多媒體技術基礎(林福宗)-04彩色數(shù)字圖像基礎

第4章彩色數(shù)字圖像基礎

2/3/20231第4章彩色數(shù)字圖像基礎目錄4.1視覺系統(tǒng)對顏色的感知4.2圖像的顏色模型4.2.1顯示彩色圖像用RGB相加混色模型4.2.2打印彩色圖像用CMY相減混色模型4.3圖像的三個基本屬性4.3.1圖像分辨率4.3.2像素深度與阿爾法(α)通道4.3.3真彩色、偽彩色與直接色4.4圖像的種類4.4.1矢量圖與位圖4.4.2灰度圖與彩色圖4.5伽馬(γ)校正4.5.1γ的概念4.5.2γ校正4.6JPEG壓縮編碼4.6.1JPEG算法概要4.6.2JPEG算法的主要計算步驟4.6.3JPEG壓縮和編碼舉例4.7圖像文件格式4.7.1BMP文件格式4.7.2GIF文件格式4.7.3JPEG格式4.7.4PNG格式參考文獻和站點2/3/202324章彩色數(shù)字圖像基礎4.1視覺系統(tǒng)對顏色的感知顏色是什么視覺系統(tǒng)對可見光的感知結(jié)果可見光是波長在380～780nm之間的電磁波，我們看到的大多數(shù)光不是一種波長的光，而是由許多不同波長的光組合成的，因此有多種顏色的感覺顏色只存在于眼睛和大腦人的視網(wǎng)膜有對紅、綠、藍顏色敏感程度不同的三種錐體細胞桿狀體細胞在光功率極低的條件下才起作用在計算機圖像處理中，三種錐體細胞扮演重要角色，桿狀細胞則未扮演什么角色2/3/202334章彩色數(shù)字圖像基礎4.1視覺系統(tǒng)對顏色的感知(續(xù))視覺系統(tǒng)對顏色感知的特性眼睛本質(zhì)上是一個照相機人的視網(wǎng)膜(humanretina)通過神經(jīng)元感知外部世界的顏色，每個神經(jīng)元是一個對顏色敏感的錐體(cone)紅、綠和藍三種錐體細胞對不同頻率的光的感知程度不同，對不同亮度的感知程度也不同這就意味著，人們可以使用數(shù)字圖像處理技術來降低表示圖像的數(shù)據(jù)量而不使人感到圖像質(zhì)量有明顯下降。從理論上說，自然界中的任何一種顏色都可以由R，G，B這三種顏色值之和來確定，它們構成一個三維的RGB矢量空間這就是說，R，G，B的數(shù)值不同，混合得到的顏色就不同，也就是光波的波長不同2/3/202344章彩色數(shù)字圖像基礎4.1視覺系統(tǒng)對顏色的感知(補)——色盲色盲是指缺乏或完全沒有辨別色彩的能力。在人的視網(wǎng)膜上有一種感光細胞——錐細胞，它有紅、綠、藍3種感光色素。每一種感光色素主要對一種原色光產(chǎn)生興奮，而對其余兩種原色光產(chǎn)生程度不等的反應。如果某一種色素缺乏，則會產(chǎn)生對此種顏色的感覺障礙，表現(xiàn)為色盲或色弱（辨色力弱）。2/3/202354章彩色數(shù)字圖像基礎正常缺少L-cone,紅色盲缺少M-cone，綠色盲缺少S-cone，藍黃色盲2/3/202364章彩色數(shù)字圖像基礎色盲測試2/3/202374章彩色數(shù)字圖像基礎4.2圖像的顏色模型顯示彩色圖像用RGB相加混色模型一個能發(fā)出光波的物體稱為有源物體，它的顏色由該物體發(fā)出的光波決定CRT使用3個電子槍分別產(chǎn)生紅(red)、綠(green)和藍(blue)三種波長的光，如圖4-1所示，并以各種不同的相對強度組合產(chǎn)生不同的顏色RGB相加混色模型組合紅、綠和藍光波來產(chǎn)生特定顏色的方法叫做相加混色法(additivecolormixture)，即RGB相加混色模型相加混色是計算機應用中定義顏色的基本方法任何一種顏色都可用三種基本顏色按不同的比例混合得到顏色＝R(紅的百分比)＋G(綠的百分比)＋B(藍的百分比)2/3/202384章彩色數(shù)字圖像基礎4.2圖像的顏色模型(續(xù)1)三種顏色的光強越強，到達我們眼睛的光就越多，它們的比例不同，我們看到的顏色也就不同。沒有光到達眼睛，就是一片漆黑當三基色等量相加時，得到白色；等量的紅綠相加而藍為0時得到黃色；等量的紅藍相加而綠為0時得到品紅色；等量的綠藍相加而紅為0時得到青色。