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1、第3章数字图像图形表示与处理3多媒体技术基础及应用1第1页，本讲稿共46页3多媒体技术基础及应用2本章要点本章要点1.相关基本概念、数字图像采样与量化原理；相关基本概念、数字图像采样与量化原理；彩色空间及转换彩色空间及转换.2.图像文件及格式转换。图像文件及格式转换。第2页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用33.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换学习内容：学习内容：n图象的数字化图象的数字化n颜色的基本概念颜色的基本概念n彩色空间表示彩色空间表示n彩色空间转换彩色空间转换第3页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及
2、其转换多媒体技术基础及应用4颜颜 色色 的的 基基 本本 概概 念念n颜色是视觉系统对可见光的感知结果；颜色是视觉系统对可见光的感知结果；n可见光是波长在可见光是波长在380 nm780 nm之间的电磁波；之间的电磁波；n眼睛看到的大多数光不是单一波长眼睛看到的大多数光不是单一波长的光，而是许多不同波长的光的组的光，而是许多不同波长的光的组合；合；第4页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用5人的视觉系统人的视觉系统n眼睛本质上是一个照相机；眼睛本质上是一个照相机；n红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的光的感知程度不同；
3、率的光的感知程度不同；n对不同亮度的感知程度也不同。对不同亮度的感知程度也不同。因此，可使用数字图像处理技术降因此，可使用数字图像处理技术降低数据率而不致看起来图像质量太低数据率而不致看起来图像质量太差差第5页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用6视觉系统对颜色和亮度的响应视觉系统对颜色和亮度的响应第6页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用7颜色的基本概念颜色的基本概念 自然界中的任何一种颜色都可以由自然界中的任何一种颜色都可以由R(red红红)，G（green绿），绿），B（blue蓝）这蓝）这3
4、种颜色值之和来确种颜色值之和来确定，它们构成一个定，它们构成一个3维的维的RGB矢量矢量空间。空间。这就是说，这就是说，R，G，B的数值不同混的数值不同混合得到的颜色就有所不同，也就合得到的颜色就有所不同，也就是光波的波长不同。是光波的波长不同。第7页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用8产生波长不同的光所需要的三基色值产生波长不同的光所需要的三基色值第8页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用9彩色光的三个特性彩色光的三个特性n亮度亮度n色调色调n饱和度饱和度第9页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表
5、示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用10亮亮 度度n亮度是光作用于人眼时所引起的明亮度是光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉，它与被观察物体的亮程度的感觉，它与被观察物体的发光强度有关。发光强度有关。n对同一物体照射的光越强，反射光对同一物体照射的光越强，反射光也越强（越亮）；也越强（越亮）；n对于不同的物体在相同照射情况下，对于不同的物体在相同照射情况下，反射越强，则看起来越亮。反射越强，则看起来越亮。第10页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用11色色 调调n色色调调是是人人眼眼对对的的光光的的彩彩色色感感觉觉，它它反反映映颜颜
6、色的种类，是决定颜色的基本特性。色的种类，是决定颜色的基本特性。n某某一一物物体体的的色色调调，是是指指该该物物体体在在日日光光照照射射下下，反反射射的的各各光光谱谱成成分分作作用用于于人人眼眼的的综合效果综合效果n对对于于透透射射物物体体则则是是透透过过该该物物体体的的光光谱谱综综合合作作用的结果在人眼中的反应。用的结果在人眼中的反应。第11页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用12饱和度饱和度n饱和度是指颜色的纯度即掺入白光的饱和度是指颜色的纯度即掺入白光的程度，或者说是指颜色的深浅程度，程度，或者说是指颜色的深浅程度，对于同一色调的彩色光，
