第五讲 色彩和图像1

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,色彩和图像,淮永建,北京林业大学信息学院,huaiyj,2024/9/16,1,音频技术回顾,2024/9/16,2,音频三要素,数字音频,音频文件容量计算,音频压缩编码,PCM,ADPCM,Sub-DPCM,熵编码,音频文件格式,Mpeg,Midi,实验准备,Audition,音频编辑软件,MPEG,音频编码器结构,2024/9/16,3,MPEG,音频编码器结构,时,频分析,心理声学模型,量化,位分配,熵编码,复用,参数,参数,输入,输出数据流,掩蔽阈值,合成音乐的产生过程,2024/9/16,4,MIDI,乐器,MIDI,接口,音序器,合成器,扬声器,MIDI,文件,MIDI,指令,模拟音,频信号,PC,机,音频卡,主要内容,2024/9/16,5,色彩的基本概念,色彩的空间表达,数字图像,图像编码简介,图像文件结构,色彩的基本概念,2024/9/16,6,色彩的来源,色调、亮度和饱和度,色彩的混合与互补,色彩的来源,2024/9/16,7,色彩是是视觉系统对可见光的感知结果。,太阳发射的可见光是由各种色光组合而成的白光。可见光是波长在,380 nm,780 nm,之间的电磁波，我们看到的大多数光不是一种波长的光，而是由许多不同波长的光组合成的。,白光分解为红、橙、黄、绿、蓝、紫六个标准色光谱。,光波、可见光波与颜色的关系,2024/9/16,8,波长（,nm,）,500,600,紫,400,700,750,紫蓝,蓝,蓝,绿,绿,绿黄,黄,橙,橙红,红,350,可见光,波长,0.005nm,5nm,350nm,750nm,0.4mm,射线,射线,紫外线,红外线,无线电波,0.01nm,10km,人的视觉系统,2024/9/16,9,研究表明，人的视网膜有对红、绿、蓝颜色敏感程度不同的三种锥体细胞，另外还有一种在光功率极端低的条件下才起作用的杆状体细胞，因此颜色只存在于眼睛和大脑。,在计算机图像处理中，杆状细胞还没有扮演什么角色。人的视觉系统对颜色的感知可归纳出如下几个特性：,人的视觉系统,2024/9/16,10,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),。,红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的光的感知程度不同，对不同亮度的感知程度也不同，如图所示。这就意味着，人们可以使用数字图像处理技术来降低数据率而不使人感到图像质量明显下降。,视觉系统对颜色和亮度的响应特性,2024/9/16,11,色调、亮度和饱和度,2024/9/16,12,光的物理性质：波长和幅度,人眼对色彩的感觉：色调、饱和度和亮度,色彩的基本要素：,波长,明度（亮度）,幅度,色彩划分为,11,级,0,级,黑,10,级,白,1,9,级灰度,1,3,级低调,4,6,中调,7-9,级高调,色相,色度,饱和度（色光的纯度）,色调与色相,2024/9/16,13,黄,红,紫,蓝,蓝绿,绿,黄绿,橙红,紫红,蓝紫,人眼对一种或多种光波的色彩感觉。,太阳光带的六种标准色，以及标准色之间的中间色，构成十二色相或色调,色相环,2024/9/16,14,12,色相环,24,色相环,亮度与明度,2024/9/16,15,光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉，是指色彩明暗深浅的程度，也可称为色阶。,1.,物体呈现的色彩与该物体反射光的强度有关,如：同一物体因受光不同将产生明度变化,2,明度或亮度感还与人类视觉系统的视敏函,数有关,如：相同强度的不同色光亮度感不同,同一物体因受光不同将产生明度变化,2024/9/16,16,相同强度的不同色光亮度感不同,2024/9/16,17,亮度与明度,2024/9/16,18,灰度：从黑到白之间等间隔的亮度层次,对比度：最大亮度与最小亮度之比,案例：不同对比度的效果,对比度,2024/9/16,19,饱和度与纯度,2024/9/16,20,饱和度：色彩纯粹的程度。