03章_数字图像处理技术

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1、第3章 数字图像处理,主讲教师 郭松涛 Email： ,1,“多媒体技术基础”课程,第3章 数字图像处理技术,图像是指绘制、摄制或印制的形象。图像处理是将已有的图像改变成一幅新的，更好的图像。,2,3.1 图像色彩与色彩空间,生气勃勃的大自然色彩向人们展示着物质、生命、存在和运动状态。视觉是人们认识世界的窗口，客观世界作用于人的视觉器官，通过视觉器官形成信息，从而使人产生感觉和认识,3,1 颜色的描述与度量,颜色是人的视觉系统对可见光的感知结果，感知到的颜色由光波的频率决定 光波是一种具有一定频率范围的电磁波 颜色的实质是一种光波 物体表面的光滑程度或物质成分不同，对于光反射、折射、散射和吸收

2、的情况也有所不同，因而所呈现的颜色就有不同 纯颜色通常使用光的波长来定义，用波长定义的颜色叫做光谱色 用不同波长的光进行组合可以产生相同的颜色感觉,4,颜色三要素,（1）色调 引起视觉的色光，可能是由数种波长的光波混合而成，但正常人眼均能感受出它最接近红、橙、黄、绿、蓝、紫等纯光谱色中的那一种，这种属性称为色调。 而最接近的光谱色，一般也称之为色光的色彩。太阳光谱中各色光的色彩，可以用其波长表示。因此单一波长的光，就称为单色光。 黑色与白色都没有色彩，介于黑与白中间的灰色，也不具有色彩，或者说它们的色彩未定。 色调有一个自然的顺序：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。在这个次序中，当人们混合相邻颜色时

3、，可以获得在这两种颜色之间连续变化的色调。,5,色调、饱和度、明度,（2）饱和度 指的是颜色偏离灰色、接近纯光谱色的程度。 黑、白、灰色的饱和度最低（0%），而纯光谱色的饱和度最高（100%）。 纯光谱色与白光混合，可以产生各种混合色光，其中纯光谱色所占的百分比，就是该色光的饱和度。,6,（3）明度 指的是光所产生的亮暗感觉。是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知属性。 就白、黑、灰色而言，白色最亮，黑色则最暗，灰色则居中。 在不太严格的场合，明度也可以看作是亮度。如果由明而暗，制作一系列代表不同等级亮度(称为灰阶)的灰色方块，则某个有色方块的亮度，可以在同一白光照射下，忽略其色彩与饱和度

4、属性，依靠视觉比较，找出亮暗感觉相近的灰色方块，而以该灰色方块的亮度为其亮度,7,8,2.三基色原理,现代颜色视觉理论中的三色学说认为人眼的锥状细胞是由红、绿、蓝三种感光细胞组成的，自然界中的任何一种颜色都可以由R、G、B这3种颜色值之和来确定，它们构成一个3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。 一定的光谱分布，对应着一种唯一确定的颜色；但是同一颜色，可以由不同的光谱分布所组成，这种现象称为“同色异谱”现象。,9,3. 相加混色和相减混色,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。 三种颜色的光强越强，到达人眼的光就越多，它们

5、的比例不同，看到的颜色也就不同，没有光到达眼睛，就是一片漆黑。 三基色的大小决定彩色光的亮度，混合色的亮度等于各基色分量亮度之和。三基色的比例决定混合色的色调，当三基色混合比例相同时，是灰色。,10,相减混色利用滤光特性，在白光中减去不需要的彩色，留下所需要颜色。如印染、颜料等采用的相减混色。 相减混色关系式如： 黄色= 白色蓝色， 青色= 白色红色， 红色= 白色蓝色绿色， 黑色= 白色蓝色绿色红色。 当两种以上的色料相混和重叠时，白光就减去各种色料的吸收光，其剩余部分的反射色光混合结果就是色料混合或重叠产生的颜色。,11,常用的相加混色方法有以下三种,时间混色法：将三基色按一定比例轮流投射

