第三章數(shù)字圖像圖形表示與處理§31第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理本章要點(diǎn)相關(guān)基本概念、數(shù)字圖像采樣與量化原理；彩色空間及轉(zhuǎn)換.圖像文件及格式轉(zhuǎn)換?！?2第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理3.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換學(xué)習(xí)內(nèi)容：圖象的數(shù)字化顏色的基本概念彩色空間表示彩色空間轉(zhuǎn)換§3.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換3第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理顏色的基本概念顏色是視覺系統(tǒng)對(duì)可見光的感知結(jié)果；可見光是波長(zhǎng)在380nm～780nm之間的電磁波；眼睛看到的大多數(shù)光不是單一波長(zhǎng)的光，而是許多不同波長(zhǎng)的光的組合；§3.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換4第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理人的視覺系統(tǒng)眼睛本質(zhì)上是一個(gè)照相機(jī)；紅、綠和藍(lán)三種錐體細(xì)胞對(duì)不同頻率的光的感知程度不同；對(duì)不同亮度的感知程度也不同。

因此，可使用數(shù)字圖像處理技術(shù)降低數(shù)據(jù)率而不致看起來(lái)圖像質(zhì)量太差§3.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換5第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理視覺系統(tǒng)對(duì)顏色和亮度的響應(yīng)§3.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換6第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理顏色的基本概念

自然界中的任何一種顏色都可以由R(red紅)，G（green綠），B（blue藍(lán)）這3種顏色值之和來(lái)確定，它們構(gòu)成一個(gè)3維的RGB矢量空間。這就是說(shuō)，R，G，B的數(shù)值不同混合得到的顏色就有所不同，也就是光波的波長(zhǎng)不同?！?.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換7第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理產(chǎn)生波長(zhǎng)不同的光所需要的三基色值§3.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換8第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理彩色光的三個(gè)特性亮度色調(diào)飽和度§3.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換9第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理亮度亮度是光作用于人眼時(shí)所引起的明亮程度的感覺，它與被觀察物體的發(fā)光強(qiáng)度有關(guān)。對(duì)同一物體照射的光越強(qiáng)，反射光也越強(qiáng)（越亮）；對(duì)于不同的物體在相同照射情況下，反射越強(qiáng)，則看起來(lái)越亮?！?.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換10第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理色調(diào)色調(diào)是人眼對(duì)的光的彩色感覺，它反映顏色的種類，是決定顏色的基本特性。某一物體的色調(diào)，是指該物體在日光照射下，反射的各光譜成分作用于人眼的綜合效果對(duì)于透射物體則是透過該物體的光譜綜合作用的結(jié)果在人眼中的反應(yīng)?！?.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換11第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理飽和度飽和度是指顏色的純度即摻入白光的程度，或者說(shuō)是指顏色的深淺程度，對(duì)于同一色調(diào)的彩色光，飽和度越深顏色越鮮明或說(shuō)越純。飽和度還和亮度有關(guān)?！?.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換12第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理亮度表示某彩色光的明亮程度，而色度則表示顏色的類別與深淺程度。

彩色光的三特性的小結(jié)亮度

色調(diào)、飽和度合成色度§3.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換13第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理三基色三基色原理三基色的選擇并非唯一互相獨(dú)立的顏色才能作為三基色紅綠藍(lán)——應(yīng)用最廣的三基色§3.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換14第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理三基色原理自然界常見的各種顏色光，都可由紅（R）、綠（G）、藍(lán)(B)三種顏色光按不同比例相配而成；（圖）絕大多數(shù)顏色也可以分解成紅、綠、藍(lán)三種色光。§3.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換15第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理三基色原理示意圖§3.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換16第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理相加混色把三種基色光按不同比例相加稱之為相加混色。由紅、綠、藍(lán)三基色進(jìn)行相加混色的情況：

