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數(shù)字圖像基礎,1,內(nèi)容提要,2,1 顏色及色彩模型,3,顏色的形成原理——光的本質,從本質上講,光是一種電磁波.,4,顏色的形成原理——光的本質,顏色是視覺系統(tǒng)對可見光的感知結果。 我們通常所說的光是指可見光，它們是波長在380nm-780nm之間的電磁波。 在自然界中，人們看到的大多數(shù)光不是單一波長的波，而是由多種不同波長的波組合而成的。我們將光譜中不能再分解的光稱為單色光，由單色光組合而成的光稱為復色光。 常見的光的波長與顏色的對應關系如表所示。,顏色的形成原理——光的本質,人們獲取的信息的70％來自視覺系統(tǒng) 研究表明，人的視網(wǎng)膜有對紅（Red）、綠( Green)、藍(Blue)顏色敏感程度不同的三種錐體細胞，另外還有一種在光功率極端低的條件下才起作用的桿狀細胞，因此顏色只存在于眼睛和大腦。 由于紅、綠、藍三種顏色可以混合而成自然界的任何一種顏色，因此被稱為三基色。,6,顏色的形成原理,人的視覺系統(tǒng)對顏色的感知可歸納出如下幾個特性： 眼睛本質上是一個照相機 紅、綠和藍三種錐體細胞對不同頻率的光的感知程度不同，對不同亮度的感知程度也不同 自然界中的任何一種顏色都可以由R、G、B這3種顏色值之和來確定。,7,顏色三要素,色彩可以用色調、亮度和飽和度來描述。人眼看到的任何一種顏色都是都三個特性的綜合效果。因此這三個特性被稱為色彩的三要素。 三要素中，色調由光波的波長決定，亮度和飽和度與光波的振幅有關。,8,顏色三要素——色調,色調表示光的顏色，決定于光的波長。自然界中的七色光分別對應著不同的色調，而每種色調又分別對應著不同的波長。 色調用紅、橙、黃、綠、青、藍、紫來表示，而黑、白、灰無色彩。 色調有一個基本順序：紅（Red）、橙（Orange）、黃（Yellow）、綠（Green）、青(Cyan)、藍(Blue)、紫(Magenta)。在這個次序中，人們混合相鄰顏色時，能夠得到這兩種顏色之間連續(xù)變化的色調。,9,顏色三要素——色調（2）,按照不同的色調按紅、橙、黃、綠、青、藍、紫的順序銜接起來，就形成了一個色調連續(xù)變化過渡的圓環(huán)，稱為色環(huán)。 以色環(huán)的中心為極坐標極點，各種色調與極軸的夾角稱為色調的色相。 例如紅色的色相為0度，紅、綠、藍三基色的夾角為120度，黃色（=紅+綠）的色相為60度，正好位于紅色和綠色之間。,,顏色三要素——亮度,亮度用來表示某種顏色在人眼視覺上引起的明暗程度，它只與光的強度有關。 光的強度越大，物體就越亮；光的強度越小，物體就越暗。 在純正光譜的七色光中，黃色的亮度最高，顯得最亮，往下依次是橙色、綠色、紅色、藍色、紫色。,11,顏色三要素——飽和度,飽和度是指彩色光所呈現(xiàn)顏色的深淺或純潔程度。 對于同一色調的彩色光，飽和度越高，顏色就越純；飽和度越低，顏色就越淺。 在彩色光中加入白光，基本色調沒有變化，但亮度提高了，飽和度卻下降了。 因此，在某色調的彩色光中加入別的彩色光，會引起色調的變化；而摻入白光僅僅引起飽和度的變化。,12,圖像的色彩模型,色彩模型是用來精確標定和生成各種顏色的一套規(guī)則和定義。不同的應用又有不同的色彩模型，最常用的色彩模型有RGB、CMYK、HSB、YUV以及Lab色彩模型。其中RGB、CMYK是兩種專門面向數(shù)碼設計和出版印刷的色彩模型。 一個能發(fā)出光波的物體稱為有源物體，它的顏色由該物體發(fā)出的光波決定，使用RGB相加混色模型； 一個不發(fā)光波的物體稱為無源物體，它的顏色由該物體吸收或者反射哪些光波決定，用CMY相減混色模型。