多媒體第四章

§4.1顏色空間表示及其轉(zhuǎn)換

人類繪制圖畫已有幾千年的歷史，我們的祖先很早就用顏料、墨水、彩筆繪制各種彩色的圖畫，把它畫在布上、紙上和刻在石頭上。

18世紀(jì)人類發(fā)明了攝影技術(shù)，能夠把攝取的現(xiàn)實(shí)景物洗印在像紙上，今天，我們能夠用電的方法把它存起來并顯示在屏幕上。計(jì)算機(jī)面世的較長時(shí)間內(nèi)，其輸入輸出的信息主要是數(shù)字和字符，20世紀(jì)80年代多媒體計(jì)算機(jī)出現(xiàn)，它使計(jì)算機(jī)能夠綜合處理聲音、文字、數(shù)字和圖像信息。彩色空間是如何表示的？⑴顏色的基本概念

彩色可用亮度、色調(diào)和飽和度來描述，人眼看到的任一彩色光都是這三個(gè)特性的綜合效果——國際照明委員會(huì)CIE對(duì)顏色的描述是就用這三個(gè)特性來區(qū)分顏色，任一顏色都是這三個(gè)特征的綜合效果。

亮度是光作用于人眼時(shí)所引起的明亮程度的感覺，它與被觀察物體的發(fā)光強(qiáng)度有關(guān)，由于其強(qiáng)度不同，看起來可能亮一些或暗一些。顯然，彩色光的強(qiáng)度(降)→黑色，強(qiáng)度(升)→白色。色調(diào)是當(dāng)人眼看到一種或多種波長的光時(shí)所產(chǎn)生的彩色感覺，它反映顏色的種類，是決定顏色的基本特性，例如紅色、棕色等都是指色調(diào)。某一物體的色調(diào)，是指該物體在日光照射下所反射的各光譜成分作用于人眼的綜合效果，對(duì)于透射物體，則是透過該物體的光譜綜合作用的結(jié)果。

飽和度是指顏色的純度即摻入白光的程度，或音說是指顏色的深淺程度。對(duì)于同一色調(diào)的彩色光，飽和度越深顏色越鮮明或者說越純。例如，當(dāng)紅色加進(jìn)白光之后沖淡為粉紅色，其基本色調(diào)還是紅色，但飽和度降低。飽和度還和亮度有關(guān)，因?yàn)槿粼陲柡偷牟噬庵性黾影坠獾某煞?，增加了光能，因而變得更亮了，但是它的飽和度卻降低了。如果在某色調(diào)的彩色光中，摻入別的彩色光，則會(huì)引起色凋的變化，只有摻入白光時(shí)僅引起飽和度的變化。

通常把色調(diào)和飽和度通稱為色度，上述內(nèi)容總結(jié)為：亮度表示某彩色光的明亮程度，而色度則表示顏色的類別與深淺程度。⑵三基色(RGB)原理自然界常見的各種顏色光，都可由紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三種顏色光按不同比例相配而成，同樣絕大多數(shù)顏色光也可以分解成紅、綠、藍(lán)三種色光。當(dāng)然三基色的選擇不是唯一的，也可以選擇其它三種顏色為三基色。但是，三種顏色必須是相互獨(dú)立的，即任何一種顏色都不能由其它兩種顏色合成。由于人眼對(duì)紅、綠、藍(lán)三種色光最敏感，因此由這三種顏色相配所得的彩色范圍也最廣，所以一般都選這三種顏色作為基色。把三種基色光按不同比例相加稱之為相加混色，由紅、綠、藍(lán)三基色進(jìn)行相加混色的情況如下：紅色+綠色=黃色紅色+藍(lán)色=品紅綠色+藍(lán)色=青色紅色+綠色+藍(lán)色=白色稱黃、品紅和青色為相加二次色，此外還可以看出：紅色+青色=綠色+品紅=藍(lán)色+黃色=白色因此稱青色、品紅和黃色分別是紅、綠、藍(lán)三色的補(bǔ)色。⑷常見的彩色空間在多媒體技術(shù)中，用得最多的是RGB彩色空間，它對(duì)任意彩色光F，其配色方程可寫成：F＝r[R]＋g[G]＋b[B]

