第四章圖像處理技術(shù)

§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世紀人類發(fā)明了攝影技術(shù)，能夠把攝取的現(xiàn)實景物洗印在像紙上，今天，我們能夠用電的方法把它存起來并顯示在屏幕上。計算機面世的較長時間內(nèi)，其輸入輸出的信息主要是數(shù)字和字符，20世紀80年代多媒體計算機出現(xiàn)，它使計算機能夠綜合處理聲音、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特性的綜合效果——國際照明委員會CIE對顏色的描述是就用這三個特性來區(qū)分顏色，任一顏色都是這三個特征的綜合效果。2009-3-291:33PM

亮度是光作用于人眼時所引起的明亮程度的感覺，它與被觀察物體的發(fā)光強度有關(guān)，由于其強度不同，看起來可能亮一些或暗一些。白色是影響亮度的重要因素，此外亮度感還與人類視覺系統(tǒng)的視敏函數(shù)有關(guān)，即便強度相同，不同顏色的光束照射同一物體時也會產(chǎn)生不同的亮度。

色調(diào)是當人眼看到一種或多種波長的光時所產(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。

飽和度是指顏色的純度即摻入白光的程度，或者說是指顏色的深淺程度。對于同一色調(diào)的彩色光，飽和度越深顏色越鮮明或者說越純。例如，當紅色加進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)，因為若在飽和的彩色光中增加白光的成分，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，則會引起色調(diào)的變化，只有摻入白光時僅引起飽和度的變化。2009-3-291:33PM

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(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、藍三種色光。當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。由于人眼對紅、綠、藍三種色光最敏感，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、藍三基色進行相加混色的情況如下：紅色+綠色=黃色紅色+藍色=品紅綠色+藍色=青色紅色+綠色+藍色=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=藍色+黃色=白色因此稱青色、品紅和黃色分別是紅、綠、藍三色的補色。2009-3-291:33PM顏色編輯器2009-3-291:33PM飽和度從0到255色調(diào)值0~255方形區(qū)域為色度圖，可對色度進行調(diào)節(jié)（包括色調(diào)和飽和度）亮度0~255條形區(qū)域為亮度圖，可調(diào)節(jié)亮度2009-3-291:33PM（3）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。可以表達24位顏色，相當于256*256*256=16,777,216種顏色相加混色之三基色及其補色CMYK彩色空間CMRY彩色圖像由C（青）、M（品紅）、Y（黃）、K（黑）四種基本顏色構(gòu)成，用于印刷。專業(yè)圖像處理軟件可以編輯CMYK圖像。數(shù)據(jù)量比RGB圖像大，32bit的數(shù)據(jù)，合計4.3G種顏色。其它的還有：

HSV、HIS、YUV等彩色空間2009-3-291:33PM●顏色空間與用途CMYK模式(用于印刷)●特點: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:色彩鮮艷2009-3-291:33PM§4.2圖形與圖像1圖形(Graphic)

圖形一般指用點、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。矢量圖(vectorgraphics)是用一系列計算機指令集合的形式來描述或處理一幅圖的，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。在計算機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，并對矢量圖形進行移動、縮放、旋轉(zhuǎn)和扭曲等變換。由于圖形顯示完全依賴數(shù)據(jù)的運算結(jié)果，顯示速度受到影響。

2009-3-291:33PM2圖像(Image)

數(shù)字圖像指經(jīng)由攝像機或掃描儀等設備輸入、并以數(shù)字形式存儲在計算機中的圖像信息，這些圖像可以是照片、繪畫等等。在計算機中，圖像都是由一些排成行列的點（像素）組成的數(shù)字陣列信息，陣列中的各項數(shù)字用來描述構(gòu)成圖像的各個點(稱為像素點)的強度與顏色等信息。