,13,RGB相加混色模型,電視機和計算機顯示器使用的陰極射線管（CRT）是一個有源物體。CRT使用3個電子槍分別產(chǎn)生紅(Red)、綠(Green)和藍(Blue)三種波長的光，并以各種不同的相對強度綜合起來產(chǎn)生顏色。,14,LCD與CRT,電腦顯示器包括兩種： 液晶LCD(liquid crystal display) 陰極射線管CRT 電腦CRT顯示器類似于彩色電視機中的CRT。顯示屏上的每個彩色像點由代表R、G、B三種模擬信號的相對強度決定，這些彩色像點就構成一幅彩色圖像。,15,彩色顯像管產(chǎn)生顏色的原理,16,RGB相加混色模型,從理論上講，任何一種顏色都可用三種基本顏色按不同的比例混合得到。三種顏色的光強越強，到達我們眼睛的光就越多，它們的比例不同，我們看到的顏色也就不同，沒有光到達眼睛，就是一片漆黑。當三基色按不同強度相加時，總的光強增強，并可得到任何一種顏色。某一種顏色和這三種顏色之間的關系可用下面的式子來描述： 顏色＝R(紅色的百分比)＋G(綠色的百分比)＋B(藍色的百分比),17,RGB相加混色模型,Red(紅) + Green（綠）= Yellow（黃） Red (紅) +Blue（藍）= Magenta（品紅） Green （綠） + Blue （藍） = Cyan （青）,CMYK相減混色模型,用彩色墨水或顏料進行混合，這樣得到的顏色稱為相減色。 在理論上說，任何一種顏色都可以用三種基本顏料按一定比例混合得到。這三種顏色是青色(Cyan)、品紅(Magenta)和黃色(Yellow)，通常寫成CMY，稱為CMY模型。 理論上，當青色 (C)、洋紅 (M) 和黃色 (Y) 色素在合成后可以吸收所有光線并產(chǎn)生黑色。但由于所有的打印油墨都存在一些雜質，這三種油墨實際會產(chǎn)生土棕色。因此，在四色打印中除了使用純青色、洋紅和黃色油墨外，還會使用黑色油墨 (K)。（為避免與藍色混淆，黑色用 K 而非 B 表示。）因此，該模型通常寫成CMYK，稱為CMYK相減混色模型。,19,CMYK相減混色模型,在相減混色中，當三基色等量相減時得到黑色； （為什么？） 等量黃色(Y)和品紅(M)相減而青色(C)為0時，得到紅色(R)；（為什么？） 等量青色(C)和品紅(M)相減而黃色(Y)為0時，得到藍色(B)； （為什么？） 等量黃色(Y)和青色(C)相減而品紅(M)為0時，得到綠色(G)。 （為什么？）,20,CMYK相減混色模型,21,RGB模型與CMYK模型的區(qū)別,第一，RGB色彩模式是發(fā)光的，存在于屏幕等顯示設備中，不存在于印刷品中；CMYK色彩模式是反光的，需要外界輔助光源才能被感知，它是印刷品唯一的色彩模式。 第二，色彩數(shù)量上RGB色域的顏色數(shù)比CMYK多出許多。但兩者各有部分色彩是互相獨立(即不可轉換)的。 第三，RGB通道灰度圖中偏白表示發(fā)光程度高；CMYK通道灰度圖中偏白表示油墨含量低。反而反之。,22,RGB模型與CMYK模型的區(qū)別（2）,特別注意第二條：兩者各有部分色彩是互相獨立（即不可轉換）的。 如右圖中綠色大圓表示RGB色域，藍色小圓表示CMYK色域。這一大一小表示RGB的色域范圍(即色彩數(shù)量)要大于CMYK。而在轉換色彩模式后，只有位于混合區(qū)的顏色彩可以被保留，位于RGB特有區(qū)及CMYK特有區(qū)的顏色將丟失。,RGB模型與CMYK模型的選擇,雖然理論上RGB與CMYK的互轉都會損失一些顏色，不過從CMYK轉RGB時損失的顏色較少，在視覺上有時很難看出區(qū)別。而從RGB轉CMYK顏色將損失較多，視覺大部分都可以明顯分辨出來。