.500B)＋128