3圖像與圖形的區(qū)別：1）圖像數(shù)據(jù)量大，圖形數(shù)據(jù)量小。2）圖像的像點之間沒有內(nèi)在聯(lián)系，在放大或縮小時，部分像點被丟失或重復添加，導致圖像的清晰度受影響；圖形由運算關(guān)系支配，放大或縮小不會影響圖形的特征。3）圖像的表現(xiàn)力強，適于表現(xiàn)自然；圖形適于表現(xiàn)變化的曲線等。2009-3-291:33PM●圖像：直接量化的原始信號形式●圖像的最小單位是像點●用于表現(xiàn)自然影像●圖形：運算形成的抽象化產(chǎn)物●圖形由具有方向和長度的矢量表示●用于分析運算結(jié)果，簡單圖形表示教學進程2009-3-291:33PM●位圖圖像●圖像由基本顯示單元“像點”構(gòu)成圖像像點8bit(28=256色)16bit(216=65536色)24bit(224=16M色)●8位圖像●16位圖像●24位圖像●二進制位與圖像之間存在嚴格的“位映射”關(guān)系●像點由若干個二進制位進行描述●二進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2009-3-291:33PM4影響圖像質(zhì)量的幾個因素分辨率：是在單位長度中，所表達或包含的像素數(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，像點密度越高，圖像對細節(jié)的表現(xiàn)能力越強，清晰度越高。按應用場合不同，可將分辨率分為屏幕分辨率、顯示分辨率、打印分辨率三種。屏幕分辨率：用每英寸行數(shù)表示，數(shù)值越大圖形（圖像）質(zhì)量越好。顯示分辨率：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、點距、視頻帶寬等因素有關(guān)，可用公式計算：顯示區(qū)域的寬或高/點距。如：640X480.打印機分辨率又叫輸出分辨率：指打印圖像中存儲的信息量，通常以“點/英寸”（DPI）表示，也稱打印精度。衡量輸出設備的精度，以每英寸的像素點數(shù)表示。2009-3-291:33PM●

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)每英寸顯示的像數(shù)素300dpi96dpi21dpidpi視覺效果清晰度絕對清晰度2009-3-291:33PM5圖像的顏色（1）圖像的顏色模式：根據(jù)量化的顏色深度不同，圖像顏色模式分兩大類。A:二值圖像—圖像僅由兩種顏色組成，用一位二進制數(shù)表示。B:彩色圖像與灰度圖像—顏色數(shù)量大于兩種。（2）顏色深度：指數(shù)字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)。顏色深度為n能描述的色彩數(shù)為2n。顏色深度反映了構(gòu)成圖像的顏色總數(shù)目。（3）文件的大小圖形與圖像文件的大小是指在磁盤上存儲整幅圖像所有點的字節(jié)數(shù)，反映了圖像所需數(shù)據(jù)存儲空間的大小，公式如下：

文件字節(jié)數(shù)=像素總數(shù)X圖像深度/8例：一幅640X480的256色圖像大小為640X480X8/8=307200字節(jié)2009-3-291:33PM文件顏色與分辨率用途.GIF256/96dpi用于動畫、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)動畫影視制作.PCD216

～232/*dpi用于PHOTOCD●

注意：⑴圖像文件的擴展名不要輕易修改，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，其文件名有嚴格的約定6文件格式靜態(tài)圖像文件格式，當前比較流行的圖像文件格式有：GIF，TIF，TGA，BMP，PCX，JPG，PIC，PCD等等。

2009-3-291:33PM●A4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%色重復保存,損失加劇.GIF

4,501KB256色格式轉(zhuǎn)換容易失真.BMP

23,481KB真彩色●

數(shù)據(jù)量大.TGA

23,481KB真彩色●

數(shù)據(jù)量大.PCD

23,481KB真彩色●

數(shù)據(jù)量大.TIF

24,697KB真彩色●

數(shù)據(jù)量大數(shù)據(jù)對比2009-3-291:33PM7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、白兩色簡單形式復雜形式“灰度”圖像具有256級灰度

●

單色圖像用途：簡單形式——文本顯示、木刻、版畫效果的圖像復雜形式——書籍用圖片、報紙用圖片

●

單色圖像格式：

TGA、JPG、TIF、PCX等2009-3-291:33PM8灰度圖像

:

灰度圖像是數(shù)字圖像的最基本形式，灰度圖像可以由黑白照片數(shù)字化得到，或從彩色圖像進行去色處理得到。灰度圖像只表達圖像的亮度信息而沒有顏色信息，因此，灰度圖像的每個像素點上只包含一個量化的灰度級（即灰度值），用來表示該點的亮度水平，并且通常用1個字節(jié)（8個二進制位）來存儲灰度值。如果灰度值用1個字節(jié)表示，則可以表示的正整數(shù)范圍是0～255，也就是說，像素灰度值取值在0～255之間，灰度級數(shù)為256級。注意到人眼對灰度的分辨能力通常在20～60級，因此，灰度值存儲以字節(jié)為單位既保證了人眼的分辨能力，又符合計算機數(shù)據(jù)尋址的習慣。灰度圖像與黑白圖像不同，在計算機圖像領域中黑白圖像只有黑色與白色兩種顏色；灰度圖像在黑色與白色之間還有許多級的顏色深度。但是，在數(shù)字圖像領域之外，“黑白圖像”也表示“灰度圖像”，例如灰度的照片通常叫做“黑白照片”。2009-3-291:33PM9彩色圖像

主要有兩種顏色模式:

⑴RGB彩色圖像

RGB模式主要應用于顯示和打印輸出。●RGB——紅、綠、藍

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)2009-3-291:33PM

⑵CMYK彩色圖像

CMYK模式主要應用于印刷。四種顏色混合可得多種顏色。●CMYK: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