這些三基色相加的結(jié)果如圖4-2所示圖4-1彩色顯像產(chǎn)生顏色的原理圖4-2相加混色2/3/202394章彩色數(shù)字圖像基礎4.2圖像的顏色模型(續(xù)2)彩色圖像一幅彩色圖像可以看成是由許多的點組成的，如圖4-3所示圖像中的單個點稱為像素(pixel)，每個像素都有一個值，稱為像素值，它表示特定顏色的強度一個像素值通常用R，G，B三個分量表示。如果每個像素的每個顏色分量“1”和“0”表示，即每種顏色的強度是100%或0%，每個像素顯示的顏色是8種顏色之一，見表4-1RGB顏色000黑001藍010綠011青100紅101品紅110黃111白表4-1相加色圖4-3一幅圖像由許多像素組成2/3/2023104章彩色數(shù)字圖像基礎4.2圖像的顏色模型(續(xù)3)打印彩色圖像用CMY相減混色模型一個不發(fā)光波的物體稱為無源物體，它的顏色由該物體吸收或者反射哪些光波決定用用彩色墨水或顏料進行混合，繪制的圖畫是一種無源物體，用這種方法生成的顏色稱為相減色CMY相減混色模型用三種基本顏色即青色(cyan)、品紅(magenta)和黃色(yellow)的顏料按一定比例混合得到顏色的方法，通常寫成CMY，稱為CMY模型從理論上說，任何一種顏色都可以用青色(cyan)、品紅(magenta)和黃色(yellow)混合得到用這種方法產(chǎn)生的顏色之所以稱為相減混色，是因為它減少了為視覺系統(tǒng)識別顏色所需要的反射光2/3/2023114章彩色數(shù)字圖像基礎4.2圖像的顏色模型(續(xù)4)在相減混色中,當三基色等量相減時得到黑色；……。三基色相減結(jié)果如圖4-4所示按每個像素每種顏色用1位表示，相減法產(chǎn)生的8種顏色如表4-3所示C(青色)M(品紅)Y(黃色)相減色000白001黃010品紅011紅100青101綠110藍111黑圖4-4相減混色表4-3相減色2/3/2023124章彩色數(shù)字圖像基礎4.2圖像的顏色模型(續(xù)5)相加色與相減色是互補色相加混色和相減混色之間成對出現(xiàn)互補色,見表4-4利用它們之間的關系，可把顯示的顏色轉(zhuǎn)換成打印的顏色在RGB中的顏色值為1的地方，在CMY對應的位置上，其顏色值為0。例如，RGB為0∶1∶0時，對應CMY為1∶0∶1相加混色(RGB)相減混色(CMY)生成的顏色000111黑001110藍010101綠011100青100011紅101010品紅110001黃111000白表4-4相加色與相減色的關系2/3/2023134章彩色數(shù)字圖像基礎Quiz黃品紅青2/3/2023144章彩色數(shù)字圖像基礎4.3圖像的三個基本屬性圖像分辨率(resolution)屏幕分辨率(screenresolution)衡量顯示設備再現(xiàn)圖像時所能達到的精細程度的度量方法。也稱顯示分辨率用“水平像素數(shù)×垂直像素數(shù)”表示，如640×480表示顯示屏分成480行，每行顯示640個像素，整個顯示屏含有307200個顯像點常見的屏幕分辨率:640×480，800×600，1024×768，1280×1024傳統(tǒng)電視屏幕的寬高比為4:3；高清晰度電視屏幕的寬高比為16∶9圖像分辨率(imageresolution)圖像精細程度的度量方法。對同樣尺寸的一幅圖，如果像素數(shù)目越多，則說明圖像的分辨率越高，看起來就越逼真。相反，圖像顯得越粗糙圖像分辨率也稱空間分辨率(spatialresolution)和像素分辨率(pixelresolution)2/3/2023154章彩色數(shù)字圖像基礎4.3圖像的三個基本屬性(續(xù)1)在圖像顯示應用中的圖像分辨率表示法(1)物理尺寸：每毫米線數(shù)(或行數(shù))(2)行列像素：像素/行×行/幅，如640像素/行×480行/幅(3)像素總數(shù)：如數(shù)碼相機上標的500萬像素(4)單位長度上的像素：如像素每英寸(pixelsperinch，PPI)(5)線對(linepair)數(shù)：以黑白相鄰的兩條線為一對，如5對線在圖像數(shù)字化和打印應用中的圖像分辨率表示法通常用多少點每英寸(dotsperinch，DPI)表示，如300DPI分辨率越高，圖像質(zhì)量就越高，像素就越多，要求存儲容量就越大圖像分辨率與屏幕分辨率是兩個不同的概念從行列像素角度看，圖像分辨率是構成一幅圖像的像素數(shù)目，而屏幕分辨率是顯示圖像的區(qū)域大小

