第五讲色彩和图像1 (2)

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1、色彩和图像淮永建 北京林业大学信息学院*1音频技术回顾*2音频三要素数字音频音频文件容量计算音频压缩编码PCMADPCMSub-DPCM熵编码音频文件格式MpegMidi 实验准备Audition 音频编辑软件MPEG音频编码器结构*3MPEG音频编码器结构时频分析心理声学模型量化位分配熵编码复用参 数参 数输 入输 出 数 据 流掩蔽 阈值合成音乐的产生过程*4MIDI乐器 MIDI接口音序器合成器 扬声器MIDI文件MIDI指令模拟音 频信号PC机音频卡主要内容*5色彩的基本概念色彩的空间表达数字图像图像编码简介图像文件结构色彩的基本概念*6色彩的来源色调、亮度和饱和度色彩的混合与互补色彩

2、的来源*7 色彩是是视觉系统对可见光的感知结果。太阳发射的可见光是由各种色光组合而成的白光。 可见光是波长在380 nm780 nm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。 白光分解为红、橙、黄、绿、蓝、紫六个标准色光 谱。光波、可见光波与颜色的关系*8波长（nm）500600紫400700750紫 蓝蓝蓝 绿 绿绿 黄黄 橙橙红红350可 见 光波长0.005nm5nm350nm750nm0.4mm射线射线紫外线红外线无线电波0.01nm10km人的视觉系统*9研究表明，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，另外还有一种在 光

3、功率极端低的条件下才起作用的杆状体细胞 ，因此颜色只存在于眼睛和大脑。在计算机图像处理中，杆状细胞还没有扮演什 么角色。人的视觉系统对颜色的感知可归纳出 如下几个特性： 人的视觉系统*10眼睛本质上是一个照相机。人的视网膜(human retina)通过神经元来感知外部世界的颜色，每个 神经元或者是一个对颜色敏感的锥体(cone)，或 者是一个对颜色不敏感的杆状体(rod)。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，如图 所示。这就意味着，人们可以使用数字图像处理 技术来降低数据率而不使人感到图像质量明显下 降。 视觉系统对颜色和亮度的响应特性 *11色

4、调、亮度和饱和度*12 光的物理性质：波长和幅度 人眼对色彩的感觉：色调、饱和度和亮度 色彩的基本要素： 波长 明度（亮度）幅度 色彩划分为11级0级黑 10级白 19级灰度 13级低调 46中 调7-9级高调 色相 色度 饱和度（色光的纯度）色调与色相*13黄红紫 蓝蓝绿绿黄绿橙红紫红蓝紫人眼对一种或多种光波的色彩感觉。 太阳光带的六种标准色，以及标准色之间的中间色， 构成十二色相或色调 色相环*1412色相环24色相环亮度与明度 *15光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉 ，是指色彩明暗深浅的程度，也可称为色阶。 1.物体呈现的色彩与该物体反射光的强度有关 如：同一物体因受光不同将产生明度

5、变化2明度或亮度感还与人类视觉系统的视敏函数有关如：相同强度的不同色光亮度感不同同一物体因受光不同将产生明度变化*16相同强度的不同色光亮度感不同*17亮度与明度*18 灰度：从黑到白之间等间隔的亮度层次对比度：最大亮度与最小亮度之比案例：不同对比度的效果对比度*19饱和度与纯度*20l 饱和度：色彩纯粹的程度。 l 饱和度与标准色彩中掺杂的其它颜色有关。l 饱和度还和亮度有关。不完全饱和 完全饱和 不完全饱和色彩的混合与互补色光的混合是光量的增加，三原色相混合而成白 光。所有的基色混合得到白色。凡是两种色光相混合而成白光，这两种色光互为 补色 。*21色彩的混合与互补*22品红青色品红+绿=

