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1、第四章第四章 图像与视频技术基础及应用图像与视频技术基础及应用 本章主要介绍本章主要介绍l数字图像基础数字图像基础l数字视频基础数字视频基础一、数字图像基础一、数字图像基础 1 1、图形与图像（矢量图与点位图）、图形与图像（矢量图与点位图）（1 1）矢量图（）矢量图（vector based image )vector based image ) 用计算机指令来表示一幅图。用计算机指令来表示一幅图。矢量图矢量图（2 2）点位图（）点位图（bit mapped imagebit mapped image） 用表示图像中每一个像素的亮度、颜色等属性来表示用表示图像中每一个像素的亮度、颜色等属性来表
2、示的一幅图。的一幅图。 像素：构成一幅画面最基本的元素。像素：构成一幅画面最基本的元素。像素图，位图像素图，位图矢量图与位映图矢量图与位映图2 2、图像的彩色模式（彩色空间）、图像的彩色模式（彩色空间）什么是彩色空间？什么是彩色空间？ 彩色图像使用的彩色描述方法彩色图像使用的彩色描述方法（1 1）RGB RGB 彩色模式彩色模式（2 2）CMYK CMYK 彩色模式彩色模式（3 3）HSB HSB 模式模式（4 4）位图模式）位图模式（5 5）灰度模式）灰度模式（6 6）索引色模式）索引色模式（7 7）LabLab模式模式（8 8）其它模式）其它模式 如如YIQYIQ（NTSCNTSC）、）、
3、YUVYUV（PALPAL）、）、 YCrCbYCrCb（计算机）（计算机）三三基基色色原理：原理： 用相互独立的红、绿、蓝用相互独立的红、绿、蓝3种基色光，以不同的比例混种基色光，以不同的比例混合，可以得到自然界大多数景物的色彩。合，可以得到自然界大多数景物的色彩。 反之，自然界中的大多数彩色光，能分解为相互对立的反之，自然界中的大多数彩色光，能分解为相互对立的红、绿、蓝红、绿、蓝3种基色光。种基色光。2.1 关于颜色关于颜色 颜色对表现对象至关重要颜色对表现对象至关重要2.2 颜色属性与运用颜色属性与运用2.2.1 色相色相 每种颜色的固有颜色相貌叫做色相。每种颜色的固有颜色相貌叫做色相。
4、 色相色相是从物体反射或透过物体传播的颜色。是指红，是从物体反射或透过物体传播的颜色。是指红，橙，黄，绿，青，蓝，紫等色彩颜色（橙，黄，绿，青，蓝，紫等色彩颜色（光谱频率不同光谱频率不同） 黑，白以及各种灰色是属於无色系的；黑，白以及各种灰色是属於无色系的；2.2.2 亮度亮度 亮度亮度是指颜色的明暗程度。是指颜色的明暗程度。 颜色的亮度有两种含义，一种是由于物体受白光颜色的亮度有两种含义，一种是由于物体受白光 照射的强弱不同产生的色相明暗；另一种是指颜照射的强弱不同产生的色相明暗；另一种是指颜 色色本身的亮度。本身的亮度。 通常使用从通常使用从 0%0%（黑色）至（黑色）至 100%100%
5、（白色）的百（白色）的百分比来度量。也可用分比来度量。也可用0-2550-255共共256256种色调来描述，如种色调来描述，如在灰度模式下，由白色至黑色连续划分为在灰度模式下，由白色至黑色连续划分为256256种色调，种色调，由白至灰，再由灰至黑。由白至灰，再由灰至黑。2.2.3 饱和度饱和度 饱和度又被称为颜色的纯度。（饱和度又被称为颜色的纯度。（100%为最高）为最高） 它使用从它使用从 0%（灰色）至（灰色）至 100%（完全饱和（完全饱和,纯色）纯色）的百分比来度量。在标准色轮上，饱和度从中心到边的百分比来度量。在标准色轮上，饱和度从中心到边缘递增。缘递增。2.2.4 颜色的运用颜色
