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第 2 章 : 图像基本知识

第 2 章 : 图像基本知识. 引言. 图像是多媒体中携带信息的极其重要的媒体，有人发表过统计资料，认为人们获取的信 息的 60 ％来自视觉系统，实际就是图像。 图像信息的处理也经历了由模拟到数字的过程； 模拟时代的核心代表是电视； 数字时代的标志是计算机的图像处理功能；. 第一节：色彩的基本知识. 1 、色彩的来源 —— 可见光 物体由于内部物质的不同，受光线照射后，产生光的分解现象。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色彩。所以，色彩和光有密切关系，同时还与被光照射的物体有关，并与观察者有关。

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第 2 章 : 图像基本知识

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  1. 第2章:图像基本知识 《多媒体通信》

  2. 引言 • 图像是多媒体中携带信息的极其重要的媒体，有人发表过统计资料，认为人们获取的信息的60％来自视觉系统，实际就是图像。 • 图像信息的处理也经历了由模拟到数字的过程； • 模拟时代的核心代表是电视； • 数字时代的标志是计算机的图像处理功能； 《多媒体通信》

  3. 第一节：色彩的基本知识 • 1、色彩的来源——可见光 • 物体由于内部物质的不同，受光线照射后，产生光的分解现象。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色彩。所以，色彩和光有密切关系，同时还与被光照射的物体有关，并与观察者有关。 • 色彩是通过光被我们所感知的，而光实际上是一种按波长辐射的电磁能。 《多媒体通信》

  4. a  电磁波谱 b  可见光谱 波长约350－750纳米的光波能被人眼所接收，称为可见光。不同的色光实际也对应于不同波长的光波。 《多媒体通信》

  5. 2、色彩的色调、亮度和饱和度 • 从人的视觉系统看，色彩可用色调、饱和度和亮度来描述。人眼看到的任一彩色光都是这三个特性的综合效果，这三个特性可以说是色彩的三要素 • 色调与光波的波长有直接关系； • 亮度和饱和度与光波的幅度有关。 《多媒体通信》

  6. (1) 色调 • 色调是相对连续变化的。可以用一个园环来表现色谱的变化。 红橙黄绿蓝紫六标准色与五个中间色，即橙红，黄绿，蓝绿（青），蓝紫，红紫（品红），合称十二色相或色调。 把不同的色调按红橙黄绿蓝紫的顺序衔接起来，就形成了一个色调连续变化过渡的圆环，称作为色环 《多媒体通信》

  7. (2)亮度与明度 • 同一物体受光强度不同会产生明度上的变化 彩色图像中的亮度对应于黑白图像中的灰度。 • 不同颜色的光，强度相同时照射同一物体也会产生不同的亮度感觉。 • 明度是指各种纯正的色彩相互比较所产生的明暗差别。在纯正光谱中，黄色的明度最高，显得最亮；其次是橙、绿；再其次是红、蓝；紫色明度最低，显得最暗。 《多媒体通信》

  8. (3) 饱和度与纯度 对于同一色调的彩色光，饱和度越深，颜色越鲜明或说越纯，相反则越淡。 饱和度越高，色彩越艳丽、越鲜明突出，越能发挥其色彩的固有特性。 《多媒体通信》

  9. 3、色彩的混合 • 光的三基色： • 色光的基色或原色为红（R）、绿（G）、蓝（B）三色。 • 色光混合： • 三原色以不同的比例相混合，可成为各种色光，但原色却不能由其它色光混合而成。 • 互补色： • 凡是两种色光相混合而成白光，这两种色光互为补色（Complementary Colors）。 《多媒体通信》

  10. 图：RGB三色图 （其中：R、C；G、M； B、Y互为补色。） 《多媒体通信》

  11. 第二节：图像的色彩表示技术 • 色彩表示技术是图像处理技术中的一个首要环节。 • 自然界中的颜色成千上万，要处理这些颜色必须找到一种表示它们的简单方法； • 色彩表示技术是图象实现电子化、计算机化处理的基础； 《多媒体通信》

