色彩与图像基础

行程编码(RLE)
将相邻并且具有相同颜色的像素归类，顺 序记录相同的像素数目和颜色值。
行程长度：具有同一颜色的连续像素的数目
RLE编码适用于计算机生成的图形图像。
行程编码(RLE)实例
（a）编码前像素记录关系
像素 位 像素 值
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 5 5 5 5 5 5 3 3 3 3 0 2 2 2 2 2 2 2 1 1
第五章 色彩与图像基础
本章要点
色彩的基本概念 色彩的空间表达 数字图像 图像编码简介 图像文件结构
色彩的基本概念
色彩的来源 色调、亮度和饱和度 色彩的混和与互补
色彩的来源
色彩是通过光被我们所感知， 光是一种按波长辐射的电磁波。
太阳发射的可见光是由各种色光组合而成的白 光。
CMY色彩空间
油墨或颜料的三基色CMY ： 青（Cyan） 品红（Magenta） 黄（Yellow）
青色对应蓝绿色，品红对应紫红色 CMY符合相减混合的原理
RGB与CMY的互补关系
RGB相加混色 0 0 0
0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0
CMY相减混色 1 1 1
1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1
饱和度与纯度
饱和度：色彩纯粹的程度。 饱和度与标准色彩中掺杂的其它颜色有关。 饱和度还和亮度有关。
不完全饱和
完全饱和
不完全饱和
色彩的混和与互补
色光的混合是光量的增加，三原色相混合而 成白光。 所有的基色混合得到白色。 凡是两种色光相混合而成白光，这两种色光 互为补色
色彩的混和与互补
光的物理性质：波长和幅度 人眼对色彩的感觉：色调、饱和度和亮度
色调——波长 亮度——幅度 饱和度——色光的纯度
色调与色相
绿
黄
红
紫 蓝
人眼对一种或多种光波的色彩感觉。 太阳光带的六种标准色，以及标准色之间的中间色， 构成十二色相或色调
日出
日出1
秋红autumnfire
2R G B F GB
YUV色彩空间
为兼容黑白和彩色电视信号，
亮度Y和色度U、V分离
白光的亮度Y和红、绿、蓝三色光的关系方程：
Y＝0.3 R + 0.59 G + 0.11B
YUV色彩空间与RGB色彩空间的转换关系：
Y 0.30.590.11 R U 0.15 0.290.44 G V 0.61 0.52 0.096 B
RGB色彩空间
HIS色彩空间
适合人的视觉系统： 色调（Hue）、 色饱和度（Saturation或Chroma） 亮度（Intensity或Brightness）
白 浅 灰 灰 暗 深 灰 黑 深 极浅
浅 亮 浅 黯淡
鲜艳
完 全 饱 和
极深
HIS色彩空间模型
HIS色彩空间模型
HIS空间
色调和饱和度通称为色度，表示颜色类别与深浅程度。 HSI色彩空间和RGB色彩空间转换公式：
RG B I 3 1 F [90 Arc tan( ) {0, G B ; 180, G B }] H 360 3 min( R, G , B ) S 1[ ] I
位图的放大
矢量图的放大
图像分辨率与显示分辨率
图像分辨率dpi(dot per inch)
组成一幅图像的像素密度的度量方法，决定 数字图像的像素数目，图像幅面。
将自然图像（如照片）转换成数字图像时的度量 方式。
显示分辨率 横向点×纵向点
确定屏幕上可显示的图像幅面，如800×600
不同分辨率 图像的叠加
屏幕上的色彩能较真实反映图像文件的色彩。
显示深度等于图像深度：
真彩色显示模式，或者显示调色板与图像调色板 一致，屏幕上的色彩能较真实地反映图像文件的色 彩效果。反之，则显示色彩会出现失真。
显示深度小于图像深度：
显示的色彩会出现失真。
图像数据的容量