因此習慣上也有CMYK轉RGB時顏色無損的說法，其實這種說法的真正所指是：寧可CMYK轉RGB，不可RGB轉CMYK。 明白了以上道理，我們對如何選擇圖像的色彩模式就有了一個概念了：如果圖像只在電腦上顯示，就用RGB模式，這樣可以得到較廣的色域；如果圖像需要打印或者印刷，就必須使用CMYK模式，才可確保印刷品顏色與設計時一致。,24,活動任務,任務1：通過Photoshop體驗顏色三要素（色調、亮度、飽和度） 任務2：調整顏色通道，讓圖片的顏色更加鮮艷,原圖,效果圖,25,2 圖像的數(shù)字化,26,圖像的數(shù)字化,計算機只能處理數(shù)字化的圖像。 自然界中的景物成像后無論以何種記錄介質保存都是連續(xù)的。從空間上看，一幅圖像在二維空間上都是連續(xù)分布的，從空間的某一點位置的亮度來看，亮度值也是連續(xù)分布的。 圖像數(shù)字化就是把連續(xù)的空間位置和亮度離散，它包括兩個方面的內(nèi)容：空間位置的離散和數(shù)字化，亮度值的離散和數(shù)字化。 圖像的數(shù)字化過程包括采樣、量化和編碼三個階段。,27,①采樣,把一幅連續(xù)的圖像在二維方向上分成m×n個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格用一個亮度值表示，這樣一幅圖像就要用m×n個亮度值表示，這個過程稱為采樣。 每一個網(wǎng)格稱為數(shù)字圖像的一個像素。m和n的大小決定著數(shù)字圖像的質量。,28,①采樣,圖像中的每個像素都有一個值，稱為像素值，它表示特定顏色的強度。 一個像素值往往用R、G、B三個分量表示。 如果每個像素的每個顏色分量用二進制的1位來表示，那么每個顏色的分量只有“1”和“0”這兩個值。 這也就是說，每種顏色的強度是100%，或者是0%。在這種情況下，每個像素所顯示的顏色是8種可能出現(xiàn)的顏色之一。,29,8色,RGB 顏色 000 黑 001 藍 010 綠 011 青,RGB 顏色 100 紅 101 品紅 110 黃 111 白,30,量化和編碼,②量化。采樣的圖像亮度值，在采樣的連續(xù)空間上仍然是連續(xù)值。把亮度分成k個區(qū)間，某個區(qū)間對應相同的亮度值，共有k個不同的亮度值，這個過程稱為量化。 ③編碼。對每個像素的亮度值采用相應的二進制數(shù)來表示，這個過程稱為編碼。,31,圖像數(shù)字化的指標,影響圖像數(shù)字化質量的主要參數(shù)有分辨率、像素深度。分辨率、像素深度和色彩類型一起構成了數(shù)字圖像的三大基本屬性。 分辨率是位圖圖像的重要參數(shù)。我們經(jīng)常遇到的分辨率有三種：顯示分辨率、圖像分辨率和像素分辨率。,32,圖像分辨率,圖像分辨率是指組成一幅圖像的像素密度的度量方法。 對同樣大小的一幅圖，如果組成該圖的圖像像素數(shù)目越多，則說明圖像的分辨率越高，看起來就越逼真。相反，圖像顯得越粗糙。 在用掃描儀掃描彩色圖像時，通常要指定圖像的分辨率，用每英寸多少點表示，即DPI(dots per inch)。如果用300DPI來掃描一幅8″×10″的彩色圖像，就得到一幅2400×3000個像素的圖像。分辨率越高，像素就越多。,33,顯示分辨率,圖像分辨率與顯示分辨率是兩個不同的概念。圖像分辨率是確定組成一幅圖像的像素數(shù)目，而顯示分辨率是指顯示屏上能夠顯示出的像素數(shù)目。 屏幕能夠顯示的像素越多，說明顯示設備的分辨率越高，顯示的圖像質量也就越高。 例如，顯示分辨率為640×480表示顯示屏分成480行，每行顯示640個像素，整個顯示屏就含有307200個顯像點。 