图像处理基础知识

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,图像处理基础,颜色模型、色彩空间、图像格式和视频格式,颜色模型,在图形学领域定义的颜色模型，就是在某种特定上下文中对于颜色的特性和行为的解释方法。一般对色彩的讨论都是基于通过红、绿、蓝三原色混合而产生其它颜色的成色机制。,RGB,颜色模型最便于诸如视频监视器或打印机等硬件设备上表示颜色。但在具体的图形应用中，我们还会用到其它的一些颜色模型。,HSV,模型,HSV,模型是面向用户的，是一种复合主观感觉的色彩模型。,H、S、V,分别指的是色调（彩）（,hue,）、色饱（,saturation,）和度和明度（,value,）。所以在这个模型中，一种颜色的参数便是,H、S、V,三个分量构成的三元组。,HSV,模型,HSV,模型不同于,RGB,模型的单位立方体，而是对应于一个圆柱坐标系中的一个立体锥形子集。在这个锥型中，边界表示不同的色彩。,H,分量表示颜色的种类，取值范围为,0,1，相应的颜色从红、黄、绿、蓝绿、蓝、紫到黑变化，且它的值由绕,V,轴的旋转角决定，每一种颜色和它的补色之间相差,180,。,HSV,模型,YCbCr,模型,YCbCr,模型又称为,YUV,模型，是视频图像和数字图像中常用的色彩模型。在,YCbCr,模型中，,Y,为亮度，,Cb,和,Cr,共同描述图像的色调（色差），其中,Cb、Cr,分别为蓝色分量和红色分量相对于参考值的坐标。,YCbCr,模型中的数据可以是双精度类型，但存储空间为8位无符号整型数据空间，且,Y,的取值范围为,16,235,，,Cb,和,Cr,的取值范围为,16,240,。在目前通用的图像压缩算法中（如,JPEG,算法），首要的步骤就是将图像颜色空间转换为,YCbCr,空间。,NTSC,模型,NTSC,模型是一种用于电视图像的颜色模型。,NTSC,模型使用的是色彩坐标系，其中，,Y,为光亮度，表示灰度信息；,I,为色调，,Q,为饱和度，均表示颜色信息。因此，该模型的主要优点就是将灰度信息和颜色信息区分开来。,色彩空间,色彩空间，通俗一点讲，就是各种色彩的集合，色彩的种类越多，色彩空间越大，能够表现的色彩范围即色域越广。,有两类色彩空间，一类是基于,RGB,模型的色彩空间，另一类是,CMYK,色彩空间,Lab色彩空间,由国际照明协会（,CIE,）在,1931,年制定包括人眼所能看到的所有颜色,是目前为止色域最宽的色彩空间，其每一色值组合对应一种确定的、与设备无关的色彩。,“理论化”的色彩，使不同设备的色彩能够相互比较、模拟和匹配。在输出、输入设备有限的色域范围内安全地进行色彩传递,几种颜色空间的色域,RGB色彩空间,RGB,对应的是红绿蓝三种原色光，这是因为自然界的所有颜色都可以用这三种光混合而成。在描述时，用,R,、,G,、,B,作为相互垂直的坐标轴来表示，是一种加光模式,RGB,色彩空间在色彩的处理过程中主要是用来描述像显示器、电视、扫描仪、数字相机等设备的,以显示器为例，三种基色的中每一种都有一个,0255,的值的范围，通过对红、绿、蓝的各种值进行组合来改变象素的颜色。所有基色的相加便形成白色。反之，当所有的基色的值都为,0,时，便得到了黑色。,RGB,色彩空间又有,Adobe RGB,、,Apple RGB,、,sRGB,、,ColorMatch,RGB,、,Wide Gamut RGB,、,CIE GB,、,Monitor RGB/Simplified Monitor RGB,等几种,sRGB(标准RGB)色彩空间,由微软与惠普于,1997,年联合确立，是基于,PC,的,32,位色彩空间。目前，被广泛地应用于显示器、打印机、扫描仪等设备，用以提高它们与打印输出设备间的色彩匹配，保证色彩的一致性,同样采用,sRGB,色彩空间的设备之间，可以实现色彩相互模拟，但却是通过牺牲色彩范围来实现各种设备之间色彩的一致性的，这是所有,RGB,色彩空间中最狭窄的一个,sRGB,也称“互联网标准色空间”，与普通的个人电脑监视器的特性相匹配，普通电脑显示器一般无法再现超越,sRGB,空间色域的图象。