6、到同一屏幕上，由于人眼的视觉惰性，只要交替速度足够快，产生的彩色视觉与三基色直接相混时一样。 空间混色法：将三基色同时投射到彼此距离很近的点上，利用人眼分辨力有限的特性而产生混色，或者使用空间坐标相同的三基色光的同时投射产生合成光。 生理混色法：利用两只眼睛分别观看两个不同颜色的同一景象，也可获得混色效果,12,4. 颜色空间,颜色空间是组织和描述颜色的方法之一，也可以称之为颜色模型 (1)RGB颜色空间 采用红、绿和蓝3基色来匹配所有颜色的模型称为RGB颜色空间。 国际照明委员会(CIE)将3种单色光的波长分别定义为红色（700nm）、绿色（546.1nm）和蓝色（453.8nm）。 根据3

7、基色原理，任意一种颜色可以由下式匹配： C=rR+gG+bB 式中的系数r、g和b分别为3基色红、绿和蓝的比例系数。当r=g=b时，颜色C为标准的白色。 注：国际发光照明委员会,简称CIECommission Internationale De LEclairage或International Commission on Illumination,13,RGB颜色模型通常用于彩色阴极射线管和彩色光栅图形显示器。 各个原色的光能叠加在一起产生复合色。 在正方体的主对角线上，各原色的量相等，产生由暗到亮的白色，即灰度。（0,0,0）为黑，（255,255,255）为白。正方体的其它六个顶点分别为红

8、、黄、绿、青、蓝和品红。,14,（2）CMYK颜色空间,与RGB颜色模型不同，以红、绿、蓝的补色青（Cyan）、品红（Magenta)、黄(yellow)为原色构成CMY颜色系统，常用于从白光中滤去某种颜色，故称为减性原色系统。 CMY颜色模型对应的直角坐标系的子空间与RGB模型所对应的子空间几乎完全相同。区别仅在于前者的原点为白，而后者的原点为黑。前者是通过从白色中减去某种颜色来定义一种颜色，而后者是通过向黑色中加入某种颜色来定义一种颜色,15,静电或喷墨绘图仪、打印机、复印机等硬拷贝设备将颜色画在纸张上时，使用的是CMY颜色系统。 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

9、真正的黑色，因此在印刷术中经常加入一种真正的黑色（Black）。 黑色用K表示，CMY颜色空间成为CMYK颜色空间,16,（3）XYZ颜色空间,在RGB的颜色空间匹配式 C=rR+gG+bB 中，通过试验，发现当匹配一些颜色的时候，r将取负值。这样一来既不利于计算也不好理解，于是使用三个理想的原色来代替实际的三原色，从而将CIE-RGB系统中r、g、b均变为正值。这三种颜色被命名为X、Y、Z。 注：CIE（国际发光照明委员会）,17,对任一颜色C有 C=xX+yY+zZ 并且x+y+z=1，x、y、z均大于0。这样的颜色空间称为XYZ颜色空间，它和RGB颜色空间有如下的换算关系： X=0.49

10、0R+0.310G+0.20B Y=0.177R+0.812G+0.011B Z=0.010G+0.990B,18,两组颜色空间坐标的相互转换关系为 x=（0.490r+0.310g+0.200b）/（0.667r+1.132g+1.200b） y=（0.117r+0.812g+0.010b）/（0.667r+1.132g+1.200b） z=（0.000r+0.010g+0.990b）/（0.667r+1.132g+1.200b）,19,（4）Lab颜色空间,Lab颜色空间既不依赖光线，也不依赖于颜料，它是一个理论上包括了人眼可以看见的所有色彩的色彩模式。 Lab颜色空间由三个量组成：一个是

11、亮度，即L；另外两个是色彩，用A和B来表示，A包括的颜色是从深绿色（低亮度值）到灰色（中亮度值）再到亮粉红色（高亮度值）；B则是从亮蓝色（低亮度值）到灰色（中亮度值）再到黄色（高亮度值）,20,Lab取色框,21,22,(5) HSB颜色空间,使用描述颜色的三个基本特征色相H、饱和度S，和亮度B可以构造出HSB颜色空间。HSB颜色空间便是基于人对颜色的心里感受的一种颜色模式。,23,(6) YUV颜色空间,电视系统中常用的颜色模式 采用三管彩色摄像机或彩色CCD（点耦合器件）摄像机，它把摄得的彩色图像信号，经分色、分别放大校正得到RGB，再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和两个色差信号RY、BY

