ch5彩色數(shù)字圖像基礎(chǔ)

1、多媒體技術(shù)彩色數(shù)字圖像基礎(chǔ)多媒體技術(shù),2006年主要內(nèi)容視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色的感知圖像的顏色模型圖像的基本屬性圖像的分類(lèi)伽馬()校正常用圖像文件格式多媒體技術(shù),2006年視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色的感知可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍為380nm780nm，大多數(shù)自然光都是由不同波長(zhǎng)的光組合而成。眼睛本質(zhì)上是一個(gè)照相機(jī)。人的視網(wǎng)膜(human retina)通過(guò)神經(jīng)元來(lái)感知外部世界的顏色，每個(gè)神經(jīng)元或者是一個(gè)對(duì)顏色敏感的錐體(cone)，或者是一個(gè)對(duì)顏色不敏感的桿狀體(rod)。人的視網(wǎng)膜有對(duì)紅、綠、藍(lán)顏色敏感程度不同的三種錐體細(xì)胞，另外還有一種在光功率極端低的條件下才起作用的桿狀體細(xì)胞，因此顏色只存在于眼睛和大腦中。顏色是視

2、覺(jué)系統(tǒng)對(duì)可見(jiàn)光的感知結(jié)果。紅、綠和藍(lán)三種錐體細(xì)胞對(duì)不同頻率的光的感知程度不同，對(duì)不同亮度的感知程度也不同，因此不同組成成分的可見(jiàn)光就呈現(xiàn)出不同的顏色多媒體技術(shù),2006年視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色的感知視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色和亮度的響應(yīng)特性曲線（各個(gè)波長(zhǎng)的光的強(qiáng)度相等）多媒體技術(shù),2006年視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色的感知上面的顏色響應(yīng)曲線表明，人類(lèi)眼睛對(duì)藍(lán)光的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)紅光和綠光的靈敏度。亮度響應(yīng)曲線表明人眼對(duì)波長(zhǎng)為550nm左右的黃綠色最為敏感。多媒體技術(shù),2006年視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色的感知許多具有不同光譜分布的光產(chǎn)生的視覺(jué)效果（顏色）是一樣的。即光譜與顏色的對(duì)應(yīng)是多對(duì)一的。光譜分布不同而看上去相同的兩種顏色稱(chēng)為條件等

3、色（匹配等色）。絕大部分可見(jiàn)光譜對(duì)眼睛的刺激效果都可以用紅（700nm）、綠（546.1）、藍(lán)（435.8nm）三色光按不同比例和強(qiáng)度的混合來(lái)等效表示。（三刺激理論）多媒體技術(shù),2006年視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色的感知匹配任意可見(jiàn)光所需的三原色光比例曲線多媒體技術(shù),2006年視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色的感知視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色的感知從人的主觀感覺(jué)角度，顏色包含三個(gè)要素：1、色調(diào)（hue）：色調(diào)反映顏色的類(lèi)別，如紅色、綠色、藍(lán)色等。色調(diào)大致對(duì)應(yīng)光譜分布中的主波長(zhǎng)。視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色的感知2、飽和度（Saturation） 飽和度是指彩色光所呈現(xiàn)顏色的深淺或純潔程度。對(duì)于同一色調(diào)的彩色光，其飽和度越高，顏色就越深，或越純；而飽和

4、度越小，顏色就越淺，或純度越低。高飽和度的彩色光可因摻入白光而降低純度或變淺，變成低飽和度的色光。100%飽和度的色光就代表完全沒(méi)有混入白光的純色光。視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色的感知3、明亮度（luminance） 明亮度是光作用于人眼時(shí)引起的明亮程度的感覺(jué)。一般來(lái)說(shuō)，彩色光能量大則顯得亮，反之則暗。 大量試驗(yàn)表明，人的眼睛能分辨128種不同的色調(diào)，1030種不同的飽和度，而對(duì)亮度非常敏感。人眼大約可以分辨35萬(wàn)種顏色。顏色模型顏色模型（color model）是用來(lái)精確標(biāo)定和生成各種顏色的一套規(guī)則和定義。某種顏色模型所標(biāo)定的所有顏色就構(gòu)成了一個(gè)顏色空間。顏色空間通常用三維模型表示，空間中的顏色通常使用代