6、白青色+红=白黄+蓝色=白色彩表示方法色立体*23Munsell色立体5种主要色相：R 、Y、 G 、B、 P两色之间加入5 种过渡色相，构 成10种色的色相 环，每种色相细 分为10个等级， 共100种色相R4/14 4表示明 度，14表示纯度*24Ostwald色立体白量+黑量+纯色量=100 （总色量）*25Ostwald色立体*26色彩的空间表达*27RGB: 显示器信号HIS：人眼识别CMY：彩色印刷CIE lab色彩空间RGB色彩通过发射出三种不同强度的电子束，使屏幕内 侧覆盖的红、绿、蓝磷光材料发光而产生色彩 。 配色方程：Fr R + g G + b B 色彩空间模型：相加混色

7、。*28RGB色彩*29RGB色彩空间*30RGB彩色图像空间*31R、G、B是彩色最基本表示模型，也是计算机 系统中所使用的彩色模型。 RGB5：5：5方式 用2个字节表示一个像素， 具体位分配见图2.1。图2.1 RGB5：5：5方式 RGB8：8：8方式 R、G、B三个分量各占一个 字节。T(1b) R(5b) G(5b) B(5b) HIS色彩空间适合人的视觉系统：色调（Hue）色饱和度（Saturation或Chroma）亮度（Intensity或Brightness）*32*33白 极浅浅 灰灰深 灰极深黑浅亮 浅暗 深鲜艳黯淡完 全 饱 和HIS色彩空间模型*34HIS色彩空间模

8、型HSI空间色调和饱和度通称为色度，表示颜色类别与深浅程度 。HSI色彩空间和RGB色彩空间转换公式：*35CMY色彩空间*36用彩色墨水或颜料进行混合，这样得到的颜色称为相 减色。在理论上说，任何一种颜色都可以用三种基本颜料按 一定比例混合得到。 CMY模型青色(Cyan)品红(Magenta)黄色(Yellow)相减色因为它减少了为视觉系统识别颜色所需要的反射光。在相减混色中，当三基色等量相减时得到黑色；等量黄色 (Y)和品红(M)相减而青色(C)为0时，得到红色(R)；等量青 色(C)和品红(M)相减而黄色(Y)为0时，得到蓝色(B)；等量黄 色(Y)和青色(C)相减而品红(M)为0时，

9、得到绿色(G)。 CMY色彩空间*37CMY色彩空间*38彩色打印机采用的就是这种原理，印刷彩色图 片也是采用这种原理。由于彩色墨水和颜料的化学特性，用等量的三 基色得到的黑色不是真正的黑色，因此在印刷 术中常加一种真正的黑色(black ink)，所以 CMY又写成CMYK。按每个像素每种颜色用1位表示，相减法产生的 8种颜色。 见下幻灯片RGB与CMY的互补关系RGB相加混色CMY相减混色对应色彩0 0 01 1 1黑0 0 11 1 0蓝0 1 01 0 1绿0 1 11 0 0青1 0 00 1 1红1 0 10 1 0品红1 1 00 0 1黄1 1 10 0 0白*39RGB与CM

10、Y的互补关系*40相加色与相减色之间有一个直接关系。利用它们 之间的关系，可以把显示的颜色转换成输出打印 的颜色。相加混色和相减混色之间成对出现互补色。例如 ，当RGB为111时，在相加混色中产生白色， 而CMY为111时，在相减混色中产生黑色。从另一个角度也可以看它们的互补性。从上表可 以看到，在RGB中的颜色为1的地方，在CMY对 应的位置上，其颜色值为0。例如RGB为010时 ，对应CMY为101。 RGB与CMY*41CMY立方体RGB立方体色彩空间CMYK*42色彩空间表示CLE lab色彩空间*43CLE lab色彩空间*44Lab色彩模式可以说是最大范围的色彩模式，是 一种与设备

