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1、第七章 颜色与图像处理技术基础,7.1 颜色基础物体由于内部物质的不同，受光线照射后，产生光的分解现象。一部分光线被物体吸收，其余的被物体反射或投射出来，成为物体的颜色。所以，颜色和光有密切关系，同时还与被光照射的物体有关。物体又可以分为发光物体和吸光物体两大类，发光物体的颜色由自身发出的光波成分决定；而吸光物体的颜色由该物体吸收哪些光波来决定。颜色是通过光被感知的，光就是电磁波，当电磁波的波长在380 780nm之间时，可以被人的眼睛感知到，就称为可见光。用波长定义的颜色叫光谱色（spectral colors）。,频率(Hz),波长(m),无线电波,红外线,紫外线,X射线,Y射线,可见光源
2、,红 橙 黄 绿 青 蓝 紫,7.1.1 颜色的特性国际照明委员会（CIE）定义了用颜色的三个特性来区分颜色。这些特性是色调、饱和度和明度，它们是颜色所固有的并且是截然不同的特性。,1.色调（Hue）色调，又称为色相，指颜色的外观，用于区别颜色的名称或颜色的种类。人们对颜色的感觉实际上就是视觉系统对可见物体辐射或者发射的光波波长的感觉。色调有一个自然次序：红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫。在这个次序中，当人们混合相邻颜色时，可以获得在这两种颜色之间连续变化的色调。把不同的色调按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序衔接起来，就形成了一个色调连续变化过渡的圆环，称为色环。,2.饱和度（Saturatio
3、n）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，颜色就越纯；而饱和度越小，颜色就越浅，或纯度越低。饱和度还和亮度有关，同一色调越亮或越暗则越不纯。,3.亮度（Luminance）亮度即颜色明亮的程度，是光作用于人眼时引起的明亮程度的感觉。亮度也可以说是指各种纯正的色彩相互比较所产生的明暗差别。在纯正光谱中，黄色的明度最高，显得最亮；其次是橙、绿；再其次是红、蓝；紫色明度最低，显得最暗。,7.1.2 三基色1.基色（Primary Color）由于人的眼睛对红、绿和蓝三种颜色的光最敏感，由这三种颜色相配所得的彩色范围也最广，所以一般都是用这三种颜色作为基色。同
4、样绝大多数单色光也可以分解成红绿蓝三种色光。这是色度学的最基本原理，即三基色原理。三种基色是相互独立的，任何一种基色都不能由其它两种颜色合成。,2.补色与邻近色某一间色与另一原色之间互相补足三原色成分，即任何两种色光相加后如能产生白光，这两种色光就互称为补色光。邻近色是色轮中相近的两种颜色，往往是互相掺杂在一起。在色轮中，凡在60度范围之内的颜色都属邻近色的范围。,3.相加混色法与相减混色法颜色最终要在物理设备上显示出来，根据不同的设备可以使用相加混色法或相减混色法。通常，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，使用RGB相加混色法；一个不发出光波的物体称为无源物体，
5、它的颜色由该物体吸收或者反射的光波决定，使用相减混色法。,相加混色法,相减混色法,7.1.3 色彩空间颜色模型（color model）是用数值方法指定颜色的一套规则和定义，可使人们方便地描述任何一种颜色。颜色模型通常用颜色空间描述，如RGB、CMYK等。,1.RGB色彩空间在多媒体计算机技术中，用得最多的是RGB色彩空间，RGB色彩空间适用于显示器这类发光物体。在RGB色彩空间中，每一种颜色用Red、Green、Blue三种分量值来表示。每个分量值用一个介于0255之间的数字表示。当三种分量R=G=B=0时，结果是黑色；当R=G=B=255时，结果是白色。RGB图像使用三种颜色，如果每种颜色
6、以8位二进制位来表示，那么可以表示的色彩为224=1670万种颜色，这也就是常说的真彩色。,2.CMYK 色彩空间CMY色彩空间主要用于彩色打印机和彩色图片印刷这类吸光物体上。CMY是由青色（Cyan）、品红（Magenta）和黄色（Yellow）组成，任何一种颜色都可以用这三种基本颜料按一定比例混合得到。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入一种真正的黑色（Black Ink），所以CMY色彩空间又称为CMYK色彩空间。当C=M=Y=K=0%时，结果为白色；当C=M=Y=K=100%时，结果为黑色。,3.HSB/HSI色彩空间HSI色彩空间