5、表三個(gè)參數(shù)的三維坐標(biāo)來(lái)指定對(duì)于人來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)色調(diào)、飽和度和亮度來(lái)定義顏色（HSL顏色模型）；對(duì)于顯示設(shè)備來(lái)說(shuō)，可以用紅、綠、藍(lán)磷光體的發(fā)光量來(lái)描述顏色（RGB顏色模型）；對(duì)于打印設(shè)備來(lái)說(shuō)，可以使用青色、品紅、黃色和黑色顏料的用量來(lái)指定顏色（CMYK顏色模型）。 理論上絕大部分可見(jiàn)光譜都可用紅、綠和藍(lán) (RGB) 三色光按不同比例和強(qiáng)度的混合來(lái)表示。顏色CR(紅色的百分比)G(綠色的百分比) B(藍(lán)色的百分比) RGB模型稱(chēng)為相加混色模型，用于光照、視頻和顯示器。例如，顯示器通過(guò)紅、綠和藍(lán)熒光粉發(fā)射光線產(chǎn)生彩色。RGB顏色模型CMYK顏色模型在理論上，絕大多數(shù)顏色都可以用三種基本顏料（青色cy

6、an、品紅magenta、和黃色yellow）按一定比例混合得到。理論上，青色、品紅和黃色三種基本色素等量混合能得到黑色。但實(shí)際上，因?yàn)樗写蛴∮湍紩?huì)包含一些雜質(zhì)，這三種油墨混合實(shí)際上產(chǎn)生一種土灰色，必須與黑色 (K) 油墨混合才能產(chǎn)生真正的黑色，所以再加入黑色作為基本色形成CMYK顏色模型。CMYK模型稱(chēng)為相減混色模型。相加色與相減色的關(guān)系RGB模型到CMYK模型的轉(zhuǎn)換分色算法（F代表白色）顏色模型的空間表示RGB彩色空間和CMY彩色空間的表示法HSL顏色模型在HSL模型中，H定義色調(diào)；S定義顏色的深淺程度或飽和度；L定義亮度。RGB模型和CMYK模型主要是面向設(shè)備的，而HSL模型更容易被

7、人理解和控制。顏色的輸入圖像的分類(lèi)矢量圖與點(diǎn)位圖 矢量圖是用一系列計(jì)算機(jī)指令來(lái)表示一幅圖，如畫(huà)點(diǎn)、畫(huà)線、畫(huà)曲線、畫(huà)圓、畫(huà)矩形等。這種方法實(shí)際上是用數(shù)學(xué)方法來(lái)描述一幅圖。 矢量圖的優(yōu)點(diǎn)是：（1）縮放、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)時(shí)圖像不會(huì)失真。（2）存儲(chǔ)和傳輸時(shí)數(shù)據(jù)量較小。 矢量圖的缺點(diǎn)是：（1）圖像顯示時(shí)花費(fèi)時(shí)間比較長(zhǎng)。（2）真實(shí)世界的彩色圖像難以轉(zhuǎn)化為矢量圖。圖像的分類(lèi)矢量圖與點(diǎn)位圖 點(diǎn)位圖是將一副圖像在空間上離散化，即將圖像分成許許多多的像素，每個(gè)象素用若干個(gè)二進(jìn)制位來(lái)指定該像素的顏色或灰度值。 點(diǎn)位圖的優(yōu)點(diǎn)是：（1）顯示速度快。（2）真實(shí)世界的圖像可以通過(guò)掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)等設(shè)備方便的轉(zhuǎn)化為點(diǎn)位圖。

8、 點(diǎn)位圖的缺點(diǎn)是： （1）存儲(chǔ)和傳輸時(shí)數(shù)據(jù)量比較大。（2）縮放、旋轉(zhuǎn)時(shí)算法復(fù)雜且容易失真。圖像的分類(lèi)矢量圖點(diǎn)位圖圖像的分類(lèi)灰度圖標(biāo)準(zhǔn)單色圖 標(biāo)準(zhǔn)灰度圖圖像的分類(lèi)彩色圖256色標(biāo)準(zhǔn)圖像 24位標(biāo)準(zhǔn)圖像圖像的基本屬性1、分辨率 顯示分辨率：指顯示屏上能夠顯示出的象素?cái)?shù)目。同樣大小顯示屏能夠顯示的象素越多，說(shuō)明顯示設(shè)備的分辨率越高，顯示的圖像質(zhì)量也就越高。（640480，1024 768） 圖像分辨率：指組成一副圖像的像素的密度，一般用單位長(zhǎng)度上包含像素的個(gè)數(shù)來(lái)衡量。常用單位為DPI（dots per inch），即每英寸多少點(diǎn)。圖像的基本屬性2、像素深度 像素深度是指存儲(chǔ)每個(gè)像素所用的位數(shù)。像素深