6、的运用 颜色的正确应用、搭配属艺术范围（请参考有关图书）颜色的正确应用、搭配属艺术范围（请参考有关图书）红，蓝二色的饱和度变化红，蓝二色的饱和度变化 2.2.52.2.5对比度对比度(Contrast)(Contrast)：是指颜色之间的差异。对比：是指颜色之间的差异。对比度越大，两种颜色之间的反差越大，对比度越小，度越大，两种颜色之间的反差越大，对比度越小，反差越小，颜色越相近。反差越小，颜色越相近。 如一幅灰度图像增加对比度后会变得黑白分明，如一幅灰度图像增加对比度后会变得黑白分明，当增到极限时，会变成一幅完全黑白的图像；而当当增到极限时，会变成一幅完全黑白的图像；而当对比度减到极限时，则
7、变成一幅灰色的底图。对比度减到极限时，则变成一幅灰色的底图。原图（灰度图）原图（灰度图）对比度对比度100%100%对比度对比度-98%-98%演示效果演示效果2.3 彩色图像的显示主要有两种方法彩色图像的显示主要有两种方法1）印刷品）印刷品2）显示器、电视机）显示器、电视机这两种显示方式各不相同。这两种显示方式各不相同。一种使用反射方式显示图像；（印刷品）一种使用反射方式显示图像；（印刷品）另一种使用自身发射光的方法显示图像（显示器）另一种使用自身发射光的方法显示图像（显示器）2.4 颜色模式颜色模式2.4.1 位图模式位图模式位图模式的图像叫做黑白图像或位图模式的图像叫做黑白图像或1位图像
8、位图像1位位21=2表示两种颜色，黑或白无灰度层次。表示两种颜色，黑或白无灰度层次。例：选取一幅图转换成位图模式。（灰度例：选取一幅图转换成位图模式。（灰度位图）位图）3.4.2 灰度模式灰度模式灰度模式的图像由灰度模式的图像由256种颜色组成的图像种颜色组成的图像 。2.4.3 Lab模式模式 L*a*b 颜色与设备无关，无论使用何种设备（如颜色与设备无关，无论使用何种设备（如显示器、打印机、计算机或扫描仪）创建或输出图像，显示器、打印机、计算机或扫描仪）创建或输出图像，这种模型都能生成一致的颜色。这种模型都能生成一致的颜色。 L*a*b 颜色由亮度或光亮度分量颜色由亮度或光亮度分量 (Li
9、ghtness) 和两和两个色度分量组成：个色度分量组成：a 分量（从绿色到红色）和分量（从绿色到红色）和 b 分量分量（从蓝色到黄色）（从蓝色到黄色） 作内部颜色模式使用，在不同的颜色模式转换中作内部颜色模式使用，在不同的颜色模式转换中使用。使用。A. A. 亮度亮度=100=100（白色）（白色）B. B. 绿色到红色分量绿色到红色分量 C. C. 蓝色到黄色分量蓝色到黄色分量 D. D. 亮度亮度=0=0（黑色）（黑色）2.4.4 RGB模式模式显示器（显示器（CRT）和电视机使用的颜色显示模式。）和电视机使用的颜色显示模式。显示器中的所有颜色都是使用不同比例的显示器中的所有颜色都是使用
10、不同比例的R、G、B电子束合成产生的。电子束合成产生的。这是在显示器显示图像时我们常用的一种模式。这是在显示器显示图像时我们常用的一种模式。 由于由于 RGB RGB 颜色合成可以产生白色，因此也称它们为颜色合成可以产生白色，因此也称它们为加色加色。将所有颜色加在一起可产生白色即所有光都被反射回眼睛。将所有颜色加在一起可产生白色即所有光都被反射回眼睛。加色加色用于光照、视频用于光照、视频( (电视机电视机) )和显示器。和显示器。例如，显示器通过红色、绿色和蓝色荧光粉发射光产生颜色。例如，显示器通过红色、绿色和蓝色荧光粉发射光产生颜色。加色加色 (RGB)(RGB)2.4.5 CMYK模式模式
11、 CMYK是一种印刷所使用的模式。是一种印刷所使用的模式。C纯青色纯青色(Cyan)M洋红色洋红色(Magenta)Y黄色黄色(Yellow)K黑色黑色(Black)观看观看Photoshop中的通道中的通道印刷时采用的四色印刷由此得名。印刷时采用的四色印刷由此得名。减色减色 (CMYK)2.4.6 双色调模式双色调模式 双色调模式是用两种油墨打印的灰色图像，双色调模式是用两种油墨打印的灰色图像，灰色油墨用于暗调部分，彩色油墨用于中间调和灰色油墨用于暗调部分，彩色油墨用于中间调和高光部分。高光部分。双色调模式的图像在印刷时比四色印刷的图像便宜。双色调模式的图像在印刷时比四色印刷的图像便宜。3.