,饱和度与标准色彩中掺杂的其它颜色有关。,饱和度还和亮度有关。,不完全饱和 完全饱和 不完全饱和,色彩的混合与互补,色光的混合是光量的增加，三原色相混合而成白光。,所有的基色混合得到白色。,凡是两种色光相混合而成白光，这两种色光互为补色 。,2024/9/16,21,色彩的混合与互补,2024/9/16,22,品红,青色,品红,+,绿,=,白,青色,+,红,=,白,黄,+,蓝色,=,白,色彩表示方法,色立体,2024/9/16,23,Munsell,色立体,5,种主要色相：,R,、,Y,、,G,、,B,、,P,两色之间加入,5,种过渡色相，构成,10,种色的色相环，每种色相细分为,10,个等级，共,100,种色相,R4/14 4,表示明度，,14,表示纯度,2024/9/16,24,Ostwald,色立体,白量,+,黑量,+,纯色量,=100,（总色量）,2024/9/16,25,Ostwald,色立体,2024/9/16,26,色彩的空间表达,2024/9/16,27,RGB:,显示器信号,HIS,：人眼识别,CMY,：彩色印刷,CIE lab,色彩空间,RGB,色彩,通过发射出三种不同强度的电子束，使屏幕内侧覆盖的红、绿、蓝磷光材料发光而产生色彩。,配色方程：,F,r R + g G + b B ,色彩空间模型：相加混色。,2024/9/16,28,RGB,色彩,2024/9/16,29,RGB,色彩空间,2024/9/16,30,RGB,彩色图像空间,2024/9/16,31,R,、,G,、,B,是彩色最基本表示模型，也是计算机系统中所使用的彩色模型,。,RGB5,：,5,：,5,方式 用,2,个字节表示一个像素，具体位分配见图,2.1,。,图,2.1 RGB5,：,5,：,5,方式,RGB8,：,8,：,8,方式,R,、,G,、,B,三个分量各占一个字节。,T(1b),R(5b),G(5b),B(5b),HIS,色彩空间,适合人的视觉系统：,色调（,Hue,）,色饱和度（,Saturation,或,Chroma,）,亮度（,Intensity,或,Brightness,）,2024/9/16,32,2024/9/16,33,白,极浅,浅灰,灰,深灰,极深,黑,浅,亮浅,暗,深,鲜艳,黯淡,完全饱和,HIS,色彩空间模型,2024/9/16,34,HIS,色彩空间模型,HSI,空间,色调和饱和度通称为色度，表示颜色类别与深浅程度。,HSI,色彩空间和,RGB,色彩空间转换公式：,2024/9/16,35,CMY,色彩空间,2024/9/16,36,用彩色墨水或颜料进行混合，这样得到的颜色称为相减色。,在理论上说，任何一种颜色都可以用三种基本颜料按一定比例混合得到。,CMY,模型,青色,(Cyan),品红,(Magenta),黄色,(Yellow),相减色,因为它减少了为视觉系统识别颜色所需要的反射光。,在相减混色中，当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),。,CMY,色彩空间,2024/9/16,37,CMY,色彩空间,2024/9/16,38,彩色打印机采用的就是这种原理，印刷彩色图片也是采用这种原理。,由于彩色墨水和颜料的化学特性，用等量的三基色得到的黑色不是真正的黑色，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,。,按每个像素每种颜色用,1,位表示，相减法产生的,8,种颜色。 见下幻灯片,RGB,与,CMY,的互补关系,RGB,相加混色,CMY,相减混色,对应色彩,0 0 0,1 1 1,黑,0 0 1,1 1 0,蓝,0 1 0,1 0 1,绿,0 1 1,1 0 0,青,1 0 0,0 1 1,红,1 0 1,0 1 0,品红,1 1 0,0 0 1,黄,1 1 1,0 0 0,白,2024/9/16,39,RGB,与,CMY,的互补关系,2024/9/16,40,相加色与相减色之间有一个直接关系。