2/3/2023164章彩色數(shù)字圖像基礎4.3圖像的三個基本屬性(續(xù)2)像素深度與阿爾法(α)通道存儲每個像素所用的位數(shù)例如，用R，G，B三個分量表示的彩色圖像，若每個分量用8位表示，那么一個像素共用24位表示，就說像素深度為24位像素深度決定彩色圖像的每個像素可能有的顏色數(shù)，或者確定灰度圖像的每個像素可能有的灰度級數(shù)例如，像素深度為24位時，每個像素可以是224=16777216種顏色中的一種像素深度越深，表達的顏色數(shù)目就越多，所占用的存儲空間也越大。相反，如果像素深度太淺，則影響圖像的質(zhì)量，圖像看起來讓人覺得很粗糙和很不自然由于受到設備和人眼分辨率的限制，不一定要追求特別深的像素深度2/3/2023174章彩色數(shù)字圖像基礎4.3圖像的三個基本屬性(續(xù)3)阿爾法(α)通道在每個像素用32位表示的圖像表示法中的高8位，其余24位是顏色通道，紅色、綠色和藍色分量各占一個8位的通道

用于表示像素在對象中的透明度例如，用兩幅圖像A和B混合成一幅新圖像，新圖像(New)的像素為：Newpixel=(alpha)(pixelAcolor)+(alpha)(pixelBcolor)又如，一個像素(A，R，G，B)的四個分量都用規(guī)一化的數(shù)值表示時，像素值為(1，1，0，0)時顯示紅色，表示紅色強度為1像素值為(0.5，1，0，0)時，使用α通道中的預乘數(shù)0.5與R，G，B相乘，其結(jié)果為(0.5,0.5,0,0)，表示紅色強度為0.5

