1、多媒体技术之彩色数字图像基础第一页，共51页。分析以下的基本现象：为什么计算R、G、B三个分量就可以使人有颜色的视觉感觉？2第二页，共51页。基本概念基本概念颜色是外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉，影响的因素有：4物体本身4光源4周围环境4观察者的视觉系统3第三页，共51页。光光 光的本质：电磁波4可见光：780nm380nm4波长大于780纳米的电磁波是红外线，微波和广播无线电波。4波长小于380纳米的电磁波是紫外线，X射线和宇宙射线。4第四页，共51页。可见光可见光可见光的光谱颜色波长频率 红色 约625740纳米 约480405兆赫 橙色 约590625纳米 约510480
2、兆赫 黄色 约565570纳米 约530510兆赫 绿色 约500565纳米 约600530兆赫 青色 约485500纳米 约620600兆赫 蓝色 约440485纳米 约680620兆赫 紫色 约380440纳米 约790680兆赫 5第五页，共51页。颜色感知颜色感知颜色是视觉系统对可见光的感知结果物体由于内部物质的不同，受光线照射后，一部分光线被吸收，其余的被反射或投射出来，成为我们所见的物体的颜色。所以，颜色既与光有密切关系，也与被光照射的物体，以及与观察者均有关。6第六页，共51页。感知颜色的原理感知颜色的原理光的存在（光源色）物体的表面特性（物体色）人眼的视觉功能7第七页，共51页
3、。眼睛眼睛眼睛本质上是一个照相机。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)，或者是一个对颜色不敏感的杆状体(rod)。视网膜有对红、绿、蓝颜色敏感程度不同的三种锥体锥体细胞8第八页，共51页。颜色感知颜色感知 红(L-cone)、绿(M-cone)和蓝(S-cone)三种锥体细胞对不同频率、不同亮度的光感知程度不同，人们可以使用数字图像处理技术来降低数据率而不感到图像质量明显下降。各个波长的光的强度相等9第九页，共51页。颜色感知的三要素颜色感知的三要素色调（Hue）4表示光的颜色，决定于光的波长饱和度（Satura
4、tion）4也称为纯度或彩度，指彩色的深浅或鲜艳程度，通常指彩色中白光含量的多少亮度（Luminance）4表示某种颜色在人眼视觉上引起的明暗程度，与光的强度有关。4饱和度/亮度与光幅度有关人眼看到的任一彩色光都是这三个特性的综合效果 10第十页，共51页。色调（色调（Hue）色调反映颜色的类别，如红色、绿色、蓝色等。色调大致对应光谱分布中的主波长。11第十一页，共51页。饱和度（饱和度（Saturation）饱和度是指彩色光所呈现颜色的深浅或纯洁程度。对于同一色调的彩色光，其饱和度越高，颜色就越深，或越纯；而饱和度越小，颜色就越浅，或纯度越低。高饱和度的彩色光可因掺入白光而降低纯度或变浅，变
5、成低饱和度的色光。100%饱和度的色光就代表完全没有混入白光的纯色光。饱和度增加12第十二页，共51页。亮度（亮度（luminance）亮度是光作用于人眼时引起的明亮程度的感觉。一般来说，彩色光能量大则显得亮，反之则暗。13第十三页，共51页。Windows调色板调色板14第十四页，共51页。颜色模型颜色模型是用来精确标定和生成各种颜色的一套规则和定义。15第十五页，共51页。不同模型不同模型有源物体：能发光的物体，颜色由该物体发出的光波决定，无源物体：不发光的物体，颜色由该物体吸收或者反射的光波决定16第十六页，共51页。颜色空间颜色空间颜色空间4某种颜色模型所标定的所有颜色就构成了一个颜色
6、空间。4颜色空间是用一种数学方法形象化表示颜色。4通俗一点讲，就是各种色彩的集合，色彩的种类越多，颜色空间越大，能够表现的色彩范围即色域越广。17第十七页，共51页。颜色空间分类颜色空间分类从颜色感知的角度来分类，颜色空间可考虑分成如下三类：混合(mixture)型颜色空间 4RGB CMY CMYK XYZ非线性亮度/色度(luma/chroma)型颜色空间 4YUV YIQ强度/饱和度/色调(intensity/saturation/hue)型颜色空间 4HSV HSL18第十八页，共51页。混合混合(mixture)型颜色空间型颜色空间按三种基色的比例合成颜色。基色是指互为独立的单色，任
