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1、第五章 数字图像、图形和色彩视觉,5.1记录数字图像、图形的基本原理 5.2 色彩的基本概念 5.3 颜色与视觉 5.4 彩色电视的色彩原理,学习目标,5.1记录数字图像、图形的基本原理,5.1.1点阵图的概念和特性 5.1.2矢量图的概念和特性 5.1.3 数字图形、图像的文件格式,5.1记录数字图像、图形的基本原理,“图”是指用于描绘或用摄影等方法得到的外在景物的相似物；而“像”是指直接或间接(如拍照得到)的视觉印象。人类视觉系统所感知的信息形式或人们心目中的有形想象通常称之为图像。 计算机如何表示一个不规则的图像和有规则的几何图形的方法有两类： 1、主要用于记录图像，记录的方法是不考虑构
2、成图像的内容，而把整张图像均等地分割成棋盘状的方格点，存储每一个方格点的信息，称为采样。 2、主要用于记录图形，记录的方法是记录图形的种类、座标和相应的参数。图形是通过数学表达式描述的图，它的基本元素是图元，也就是图形指令。,5.1.1 点阵图的概念和特性,图像上的采样点是图像元素，图像由图像元素的点阵组成，从构成上分类称为点阵图，而这些 “点”在计算机中用二进制的“位” 表示，这些“位”定义图像中点的颜色和亮度，因此点阵图又称位图。 数字图像指以数字形式存储在计算机的图像信息, 这些图像例如照片、绘画等。像素的光强值叫灰度级，像素的光强值用整数表示，它取决于图像函数在这一点附近区域颜色的平均
3、效果。,1. 像素,点阵图是由许多细小的点组成的矩阵，矩阵中的这些图像元素的点称为像素，点阵图放大后，可以看到组成图像的基本点，如下图所示：,2. 位深度,图像中每个像素必须把它带有的色彩信息表示出来，对于单色图像，构成图像的像素色彩就是黑和白。而彩色图像则根据光的合成原理，由红、绿、蓝的三原色组成。 计算机存储图像信息时，是以点阵处理的。点阵图中每个像素占内存一个或多个位，以存放颜色信息，表达每个像素所需位数称为位深度，位深度决定了点阵图中可以表达的最多的颜色数。,3.分辨率,分辨率是影响点阵图质量的重要因素，它有三种形式： (1) 屏幕分辨率：指全屏显示时，水平和垂直的像素数的乘积。 (2
4、) 图像分辨率：指构成图像的水平和垂直的像素数的乘积。当图像分辨率与屏幕分辨率相同时，图像才能充满个屏幕。 (3) 像素分辨率：指像素的长宽比例。在像素分辨率不同的机器间传输同一个图像时将产生图像变形，这时需作比例调整。,4. 调色盘记录色彩的原理,计算机把一幅彩色图像记录成16色或256色点阵图时，图像处理软件要对图像不同的色调进行采样，产生包含该图像中各种颜色的颜色表。每个像素所存储的内容也不是真正的颜色值，而是记录一种颜色的编号，这个颜色表称为调色板。调色板中的每种颜色都可以用红、绿、蓝(RGB)三种颜色的组合来定义，记录的颜色数量取决于位深度。,5. 点阵图文件的大小,点阵图文件的大小
5、由它的数据量表示，与分辨率、颜色深度有关。图像文件大小是指存储整幅图像所占的字节数，图像分辨率由高宽表示： 文件的字节数=图像分辨率位深度 / 8 设图像的垂直方向分辨率为个像素，水平方向分辨率为w，位深度为c位，则该图像所需数据空间大小B为，则文件的大小可按下面的公式计算： B = ( hwc ) / 8 (字节),点阵图有如下特点:,(1) 逼真 点阵图让人感到很逼真，类似照片。但放大后会失真，如下图所示： (2) 容量大 点阵图以像素矩阵表示，每个像素又需若干“位”描述，这样就会消耗几百兆字节的存储器。解决的方法：一是使用海量数据存储器。二是使用数据压缩技术，通过编码重新组织数据。 ,点