7、是从人的视觉系统出发，用色调（Hue）、饱和度（Saturation）、亮度（Brightness）或强度（Intensity）这三个参数来描述颜色特性的。HIS色彩空间可以用一个圆锥空间模型来描述，其中亮度I为纵轴，色调H为绕着圆锥界面度量的色环。色饱和度为穿过中心的半径横轴。由于HIS色彩空间更接近于人对色彩的认识和解释，因此采用HIS方式能够减少彩色图像处理的复杂性，而提高处理速度。,HSB颜色模型,Lab颜色模型,4.Lab色彩空间 Lab色彩模型是由国际照明委员会于1976年公布的，它是用亮度和色差来描述颜色分量，其中L为亮度、a和b分别为各色差分量。a色差包括的颜色是从深绿（低亮度
8、值）到灰（中亮度值），再到亮粉红色（高亮度值）。b色差包括的颜色是从亮蓝色（低亮度值）到灰（中亮度值），再到焦黄色（高亮度值）。,在表达颜色范围上，处于第一位的是Lab色彩模型，第二位的是RGB色彩模型，第三位是CMYK色彩模型。因此Lab色彩模型所定义的颜色最多，且与光线及设备无关。色彩模型有设备相关和设备无关之分。设备相关的色彩模型是指色彩模型指定生成的颜色与生成颜色的设备有关。例如，RGB颜色空间是与显示系统相关的颜色空间，计算机显示器使用RGB来显示颜色，用像素值（例如，R=250，G=123，B=23）生成的颜色将随显示器的亮度和对比度的改变而改变。设备无关的色彩模型是指颜色空间指定
9、生成的颜色与生成颜色的设备无关，例如，Lab颜色模型就是设备无关的色彩模型，用该空间指定的颜色无论在什么设备上生成的颜色都相同。,7.2 图形与图像,一般来讲，凡是能为人类视觉系统所感知的信息形式或人们思想中的有形想象统称为图像。但在计算机中，由于图的产生、处理、显示方法及存储方式不同，一般把它们看成不同的媒体形式：图像（Image）和图形（Graphics）两种表示方式。,7.2.1.矢量图矢量图（Vector-Based Image）是用一系列计算机指令来描述的，这些指令描述构成一幅图的所有直线、点、圆、椭圆、矩形、弧、多边形等的位置、维数、大小、颜色和形状。这些指令也称为矢量图的图元。显
10、示矢量图的时候，需要相应的软件读取这些指令，并将其转换成屏幕上所显示的形状与颜色。,由于大多数情况下矢量图不用对图像上的每一点进行量化保存，因此存储量较小。矢量图在显示时，图形的产生需要进行计算，所以要占用时间。图形越复杂，显示速度相对越慢。矢量图多用于计算机辅助设计（CAD）、工程制图、三维动画等一些电脑创作。常用的绘制和编辑矢量图的软件有AutoCAD、CorelDraw、3DStudio等。,7.2.2.位图位图（Bit-Mapped Image），将一幅图像在空间上离散化，即将图像分成许许多多的像素，每个像素用若干个二进制位来指定该像素的颜色或灰度值。位图一般也称为图像。,位图适用于表
11、现层次和色彩比较丰富、包含大量细节和具有复杂颜色的照片式图像。它的优点是非常逼真，看起来很真实，并可直接快速地显示或打印输出。但位图文件占据的存储空间比较大，为了节省内存和磁盘空间，通常，图像文件总是以压缩方式进行存储。位图是由多个像素组成的，并带有表示每个像素颜色的数据，由于每个像素的信息量是固定的，当图像放大或缩小时，位图会失真。,图像的主要技术参数,1.分辨率分辨率是影响图像质量的主要因素。分辨率越高，图像的质量越好。分辨率分为屏幕分辨率和图像分辨率两种。屏幕分辨率屏幕分辨率也称显示分辨率，它是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。屏幕分辨率通常用水平和垂直方向所能显示的像
12、素数目表示。屏幕能够显示的像素越多，说明显示设备的分辨率越高，显示的图像质量也就越高。图像分辨率图像分辨率是图像精细程度的度量方法。对同样尺寸的一幅画，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。,2.图像灰度图像灰度是指每个图像的最大颜色数，屏幕上每个像素的颜色信息用位来表示，一般写成2的n次方，n代表位数。3.图像文件大小一般指存储整幅图像所占的字节数，它与图像的分辨率、图像灰度有关，描述方法为：位图文件的字节数=（图像分辨率灰度位数）/8。图像文件大小会影响到图像文件的传输时间，为了提高图像的传输速度，在创建和存储图像时应缩小图像尺寸或采用图像压缩技术。,7.2.3.位图与
13、矢量图的比较1.矢量图的基本元素是图元，也就是图形指令；而位图的基本元素是像素。2.由于位图是由大量像素点的信息组成，其大小取决于图像灰度以及图像分辨率等，数据量大，占用空间较大；而矢量图只保存算法和特征点，数据量少，占用空间较小。3.由于位图适合表示自然景物，一般是通过数码相机实拍或对照片进行扫描得到，处理侧重于获取和复制；而矢量图一般是通过绘图程序绘制得到，处理侧重于绘制和创建。4.位图显示时只是将像素点影射到屏幕上，故显示速度快；而矢量图显示时需重新运算和变换，故显示速度较慢。5.矢量图可以进行变换而不失真；而位图在缩放时图像效果则会失真。6.矢量图可以图元为单位单独进行属性修改编辑等操
