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1、1 数字彩色图像基础数字彩色图像基础注：本部分内容参考了林福宗注：本部分内容参考了林福宗多媒体技术基础多媒体技术基础第四、五、六章第四、五、六章数字媒体技术基础数字媒体技术基础第二讲第二讲2上一讲内容回顾上一讲内容回顾数字媒体导论数字媒体导论数字媒体的基本概念数字媒体的基本概念数字媒体技术的原理数字媒体技术的原理数字媒体标准简介数字媒体标准简介数字媒体的应用数字媒体的应用3本讲内容提要本讲内容提要视觉系统对颜色的感知视觉系统对颜色的感知图像的颜色模型图像的颜色模型图像的基本属性图像的基本属性图像的种类图像的种类数字图像的描述数字图像的描述图像文件格式图像文件格式 作业作业2颜色的特性及度量颜色
2、的特性及度量颜色空间及其转换颜色空间及其转换4视觉系统对颜色的感知视觉系统对颜色的感知人们获取的信息的人们获取的信息的70来自来自视觉系统视觉系统颜色是什么颜色是什么从物理学角度，颜色是视觉系统对可见光的感知结果从物理学角度，颜色是视觉系统对可见光的感知结果l感知到的颜色由光波的频率决定的感知到的颜色由光波的频率决定的l光光波波是是一一种种具具有有一一定定频频率率范范围围的的电电磁磁辐辐射射，其其波波长长覆覆盖盖的的范范围围很广很广l电电磁磁辐辐射射中中只只有有一一小小部部分分能能够够引引起起眼眼睛睛的的兴兴奋奋而而被被感感觉觉，其其波波长在长在380380780780nm的范围里。的范围里。
3、l眼睛感知到的颜色和波长之间的对应关系如下图所示眼睛感知到的颜色和波长之间的对应关系如下图所示5视觉系统对颜色的感知视觉系统对颜色的感知视觉系统对颜色感知的特性视觉系统对颜色感知的特性眼睛本质上是一个照相机眼睛本质上是一个照相机l人人的的视视网网膜膜（humanretina）通通过过神神经经元元感感知知外外部部世世界界的的颜颜色色，每个神经元是一个对颜色敏感的锥体（每个神经元是一个对颜色敏感的锥体（cone）l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红、绿绿和和蓝蓝三三种种锥锥体体细细胞胞对对不不同同频频率率的的光光的的感感
4、知知程程度度不不同，对不同亮度的感知程度也不同同，对不同亮度的感知程度也不同从从理理论论上上说说，自自然然界界中中的的任任何何一一种种颜颜色色都都可可以以由由R，G，B这这三三种种颜颜色色值值之之和和来来确确定定，它它们们构构成成一一个个三三维维的的RGB矢量空间（矢量空间（三原色三原色）lR，G，B的数值不同，混合得到的颜色就不同的数值不同，混合得到的颜色就不同67图像的颜色模型图像的颜色模型什么是颜色模型（什么是颜色模型（colormodel）定量的描述颜色的一套规则和定义定量的描述颜色的一套规则和定义人们提出了各种颜色模型。目前常用的颜色模型按用途人们提出了各种颜色模型。目前常用的颜色模
5、型按用途可分为可分为l面向硬件显示设备的面向硬件显示设备的RGB颜色模型颜色模型l面向彩色图像打印的面向彩色图像打印的CMY颜色模型颜色模型l电视信号传输中的电视信号传输中的YUV颜色模型颜色模型l面向彩色图像处理的面向彩色图像处理的HIS颜色模型颜色模型l面向特定应用的自定义颜色模型面向特定应用的自定义颜色模型l。与与颜色空间颜色空间等价等价8显示彩色图像用显示彩色图像用RGB相加混色模型相加混色模型-1一一个个能能发发出出光光波波的的物物体体称称为为有有源源物物体体，它它的的颜颜色色由该物体发出的光波决定由该物体发出的光波决定lCRT使使用用3个个电电子子枪枪分分别别产产生生红红(red)