12、4.7 索引色模式索引色模式索引色模式只能显示索引色模式只能显示256种颜色。种颜色。特点：图像数据量小，适用于网络特点：图像数据量小，适用于网络演示：在演示：在Photoshop 中观看索引颜色的范围。中观看索引颜色的范围。3.4.8 多通道模式（多通道模式（42页）页）每个通道使用每个通道使用256色，可以创建专色通道。色，可以创建专色通道。（讲通道时，再详细介绍）（讲通道时，再详细介绍）2.4.9 选择合适的颜色模式选择合适的颜色模式1、颜色模式的选择与文件大小的关系、颜色模式的选择与文件大小的关系对于同一幅图使用不同的模式文件的大小为：对于同一幅图使用不同的模式文件的大小为：位图索引色
13、灰度双色调位图索引色灰度双色调Lab多通道多通道CMYK2、颜色范围、颜色范围(色域色域)大小大小CMYK RGB Lab例：例：Samples/鲜花鲜花.jpg的超色域问题的超色域问题 3、图像的3个基本属性 1 1）分辨率）分辨率 我们经常遇到的分辨率有以下两种：A、显示分辨率（dpi , dots per inch 象素/英寸) 显示分辨率是指显示屏上每单位长度能够显示出的象素数目。例如：显示分辨率为800600，表示显示分成600行， 每行显示800个象素。那么整个显示就含有 480000个象素点。屏幕能够显示的象素越多显示设备的分辨率越高显示图像的质量也就越高600行每行800个象素
14、 要增加屏幕的象素，那么就要缩小点距，点距指孔眼之间的距离。 计算机显示器和家用电视机的主要差别是显管中的孔眼掩膜和荧光材料不同。 常用点距来衡量一个显示器的分辨率，如电视机的平均显示分辨率（点距）为：0.76mm标准SVGA显示器的显示分辨率(点距）为：0.28mm 显示器点距的发展：0.410.380.350.310.280.260.21到更小 点距越小，单位面积上的象素就多，荧光点越精细画面越清晰，制造越复杂，当然价格也越高。B、图像分辨率（ppi , point per inch 像素 /英寸） 图像分辨率是指每单位打印长度显示的像素数目。 对同样尺寸的图像， 像素 分辨率 画面质量
15、反之图像显得模糊。 图像分辨率与显示分辨率是两个不同的概念： 图像分辨率是确定组成一幅图像的像素数目 显示分辨率是确定在显示屏上显示的像素数目如：一台显示器的分辨率为800*600,72dpi 问一幅400*300,72dpi 的图像在显示器屏幕上 显示时所占的显示比例多大？ 图像显示分辨率/显示器显示分辨率 =400*300/800*600 =1/4 就是说显示的图像只占显示屏幕的 1/4 一幅1024*768,72dpi 的图像的是否可以完全 显示在 800*600的显示屏幕上 ? 1024*768=786432 800*600=480000 2）图像深度（像素深度）（1）图像深度是指存储
16、每个像素的位数之和 例如：a) 位图（或黑白模式）的位数为 1， 即 21=2 （表示两种颜色） b) 若图像的像数位数=8 , 则最大的颜色数目=28=256（表示最大有256种颜色） c) 如一幅图像的每个像素用R、G、B三个分量表示， 如每个分量为8位，那么每个像素数目为24位。 也就是说图像深度为24位， 每个像素可以是224=16777216种颜色中的一种。 最大颜色数目也为16777216。 （2）图像的数据容量图像数据容量计算公式：图像数据容量 = 图像宽度 图像高度 图像深度/8（B）（/1024KB/1024MB）例如：一幅图像尺寸为640*480，图像深度为24， 则图像的
