四川大学计算机学院多媒体基础彩色数字图像基础

彩色数字图像基础四川大学计算机学院陈虎[e-mail]视觉系统对颜色的感知颜色是什么视觉系统对可见光的感知结果•可见光是波长在380～780nm之间的电磁波，我们看到的大多数光不是一种波长的光，而是由许多不同波长的光组合成的，因此有多种颜色的感觉颜色只存在于眼睛和大脑，•人的视网膜有对红、绿、蓝颜色敏感程度不同的三种锥体细胞（约有600万到700万个，主要位于视网膜的中间部分）•杆状体细胞在光功率极低的条件下才起作用（约7500万到15000万个，分布在视网膜表面）在计算机图像处理中，锥体细胞扮演重要角色视觉系统对颜色的感知视觉系统对颜色的感知特性眼睛本质上是一个照相机•人的视网膜(humanretina)通过神经元感知外部世界的颜色，每个神经元是一个对颜色敏感的锥体(cone)视觉系统对颜色的感知红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的光的感知程度不同，对不同亮度的感知程度也不同•这就意味着，人们可以使用数字图像处理技术来降低表示图像的数据量而不使人感到图像质量有明显下降。从理论上说，自然界中的任何一种颜色都可以由R，G，B这三种颜色值之和来确定，它们构成一个三维的RGB矢量空间•这就是说，R，G，B的数值不同，混合得到的颜色就不同，也就是光波的波长不同视觉系统对颜色的感知视觉系统对颜色和亮度的响应特性曲线（各个波长的光的强度相等）视觉系统对颜色的感知上面的颜色响应曲线表明，人类眼睛对蓝光的灵敏度远远低于对红光和绿光的灵敏度。亮度响应曲线表明人眼对波长为550nm左右的黄绿色最为敏感。视觉系统对颜色的感知许多具有不同光谱分布的光产生的视觉效果（颜色）是一样的。即光谱与颜色的对应是多对一的。光谱分布不同而看上去相同的两种颜色称为条件等色（匹配等色）。绝大部分可见光谱对眼睛的刺激效果都可以用红（700nm）、绿（546.1）、蓝（435.8nm）三色光按不同比例和强度的混合来等效表示。（三刺激理论）视觉系统对颜色的感知匹配任意可见光所需的三原色光比例曲线视觉系统对颜色的感知从人的主观感觉角度，颜色包含三个要素：1、色调（hue）：色调反映颜色的类别，如红色、绿色、蓝色等。色调大致对应光谱分布中的主波长。视觉系统对颜色的感知2、饱和度（Saturation）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，颜色就越深，或越纯；而饱和度越小，颜色就越浅，或纯度越低。高饱和度的彩色光可因掺入白光而降低纯度或变浅，变成低饱和度的色光。100%饱和度的色光就代表完全没有混入白光的纯色光。视觉系统对颜色的感知3、明亮度（luminance）明亮度是光作用于人眼时引起的明亮程度的感觉。一般来说，彩色光能量大则显得亮，反之则暗。大量试验表明，人的眼睛能分辨128种不同的色调，10－30种不同的饱和度，而对亮度非常敏感。人眼大约可以分辨35万种颜色。人的主观感觉人的视觉系统能够适应光强度的级别的范围是很宽的，由夜视阈值到强闪光之间的光强度的级别约为1010级；背景亮度会影响到对目标亮度的感觉；同时对比度（SimultaneousContrast）在相同亮度的刺激下,由于背景亮度不同,人眼所感受到的主观亮度不同颜色模型颜色模型（colormodel）是用来精确标定和生成各种颜色的一套规则和定义。某种颜色模型所标定的所有颜色就构成了一个颜色空间。颜色空间通常用三维模型表示，空间中的颜色通常使用代表三个参数的三维坐标来指定对于人来说，可以通过色调、饱和度和亮度来定义颜色（HSL颜色模型）；对于显示设备来说，可以用红、绿、蓝磷光体的发光量来描述颜色（RGB颜色模型）；对于打印设备来说，可以使用青色、品红、黄色和黑色颜料的用量来指定颜色（CMYK颜色模型）。