7、饱和度越深对于同一色调的彩色光，饱和度越深颜色越鲜明或说越纯。颜色越鲜明或说越纯。n饱和度还和亮度有关。饱和度还和亮度有关。第12页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用13亮度表示某彩色光的明亮亮度表示某彩色光的明亮程度，而色度则表示颜色程度，而色度则表示颜色的类别与深浅程度。的类别与深浅程度。彩色光的三特性的小结彩色光的三特性的小结n亮度亮度 n色调、饱和度色调、饱和度合成合成色度色度第13页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用14三基色三基色n三基色原理三基色原理n三基色的选择并非唯一三基色的选
8、择并非唯一n互相独立的颜色才能作为三基互相独立的颜色才能作为三基色色n红绿蓝红绿蓝应用最广的三基色应用最广的三基色第14页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用15三基色原理三基色原理n自然界常见的各种颜色光，都自然界常见的各种颜色光，都可由红（可由红（R）、绿（）、绿（G）、蓝）、蓝(B)三种颜色光按不同比例相配而三种颜色光按不同比例相配而成；（图）成；（图）n绝大多数颜色也可以分解成红、绝大多数颜色也可以分解成红、绿、蓝三种色光。绿、蓝三种色光。第15页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用16三基
9、色原理示意图三基色原理示意图第16页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用17相加混色相加混色n把三种基色光按不同比例相加称之把三种基色光按不同比例相加称之为相加混色。为相加混色。由红、绿、蓝三基色进行相加混色的情况：n 红色十绿色一红色十绿色一黄色黄色n 红色十蓝色一红色十蓝色一品红品红n 绿色十蓝色一绿色十蓝色一青色青色n 红色十绿色十蓝色一红色十绿色十蓝色一白色白色第17页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用18二次色和补色二次色和补色由于：由于：红色十青色红色十青色=绿色十品红绿色十品红=蓝色
10、十黄色蓝色十黄色=白色白色称黄、品红和青色为相加二次色通常称青色、品红和黄色分别是红、绿、蓝三色的补色，由它们组成的色彩系统也称减法系统。第18页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用19亮度公式亮度公式nNTSC制式（美欧制式）：制式（美欧制式）：nPAL制式（亚洲制式）：制式（亚洲制式）：亮度Y=0.299R+0.587G+0.114B亮度Y=0.222R+0.707G+0.071B第19页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用20彩色空间表示彩色空间表示 在多媒体计算机中，常常涉及到几种不同的在多
11、媒体计算机中，常常涉及到几种不同的色彩空间表示颜色。如计算机显示时采用色彩空间表示颜色。如计算机显示时采用RGB彩彩色空间；彩色印刷时采用色空间；彩色印刷时采用CMYK彩色空间；彩色全电彩色空间；彩色全电视信号数字化时采用视信号数字化时采用YUV彩色空间；为了便于色彩彩色空间；为了便于色彩处理和识别，视觉系统又经常采用处理和识别，视觉系统又经常采用HSI彩色空间、。彩色空间、。n计算机显视器计算机显视器RGB彩色空间彩色空间n彩色印刷彩色印刷CMYK彩色空间彩色空间n彩色电视彩色电视YUV和和YIQ彩色空间彩色空间n视觉系统的视觉系统的HSB彩色空间彩色空间第20页，本讲稿共46页3多媒体技术
12、基础及应用21(1).计算机显视器RGB彩色空间 RGB 彩色空间又称加色法系统。RGB 彩色空间采用三种基本颜色，即 RGB(红，绿，蓝)。彩色显视器的输入需要RGB三个彩色分量，通过三个分量的不同比例配合，在显示屏幕上合成所需要的任意颜色，三种颜色均无时显示黑色。在RGB彩色空间，任意彩色光F，其配色方程可写成：F=rR+gG+bB其中，r、g、b为三色系数，rR、gG、bB为F色光的三色分量。任意一种色光，其色度可由相对色系数中的任意两个唯一的确定。第21页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用22显示器产生颜色的原理显示器产生颜色的原理第2
