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1、第2章 图像的基本知识,.图像都是以模拟图像的形式存在，它们是由连续的有不同色彩及亮度等属性的颜色点组成的。.要利用数字计算机处理模拟图像，就必须将模拟图像转换为用数字方式表示的数字图像文件，即所谓的数字图像。.将模拟图像转换成数字图像的过程称为图像数字化过程。.根据计算机系统处理图像的特点，本章将从图像文件的分类、属性、色彩通道、色彩模式、层次及文件格式等方面介绍有关图像的一些基本知识。,退出,2.1 图像文件及其分类2.2 图像文件的属性2.3 图像的色彩通道2.4 图像的色彩模式2.5 图像的层次2.6 图像文件的常见格式,2.1 图像文件及其分类,.数字图像是以计算机图像文件的形式存在
2、的。.根据计算机具有的处理图像的特殊方式及各种类图像本身具有的不同的表现形式与用途等因素，图像文件一般可按计算机的存储方式与图像本身的颜色来进行分类。.按前者分有矢量格式与位图格式，按后者分有黑白图像、灰度图像及彩色图像。,1.按在计算机存储方式分类 a.矢量格式(向量格式)是用一系列的绘图指令与参数及数学式来表示一幅图，如点、直线、矩形、圆以及一些复杂的曲线和曲面等。见图2-1。.常见的有.DXF、.3DS、.MAX、.WMF等。.处理矢量图形的软件通常称为绘图软件（Draw Program），常见的有AutoCAD、CorelDRAW以及Adobe II1ustrator等软件。,.矢量图
3、形有许多优点:(1)如对矢量格式的图形移动、缩放、旋转、复制、颜色的改变、线条粗细的变化等很方便。(2)可以将常见的图形作为构成复杂图形的基本元素预先绘制好，存储在系统的图形库中加以利用。(3)另外，矢量图形与设备的分辩率无关，一般可对矢量图形进行任意缩放或变形而不影响其清晰度和光滑性等。(4)矢量图形一般适合表示有规律的线条组成的图形，如三维造型、工程图或艺术字等。,b.位图格式是直接描述像素点属性的图像文件格式。.计算机屏幕上图像是由屏幕上发光点（常称像素）构成，对每个点可用二进制数据来描述其颜色与亮度等属性。.像素是构成点阵图像的基本元素，它是离散的，就像是在绘图纸上一样排列成矩阵形式。
4、由连续区域内的像素构成的图像称为点阵图像，也称位图像。全部像素形成的矩阵就构成位图。见图2-2。.计算机存储位图图像时，是存储图像各像素的位置和颜色数据等。扩展名为.BMP、.TIF及.GIF等的是图像文件。用来绘制位图图像的软件称为画图软件，如Photoshop等。,.位图适用于表示具有颜色、阴影、色调等的变化的图像，如各类照片或绘画作品等。位图放大后，其清晰度和光滑度都要受到影响。见图2-3与图2-4。.位图图像中的水平方向上的像素个数和垂直方向上的像素个数决定了该幅图像的分辨率。如屏幕上显示的图像的分辨率为640480，表示其水平方向上有640个像素，垂直方向上有480个像素，则屏幕上的
5、总像素有640480=307200个像素，即有307200个发光点。.位图图像文件一般比矢量图形文件要大。影响位图文件的大小的因素主要有两个，即图像的分辨率与位深。,2.按颜色分类.图像按颜色分有黑白图像、灰度图像及彩色图像等。a.黑白图像是最简单的一种图像，它只包含黑白两种信息，占用很少的存储空间。.黑白图像又可分为两种不同的类型，即线条图和半色调图。线条图是一种简单的黑白线条组成的图像，包括如铅笔或钢笔的素描图或如机械蓝图等单一颜色类的彩图。半色调图是一种模拟灰度图像的黑白图。见图2-5。,b.灰度图像除包含黑色和白色，还包含实际的灰色调。见图2-6。c.彩色图像包含丰富的图像信息，在计算
