《图像及视频基础知识.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《图像及视频基础知识.doc（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、图像及视频基础知识光和颜色1 光和颜色 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。如果光源由单波长组成，就称为单色光源。该光源具有能量，也称强度。实际中，只有极少数光源是单色的，大多数光源是由不同波长组成，每个波长的光具有自身的强度。这称为光源的光谱分析。 颜色是视觉系统对可见光的感知结果。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。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。 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，以这三种颜色
2、为基色构成一个RGB 颜色空间，基色的波长分别为700 nm(红色)、546.1nm(绿色)和435.8 nm(蓝色)。 颜色R(红色的百分比)G(绿色的百分比)B(蓝色的百分比) 可以选择不同的三基色构造不同的颜色空间，只要其中一种不是由其它两种颜色生成。例如Y（Yellow,黄色），C（ Cyan，青色），M（Magenta，品红）。2 颜色的度量 图像的数字化首选要考虑到如何用数字来描述颜色。国际照明委员会CIE（International Commission on Illumination ）对颜色的描述作了一个通用的定义，用颜色的三个特性来区分颜色。这些特性是色调，饱和度和明度，它
3、们是颜色所固有的并且是截然不同的特性。 色调(hue)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。色调用红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫等术语来刻画。用于描述感知色调的一个术语是色彩(colorfulness)。 饱和度(saturation)是相对于明度的一个区域的色彩，是指颜色的纯洁性，它可用来区别颜色明暗的程度。完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜色，例如仅由单一波长组成的光谱色就是完全饱和的颜色。 明度(brightness)是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知属性。它和人的感知有关。由于明度很难度量，因此国际照明委员会定义了一个比较容易度量的物理量，称为亮度(l
4、uminance) 来度量明度，亮度(luminance)即辐射的能量。明度的一个极端是黑色(没有光)，另一个极端是白色，在这两个极端之间是灰色。 光亮度(lightness)是人的视觉系统对亮度(luminance)的感知响应值，光亮度可用作颜色空间的一个维，而明度(brightness)则仅限用于发光体,该术语用来描述反射表面或者透射表面。3 颜色空间 颜色空间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。颜色空间中的颜色通常使用代表三个参数的三维坐标来指定，这些参数描述的是颜色在颜色空间中的位置，但并没有告诉我们是什么颜色，其颜色要取决于我们使用的坐标。 使用色调、饱
5、和度和明度构造的一种颜色空间，叫做HSB(hue, saturationand brightness)颜色空间。RGB(red，green and blue)和CMY(cyan, magenta andyellow)是最流行的颜色空间，它们都是与设备相关的颜色空间，前者用在显示器上，后者用在打印设备上。 RGB(red，green and blue)和CMY(cyan, magenta and yellow)是最流行的颜色空间，前者用在显示器上，后者用在打印设备上。 从技术上角度区分，颜色空间可考虑分成如下三类： RGB 型颜色空间/计算机图形颜色空间：这类模型主要用于电视机和计算机的颜色显示
6、系统。例如，RGB，HSI, HSL 和HSV 等颜色空间。 XYZ 型颜色空间/CIE 颜色空间：这类颜色空间是由国际照明委员会定义的颜色空间，通常作为国际性的颜色空间标准，用作颜色的基本度量方法。例如，CIE 1931 XYZ，L*a*b，L*u*v 和LCH 等颜色空间就可作为过渡性的转换空间。 YUV 型颜色空间/电视系统颜色空间：由广播电视需求的推动而开发的颜色空间，主要目的是通过压缩色度信息以有效地播送彩色电视图像。例如，YUV，YIQ，ITU-R BT.601 YCbCr, ITU-R BT.709 YCbCr 和SMPTE-240M YPbPr 等颜色空间。4 颜色空间的转换
7、不同颜色可以通过一定的数学关系相互转换： 有些颜色空间之间可以直接变换。例如，RGB 和HSL，RGB 和HSB，RGB 和RGB, RGB和YCrCb，CIE XYZ 和CIE L*a*b*等。 有些颜色空间之间不能直接变换。例如，RGB 和CIE La*b*, CIE XYZ和HSL，HSL 和YCbCr 等，它们之间的变换需要借助其他颜色空间进行过渡。 RGB和YCbCr 两个彩色空间之间的转换关系用下式表示： Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B Cr = (0.500R - 0.4187G - 0.0813B) + 128 Cb = (-0.1687R - 0.3