6、阵图记录由像素所构成的图像，文件较大，由于像素之间没有内在联系，若把图像缩小，图像清晰度就丢失，如果再恢复到原始大小，图像就会模糊不清。文字也有点阵字与矢量字之分,如下图所示：,5.1.2矢量图的概念和特性,矢量图用一组指令集合来描述直线、圆、圆弧、矩形、曲线、曲面等图形的内容，包括图元的位置、维数和形状等，也可表示光照和材质等效果。这些指令反映了图形中核心的特征。 在计算机上显示一幅矢量图时，首先需要专门的软件读取指令，解释指令，然后将它们转变成屏幕上显示的形状和颜色，通过使用深浅等级的单色或彩色填充一些区域而形成图形。,矢量图形具有如下特点:,(1)文件很小 由于使用数学表达式描述，所以存
7、储量很少，但计算时间较长。 (2)图形缩放后不变形 矢量集合只是以数学表达式创建物体，命令输出器输出的“点”越多，图形就越光滑,因此，缩放后不变形。 (3)可独立编辑 构成矢量图的各部件相对独立，因而作局部处理不会影响其他物体。,点阵图、矢量图的各部分关系：,5.1.3 数字图形、图像的文件格式,(1) TIFF：储存点阵图(如扫描照片)的格式。 (2) EPS：是CorelDraw等软件支持的矢量图像格式。 (3) BMP：Windows默认格式，不压缩，文件较大。 (4) GIF：网页常用格式，文件较小，颜色数也较少。 (5) JPEG：静态压缩的点阵图文件，属RGB真彩，是一种 “有失真
8、压缩” 格式。 (6) PCX：基于PC的绘图程序的专用点阵图格式，支持桌面排版、图形设计。,文件格式是指计算机存储文字与图形图像所建立文档的描述方式。,(7) TGA：Targa真彩点阵图文件，8bit至64bit，3DS生成的TGA文件为24bit。 (8) DXF：矢量文件，例如用于3DS。 (9) AVI：Windows的视频文件。 (10) MOV：Apple的 视频文件。 (11) FLI、FLC：3DS等软件生成的动画文件。 (12) PSD：将图像不同部分分层存储的Photoshop格式， 可用RGB 或CYMK模式存储。 (13) SWF：Flash软件支持的网页用动画文件。
9、,5.2 色彩的基本概念,5.2.1 三基色原理 5.2.2 色彩模型和彩色空间 5.2.3 印刷色彩和计算机色彩 5.2.4 打印分辨率和色彩,5.2.1 三基色原理,自然界常见的各种色彩都可由红、绿、蓝三种颜色光按不同比例相配而成，同样绝大多数颜色光也可以分解成红、绿、蓝三种色光。这就是色度学中最基本的原理三基色原理。当然三基色的选择不是唯一的,也可以选择其它三种颜色为三基色，但三种颜色必须是相互独立的。由于人眼对红、绿、蓝三种色光最敏感,因此由这三种颜色相配所得的彩色范围也最广，所以一般都选这三种颜色作为基色。,RGB 模型给彩色图像中每个像素的 RGB 分量分配一个从 0（黑色）到 2
10、55（白色）范围的强度值。把三种基色光按不同比例相加称之为相加混色，由红、绿、蓝三基色进行相加混色的情况如下： 红色 + 绿色 = 黄色 红色 + 蓝色 = 洋红 绿色 + 蓝色 = 青色 红色 + 绿色 + 蓝色 = 白色,颜色的三要素,亮度：是非彩色属性，表示颜色明亮程度的物理量。它标明色彩的亮暗，也指颜色和黑白色的接近程度。 色调：指颜色的种类，通常所说的“颜色” ，它取决于颜色的波长。 饱和度：指一种给定颜色的纯度或强度，描述了纯颜色用白色冲淡的程度。,5.2.2 色彩模型和彩色空间,1. 色彩模型 一个比较好的描述彩色的模型采用色调、饱和度和亮度来描述，这三个分量定义了一个彩色空间，
11、即一个三维模型，其中一条轴用以表示色调，一条轴用以表示饱和度，一条轴用以表示亮度。,2. 加性色彩、补色和减性色彩,白光经过三棱镜后分解出红、绿、蓝三种分量，而在没有光线的黑暗区域把适量的红、绿、蓝三色加在一起形成白色。也可以用不同量的红（R）、绿（G）、蓝（B）三种颜色产生各种不同的色彩，所以把红、绿、蓝三色称为加性原色，形成光的RGB色彩模型。,加性原色,补色,把三原色光两两混合就会产生别的色彩，例如，蓝色光与绿色光混合得到青色光，红色光与绿色光混合得到黄色光，蓝色光与红色光混合得到洋红色光，而如果把黄色光与蓝色光混合，会得到白色光，因此，把黄色称为蓝色的补色，蓝色称为黄色的补色，这两种色