利用它们之间的关系，可以把显示的颜色转换成输出打印的颜色。,相加混色和相减混色之间成对出现互补色。例如，当,RGB,为,111,时，在相加混色中产生白色，而,CMY,为,111,时，在相减混色中产生黑色。,从另一个角度也可以看它们的互补性。从上表可以看到，在,RGB,中的颜色为,1,的地方，在,CMY,对应的位置上，其颜色值为,0,。例如,RGB,为,010,时，对应,CMY,为,101,。,RGB,与,CMY,2024/9/16,41,CMY,立方体,RGB,立方体,色彩空间,CMYK,2024/9/16,42,色彩空间表示,CLE lab,色彩空间,2024/9/16,43,CLE lab,色彩空间,2024/9/16,44,Lab,色彩模式可以说是最大范围的色彩模式，是一种与设备无关的色彩空间，无论使用何种设备（如显示器、打印机、计算机或扫描仪）创建或输出图像，这种模型都能生成一致的颜色,.,Photoshop,中进行,RGB,与,CMYK,模式的转换都要利用,Lab,模式作为中间过渡模式来进行。,Lab,模式在任何时间、地点、设备都惟一性，因此在色彩管理中它是重要的表色体系。,CLE lab,色彩空间,2024/9/16,45,Lightness,亮度 存储图像的明暗调子变化,a,通道包括的色彩从深绿（低亮度值）到灰（中亮度值）再到鲜粉红色（高亮度值）,b,通道包括的色彩从天蓝色（低亮度值）到灰（中亮度值）再到深黄色（高亮度值）。,彩色空间的线性变换标准,2024/9/16,46,意义,使用人的视角特性以降低数据量，通常把,RGB,空间表示的彩色图像变换到其他彩色空间。,彩色空间变换有三种：,YIQ, YUV,和,YCrCb,。,每一种彩色空间都产生一种亮度分量信号和两种色度分量信号，而每一种变换使用的参数都是为了适应某种类型的显示设备。,其中，,YIQ,适用于,NTSC,彩色电视制式，,YUV,适用于,PAL,和,SECAM,彩色电视制式，而,YCrCb,适用于计算机用的显示器。,彩色电视中图像色彩空间模型,2024/9/16,47,在彩色电视制式中，使用,YUV,和,YIQ,模型来表示彩色图像。,PAL,彩色电视制式中使用,YUV,模型，其中的,YUV,不是那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；,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。,YUV,彩色空间,2024/9/16,48,国际无线电咨询委员会根据实验认为采用双倍度采样,4,：,2,：,2,方案效果较好， 提出,CCIR601,标准。,变换公式（,YUV,RGB,）,Y,= 0.299*,R,+ 0.587*,G,+ 0.114*,B,；,U,=-0.169*,R,- 0.332*,G,+ 0.500*,B,；,V,= 0.500*,R,+ 0.419*,G,- 0.081*,B,YIQ,彩色空间,2024/9/16,49,广播电视系统另一种常用的亮度与色差分离的模型。,NTSC,制式彩色空间即为,YIQ,。这里,Y,是亮度，,I,和,Q,共同描述图像的色调和饱和度。,变换公式,(YIQ,RGB),Y,=0.299*,R,+ 0.587*,G,+ 0.114*,B,I,=0.211*,R,- 0.523*,G,+ 0.312*,B,Q,=0.596*,R,- 0.275*,G,- 0.322*,B,YUV,模型特点,2024/9/16,50,亮度信号,(Y),和色度信号,(U,、,V),是相互独立的，也就是,Y,信号分量构成的黑白灰度图与用,U,、,V,信号构成的另外两幅单色图是相互独立的。由于,Y,、,U,、,V,是独立的，所以可以对这些单色图分别进行编码。此外，黑白电视能接收彩色电视信号也就是利用了,YUV,分量之间的独立性。,利用人眼的特性来降低数字彩色图像所需要的存储容量。