第4章-数字图像信息及处理技术

4.1色彩的基本知识4.1.1颜色的形成4.1.2色彩的三要素4.1.3三基色原理4.1.4色彩模式4.2图形与图像4.2.1矢量图形与位图图像4.2.2图形与图像的比较4.3图像的数字化4.3.1图像的采样4.3.2图像的量化4.3.3图像的编码与压缩第4章数字图像信息及处理技术4.3.4数字图形、图像的性能指标4.3.5图像数据量4.4数字图像的文件格式4.5数字图像处理技术4.5.1数字图像的获取4.5.2数字图像的处理4.6图像处理软件PhotoshopCS24.6.1PhotoshopCS2介绍4.6.2实例1——个人简历封面设计4.6.3实例2——制作精美相册►色彩的基本知识►图形与图像►图像的数字化►数字图像处理技术►图像处理软件PhotoshopCS2教学进程本章要点：4.1色彩的基本知识1666，牛顿提出色圆(colorcircle)的概念。牛顿色圆为揭示红(red,R)、绿(green,G)和蓝(blue,B)相加混色奠定了基础。牛顿还揭示了一个重要的事实：白光包含所有可见光谱的波长，并用棱镜演示了这个事实。在1802年，ThomasYoung认为人的眼睛有三种不同类型的颜色感知接收器，大体上相当于红、绿和蓝三种基色的接收器。1960s，Maxwell,JamesClerk认识到三种基色相加产生的色调不能覆盖整个感知色调的色域，而使用相减混色产生的色调却可以。认识到彩色表面的色调和饱和度对眼睛的敏感度比明度低。Helmholtz对三基色做了定量研究。1920s，红、绿和蓝相加混色的确能够产生某个色域里的所有可见颜色，但不能产生所有的光谱色(单一波长构成的颜色)，尤其是在绿色范围里。人类对颜色的认识教学进程4.1色彩的基本知识在1931年，国际照明委员会CIE定义了标准颜色体系。1965年前后通过生理学实验验证了在眼睛中的确存在三种不同类型的锥体的假设。人类对颜色的认识教学进程结论：物理学：颜色由光波的频率决定，光波的波长在380~780nm范围内生理学：眼睛对颜色和采样仅用相应于红、绿、蓝的三种锥体细胞我们应该如何看颜色？4.1色彩的基本知识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4.1.1颜色的形成教学进程所以人对颜色感觉的形成主要有四个要素:•即：物體本無色,顏色因光源而改變颜色和光有密切关系，同时还与被光照射的物体有关系，并于观察者有观察者有关。物体又可以分为发光物体和吸光物体两大类，而它们的颜色生成机制是有明显区别的。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。0.005nm0.01nm5nm350nm750nm0.4mm10kmr射线x射线紫外线红外线无线电波图4-1电磁波谱350400350500550600650700780紫紫蓝蓝绿绿黄黄橙橙红红蓝绿图4-2颜色与波长之间的对应关系波长/nm波长可见光色彩是通过光被感知的，实际上就是视觉系统对可见光的感知结果。可见光指波长在380～780nm之间的电磁波，如图4-1所示。眼睛感知到的颜色和光波长之间的对应关系如图4-2所示。色调(hue)色调表示光的颜色，它决定于光的波长。某一物体的色调是指该物体在日光照射下所反射的光谱成分作用到人眼的综合效果，如红色、蓝色等。简单地说就是指色彩的相貌，如红、黄、绿，蓝等各有自己的色彩面目。4.1.2色彩的三要素1教学进程色调(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。色调是视觉系统对一个区域呈现的颜色的感觉，即对物体辐射或者发射的光波波长的感觉。色调用红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫等术语来刻画。色调有一千万种以上，颜色专业人士可辨认出三百至四百种颜色混合相邻颜色时，可以获得在这两种颜色之间连续变化的色调。