彩色数字图像基础课件

2019/4/20,1,第5章 彩色数字图像基础,2019/4/20,2,图像数据压缩主要根据的两个基本事实 ： 对于图像数据中许多重复数据，使用数学方法来表示可以减少数据量，可应用于无损压缩； 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，可应用于有损压缩。 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。,2019/4/20,3,5.1 视角系统对颜色的感知,人的视觉系统对颜色的感知的几个特性： 人的视网膜(human retina)通过神经元来感知外部世界的颜色，每个神经元或者是一个对颜色敏感的锥体(cone)，。 红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的光的感知程度不同，对不同亮度的感知程度也不同，如图5-01所示。这就意味着，人们可以使用数字图像处理技术来降低数据率而不使人感到图像质量明显下降。 自然界中的任何一种颜色都可以由R，G，B这3种颜色值之和来确定，它们构成一个3维的RGB矢量空间。这就是说，R，G，B的数值不同混合得到的颜色就不同，也就是光波的波长不同。自然界中的任何一种颜色都可以由R，G，B这3种颜色值之和来确定，它们构成一个3维的RGB矢量空间。这就是说，R，G，B的数值不同混合得到的颜色就不同，也就是光波的波长不同，如图5-02表示 。,2019/4/20,4,图5-02 产生波长不同的光所需要的三基色值1,图5-02表示,使用基色波长为700 nm(红色)、546.1 nm(绿色)和435.8 nm(蓝色)时，在可见光范围里，相加混色产生某一波长的光波所需要的三种基色的数值。,2019/4/20,5,5.2 图像的颜色模型,5.2.1 显示彩色图像用RGB相加混色模型 阴极射线管(cathode ray tube，CRT) CRT使用3个电子枪分别产生红(Red)、绿(Green)和蓝(Blue)三种波长的光，并以各种不同的相对强度综合起来产生颜色，如图5-03所示。组合这三种光波以产生特定颜色称为相加混色，称为RGB相加模型 LED？ 平板显示器？,2019/4/20,6,图5-03 彩色显象管产生颜色的原理,2019/4/20,7,某种颜色和这三种颜色之间的关系可用下面式子来描述： 颜色R(红色百分比)G(绿色百分比)B(蓝色百分比),图5-04 相加混色,三基色等量相加时，得到白色； 等量的红绿相加而蓝为0值时得到黄色； 等量的红蓝相加而绿为0时得到品红色； 等量的绿蓝相加而红为0时得到青色。,2019/4/20,8,图5-05 一幅图像由许多像素组成,图像中的单个点称为像素(pixel)，每个像素都有一个值，称为像素值，它表示特定颜色的强度。 一个像素值往往用R，G，B三个分量表示。,2019/4/20,9,表5-01相加色,如果每个像素的每个颜色分量用二进制的1位来表示，那末每个颜色的分量只有“1”和“0”这两个值。这也就是说，每种颜色的强度是100%，或者是0%。在这种情况下，每个像素所显示的颜色是8种可能出现的颜色之一，如表5-01所示。,2019/4/20,10,5.2.2 打印彩色图像用CMY相减混色模型 相减色 : 用彩色墨水或颜料进行混合得到的颜色 ; 在理论上说，任何一种颜色都可以用三种基本颜料按一定比例混合得到。这三种颜色是青色(Cyan)、品红(Magenta)和黄色(Yellow)，通常写成CMY，称为CMY模型。 之所以称为相减色，乃是因为它减少了为视觉系统识别颜色所需要的反射光。,2019/4/20,11,图5-06 相减混色,当三基色等量相减时得到黑色； 等量黄色(Y)和品红(M)相减而青色(C)为0时，得到红色(R)； 等量青色(C)和品红(M)相减而黄色(Y)为0时，得到蓝色(B)； 等量黄色(Y)和青色(C)相减而品红(M)为0时，得到绿色(G)。,2019/4/20,12,表5-03 相减色,按每个像素每种颜色用1位表示，相减法产生的8种颜色如表5-03所示,2019/4/20,13,表5-04 相加色与相减色的关系,例如，当RGB为111时，在相加混色中产生白色，而CMY为111时，在相减混色中产生黑色。从另一个角度也可以看它们的互补性。从表5-04中可以看到，在RGB中的颜色为1的地方，在CMY对应的位置上，其颜色值为0。例如RGB为010时，对应CMY为101。,2019/4/20,14,图5-07 RGB彩色空间和CMY彩色空间的表示法,2019/4/20,15,5.3 图像的三个基本属性,5.3.1 分辨率 1. 显示分辨率 指显示屏上能够显示出的像素数目 分辨率越高，显示的图像质量也就越高 常用点距来衡量一个显示屏的分辨率 点距(dot pitch ):显像管玻璃面上的孔眼之间的距离; 2. 图像分辨率 组成一幅图像的像素密度的度量方法. 在用扫描仪扫描彩色图像时，图像的分辨率用每英寸多少点(dots per inch，DIP)表示 ;,2019/4/20,16,3.两个不同的概念 图像分辨率是确定组成一幅图像的像素数目 显示分辨率是确定显示图像的区域大小。 5.3.2 像素深度 1.概念： 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； 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； 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 ； 2.不一定要追求特别深的像素深度 设备的限制； 人眼分辨率的限制 ；,2019/4/20,17,3.