四川大学 计算机学院 陈 虎 huchen@scu.edu.cn 彩色数字图像基础 四川大学 计算机学院 陈 虎 huchen@scu.edu.cn.

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1 四川大学 计算机学院 陈 虎 huchen@scu.edu.cn
彩色数字图像基础 四川大学 计算机学院 陈 虎

2 视觉系统对颜色的感知 颜色是什么 视觉系统对可见光的感知结果 颜色只存在于眼睛和大脑， 在计算机图像处理中，锥体细胞扮演重要角色
可见光是波长在380～780 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，因此有多种颜色的感觉 颜色只存在于眼睛和大脑， 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（约有600万到700万个，主要位于视网膜的中间部分） 杆状体细胞在光功率极低的条件下才起作用（约7500万到15000 万个，分布在视网膜表面 ） 在计算机图像处理中，锥体细胞扮演重要角色

3 视觉系统对颜色的感知 视觉系统对颜色的感知特性 眼睛本质上是一个照相机
人的视网膜(human retina)通过神经元感知外部世界的颜 色，每个神经元是一个对颜色敏感的锥体(cone)

4 视觉系统对颜色的感知 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
这就意味着，人们可以使用数字图像处理技术来降低表示 图像的数据量而不使人感到图像质量有明显下降。 从理论上说，自然界中的任何一种颜色都可以由 R，G，B这三种颜色值之和来确定，它们构成一个三维的RGB矢量空间 这就是说，R，G，B的数值不同，混合得到的颜色就不 同，也就是光波的波长不同

5 视觉系统对颜色的感知 视觉系统对颜色和亮度的响应特性曲线 （各个波长的光的强度相等）

6 视觉系统对颜色的感知 上面的颜色响应曲线表明，人类眼睛对蓝光的灵敏度远远低于对红光和绿光的灵敏度。
亮度响应曲线表明人眼对波长为550nm左右的黄绿色最为敏感。

7 视觉系统对颜色的感知 许多具有不同光谱分布的光产生的视觉效果（颜色）是一样的。即光谱与颜色的对应是多对一的。
光谱分布不同而看上去相同的两种颜色称为条件等色（匹配等色）。 绝大部分可见光谱对眼睛的刺激效果都可以用红（700nm）、绿（546.1）、蓝（435.8nm）三色光按不同比例和强度的混合来等效表示。（三刺激理论）

8 视觉系统对颜色的感知 匹配任意可见光所需的三原色光比例曲线

9 视觉系统对颜色的感知 从人的主观感觉角度，颜色包含三个要素： 1、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。

10 视觉系统对颜色的感知 2、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。

11 视觉系统对颜色的感知 3、明亮度（luminance）
明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。 大量试验表明，人的眼睛能分辨128种不同的色调，10－30种不同的饱和度，而对亮度非常敏感。人眼大约可以分辨35万种颜色。

12 人的主观感觉 人的视觉系统能够适应光强度的级别的范围是很宽的，由夜视阈值到强闪光之间的光强度的级别约为1010级 ；
背景亮度会影响到对目标亮度的感觉； 同时对比度（Simultaneous Contrast） 在相同亮度的刺激下,由于背景亮度不同,人眼所感受到的主观亮度不同

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22 颜色模型 颜色模型（color model）是用来精确标定和生成各种颜色的一套规则和定义。某种颜色模型所标定的所有颜色就构成了一个颜色空间。
颜色空间通常用三维模型表示，空间中的颜色通常使用代表三个参数的三维坐标来指定 对于人来说，可以通过色调、饱和度和亮度来定义颜色（HSL颜色模型）；对于显示设备来说，可以用红、绿、蓝磷光体的发光量来描述颜色（RGB颜色模型）；对于打印设备来说，可以使用青色、品红、黄色和黑色颜料的用量来指定颜色（CMYK颜色模型）。