6、机中通常采用RGB（红、绿、蓝）三原色的模型来表示。RGB三原色可以组合成世界上所有的颜色。.彩色图像中的每个像素是用多个位来表示的，常用的是24-bit彩色图像，它是由三个8-bit的RGB通道组成，可以记录1670万种色彩，这种图像常称为真彩色图像。,2.2 图像文件的属性,图像的属性主要有图像的分辨率、颜色、尺寸及存储方式等，这些属性确定了图像的表现形式、操作方式及其适用领域等。,1.图像的分辨率.计算机不能直接处理连续的图像信息，而只能处理离散的像素。数字化设备的主要作用之一就是将信息分成可以进行独立处理的单元，即像素。.像素作为图像元素是可以用来度量图像数据的最小单元。计算机图像是由
7、像素点组成的，在同样大小的面积上，组成图像的像素点越多，图像的清晰度就越高。a.分辨率表示图像数字信息的数量或密度；它与像素和网格特性有着直接的联系，而像素与网格是扫描设备或输出设备再现光栅图像的基础成分。,显示器是以像素的形式显示图像的。例如一个14英寸的显示器在宽与高方向上分别可显示640与480个像素，而每个像素的宽度一般为1/72英寸，则一般称此时该显示器分辨率为640480，或者说该显示器的屏幕分辨率为72dpi（dot per inch 每英寸点数）。显示器的分辨率可以在一定范围内作调整。一般的图像处理软件均可以通过一定的算法调整图像像素与屏幕像素的对应方式，以使图像在屏幕上按一定
8、的分辨率进行显示。,如图2-7所示为分辨率不同的两幅图像，左边图像的分辨率比右边的高，显得更清晰。b.图像的分辨率依据应用对象或环境的不同可以分为几种类型或描述方式，如输入（扫描）分辨率、光学分辨率、内插分辨率、显示器分辨率、图像分辨率、输出分辨率及打印机分辨率等。图像分辨率、显示器分辨率及输出分辨率等是图像设计与处理中的重要参数。(1)输入或扫描分辨率是指在每英寸或每厘米原始图像上，一台扫描设备可捕获的信息量，它受扫描设备所具有的最高光学分辨率或内插分辨率的限制。,(2)光学分辨率指扫描仪或无胶片照相机的光学系统采样的最大信息量或最高信息密度，对于扫描仪是指水平的每一英寸或厘米的信息量，对于
9、数字照相机一般表示为一个固定的量。(3)内插分辨率适用于输入和输出阶段。在输入情况下，内插分辨率是指扫描仪通过硬件或软件算法可以模拟的最高信息密度。(4)显示器分辨率指计算机屏幕一次可显示的总信息量（如1024768像素），或指显示器在水平方向每一英寸的点数（如72dpi）。显示器分辨率影响使用者对图像进行处理工作时的方便性及视觉效果，但不会影响图像数据的输出质量。,(5)图像分辨率指图像中储存的信息量，这种分辨率有多种衡量法，一种是以图像水平和垂直方向上的像素点数量（ppi）来表示，如分辨率640480的图像表示这幅图像水平方向上有640个像素，垂直方向上有480个像素。另外一种表示方法是以
10、每英寸的像素（dpi）来衡量，如300dpi图像分辨率表示图像上每英寸有300个像素点。(6)输出分辨率适用于打印或印刷，它表示将最终文件发送到激光照排机或打印机时所需的每英寸像素数（ppi或dpi）。印刷复现方法、挂网约定、选定的输出设备的分辨率等综合在一起，可以决定图像的确切的输出分辨率。(7)打印机分辨率可用来度量输出设备在水平和垂直方向可以产生的每英寸点数。打印机或激光照排机的分辨率越高，它所产生的点就越小，图像的色调就显得越连续。,2.图像的颜色与深度 a.图像颜色是指图像中所具有的最多的颜色种类。.图像中的每一个像素都有其自己的颜色或灰度值，当像素很小且相邻像素的颜色或色调变化不大
11、时，图像会显示一种连续色调的视觉效果。.图像中的细节由像素尺寸和色调可取范围确定，而像素尺寸与分辨率有关，色调范围是由扫描设备的动态范围确定的。b.图像深度是指描述图像中每个像素的数据所占的位数。图像的每一个像素对应的数据通常可以是1位（bit）或多位字节，用来存放该像素点的颜色、亮度等信息。,.数据位数越多，所对应的颜色种数就越多。图像深度一般有1位、2位、4位、8位、16位、24位、32位及36位等几种。图像颜色数与图像深度有着密切的关系，即颜色数2图像深度。3.图像的尺寸 a.图像的尺寸是指图像的长与宽，根据不同的需要，尺寸可以用不同的单位来度量，如可用像素点（pixels）的数量来表示