14、作，而位图不行。,7.3 图像数字化,图像数字化是计算机图像处理之前的基本步骤，目的是把真实的图像，转变成计算机能够接受的存储格式。要利用计算机技术来处理图像信息，必须首先把模拟信号变成数字信号，也就是对图像的亮度信号进行空间和幅值的离散化处理。这个过程就是图像的数字化过程，经过离散化处理的图像称为数字图像。图像的数字化过程包括对图像的采样及量化。,7.3.1.采样采样就是将时间和空间上连续的图像转换成离散点的过程。不同的采样精度所获得的图像分辨率不同，采样后，图像分辨率就表示数字化图像尺寸的大小。想要得到更加清晰的图像质量，就需要使用更多的点来表示图像，也就是使图像具有较高的分辨率，但相对图
15、像的存储量也就越大。,7.3.2.量化量化则是在图像离散化后，将表示图像色彩浓淡的连续变化值离散化为整数值（即灰度级）的过程，从而实现图像的数字化。在多媒体计算机系统中，图像的色彩是用若干位二进制数表示的，被称为图像的颜色深度。黑白图像：图像颜色深度为1，只能表示21=2即黑和白两种色彩；灰度图像：图像颜色深度为8，可以用28=256个灰度等级表示图像的层次变化；RGB真彩色图像：图像颜色深度为24，即224，可表示1670万种颜色，几乎涵盖了人眼所能识别的颜色。,图像的数字化过程使连续的模拟量变成离散的数字量。相对于原始的模拟图像，经过数字化的过程，会带来一定的误差，在图像重现时会产生一定的
16、失真。但由于人的视觉特性，这些失真不易被察觉，数字化的图像效果人们完全可以接受。,7.4 图像的文件格式,数字图像在计算机中都是以文件的方式存储和记录的，常见的文件格式有以下几种。,1.BMP格式BMP是英文Bitmap（位图）的简写，它是Windows操作系统中的标准图像文件格式，在Windows环境下运行的所有图像处理软件都支持BMP图像文件格式。随着Windows操作系统的流行与丰富的Windows应用程序的开发，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，几乎不进行压缩，但由此导致了它与生俱生来的缺点占用磁盘空间过大。所以，目前BMP文件在单机上比较流行，
17、不适合在网络中传输。,2.PCX格式PCX是Zsoft公司在开发图像处理软件PC-Paintbrush时开发的一种图像格式，它专门用于存储该软件所产生的图像画面数据，存储格式从1位到24位，它是经过压缩的格式，占用磁盘空间较少。,3.GIF格式GIF是Graphics Interchange Format（图形交换格式）的缩写。GIF是由ComouServe公司在1987年推出，最初的目的是为了加快、方便网络用户和BBS用户浏览、传送图像数据而设计的一种文件格式。GIF是与硬件无关的8位彩色图形格式，在各种平台的图形处理软件上均可处理。GIF格式的图像文件可以是静态图像，也可以是动态图像。,4
18、.TIF格式TIF格式由原Aldus公司和Microsoft公司合作开发，最初用于数字图像扫描和桌面出版业，是一种很好的跨平台格式。TIFF格式具有图形格式复杂、存储信息多的特点。与其它的图形格式文件不同，TIFF文件格式不依附于某个特定的软件。TIFF格式被所有绘画、图像编辑和页面排版应用程序所支持。,5.JPEG格式JPEG是Joint Photographic Experts Group（联合摄影专家小组）的缩写。JPEG文件是目前使用最广泛、最热门的图像文件，也是Internet上最受欢迎的文件格式之一。这是由于JPEG格式的文件具有高压缩率、高质量、便于网络传输的特点。JPEG格式存
19、储的文件大小是其它类型图像文件的1/10到1/20，它的压缩比可以到达到100:1。,6.PSD、PDF格式PSD是Adobe公司开发的图像处理软件Photoshop的专用文件格式。它可以将Photoshop创建的所有图层、通道、遮罩和选择区域一同保存，便于下一次打开文件时对图像进行修改，但由此带来的缺点是文件占用空间比较大。PDF是Adobe公司开发的另一种可移植的图像文件格式。采用这种格式输出的页面，可以在任何计算机上使用免费阅读器Adobe Acrobat Reader阅读。,7.PNG格式PNG是20世纪90年代中期开始开发的一种新兴的网络图形格式，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。PNG是目前保证最不失真的格式，它吸取了GIF和JPEG二者的优点，存储形式丰富，兼有GIF和JPEG的色彩模式。PNG采用无损压缩方式来减少文件的大小，能把图像文件压缩到极限以利于网络传输，同时又能保留所有与图像品质有关的信息。,