7、一基色都不能由其他两种基色混合产生。实现证明选择红色、绿色和蓝色这三种相互独立的基色，按照不同比例组合，可以配出的大部分与自然界色彩相符的颜色，能引起人眼各种不同的彩色感。19第十九页，共51页。RGB绝大部分可见光谱都可用红、绿和蓝(RGB)三原色光按不同比例和强度的混合来表示。20第二十页，共51页。颜色R(红色比例)G(绿色比例)B(蓝色比例)当三基色等量相加时，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。21第二十一页，共51页。RGB加色加色22第二十二页，共51页。Lena RGB ImageRed Chann
8、elGreen ChannelBlue Channel23第二十三页，共51页。加色模型加色模型阴极射线管CRT(cathode ray tube)是一个有源物体，使用3个电子枪分别产生红、绿和蓝三种波长的光，并以各种不同的相对强度综合起来产生相加混色，称为RGB相加模型24第二十四页，共51页。CRT25第二十五页，共51页。减色模型减色模型彩色印刷或彩色打印的纸张是不能发射光线的，因而印刷机或彩色打印机就只能使用一些能够吸收特定的光波而反射其他光波的油墨或颜料。颜料的特性刚好和光线相反，颜料是吸收光线，而不是增强光线。26第二十六页，共51页。CMY油墨或颜料的3基色是青（Cyan）、品红
9、（Magenta）和黄（Yellow），简称为CMY。青色对应蓝绿色，品红对应紫红色。理论上说，任何一种由颜料表现的颜色都可以用这三种基色按不同的比例混合而成，这种颜色表示方法称CMY颜色空间表示法。彩色打印机和彩色印刷系统都采用CMY颜色空间。27第二十七页，共51页。在CMY相减混色中，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)。28第二十八页，共51页。CMY29第二十九页，共51页。CMY与与RGBCMY空间
10、正好与RGB空间互补4也即用白色减去RGB空间中的某一颜色值就等于同样颜色在CMY空间中的值。【例】当RGB为1:1:1时，在相加混色中产生白色，而CMY为1:1:1时，在相减混色中产生黑色。RGB相加混色 CMY相减混色 对应颜色 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 30第三十页，共51页。第三十二页，共51页。彩色打印机和彩色印刷系统都采用CMY颜色空间。某种颜色模型所标定的所有颜色就构成了一个颜色空间。无源物体：不发光的物体，颜色由该
11、物体吸收或者反射的光波决定RGB和YUV的对应关系可以近似地用下面的方程式表示：饱和度是指彩色光所呈现颜色的深浅或纯洁程度。第二十九页，共51页。绝大部分可见光谱都可用红、绿和蓝(RGB)三原色光按不同比例和强度的混合来表示。Solution:8x6x300 x9/8 Bytes表示光的颜色，决定于光的波长约680620兆赫可见光：780nm380nm第四十八页，共51页。第三十二页，共51页。Solution:8x6x300 x9/8 BytesRGB CMY31第三十一页，共51页。RGB和CMY的表示法32第三十二页，共51页。CMYK理论上将印刷三原色混合之后，应该可以将红绿蓝光通通吸
12、收而得到黑色。由于彩色墨水和颜料的化学特性，现实生活中并找不到这种光线吸收、反射特性都十分完美的颜料，将三种颜色混合后还是会有些许光线反射出来，而呈现暗灰色或深褐色。因此在印刷术中常加一种真正的黑色（black ink），所以CMY又写成CMYK。33第三十三页，共51页。34第三十四页，共51页。非线性亮度非线性亮度/色度型颜色空间色度型颜色空间 用一个分量表示非色彩的感知，用两个独立的分量表示色彩的感知。当需要黑白图像时，这样的系统非常方便。人眼对彩色细节的分辨能力远比对亮度细节的分辨能力低。35第三十五页，共51页。YUV在PAL彩色电视制式中使用YUV模型，其中Y表示亮度，UV用来表示