12、显示器屏幕上显示的图像的尺寸。.注意，描述显示器分辨率的640640与描述图像尺寸的640640是有不同含义的，前者表示屏幕一次可以显示的总信息量。而后者对图像而言是确定的，如果利用图像处理软件改变该值，则图像本身就发生了变化。,.图像在显示器上显示的尺寸与图像在打印机上输出的尺寸是没有直接关系的，它们分别与图像本身的尺寸、显示器的分辨率与尺寸及打印机的分辨率等有关。.一般在描述图像的尺寸时常用dpi（dot per inch-每英寸的像素）、inches（英寸）、cm（厘米）等来描述，它们之间可相互换算。4.图像文件的大小 图像文件的大小确定图像所需要的磁盘存储空间，一般用计算机存储的基本单
13、位字节（byte）来度量。不同色彩模式的图像的每一像素所需要的字节数不同，如灰度图像中的每一像素灰度用一个字节的数值表示；而彩色图像中的每一像素一般最少用8个字节来度量。,图像文件的大小主要受图像分辨率、色彩数（位深）和图像大小三个因素共同决定。图像分辨率也影响到图像在屏幕上的显示大小，如果在一台设备分辨率为72dpi的显示器上显示的图像的分辨率从72dni增大到144dpi且保持图像尺寸不变，则该图像将以原图像实际尺寸的2倍显示。5.色调指光所呈现的颜色，如红、绿、黄等。彩色图像的色调决定于其在光照射下所反射的光的颜色。一般来说，发光物体的色调决定于其本身的光谱组成，而非发光物体的色调决定于
14、光源及物体本身的反射与透射性质。,6.饱和度饱和度表明色彩的纯度，它决定于物体反射或透射的特性。.饱和度用与色调成一定比例的灰度数量来表示，取值范围通常是0%（饱和度最底）100%（饱和度最高）。.可见光中单色光是最饱和的色彩。饱和度为最大时每一色相显示最纯的色光。对于同一色调的彩色光，其饱和度越高，则其颜色就越深，如深红比浅红的饱和度高。.高饱和度的彩色光在加入白色后会被冲淡，变成低饱和度的彩色光。,7.色度 色度是色调和饱和度的合称，表示光的颜色及其深浅程度。8.图像的亮度 指图像色彩的明暗程度，通常用0%（最暗）100%（最亮）间的值来表示。亮度为零时即为黑，最大亮度是色彩最鲜明的状态。
15、亮度是人眼对物体明暗强度的感觉，发光物体的亮度或非发光物体的反射度越高，则色彩的亮度均会显得越高。9.对比度 指图像中的明暗对比或变化，或是指亮度大小的差别。,2.3 图像的色彩通道,.计算机屏幕上显示的图像的色彩通常是由红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）三种基本颜色混合而成的。.三种基本色按不同比例进行混合可以产生许多种颜色，每一种颜色所占的份量可以分别进行调整，为此，保存每一种颜色信息及对其可进行调整处理所提供的方式或途径就是相应颜色的色彩通道。.如对由红绿蓝三种颜色光按不同比例混合而成的RGB图像，计算机中保存的是此幅图像中的三种颜色的数据，对应的就有红绿蓝三种颜色的通道和一
16、个RGB通道。,.由于应用的领域或方式的不同，基本颜色的种类也有不同，如在印刷过程中，彩色图像一般是经过四个印版来印刷，每个印版分别印刷青色（Cyan）、品红（Magenta）、黄色（Yellow）及黑色（Black）。一个通道即相当于印刷中的一个印版，每个通道保存一种颜色的数据。CMYK图像有青、品红、黄及黑四种颜色的通道和一个CMYK通道。颜色通道保存相应颜色的信息，RGB和CMYK通道均是一个混合通道，保存所有颜色的信息，而所见到的图像是由几个通道叠加在一起所产生的综合效果，如RGB色彩模式的图像就像是由三种颜色通道确定的光投射到屏幕上所产生的影像效果。,2.4 图像的色彩模式,颜色一般
17、分为两类，即彩色与非彩色。颜色可由某种色彩模式根据各种特性的几种基本色彩光成分表示出来。表示彩色特性的方法有许多，如RGB模式、CMYK模式、HSB模式及HLS模式等。在计算机图像处理系统中，根据各种需要或运用环境的不同也提供了相应的色彩应用模式。如图像的颜色可以由RGB三种基色来合成，也可以由其它基色来合成，这就构成了颜色的多种合成方式。,不同的模式有不同的特点，可以适用不同的处理过程或应用领域。除常用的颜色模式RGB模式外，还有CMYK模式、HSB模式、HLS模式、Indexed索引彩色模式、GrayScale灰度模式、Bitmap黑白位图模式、Duotone双色套印模式、Lab模式及Mu