紅色十綠色一>黃色紅色十藍(lán)色一>品紅綠色十藍(lán)色一>青色紅色十綠色十藍(lán)色一>白色§3.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換17第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理二次色和補(bǔ)色由于：紅色十青色=綠色十品紅=藍(lán)色十黃色=白色稱黃、品紅和青色為相加二次色通常稱青色、品紅和黃色分別是紅、綠、藍(lán)三色的補(bǔ)色，由它們組成的色彩系統(tǒng)也稱減法系統(tǒng)?！?.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換18第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理亮度公式NTSC制式（美歐制式）：PAL制式（亞洲制式）：亮度Y=0.299R+0.587G+0.114B亮度Y=0.222R+0.707G+0.071B§3.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換19第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理彩色空間表示

在多媒體計(jì)算機(jī)中，常常涉及到幾種不同的色彩空間表示顏色。如計(jì)算機(jī)顯示時(shí)采用RGB彩色空間；彩色印刷時(shí)采用CMYK彩色空間；彩色全電視信號(hào)數(shù)字化時(shí)采用YUV彩色空間；為了便于色彩處理和識(shí)別，視覺系統(tǒng)又經(jīng)常采用HSI彩色空間、。計(jì)算機(jī)顯視器RGB彩色空間彩色印刷CMYK彩色空間彩色電視YUV和YIQ彩色空間視覺系統(tǒng)的HSB彩色空間§3.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換20第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理(1).計(jì)算機(jī)顯視器RGB彩色空間

RGB彩色空間又稱加色法系統(tǒng)。RGB彩色空間采用三種基本顏色，即RGB(紅，綠，藍(lán))。彩色顯視器的輸入需要RGB三個(gè)彩色分量，通過三個(gè)分量的不同比例配合，在顯示屏幕上合成所需要的任意顏色，三種顏色均無(wú)時(shí)顯示黑色。在RGB彩色空間，任意彩色光F，其配色方程可寫成：F=r[R]+g[G]+b[B]

其中，r、g、b為三色系數(shù)，r[R]、g[G]、b[B]為F色光的三色分量。任意一種色光，其色度可由相對(duì)色系數(shù)中的任意兩個(gè)唯一的確定?！?21第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理顯示器產(chǎn)生顏色的原理§3.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換22第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理(2).彩色印刷CMYK彩色空間

CMYK彩色空間又稱減色法系統(tǒng)。彩色印刷采用靛藍(lán)、品紅、黃色和黑色四種油墨印刷各種顏色，通常把這四種顏色簡(jiǎn)稱CMYK。靛藍(lán)、品紅、黃色三種顏色混合在一起時(shí)應(yīng)呈黑色。在現(xiàn)實(shí)中，把等量的靛藍(lán)、品紅、黃色油墨混合在一起產(chǎn)生不是黑色而是深棕色。因此又加入一些黑墨以打印真正的黑色?！?23第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理(3).彩色電視YUV和YIQ彩色空間

現(xiàn)代彩色電視系統(tǒng)中，通常采用三管彩色攝像機(jī)或彩色電荷耦合器件攝像機(jī)，把攝得的彩色圖像信號(hào)，經(jīng)分色棱鏡分成R0G0B0三個(gè)分量的信號(hào)，分別經(jīng)放大和校正得到了RGB信號(hào)，再經(jīng)過矩陣變換電路得到亮度信號(hào)Y、色差信號(hào)R-Y和B-Y，最后發(fā)送端將Y、R-Y及B-Y三個(gè)信號(hào)進(jìn)行編碼，用同一信道發(fā)送出去。這就是常用的YUV彩色空間。§324第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理YUV彩色空間的優(yōu)點(diǎn)亮度信號(hào)Y解決了彩色電視機(jī)與黑白電視機(jī)的兼容問題；可以利用人眼的特性來(lái)降低數(shù)字彩色圖像所需要的存儲(chǔ)容量。

YUV色彩空間常用在PAL制式中，在多媒體計(jì)算機(jī)中也采用了這種色彩空間，數(shù)字化后通常為Y∶U∶V=8∶4∶4或者是Y∶U∶V=8∶2∶2。§3.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換25第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理實(shí)例