9、度決定彩色圖像每個(gè)像素可能有的顏色數(shù)，或者確定灰度圖像每個(gè)像素可能有的灰度級(jí)數(shù)。3、調(diào)色板 一個(gè)彩色圖像假如只包含24位真彩色空間中的16個(gè)離散的點(diǎn)（16色圖），則可以建立一個(gè)顏色查找表，表中的每一行記錄一組RGB值，實(shí)際像素的值用來(lái)指定該點(diǎn)顏色在查找表中的索引值，這樣就可以大大縮小存儲(chǔ)量。這個(gè)顏色查找表就叫做調(diào)色板。圖像的基本屬性4、真彩色、偽彩色與直接色 真彩色：真彩色是指在組成一幅彩色圖像的每個(gè)像素值中，有R，G，B三個(gè)基色分量，每個(gè)基色分量直接決定顯示設(shè)備的基色強(qiáng)度，這樣產(chǎn)生的彩色稱(chēng)為真彩色。 偽彩色：每個(gè)像素的顏色不是由每個(gè)基色分量的數(shù)值直接決定，而是把像素值當(dāng)作彩色查找表(調(diào)色板)

10、的表項(xiàng)入口地址，去查找一個(gè)顯示圖像時(shí)使用的R，G，B強(qiáng)度值，用查找出的R，G，B強(qiáng)度值產(chǎn)生的彩色稱(chēng)為偽彩色。 直接色：每個(gè)像素值分成R，G，B分量，每個(gè)分量作為單獨(dú)的索引值對(duì)它做變換。也就是通過(guò)相應(yīng)的彩色變換表找出基色強(qiáng)度，用變換后得到的R，G，B強(qiáng)度值產(chǎn)生的彩色稱(chēng)為直接色。伽馬()校正一個(gè)圖像系統(tǒng)中一般包含輸入設(shè)備（掃描儀、攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)）、存儲(chǔ)設(shè)備（膠片、磁盤(pán)）和輸出設(shè)備三大模塊。各種涉及到光電轉(zhuǎn)換的設(shè)備的輸入輸出特性曲線一般是非線性的，且表現(xiàn)為冪函數(shù)的形式： yxn 輸出(輸入) （按照慣例，“輸入”和“輸出”都縮放到01之間）。所以整個(gè)圖像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是一個(gè)冪函數(shù)。 12n一個(gè)圖像

11、系統(tǒng)追求的目標(biāo)：真實(shí)的再現(xiàn)原始場(chǎng)景。伽馬()校正為了真實(shí)地再現(xiàn)原始場(chǎng)景，如果圖像再現(xiàn)環(huán)境為明亮環(huán)境則必須時(shí)整個(gè)圖像系統(tǒng)的1；如果為暗淡環(huán)境，則必須使整個(gè)系統(tǒng)的1.25；如果為黑暗環(huán)境，則必須使系統(tǒng)的1.5。實(shí)際圖像系統(tǒng)的值并非符合我們要求的值，且是不能隨意改變的。所有要求我們加入一個(gè)中間環(huán)節(jié)來(lái)校正整個(gè)系統(tǒng)的值，即補(bǔ)償系統(tǒng)的非特性曲線，使之接近于應(yīng)用環(huán)境所要求的值。這個(gè)過(guò)程就叫做伽馬（）校正。伽馬()校正Photoshop 中提供的Gamma校正功能 位圖文件(Bitmap-File，BMP)格式是Windows采用的圖像文件存儲(chǔ)格式，在Windows環(huán)境下運(yùn)行的所有圖像處理軟件都支持這種格式。

12、BMP位圖文件默認(rèn)的文件擴(kuò)展名是bmp或者dib。BMP圖像文件格式 BMP文件大體上分為四個(gè)部分：位圖文件頭BITMAP位圖信息頭BITMAPINFOHEADER調(diào)色板Palette實(shí)際的位圖數(shù)據(jù)ImageDataBMP圖像文件格式typedef struct tagBITMAP WORD bfType; /* 說(shuō)明文件的類(lèi)型 */ DWORD bfSize; /* 說(shuō)明文件的大小，用字節(jié)為單位 */ WORD bfReserved1; /* 保留，設(shè)置為0 */ WORD bfReserved2; /* 保留，設(shè)置為0 */ DWORD bfOffBits; /* 說(shuō)明從BITMAP結(jié)構(gòu)