13、色差，U、V是构成彩色的两个分量。36第三十六页，共51页。YUV与与RGB彩色空间变换彩色空间变换 RGB和YUV的对应关系可以近似地用下面的方程式表示：Y=0.299R+0.587G+0.114BU=-0.147R-0.289G+0.436BV=0.615R-0.515G-0.100B37第三十七页，共51页。强度强度/饱和度饱和度/色调型颜色空间色调型颜色空间 用饱和度和色度描述色彩的感知，可使颜色的解释更直观，而且对消除光亮度的影响很有用。38第三十八页，共51页。HSL在HSL（Hue、Saturation Lightness、）模型中，H定义色调；S定义颜色的深浅程度或饱和度；L定
14、义亮度。RGB模型和CMYK模型主要是面向设备的，用HSL模型描述颜色更加自然，符合人眼对颜色的感知方式，比较容易为画家所理解，但使用时却不方便，所以显示时要转换成RGB模式，印刷要转换成CMYK39第三十九页，共51页。模型转换模型转换在进行视频图像处理时，常常会涉及到用几种不同色彩模型（或颜色模型）来表示图像的颜色。各个应用领域一般使用不同的色彩模型，如计算机显示时采用的是RGB模型，彩色电视信号传输时采用YUV模型，打印输出彩色图像时用CMY模型40第四十页，共51页。色盲色盲色盲是指缺乏或完全没有辨别色彩的能力。在人的视网膜上有一种感光细胞锥细胞，它有红、绿、蓝3种感光色素。每一种感光
15、色素主要对一种原色光产生兴奋，而对其余两种原色光产生程度不等的反应。如果某一种色素缺乏，则会产生对此种颜色的感觉障碍，表现为色盲或色弱（辨色力弱）。41第四十一页，共51页。正常正常缺少缺少L-cone,红色盲红色盲缺少缺少M-cone，绿色盲，绿色盲缺少缺少S-cone，蓝黄色盲，蓝黄色盲 42第四十二页，共51页。色盲测试色盲测试男：8%,女:0.5%43第四十三页，共51页。44第四十四页，共51页。图像的基本属性图像的基本属性分辨率像素深度真/伪彩色 图像的表示法和种类 45第四十五页，共51页。图像分辨率 组成一幅图像的像素(pixel)密度的度量方法。对同样大小的一幅图，如果组成该
16、图的图像像素数目越多，则说明图像的分辨率越高，看起来就越逼真。相反，图像显得越粗糙。在用扫描仪扫描彩色图像时，通常要指定图像的分辨率，用每英寸多少点(dotsperinch，DPI)表示。如果用300DPI来扫描一幅810的彩色图像，就得到一幅24003000个像素的图像。46第四十六页，共51页。显示分辨率显示分辨率显示分辨率是确定显示图像的区域大小。4如果显示屏的分辨率为640480，那么一幅320240的图像只占显示屏的1/4；相反，24003000的图像在这个显示屏上就不能显示一个完整的画面。47第四十七页，共51页。像素深度像素深度像素深度像素深度：指存储每个像素所用的位数，也用来度
17、量图像的分辨率。像素深度决定彩色图像每个像素可能有的颜色数，或者确定灰度图像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，其深度就越深。48第四十八页，共51页。例子例子【例】一幅彩色图像的每个像素用R，G，B三个分量表示，若每个分量用8位，那么一个像素共用24位表示，像素深度为24，每个像素可以是224=16777216种颜色中的一种。在这个意义上，往往把像素深度说成是图像深度图像深度。表示一个像素的位数越多，它能表达的颜色数目就越多，其深度就越深。49第四十九页，共51页。QuizSuppose we have a color image with size 8x 6,the resolution is 300 DPI,each pixel has 512 possible colors,if it is stored without compression,how much disk space it would occupy?Solution:8x6x300 x9/8 BytesSolution:8x6x300 x300 x9/8=4860000 Bytes50第五十页，共51页。本章结束第五十一页，共51页。