13、2页，本讲稿共46页3多媒体技术基础及应用23(2).彩色印刷CMYK彩色空间 CMYK彩色空间又称减色法系统。彩色印刷采用靛蓝、品红、黄色和黑色四种油墨印刷各种颜色，通常把这四种颜色简称CMYK。靛蓝、品红、黄色三种颜色混合在一起时应呈黑色。在现实中，把等量的靛蓝、品红、黄色油墨混合在一起产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。第23页，本讲稿共46页3多媒体技术基础及应用24(3).彩色电视YUV和YIQ彩色空间现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄像机或彩色电荷耦合器件摄像机，把摄得的彩色图像信号，经分色棱镜分成R0G0B0三个分量的信号，分别经放大和校正得到了RGB
14、信号，再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y、色差信号R-Y和B-Y，最后发送端将Y、R-Y及B-Y三个信号进行编码，用同一信道发送出去。这就是常用的YUV彩色空间。第24页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用25YUV彩色空间的优点彩色空间的优点1.1.亮亮度度信信号号Y Y解解决决了了彩彩色色电电视视机机与与黑黑白白电视机的兼容问题；电视机的兼容问题；2.2.可可以以利利用用人人眼眼的的特特性性来来降降低低数数字字彩彩色色图像所需要的存储容量。图像所需要的存储容量。YUVYUV色彩空间常用在色彩空间常用在PALPAL制式制式中，在多中，在多媒体计算
15、机中也采用了这种色彩空间，数字化媒体计算机中也采用了这种色彩空间，数字化后通常为后通常为YUV=844YUV=844或者是或者是YUV=822YUV=822。第25页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用26实实 例例 一一幅幅彩彩色色图图像像的的大大小小为为640480640480像像素素，按按RGB=888RGB=888存存储储，即即R R、GG和和B B分分量量都都用用8 8位位二二进进制制数数表表示示，所所需需要要的的存存储储容容量量为为921600921600字字节节。如如果果用用Y:U:V=8:2:2Y:U:V=8:2:2来来表表示示，
16、Y Y分分量量仍仍然然为为640480640480，且且仍仍用用8 8位位表表示示，而而对对每每四四个个相相邻邻像像素素(22)(22)的的U U、V V值值分分别别用用相相同同的的一一个个值值表表示示，那么所需的存储空间就减少到那么所需的存储空间就减少到460800460800字节。字节。第26页，本讲稿共46页3多媒体技术基础及应用27(4).HSB彩色空间 在HSI彩色空间中，人们常用H、S、B参数描述颜色特性，其中H表示色调，S表示颜色的饱和度，B表示光的强度。HSI彩色空间能够减少彩色图像处理的复杂性，而且更接近人对色彩的认识和解释。第27页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转
17、换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用28彩色空间变换的目的彩色空间变换的目的n为了降低数据量而利用人的视觉特为了降低数据量而利用人的视觉特性把性把RGBRGB空间表示的彩色图像变空间表示的彩色图像变换到其它彩色空间。换到其它彩色空间。n每一种变换使用的参数都是为了适应每一种变换使用的参数都是为了适应某种类型的显示设备。某种类型的显示设备。第28页，本讲稿共46页3多媒体技术基础及应用29色彩空间的转换 RGB与YUV之间的转换彩色摄像机最初得到的是经过y校正的RGB信号，为了和黑白电视机兼容及压缩编码，在传送过程中包含亮度信号和色差信号，亮度方程简化如下：Y=0.3R+0.59G+0.1
18、1B三个色差信号B-Y，R-Y，G-Y中有两个是独立的，另一个可用亮度方程和两个色差信号通过运算得到。第29页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用30RGB与与YUV之间的变换之间的变换 考虑人眼的视觉特性而对色差信号压缩之考虑人眼的视觉特性而对色差信号压缩之后，可表示为以下矩阵计算形式。后，可表示为以下矩阵计算形式。第30页，本讲稿共46页3.1 彩色空间表示及其转换彩色空间表示及其转换多媒体技术基础及应用31隔行扫描与逐行扫描隔行扫描与逐行扫描第31页，本讲稿共46页3.2 视频信号获取技术视频信号获取技术多媒体技术基础及应用323.2 数字