  12. 1、色彩的空间表达 • 在一个典型的多媒体计算机系统中，常常涉及到用几种不同的色彩空间表示图形和图像的颜色，以对应于不同的场合和应用。 • 数字图像的生成、存贮、处理及显示都与色彩空间密切相关，不同的色彩空间需要作不同的处理和转换。 《多媒体通信》

  13. (1) RGB色彩空间 • 采用R、G、B相加混色的原理来产生色彩的方法称为RGB色彩空间表示。 • 在多媒体计算机技术中，用的最多的是RGB色彩空间表示。 • RGB色彩空间采用物理三基色表示，因而物理意义很清楚，适合彩色显象管工作。然而这一体制并不适应人的视觉特点。因而，产生了其它不同的色彩空间表示法。 《多媒体通信》

  14. 根据三基色原理，用基色光单位来表示光的量，则在RGB色彩空间，任意色光F都可以用R、G、B三色不同分量的相加混合而成：根据三基色原理，用基色光单位来表示光的量，则在RGB色彩空间，任意色光F都可以用R、G、B三色不同分量的相加混合而成： • F＝r [ R ] + g [ G ] + b [ B ] 《多媒体通信》

  15. (2) CMY色彩空间 • 彩色印刷或彩色打印中油墨或颜料的三基色是青(Cyan)、品红(Magenta)和黄(Yellow)，简称为CMY。 • 理论上说，任何一种由颜料表现的色彩都可以用这三种基色按不同的比例混合而成，这种色彩表示方法称CMY色彩空间表示法。彩色打印机和彩色印刷系统都采用CMY色彩空间。 • 这种色彩模型一般称为相减混色模型，用这种方法产生的颜色之所以称为相减色，主要是因为它减少了为视觉系统识别颜色所需要的反射光。 《多媒体通信》

  16. 相减混色系统 《多媒体通信》

  17. cyan Magenta CMY空间正好与RGB空间互补，也即用白色减去RGB空间中的某一色彩值就等于同样色彩在CMY空间中的值。RGB空间与CMY空间的互补关系如下表所示： 《多媒体通信》

  18. RGB彩色空间和CMY彩色空间的表示法 CMY RGB 《多媒体通信》

  19. (3) HSI色彩空间 • HSI色彩空间是从人的视觉系统出发，用色调（Hue）、色饱和度（Saturation）和亮度（Intensity）来描述色彩。 • 通常把色调和饱和度通称为色度，用来表示颜色的类别与深浅程度。 • 由于人的视觉对亮度的敏感程度远强于对颜色浓淡的敏感程度，为了便于色彩处理和识别，人的视觉系统经常采用HSI色彩空间，它比RGB色彩空间更符合人的视觉特性。在图像处理和计算机视觉中大量算法都可在HSI色彩空间中方便地使用。 • 可以大大简化图像分析和处理的工作量。 《多媒体通信》

  20. HSI色彩空间和RGB色彩空间只是同一物理量的不同表示法，因而它们之间存在着转换关系，如公式所示：HSI色彩空间和RGB色彩空间只是同一物理量的不同表示法，因而它们之间存在着转换关系，如公式所示： 《多媒体通信》

  21. (4) YUV与YIQ彩色空间 • 在彩色电视制式中，使用YUV和YIQ模型来表示彩色图像。 • 在PAL彩色电视制式中使用YUV模型，其中的YUV不是哪几个英文单词的组合词，而是符号，Y表示亮度，UV用来表示色差，U、V是构成彩色的两个分量； • 在NTSC彩色电视制式中使用YIQ模型，其中的Y表示亮度，I、Q是两个彩色分量。 《多媒体通信》

  22. YUV色彩空间的特点： • 用亮度信号Y和两个色差信号U、V表示图象的色彩； • 如果只有Y信号分量而没有U、V分量，那么这样表示的图就是黑白灰度图； • 彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色信号。 《多媒体通信》

  23. YUV色彩空间与RGB色彩空间的转换关系如下： 《多媒体通信》

  24. Sampling • Y: luminance明亮度 • Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B • U, V: chrominance色彩差异度 • U = B – Y, V = R - Y 《多媒体通信》