通常在电脑监视器上再现的图象色彩比,sRGB,图象更浅些。,Adobe RGB色彩空间,Adobe RGB,由,Adobe,公司在,1998,年制定，其雏形最早用在,Photoshop 5.x,中，被称为,SMPTE-240M,具备非常大的色彩范围，其绝大部分色彩却又是设备可呈现的，这一色彩空间全部包含了,CMYK,的色彩范围，为印刷输出提供了便利，可以更好地还原原稿的色彩，在出版印刷领域得到了广泛应用,高端数码相机采用,Adobe RGB,色彩空间，层次较丰富，但色彩饱和较低,Adobe RGB 色域的显示问题,Adobe RGB 的色域比一般的 sRGB 色域更广，更接近人肉眼所能感知的颜色，所以广为专业制作人员所应用。,主流显示器只能输出 8-bit sRGB 色域，如果采用 Adobe RGB 色域处理数码相片时可能会出现蓝色区域无法正确显示的问题，从而导致偏色。,采用 10 bit color 时，色阶大为广阔，能有更广阔的色域，可解决 Adobe RGB 的色域问题。,采用10 bit color，需显示器、显卡和应用程序的支持，如Adobe 的 Photoshop CS4、CS5 绘图编辑软件等已经支持。,CMYK色彩空间,CMYK,色彩空间，是一种减光模式，它是四色打印的基础。这四色是：青（,Cyan,）、品红（,Magenta,）、黄（,Yellow,）、黑（,Black,）。青色是红色的互补色。黄色是蓝色的互补色，品红是绿色的互补色，,当阳光照射一物体时，物体吸收部分光线，并将其它光线反射。反射光就是我们所看见的物体颜色，这是一种减色模式。,依赖于这种减色方式，演变出了适合于打印、印刷的,CMYK,模式。由于在实际中这三种颜色的油墨很难叠加出真正地黑色，因此在打印、印刷时又引入了黑色以强化暗调，加深暗部色彩。,在,CMYK,模式下，每一种颜色都是以这四色的百分比来表示的，原色的混合将产生更暗的颜色。,数字图像的类型,RGB,图像，采用,RGB,彩色模型的真彩图像。不需使用调色板。每个像素的颜色由像素位置上红、绿、蓝亮度的组合确定。,灰度图像，只包含亮度信息，不包含色彩信息的图像。灰度图像是一个数据矩阵,I,，其值表示一定范围内的亮度值。,二值图像，每个像素的值仅为,0,或,1,的图像，是黑白图像。存储空间小、处理速度快。通过二值图像，可比较容易地获取目标区域的特征，便于图像分析和识别。,索引图像，是一种把像素值直接作为,RGB,调色板下标的图像。调色板通常与索引图像存储在一起，装载图像时，调色板将和图像一同自动装载。,数字图像的文件格式,图像格式与图像类型不同，指的是存储图像采用的文件格式。不同的操作系统、不同的图像处理系统，所支持的图像格式都有可能不同。,在实际应用中常用到以下几种图像格式：BMP、JPEG、JPEG 2000、TIFF/TIF、PCX、PSD、PNG、GIF格式等。在这些图像格式中，我们使用最多的就是BMP、JPEG和PNG三种。,BMP格式,BMP是是一种与硬件设备无关的，Windows操作系统中的标准图像文件格式。随着Windows操作系统的流行，BMP位图格式理所当然地被广泛应用。这种格式的特点是包含的图像信息较丰富，占用磁盘空间过大。目前BMP在单机上比较流行。,BMP文件的图像深度可选lbit、4bit、8bit及24bit。BMP文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序。,典型的BMP图像文件由三部分组成：位图文件头，它包含BMP图像文件的类型、显示内容等信息；位图信息，它包含有BMP图像的宽、高、压缩方法；图像数据。,JPEG格式,JPEG也是常见的一种图像格式，它由联合照片专家组（Joint Photographic Experts Group）开发并以命名为ISO 10918-1，JPEG仅仅是一种俗称而已。