23 RGB颜色模型 显示彩色图像用RGB相加混色模型 一个能发出光波的物体称为有源物体，它的颜色由 该物体发出的光波决定
CRT使用3个电子枪分别产生红(red)、绿(green)和蓝(blue)三 种波长的光，如图4-1所示，并以各种不同的相对强度组合 产生不同的颜色

24 RGB颜色模型 RGB相加混色模型 任何一种颜色都可用三种基本颜色按不同的比例混 合得到
组合红、绿和蓝光波来产生特定颜色的方法叫做相加混色 法(additive color mixture) ，即RGB相加混色模型 相加混色是计算机应用中定义颜色的基本方法 任何一种颜色都可用三种基本颜色按不同的比例混 合得到 颜色＝R(红的百分比)＋G(绿的百分比)＋B(蓝的百分比)

25 RGB颜色模型 三种颜色的光强越强，到达我们眼睛的光就越多，它们的比例不同，我们看到的颜色也就不同。没有光到达眼睛，就是一片漆黑
当三基色等量相加时，得到白色；等量的红绿相加而蓝为0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。

26 RGB颜色模型 彩色图像 一幅彩色图像可以看成是由许多的点组成的
图像中的单个点称为像素(pixel)，每个像素都有一个值， 称为像素值，它表示特定颜色的强度

27 RGB颜色模型 一个像素值通常用R，G，B三个分量表示。如果每个像素 的每个颜色分量“1”和“0”表示，即每种颜色的强度是100% 或0%，每个像素显示的颜色是8种颜色之一。

28 CMY颜色模型 打印彩色图像用CMY相减混色模型 用这种方法产生的颜色之所以称为相减混色，是因 为它减少了为视觉系统识别颜色所需要的反射光
一个不发光波的物体称为无源物体，它的颜色由该 物体吸收或者反射哪些光波决定用 用彩色墨水或颜料进行混合，绘制的图画是一种无源物 体，用这种方法生成的颜色称为相减色

29 CMY颜色模型 CMY相减混色模型 用三种基本颜色即青色(cyan)、品红(magenta)和黄色 (yellow)的颜料按一定比例混合得到颜色的方法，通常写 成CMY，称为CMY模型 从理论上说，任何一种颜色都可以用青色(cyan)、品红 (magenta)和黄色(yellow)混合得到 实际上，因为所有打印油墨都会包含一些杂质，这三种油墨混合实际上产生一种土灰色，必须与黑色 (K) 油墨混合才能产生真正的黑色，所以再加入黑色作为基本色形成CMYK颜色模型。

30 CMY颜色模型 在相减混色中，三基色相减结果如下

31 CMY颜色模型 按每个像素每种颜色用1位表示，相减法产生的8 种颜色如下所示

32 相加色与相减色的关系 相加色与相减色是互补色 相加混色和相减混色之间成对出现互补色, 利用它们之间的关系，可把显示的颜色转换成打印的颜色
在RGB中的颜色值为1的地方，在CMY对应的位置上，其颜色 值为0。例如，RGB为0∶1∶0时，对应CMY为1∶0∶1

33 相加色与相减色的关系

34 相加色与相减色

35 RGB模型到CMYK模型的转换 分色算法（F代表白色）

36 RGB彩色空间和CMY彩色空间 RGB彩色空间和CMY彩色空间的表示法

37 HSI颜色模型 HSI模型是Munseu提出的， 它反映了人的视觉系统观察彩色的方式，在艺术上经常使用HSI模型。
HSI模型中，H表示色调(Hue)，S表示饱和度(Saturation)， I表示亮度(Intensity，对应成像亮度和图像灰度)。 这个模型的建立基于两个重要的事实： ① I分量与图像的彩色信息无关； ② H和S分量与人感受颜色的方式是紧密相联的。 这些特点使得HSI模型非常适合借助人的视觉系统来感知彩色特性的图像处理算法。