6、、绿绿(green)和和蓝蓝(blue)三三种种波波长长的的光光，如如图图所所示示，并并以以各各种种不不同同的的相相对对强强度度组组合合产产生生不不同同的的颜色颜色RGB相加混色模型相加混色模型l组组合合红红、绿绿和和蓝蓝光光波波来来产产生生特特定定颜颜色色的的方方法法叫叫做做相相加加混混色色法法(additivecolormixture)，即，即RGB相加混色模型相加混色模型l相加混色是计算机应用中定义颜色的基本方法相加混色是计算机应用中定义颜色的基本方法彩色显像产生颜色的原理9显示彩色图像用显示彩色图像用RGB相加混色模型相加混色模型-2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任
7、何一种颜色都可用三种基本颜色按不同的比例混合得到颜色颜色R(红的百分比红的百分比)G(绿的百分比绿的百分比)B(蓝的百分比蓝的百分比)三三种种颜颜色色的的光光强强越越强强，到到达达我我们们眼眼睛睛的的光光就就越越多多，它它们们的的比比例例不不同同，我我们们看看到到的的颜颜色色也也就就不不同同。没没有有光光到到达达眼眼睛睛，就是一片漆黑就是一片漆黑当当三三基基色色等等量量相相加加时时，得得到到白白色色；等等量量的的红红绿绿相相加加而而蓝蓝为为0时时得得到到黄黄色色；等等量量的的红红蓝蓝相相加加而而绿绿为为0时时得得到到品品红红色色；等等量量的的绿绿蓝蓝相相加加而而红红为为0时时得得到到青青色色。
8、这这些些三三基基色色相相加加的的结结果如图所示果如图所示 相加混色三种色彩叠加可形成三种色彩叠加可形成1670万种颜色，即真彩万种颜色，即真彩色色10打印彩色图像用打印彩色图像用CMY相减混色模型相减混色模型-1一个不发光波的物体称为无源物体，它的颜色由该物体吸一个不发光波的物体称为无源物体，它的颜色由该物体吸收或者反射哪些光波决定收或者反射哪些光波决定用彩色墨水或颜料进行混合，绘制的图画是一种无源物体，用这用彩色墨水或颜料进行混合，绘制的图画是一种无源物体，用这种方法生成的颜色称为种方法生成的颜色称为相减色相减色在白光照射下，青色颜料能吸收红色而反射青色，黄色颜料吸收在白光照射下，青色颜料能
9、吸收红色而反射青色，黄色颜料吸收蓝色而反射黄色，品红颜料吸收绿色而反射品红。也就是：蓝色而反射黄色，品红颜料吸收绿色而反射品红。也就是： l白色-红色=青色l白色-绿色=品红 l白色-蓝色=黄色l 另外，如果把青色和黄色两种颜料混合，在白光照射下，由于颜料吸收了另外，如果把青色和黄色两种颜料混合，在白光照射下，由于颜料吸收了红色和蓝色，而反射了绿色，对于颜料的混合我们表示如下：红色和蓝色，而反射了绿色，对于颜料的混合我们表示如下： 颜料(黄色+青色)=白色-红色-蓝色=绿色 颜料(品红+青色)=白色-红色-绿色=蓝色 颜料(黄色+品红)=白色-绿色-蓝色=红色 以上的都是相减混色,相减混色就是
10、以吸收三基色比例不同而形成不同的颜色的。所以又把青色、品红、黄色青色、品红、黄色称为颜料三基色。颜料三基色的混色在绘画、印刷中得到广泛应用11打印彩色图像用打印彩色图像用CMY相减混色模型相减混色模型-2CMY相减混色模型相减混色模型用三种基本颜色即青色(cyan)、品红(magenta)和黄色(yellow)的颜料按一定比例混合得到颜色的方法，通常写成CMY，称为CMY模型从理论上说，任何一种颜色都可以用青色(cyan)、品红(magenta)和黄色(yellow)混合得到在在相相减减混混色色中中,当当三三基基色色等等量量相相减减时时得得到到黑黑色色；。三三基基色色相相减减结结果果如图所示如
11、图所示按每个像素每种颜色用按每个像素每种颜色用1位表示，相减法产生的位表示，相减法产生的8种颜色如表所示种颜色如表所示 C(青色)M(品红)Y(黄色)相减色000白001黄010品红011红100青101绿110蓝111黑 相减混色相减色12图像属性图像属性-1像素深度（像素深度（depth）图像中描述每个像素所需的二进制位数，以图像中描述每个像素所需的二进制位数，以bit为单位为单位l例如，用例如，用R，G，B三个分量表示的彩色图像，若每个分量用三个分量表示的彩色图像，若每个分量用8位位表示，那么一个像素共用表示，那么一个像素共用24位表示，就说像素深度为位表示，就说像素深度为24位位像素深