图像数据量 ＝图像的总像素×图像深度 / 8 （Byte） 图像的总像素 ＝水平方向像素数×垂直方向像素数 如：一幅640×480的256色图像，其文件大小约为： 640×480×8 / 8≈300 KByte 一幅1024×768的真彩色图像文件大小约为： 1024×768×24 / 8≈2.4 MByte
色彩的空间表达
RGB: 显示器信号 HIS：人眼识别 YUV：电视信号 CMY：彩色印刷
RGB色彩空间
通过发射出三种不同强度的电子束，使屏 幕内侧覆盖的红、绿、蓝磷光材料发光而 产生色彩。 配色方程：F＝r [ R ] + g [ G ] + b [ B ] 色彩空间模型：相加混色
图像编码简介
图像数据压缩的基本概念 行程编码 增量调制编码 霍夫曼编码
图像压缩的基本概念
无损压缩： 将相同的或相似的数据或数据特征归类，使用较 少的数据量描述原始数据。
有损压缩： 利用人眼的视觉特性有针对性地简化不重要的数据。 图像压缩比： 压缩后的图像数据量 / 压缩前的图像数据量（<1）。
色彩空间与颜色的选择
数字图像
矢量图 位图 图像分辨率与显示分辨率 图像深度与色彩类型 图像深度与显示深度 图像数据的容量
矢量图
定义： 用一系列计算机指令来描述和记录一幅图，这 幅图可分解为一系列子图如点、线、面等。 如，用圆心坐标、半径、色彩值三个参数来描述一 个园形。 应用： 几何图形、美术字、工程制图，如芯片电路的 连接图等 显示过程： 按照指令计算并绘制。如按照园的矢量参数， 计算出园周上的各点位置，并绘制出来。
（b）编码后码字
编码 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 位 码字 6 5 4 3 1 0 7 2 2 1
增量调制编码（DM）
仅存贮每一行上第一个像素的实际值。其后依次记 录每一个像素的像素值与前一个像素值之差
像素点
原像素值
x1
x2
70
x3
100
x4
120
பைடு நூலகம்5 0
x5
100
x6
70
x7
50
真彩色
• 图像中的每个像素值都分成R、G、B三个 基色分量 • 每个基色分量用8bit=8Byte表示 • 每个像素可容纳的色彩数 ＝28 × 28 × 28 ＝ 224＝ 16 M（百万） 这样得到的色彩可以反映原图的真实色彩， 故称真彩色。
伪彩色
用查找映射的方法产生的色彩。 适用于显示缓存不够，或者图像文件的要求 如采用伪彩色来记录一幅图像的色彩信息， 则在图像文件中就要包括色彩查找表或调色板。
x8
0
x9
20
50
差值 编码值 解码后像素值
50 50 50
－20 －20 70
－30 －30 100
－20 －20 120
20 20 100
30 30 70
20 20 50
50 32 28
－20 －20 48
增量调制编码（DM）
仅存贮每一行上第一个像素的实际值。其后，依 次存贮每一个像素的像素值与前一个像素值之差 值。
PCX文件
以PCX为文件后缀 采用RLE行程编码，文件体中存放的是 压缩后的图像数据。 是PC Paintbrush （PC画笔）的图像 文件格式。
TIFF文件
以TIF为后缀，支持多种编码方法 是一种非常通用的图像文件格式 定义了四种不同的子类：
位图
定义：
用像素点来描述或映射的图，也即位映射图。
应用：
任何几何图形或自然图像。
显示过程：
将图像点阵数据逐点映射到屏幕上。
位图与矢量图的比较
矢量图 数据量 放大失真 记录指令，小 位图 记录点阵，大
重新计算和绘制， 点阵的重复，可能 无失真 产生“马赛克”
应用
侧重于“绘制” 侧重于“获取”和 和“创建” “复制”
m
2
256
不同调色板对图像效果的影响
真彩色
256调色板，匹配
256调色板，不匹配
无
调配色
通过每个像素点的R、G、B分量分别 作为单独的索引值进行变换，经相应的色 彩变换表找出各自的基色强度，用变换后 的R、G、B强度值产生的色彩。 调配色的效果一般比伪彩色好
不同色彩映射类型的比较
伪彩色 调配色 真彩色
文 件 体
文 件 尾
图像数据
色彩变换表 用户名
注释