其中r，g，b為三色系數(shù)，[R]，[G]，[B]為F色光的三色分量。

YUV彩色空間：在現(xiàn)代彩色電視系統(tǒng)中，通常采用三管彩色攝像機(jī)或彩色CCD攝像機(jī)，把攝得的彩色圖像信號(hào)，經(jīng)分色棱鏡分成R0G0B0三個(gè)分量的信號(hào)，分別進(jìn)行放大和γ校正得到RGB，再經(jīng)過矩陣變換電路得到亮度信號(hào)Y、色差信號(hào)R-Y和B-Y，最后發(fā)送端將Y、R-Y及B-Y三個(gè)信號(hào)進(jìn)行編碼，用同一信道發(fā)送出去。這就是我們常用的YUV彩色空間。其它的還有：CMYK、HSV、HIS等彩色空間(參見教材)。⑶亮度公式

Y＝0.299R＋0.587G＋0.114B

亮度公式是根據(jù)美國國家電視制式委員會(huì)的NTSC制式推導(dǎo)得到的。如果采用PAL電視制式，白光的亮度公式將作如下改動(dòng)：

Y=0.222R＋0.707G＋0.071B

兩個(gè)公式不同的原因，是由于所選取的顯示三基色不同。紅綠藍(lán)品紅黃青白相加混色之三基色及其補(bǔ)色●顏色空間與用途(復(fù)習(xí))CMYK模式(用于印刷)●特點(diǎn):色彩灰暗分色膠片印版印輥印紙成品RGB模式(用于顯示打印)●特點(diǎn):色彩鮮艷⑸彩色空間轉(zhuǎn)換彩色空間的表示是可以相互轉(zhuǎn)換的，這里列出其轉(zhuǎn)換方程。YUV空間和RGB空間的轉(zhuǎn)換方程式如下：YUV0.30.590.110.6-0.28-0.320.21-0.520.31RGB=顏色深度：位圖圖像中各像素的顏色(或亮度)信息用若干數(shù)據(jù)位來表示，這些數(shù)據(jù)位的個(gè)數(shù)稱為圖像的顏色深度(也簡稱為圖像深度、顏色深度或深度)。顏色深度反映了構(gòu)成圖像的顏色總數(shù)目。例如深度為1的圖像只能有兩種顏色(一般為黑色和白色，但也可以是另外兩種色調(diào)或顏色)，這樣的圖像稱為單色圖像；深度為24的圖像稱為真彩色圖像。灰度級(jí)圖像是一種特殊的索引色圖像，其像素只能是黑、白及不同的灰度顏色。下表列出了微機(jī)上常用的幾種顏色深度、對(duì)應(yīng)的最大顏色總數(shù)和圖像的名稱?！?.2圖形與圖像1圖形(Graphic)

圖形一般指用點(diǎn)、線、面等繪制（draw）的幾何圖(包含彩色圖)，如直線、圓、圓弧、矩形、任意曲線和圖表等。

矢量(也稱向量)是指有方向、長短等屬性的線段。而矢量圖(vectorgraphics)是用一組矢量集合來描述圖形的內(nèi)容，這些指令用來描述構(gòu)成該圖形的所有直線、圓、圓弧、矩形、曲線等圖元的位置、維數(shù)和形狀等。在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示矢量圖形要有專門的軟件，如AutoCad、PKPM、CorelDraw、AdobeIllustrator、MacromediaFreehand等，這些軟件將描述圖形的指令轉(zhuǎn)換成在屏幕上顯示的形狀和顏色，也可產(chǎn)生和操作矢量圖形的各成分，并對(duì)矢量圖形進(jìn)行移動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)和扭曲等變換。在幾何學(xué)中，圖形一般就使用矢量表示，因此也稱矢量圖。2靜態(tài)圖像(StillImage)

圖像是指由輸入設(shè)備捕捉的實(shí)際場景畫面，或以數(shù)字化形式存儲(chǔ)的任意畫面，或者說是自然界中客觀景物通過某種系統(tǒng)的影射，使得人們產(chǎn)生視覺感受。