38 HSI颜色模型

39 HIS格式

40 HSI格式 色相环描述了色相和饱和度两个参数。色相由角度表示，它反映了该彩色最接近什么样的光谱波长。一般假定0°表示的颜色为红色， 120°的为绿色，240°的为蓝色。0°到240°的色相覆盖了所有可见光谱的彩色，在240°到300°之间为人眼可见的非光谱色（紫色）。 饱和度是指一个颜色的鲜明程度，饱和度越高，颜色越深， 如深红，深绿。饱和度参数是色环的原点（圆心）到彩色点的半径的长度。由色相环可以看出，环的边界上纯的或饱和的颜色， 其饱和度值为1。在中心是中性（灰色）阴影， 饱和度为0。

41 HSI格式

42 RGB转HSI 其中R、G、B均介于[0，1]

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44 HSI转RGB 1、当H落在[0度，120度]时

45 HSI转RGB 2、当H落在[120度，240度]时

46 HSI转RGB 3、当H落在[240度，360度]时

47 HSI转RGB

48 HIS和RGB

49 HIS和RGB

50 彩色图

51 RGB

52 CMKY

53 HSI

54 颜色输入

55 图像的种类 矢量图（vector graphics） 根据数学规则描述而生成的图
一幅图用数学描述的点、线、弧、曲线、多边形和其他几 何实体和几何位置来表示，创建的图是对象的集合而不是点或像素模式的图 绘制和显示矢量图的软件通常称为绘图程序(draw programs)；存放矢量图的存储格式称为矢量图格式；存储 的数据主要是绘制图形的数学描述

56 图像的种类 优点 局限性 目标图像的移动、缩小或放大、旋转、拷贝、属性(如线条 变宽变细、颜色)变更都很容易做到
相同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，这样不仅可加速矢量图的生成，而且可减小矢 量图的文件大小 局限性 很难用数学方法来描述真实世界的彩照，这就要用位图法表示

57 图像的种类 位图（bitmap，bitmapped image ） 用像素值阵列表示的图
对位图进行操作时，只能对图中的像素进行操作，而不能 把位图中的物体作为独立实体进行操作。也称光栅图 (raster graphics) 画位图或编辑位图的软件称为画图程序(paint programs)； 存放位图的格式称为位图格式；存储的内容是描述像素的 数值

58 图像的种类 矢量图与位图 矢量图 点位图

59 图像的种类 特性 位图的获取通常用扫描仪、数码相机、摄像机、录像机、 视像光盘和相关的数字化设备 位图文件占据的存储空间比较大
影响位图文件大小的因素 --图像分辨率：分辨率越高，表示组成一幅图的像素就越多， 图像文件就越大 --像素深度：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

60 图像的种类 图形图像(graphical image ) 表示图形的位图，即用矢量图表示的图形 转换成用像素表示的 图像
也称矢量图像(vector based image) 用像素值阵列表示的 位图边沿较光滑；用 矢量图转换成的位图边沿较粗糙

61 图像的种类 灰度图(gray-scale image或intensity image) 只有明暗不同的像素而没有彩色像素组成的图像
只有黑白两种颜色的图像称为单色图像(monochrome/bit image)，每个像素的像素值用一位存储，其值是“0”或“1” 一般灰度图用一个字节表示一个像素的 (256级灰度)， 一幅640×480的灰度图像需要占据300 KB的存储空间

62 图像的种类 标准单色图 标准灰度图

63 图像的种类 彩色图像(color image) 每个像素包含颜色信息的图像。 可按照颜色的数目划分
256色图像：每个像素的R、G和B值用一个字节 来表示，一幅640×480的彩色图像需要300 KB的存储空间 真彩色图像：每个像素的R，G，B分量分别用一 个字节表示，一幅640×480的真彩色图像需要900 KB的存 储空间