2/3/2023184章彩色數(shù)字圖像基礎4.3圖像的三個基本屬性(續(xù)4)真彩色、偽彩色與直接色真彩色(truecolor)每個像素的顏色值用紅(R)、綠(G)和藍(B)表示的顏色通常用24位表示，其顏色數(shù)224＝16777216種。也稱24位顏色(24-bitcolor)或全彩色(fullcolor)偽彩色(pseudocolor)不是物體固有的而是人為的顏色將像素值當作彩色查找表(colorlook-uptable，CLUT)的表項入口地址，查找顯示圖像時要使用的R，G，B值，用查找出的R，G，B值產(chǎn)生的彩色使用查找得到的R，G，B數(shù)值顯示的彩色是真的，但不是圖像本身真正的顏色，它沒有完全反映原圖的顏色直接色(directcolor)每個像素值由R，G，B分量構成，每個分量作為單獨的索引值對它做變換，用變換后的R，G，B值產(chǎn)生的顏色2/3/2023194章彩色數(shù)字圖像基礎4.4圖像的種類矢量圖(vectorgraphics)根據(jù)數(shù)學規(guī)則描述而生成的圖一幅圖用數(shù)學描述的點、線、弧、曲線、多邊形和其他幾何實體和幾何位置來表示，創(chuàng)建的圖是對象的集合而不是點或像素模式的圖繪制和顯示矢量圖的軟件通常稱為繪圖程序(drawprograms)；存放矢量圖的存儲格式稱為矢量圖格式；存儲的數(shù)據(jù)主要是繪制圖形的數(shù)學描述優(yōu)點目標圖像的移動、縮小或放大、旋轉(zhuǎn)、拷貝、屬性(如線條變寬變細、顏色)變更都很容易做到相同或類似的圖可以把它們當作圖的構造塊，并把它們存到圖庫中，這樣不僅可加速矢量圖的生成，而且可減小矢量圖的文件大小局限性很難用數(shù)學方法來描述真實世界的彩照，這就要用位圖法表示2/3/2023204章彩色數(shù)字圖像基礎4.4圖像的種類(續(xù)1)位圖(bitmap，bitmappedimage)用像素值陣列表示的圖對位圖進行操作時，只能對圖中的像素進行操作，而不能把位圖中的物體作為獨立實體進行操作。也稱光柵圖(rastergraphics)畫位圖或編輯位圖的軟件稱為畫圖程序(paintprograms)；存放位圖的格式稱為位圖格式；存儲的內(nèi)容是描述像素的數(shù)值特性位圖的獲取通常用掃描儀、數(shù)碼相機、攝像機、錄像機、視像光盤和相關的數(shù)字化設備位圖文件占據(jù)的存儲空間比較大影響位圖文件大小的因素圖像分辨率：分辨率越高，表示組成一幅圖的像素就越多，圖像文件就越大像素深度：像素深度越深，表達單個像素的顏色和亮度的位數(shù)越多，圖像文件就越大2/3/2023214章彩色數(shù)字圖像基礎4.4圖像的種類(續(xù)2)灰度圖(gray-scaleimage或intensityimage)只有明暗不同的像素而沒有彩色像素組成的圖像只有黑白兩種顏色的圖像稱為單色圖像(monochrome/bitimage)，如圖4-6(a)所示每個像素的像素值用一位存儲，其值是“0”或“1”用一個字節(jié)表示一個像素的灰度圖(256級灰度)如圖4-6(b)所示一幅640×480的灰度圖像需要占據(jù)300KB的存儲空間圖4-6(a)標準單色圖圖4-6(b)標準灰度圖2/3/2023224章彩色數(shù)字圖像基礎4.4圖像的種類(續(xù)3)彩色圖像(colorimage)每個像素包含顏色信息的圖像?？砂凑疹伾臄?shù)目劃分256色圖像(如圖4-7)：每個像素的R、G和B值用一個字節(jié)來表示，一幅640×480的彩色圖像需要300KB的存儲空間真彩色圖像(如圖4-8)：每個像素的R，G，B分量分別用一個字節(jié)表示，一幅640×480的真彩色圖像需要900KB的存儲空間圖4-7256色標準圖像圖4-824位標準圖像

2/3/2023234章彩色數(shù)字圖像基礎4.5伽馬()校正校正(gammacorrection)為補償顯示設備非線性的顯示特性而采用的校正技術顯示設備產(chǎn)生的光亮度與輸入給它的電壓之間呈現(xiàn)的關系為

光亮度＝(輸入電壓)γ

其中，γ是冪函數(shù)的指數(shù)，是一個常數(shù)，用來衡量非線性部件的轉(zhuǎn)換特性在把輸入電壓送到顯示設備之前對它做一次變換，使輸入到顯示設備的電壓′=(輸入電壓)γ