18、ltichannel（多通道）模式等。,1.RGB模式RGB模式是显示器所采用的模式,它使用红(Red)、绿（Green）、蓝（Blue）三基色按不同比例的强度来混合，生成其它各种颜色。根据三种颜色光的比例不同而呈现出不同颜色的光。如R、G、B都取100，则光点为白色；如R、G、B都取0，则光点为黑色。目前彩色显示器和彩色电视机都是使用RGB模式来显示彩色图像。将彩色图片用扫描仪输入到计算机中，是采用图像显示的逆过程，也即是将彩色图片上的颜色分解成强度不同的R、G、B三种不同的光，并以数据的形式进行存储，如再将其传到显示器，则又可以显示出原来的颜色。,2.CMYK模式 CMYK模式是打印机采用
19、的颜色模式，CMYK是Cyan（青）、Magenta（紫红）、Intensity（黄）、Black（黑）的缩写。现实世界中，当光照射到一个物体上时，这个物体将吸收一部分光线，并将剩下的光线反射出去，而反射光色就是人眼所见的物体的颜色。一般来说，任何一种颜料（或墨水）的颜色都可以由三种基本颜色（青、紫红、黄）的颜料按一定比例混合获得。如等量的三种基本颜色的颜料混合成黑色，但实际上，由于纯色一般是很难获得的，印刷结果常会带一些褐色。为此，在印刷中需增加一种黑色来使色彩更均衡，保证颜色阴暗康深度。,颜料的颜色是由其能反射的光的颜色决定，如由七种颜色的光混合而成的太阳光照在红色的物体上，该物体只反射红
20、光，而将其它六种颜色的光吸收掉；白色物体对所有颜色的光很少吸收，将照射到其上的太阳光几乎都反射出去，使之看上去是白色的。如果一个物体能同时反射多种颜色光，则其显示相当于不同颜料的颜色混合后的颜色。CMYK模式主要应用于出版和计算机彩色打印，它为要打印的图像上的点指定四种打印墨水的颜色，一般打印机或印刷设备的油墨都是采用CMYK模式。,显然，CMYK模式与RGB模式对颜色的产生方式是不同的，一般来说，CMYK模式是达不到RGB模式的标准的，这也是有时屏幕上显示的图像要比打印出的图像的效果丰富的多的原因。当然，这不是绝对的，因为效果与图像本身的内容与色彩有很大关系。,3.HSB模式与HLS模式 H
21、SB模式是一种体现人的直觉的配色方式的模式，适合于画家使用。这里的H表示色调（Hue），它是各种色彩相互区分的特性；S表示饱和度（Saturation），它表示色彩的强度或纯洁度；B表示亮度（Brightness），它表示色彩相对的明暗程度。利用HSB模式，使用者只要选择色调、亮度和饱和度，就可以配出所需要的颜色。HLS模式中的H、L与S分别表示色度（Hue）、明度（Lightness）与饱和度（Saturation），它与HSB模式类似。,4.Indexed模式 Indexed为索引彩色模式,也称调色板模式。在此模式中，每一个像素的颜色，通常可以用8位数字、4位数字或1位数字来表示。每一个像
22、素对应于一个数字，每一个数字对应调色板中的一种颜色。实际上，以这种模式存储的图像只存储调色板及每个像素对应的调色板的颜色代号即可，而在显示图像时，每一像素据此代号查询调色板即可确定其颜色。索引模式可减小存储空间，如一幅l024768的8位的彩色图像只需要0.8MB并加上调色板的不大的存储空间即可，而如以位图格式存储则需6MB左右的存储空间。不过，调色板模式能表示的颜色较少，如8位调色板模式只能表示256种颜色，4位调色板模式只能表示16种颜色。,5.GrayScale模式 GrayScale为灰度模式，其表示的图像中只有灰度信息而没有彩色信息。灰度图像不仅包含黑色和白色，还包含实际的灰色调。在