19、图像与图形数字图像与图形第32页，本讲稿共46页3.2 视频信号获取技术视频信号获取技术多媒体技术基础及应用33数字图像与图形数字图像与图形多媒体计算机常用的三种图像：多媒体计算机常用的三种图像：n图形、静态图像、动态图像图形、静态图像、动态图像获取三种图像的方法：获取三种图像的方法：1.计算机产生计算机产生2.扫描输人扫描输人3.借助数字化仪，将彩色全电视信借助数字化仪，将彩色全电视信号数字化后输人号数字化后输人第33页，本讲稿共46页3.2 视频信号获取技术视频信号获取技术多媒体技术基础及应用34图像数字化图像数字化n图象的数字化图象的数字化 图像的数字化和声音的数字化原理相似，同图像的数
20、字化和声音的数字化原理相似，同样需要经过采样和量化的过程，只是，图像是平样需要经过采样和量化的过程，只是，图像是平面的二维信息，比声音信号复杂的多，所以它的面的二维信息，比声音信号复杂的多，所以它的采样是在采样是在X，Y两个坐标方向上的，另外对于黑白两个坐标方向上的，另外对于黑白灰度图像和彩色图像的量化也有所不同，灰度图像和彩色图像的量化也有所不同，n图像数字化包括图像数字化包括n图像采样图像采样n采样样本的量化采样样本的量化第34页，本讲稿共46页3.2 视频信号获取技术视频信号获取技术多媒体技术基础及应用35图像采样图像采样n图像采样的含义图像采样的含义n采样密度和采样定理采样密度和采样定
21、理 采样定理阐述了采样密度与采样定理阐述了采样密度与F（X，Y）频）频带之间的依存关系，频带越窄，相应的采带之间的依存关系，频带越窄，相应的采样频率越可以降低，采样频率是图像变化样频率越可以降低，采样频率是图像变化频率二倍时，可以保证有离散的图像数据频率二倍时，可以保证有离散的图像数据无失真地重现原图，但无失真地重现原图，但F（X，Y）的频带）的频带不可能时有限的，因此不可能时有限的，因此图像采样总存在失真，图像采样总存在失真，或者说失真对于数字图像是再所难免的。或者说失真对于数字图像是再所难免的。XYXY采样密度第35页，本讲稿共46页3.2 视频信号获取技术视频信号获取技术多媒体技术基础及
22、应用36量量 化及其含义化及其含义 量化是对每个采样得到的离散点量化是对每个采样得到的离散点的灰度的灰度 或色彩样本进行数字化的过程，是在样本幅值的或色彩样本进行数字化的过程，是在样本幅值的动态范围内进行分层、取整。动态范围内进行分层、取整。n灰度图像以及灰度级的表示灰度图像以及灰度级的表示 在计算机中用在计算机中用2？表示灰度，通常？表示灰度，通常A/D变换产生的灰变换产生的灰度是度是256级灰度。级灰度。n彩色值的量化取决于所选彩色空间彩色值的量化取决于所选彩色空间 图像的彩色的表示空间不同，因为彩色图像的彩色图像的彩色的表示空间不同，因为彩色图像的彩色的表示空间不同，会造成量化的方法和取
23、值的不同，的表示空间不同，会造成量化的方法和取值的不同，自然会影响到算法以及其他各个处理细节的不同。自然会影响到算法以及其他各个处理细节的不同。第36页，本讲稿共46页3多媒体技术基础及应用37 图图 像像 文文 件件 格格 式式 及及 其其 转转 换换位图和矢量图 位图由像素组成,适合存储真实场景,占用存储空间大,大小与画面内容与复杂程度无关.容量由图像分辨率和图像深度决定,显示速度比矢量图快.矢量图存储的是绘图的图形指令,适合存储复杂的曲线图形,占用的空间小,大小决定于图形的复杂程度,显示速度因为计算还原较慢.第37页，本讲稿共46页3多媒体技术基础及应用38静态图像的文件与转换静态图像的
24、文件与转换 常见的静态图像文件的扩展名是BMP、GIF、TGA、TIFF、JPEG、PCX、PSD等。第38页，本讲稿共46页3多媒体技术基础及应用39 BMP BMP文件文件 BMP 是 DOS 和 Windows 兼容计算机上的标准 Windows 图像格式。BMP 格式支持 RGB、索引颜色、灰度和位图颜色模式，但不支持 alpha 通道。可以为图像指定 Ms Windows 或 OS/2格式以及位深度。对于使用 Windows 格式的 4 位和 8 位图像，还可以指定 RLE 压缩。第39页，本讲稿共46页3多媒体技术基础及应用40 GIF GIF文件文件 图形交换格式(GIF)是在