，這個變換稱為校正顯示設備不同，γ的值也有所不同。陰極射線管(CRT)典型的值在2.25～2.45之間2/3/2023244章彩色數(shù)字圖像基礎4.6JPEG壓縮編碼JPEG是什么JointPhotographicExpertsGroup的縮寫，聯(lián)合圖像專家組由ISO和IEC兩個組織機構聯(lián)合組成的專家組，負責制定靜態(tài)的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼標準JPEG標準靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)壓縮標準，用于壓縮灰度圖像和彩色圖像。兩種基本壓縮算法：有損壓縮算法：以離散余弦變換(DCT)為基礎，在壓縮比為25∶1的情況下，壓縮后還原得到的圖像與原始圖像相比，非圖像專家難于找出它們之間的區(qū)別采用以預測技術為基礎的無損壓縮算法JPEG格式存放使用JPEG壓縮的圖像文件交換格式大多數(shù)瀏覽器都支持這種格式的文件。以這種格式存放的圖像文件的后綴是.JPG或.JFF。也稱JFIF

2/3/2023254章彩色數(shù)字圖像基礎4.6JPEG壓縮編碼(續(xù)1)JPEG標準的文檔標準號：ISO/IECIS10918-1或ITU-TRecommendationT.81標準名：Informationtechnology—Digitalcompressionandcodingofcontinuous-tonestillimages(信息技術—連續(xù)色調(diào)靜態(tài)圖像的數(shù)字壓縮和編碼)JPEG算法概要利用視覺系統(tǒng)特性，使用變換、量化和熵編碼相結(jié)合的方法，以去掉或減少視覺的冗余信息和數(shù)據(jù)本身的冗余信息JPEG算法框圖如圖4-9所示圖(a)：壓縮算法框圖圖(b)：解壓縮算法框圖2/3/2023264章彩色數(shù)字圖像基礎4.6JPEG壓縮編碼(續(xù)2)圖4-9JPEG壓縮-解壓縮算法框圖2/3/2023274章彩色數(shù)字圖像基礎4.6JPEG壓縮編碼(續(xù)3)JPEG標準的壓縮算法大致分成三個步驟：使用正向離散余弦變換(FDCT)把空間域表示的圖變換成頻率域表示的圖使用加權函數(shù)對DCT系數(shù)進行量化，加權函數(shù)對人的視覺系統(tǒng)是最佳的使用霍夫曼編碼器對量化系數(shù)進行編碼JPEG算法與顏色空間無關RGB和YUV之間的變換不包含在JPEG算法中JPEG算法處理單獨的圖像彩色分量，因此可壓縮來自不同顏色空間的數(shù)據(jù)，如RGB,YCbCr,CMYK2/3/2023284章彩色數(shù)字圖像基礎4.6JPEG壓縮編碼(續(xù)4)離散余弦變換(DCT)discretecosinetransform的縮寫用余弦函數(shù)的離散值構成的變換矩陣對信號的一系列樣本值進行運算的數(shù)學變換可將能量集中到頻率較低的系數(shù)上將分量圖像分成8×8的圖塊，如圖4-10所示圖4-10離散余弦變換2/3/2023294章彩色數(shù)字圖像基礎4.6JPEG壓縮編碼(續(xù)5)DCT變換使用下式計算逆變換使用下式計算當u,v=0；其他其中，2/3/2023304章彩色數(shù)字圖像基礎4.6JPEG壓縮編碼(續(xù)6)二維DCT的計算將二維DCT變成一維DCT，如圖4-11所示當計算精度足夠高時，DCT變換不會損失圖像質(zhì)量圖4-11二維DCT變換方法2/3/2023314章彩色數(shù)字圖像基礎4.6JPEG壓縮編碼(續(xù)7)量化對FDCT變換后的(頻率的)系數(shù)進行量化量化目的是降低非“0”系數(shù)的幅度以及增加“0”值系數(shù)的數(shù)目用圖4-12所示的均勻量化器量化量化是造成圖像質(zhì)量下降的最主要原因量化用右式計算圖4-12均勻量化器2/3/2023324章彩色數(shù)字圖像基礎4.6JPEG壓縮編碼(續(xù)8)量