它用有损压缩方式去除冗余的图像和彩色数据，获取得极高的压缩率的同时能展现十分丰富生动的图像。,JPEG还是一种很灵活的格式，具有调节图像质量的功能，允许你用不同的压缩比例对这种文件压缩。完全可以在图像质量和文件尺寸之间找到平衡点。,JPEG的应用也非常广泛，特别是在网络和光盘读物上，。目前各类浏览器均支持JPEG这种图像格式，因为JPEG格式的文件尺寸较小，下载速度快，使得Web页有可能以较短的下载时间提供大量美观的图像。,JPEG2000格式,JPEG 2000同样是由JPEG 组织负责制定的，它有一个正式名称叫做“ISO 15444”，是JPEG格式的升级版，其压缩率比JPEG高约30%左右。,与JPEG不同的是，JPEG2000 同时支持有损和无损压缩，而 JPEG 只能支持有损压缩。JPEG2000的一个极其重要的特征在于它能实现渐进传输，这一点与GIF的渐显有异曲同工之妙，即先传输图像的轮廓，然后逐步传输数据，不断提高图像质量，让图象由朦胧到清晰显示，而不必是像现在的 JPEG 一样，由上到下慢慢显示。,JPEG2000还支持所谓的感兴趣区域特性，任意指定影像上你感兴趣区域的压缩质量，还可以选择指定的部份先解压缩。JPEG 2000 和 JPEG 相比优势明显，且向下兼容，因此取代传统的JPEG格式指日可待。,JPEG2000可应用于传统的JPEG市场，如扫描仪、数码相机等，亦可应用于新兴领域，如网路传输、无线通讯等等。,TIFF图像文件格式,TIFF格式 TIFF（Tag Image File Format）是一种广泛使用的图像格式，由Aldus和微软联合开发，最初是出于跨平台存储扫描图像的需要而设计的。特点是图像格式复杂、存贮信息多。因为它存储的图像细微层次的信息多，图像质量也得以提高，有利于原稿的复制。,TIFF支持多种编码，包括RGB无压缩、RLE压缩及JPEG压缩。,TIFF图像文件由三个数据结构组成，分别为文件头、若干称为IFD的包含标记指针的目录以及数据本身。TIFF图像文件中的第一个数据结构称为图像文件头或IFH。这个结构是一个TIFF文件中唯一的、有固定位置的部分；IFD图像文件目录是一个字节长度可变的信息块，Tag标记是TIFF文件的核心部分，在图像文件目录中定义了要用的所有图像参数，目录中的每一目录条目就包含图像的一个参数。,TIFF是现存图像文件格式中最复杂的一种，具有扩展性、方便性、可改性，是微机上使用最广泛的图像文件格式之一。,GIF格式,GIF即Graphics Interchange Format（图形交换格式），是上世纪80年代美国的CompuServe针对当时网络传输带宽的限制开发出来的图像格式。,GIF格式的特点是压缩比高，磁盘空间占用较少，所以这种图像格式迅速得到了广泛的应用。最初的GIF只是简单地用来存储单幅静止图像（GIF87a），后来可同时存储若干幅静止图象进而形成连续的动画，是当时支持2D动画几种格式之一（称为GIF89a），甚至可指定透明区域，使图像具有非同一般的显示效果。目前网上大量采用的彩色动画文件多为这种格式。,此外，考虑到网络传输中的实际情况，GIF图像格式还增加了渐显方式，即在图像传输过程中，用户可先看到图像的大致轮廓，然后随着传输过程的继续而逐步看清图像中的细节部分，从而适应了用户的“从朦胧到清楚”的观赏心理。,GIF不能存储超过256色的图像。尽管如此，这种格式仍在网络上大行其道，这和GIF图像文件短小、下载速度快、可用许多具有同样大小的图像文件组成动画等优势是分不开的。,PSD格式和PNG格式,PNG（Portable Network Graphics）是一种新兴的网络图像格式。1994由于Unysis公司宣布GIF拥有专利的压缩方法，从而促使结合GIF及JPG两家之长的PNG 诞生，96年10月由PNG向国际网络联盟提出并得到推荐认可。它能把图像文件压