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。若把人眼刚能分辨出的黑白相间的条纹换成不同颜色的彩色条纹，那末眼睛就不再能分辨出条纹来。由于这个原因，就可以把彩色分量的分辨率降低而不明显影响图像的质量，因而就可以把几个相邻像素不同的彩色值当作相同的彩色值来处理，从而减少所需的存储容量。,YUV,模型特点,2024/9/16,51,压缩图像,要存储,RGB 888,的彩色图像，即,R,、,G,和,B,分量都用,8,位二进制数表示，图像的大小为,640480,像素，那末所需要的存储容量为,921 600,字节。,如果用,YUV,来表示同一幅彩色图像，,Y,分量仍然为,640480,，并且,Y,分量仍然用,8,位表示，而对每四个相邻像素,(22),的,U,、,V,值分别用相同的一个值表示，那末存储同样的一幅图像所需的存储空间就减少到,460 800,字节。这实际上也是图像压缩技术的一种方法。,(640*480*8+640*480*8/4+640*480*8/4)/8= 460 800,彩色空间的线性变换,2024/9/16,52,用,YIQ,、,YUV,和,YCrCb,还是用,HSL,模型来表示彩色图像，由于现在所有的显示器都采用,RGB,值来驱动，这就要求在显示每个像素之前，须要把彩色分量值转换成,RGB,值。,这种转换需要花费大量的计算时间。这是一个要在软硬件设计中需要综合考虑的因素。,YUV,与,RGB,彩色空间变换,YUV,色彩空间与,RGB,色彩空间的转换关系：,Y,= 0.299,R,+ 0.587,G,+ 0.114,B,U,= - 0.147,R,- 0.289,G,+ 0.436,B,V,= 0.615,R,- 0.515,G,- 0.100B,2024/9/16,53,YIQ,与,RGB,彩色空间变换,2024/9/16,54,RGB,和,YIQ,的对应关系用下面的方程式表示：,Y,= 0.299,R,+ 0.587,G,+ 0.114,B,I,= 0.596,R,- 0.275,G,- 0.321,B,Q,= 0.212,R,- 0.523,G,+ 0.311,B,YCrCb,与,RGB,彩色空间变换,2024/9/16,55,数字域中的彩色空间变换与模拟域的彩色空间变换不同。它们的分量使用,Y,、,Cr,和,Cb,来表示，与,RGB,空间的转换关系如下：,Y,0.299,R,0.578,G,0.114,B,Cr,(0.500,R,0.4187G,0.0813,B,),128,Cb,=(-0.1687,R,0.3313,G,0.500,B,),128,计算机中色值的数学表示,2024/9/16,56,基色,记录位（,bit,）,色彩数,10,进制,2,进制,16,进制,R/G/B,8,0,255,00000000,11111111,00,FF,混合表示法：,【RGB】,如：红色：,【FF0000】,绿色：,【00FF00】,蓝色：,【0000FF】,黄色：,【FFFF00】,色彩空间与颜色的选择,2024/9/16,57,回顾,色彩三要素,视觉对色彩的响应特征,图像色彩空间,色彩空间变换,2024/9/16,58,数字图像,2024/9/16,59,矢量图,位图,图像三要素,图像分辨率与显示分辨率,图像深度与色彩类型,图像深度与显示深度,图像数据的容量,数字图像色彩模式,2024/9/16,60,位图模式,灰度模式,图像的种类,2024/9/16,61,矢量图、位图,灰度图、彩色图,矢量图,2024/9/16,62,用一系列计算机指令来表示一幅图，如画点、画线、画曲线、画圆、画矩形等。这种方法实际上是数学方法来描述一幅图，然后变成许多的数学表达式，再编程，用语言来表达。在计算显示图时，也往往能看到画图的过程。绘制和显示这种图的软件通常称为绘图程序,(draw programs),。,用圆心坐标、半径、色彩值三个参数来描述一个园形。