12、度决定彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或像素深度决定彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或者确定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数者确定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数l例如，像素深度为例如，像素深度为24位时，每个像素可以是位时，每个像素可以是224=16777216种颜种颜色中的一种色中的一种像素深度越深，表达的颜色数目就越多，所占用的存储像素深度越深，表达的颜色数目就越多，所占用的存储空间也越大。相反，如果像素深度太浅，则影响图像的空间也越大。相反，如果像素深度太浅，则影响图像的质量，图像看起来让人觉得很粗糙和很不自然质量，图像看起来让人觉得很粗糙和很不自然13图像属性图像属性-2阿尔
13、法阿尔法()通道通道在在每每个个像像素素用用32位位表表示示的的图图像像表表示示法法中中的的高高8位位，其其余余24位位是是颜颜色色通通道道，红红色色、绿绿色色和和蓝蓝色色分分量量各各占占一一个个8位位的通道的通道 通通道道是是一一个个256级级灰灰阶阶的的图图像像，用用于于表表示示每每个个像像素素的的透透明度（明度（可将图像分成不同的层可将图像分成不同的层）l例例如如，用用两两幅幅图图像像A和和B混混合合成成一一幅幅新新图图像像，新新图图像像(New)的的像像素素为：为：Newpixel=(alphaA)(pixelAcolor)+(alphaB)(pixelBcolor)在在视视频频制制作
14、作中中，可可把把广广告告的的图图标标、报报道道题题花花等等图图案案作作为为标标记记或或栏栏目目标标题题叠叠加加在在画画面面上上，使使用用通通道道可可对对不不同同部部分产生不同的透明效果分产生不同的透明效果14图像属性图像属性-3真彩色与伪彩色真彩色与伪彩色真彩色真彩色(truecolor)l每个像素的颜色值用红每个像素的颜色值用红(R)、绿、绿(G)和蓝和蓝(B)表示的颜色表示的颜色l通常用通常用24位表示，其颜色数位表示，其颜色数22416777216种。也称种。也称24位颜色位颜色(24-bitcolor)或全彩色或全彩色(fullcolor)伪彩色伪彩色(pseudocolor)l在在R
15、GB真彩色出现之前，真彩色出现之前， 由于技术上的原因，计算机在处理时由于技术上的原因，计算机在处理时并没有达到每像素并没有达到每像素24位的真彩色水平，为此人们创造了索引颜位的真彩色水平，为此人们创造了索引颜色，即伪彩色色，即伪彩色l将像素值当作彩色查找表将像素值当作彩色查找表(colorlook-uptable，CLUT)的表项入口的表项入口地址，查找显示图像时要使用的地址，查找显示图像时要使用的R，G，B值，用查找出的值，用查找出的R，G，B值产生的彩色。值产生的彩色。例如16种颜色的查找表，0号索引对应黑色，. ，15号索引对应白色l使用查找得到的使用查找得到的R，G，B数值显示的彩色
16、是真的，但不是图像本数值显示的彩色是真的，但不是图像本身真正的颜色，它没有完全反映原图的颜色身真正的颜色，它没有完全反映原图的颜色15图像的种类图像的种类-1矢量图矢量图(vectorgraphics)图形图形一般是由点、线条、曲面等组成的画面，多数是由绘图一般是由点、线条、曲面等组成的画面，多数是由绘图软件绘制出来的软件绘制出来的把图形看作一段段具有一定宽度、一定长度和方向性的把图形看作一段段具有一定宽度、一定长度和方向性的线段组成，文件记录的是每个线段的起点和终点以及线线段组成，文件记录的是每个线段的起点和终点以及线段的色彩、宽度等信息，该文件可以看成是众多矢量表段的色彩、宽度等信息，该文