YK2009-3-291:33PM§4.3圖形與圖像的處理常常采集獲取的源圖像信息存在各種各樣噪聲和畸變，因此需要進行圖像增強等處理，其目的就是為了改善圖像視覺效果，主要內(nèi)容包括色彩變換、灰度變換、圖像銳化、噪聲去除、幾何畸變校正和圖像尺寸變換等等，從而改善圖像質(zhì)量。數(shù)字圖像處理的手段非常豐富,所有處理手段均建立在對數(shù)據(jù)進行數(shù)學運算的基礎上,即圖像處理就是數(shù)據(jù)處理。圖像的處理須通過圖像處理軟件完成。常用圖像增強技術(shù)有兩類方法：基于圖像域的方法和基于變換域的方法。第一類是直接在圖像所在的空間進行處理，也就是在像素組成的空間里直接對像素進行操作；第二類是在圖像的變換空間域?qū)D像進行間接處理。2009-3-291:33PM4.3.1圖像的灰度變換處理對于基于圖像域的圖像增強處理技術(shù)主要有三種形式：⑴基于像素點的點處理，也就是對圖像的每次處理是對每個像素進行的；⑵基于模板的鄰域處理，即每次對圖像的處理是對小的子圖像進行的；在圖像上的應用主要表現(xiàn)在：檢測圖像邊緣并增強邊緣、圖像柔化和銳化、增強和減少圖像隨機噪聲等。⑶對整幅圖像進行同一操作的并行處理。1.圖像的點處理處理圖像的最基本算法是點處理算法,主要用于圖像的亮度調(diào)整、圖像對比度的調(diào)整，以及圖像亮度的反置處理等。2009-3-291:33PM（1）亮度調(diào)整亮度調(diào)整是點處理算法的一個應用領域。為了增加或者降低圖像的亮度，通常采用對圖像中的每個像點加上一個常數(shù)或者減去一個常數(shù)的方法。亮度調(diào)整公式為：（a）低亮度（b）正常亮度（c）高亮度2009-3-291:33PM⑵對比度調(diào)整點處理算法的另一個應用是圖像對比度的調(diào)整。對比度調(diào)整方法就是首先找到像點亮度的閥值，然后把閥值以上的像點增加亮度，閥值以下的像點降低亮度，造成像點的亮度向極端方向變化的趨勢，使像點的亮度產(chǎn)生較大差異，從而達到增加對比度的目的。（a）低對比度（b）正常對比度（c）高對比度2009-3-291:33PM⑶圖像亮度反置

圖像亮度反置是點處理算法的又一種應用，即是把圖像點的亮度向相反方向變化，即亮度高→暗，亮度低→亮，形成類似照片負片的效果。基本原理是用最大允許亮度值減去當前像點的亮度值，并將此差值作為該像點的新值，計算公式為：Lnew=Lmax－L（a）普通“陽?！眻D像（b）亮度反置的“陰?！眻D像2009-3-291:33PM

2、圖像的模板處理圖像的模板處理范圍比點處理大，處理的對象是一組像點，因此又叫鄰域處理。主要有圖像兩種處理手段：圖像平滑，即通過積分過程使得圖像邊緣模糊；圖像銳化，即通過微分而使圖像邊緣突出、清晰。⑴圖像銳化處理

圖像銳化就是一種通過運算而適當增加像點之間亮度差異的方法，從數(shù)學角度上講就是對圖像進行微分處理。用這種方法可以去掉引起圖像質(zhì)量劣化的原因之一“模糊”，并使圖像輪廓分明。圖像銳化目的是加強圖像中景物的邊緣和輪廓，銳化作用是要使灰度反差增強。圖像銳化法最常用的是梯度法。2009-3-291:33PM（2）圖像邊緣處理

圖像邊緣處理通常是指增強邊緣影像，使圖像的輪廓較為清晰。在制作特殊的藝術(shù)效果時，通常也使用圖像邊緣處理手段。2009-3-291:33PM（3）圖像柔化處理圖像的柔化處理與銳化處理正好相反，柔化處理追求圖像柔和的過渡和朦朧的效果，采用計算相鄰像素平均值的運算方法。2009-3-291:33PM4.3.2圖像的幾何變換圖像的幾何變換是指經(jīng)過運算，改變圖像的像素位置和排列順序，從而實現(xiàn)圖像的放大與宿小、圖像旋轉(zhuǎn)、圖像鏡像，以及圖像平移等效果的處理過程。（1）圖像的放大與縮小圖像的放大與縮小是一種幾何處理。圖像在放大時，原圖像的一個像點變成若干個像點，使被放大的圖像像點數(shù)量大于原圖像，而像點排列密度是固定不變的，因此達到放大圖像的目的。