,矢量图,2024/9/16,63,优点,目标图像的移动、缩小放大、旋转、拷贝、属性的改变,(,如线条变宽变细、颜色的改变,),也很容易做到；,相同的或类似的图可以把它们当作图的构造块，并把它们存到图库中，这样不仅可以加速画的生成，而且可以减小矢量图文件的大小。,缺点,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。此外，对于一幅复杂的彩色照片,(,例如一幅真实世界的彩照,),，恐怕就很难用数学来描述，因而就不用矢量法表示，而是采用点位图法表示。,位 图,2024/9/16,64,它是把一幅彩色图分成许多的像素，每个像素用若干个二进制位来指定该像素的颜色、亮度和属性。因此一幅图由许多描述每个像素的数据组成，这些数据通常称为图像数据，而这些数据作为一个文件来存储，这种文件又称为图像文件。如要画点位图，或者编辑点位图，则用类似于绘制矢量图的软件工具，这种软件称为画图程序,(paint programs),。,位 图,2024/9/16,65,点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。,点位图文件占据的存储器空间比较大。影响点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，就是组成一幅图的像素越多，则图像文件越大；像素深度越深，就是表达单个像素的颜色和亮度的位数越多，图像文件就越大。而矢量图文件的大小则主要取决图的复杂程度。,矢量图与点位图相比，显示点位图文件比显示矢量图文件要快；矢量图侧重于,“,绘制,”,、去创造，而点位图偏重于,“,获取,”,、去,“,复制,”,；矢量图和点位图之间可以用软件进行转换，由矢量图转换成点位图采用光栅化,(rasterizing),技术，这种转换也相对容易；由点位图转换成矢量图用跟踪,(tracing),技术，这种技术在理论上说是容易，但在实际中很难实现，对复杂的彩色图像尤其如此。,2024/9/16,66,应用：,任何几何图形或自然图像。,显示过程：,将图像点阵数据逐点映射到屏幕上。,位图与矢量图的比较,矢量图,位图,数据量,记录指令，小,记录点阵，大,放大失真,重新计算和绘制，无失真,点阵的重复，可能产生,“,马赛克,”,应用,侧重于,“,绘制,”,和,“,创建,”,侧重于,“,获取,”,和,“,复制,”,2024/9/16,67,灰度图,2024/9/16,68,灰度图按照灰度等级的数目来划分。只有黑白两中颜色的图像称为单色图像。图中的每个像素的像素值用,1,位存储，它的值只有,“,0,”,或者,“,1,”,，一幅,640480,的单色图像需要占据,37.5 KB,的存储空间。,如果每个像素的像素值用一个字节表示，灰度值级数就等于,256,级，每个像素可以是,0,255,之间的任何一个值，一幅,640480,的灰度图像就需要占据,300 KB,的存储空间。,灰度图,2024/9/16,69,彩色图像,彩色图像,(color imgc5),可按照颜色的数目来划分，例如,256,色图像和真彩色,(224,16 777 216,种颜色,),等,2024/9/16,24,位标准图像,256,色标准图像,图像数字化表示,2024/9/16,71,f(x,y),f(x,n,y,n,),量化,编码,图像数据,图像文件,图像的基本属性,2024/9/16,72,描述一幅图像需要使用图像的属性。,分辨率,像素深度,真,/,伪彩色,图像的表示法和种类等,图像分辨率与显示分辨率,2024/9/16,73,图像分辨率是确定组成一幅图像的像素数目,显示分辨率是确定显示图像的区域大小。,如果显示屏的分辨率为,640480,，那末一幅,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。,不同的分辨率扫描同一张照片,2024/9/16,74,A:200dpi,B:50dpi,图像,B,放大四倍,图像深度与显示深度,2024/9/16,75,图像深度：,图像文件中记录一个像素点所需要的位数。