化步距按照系數(shù)所在的位置和每種顏色分量的色調(diào)值來確定的因為人眼對亮度信號比對色差信號更敏感，因此使用兩種量化表：如表4-6所示的亮度量化表和表4-7所示的色差量化表由于人眼對低頻分量的圖像比對高頻分量的圖像更敏感，因此表中的左上角的量化步距要比右下角的量化步距小表4-6和表4-7中的數(shù)值對CCIR601標準電視圖像已經(jīng)是最佳的如果不使用這兩種表，用戶也可以用自己的量化表替換它們2/3/2023334章彩色數(shù)字圖像基礎4.6JPEG壓縮編碼(續(xù)9)161110162440516112121419265860551413162440576956141722295187806218223756681091037724355564811041139249647887103121120101729295981121001039917182447999999991821266699999999242656999999999947669999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999表4-6亮度量化表表4-7色差量化表2/3/2023344章彩色數(shù)字圖像基礎4.6JPEG壓縮編碼(續(xù)10)Z字形編排為增加連續(xù)的“0”值系數(shù)的個數(shù)，即“0”的游程長度，如圖4-13所示DCT系數(shù)的序號如圖4-14所示，序號小的位置表示頻率較低，把一個88的矩陣變成一個164的矢量圖4-13量化DCT系數(shù)的編排圖4-14DCT系數(shù)序號2/3/2023354章彩色數(shù)字圖像基礎4.6JPEG壓縮編碼(續(xù)11)熵編碼用于進一步壓縮采用DPCM編碼后的DC系數(shù)差值和RLE編碼后的AC系數(shù)先將8×8圖像塊的DC系數(shù)和63個AC系數(shù)用中間符號表示，中間符號由兩個符號組成一個符號是表示數(shù)據(jù)大小的可變長度碼(variable-lengthcode，VLC)，用的代碼是霍夫曼碼一個符號是直接表達實際幅度的可變長度整數(shù)(variable-lengthinteger，VLI)由于DC系數(shù)和AC系數(shù)的統(tǒng)計特性不同，因此在熵編碼時需要對DC系數(shù)和AC系數(shù)分別處理用霍夫曼編碼器理由是可用簡單的查表(lookuptable)方法進行編碼霍夫曼編碼器對出現(xiàn)頻度比較高的符號分配比較短的代碼，而對出現(xiàn)頻度較低的符號分配比較長的代碼這種可變長度的霍夫曼碼表可事先定義2/3/2023364章彩色數(shù)字圖像基礎4.6JPEG壓縮編碼(續(xù)12)2/3/2023374章彩色數(shù)字圖像基礎DCTZig-zagQuantizeRun-length

CodeHuffman

Code011010001011101...8x8對經(jīng)過FDCT變換后的頻率系數(shù)進行量化。量化是圖像質(zhì)量下降的最主要原因2D-〉1D，目的是為了增加連續(xù)的“0”系數(shù)的個數(shù)，就是“0”的游程長度通過DCT變換，把能量集中在少數(shù)幾個系數(shù)上。2/3/2023384章彩色數(shù)字圖像基礎黑白圖象的表示Blackandwhiteimage2/3/2023394章彩色數(shù)字圖像基礎灰度圖象的表示Grayscaleimage2/3/2023404章彩色數(shù)字圖像基礎彩色圖象的表示RcomponentGcomponentBcomponent2/3/2023414章彩色數(shù)字圖像基礎顏色感知的三要素色調(diào)（Hue）表示光的顏色，決定于光的波長飽和度（Saturation）也稱為純度或彩度，指彩色的深淺或鮮艷程度，通常指彩色中白光含量的多少亮度（Luminance）表示某種顏色在人眼視覺上引起的明暗程度，與光的強度有關。飽和度/亮度與光幅度有關人眼看到的任一彩色光都是這