17、件可以看成是众多矢量表示的集合。示的集合。每一个矢量都是独立的图像对象，可以自由无限制的重每一个矢量都是独立的图像对象，可以自由无限制的重新组合新组合优点优点l目标图像的移动、缩小或放大、旋转、拷贝、属性目标图像的移动、缩小或放大、旋转、拷贝、属性(如线条变宽如线条变宽变细、颜色变细、颜色)变更都很容易做到变更都很容易做到l存储空间小存储空间小局限性局限性l很难用来描述真实世界的彩色照片很难用来描述真实世界的彩色照片16图像的种类图像的种类-2位图位图(bitmap)图像图像把把图图片片看看成成是是m行行n列列的的小小方方块块组组成成，每每个个小小方方块块被被称称为一个像素，记录每个像素的颜色
18、值为一个像素，记录每个像素的颜色值l对对位位图图进进行行操操作作时时，只只能能对对图图中中的的像像素素进进行行操操作作，而而不不能能把把位位图中的物体作为独立实体进行操作。也称光栅图图中的物体作为独立实体进行操作。也称光栅图(rastergraphics)特性特性l位位图图的的获获取取通通常常用用扫扫描描仪仪、数数码码相相机机、摄摄像像机机、录录像像机机、视视像像光盘和相关的数字化设备光盘和相关的数字化设备l位图文件占据的存储空间比较大位图文件占据的存储空间比较大l影响位图文件大小的因素影响位图文件大小的因素图图像像分分辨辨率率：分分辨辨率率越越高高，表表示示组组成成一一幅幅图图的的像像素素就
19、就越越多多，图图像像文文件就越大件就越大像像素素深深度度：像像素素深深度度越越深深，表表达达单单个个像像素素的的颜颜色色和和亮亮度度的的位位数数越越多多，图像文件就越大图像文件就越大 17图像的种类图像的种类-3矢量图与位图的差别矢量图与位图的差别18图像的描述图像的描述矩阵矩阵黑白图像（二值图像）黑白图像（二值图像）每个像素只能是黑或者白，像素值为每个像素只能是黑或者白，像素值为0/1灰度图像灰度图像每个像素由一个量化的灰度级来表示，一般为每个像素由一个量化的灰度级来表示，一般为8bits的灰度级（的灰度级（0-255,0为为纯黑纯黑,255为纯白）为纯白）彩色图像彩色图像每个像素的信息由每
20、个像素的信息由RGB三基色构成三基色构成1819图像文件格式图像文件格式图像文件格式是存储图形或图像数据的数据结构图像文件格式是存储图形或图像数据的数据结构数数字字图图像像有有多多种种存存储储格格式式，每每种种格格式式一一般般由由不不同同的的开开发发商商支支持持。因因此此，要要进进行行图图像像处处理理，必必须须了了解图像文件的格式，解图像文件的格式， 即图像文件的数据构成即图像文件的数据构成每每一一种种图图像像文文件件均均有有一一个个文文件件头头， 在在文文件件头头之之后后才是图像数据才是图像数据20BMP文件格式文件格式-1BMP文件格式文件格式Bitmap的简写的简写 微软公司开发的在微软
21、公司开发的在Windows环境下的标准位图文件格式环境下的标准位图文件格式BMP文件是一种像素文件，它保存了一幅图象中所有的文件是一种像素文件，它保存了一幅图象中所有的像素像素l可保存单色位图、可保存单色位图、16色或色或256色索引模式像素图、色索引模式像素图、24位真彩色图位真彩色图象象l每种模式中单一像素的大小分别为每种模式中单一像素的大小分别为1/8字节，字节，1/2字节，字节，1字节和字节和3字节字节l目前最常见的是目前最常见的是256色色BMP和和24位色位色BMPl这种文件格式还定义了像素保存的几种方法，包括不压缩、这种文件格式还定义了像素保存的几种方法，包括不压缩、RLE压缩等
22、。常见的压缩等。常见的BMP文件大多是不压缩的。文件大多是不压缩的。21BMP文件格式文件格式-2BMP文件组成文件组成BMP文件由文件由文件头、位图信息头、文件头、位图信息头、颜色信息颜色信息(调色板调色板)和图和图形数据形数据四部分组成四部分组成BMP文件头文件头BMP文件头数据结构含有文件头数据结构含有BMP文件的类型、文件大小和位文件的类型、文件大小和位图起始位置等信息。图起始位置等信息。其结构定义如下其结构定义如下:typedefstructtagBITMAPFILEHEADERWORDbfType;/位图文件的类型标识，必须为位图文件的类型标识，必须为0x424D,即字符串即字符串