數(shù)字圖像指經(jīng)由攝像機(jī)或掃描儀等設(shè)備輸入、并以數(shù)字形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的圖像信息，這些圖像可以是照片、繪畫等等。在計(jì)算機(jī)中，圖像都是由一些排成行列的點(diǎn)（像素）組成的。圖像通常有位圖

(bit-mappedpicture)和矢量圖兩種表示形式。

位圖圖像由數(shù)字陣列信息組成，陣列中的各項(xiàng)數(shù)字用來描述構(gòu)成圖像的各個(gè)點(diǎn)(稱為像素點(diǎn))的強(qiáng)度與顏色等信息。

位圖適合于表現(xiàn)含有大量細(xì)節(jié)(如明暗變化、場景復(fù)雜和多種顏色等)的畫面，并可直接、快速地在屏幕上進(jìn)行顯示?！裎粓D圖像●圖像由基本顯示單元“像點(diǎn)”構(gòu)成圖像像點(diǎn)8bit(28=256色)16bit(216=65536色)24bit(224=16M色)●8位圖像●16位圖像●24位圖像●二進(jìn)制位與圖像之間存在嚴(yán)格的“位映射”關(guān)系●像點(diǎn)由若干個(gè)二進(jìn)制位進(jìn)行描述●二進(jìn)制位代表圖像顏色的數(shù)量●具有位映射關(guān)系的圖叫作“位圖”●“位圖”特指圖像影響圖像質(zhì)量的幾個(gè)因素分辨率：是指在單位長度中，所表達(dá)或包含的像素?cái)?shù)目。分辨率的高低直接影響到圖像的質(zhì)量，一般其數(shù)值越大，像點(diǎn)密度越高，圖像對(duì)細(xì)節(jié)的表現(xiàn)能力越強(qiáng)，清晰度越高。圖像分辨率：指圖像中存儲(chǔ)的信息量，通常用“像素/英寸”表示。顯示器的分辨率：指畫面由多少像素構(gòu)成，數(shù)值越大，圖像也就越清晰。顯示器的最大分辨率與顯示區(qū)域的大小、點(diǎn)距、視頻帶寬等因素有關(guān)，可用公式計(jì)算：顯示區(qū)域的寬或高/點(diǎn)距。打印機(jī)分辨率又叫輸出分辨率：指打印圖像中存儲(chǔ)的信息量，通常以“點(diǎn)/英寸”（DPI）表示，也稱打印精度。

顏色深度也稱圖像灰度：指數(shù)字圖像中每個(gè)像素上用于表示顏色的二進(jìn)制數(shù)字位數(shù)n。顏色深度為n能描述的色彩數(shù)2n。

圖像的基本屬性⑴分辨率顯示分辨率：顯示屏上能夠顯示出的像素?cái)?shù)目；圖像分辨率：組成圖像的像素密度的度量方法。⑵像素深度像素深度是存儲(chǔ)每個(gè)像素所用的位數(shù)。它也能度量圖像的分辨率。⑶真/偽彩色

真彩色：指彩色圖像的每個(gè)像素中，可以采用R、G、B三個(gè)基色分量直接決定顯示設(shè)備的基色強(qiáng)度；

偽彩色：指彩色圖像的每個(gè)像素中，不是采用R、G、B三個(gè)基色分量直接決定顯示設(shè)備的基色強(qiáng)度，而是通過一個(gè)彩色對(duì)應(yīng)表來決定顯示設(shè)備的基色強(qiáng)度。圖形與圖像區(qū)別：⑴概念上；⑵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)大小上；⑶內(nèi)容處理方式上；⑷表現(xiàn)力上?！?/p>