色调表示方法：色调在颜色圆上用圆周表示，圆周上的颜色具有相同的饱和度和明度，但它们的色调不同。4.1.2色彩的三要素1教学进程教学进程亮度(brightness)亮度就是来表示某种颜色在人眼视觉上引起的明暗程度，它直接与光的强度有关。光的强度越大，物体就越亮；光的强度越小，物体就会越暗。2教学进程亮度(luminance)亮度是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知属性。亮度是主观感觉，例如，一根点燃的蜡烛在黑暗中看起来要比白炽光下亮。无法用物理设备测定。亮度用明度(brightness)即辐射的能量来度量。亮度是用反映视觉特性的光谱敏感函数加权之后得到的辐射功率。亮度表示法：明度常用垂直轴表示，图中的七种颜色,它们具有相同的色调和饱和度，但它们的明度不同，底部的明度最小，顶部的明度最大。2亮度是光作用于人眼是引起的明亮程度的感觉。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。教学进程饱和度饱和度也称为纯度或彩度，它是指彩色的深浅或鲜艳程度，通常指彩色中白光含量的多少。对于同一色调的彩色光，饱和度越深颜色越纯。3教学进程饱和度饱和度是相对于明度的一个区域的色彩，是指颜色的纯洁性。当一种颜色渗入其它光成分愈多时，就说颜色愈不饱和。饱和度可用来区别颜色明暗的程度。表示方法：饱和度在颜色圆上用半径表示。沿径向方向上的不同颜色具有相同的色调和明度，但它们的饱和度不同。3颜色模型（颜色空间）教学进程颜色模型是表示颜色的一种数学方法，人们用它来指定和产生颜色，使颜色形象化；颜色模型通常用三维模型表示，形成不同的座标系；对人：通过色调、饱和度和明度来定义颜色；对显示设备：用红、绿和蓝的发光量来描述颜色；对打印和印刷设备：用青色、品红色、黄色和黑色的反射和吸收来产生指定的颜色4.1.2三基色原理常用模型：RGB模式、CMYK模式、Lab模式、HSB模式、YUV模式基色1教学进程基色是指互为独立的单色，任一基色都不能由其他两种基色混合产生。自然界常见的各种颜色，都可以由红（R）、绿（G）、蓝（B）三种中颜色光按不同比例相而成。4.1.2三基色原理互补色教学进程凡是两种色光相混合而成白光，这两种色光互为补色（complementarycolors）。如图4-3所示，红、青；绿、品红；蓝、黄互为补色。互补色是彼此之间最不一样的颜色，这就是人眼能看到除了基色之外其他色的原因。2教学进程4.1.4色彩模式RGB模式1在多媒体计算机技术中用得最多的是RGB色彩模型，因为计算机彩色监视器的输入需要RGB三个色彩分量，通过三个分量的不同比例，可在显示屏幕上合成所需要的任意颜色。在RGB色彩模型，任意色光F都可以用R、G、B三色不同分量的相加混合而成：F=r[R]+g[G]+b[B]其中r、g、b为三色系数，r[R]、g[G]、b[B]为三色分量。以上配色关系又称为RGB彩色空间。色彩模式是指在计算机上显示或打印图像时表示颜色的数字方法。比如计算机显示器采用RGB模式，打印机输出彩色图像时用CMYK模式，从事艺术绘画的采用HSB模式，彩色电视系统采用YUV/YIO模式，另外还有其他一些色彩模式的表示方法。教学进程RGB模式1自然界中任何一种色光都是由R、G、B三基色按不同比例相加混合而成，当三基色分量都为0时混合为黑色光，当三基色分量都为K时混合为白色光。每种基色常用8位描述，可以有224=16,777,216种颜色——真彩色教学进程CMYK模式2CMY模式是使用青色（Cyan）、品红（Magenta）、黄色（Yellow）3种基本颜色按一定比例合成色彩的方法。虽然理论上利用CMY三基色混合可以制作出所需要的各种色彩，但实际上同量的CMY混合后并不能产生完备的黑色或灰色。因此，在印刷时常加一种真正的黑色（Black），这样，CMY模式又称为CMYK模式。