64 图像的种类 256色标准图像 位标准图像

65 图像的种类 分辨率 屏幕分辨率(screen resolution) 。
衡量显示设备再现图像时所能达到的精细程度的度量方法。 也称显示分辨率 用“水平像素数×垂直像素数”表示，如640×480表示显示 屏分成480行，每行显示640个像素，整个显示屏含有 个显像点 -- 常见的屏幕分辨率: 640×480，800×600，1024×768， 1280×1024 传统电视屏幕的宽高比为4:3；高清晰度电视屏幕的宽高比 为16∶9

66 图像的属性 图像分辨率(image resolution)。 图像分辨率与屏幕分辨率是两个不同的概念
图像精细程度的度量方法。对同样尺寸的一幅图，如果像 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 图像分辨率也称空间分辨率(spatial resolution)和像素分辨 率(pixel resolution) 图像分辨率与屏幕分辨率是两个不同的概念 从行列像素角度看，图像分辨率是构成一幅图像的像素数 目，而屏幕分辨率是显示图像的区域大小

67 图像的属性 在图像显示应用中的图像分辨率表示法 图像数字化和打印应用中的图像分辨率表示法。 (1) 物理尺寸：每毫米线数(或行数)
(2) 行列像素：像素/行×行/幅，如640像素/行×480行/幅 (3) 像素总数：如数码相机上标的500万像素 (4) 单位长度上的像素：如像素每英寸(pixels per inch，PPI) (5) 线对(line pair)数：以黑白相邻的两条线为一对，如5对线 图像数字化和打印应用中的图像分辨率表示法。 通常用多少点每英寸(dots per inch，DPI)表示，如300 DPI 分辨率越高，图像质量就越高，像素就越多，要求存储容量 就越大

68 像素深度与阿尔法(α)通道 图像的属性 存储每个像素所用的位数
例如，用R，G，B三个分量表示的彩色图像，若每个分量用8 位表示，那么一个像素共用24位表示，就说像素深度为24位 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，像素深度为24位时，每个像素可以是224= 种 颜色中的一种

69 图像的属性 像素深度越深，表达的颜色数目就越多，所占用的存 储空间也越大。相反，如果像素深度太浅，则影响图像的质量，图像看起来让人觉得很粗糙和很不自然 由于受到设备和人眼分辨率的限制，不一定要追求特 别深的像素深度

70 图像的属性 阿尔法(α)通道 在每个像素用32位表示的图像表示法中的高8位， 其余24位是颜色通道，红色、绿色和蓝色分量各占 一个8位的通道
用于表示像素在对象中的透明度 例如，用两幅图像A和B混合成一幅新图像，新图像(New) 的像素为：New pixel =(alpha)(pixel A color) +(alpha)(pixel B color) 又如，一个像素(A，R，G，B)的四个分量都用规一化的数 值表示时， 像素值为(1，1，0，0)时显示红色，表示红色强度为1 像素值为(0.5，1，0，0)时，使用α通道中的预乘数0.5 与R，G，B相乘，其结果为(0.5,0.5,0,0)，表示红色强 度为0.5

71 图像的属性 调色板 一个彩色图像假如只包含24位真彩色空间中的16个离散的点（16色图），则可以建立一个颜色查找表，表中的每一行记录一组RGB值，实际像素的值用来指定该点颜色在查找表中的索引值，这样就可以大大缩小存储量。这个颜色查找表就叫做调色板。

72 图像的属性 真彩色 每个像素的颜色值用红(R)、绿(G)和蓝(B)表示的颜色
通常用24位表示，其颜色数224＝ 种。也称24位 颜色(24-bit color)或全彩色(full color)

73 图像的属性 伪彩色(pseudo color) 不是物体固有的而是人为的颜色
将像素值当作彩色查找表(color look-up table，CLUT)的表 项入口地址，查找显示图像时要使用的R，G，B值，用查 找出的R，G，B值产生的彩色 使用查找得到的R，G，B数值显示的彩色是真的，但不是 图像本身真正的颜色，它没有完全反映原图的颜色