Resolution(分辨率)單位圖像分辨率●●dpi的數(shù)值越大，圖像越清晰dpi(displaypixels/inch)每英寸顯示的線數(shù)300dpi96dpi21dpidpi視覺效果清晰度絕對(duì)清晰度位圖矢量圖格式文件類型格式文件類型BmpWindows,OS/2FlaFlashGifGraphicsinterchangeformatSwfFlashPcdPhotoCD3ds3DStudioJpgJPEGAiAdobeIllustratorPsdPhotoshopnativeformatCdrCorelDrawTifTagimagefileformatClpWindowsClipboardSgiSiliconGraphicsRGBWrlVRMLPngPortableNetworkGraphicsPctMacintoshPICTdrawingsIcoWindowsiconDxfAutoCADRasSunDwg位圖格式與矢量圖格式文件顏色與分辨率用途.GIF256/96dpi用于動(dòng)畫、多媒體程序界面，網(wǎng)頁界面.BMP256～224/*dpi用于Windows環(huán)境下的任何場合.TIF256～232

/*dpi用于專業(yè)印刷.JPG216

～232/*dpi用于數(shù)字圖片保存、傳送.TGA256～224/96dpi用于專業(yè)動(dòng)畫影視制作.PCD216

～232/*dpi用于PHOTOCD●

注意：⑴圖像文件的擴(kuò)展名不要輕易修改，否則不能使用

⑵其它常見圖像文件格式參見教材P122●數(shù)字化圖像以文件的形式存在，其文件名有嚴(yán)格的約定3文件格式靜態(tài)圖像文件格式，當(dāng)前比較流行的圖像文件格式有：GIF，TIF，TGA，BMP，PCX，JPG，PIC，PCD等等?！馎4幅面(橫)24bit彩色300dpi分辨率文件格式與數(shù)據(jù)量.JPG

883KB損失15%色重復(fù)保存,損失加劇.GIF

4,501KB256色格式轉(zhuǎn)換容易失真.BMP

25,481KB真彩色●

數(shù)據(jù)量大.TGA

25,481KB真彩色●

數(shù)據(jù)量大.PCD

25,481KB真彩色●

數(shù)據(jù)量大.TIF

25,697KB真彩色●

數(shù)據(jù)量大數(shù)據(jù)對(duì)比視頻數(shù)據(jù)量=視頻水平分辨率×視頻垂直分辨率×顏色深度

×幀頻×?xí)r間(秒)

÷8(Byte/S)調(diào)色板調(diào)色板（palette）：圖像的色彩索引表。若圖像的色彩數(shù)遠(yuǎn)小于全色彩數(shù)時(shí)，當(dāng)每個(gè)像素的值用色彩索引表的位置表示就可以大大節(jié)約存儲(chǔ)空間。這種技術(shù)長用于各種圖像的存儲(chǔ)格式中，如bmp,tif,gif等。

調(diào)色板舉例

一幅200×200的16色圖像

共有40000個(gè)像素，需要120000字節(jié)16種顏色，采用一個(gè)顏色表，每一行記錄一種顏色的R、G、B值，16種狀態(tài)可以用4位表示，一個(gè)像素用半個(gè)字節(jié)，整幅圖像要用20000字節(jié)，加上顏色表占用的3×16=48字節(jié)，總共20048字節(jié)

（目前按這個(gè)數(shù)值理解，實(shí)際比這個(gè)數(shù)值要大些，講到位圖文件格式時(shí)再補(bǔ)充）。

⑴BMP格式——Bitmap，Microsoft公司開發(fā)，用于Windows環(huán)境.●特點(diǎn)

(1)擴(kuò)展名采用“.bmp”(2)文件描述單一(靜止)圖像

(3)彩色模式:24~232(4)調(diào)色板RGB數(shù)據(jù)順序反向排列

(5)以圖像左下角為起點(diǎn)排列數(shù)據(jù)

(6)一般采用非壓縮數(shù)據(jù)格式，也可壓縮●使用要點(diǎn)

(1)用于表現(xiàn)打印、顯示用圖像

(2)不適于網(wǎng)絡(luò)傳送

(3)不適于提供印刷文件文件頭:54b調(diào)色板數(shù)據(jù)(反向排列)圖像數(shù)據(jù)(可壓縮否取決于存儲(chǔ)空間和處理軟件)BMP結(jié)構(gòu)圖采用RLE4壓縮算法,可以得到16色模式的BMP圖像采用RLE8壓縮算法,可以得到256色模式的BMP圖像38424650●TIFF格式TagImageFileFormat，Aldus公司開發(fā)，用于精確描述圖像的場合●使用要點(diǎn)