RGB颜色模型显示彩色图像用RGB相加混色模型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•CRT使用3个电子枪分别产生红(red)、绿(green)和蓝(blue)三种波长的光，如图4-1所示，并以各种不同的相对强度组合产生不同的颜色RGB颜色模型RGB相加混色模型•组合红、绿和蓝光波来产生特定颜色的方法叫做相加混色法(additivecolormixture)，即RGB相加混色模型•相加混色是计算机应用中定义颜色的基本方法任何一种颜色都可用三种基本颜色按不同的比例混合得到•颜色＝R(红的百分比)＋G(绿的百分比)＋B(蓝的百分比)RGB颜色模型三种颜色的光强越强，到达我们眼睛的光就越多，它们的比例不同，我们看到的颜色也就不同。没有光到达眼睛，就是一片漆黑当三基色等量相加时，得到白色；等量的红绿相加而蓝为0时得到黄色；等量的红蓝相加而绿为0时得到品红色；等量的绿蓝相加而红为0时得到青色。RGB颜色模型彩色图像一幅彩色图像可以看成是由许多的点组成的图像中的单个点称为像素(pixel)，每个像素都有一个值，称为像素值，它表示特定颜色的强度RGB颜色模型一个像素值通常用R，G，B三个分量表示。如果每个像素的每个颜色分量“1”和“0”表示，即每种颜色的强度是100%或0%，每个像素显示的颜色是8种颜色之一。CMY颜色模型打印彩色图像用CMY相减混色模型用这种方法产生的颜色之所以称为相减混色，是因为它减少了为视觉系统识别颜色所需要的反射光•一个不发光波的物体称为无源物体，它的颜色由该物体吸收或者反射哪些光波决定用用彩色墨水或颜料进行混合，绘制的图画是一种无源物体，用这种方法生成的颜色称为相减色CMY颜色模型CMY相减混色模型•用三种基本颜色即青色(cyan)、品红(magenta)和黄色(yellow)的颜料按一定比例混合得到颜色的方法，通常写成CMY，称为CMY模型•从理论上说，任何一种颜色都可以用青色(cyan)、品红(magenta)和黄色(yellow)混合得到•实际上，因为所有打印油墨都会包含一些杂质，这三种油墨混合实际上产生一种土灰色，必须与黑色(K)油墨混合才能产生真正的黑色，所以再加入黑色作为基本色形成CMYK颜色模型。CMY颜色模型在相减混色中，三基色相减结果如下CMY颜色模型按每个像素每种颜色用1位表示，相减法产生的8种颜色如下所示相加色与相减色的关系相加色与相减色是互补色相加混色和相减混色之间成对出现互补色,利用它们之间的关系，可把显示的颜色转换成打印的颜色在RGB中的颜色值为1的地方，在CMY对应的位置上，其颜色值为0。例如，RGB为0∶1∶0时，对应CMY为1∶0∶1相加色与相减色的关系相加色与相减色RGB模型到CMYK模型的转换分色算法（F代表白色）RGB彩色空间和CMY彩色空间RGB彩色空间和CMY彩色空间的表示法HSI颜色模型HSI模型是Munseu提出的，它反映了人的视觉系统观察彩色的方式，在艺术上经常使用HSI模型。HSI模型中，H表示色调(Hue)，S表示饱和度(Saturation)，I表示亮度(Intensity，对应成像亮度和图像灰度)。这个模型的建立基于两个重要的事实：①I分量与图像的彩色信息无关；②H和S分量与人感受颜色的方式是紧密相联的。这些特点使得HSI模型非常适合借助人的视觉系统来感知彩色特性的图像处理算法。HSI颜色模型HIS格式120°绿240°蓝0°红HSHSI格式色相环描述了色相和饱和度两个参数。色相由角度表示，它反映了该彩色最接近什么样的光谱波长。一般假定0°表示的颜色为红色，120°的为绿色，240°的为蓝色。0°到240°的色相覆盖了所有可见光谱的彩色，在240°到300°之间为人饱和度是指一个颜色的鲜明程度，饱和度越高，颜色越深，如深红，深绿。饱和度参数是色环的原点（圆心）到彩色点的半径的长度。由色相环可以看出，环的边界上纯的或饱和的颜色，其饱和度值为1。在中心是中性（灰色）阴影，饱和度为0。