17、数据容量为： 640 * 480 * 24 / 8 / 1024 = 900KB可以在PHOTOSHOP中建立一个640*480，72DPI，RGB模式的图像试试看3）真彩色、伪彩色与直接色（1）真彩色（true color) 真彩色是指在组成一幅彩色图像的每个像素 值中，有R、G、B三个基色分量，每个分量直接 决定显示设备的基色强度。这样产生的彩色称为 真彩色。真彩色常称为全彩色(Full color) RGBR、G、B三个分量直接决定显示设备的基色强度 通常真彩色图像是指 RGB8：8：8，即图像深度为24位，图像的颜色数为224=16,777,216。 人眼大约能分辨出约35000种不同
18、的颜色。D/A Change数/模 转换 光栅显示器中需要有足够的位面和帧缓存结合起来才能反映图形的颜色和灰度等级。（2）伪彩色 伪彩色图像的每个像素的颜色，不是由RGB基色分量的值直接决定，而是把像素值当作彩色表的表项入口地址，去查找一个显示图像时使用的R、G、B强度值。再用查找出的R、G、B强度值产生彩色，这种彩色称为伪彩色。 使用查找表得到的数值显示的彩色是真实的，但不是使用查找表得到的数值显示的彩色是真实的，但不是图像本身真正的颜色，它没有完全反映原图的彩色。图像本身真正的颜色，它没有完全反映原图的彩色。彩色查找表（CLUP）RGBRGB 对于有3个位面分辨率是1024*1024个像素
19、阵列的显示器，需要3*1024*1024（3145278）位的存储器。为了节制缓存的增加，可采用颜色查找表来提高灰度级别。帧缓存N=8颜色查找表W=10（3 3）直接色）直接色（Direct Color) 直接色是指彩图中的每一个像素值，分成R、G、B分量，对每个分量作为单独的索引值对它做直接变换。然后通过相应的彩色变换表查找出R、G、B基色强度，再用R、G、B强度值产生彩色。这种彩色称为直接色。伪彩色与直接色的区别？相同之处：都是采用查找表，不同之处：直接色对RGB分别进行变换；伪彩色是把整个像素当作查找表的的索引值进行彩色变换。 附：附： 其它显示器其它显示器1 1、液晶显示器、液晶显示器
20、1）组成及原理 液晶液晶： 是一种过滤形态的物质，当固体加热至熔点时，就变是一种过滤形态的物质，当固体加热至熔点时，就变液体。然而有些分子结构特殊的物质在从固体到液体的转液体。然而有些分子结构特殊的物质在从固体到液体的转变中还要通过一种变中还要通过一种中间状态中间状态，再变成液体。，再变成液体。 这种中间状态这种中间状态同时又有光学各项异性晶体所特有的某些物质。同时又有光学各项异性晶体所特有的某些物质。 这种能在某个温度范围内兼有液体和晶体二者特性的这种能在某个温度范围内兼有液体和晶体二者特性的物质就是物质就是液晶液晶。图图 液晶显示器的六层结构液晶显示器的六层结构 反射层水平极板水平网络线液
21、晶层垂直网格线垂直极板观察方向水平、垂直极板水平、垂直极板不加电压时，入射光线在液晶层作不加电压时，入射光线在液晶层作90900 0偏偏转穿过水平极板，显示白点。转穿过水平极板，显示白点。水平、垂直极板水平、垂直极板加电压时，在电场的作用下入射光线不能加电压时，在电场的作用下入射光线不能被极化，不能穿过水平极板，则显示黑点。被极化，不能穿过水平极板，则显示黑点。网格线上晶体管的开关作用来快速改变晶体的保持状态网格线上晶体管的开关作用来快速改变晶体的保持状态 2 2、等离子显示器、等离子显示器1 1）结构和工作原理）结构和工作原理 等离子体（等离子体（Plasma Panel)Plasma Pa