(1)平面設(shè)計(jì)作品的最佳表現(xiàn)形式

(2)用于提供印刷文件

(3)不適于網(wǎng)絡(luò)傳送文件頭(1FH:8b)標(biāo)識(shí)信息區(qū)(1FD:12b)圖像數(shù)據(jù)(說明壓縮法,如何排列,如何分割等)●特點(diǎn)

(1)擴(kuò)展名采用“.tif”(2)文件描述單一(靜止)圖像

(3)彩色模式:21(單色)

~232(4)支持多平臺(tái)(PC&Macintosh)(5)可采用多種壓縮數(shù)據(jù)格式

(6)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是可變的，文件具有可改寫性TagaImageFormat，Truevision公司開發(fā)，用于屏顯和動(dòng)畫幀顯示●使用要點(diǎn)

(1)用于表現(xiàn)影視廣播級(jí)動(dòng)畫的幀

(2)不適于保存高質(zhì)量印刷文件

(3)不適于網(wǎng)絡(luò)傳送●特點(diǎn)

(1)擴(kuò)展名采用“.tga”(2)文件描述單一(靜止)圖像

(3)彩色模式:20(1色)

~232(顯示模式依賴顯示卡)(4)圖像分辨率固定為96dpi文件頭調(diào)色板信息圖像數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)補(bǔ)充區(qū)●TGA格式●GIF格式GraphicsInterchangeFormat,CompuServe公司開發(fā),用于屏顯和網(wǎng)絡(luò)●使用要點(diǎn)

(1)用于屏幕顯示圖像和電腦動(dòng)畫

(2)用于網(wǎng)絡(luò)傳送

(3)不適于保存高質(zhì)量印刷文件●特點(diǎn)

(1)擴(kuò)展名采用“.gif”(2)具有87a、89a兩種格式

87a——描述單一(靜止)圖像

89a——描述多幀圖像

(3)彩色模式:28,分辨率96dpi,不支持真彩

(4)采用改進(jìn)的LZW壓縮算法文件頭邏輯屏幕描述圖像數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志調(diào)色板信息●PCX格式由Zsoft公司開發(fā)用于繪圖軟件PCPaintbrush●使用要點(diǎn)

(1)用于表現(xiàn)打印、顯示用圖像

(2)不適于網(wǎng)絡(luò)傳送

(3)不適用于高質(zhì)量印刷文件●特點(diǎn)

(1)擴(kuò)展名采用“.pcx”(2)一個(gè)文件存儲(chǔ)一個(gè)圖像

(3)彩色模式:21、24、28，僅最新版本支持224(4)采用RLE(行程編碼)壓縮存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

(5)圖像顯示與計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備顯示模式有關(guān)文件頭圖像數(shù)據(jù)區(qū)(256色調(diào)色板數(shù)據(jù))●JPEG格式JointPhotographicExpertsGroup，聯(lián)合專家小組開發(fā)，用于彩色圖像的存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳送●使用要點(diǎn)

(1)用于保存表現(xiàn)自然景觀的圖像

(2)用于網(wǎng)絡(luò)傳送

(3)不適于表現(xiàn)有明顯邊界的圖形

(4)不適用于高質(zhì)量印刷文件●特點(diǎn)

(1)擴(kuò)展名采用“.jpg”(2)采用有損壓縮編碼形式，數(shù)據(jù)量小

(3)彩色模式:232(真彩色)(4)經(jīng)解壓縮，方可顯示圖像，顯示速度慢經(jīng)壓縮的圖像數(shù)據(jù)各類壓縮算法JPEG壓縮編碼技術(shù)及其文件格式比較復(fù)雜，請(qǐng)參[2]P99*[2]林福宗編，《多媒體技術(shù)基礎(chǔ)》，清華大學(xué)出版社.4單色圖像●單色圖像——顏色單一圖像，但并非只有一種顏色的圖像單色圖像“二值”圖像只有黑、白兩色簡單形式復(fù)雜形式“灰度”圖像具有256級(jí)灰度