如果顯示屏的分辨率為640×480，那么一幅320×240的圖像只占顯示屏的1/4；相反，2400×3000的圖像在這個顯示屏上就不能顯示一個完整的畫面。,34,像素分辨率,像素分辨率是指顯像管熒光屏上一個像素點的寬和長之比。 例如：在捕捉圖像時，如果顯像管的象素分辨率為2：1，而產(chǎn)生圖像的顯像管的象素分辨率為1：1，這時該圖像會發(fā)生變形。,35,像素深度,像素深度是指存儲每個像素所用的位數(shù)，它也是用來度量圖像的分辨率。 像素深度決定彩色圖像的每個像素可能有的顏色數(shù)，或者確定灰度圖像的每個像素可能有的灰度級數(shù)。,36,像素深度,例如，一幅彩色圖像的每個像素用R、G、B三個分量表示，若每個分量用8位，那么一個像素共用24位表示，就說像素的深度為24，每個像素可以是224=16 777 216種顏色中的一種。 在這個意義上，往往把像素深度說成是圖像深度。表示一個像素的位數(shù)越多，它能表達的顏色數(shù)目就越多，而它的深度就越深。,37,色彩類型：真彩色、偽彩色與直接色,圖像的色彩需要用三維空間來表示，如RGB色彩模型，而色彩的空間表示法又不是唯一的，所以每個像素點的像素深度的分配還與圖像的色彩類型有關。 以常見的RGB色彩模型為例，像素深度與色彩的映射關系主要有真彩色、偽彩色和直接色。,38,真彩色,真彩色是指在組成一幅彩色圖像的每個像素值中，有R、G、B三個基色分量，每個基色分量直接決定顯示設備的基色強度，這樣產(chǎn)生的彩色稱為真彩色。 例如用RGB 5∶5∶5表示的彩色圖像，R、G、B各用5位，用R、G、B分量大小的值直接確定三個基色的強度，這樣得到的彩色是真實的原圖彩色。,39,真彩色,如果用RGB 8:8:8方式表示一幅彩色圖像，就是R、G、B都用8比特來表示，每個基色分量占一個字節(jié)，共3個字節(jié)，每個像素的顏色就是由這3個字節(jié)中的數(shù)值直接決定，可生成的顏色數(shù)就是224 ＝16 777 216種。,40,真彩色,用3個字節(jié)表示的真彩色圖像所需要的存儲空間很大，而人的眼睛是很難分辨出這么多種顏色的，因此在許多場合往往用RGB 5:5:5來表示，每個彩色分量占5個比特，再加1比特顯示屬性控制位共2個字節(jié)，生成的真顏色數(shù)目為215 = 32K。,41,偽彩色,偽彩色圖像的含義是，每個像素的顏色不是由每個基色分量的數(shù)值直接決定，而是把像素值當作彩色查找表CLUT(color look-up table)的表項入口地址，去查找一個顯示圖像時使用的R、G、B強度值，用查找出的R、G、B強度值產(chǎn)生的彩色稱為偽彩色。,42,偽彩色,彩色查找表CLUT(color look up table)是一個事先做好的表，表項入口地址也稱為索引號。例如16種顏色的查找表，0號索引對應黑色，. ，15號索引對應白色。彩色圖像本身的像素數(shù)值和彩色查找表的索引號有一個變換關系。,43,,44,直接色,每個像素值分成R、G、B分量，每個分量作為單獨的索引值對它做變換，也就是通過相應的彩色變換表找出基色強度，用變換后得到的R、G、B強度值產(chǎn)生的彩色稱為直接色。 它的特點是對每個基色進行變換。,45,直接色與真彩色、偽彩色的比較,直接色與真彩色相比，相同之處是都采用R、G、B分量決定基色強度，不同之處是前者的基色強度直接用R、G、B決定，而后者的基色強度由R、G、B經(jīng)變換后決定。因而這兩種系統(tǒng)產(chǎn)生的顏色就有差別。試驗結果表明，使用直接色在顯示器上顯示的彩色圖像看起來真實、很自然。 直接色與偽彩色系統(tǒng)相比，相同之處是都采用查找表，不同之處是前者對R、G、B分量分別進行變換，后者是把整個像素當作查找表的索引值進行彩色變換。