22、nel)是一个由许多小氖灯组成是一个由许多小氖灯组成的阵列，每个氖灯有的阵列，每个氖灯有“亮亮”和和“暗暗”两种状态。两种状态。 第一、三层在垂直和水平方向缠绕许多导线组成矩阵第一、三层在垂直和水平方向缠绕许多导线组成矩阵式编址，用来控制灯的开关。式编址，用来控制灯的开关。 适当调节适当调节X X、Y Y方向的电压，使两者的电位差大到足以方向的电压，使两者的电位差大到足以从氖分子激发出电子，灯泡就会变亮。从氖分子激发出电子，灯泡就会变亮。 灯泡变亮后仅需较低的电压就可维持。灯泡变亮后仅需较低的电压就可维持。 要想关闭灯泡，只要将要想关闭灯泡，只要将X X、Y Y方向的电压减小到低于维方向的电压
23、减小到低于维持电压即可。持电压即可。 2 2）优点）优点 平坦、透明、牢固、不需要用于刷新的位图存储器。平坦、透明、牢固、不需要用于刷新的位图存储器。 （可实现（可实现40406060英寸大屏幕、厚度英寸大屏幕、厚度8 81515厘米）厘米）4、数字图像的获取（1）由计算机工具软件创作如位图软件: Paint、Airbrush、Paintbrush、Photoshop矢量软件：CorelDRAW、Illustrator等(2) 来源于现实世界1）扫描输入普通照片2）数码相机拍摄3）从活动视频中采集单帧图像 （如从摄像机、录像机、光盘中采集） （用超级解霸采集一张图像）5、图像图形文件的主要格式
24、（1）TIF（2）TGA（3）PSD（4）JPEG（5）GIF（6）BMP（7）PNG其它还有许多文件格式如：PCX、PIXAR、DCS、IFF、CDR、RAW、DXF、PCD等等。该文件在该文件在1987年提出。年提出。 格式采用了无损数据压缩算法格式采用了无损数据压缩算法(LZW)，目前的大多数图，目前的大多数图像软件都能识别这种文件格式。像软件都能识别这种文件格式。 GIF可以是单帧图像，也可以是序列图像，可以用于网可以是单帧图像，也可以是序列图像，可以用于网络动画。络动画。观看实例观看实例再在再在PHOTO中看看各帧的排列中看看各帧的排列PCX图像文件格式图像文件格式PCX图像文件格式
25、是由图像文件格式是由Z-soft公司开发的标公司开发的标准图像文件格式，能表示多达准图像文件格式，能表示多达256种颜色的彩色种颜色的彩色图像。图像。 它是它是PC Paintbrush(画笔画笔)软件包所建立的软件包所建立的图像文件格式。后来的图像文件格式。后来的Windows中的中的Paintbrush以及许多扫描仪也使用这种文件格式。以及许多扫描仪也使用这种文件格式。6、图像格式的相互转换 图像格式的相互转换需要相应的软件图像格式的相互转换需要相应的软件（1 1）在）在 Photoshop 中转换不同的图像格式，中转换不同的图像格式， 方法为另存方法为另存（2 2）在）在 ACDSee
26、中转换中转换 ACDSee 的使用方法为：的使用方法为： 选中图像选中图像/在菜单上的在菜单上的“工具工具”/“转换文件格式转换文件格式”（3）其他图像格式转换软件）其他图像格式转换软件二、数字视频（二、数字视频（Video）基础）基础 传统意义上的视频是指模拟视频，多媒体技术传统意义上的视频是指模拟视频，多媒体技术 中的视频信号全部为数字信号。中的视频信号全部为数字信号。 1 1、世界上现行三种彩色电视制式、世界上现行三种彩色电视制式1）NTSC（美国、日本等）（美国、日本等）2）PAL（中国、德国等）中国、德国等）3）SECAM（法国、俄罗斯等）（法国、俄罗斯等）2、我国彩色电视制式PAL
