图像基本原理

直接色(direct 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R，G，B强度值产生的彩色称为直接色。它的ຫໍສະໝຸດ Baidu点是对每 个基色进行变换。 用这种系统产生颜色与真彩色系统相比，相同之处是都采用R， G，B分量决定基色强度，不同之处是前者的基色强度直接用R， G，B决定，而后者的基色强度由R，G，B经变换后决定。因而 这两种系统产生的颜色就有差别。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，相同之处是都采用查找表，不同之 处是前者对R，G，B分量分别进行变换，后者是把整个像素当作 查找表的索引值进行彩色变换。
真彩色、伪彩色与直接色
• 搞清真彩色、伪彩色与直接色的含义，对于编写图像显示程序、 理解图像文件的存储格式有直接的指导意义，也不会对出现诸如 这样的现象感到困惑：本来是用真彩色表示的图像，但在VGA 显示器上显示的图像颜色却不是原来图像的颜色。
真彩色(true 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。 例如用RGB 5∶5∶5表示的彩色图像，R，G，B各用5位，用R，G，B分量大 小的值直接确定三个基色的强度，这样得到的彩色是真实的原图彩色。 如果用RGB 8:8:8方式表示一幅彩色图像，就是R，G，B都用8位来表示，每 个基色分量占一个字节，共3个字节，每个像素的颜色就是由这3个字节中的 数值直接决定，可生成的颜色数就是2^24 ＝16,777,216种。用3个字节表示的 真彩色图像所需要的存储空间很大，而人的眼睛是很难分辨出这么多种颜色 的，因此在许多场合往往用RGB 5:5:5来表示，每个彩色分量占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2^15 = 32K。 在许多场合，真彩色图通常是指RGB 8:8:8，即图像的颜色数等于2^24，也常 称为全彩色(full color)图像。但在显示器上显示的颜色就不一定是真彩色，要 得到真彩色图像需要有真彩色显示适配器，目前在PC上用的VGA适配器是很 难得到真彩色图像的。
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。如果用300 DPI来扫描一幅 8″×10″的彩色图像，就得到一幅2400×3000个像素的图像。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。 这里顺便说一下，在显示一幅图像时，有可能会出现图像的宽高 比(aspect radio)与显示屏上显示出的图像的宽高比不一致这种现 象。这是由于显示设备中定义的宽高比与图像的宽高比不一致造 成的。例如一幅200×200像素的方形图，有可能在显示设备上显 示的图不再是方形图，而变成了矩形图。这种现象在20世纪80年 代的显示设备上经常遇到
图像的种类
• 矢量图与点位图 • 在计算机中，表达图像和计算机生成的图形图像有两种常用的方 法：一种叫做是矢量图(vector based image)法，另一种叫点位图 (bit mapped image)法。虽然这两种生成图的方法不同，但在显示 器上显示的结果几乎没有什么差别。 矢量图是用一系列计算机指令来表示一幅图，如画点、画线、画 曲线、画圆、画矩形等。这种方法实际上是数学方法来描述一幅 图，然后变成许多的数学表达式，再编程，用语言来表达。在计 算显示图时，也往往能看到画图的过程。绘制和显示这种图的软 件通常称为绘图程序(draw programs)。 矢量图有许多优点。例如，当需要管理每一小块图像时，矢量图 法非常有效；目标图像的移动、缩小放大、旋转、拷贝、属性的 改变(如线条变宽变细、颜色的改变)也很容易做到；相同的或类 似的图可以把它们当作图的构造块，并把它们存到图库中，这样 不仅可以加速画的生成，而且可以减小矢量图文件的大小。 然而，当图变得很复杂时，计算机就要花费很长的时间去执行绘 图指令。此外，对于一幅复杂的彩色照片(例如一幅真实世界的 彩照)，恐怕就很难用数学来描述，因而就不用矢量法表示，而 是采用点位图法表示。
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2^24=16,777,216种颜色中的一种。在这个意义上，往往把像 素深度说成是图像深度。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。 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，加上人眼 分辨率的限制，一般情况下，不一定要追求特别深的像素深度。 此外，像素深度越深，所占用的存储空间越大。相反，如果像素 深度太浅，那也影响图像的质量，图像看起来让人觉得很粗糙和 很不自然。
像素深度