23、灰度图像中每个像素用多个位（Bit）表示可以记录和显示的色调。如4位可产生16种灰度，8位可产生256种灰度。灰度增多可使黑白图片的层次更加准确丰富。,6.Bitmap模式 Bitmap是黑白位图模式，其表示的图像由黑色与白色两种像素组成。黑白图像是最简单的一种图像，只包含黑白两种信息。一个像素只用一位（bit）表示，所以占用的存储空间很少。黑白图像一般分为两种类型，即线条图和半色调图。线条图（1ine art）是一种简单的黑白图像，如铅笔或钢笔的素描图就是线条图。线条图也可以包括机械蓝图等单一颜色的彩色图。半色调图（ha1ftone）是一种模拟灰度图像的黑白图，显然，黑白图和灰度图不是一种类
24、型。在半色调图像中，较黑的区域用较多的点来表示，较亮的区域用较少的点来表示，这样，图像看起来就有从黑色到白色的不同灰度，而实际上每个点只有黑白两色。报纸和杂志上的摄影图片就是这种半色调图像。,7.Duotone模式 Duotone为双色套印模式。一般彩色图像按标准是用CMYK四种油墨来印刷的，但在实际生活中，常会用两种油墨来印刷出彩色效果，这样就可节省印刷成本。用这种方法印刷出来的图像称为Duotone（双色套印）图像。实际上，用一种、三种或四种油墨印刷出来的图像都统称为套印模式。,8.Lab模式 Lab模式是以一个亮度分量L（Lightness）及两个颜色分量a和b来表示，其中分量a的取值范
25、围是-128至128，表示绿色渐变至红色中间的一切颜色，分量b的取值为自绿色渐变至黄色中间的一切颜色。实际上，当Photoshop将RGB模式转换为CMYK模式时，都需经过Lab的转换，所以，有时可直接选择此模式以减少转换过程中的色彩损失，而对这种模式的图像的编辑处理速度也较快。,9.Multichannel模式 Mu1iichannel为多通道模式，其表示的图像包含多个通道，每一通道有256级灰度。此模式的图像是专门用于印刷的。任何包含超过一个通道的图像都可转换为Mu1tichannel模式，当把图像转换成此模式时，单一颜色通道的信息将被转化成能反映颜色值的灰度信息。如果用户从RGB、CMY
26、K或Lab模式的图像中删除通道，图像将会自动转化成Multichannel模式。,2.5 图像的层次,计算机设计在某种意义上就是利用各种技术与方法，将不同的经过适当处理的素材进行有效的安排与组合，以获得期望的设计效果。在计算机设计系统中，为更便捷有效地处理图像素材，通常将它们置于不同的层中，而图像可以看作是由若干层图像叠加而成的。利用图像处理软件，对每层图像均可作单独处理，而不影响其它层图像的内容。,在Photoshop软件中，图层（Layer）给图像处理与组合提供了便利的条件。可以将图层看作是一个独立的图像，对各个图层可以分别进行操作处理，而一幅图像可以由若干个图层组成。对层的处理方法类似于
27、在制作动画片过程中对明片所用到的处理方法。一幅图像的内容可分别画在若干层子图上，每层子图称为一个图层，其上画出图像的一部分，每层子图的透明度可根据需要设定，将各子图按一定的次序进行叠加就可以得到综合图像。,图层可以建立、增加与删除，并且可以设置每层图像的透明值以及重新排列叠加顺序等。对每个图层中的图像进行的编辑处理，不会影响其它图层中的图像。显然，这种处理方式可提高图像编辑处理的视胫柿俊 一般在新建一个图像文件时，系统将自动为其建立一个背景（Background）层，该图层相当于一块画布，可以在上面作贴图绘画及各种图像处理工作。若一个图像有多个图层，则每个图层均具有相同的像素、通道数及格式。,2.6图像文件的常见格式,图像文件格式的形成与图像的存储方式、存储技术等有关，一般可通过文件的扩展名来区分各种格式的图像文件，如.TIF或.JPEG等。位图是由一组点（像素）组成的图像，它可由图像软件创建，或利用扫描仪通过将印刷品、照片上图像扫描进计算机中生成，也可利用数字照相机等拍摄而成。下面是对几种位图格式文件的说明。,1.TIFF（.TIF）2.JPEG（.JPG）3.GIF 4.BMP 5.PSD 6.TGA 7.PCD 8.MAC 9.PCX 10.CAL 11.IMG 12.CT,