●

單色圖像用途：簡單形式——文本顯示、木刻、版畫效果的圖像復(fù)雜形式——書籍用圖片、報(bào)紙用圖片

●

單色圖像格式：

TGA、JPG、TIF、PCX等5彩色圖像

主要有兩種顏色模式:

⑴RGB彩色圖像

RGB模式主要應(yīng)用于顯示和打印輸出?！馬GB——紅、綠、藍(lán)

R

GBR

G

BR數(shù)組—8bit表示(256階梯)G數(shù)組—8bit表示(256階梯)B數(shù)組—8bit表示(256階梯)最大表示：28×28×28=224=16777216(16.7M)

⑵CMYK彩色圖像

CMYK模式主要應(yīng)用于印刷。四種顏色混合可得多種顏色?！馛MYK:青、品紅、黃、黑

C

KMYC數(shù)組—8bit表示(256階梯)M數(shù)組—8bit表示(256階梯)Y數(shù)組—8bit表示(256階梯)K數(shù)組—8bit表示(256階梯)

最大表示：28×28×28×28=232=4294967296(4294M)C

M

YK⑴動(dòng)態(tài)原理●動(dòng)態(tài)圖像定義多幀圖像的有序組合6動(dòng)態(tài)圖像文件Δt●動(dòng)態(tài)原理Δt≤1/24s(視覺滯留時(shí)間)，就會(huì)在人眼產(chǎn)生連續(xù)活動(dòng)視覺效果?！駝?dòng)態(tài)圖像文件構(gòu)成組合位圖(靜態(tài)圖像)數(shù)據(jù)調(diào)色盤數(shù)據(jù)速度參數(shù)(時(shí)間間隔)壓縮算法●動(dòng)態(tài)圖像分類⑴動(dòng)畫；⑵視頻?！駝?dòng)態(tài)圖像特點(diǎn)具有時(shí)間上的連續(xù)性和延續(xù)性、具有幀間的相關(guān)性、具有強(qiáng)烈的實(shí)時(shí)性。⑵動(dòng)態(tài)圖像的技術(shù)參數(shù)●幀速度幀的切換速度

[1]NTSC制30Frame/s[2]PAL制25Frame/s●數(shù)據(jù)量相關(guān)因素：

[1]畫面幾何尺寸

[2]顏色數(shù)量

[3]采用的壓縮算法●圖像質(zhì)量相關(guān)因素——位圖的顏色與分辨率，過分的數(shù)據(jù)壓縮將影響圖像質(zhì)量Frame1#Frame2#……⑶動(dòng)態(tài)圖像文件描述動(dòng)態(tài)圖像文件●

AVI(AudioVideoInterlaced)——音頻視頻交互文件(.avi)音頻+視頻●

FLC(Flicks)——電影(動(dòng)畫)文件(.fli

或.flc)AVI固定顯示分辨率320×240采用高分辨率效果差視頻FLC多種顯示分辨率640×480…ENDFLC動(dòng)畫文件特點(diǎn)：具有足夠畫面，但最大像素為216；幀間速度可調(diào)；具有28顏色，每種顏色有8bit彩色變化；壓縮格式，存儲(chǔ)容量小，節(jié)省空間；采用幀存儲(chǔ)模式，除第一幀外其它只保存差異數(shù)據(jù)。7數(shù)字視頻(數(shù)字電影)數(shù)據(jù)數(shù)字視頻就是模擬信號(hào)源(如電視、電影等)經(jīng)過數(shù)字化處理后產(chǎn)生的圖像和同步術(shù)語的混合體。如何獲取數(shù)字視頻？①圖像的顯示技術(shù)假設(shè)通過掃描儀和視頻信號(hào)獲取器能把靜態(tài)圖像和運(yùn)動(dòng)視頻信號(hào)數(shù)字化后存到幀存儲(chǔ)器中，現(xiàn)在要解決如何把它們變成標(biāo)準(zhǔn)文件存到內(nèi)存或外存？如何把不同的圖像文件格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換？如何在顯示器的屏幕上顯示？微型計(jì)算機(jī)隨著CPU性能的不斷提高，顯示系統(tǒng)也不斷推出新的標(biāo)準(zhǔn)。以IBM-P