• 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。 属性位用来指定该像素应具有的性质。例如在CD-I系统中，用RGB 5∶5∶5 表示的像素共16位，其最高位(b15)用作属性位，并把它称为透明 (Transparency)位，记为T。T的含义可以这样来理解：假如显示屏上已经有一 幅图存在，当这幅图或者这幅图的一部分要重叠在上面时，T位就用来控制原 图是否能看得见。例如定义T=1，原图完全看不见；T=0，原图能完全看见。 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(alpha channel) (alpha channel)位，或称为复盖(overlay)位、中断位或属性位。它的用法可 (overlay) 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。 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。
解析度和每英吋的线数
• 每个进行输入或输出影像的设备(打印机、扫瞄器、显示器)都有一个特定的解 析度。 • 专业的打印机和扫瞄器拥有最高的解析度，通常是以dpi (每英吋的点)或是ppi (每英吋的象素)表示，意思是指每一线性英吋中可以容纳的点(或象素)。 • 电脑显示器的解析度大约为 72 dpi，打印机是从150 到1440 dpi (高解析度机 种)，而扫瞄器的解析度是300dpi或更高。 • Postscript的打印机使用一种解析度衡量方式，称为每英吋线数(lpi)，意思是指 每一英吋中可以画入的线条数量。这种方式的影用是基于要把半色调影像， 例如相片，分解成点(或象素)。在过去，这种半色调的显示是由不同宽度的直 线构成。在近年，转变成以格子的方式来呈现，因此可以把影像分裂成点， 每英吋线数的方式也就不适用了。报纸有 60 lpi的解析度，而杂志有133-175 lpi的解析度。高品质的印刷原料可能会超过 200 lpi。 • 20 dpi解析度 72 dpi解析度 160 dpi 解析度
伪彩色(pseudo 伪彩色(pseudo color)
• 伪彩色图像的含义是，每个像素的颜色不是由每个基色分量的数 值直接决定，而是把像素值当作彩色查找表(color look-up table， CLUT)的表项入口地址，去查找一个显示图像时使用的R，G，B 值，用查找出的R，G，B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。例如16种颜色的查找表，0号索引对应黑色，... ，15号索 引对应白色。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 95/98定义的变换关 系，也可以使用你自己定义的变换关系。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，它没有完全反映 原图的彩色。
图像基本原理
杨万钧 2007-05-21
图像的三个基本属性
• 描述一幅图像需要使用图像的属性。图像的属性 包含分辨率、像素深度、真/伪彩色、图像的表 示法和种类等。
分辨率
• 我们经常遇到的分辨率有两种：显示分辨率和图 像分辨率。
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。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。除象手提 式那样的计算机用液晶显示LCD (liquid crystal display)外，一般 都采用CRT显示，它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。 计算机用的CRT和家用电视机用的CRT之间的主要差别是显像管 玻璃面上的孔眼掩模和所涂的荧光物不同。孔眼之间的距离称为 点距(dot pitch)。因此常用点距来衡量一个显示屏的分辨率。电 视机用的CRT的平均分辨率为0.76 mm，而标准SVGA显示器的 分辨率为0.28 mm。孔眼越小，分辨率就越高，这就需要更小更 精细的荧光点。这也就是为什么同样尺寸的计算机显示器比电视 机的价格贵得多的原因。 早期用的计算机显示器的分辨率是0.41 mm，随着技术的进步， 分辨率由0.41→0.38→0.35→0.31→0.28一直到0.26 mm以下。显 示器的价格主要集中体现在分辨率上，因此在购买显示器时应在 价格和性能上综合考虑。
采样和量化
• 数码化影像的第一步是采样。影像的密度是由 固定的增加比例来分配。增加的比例应由影像 的最终目的决定。例如应用在网路上的影像就 可以比较粗糙些，但是商业印刷用途的影像就 必须拥有精致的品质。您可以将精细的影像转 变成较为粗糙的影像，但是您却无法将粗糙的 影像转为高品质的影像。但是您需要知道一点， 就是当您的影像品质越好时，它的档案就会越 大，也就需要更多的电脑资源来运作。 • 将采样影像转换为数值的过程我们称之为量化。 例如，白色是转换为"1" 和黑色则转换为 "0"。
可由电脑处理的影像
• 影像在进行电脑化处理以前，一定要先利 用采样与量化的方式进行所谓的数码化过 程(将影像转换成0与1的电子信号)。构成数 位影像的最小单位我们称它为象素(影像物 件)，所以影像就是象素的组合。 • 另外一种电脑图形的形式称为矢量图形， 它是利用数学公式的方式来呈现影像。当 您将向量影像传送到显示器或是打印机时， 它们会根据输出影像的尺寸而转换成象素。