  25. 显示器 显 卡 计算机系统 第三节：计算机的显示原理 • 图像显示过程： • 计算机系统处理数字图像数据，把处理好的数据送到“显示卡”的显存中； • 显卡把V-RAM中的数据转化为显示器可以接受的同步和亮度信号，送往显示器； • 显示器显示图像信号； 《多媒体通信》

  26. 显示卡 • 显示卡是计算机与显示器之间的接口设备 • 显示卡的显示方式： • 字符方式：对Ｖ－ＲＡＭ中直接写字符编码，从编码到监视器信号的转换直接由显卡硬件完成； • 图形方式：在Ｖ－ＲＡＭ中记录下各点的亮度信号，显卡根据这些数据，直接生成监视器可以接受的信号； 《多媒体通信》

  27. 第四节：数字图象 • 人眼能识别的自然景象或图像源也是一种模拟信号； • 为了使计算机能够记录和处理图像、图形，必须首先使其数字化。数字化后的图像、图形称为数字图像、数字图形，一般也简称为图像、图形。 • 计算机中的图形图像分为矢量图和位图。 《多媒体通信》

  28. 1、矢量图 • 矢量图（vector - based image）是用一系列计算机指令来描述和记录一幅图，这幅图可分解为一系列子图如点、线、面等。 • 矢量图的描述方法是用数学的方式来描述一幅图形，因此需要专门的软件来解释对应的图形指令。如Autodesk公司开发的 AUTOCAD软件，它特别适于绘制机械图，电路图等。 • 当图变得很复杂时，计算机就要花费很长的时间去执行绘图指令才能把一幅图显示出来。复杂的图形很难用矢量图来表示。 《多媒体通信》

  29. 矢量图的优点： • 图形由各种图形对象组成，便于分解处理； • 图形对象的移动、缩放、旋转、复制、属性的改变也很容易做到； • 图形的数据量大小大大减少； • 是创作三维动画的基础； 《多媒体通信》

  30. 2、位图 • 位图（bit-mapped image），是用像素点来描述或映射的图，也即位映射图。 • 位图可以采用将自然图像进行模数转换的方式来获取，这个过程称为图像的扫描。 • 位图的获取通常用扫描仪，以及摄像机、录相机、激光视盘与视频信号数字化卡一类设备，通过这些设备把模拟的图像信号变成数字图像数据 《多媒体通信》

  31. 位图的特点： • 位图的绘制过程就是逐点映射的过程，与图像的复杂程度无关； • 位图的表现力强，可适于任何自然图像，细腻、层次多、细节多。 • 位图文件占据的存储器空间比较大。 • 影响位图文件大小的因素主要有两个：图像分辨率和像素深度。 • 分辨率越高，组成一幅图的像素越多，图像文件越大； • 像素深度越深，表达单个像素的颜色和亮度的位数越多，图像文件就越大。 • 矢量图文件的大小则主要取决图的复杂程度。 《多媒体通信》

  32. 位图与矢量图的比较 《多媒体通信》

  33. 3、位图的三个基本属性 • 描述一幅图像需要使用图像的属性，图像的属性： • 分辨率； • 像素深度； • 真/伪彩色； 《多媒体通信》

  34. (1) 分辨率 • 经常遇到的分辨率有两种：显示分辨率和图像分辨率。 • 图像分辨率与显示分辨率是两个不同的概念；。 • 图像分辨率是确定组成一幅图像的像素数目，而显示分辨率是确定显示图像的区域大小及精度； 《多媒体通信》

  35. 图像分辨率 • 图像分辨率是指组成一幅图像的像素密度的度量方法 • 对同样大小的一幅图，如果组成该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； • 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(dots per inch，DPI)表示。如果用300 DPI来扫描一幅″8×10″的彩色图像，就得到一幅2400×3000个像素的图像。 • 分辨率越高，像素就越多。 《多媒体通信》

  36. 按照不同的图像分辨率来扫描图像 图像B放大四倍 图像A：200dpi 图像B：50dpi 《多媒体通信》

  37. 显示分辨率 • 显示分辨率是指显示屏上能够显示出的像素数目 • 显示分辨率为640×480表示显示屏分成480行，每行显示640个像素，整个显示屏就含有307200个显像点。 • 屏幕能够显示的像素越多，说明显示设备的分辨率越高，显示的图像质量也就越精细。 • 显示屏上的每个彩色像点由代表R，G，B三种模拟信号的相对强度决定，这些彩色像点就构成一幅彩色图像。 《多媒体通信》