教学进程CMYK模式2用于彩色打印的相减混色模型，三种基本颜色是青色(Cyan)、品红(Magenta)和黄色(Yellow)出发点：打印纸不能发光，只能吸收特定波长而反射其他波长例：C:M:Y=0:1:1时，品红和黄色相减混色，表明完全吸收青色，反射品红和黄，相当于红色（红色和青色是互补色）出于颜料的原因，加入黑色，以此形成CMYK，例：彩色喷墨打印机中要有四个墨盒HSB模式3教学进程HSB模式使用色调（Hue）、饱和度（Saturation）和亮度（Brightness）3个参数来生成颜色。利用HSB模式描述颜色比较自然，但实际使用却不方便，例如显示时要转换成RGB模式，打印时要转换为CMYK模式等。HSB模式是用于人的模式H—色调，圆周方向：红—0°青—180°S—饱和度，半径；B—明度，轴向HSL模式是HSB在计算机中的表示方法教学进程YUV/YIQ模式4在现代彩色电视系统中，使用YUV模式或YIQ模式来表示彩色图像。在PAL制式中使用YUV模式，其中Y表示亮度；U、V表示色度，是构成彩色的两个分量。在美国、日本等国采用的NTSC制式中使用YIQ模式，其中Y表示亮度，I、Q是两个彩色分量。电视系统中使用的模式Y—亮度信号，Y信号分量构成黑白灰度图，(U,V)—色度信号好处：各分量相互独立，可以单独编码；可以用人眼的特征降低数字彩色图像所需的存储量。使用YIQ和YCrCb等颜色空间的道理相同。教学进程YUV/YIQ模式4YUV利用人眼的特性来降低数字彩色图像所需要的存储容量的原理∵人眼对彩色细节的分辨能力远比对亮度细节的分辨能力低∴把彩色分量的分辨率降低而不明显影响图像的质量∴把几个相邻像素不同的彩色值当作相同的彩色值来处理→减少所需的存储容量例如：有一幅大小为640×480像素的彩色图像(1)用RGB8∶8∶8需要的存储容量为640×480×[(8+8+8)/8]=921600字节(2)用YUV来表示同一幅彩色图像，Y分量为640×480，仍用8位表示，对每四个相邻像素(2×2)的U，V值，分别用相同的一个值表示，每个值是8位，所需的存储空间就减少到640×480×[(8+4)/8]]=460800字节灰度模式与黑白模式5灰度模式采用8位来表示一个像素，即将纯黑和纯白之间的层次等分为256级，就形成了256级灰度模式，它可以用来模拟黑白照片的图像效果。黑白模式只采用1位来表示一个像素，于是只能显示黑色和白色。黑白模式无法表示层次复杂的图像，但可以制作黑白的线条图。4.2图形与图像4.2.1矢量图形与位图图像矢量图形(vectorbasedimage)1图形又称矢量图形、几何图形或矢量图（VectorGraphic）。矢量图形是用一个集合指令来描述的。这些指令用来描述构成一幅图所包含的直线、矩形、圆、圆弧、曲线等的形状、位置、颜色等各种属性和参数。显示时，需要相应的软件读取和解释这些指令，并将其转为屏幕上所显示的形状和颜色。矢量图形与分辨率无关，可以将它缩放到任意大小和以任意分辨率在输出设备上打印出来，都不会影响清晰度。矢量图特点：易于修改、文件小、不宜用于复杂图像放大400%位图图像(bitmappedimage)2图像又称点阵图像或位图图像，它是指在空间和亮度上已经离散化是图像，是由许多像素点组成的。我们可以把一幅位图图像理解为一个矩形，矩形中的任一元素与图像中的一个点对应，该点的灰度或颜色等级用相应的值表示。矩形的元素称为像素，每个像素可以具有不同的颜色和亮度，它是组成位图图像的基本单位。像素的颜色等级越多则图像越逼真，适用于逼真照片或要求精细细节的图像。位图特点：不宜修改、文件大、显示速度快灰度图与彩色图3单色图像(monochromeimage)：只有黑白两中颜色的图像灰度图(gray-scaleimage)：按照灰度等级的数目来划分彩色图像(colorimage)可按照颜色的数目来划分：如真彩色图、256色图、24位彩色图动态图像：中连续渐变的静态图像或图形序列，沿时间轴顺次更换显示，从而构成运动视感的媒体分类动画：序列中每帧图像是由人工、计算机产生的图像视频：序列中每帧图像是通过实时摄取自然景物或活动对像而来静态图像和动态图像4教学进程4.2.2图形与图像的比