11、无关的色彩空间，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，这种模型都能生成一致的颜色.Photoshop中进行RGB与CMYK模式的转换都 要利用Lab模式作为中间过渡模式来进行。Lab 模式在任何时间、地点、设备都惟一性，因此 在色彩管理中它是重要的表色体系。CLE lab色彩空间*45Lightness 亮度 存储图像的明暗调子变化a通道包括的色彩从深绿（低亮度值）到灰（中 亮度值）再到鲜粉红色（高亮度值）b通道包括的色彩从天蓝色（低亮度值）到灰（ 中亮度值）再到深黄色（高亮度值）。 彩色空间的线性变换标准*46意义使用人的视角特性以降低数据量，通常把RGB空

12、 间表示的彩色图像变换到其他彩色空间。彩色空间变换有三种：YIQ, YUV和YCrCb。每一种彩色空间都产生一种亮度分量信号和两种色 度分量信号，而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。其中，YIQ适用于NTSC彩色电视制式，YUV适用 于PAL和SECAM彩色电视制式，而YCrCb适用于 计算机用的显示器。 彩色电视中图像色彩空间模型*47在彩色电视制式中，使用YUV和YIQ模型来表 示彩色图像。PAL彩色电视制式中使用YUV模型，其中的YUV不 是那几个英文单词的组合词，而是符号，Y表示亮 度，UV用来表示色差，U、V是构成彩色的两个分 量；NTSC彩色电视制式中使用YIQ

13、模型，其中的Y表示 亮度，I、Q是两个彩色分量。YUV彩色空间*48国际无线电咨询委员会根据实验认为采用双倍 度采样4：2：2方案效果较好， 提出CCIR601标 准。变换公式（YUVRGB）Y = 0.299*R + 0.587*G+ 0.114*B；U =-0.169*R - 0.332*G+ 0.500*B；V = 0.500*R + 0.419*G - 0.081*BYIQ彩色空间*49广播电视系统另一种常用的亮度与色差分离的 模型。NTSC制式彩色空间即为YIQ。这里Y是 亮度， I和Q共同描述图像的色调和饱和度。变换公式(YIQRGB)Y =0.299*R+ 0.587*G+ 0.

14、114*BI =0.211*R - 0.523*G+ 0.312*BQ =0.596*R - 0.275*G - 0.322*BYUV模型特点*50亮度信号(Y)和色度信号(U、V)是相互独立的，也就是 Y信号分量构成的黑白灰度图与用U、V信号构成的另 外两幅单色图是相互独立的。由于Y、U、V是独立的 ，所以可以对这些单色图分别进行编码。此外，黑白电 视能接收彩色电视信号也就是利用了YUV分量之间的 独立性。利用人眼的特性来降低数字彩色图像所需要的存储容量 。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。若把人眼刚能分辨出的黑白相间的条纹换成不同 颜色的彩色条纹，那末眼睛就不再能分辨出

15、条纹来。由 于这个原因，就可以把彩色分量的分辨率降低而不明显 影响图像的质量，因而就可以把几个相邻像素不同的彩 色值当作相同的彩色值来处理，从而减少所需的存储容 量。YUV模型特点*51压缩图像要存储RGB 888的彩色图像，即R、G和B分量都用 8位二进制数表示，图像的大小为640480像素，那 末所需要的存储容量为921 600字节。如果用YUV来表示同一幅彩色图像，Y分量仍然为 640480，并且Y分量仍然用8位表示，而对每四个相 邻像素(22)的U、V值分别用相同的一个值表示，那 末存储同样的一幅图像所需的存储空间就减少到460 800字节。这实际上也是图像压缩技术的一种方法。 (640*480*8+640*480*8/4+640*480*8/4)/8= 460 800 彩色空间的线性变换*52用YIQ、YUV和YCrCb还是用HSL模型来表示彩 色图像，由于现在所有的显示器都采用RGB值 来驱动，这就要求在显示每个像素之前，须要 把彩色分量值转换成RGB值。这种转换需要花费大量的计算时间。这是一个 要在软硬件设计中需要综合考虑的因素。 YUV与RGB彩色空间变换YUV色彩空间与RGB色彩空间的转换关系：Y = 0.299R + 0.587G + 0.114BU