,46,活動任務,任務1：觀察位圖的像素點。 任務2：抓圖體驗圖像分辨率與顯示分辨率,47,3 數(shù)字圖像的分類,48,圖像的種類,按照圖像的幾何特性，可以將圖像分為點陣圖和矢量圖兩大類。 按照圖像的顏色，可以將圖像分為彩色圖和灰度圖兩大類。,49,矢量圖與點陣圖（位圖）,在計算機中，表達圖像和計算機生成的圖形圖像有兩種常用的方法：一種叫做是矢量圖(vector based image)法，另一種叫點陣圖(bit mapped image)法。 雖然這兩種生成圖的方法不同，但在顯示器上顯示的結果幾乎沒有什么差別。,50,矢量圖（圖形）,圖形（Graphic）是指從點、線、面到三維空間的黑白或彩色幾何圖。 圖形的格式是一組描述點、線、面等幾何圖形的大小、形狀及其位置、維數(shù)的指令集合。 在圖形文件中只記錄生成圖的算法和圖上的某些特征點，因此也稱矢量圖。,51,點陣圖（位圖/圖像）,圖像（Image）是由像素點陣組成的畫面。 靜止的圖像是一個矩陣，陣列中的各項數(shù)字用來描述構成圖像的各個點（稱為像素點 pixel ）的強度與顏色等信息。這種圖像也稱為位圖（ bit-mapped picture ）。,52,矢量圖與點陣圖的比較,位圖文件占據(jù)的存儲器空間比較大。影響點位圖文件大小的因素主要有兩個：圖像分辨率和像素深度。 分辨率越高，就是組成一幅圖的像素越多，則圖像文件越大；像素深度越深，就是表達單個像素的顏色和亮度的位數(shù)越多，圖像文件就越大。 而矢量圖文件的大小則主要取決于圖的復雜程度。,53,矢量圖與點陣圖的比較（2）,矢量圖與位圖相比，顯示位圖文件比顯示矢量圖文件要快； 矢量圖側重于“繪制”、去創(chuàng)造，而位圖偏重于“獲取”、去“復制”； 矢量圖和位圖之間可以用軟件進行轉換，由矢量圖轉換成點位圖采用光柵化(rasterizing)技術，這種轉換也相對容易；由點位圖轉換成矢量圖用跟蹤(tracing)技術，這種技術在理論上說是容易，但在實際中很難實現(xiàn)，對復雜的彩色圖像尤其如此。,54,灰度圖,灰度圖(gray-scale image)按照灰度等級的數(shù)目來劃分。 只有黑白兩種顏色的圖像稱為單色圖像(monochrome image)。圖中的每個像素的像素值用1比特存儲，它的值只有“0”或者“1”，一幅640×480的單色圖像需要占據(jù)37.5 KB的存儲空間。,55,標準單色圖和標準灰度圖,56,彩色圖像,彩色圖像(color image)可按照顏色的數(shù)目來劃分，例如256色圖像和真彩色(224＝16 777 216種顏色)等。,57,256色標準圖像轉換成的256級灰度圖像,58,256色標準圖像轉換成的256級灰度圖像,上圖是一幅用256色標準圖像轉換成的256級灰度圖像 256色彩色圖像的每個像素的R、G和B值用一個字節(jié)來表示，一幅640×480的8比特彩色圖像需要307.2 KB的存儲空間； （640×480×1＝307200byte） （這副彩色圖像是真彩色還是偽彩色？）,59,真彩色圖像轉換成的256級灰度圖像,60,真彩色圖像轉換成的256級灰度圖像,上圖是一幅真彩色圖像轉換成的256級灰度圖像，每個像素的R、G、B分量分別用一個字節(jié)表示，一幅640×480的真彩色圖像需要921.6 KB的存儲空間。 （640×480×3＝921600byte）,61,32位真彩色,許多24比特彩色圖像是用32比特存儲的，這個附加的8比特叫做alpha通道，它的值叫做alpha值，它用來表示該像素如何產(chǎn)生特技效果。 