74 图像的属性 根据一定的准则对灰度值赋以彩色值 将灰度图像转换为彩色图像，提高视觉分辨效果

75 图像的属性

76 图像的属性

77 图像的属性

78 伽马()校正 一个图像系统中一般包含输入设备（扫描仪、摄像机、数码相机）、存储设备（胶片、磁盘）和输出设备三大模块。
各种涉及到光电转换的设备的输入输出特性曲线一般是非线性的，且表现为幂函数的形式： y＝xn  输出＝(输入)γ （按照惯例，“输入”和“输出”都缩放到0～1之间）。所以整个图像系统的传递函数是一个幂函数。＝ 1×2×…×n 一个图像系统追求的目标：真实的再现原始场景。

79 伽马()校正

80 伽马()校正

81 伽马()校正

82 Photoshop 中提供的Gamma校正功能
伽马()校正 Photoshop 中提供的Gamma校正功能

83 图像文件格式是存储图形或图像数据的数据结构
图像格式 图像文件格式是存储图形或图像数据的数据结构 BMP文件格式 bitmap的简写 微软公司开发的在Windows环境下的标准位图文件 格式 与设备无关的位图(DIB)文件格式 device-independent bitmap的缩写 像素存储顺序和像素深度与具体设备无关 文件扩展名是.BMP或.bmp

84 BMP文件格式 文件结构  位图文件头(bitmap-file header)
 位图信息头(bitmap-information header)  彩色表(color table)  位图的字节(byte)阵列

85 BMP文件格式 typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {
WORD bfType; /* 说明文件的类型 */ DWORD bfSize; /* 说明文件的大小，用字节为单位 */ WORD bfReserved1; /* 保留，设置为0 */ WORD bfReserved2; /* 保留，设置为0 */ DWORD bfOffBits; /* 说明从BITMAPFILEHEADER结构 开始到实际的图像数据之间的字 节 偏移量 */ } BITMAPFILEHEADER;

86 BMP文件格式 typedef struct tagBITMAPINFOHEADER {
DWORD biSize; /* 说明结构体所需字节数 */ LONG biWidth; /* 以像素为单位说明图像的宽度 */ LONG biHeight; /* 以像素为单位说明图像的高速 */ WORD biPlanes; /* 说明位面数，必须为1 */ WORD biBitCount; /* 说明位数/像素，1、2、4、8、24 */ DWORD biCompression; /* 说明图像是否压缩及压缩类型 */ DWORD biSizeImage; /* 以字节为单位说明图像大小 */ LONG biXPelsPerMeter; /* 说明水平分辨率，像素/米 */ LONG biYPelsPerMeter; /* 说明垂直分辨率，像素/米 */ DWORD biClrUsed; /* 说明图像实际用到的颜色数，如果为0 则颜色数为2的biBitCount次方 */ DWORD biClrImportant; /*说明对图像显示有重要影响的颜色 索引的数目，如果是0，表示都重要。*/ } BITMAPINFOHEADER;

87 BMP文件格式 调色板实际上是一个数组，它所包含的元素与位图所具有的颜色数相同，决定于biClrUsed和biBitCount字段。数组中每个元素的类型是一个RGBQUAD结构。 typedef struct tagRGBQUAD { BYTE rgbBlue; /*指定蓝色分量*/ BYTE rgbGreen; /*指定绿色分量*/ BYTE rgbRed; /*指定红色分量*/ BYTE rgbReserved; /*保留，指定为0*/ } RGBQUAD;

88 BMP文件格式 紧跟在彩色表之后的是图像数据字节阵列。图像的每一扫描行由表示图像像素的连续的字节组成，每一行的字节数取决于图像的颜色数目和用像素表示的图像宽度。扫描行是由底向上存储的，这就是说，阵列中的第一个字节表示位图左下角的像素，而最后一个字节表示位图右上角的像素。