HSI格式RGB转HSI2/12)])(()[(2/)]()[(arccos)],,[min()(3)(31BGBRGRBRGRHBGRBGRISBGRI其中R、G、B均介于[0，1]HSI转RGB)(3)60cos(cos1)1(RBIGHHSIRSIB1、当H落在[0度，120度]时HSI转RGB2、当H落在[120度，240度]时)(3)180cos()120cos(1)1(GRIBHHSIGSIRHSI转RGB3、当H落在[240度，360度]时)(3)300cos()120cos(1)1(BGIBHHSIBSIGHSI转RGBHIS和RGBHIS和RGB彩色图RGBCMKYHSI颜色输入图像的种类矢量图（vectorgraphics）根据数学规则描述而生成的图•一幅图用数学描述的点、线、弧、曲线、多边形和其他几何实体和几何位置来表示，创建的图是对象的集合而不是点或像素模式的图•绘制和显示矢量图的软件通常称为绘图程序(drawprograms)；存放矢量图的存储格式称为矢量图格式；存储的数据主要是绘制图形的数学描述图像的种类优点•目标图像的移动、缩小或放大、旋转、拷贝、属性(如线条变宽变细、颜色)变更都很容易做到•相同或类似的图可以把它们当作图的构造块，并把它们存到图库中，这样不仅可加速矢量图的生成，而且可减小矢量图的文件大小局限性•很难用数学方法来描述真实世界的彩照，这就要用位图法表示图像的种类位图（bitmap，bitmappedimage）用像素值阵列表示的图•对位图进行操作时，只能对图中的像素进行操作，而不能把位图中的物体作为独立实体进行操作。也称光栅图(rastergraphics)•画位图或编辑位图的软件称为画图程序(paintprograms)；存放位图的格式称为位图格式；存储的内容是描述像素的数值图像的种类矢量图与位图矢量图点位图图像的种类特性•位图的获取通常用扫描仪、数码相机、摄像机、录像机、视像光盘和相关的数字化设备•位图文件占据的存储空间比较大•影响位图文件大小的因素--图像分辨率：分辨率越高，表示组成一幅图的像素就越多，图像文件就越大--像素深度：像素深度越深，表达单个像素的颜色和亮度的位数越多，图像文件就越大图像的种类图形图像(graphicalimage)表示图形的位图，即用矢量图表示的图形转换成用像素表示的图像也称矢量图像(vectorbasedimage)用像素值阵列表示的位图边沿较光滑；用矢量图转换成的位图边沿较粗糙图像的种类灰度图(gray-scaleimage或intensityimage)只有明暗不同的像素而没有彩色像素组成的图像只有黑白两种颜色的图像称为单色图像(monochrome/bitimage)，每个像素的像素值用一位存储，其值是“0”或“1”一般灰度图用一个字节表示一个像素的(256级灰度)，一幅640×480的灰度图像需要占据300KB的存储空间图像的种类标准单色图标准灰度图图像的种类彩色图像(colorimage)每个像素包含颜色信息的图像。可按照颜色的数目划分•256色图像：每个像素的R、G和B值用一个字节来表示，一幅640×480的彩色图像需要300KB的存储空间•真彩色图像：每个像素的R，G，B分量分别用一个字节表示，一幅640×480的真彩色图像需要900KB的存储空间图像的种类256色标准图像24位标准图像图像的种类分辨率屏幕分辨率(screenresolution)。•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。也称显示分辨率•用“水平像素数×垂直像素数”表示，如640×480表示显示屏分成480行，每行显示640个像素，整个显示屏含有307200个显像点--常见的屏幕分辨率:640×480，800×600，1024×768，1280×1024•传统电视屏幕的宽高比为4:3；高清晰度电视屏幕的宽高比为16∶9图像的属性图像分辨