,显示深度：,显示缓存中表示一个像素点的最大位数。,图像深度与显示深度,2024/9/16,76,显示深度大于图像深度：,屏幕上的色彩能较真实反映图像文件的色彩。,显示深度等于图像深度：,真彩色显示模式，或者显示调色板与图像调色板一致，屏幕上的色彩能较真实地反映图像文件的色彩效果。反之，则显示色彩会出现失真。,显示深度小于图像深度：,显示的色彩会出现失真。,真彩色图像显示失真的原因,图像深度的选取依具体情况而定,数字图像的容量,2024/9/16,77,图像数据量,图像的总像素,图像深度,/ 8,（,Byte,）,图像的总像素,水平方向像素数,垂直方向像素数,如：一幅,640,480,的,256,色图像，其文件大小约为：,640,480,8 / 8,300 KB,一幅,1024,768,的真彩色图像文件大小约为：,1024,768,24/8,2.4 MB,图像深度与色彩类型,2024/9/16,78,图像深度是指位图中用于记录每个像素点数据（颜色）所占的位数（,bit,），它决定了彩色图像中可出现的最多颜色数，或者灰度图像中的最大灰度等级数。,图像深度与色彩的映射关系主要有：真彩色、伪彩色和直接色。,通过,RGB,空间讨论,真彩 色,2024/9/16,79,真彩色是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。例如用,RGB 555,表示的彩色图像，,R,，,G,，,B,各用,5,位，用,R,，,G,，,B,分量大小的值直接确定三个基色的强度，这样得到的彩色是真实的原图彩色。,伪 彩,色,2024/9/16,80,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,(color look-up table,，,CLUT),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。,伪 彩 色,2024/9/16,81,适用于显示缓存不够，或者图像文件的要求。,如采用伪彩色来记录一幅图像的色彩信息， 则在图像文件中就要包括色彩查找表或调色板。,VGA,显示器中图像显示原理用调色板查找图像色彩,伪彩色映射示意图,2024/9/16,82,像素单元,CLUT,表,色调（色谱）,1 20 1 1,2 256 2 2,3 1 . 3,. . 20 .,n xxx 21 xyz-1,n+1 . xyz Fx,. xxx-1 xyz+1,xxx xyz .,. 255K,m 2 256 256K,直接色,2024/9/16,83,直接色,(direct color),每个像素值分成,R,，,G,，,B,分量，每个分量作为单独的索引值对它做变换。也就是通过相应的彩色变换表找出基色强度，用变换后得到的,R,，,G,，,B,强度值产生的彩色称为直接色。,特点是对每个基色进行变换。用这种系统产生颜色与真彩色系统相比，相同之处是都采用,R,，,G,，,B,分量决定基色强度，不同之处是前者的基色强度直接用,R,，,G,，,B,决定，而后者的基色强度由,R,，,G,，,B,经变换后决定。因而这两种系统产生的颜色就有差别。,试验结果表明，使用直接色在显示器上显示的彩色图像看起来真实、很自然。这种系统与伪彩色系统相比，相同之处是都采用查找表，不同之处是前者对,R,，,G,，,B,分量分别进行变换，后者是把整个像素当作查找表的索引值进行彩色变换。,调色板,2024/9/16,84,不同色彩映射类型的比较,伪彩色,直接色,真彩色,查找表,有,有,无,查找表引索,像素,像素,RGB,分量,基色强度,由,RGB,分量经变换后得到,直接由,RGB,分量值决定,色彩效果,一般,较好,最好,2024/9/16,85,作业,2024/9/16,86,图像色彩空间、色立体？,影响数字图像质量的因素。,什么叫做真彩色和伪彩色？,用,YUV,或,YIQ,模型来表示彩色图像的优点是什么？为什么黑白电视机可接收彩色电视图像信号？,