属性(Attribute)位 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 ; 用来指定该像素应具有的性质。 透明(Transparency)位，记为T。 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。 4. 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位常称为通道(alpha channel)位，或称为复盖(overlay)位、中断位、属性位。 视图混合(video keying)技术，它也采用通道,2019/4/20,18,5.3.3 真彩色、伪彩色与直接色 1. 真彩色(true color) 概念： 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 ; 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 可生成的颜色数就是224 16 777 216种，而人的眼睛是很难分辨出这么多种颜色的 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215 = 32K 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,2019/4/20,19,2. 伪彩色(pseudo color) 含义： 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强度值，用查找出的R，G，B强度值产生的彩色 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。,2019/4/20,20,图5-08 真彩色和伪彩色图像之间的差别,2019/4/20,21,3. 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; 特点是对每个基色进行变换 ; 与真彩色系统相比： 相同之处： 都采用R，G，B分量决定基色强度； 不同之处: 真彩色的基色强度直接用R，G，B决定 直接色的基色强度由R，G，B经变换后决定。 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。,2019/4/20,22,直接色与伪彩色系统相比: 相同之处是都采用查找表; 不同之处: 直接色对R，G，B分量分别进行变换; 伪彩色把整个像素当作查找表的索引值进行彩色变换 ;,2019/4/20,23,5.4 图像的种类,5.4.1 矢量图与点位图 矢量图(vector based image)法： 用一系列计算机指令来表示一幅图; 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),2019/4/20,24,矢量图优点: 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； 矢量图缺陷： 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)，很难用数学来描述，因而就不用矢量法表示,2019/4/20,25,点位图(bit mapped image)法 把一幅彩色图分成许多的像素，每个像素用若干个二进制位来指定该像素的颜色、亮度和属性。 画点位图，或者编辑点位图，使用的软件称为画图程序(paint programs)。 点位图的获取通常用扫描仪，以及摄像机、录相机、激光视盘与视频信号数字化卡一类设备，通过这些设备把模拟的图像信号变成数字图像数据 ；,2019/4/20,26,矢量图与点位图之比较： 矢量图 ： 侧重于“绘制”、去创造； 文件的大小则主要取决图的复杂程度 ； 点位图： 偏重于“获取”、去“复制”； 影响文件大小的因素主要有：图像分辨率和像素深度； 显示点位图文件比显示矢量图文件要快； 矢量图和点位图之间可以用软件进行转换： 由矢量图转换成点位图采用光栅化(rasterizing)技术，这种转换也相对容易； 由点位图转换成矢量图用跟踪(tracing)技术，这种技术在理论上说是容易，但在实际中很难实现，对复杂的彩色图像尤其如此 。,2019/4/20,27,5.5.2 灰度图与彩色图 灰度图(gray-scale image)： 按照灰度等级的数目来划分。 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0255之间的任何一个值 单色图像(monochrome image)： 只有黑白两中颜色，图中的每个像素的像素值用1位存储，它的值只有“0”或者“1”。,2019/4/20,28,图5-09 标准单色图,图5-10 标准灰度图,2019/4/20,29,彩色图像(color image) 按照颜色的数目来划分，例如256色图像和真彩色(22416 777 216种颜色)等 。 alpha通道： 如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； 用来表示该像素如何产生特技效果。,2019/4/20,30,图5-7 256色标准图像转换成的灰度图,256色标准图像转换成的256级灰度图像，彩色图像的每个像素的R、G和B值用一个字节来表示,2019/4/20,31,图5-8 24位标准图像转换成的灰度图,真彩色图像转换成的256级灰度图像，每个像素的R，G，B分量分别用一个字节表示,2019/4/20,32,5.5 伽马()校正