89 GIF文件格式 GIF-图形文件交换格式 Graphics Interchange Format的缩写
CompuServe公司开发的图像文件存储格式 1987年开发的版本号为GIF87a 1989年扩充后的版本号为GIF89a 图像的相关信息以数据块(block)为单位 一个GIF文件由表示图形/图像的数据块、数据子块以及显 示图形/图像的控制信息块组成

90 GIF文件格式 在一个文件中可存放多幅彩色图形/图像，并可像幻 灯片那样显示或像动画那样演示 采用LZW压缩算法来压缩图像数据
用户可为图像设置透明(transparency)的背景 GIF文件定义的图像中可以加入文本。 支持图像数据的交叉存储方式，这样一个大的图像可以逐步显示，让用户首先看到图像概貌，然后逐步清晰

91 GIF文件格式 1 GIF文件头 2 逻辑屏幕描述块 3 全局颜色表 扩展模块（任选） 4 图像描述块 5 局部颜色表 可 6
Header GIF文件头 2 Logical Screen Descriptor 逻辑屏幕描述块 3 Gloabal Color Table 全局颜色表 。。。。。。 扩展模块（任选） 4 Image Descriptor 图像描述块 5 Local Color Table 局部颜色表 可 6 Table Based Image Data 表基压缩图像数据 重 7 Graphic Control Extension 图像控制扩展块 复 8 Plain Text Extension 无格式文本扩展块 n 9 Comment Extension 注释扩展块 次 10 Application Extension 应用程序扩展块 11 GIF Trailer GIF文件结束快

92 GIF文件格式

93 JPEG格式 JPEG格式 Joint Photographic Experts Group的缩写
JPEG委员会在制定JPEG标准时定义了许多标记 (marker)，用来区分和识别图像数据及其相关信息 广泛使用的JPEG文件格式是JPEG文件交换格式 (JPEG File Interchange Format，JFIF)，版本号为 1.02，这是1992年9月由在C-Cube Microsystems公司 工作的Eric Hamilton提出的 由于JFIF文件格式直接使用JPEG标准为应用程序定 义的许多标记，因此JFIF格式就成了事实上的JPEG 文件交换格式标准

94 PNG格式 PNG格式——便携网络图形格式 Portable Network Graphic Format的简称
20世纪90年代中期开始开发的图像文件存储格式， 其目的是企图替代GIF和TIFF文件格式，同时增加 一些GIF文件格式所不具备的特性 名称来源于非官方的“PNG‘s Not GIF”，是一种位图 文件(bitmap file)存储格式 用来存储灰度图像时，灰度图像的深度可多达16 位，存储彩色图像时，彩色图像的深度可多达48 位，并且还可存储多达16位的α通道数据 PNG使用从LZ77派生的数据无损压缩算法

95 PNG格式 保留的GIF文件格式特性 使用彩色查找表或称调色板，支持256种颜色的彩色图像
流式读/写性能(streamability)：允许连续读出和写入图像数 据，这个特性很适合于在通信过程中生成和显示图像 逐次逼近显示(progressive display)：可使在通信链路上传 输图像文件的同时就在终端上显示图像，把整个轮廓显示 出来之后逐步显示图像的细节，也就是先用低分辨率显示 图像，然后逐步提高它的分辨率

96 PNG格式 透明性(transparency)：可使图像中某些部分不显示，以创 建一些有特色的图像
辅助信息(ancillary information)：可用来在图像文件中存储 一些文本注释信息 独立于计算机软硬件环境 使用无损压缩。

97 PNG格式 增加的GIF文件格式所没有的特性：  每个像素为48位的真彩色图像 每个像素为16位的灰度图像 可为灰度图和真彩色图添加α通道
添加图像的γ信息 使用循环冗余码(cyclic redundancy code，CRC)检 测损害的文件 加快图像显示的逐次逼近显示方式。 标准的读/写工具包