27、主要扫描特性1）25帧/秒（一帧指一幅画面） ；625行/帧2）2场/帧（奇数场、偶数场） ；312.5行/场3）宽高比：3/44）颜色模式：YUV（Y亮度，U、V为两个色差信号）3、彩色空间转换1）将RGB三基色信号转换成YUV三个信号：Y = 0.3R + 0.59G + 0.11BU = B YV = RY 式中Y为亮度信号，带宽为6M。黑白电视机可用Y信号显示黑白图像。 U、V为色差信号，采用“大面积作色”原理滤除高频部分，只传送01.5M低频信号。 传送时采用“频谱间置”的原理将U、V色差信号插入Y信号中传送。fH 2fH 3 fH fsc=(2841/4) fH转换目的：降低频带宽
28、度 如R、G、B每个用6M带宽，总共需要18M。现在将U、V色差信号插入Y信号中就只要6M,大大降低了带宽。（2）Y、U、V信号的合一传送 彩色全电视信号： CVBS = Y + aUSinsct + bVCossc tY信号用主载波频率发送，U、V信号用副载波频率发送矩阵电路CVBSYUV图图4- 1 消隐脉冲和同步脉冲信号消隐脉冲和同步脉冲信号(a) 复合消隐脉冲信号；复合消隐脉冲信号；(b) 复合同步脉冲信号；复合同步脉冲信号；(c) 图像信号；图像信号； (d) 视频信号视频信号t场同步场消隐行同步行同步场同步场消隐行消隐tt行消隐(a)(b)(c)(d)4、数字视频的采集 视频采集是
29、把模拟视频、音频信号采集入计算机； 或者直接以数字视频、音频信号输入计算机。（1）视频图像的采集方法视频采集卡模拟摄像机计算机显示器模拟信号的采集数字摄像机计算机显示器1394接口数字信号的采集（2）彩色信号的解码CVBSYUVRGBR = Y + VG = Y0.19U0.51VB = Y + UBGR100. 0515. 0615. 0436. 0289. 0147. 0114. 0587. 0299. 0VUY视频卡参见一个“非线性编辑系统”实物彩色图片（3）视频设备的分类 A、 按视频信号的质量分为： 1）广播电视级 （广播级） 2）教育电视级 （专业级） 3）家用电视级 （家用级）
30、B、按信号类型分为： 1）模拟电视 2）数字电视（4 4）模拟视频信号的数字化采样）模拟视频信号的数字化采样 1 1）使用相同的采样频率对图像的）使用相同的采样频率对图像的亮度信号亮度信号 和和色差信号色差信号进行采样进行采样 4:4:4 子采样格式子采样格式2 2）对色差信号的采样频率比对亮度信号的）对色差信号的采样频率比对亮度信号的 采样频率低（图像的子采样）采样频率低（图像的子采样）4 4：2 2：2 2 子采样格式子采样格式4 4：1 1：1 1 子采样格式子采样格式3 3）H.261H.261数字视频压缩和解压缩标准数字视频压缩和解压缩标准 MPEG-24：2：0 子采样格式子采样格式H.261,H.263和和MPEG-1（5）电视图像数字化常用的方法 1）先从复合彩色电视图像中分离出彩色分量， 然后数字化CVBSYUV（或 RGB）分别的分量信号数字化2）首先用一个高速A/D转换器对彩色全电视信号 数字化，然后在数字域中进行分离，以获得希望的 YUV或 RGB分量数据CVBS数字信号YUV（或 RGB）