12、互为对方的补色。同样，绿色与洋红互为补色，红色与青色互为补色。,减性色彩,颜料能呈现颜色是因为它有选择地吸收(或减去)一些颜色的光，并反射其它颜色的光,它的色彩取决于所能吸收和反射的光的波长。当颜料把所有波长的光都反射回来，得到的反射光是白光，而原理上把青色、洋红色和黄色颜料混合就可以得到黑色。当加入不同量的青(C)、洋红(M)和黄色（Y）三种颜料之后，就可以得到不同的颜色。,加性色彩和减性色彩是互补色的关系，减性色彩及其混合色的关系如下图所示：,3. 色彩立体,从三棱镜的分色知道，颜色变化为红橙黄绿青蓝紫。其中红与橙差异小，红与黄差异变大，红与绿差异更大，但红与紫差异又变小了，这种现像称为颜
13、色的牛顿环。因此由白到黑的变化是灰度的直线关系，而彩色为环形关系，这就形成了颜色的纺锤体，如下图所示：,4. 色彩空间和色轮,把色调、饱和度和亮度当作三维空间的三条坐示轴，就可表示所有的彩色。最普遍的表示方法就象两个底部连在一起的直立圆锥体。色调是绕维体中心轴线径间分布的，饱和度是离中心轴线越远越大，而亮度则是沿锥体越向上越大。 表示颜色的另一种方法是色轮，它是彩色空间的一个横截面。色轮中不考虑颜色的亮度，轮周上的各点代表红、橙、黄、绿、青、蓝、紫渐变的色调，离色轮中心越远，饱和度越大。位于两端的颜色为互补色。,5. 彩色空间的表示及转换,表示色彩的模型有多种，对光的分解、对电视机监视器的屏幕
14、显示、对印刷品的色彩、针对人的认知习惯等，可以采用不同的色彩模型。,（1）彩色空间的表示,计算机彩色显示器的输入需RGB三个分量，通过分量的不同比例，合成所需任意颜色。 在RGB彩色空间，任意彩色光F的配色方程为： F = rR+gG+bB 式中r、g、b为三色系数，rR，gG，bB为F色光的三色分量。任意一种色光，它的色度可由相对色系数中的任意两个确定。,RCB彩色空间,HSI彩色空间,人在观察周围环境时对色彩敏感，但并不习惯细致地考究它们的颜色是由那些色光组成，R、G、B的成分怎样，对印刷品和物件的颜料也不会按C、M、Y、K分解感受，可见，人类对色彩的认知方式与RGB和CMYK两种色彩模型
15、有较大的差距。人只是概略地感受物体偏向那种色调、颜色深浅和明暗程度，因此按照人对色彩认知的方式，形成色调（色相）、饱和度（彩度）、明暗强度（亮度）的HSI色彩模型。,YUV和YIQ彩色空间,现代彩色电视系统中，彩色信号经分色镜分成R0、G0、B0三个分量信号，经放大和校正得到RGB信号，再经过变换电路得到亮度信号Y，色差信号RY和BY，最后发送端将Y，RY及BY三号进行编码，用同一信道发送出去。这就是常用的YUV彩色空间， NTSC制选用了YIQ彩色空间，Y仍为亮度信号，I，Q仍为色差信号，但它们与U、V是不同的，其区别是色度矢量图中的位置不同，Q、I为互相正交的坐标轴，它与U、V正交轴之间有
16、33夹角，Q与V、U之间的关系可以表示： I = V cos33- U sin33 Q = V sin33+ U cos33,其它彩色空间表示,彩色空间表示方法有许多种，如CIE(国际照明委员会)制定的CIE XYZ，CIE LAB彩色空间，CCIR (国际无线电咨询委员会) 制定的CCIR601-2YCbCr彩色空间等。,(2) 彩色空间的转换,RGB与YUV和YIQ之间的转换 彩色摄像机最初得到的是经过y校正的RGB信号，亮度方程简化如下： Y = 0.3R + 0.59G + 0.11B 用三基色彩色时，亮度Y的比例关系是恒定的。这些比例系数之和为1，表示当基色信号电压UR、UC、UB各为1V时，构成亮度信号UY也是1V。 色差信号BY，RY，GY有两个是独立的，最后一个可用亮度方程和两个色差信号通过运算得到，表达式如下：,YIQ彩色空间和RGB彩色空间的转换方法是： 将V = 0.877(R-Y)，U = 0.493(B-Y)，sin33= 0.545, cos33=