13、開(kāi)始到實(shí)際的圖像數(shù)據(jù)之間的字 節(jié) 偏移量 */ BITMAP;BMP圖像文件格式typedef struct tagBITMAPINFOHEADER DWORD biSize; /* 說(shuō)明結(jié)構(gòu)體所需字節(jié)數(shù) */ LONG biWidth; /* 以像素為單位說(shuō)明圖像的寬度 */ LONG biHeight; /* 以像素為單位說(shuō)明圖像的高速 */ WORD biPlanes; /* 說(shuō)明位面數(shù)，必須為1 */ WORD biBitCount; /* 說(shuō)明位數(shù)/像素，1、2、4、8、24 */ DWORD biCompression; /* 說(shuō)明圖像是否壓縮及壓縮類(lèi)型 */ DWORD biSi

14、zeImage; /* 以字節(jié)為單位說(shuō)明圖像大小 */ LONG biXPelsPerMeter; /* 說(shuō)明水平分辨率，像素/米 */ LONG biYPelsPerMeter; /* 說(shuō)明垂直分辨率，像素/米 */ DWORD biClrUsed; /* 說(shuō)明圖像實(shí)際用到的顏色數(shù)，如果為0 則顏色數(shù)為2的biBitCount次方 */ DWORD biClrImportant; /*說(shuō)明對(duì)圖像顯示有重要影響的顏色 索引的數(shù)目，如果是0，表示都重要。*/ BITMAPINFOHEADER;BMP圖像文件格式 調(diào)色板實(shí)際上是一個(gè)數(shù)組，它所包含的元素與位圖所具有的顏色數(shù)相同，決定于biClrUs

15、ed和biBitCount字段。數(shù)組中每個(gè)元素的類(lèi)型是一個(gè)RGBQUAD結(jié)構(gòu)。typedef struct tagRGBQUAD BYTE rgbBlue; /*指定藍(lán)色分量*/ BYTE rgbGreen; /*指定綠色分量*/ BYTE rgbRed; /*指定紅色分量*/ BYTE rgbReserved; /*保留，指定為0*/ RGBQUAD;BMP圖像文件格式 緊跟在彩色表之后的是圖像數(shù)據(jù)字節(jié)陣列。圖像的每一掃描行由表示圖像像素的連續(xù)的字節(jié)組成，每一行的字節(jié)數(shù)取決于圖像的顏色數(shù)目和用像素表示的圖像寬度。掃描行是由底向上存儲(chǔ)的，這就是說(shuō)，陣列中的第一個(gè)字節(jié)表示位圖左下角的像素，而最后

16、一個(gè)字節(jié)表示位圖右上角的像素。 GIF（Graphics Interchange Format）格式由CompuServe公司于87年開(kāi)發(fā)，版本號(hào)GIF87a，89年擴(kuò)充后版本號(hào)為GIF89a。 GIF圖像文件以塊(block)為單位存儲(chǔ)信息。一個(gè)GIF文件由表示圖形/圖像的數(shù)據(jù)塊、數(shù)據(jù)子塊以及顯示圖形/圖像的控制信息塊組成，稱(chēng)為GIF數(shù)據(jù)流(Data Stream)。數(shù)據(jù)流中的所有控制信息塊和數(shù)據(jù)塊都必須在文件頭(Header)和文件結(jié)束塊(Trailer)之間。GIF圖像文件格式GIF圖像文件格式GIF圖像文件格式GIF文件采用了LZW無(wú)損壓縮算法來(lái)存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)。GIF文件允許設(shè)置背景的透

17、明屬性。GIF文件格式可在一個(gè)文件中存放多幅彩色圖像并且制作出幻燈片或者動(dòng)畫(huà)效果。GIF文件支持圖像數(shù)據(jù)的交叉存儲(chǔ)方式，這樣一個(gè)大的圖像可以逐步顯示，讓用戶首先看到圖像概貌，然后逐步清晰。GIF文件定義的圖像中可以加入文本。GIF文件格式的特點(diǎn)：算法概要 JPEG(Joint Photographic Experts Group) 是一個(gè)由 ISO和CCITT兩個(gè)組織機(jī)構(gòu)聯(lián)合組成的一個(gè)圖像專(zhuān)家小組，負(fù)責(zé)制定靜態(tài)的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)專(zhuān)家組開(kāi)發(fā)的算法稱(chēng)為JPEG算法，并且成為國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)。JPEG是一個(gè)適用范圍很廣的靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)，既可用于灰度圖像又可用于彩色圖像。JPEG不