縮小圖像與放大圖像正好相反。在縮小圖像時，原圖像的多個像點變成一個像點，像點數(shù)量的減少，使圖像的幾何尺寸縮小了?？s小的圖像與原圖像相比，像點的對應關(guān)系發(fā)生很大變化，大量像點的丟失，使圖像的細節(jié)難以辨認。2009-3-291:33PM不論圖像進行放大還是縮小，其縮放比例很重要。對圖像進行整比放大時，如放大1倍、2倍、3倍，像點增加數(shù)目為1個、2個、3個，不存在小數(shù)，放大的圖像不會產(chǎn)生畸變。如果圖像放大不是整倍數(shù)，例如1.2倍、1.75倍或2.41倍，則像點增加的個數(shù)不是整數(shù)，此時需要計算線性差值，以整數(shù)個像點作為圖像數(shù)據(jù)。由于圖像在縮放時不能保證象素之間對應的映射關(guān)系，如果多次進行圖像縮放的話，將會產(chǎn)生非常大的圖像畸變。因此，在圖像處理中，為了保證圖像質(zhì)量，一般不進行一次以上的縮放操作。2009-3-291:33PM（2）圖像旋轉(zhuǎn)

圖像的旋轉(zhuǎn)主要是指圖像在平面上繞軸旋轉(zhuǎn)。圖像旋轉(zhuǎn)軸垂直于平面，圖像繞軸旋轉(zhuǎn)一個角度。由于圖像在旋轉(zhuǎn)時存在運算誤差和差值誤差，因此，在進行圖像處理時，旋轉(zhuǎn)操作應盡可能一次完成，以減少圖像失真。如果進行多次旋轉(zhuǎn)操作，則運算誤差和差值誤差會累計增大，造成較大的畸變失真。（3）圖像鏡像

把圖像進行水平翻轉(zhuǎn)或者垂直翻轉(zhuǎn)，是幾何處理的又一種應用形式。該處理能夠形成圖像的鏡像。鏡像的形成比較簡單，只需改變像點的排列順序即可。如果把對應于縱向中軸線左右的像點位置對調(diào)，就能形成圖像的水平鏡像；若把對稱于橫向中軸線上下的像點位置對調(diào)，即可形成垂直鏡像。2009-3-291:33PM

(a)原圖像(b)水平鏡像(c)垂直鏡像4.圖像平移

圖像的平移也是幾何處理的一種形式，圖像在平移時，其像點之間的相對位置不變，而像點的絕對坐標發(fā)生變化。圖像可整體平移，也可局部平移。圖像在平移后，其坐標對應關(guān)系如下：2009-3-291:33PM●獲取Windows界面(抓圖)●獲取整屏畫面PrintScreenWindows的公用剪貼板Word／畫圖Alt●＋

獲取當前窗口PrintScreen獲取Windows界面●使用圖形●如果在Word中使用，先粘貼到畫圖工具中，保存文件后，再在Word中插入圖片

●粘貼到畫圖工具后，選擇“24位位圖(bmp)”保存圖形畫圖工具2009-3-291:33PM6.3圖像的幀處理

將一幅以上的圖像以某種特定的形式合成在一起，形成新的圖像，這個過程就是圖像的幀處理。所謂“特定的形式”是指：1）經(jīng)過“邏輯與”運算進行圖像的合成。2）按照“邏輯或”運算關(guān)系合成。3）以“異或”邏輯運算關(guān)系進行合成。4）圖像按照相加、相減以及有條件的復合算法進行合成。5）圖像覆蓋、取平均值進行合成。圖像處理軟件通常具有圖像的幀處理功能，并且可以多種特定的形式合成圖像。2009-3-291:33PM⑴動態(tài)原理●動態(tài)圖像定義多幀圖像的有序組合10動態(tài)圖像文件Δt●動態(tài)原理Δt≤1/24s(視覺滯留時間)，就會在人眼產(chǎn)生連續(xù)活動視覺效果?！駝討B(tài)圖像:是連續(xù)漸變的靜態(tài)圖像或圖形序列，沿時間軸順次更換顯示，從而構(gòu)成運動視覺感受的媒體。分兩類：動畫、視頻信號⑴動畫：是圖像由人工或計算機產(chǎn)生。⑵視頻：是通過實時攝取自然景象或活動對象?！駝討B(tài)圖像特點具有時間上的連續(xù)性和延續(xù)性、具有幀間的相關(guān)性、具有強烈的實時性。2009-3-291:33PM⑵動態(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#……2009-3-291:33PM⑶動態(tài)圖像文件描述動態(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動畫文件特點：具有足夠畫面，但最大像素為216；幀間速