  38. 为什么同样 尺寸的计算机显示器比电视机的价格贵得多？ • 计算机监视器与电视的显示分辨率 • 两者采用的技术基本相同，比如CRT、液晶等显示技术； • 主要的区别在于不同的显示分辨率； • 孔眼之间的距离称为点距(dot pitch)。因此常用点距来衡量一个显示屏的分辨率。电视机用的CRT的平均分辨率为0.76 mm，而标准SVGA显示器的分辨率为0. 28 mm。 • 孔眼越小，分辨率就越高，。 《多媒体通信》

  39. (2) 像素深度 • 像素深度是指存储每个像素所用的bit位数 • 像素深度决定彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或者确定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数 ； • 例如，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，就说像素的深度为24，每个像素可以是2^24=16777216种颜色中的一种。 《多媒体通信》

  40. 在用32位表示一个像素时，若R，G，B分别用8位表示，剩下的8位常称为α通道(alpha channel)位，或称为复盖(overlay)位、中断位、属性位。 • 它的用法可用一个预乘α通道(premultiplied alpha)的例子说明。假如一个像素(A，R，G，B)的四个分量都用规一化的数值表示，(A，R，G，B)为(1，1，0，0)时显示红色。当像素为(0.5,1,0,0)时，预乘的结果就变成(0.5,0.5,0,0)，这表示原来该像素显示的红色的强度为1，而现在显示的红色的强度降了一半。 • 用这种办法定义一个像素的属性在实际中很有用。 • 例如在一幅彩色图像上叠加文字说明，而又不想让文字把图复盖掉，就可以用这种办法来定义像素，而该像素显示的颜色又有人把它称为混合色(key color)。在图像产品生产中，也往往把数字电视图像和计算机生产的图像混合在一起，这种技术称为视图混合(video keying)技术，它也采用α通道。 《多媒体通信》

  41. 图像深度与显示深度 • 图像深度是图像文件中记录一个像素点所需要的位数；显示深度表示显示缓存中记录屏幕上一个点的位数（bit），也即显示器可以显示的色彩数。 • 因此，显示一幅图像时，屏幕上呈现的色彩效果与图像文件所提供的色彩信息有关，也即与图像深度有关；同时也与显示器当前可容纳的色彩容量有关，也即与显示深度有关。 《多媒体通信》

  42. 图像质量与显示深度和图像深度的关系 • 显示深度大于等于图像深度 • 显示深度小于图像深度 • 根据以上的分析，我们很容易理解为什么有时用真彩色记录图像，但在VGA显示器上显示的色彩却不是原图像的色彩。因此，在多媒体应用中，图像深度的选取要从应用环境出发综合考虑。 《多媒体通信》

  43. (3) 真彩色、伪彩色 • 真彩色(true color) • 指在组成一幅彩色图像的每个像素值中，有R，G，B三个基色分量，每个基色分量直接决定显示设备的基色强度，这样产生的彩色称为真彩色。 • 例如图像深度为24，用R：G：B＝8：8：8来表示色彩，则R、G、B各占用8位来表示各自基色分量的强度，每个基色分量的强度等级为2^8＝256种。图像可容纳2^24＝16M种色彩。这样得到的色彩可以反映原图的真实色彩，故称真彩色。 《多媒体通信》

  44. 伪彩色图像的含义是: • 每个像素的颜色不是由每个基色分量的数值直接决定，而是把像素值当作彩色查找表的表项入口地址，去查找一个显示图像时使用的R，G，B强度值，用查找出的R，G，B强度值产生的彩色称为伪彩色。 • 彩色查找表是一个事先做好的表，在VGA显示系统中，调色板就相当于色彩查找表。 《多媒体通信》

  45. 真彩色和伪彩色图像之间的差别 《多媒体通信》

  46. 调色板与图像原有色彩匹配 调色板与原图不匹配 真彩色显示 《多媒体通信》

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