开发日期 工作时间
常用图像文件格式
BMP文件 PCX文件 TIFF文件 GIF文件 JPEG文件
BMP文件
以BMP为文件后缀，采用位映射存贮格 式， 文件所占用的空间很大。
几乎所有Windows环境下的图像处理软 件都支持BMP格式。
查找表 查找表引索
基色强度
有 象素
――
有 像素RGB分 量
由RGB分量 经变换后得 到 较好
无 ――
直接由 RGB分量 值决定 最好
色彩效果
一般
图像深度与显示深度
图像深度： 图像文件中记录一个像素点所需要的位数
显示深度： 显示缓存中表示一个像素点的最大位数
图像深度与显示深度
显示深度大于图像深度：
白光分解为红、橙、黄、绿、蓝、紫六个标准 色光谱。
光波、可见光波与颜色的关系
γ射线 χ射线 5nm 紫 蓝
可 见 紫外线 光
红外线
0.4mm
无线电波
波长
0.005nm 0.01nm
350nm750nm
10km
紫
蓝 绿 蓝 绿 绿 黄
500
橙 黄橙红
600
红
波长（nm）
700
350
400
750
色调、亮度和饱和度
对应色彩 黑
蓝 绿 青 红
1 0 1
1 1 0 1 1 1
0 1 0
0 0 1 0 0 0
品红
黄 白
计算机中色值的数学表示
基色 记录位 （bit） 8 色彩数 10进制 0－255 2进制
00000000－ 11111111
16进制 00－FF
R/G/B
混合表示法：【RGB】 如：红色：【FF0000】 绿色：【00FF00】 蓝色：【0000FF】 黄色：【FFFF00】
不同的分辨率扫描同一张照片
A:200dpi
B:50dpi
图像B放大四倍
图像深度与色彩类型
图像深度是指位图中用于记录每个像素点 数据（颜色）所占的位数（bit），它决定 了彩色图像中可出现的最多颜色数，或者 灰度图像中的最大灰度等级数。 图像深度与色彩的映射关系主要有：真彩 色、伪彩色和调配色。 通过RGB空间讨论
数有关 如：相同强度的不同色光亮度感不同
数字媒体基础 | 第五章 色彩与图像
同一物体因受光不同将产生明度变化
相同强度的不同色光亮度感不同
亮度与明度
灰度：从黑到白之间等间隔的亮度层次
对比度：最大亮度与最小亮度之比。 案例：不同对比度的效果
海滨，对比度低
海滨，对比度高
酒家，对比度低
酒家，对比度高
伪彩色映射示意图
像素单元 1 20 2 256 3 1 CLUT 表 1 2 ...... 20 21 ...... 色调（色谱） 1 2 3 ...... xyz-1 xyz Fx
...... ...... n xxx n+1
......
xxx-1
xxx ...... xyz
xyz+1
...... 255K 256K
压缩质量 压缩因子 8 压缩比 效果
Maximum
1：3－1：8 优秀。难以与原图像相区 别，足以满足绝大多数应 用。
1：7－1：12 1：9－1：14
Medium
3 0
中等。有一定的压缩痕迹， 但可以满足多数应用。 低。压缩痕迹严重，但还 可以满足一些应用。
Low
霍夫曼编码
定长码：
采用相同的位数（bit）对数据进行编码。 如：GB， ASCII码
霍夫曼编码（不定长编码）：
对经常出现的数据指定较少的位数表示，而不常出现 的数据指定较多的位数表示的方法。 如：26个字母中使用频率高（e: 13％ ）的码字短； 频率低（z: 0.08%）的码字长。
图像文件结构
文 件 头
软件版本号 图像分辨率 图像尺寸 图像深度 色彩类型 编码方式 压缩算法
驼队
沙漠驼队
峡谷riftcanyon
银杏
thetismoon
交响曲symphony
水中森林
月光下的海
亮度与明度
光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉， 是指色彩明暗深浅的程度，也可称为色阶。 1.物体呈现的色彩与该物体反射光的强度有关 如：同一物体因受光不同将产生明度变化
2．明度或亮度感还与人类视觉系统的视敏函