18、僅適于靜止圖像的壓縮，電視圖像的幀內(nèi)圖像的壓縮編碼，也常采用此算法。JPEG標(biāo)準(zhǔn)還可以大范圍地調(diào)節(jié)圖像壓縮率及其保真度。 標(biāo)準(zhǔn)主要采用了兩種基本的壓縮算法，一種是采用以離散余弦變換(DCT)為基礎(chǔ)的有損壓縮算法，另一種是采用以預(yù)測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的DPCM無(wú)損壓縮算法。JPEG編碼標(biāo)準(zhǔn)JPEG編碼標(biāo)準(zhǔn)基于DPCM的無(wú)損編碼模式：壓縮比可以達(dá)到2:1?；贒CT的有損順序編碼模式：壓縮比可以達(dá)到10:1以上?；贒CT的遞增編碼模式基于DCT的分層編碼模式JPEG規(guī)定了4種運(yùn)行模式，以滿足不同需要：JPEG有損順序編碼算法的主要計(jì)算步驟如下：1. 將源圖像分成幾個(gè)顏色平面（分量圖像）。2. 分成88數(shù)

19、據(jù)塊進(jìn)行正向離散余弦變換(FDCT)。 2. 量化(quantization)。 3. Z字形排列量化結(jié)果(zigzag scan)。 4. 使用差分脈沖編碼調(diào)制(differential pulse code modulation，DPCM)對(duì)直流系數(shù)(DC)進(jìn)行編碼。 5. 使用行程長(zhǎng)度編碼(run-length encoding，RLE)對(duì) 交流系數(shù)(AC)進(jìn)行編碼。 6. 熵編碼(entropy coding)。JPEG編碼標(biāo)準(zhǔn)JPEG編碼標(biāo)準(zhǔn)譯碼或者叫做解壓縮的過(guò)程與壓縮編碼過(guò)程正好相反。IDCTJPEG編碼標(biāo)準(zhǔn)正向離散余弦變換 對(duì)每個(gè)單獨(dú)的彩色圖像分量，把整個(gè)分量圖像分成88的圖像

20、塊，如圖所示，并作為兩維離散余弦變換DCT的輸入。通過(guò)DCT變換，把能量集中在少數(shù)幾個(gè)系數(shù)上。DCT變換使用下式計(jì)算逆變換使用下式計(jì)算JPEG編碼標(biāo)準(zhǔn)量化 對(duì)于有損壓縮算法，JPEG算法使用如圖所示的均勻量化器進(jìn)行量化，量化步距是按照系數(shù)所在的位置和每種顏色分量的色調(diào)值來(lái)確定。 JPEG編碼標(biāo)準(zhǔn)量化 因?yàn)槿搜蹖?duì)亮度信號(hào)比對(duì)色差信號(hào)更敏感，因此使用了兩種量化表：亮度量化值和色差量化值。此外，由于人眼對(duì)低頻分量的圖像比對(duì)高頻分量的圖像更敏感，因此圖中的左上角的量化步距要比右下角的量化步距小。JPEG編碼標(biāo)準(zhǔn)DC系數(shù)DPCM編碼和AC系數(shù)Z形排列之后采用RLE編碼JPEG編碼標(biāo)準(zhǔn)熵編碼 使用熵編碼還可以對(duì)DPCM編碼后的直流DC系數(shù)和RLE編碼后的交流AC系數(shù)作進(jìn)一步的壓縮。 JPEG標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩種熵編碼算法：哈夫曼編碼和自適應(yīng)算術(shù)編碼。哈夫曼編碼采用的一般是固定的哈夫曼編碼表，而不是臨時(shí)統(tǒng)計(jì)出來(lái)的，并且對(duì)亮度分量和色度分量采用了不同的哈夫曼表。JPEG編碼標(biāo)準(zhǔn)基于DPCM的無(wú)損編碼模式：主要采用了三鄰域二維預(yù)測(cè)編碼和熵編碼。無(wú)失真編碼器源圖像數(shù)據(jù)壓縮的圖像數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)器熵編碼器表說(shuō)明DPCM預(yù)測(cè)編碼框圖JPEG編碼標(biāo)準(zhǔn)JPEG編碼標(biāo)準(zhǔn)基于DCT的遞增編碼模式： 此模式與順序模式編碼步驟基本一致，不同之處在于遞增模式每個(gè)圖像分量的編碼要經(jīng)過(guò)多次掃描才完成。第一次掃描只進(jìn)