一幅彩色圖像的大小為640×480像素，按RGB=8∶8∶8存儲(chǔ)，即R、G和B分量都用8位二進(jìn)制數(shù)表示，所需要的存儲(chǔ)容量為921600字節(jié)。如果用Y:U:V=8:2:2來(lái)表示，Y分量仍然為640×480，且仍用8位表示，而對(duì)每四個(gè)相鄰像素(2×2)的U、V值分別用相同的一個(gè)值表示，那么所需的存儲(chǔ)空間就減少到460800字節(jié)?！?.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換26第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理(4).HSB彩色空間

在HSI彩色空間中，人們常用H、S、B參數(shù)描述顏色特性，其中H表示色調(diào)，S表示顏色的飽和度，B表示光的強(qiáng)度。HSI彩色空間能夠減少彩色圖像處理的復(fù)雜性，而且更接近人對(duì)色彩的認(rèn)識(shí)和解釋。§327第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理彩色空間變換的目的為了降低數(shù)據(jù)量而利用人的視覺特性把RGB空間表示的彩色圖像變換到其它彩色空間。每一種變換使用的參數(shù)都是為了適應(yīng)某種類型的顯示設(shè)備?！?.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換28第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理色彩空間的轉(zhuǎn)換

RGB與YUV之間的轉(zhuǎn)換 彩色攝像機(jī)最初得到的是經(jīng)過y校正的RGB信號(hào)，為了和黑白電視機(jī)兼容及壓縮編碼，在傳送過程中包含亮度信號(hào)和色差信號(hào)，亮度方程簡(jiǎn)化如下：

Y=0.3R+0.59G+0.11B

三個(gè)色差信號(hào)B-Y，R-Y，G-Y中有兩個(gè)是獨(dú)立的，另一個(gè)可用亮度方程和兩個(gè)色差信號(hào)通過運(yùn)算得到?！?29第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理RGB與YUV之間的變換

考慮人眼的視覺特性而對(duì)色差信號(hào)壓縮之后，可表示為以下矩陣計(jì)算形式。§3.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換30第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理隔行掃描與逐行掃描§3.1彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換31第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理3.2數(shù)字圖像與圖形§3.2視頻信號(hào)獲取技術(shù)32第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理數(shù)字圖像與圖形多媒體計(jì)算機(jī)常用的三種圖像：圖形、靜態(tài)圖像、動(dòng)態(tài)圖像獲取三種圖像的方法：計(jì)算機(jī)產(chǎn)生掃描輸人借助數(shù)字化儀，將彩色全電視信號(hào)數(shù)字化后輸人§3.2視頻信號(hào)獲取技術(shù)33第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理圖像數(shù)字化圖象的數(shù)字化圖像的數(shù)字化和聲音的數(shù)字化原理相似，同樣需要經(jīng)過采樣和量化的過程，只是，圖像是平面的二維信息，比聲音信號(hào)復(fù)雜的多，所以它的采樣是在X，Y兩個(gè)坐標(biāo)方向上的，另外對(duì)于黑白灰度圖像和彩色圖像的量化也有所不同，圖像數(shù)字化包括圖像采樣采樣樣本的量化§3.2視頻信號(hào)獲取技術(shù)34第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理圖像采樣圖像采樣的含義采樣密度和采樣定理采樣定理闡述了采樣密度與F（X，Y）頻帶之間的依存關(guān)系，頻帶越窄，相應(yīng)的采樣頻率越可以降低，采樣頻率是圖像變化頻率二倍時(shí)，可以保證有離散的圖像數(shù)據(jù)無(wú)失真地重現(xiàn)原圖，但F（X，Y）的頻帶不可能時(shí)有限的，因此圖像采樣總存在失真，或者說(shuō)失真對(duì)于數(shù)字圖像是再所難免的。XYXY采樣密度§3.2視頻信號(hào)獲取技術(shù)35第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理量化及其含義

量化是對(duì)每個(gè)采樣得到的離散點(diǎn)——的灰度或色彩樣本進(jìn)行數(shù)字化的過程，是在樣本幅值的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)進(jìn)行分層、取整?；叶葓D像以及灰度級(jí)的表示

在計(jì)算機(jī)中用2？表示灰度，通常A/D變換產(chǎn)生的灰度是256級(jí)灰度。彩色值的量化取決于所選彩色空間

圖像的彩色的表示空間不同，因?yàn)椴噬珗D像的彩色的表示空間不同，會(huì)造成量化的方法和取值的不同，自然會(huì)影響到算法以及其他各個(gè)處理細(xì)節(jié)的不同?！?.2視頻信號(hào)獲取技術(shù)36第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理

圖像文件格式及其轉(zhuǎn)換位圖和矢量圖

位圖由像素組成,適合存儲(chǔ)真實(shí)場(chǎng)景,占用存儲(chǔ)空間大,大小與畫面內(nèi)容與復(fù)雜程度無(wú)關(guān).容量由圖像分辨率和圖像深度決定,顯示速度比矢量圖快.