使用真彩色表示的圖像需要很大的存儲空間，在網(wǎng)絡傳輸也很費時間。由于人的視角系統(tǒng)的顏色分辨率不高，因此在沒有必要使用真彩色的情況下就盡可能不用。,62,4 數(shù)字圖像的存儲,63,圖像數(shù)據(jù)量,圖像數(shù)據(jù)量是指磁盤上存儲整幅圖像所需的字節(jié)數(shù)。圖像數(shù)據(jù)量的計算表達式為： 圖像數(shù)據(jù)量=圖像分辨率×像素深度/8（byte） 例如： 一幅640×480的256級灰度圖像， 未壓縮的原始數(shù)據(jù)量=640×480×8/8（byte）=307200byte=307200/1024KB=300KB。 一幅1024×768的真彩色圖像，未壓縮的原始數(shù)據(jù)量=1024×768×24/3（byte）=2359296byte=2.25M。,64,圖象的壓縮,從上面計算的結果可以看出，圖像數(shù)字化之后的數(shù)據(jù)量非常大，在因特網(wǎng)上傳輸時很費時間，在盤上存儲時很占“地盤”，因此就必須要對圖像數(shù)據(jù)進行壓縮。 壓縮的目的就是要滿足存儲容量和傳輸帶寬的要求，而付出的代價是大量的計算。,65,圖像的壓縮,圖像數(shù)據(jù)壓縮主要根據(jù)下面兩個基本事實來實現(xiàn)的。 一個是圖像數(shù)據(jù)中有許多重復的數(shù)據(jù)，使用數(shù)學方法來表示這些重復數(shù)據(jù)就可以減少數(shù)據(jù)量； 另一個事實是人的眼睛對圖像細節(jié)和顏色的辨認有一個極限，把超過極限的部分去掉，這也就達到壓縮數(shù)據(jù)的目的。 利用前一個事實的壓縮技術就是無損壓縮技術，利用后一個事實的壓縮技術就是有損壓縮技術。 實際的圖像壓縮是綜合使用各種有損和無損壓縮技術來實現(xiàn)的,66,圖像文件格式,BMP格式 GIF格式 JPG格式 PNG格式 PSD格式 ……,67,BMP格式（相對文件較大）,BMP是一種與硬件設備無關的圖像文件格式，使用非常廣。它采用位映射存儲格式，除了圖像深度可選以外，不采用其他任何壓縮，因此，BMP文件所占用的空間很大。BMP文件的圖像深度可選1bit、4bit、8bit及24bit。 BMP是最普遍的位圖格式之一，也是Windows系統(tǒng)下的標準格式。BMP格式支持RGB。索引顏色、灰度和位圖顏色模式，不支持Alpha通道。,68,GIF格式,GIF是一種壓縮的8位圖像文件，廣泛用于網(wǎng)絡傳輸，最多只有256色。 新的 GIF89a格式，能儲存成背景透明化的形式（支持 Alpha通道），并且可以將數(shù)張圖存成一個文件，形成動畫效果，還支持位圖模式、灰度或索引顏色模式圖像。,69,JPEG格式,JPEG是一種高效率的壓縮格式，在存檔時能夠將人眼無法分辨的資料刪除，以節(jié)省存儲空間。 JPEG格式支持RGB和灰度顏色模式，不支持Alpha通道。JPEG格式通過選擇性地去掉數(shù)據(jù)來壓縮文件，是有損壓縮。它比GIF圖像包含更多顏色方面的信息，優(yōu)點是色彩比較逼真，文件也較小。在多媒體及網(wǎng)頁中用到的照片和圖像適合存為JPEG格式。,70,活動任務,抓圖計算圖像數(shù)據(jù)量。,如何抓圖？ 按Print Screen SysRq鍵 打開畫圖（開始→程序→附件→畫圖） Ctrl+V粘貼 保存,71,Hyper Snap,如何抓圖？ 如何編輯？,72,實驗內(nèi)容,抓圖并計算文件大小 抓圖 存成不同的格式，觀察效果 計算不同的格式文件的大小，與實際大小進行比較 圖像調整 色調調整 亮度調整 飽和度調整,73,Thank you!,74,