12、，最后发送端将亮度和色差三个信号分别进行编码，用同一信道发送出去。这就是我们常用的YUV颜色空间。,24,(6) YUV颜色空间,YUV颜色空间与RGB颜色空间的转换关系： Y 0.30 0.59 0.11 R U -0.15 -0.29 0.44 G V 0.61 -0.52 -0.096 B,25,(6) YUV颜色空间,例：RGB到YUV空间的转换公式如下，有如下RGB彩色空间按行排列的三个颜色点，请转换为YUV空间的点：,26,0.32000.592000.11200 -0.15200-0.292000.44200 0.61200-0.52200-0.09200,Photoshop中的

13、取色框,27,3.2图像的数字化,离散化图像 1 .图像数字化 采样，把一幅连续图像在空间上分割成MN个网格，每个网格用一亮度值来表示。由于结果是一个样点值阵列，故又叫点阵采样。 采样使连续图像在空间上离散化，但采样点上图像的亮度值还是某个幅度区间内的连续分布,28,每个网格上只能用一个确定的亮度值表示。每一个采样的小方块内的灰度值相同。把采样点上对应的亮度连续变化区间转换为有限个特定数的过程，称之为量化，即样点亮度的离散化。,29,Digital Image Representation,30,31,图像数字化实例,32,57*55*3位,原图,采样,量化,补充说明：,矩阵中的每一个值代表该

14、点图像的光强度，而光是能量的一种形式，故矩阵中的每一个值必须大于零，且为有限值。 例子中的数字化采样是按正方形点阵取样的，除此之外还有三角形点阵，正六角形点阵取样。 以上是用一幅灰度图做的例子，如果是一幅彩色图像，各点的数值还应当反映出色彩的变化。 数字化后的矩阵对各像素允许的最大灰度级数都要作出决定，一般来说，取为2的整次幂,33,计算数字化图像文件的大小,例3-3：计算上图占用的存储空间。 解： 上图使用了一个5755的矩阵存储图像，假设矩阵中每个元素使用一个字节来存储，则存储空间为： 57*55*1=3135 Byte 如果是彩色图像，需要分别存储R、G、B 3个分量，则存储空间为： 3

15、135*3=9405 Byte,34,3.2 数字图像的基本概念,1. 图像的基本属性 图像的像素数目（Pixel dimensions），是指位图图像的宽度和高度方向上含有的像素数目。 一幅图像在显示器上的显示效果由像素数目和显示器的设定共同决定。 (1)图像分辨率（Image resolution）指组成一幅图像的像素密度的度量方法，通常使用单位打印长度上的图像像素的数目多少，即用每英寸多少点(dot per inch，dpi)表示。对同样大小的一幅图，如果组成该图的图像像素数目越多，则说明图像的分辨率越高，看起来就越逼真。相反，图像显得越粗糙。在同样大小的面积上，图像的分辨率越高，则组成

16、图像的像素点越多，像素点越小，图像的清晰度越高。(图象清晰度、图象分解力),35,对于那些在扫描时采用低分辨率得到的图像，不能通过提高分辨率的方法来提高图像的质量，因为这种方法仅仅是将一个像素的信息扩展成了几个像素的信息，并没有从根本上增加像素的数量。,36,图像由像素组成,37,例3-1 计算72dpi和300dpi的11英寸的图像，它包含的像素数目为多少；在使用扫描仪扫描彩色图像时，如果用300 dpi来扫描一幅8inch10inch的彩色图像，得到图像的像素数目是多少？ 解：对于72dpi 11英寸的图像 总像素数=72*1*72*1=5184 300dpi时， 总像素数=300*1*300*1=90000 扫描8inch10inch的彩色图像时， 8*300=2400，10*300=3000， 得到的图像大小为24003000。,3