矢量圖存儲(chǔ)的是繪圖的圖形指令,適合存儲(chǔ)復(fù)雜的曲線圖形,占用的空間小,大小決定于圖形的復(fù)雜程度,顯示速度因?yàn)橛?jì)算還原較慢.§337第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理靜態(tài)圖像的文件與轉(zhuǎn)換

常見的靜態(tài)圖像文件的擴(kuò)展名是BMP、GIF、TGA、TIFF、JPEG、PCX、PSD等?！?38第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理BMP文件

BMP是DOS和Windows兼容計(jì)算機(jī)上的標(biāo)準(zhǔn)Windows圖像格式。BMP格式支持RGB、索引顏色、灰度和位圖顏色模式，但不支持alpha通道?？梢詾閳D像指定MsWindows或OS/2格式以及位深度。對(duì)于使用Windows格式的4位和8位圖像，還可以指定RLE壓縮?！?39第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理GIF文件

圖形交換格式(GIF)是在WorldWideWeb

及其它聯(lián)機(jī)服務(wù)上常用的一種文件格式，用于顯示超文本標(biāo)記語(yǔ)言

(HTML)

文檔中的索引顏色圖形和圖像。GIF是一種用LZW壓縮的格式，用于最小化文件大小和電子傳輸時(shí)間。GIF格式保留索引顏色圖像中的透明度，但不支持alpha通道。

*注意：GIF文件有動(dòng)態(tài)文件和靜態(tài)文件兩種格式?！?40第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理Targa格式TGA文件TGA格式專門用于使用Truevision?

視頻卡的系統(tǒng)，并且通常受MS-DOS顏色應(yīng)用程序的支持。Targa格式支持24位RGB圖像（8位x3顏色通道）和32位RGB圖像（8位x3顏色通道外加一個(gè)8位alpha通道）。Targa格式也支持無(wú)alpha通道的索引顏色和灰度圖像。以這種格式存儲(chǔ)RGB圖像時(shí)，可以選取像素深度。§341第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理TIFF文件

標(biāo)記圖像文件格式(TIFF)

用于在應(yīng)用程序和計(jì)算機(jī)平臺(tái)之間交換文件。TIFF是一種靈活的位圖圖像格式，幾乎受所有的繪畫、圖像編輯和頁(yè)面版面應(yīng)用程序的支持。而且，幾乎所有的桌面掃描儀都可以生成TIFF圖像。TIFF格式支持具有alpha通道的CMYK、RGB、Lab、索引顏色和灰度圖像以及無(wú)alpha通道的位圖模式圖像。Photoshop可以在TIFF文件中存儲(chǔ)圖層；但是，如果在其它應(yīng)用程序中打開此文件，則只有拼合圖像是可見的。Photoshop也可以用TIFF格式存儲(chǔ)注釋、透明度和多分辨率金字塔數(shù)據(jù)?！?42第3章數(shù)字圖像圖形表示與處理JPEG格式JPG文件

一種常用的壓縮格式文件，聯(lián)合圖片專家組(JPEG)

格式是在WorldWideWeb

及其它聯(lián)機(jī)服務(wù)上常用的一種格式，用于顯示超文本標(biāo)記語(yǔ)言(HTML)文檔中的照片和其它連續(xù)色調(diào)的圖像。JPEG格式支持CMYK、RGB和灰度顏色模式，但不支持alpha通道。與GIF格式不同，JPEG保留RGB圖像中的所有顏色信息，但通過有選擇地扔掉數(shù)據(jù)來(lái)壓縮文件大小。J