8、313G + 0.500B) + 128二、彩色电视的制式及其颜色空间1、彩色电视制式 目前世界上现行的彩色电视制式有三种：NTSC 制、PAL 制和SECAM 制。这里不包括高清晰度彩色电视HDTV (High-Definition television)。 NTSC(National Television Systems Committee)彩色电视制是1952 年美国国家电视标准委员会定义的彩色电视广播标准，称为正交平衡调幅制。美国、加拿大等大部分西半球国家，以及日本、韩国、菲律宾等国和中国的台湾采用这种制式。 NTSC 彩色电视制的主要特性是： (1) 525 行/帧, 30 帧/秒(
9、29.97 fps, 33.37 ms/frame) (2) 高宽比：电视画面的长宽比(电视为4:3；电影为3:2；高清晰度电视为16:9) (3) 隔行扫描，一帧分成2 场(field)，262.5 线/场 (4) 在每场的开始部分保留20 扫描线作为控制信息，因此只有485 条线的可视数据。Laser disc 约420 线，S-VHS 约320 线 (5) 每行63.5 微秒，水平回扫时间10 微秒(包含5 微秒的水平同步脉冲)，所以显示时间是53.5 微秒。 (6) 颜色模型：YIQ 一帧图像的总行数为525 行，分两场扫描。行扫描频率为15 750 Hz， 周期为63.5s；场扫描频
10、率是60 Hz，周期为16.67 ms；帧频是30 Hz，周期33.33ms。每一场的扫描行数为525/2=262.5 行。除了两场的场回扫外，实际传送图像的行数为480 行。 由于NTSC 制存在相位敏感造成彩色失真的缺点，因此德国(当时的西德)于1962 年制定了PAL(Phase-Alternative Line)制彩色电视广播标准，称为逐行倒相正交平衡调幅制。德国、英国等一些西欧国家，以及中国、朝鲜等国家采用这种制式。 PAL 电视制的主要扫描特性是： (1) 625 行(扫描线)/帧，25 帧/秒(40 ms/帧) (2) 长宽比(aspect ratio)：4:3 (3) 隔行扫描
11、，2 场/帧，312.5 行/场 (4) 颜色模型：YUV 法国制定了SECAM (法文：Sequential Coleur Avec Memoire)彩色电视广播标准，称为顺序传送彩色与存储制。法国、苏联及东欧国家采用这种制式。世界上约有65 个地区和国家试验这种制式。 这种制式与PAL 制类似，其差别是SECAM 中的色度信号是频率调制(FM)，而且它的两个色差信号：红色差(R-Y)和蓝色差(B-Y)信号是按行的顺序传输的。法国、俄罗斯、东欧和中东等约有65 个地区和国家使用这种制式，图像格式为4:3，625 线，50 Hz，6 MHz 电视信号带宽，总带宽8 MHz。2、彩色电视的颜色空
12、间 在彩色电视中，用Y、C1, C2 彩色表示法分别表示亮度信号和两个色差信号，C1，C2 的含义与具体的应用有关。在NTSC 彩色电视制中，C1，C2 分别表示I、Q 两个色差信号；在PAL 彩色电视制中，C1，C2 分别表示U、V 两个色差信号；在CCIR 601 数字电视标准中，C1，C2 分别表示Cr，Cb 两个色差信号。所谓色差是指基色信号中的三个分量信号(即R、G、B)与亮度信号之差。 NTSC 的YIQ 颜色空间与RGB 颜色空间的转换关系如下： Y=0.30R+0.59G+0.11B I=0.74(RY)0.27(BY) = 0.60R+0.28G+0.32B Q=0.48(R
13、Y)0.27(BY) = 0.21R+0.52G+0.31B PAL 的YUV 颜色空间与RGB 颜色空间的转换关系如下： Y=0.30R+0.59G+0.11B U=0.493(BY) = 0.15R0.29G+0.44B Q=0.877(RY) = 0.62R0.52G0.10B三、视频图像采样 模拟视频的数字化包括不少技术问题，如电视信号具有不同的制式而且采用复合的YUV 信号方式，而计算机工作在RGB 空间；电视机是隔行扫描，计算机显示器大多逐行扫描；电视图像的分辨率与显示器的分辨率也不尽相同等等。因此，模拟视频的数字化主要包括色彩空间的转换、光栅扫描的转换以及分辨率的统一。 模拟视频
14、一般采用分量数字化方式，先把复合视频信号中的亮度和色度分离，得到YUV 或YIQ 分量，然后用三个模数转换器对三个分量分别采样并进行数字化，最后再转换成RGB 空间。1、图像子采样 对彩色电视图像进行采样时，可以采用两种采样方法。一种是使用相同的采样频率对图像的亮度信号（Y）和色差信号（Cr，Cb）进行采样，另一种是对亮度信号和色差信号分别采用不同的采样频率进行采样。如果对色差信号使用的采样频率比对亮度信号使用的采样频率低，这种采样就称为图像子采样(subsampling)。由于人的视觉对亮度信号的敏感度高于对色差的敏感度，这样做利用人的视觉特性来节省信号的带宽和功率，通过选择合适的颜色模型，可以使两个色差信号所占的带宽明显低于Y 的带宽，而又不明显影响重显彩色图像的观看。 目前使用的子采样格式有如下几种： (1) 4:4:4 这种采样格式不是子采样格式，它是指在每条扫描线上每4 个连续的采样点取4 个亮度Y 样本、4 个红色差Cr 样本和4 个蓝色差Cb 样本，这就相当于每个像素用3 个样本表示。 (2) 4:2:2 这种子采样格式是指在每条扫描线上每4 个连续的采样点取4个亮度Y 样本、2 个红色差Cr 样本和2 个蓝色差Cb 样本，平均每个像素用2 个样本表示。 (3) 4:1:1 这种子采样格式是指在每条扫描线上每4 个连续的采样点