25、World Wide Web 及其它联机服务上常用的一种文件格式，用于显示超文本标记语言(HTML)文档中的索引颜色图形和图像。GIF 是一种用 LZW 压缩的格式，用于最小化文件大小和电子传输时间。GIF 格式保留索引颜色图像中的透明度，但不支持 alpha 通道。*注意：GIF文件有动态文件和静态文件两种格式。第40页，本讲稿共46页3多媒体技术基础及应用41 Targa Targa格式格式TGATGA文件文件 TGA TGA 格式专门用于使用格式专门用于使用 TruevisionTruevision 视视频卡的系统，并且通常受频卡的系统，并且通常受 MS-DOS MS-DOS 颜色颜色应
26、用程序的支持。应用程序的支持。Targa Targa 格式支持格式支持 24 24 位位 RGB RGB 图像（图像（8 8 位位 x 3 x 3 颜色通道）和颜色通道）和 32 32 位位 RGB RGB 图像（图像（8 8 位位 x 3 x 3 颜色通道外加一个颜色通道外加一个 8 8 位位 alpha alpha 通道）通道）。Targa Targa 格式也支持无格式也支持无 alpha alpha 通道的索引颜色和灰度图像。以这通道的索引颜色和灰度图像。以这种格式存储种格式存储 RGB RGB 图像时，可以选取像素深图像时，可以选取像素深度。度。第41页，本讲稿共46页3多媒体技术基础
27、及应用42 TIFF TIFF 文件文件 标记图像文件格式(TIFF)用于在应用程序和计算机平台之间交换文件。TIFF 是一种灵活的位图图像格式，几乎受所有的绘画、图像编辑和页面版面应用程序的支持。而且，几乎所有的桌面扫描仪都可以生成 TIFF 图像。TIFF 格式支持具有 alpha 通道的 CMYK、RGB、Lab、索引颜色和灰度图像以及无 alpha 通道的位图模式图像。Photoshop 可以在 TIFF 文件中存储图层；但是，如果在其它应用程序中打开此文件，则只有拼合图像是可见的。Photoshop 也可以用 TIFF 格式存储注释、透明度和多分辨率金字塔数据。第42页，本讲稿共46
28、页3多媒体技术基础及应用43 JPEG JPEG 格式格式JPGJPG文件文件 一种常用的压缩格式文件，联合图片专家组一种常用的压缩格式文件，联合图片专家组 (JPEG)(JPEG)格式是在格式是在 World Wide WebWorld Wide Web 及其它联机服务及其它联机服务上常用的一种格式，用于显示超文本标记语言上常用的一种格式，用于显示超文本标记语言 (HTML)(HTML)文档中的照片和其它连续色调的图像。文档中的照片和其它连续色调的图像。JPEG JPEG 格式支持格式支持 CMYKCMYK、RGB RGB 和灰度颜色模式和灰度颜色模式，但不支持，但不支持 alpha alp
29、ha 通道。与通道。与 GIF GIF 格式不同，格式不同，JPEG JPEG 保留保留 RGB RGB 图图像中的所有颜色信息，但通过有选择地扔掉数据来像中的所有颜色信息，但通过有选择地扔掉数据来压缩文件大小。压缩文件大小。JPEG JPEG 图像在打开时自动解压缩。图像在打开时自动解压缩。压缩的级别越高，得到的图像品质越低；而压缩的级压缩的级别越高，得到的图像品质越低；而压缩的级别越低，得到的图像品质越高。在大多数情况下，别越低，得到的图像品质越高。在大多数情况下，“最佳最佳”品质选项产生的结果与原图像几乎无分别。品质选项产生的结果与原图像几乎无分别。第43页，本讲稿共46页3多媒体技术基
30、础及应用44 PCX PCX 文件文件 PCX 格式常用于 IBM PC 兼容计算机。大多数 PC 软件支持 PCX 格式的第 5 版。第 3 版文件使用标准的 VGA 颜色调板，不支持自定颜色调板。PCX 格式支持 RGB、索引颜色、灰度和位图颜色模式，但不支持 alpha 通道。PCX 支持 RLE 压缩方法。图像的位深度可以是 1、4、8 或 24。第44页，本讲稿共46页3多媒体技术基础及应用45Photoshop Photoshop 格式格式 PSDPSD文件文件 (PSD)格式是Photoshop新建图像的默认文件格式。而且是唯一支持所有可用图像模式（位图、灰度、双色调、索引颜色、RGB、CMYK、Lab 和多通道）、参考线、alpha 通道、专色通道和图层（包括调整图层、文字图层和图层效果）的格式。第45页，本讲稿共46页3多媒体技术基础及应用46各种图像格式的转换各种图像格式的转换 原则上说各种图像是可以通过图像编辑软件相互转换的，但由于图像编辑软件支持的文件的格式不同，因此用一个软件希望转换各种图像格式文件是很难实现的。我们目前常用的是A CD SEE软件，当然图像制作大师Photoshop和其他一些软件也可以。第46页，本讲稿共46页