23、”BM”DWORDbfSize;/位图文件的大小，以字节为单位位图文件的大小，以字节为单位WORDbfReserved1;/位图文件保留字，必须为位图文件保留字，必须为0WORDbfReserved2;/位图文件保留字，必须为位图文件保留字，必须为0DWORDbfOffBits;/位图数据的起始位置，以相对于位图位图数据的起始位置，以相对于位图 /文件头的偏移量表示，文件头的偏移量表示，以字节为单位以字节为单位BITMAPFILEHEADER;22BMP文件格式文件格式-3位图信息头位图信息头BMP位图信息头数据用于说明位图的尺寸等信息。位图信息头数据用于说明位图的尺寸等信息。typedefs
24、tructtagBITMAPINFOHEADERDWORDbiSize;/本结构所占用字节数本结构所占用字节数LONGbiWidth;/位图的宽度，以像素为单位位图的宽度，以像素为单位LONGbiHeight;/位图的高度，以像素为单位位图的高度，以像素为单位WORDbiPlanes;/目标设备的级别，必须为目标设备的级别，必须为1WORDbiBitCount/每个像素所需的位数，必须是每个像素所需的位数，必须是1(双色双色), /4(16色色)，8(256色色)或或24(真彩色真彩色)之一之一DWORDbiCompression;/位图压缩类型，必须是位图压缩类型，必须是0(不不压缩压缩),
25、/1(BI_RLE8压缩类型压缩类型)或或2(BI_RLE4压缩类型压缩类型)之一之一DWORDbiSizeImage;/位图的大小，以字节为单位位图的大小，以字节为单位LONGbiXPelsPerMeter;/位图水平分辨率，每米像素数位图水平分辨率，每米像素数LONGbiYPelsPerMeter;/位图垂直分辨率，每米像素数位图垂直分辨率，每米像素数DWORDbiClrUsed;/位图实际使用的颜色表中的颜色数位图实际使用的颜色表中的颜色数DWORDbiClrImportant;/位图显示过程中重要的颜色数位图显示过程中重要的颜色数BITMAPINFOHEADER;23BMP文件格式文件
26、格式-4颜色表（调色板）颜色表（调色板）颜色表用于说明位图中的颜色，它有若干个表项，每一个表项是一颜色表用于说明位图中的颜色，它有若干个表项，每一个表项是一个个RGBQUAD类型的结构，定义一种颜色。类型的结构，定义一种颜色。lRGBQUAD结构的定义如下结构的定义如下:typedefstructtagRGBQUADBYTErgbBlue;/蓝色的亮度蓝色的亮度(值范围为值范围为0-255)BYTErgbGreen;/绿色的亮度绿色的亮度(值范围为值范围为0-255)BYTErgbRed;/红色的亮度红色的亮度(值范围为值范围为0-255)BYTErgbReserved;/保留，必须为保留，必
27、须为0RGBQUAD;l颜色表中颜色表中RGBQUAD结构数据的个数有结构数据的个数有biBitCount来确定来确定:当当biBitCount=1,4,8时，分别有时，分别有2,16,256个表项个表项; 当当biBitCount=24时，没有颜色表项。时，没有颜色表项。l位图信息头和颜色表组成位图信息，位图信息头和颜色表组成位图信息，BITMAPINFO结构定义如下结构定义如下:typedefstructtagBITMAPINFOBITMAPINFOHEADERbmiHeader;/位图信息头位图信息头RGBQUADbmiColors1;/颜色表颜色表BITMAPINFO;24BMP文件格
28、式文件格式-5位图数据位图数据位图数据记录了位图的每一个像素值，记录顺序是位图数据记录了位图的每一个像素值，记录顺序是在扫描行内是在扫描行内是从左到右从左到右,扫描行之间是从下到上扫描行之间是从下到上。位图的一个像素值所占的字节数位图的一个像素值所占的字节数: 当当biBitCount=1时，时，8个像素占个像素占1个字节个字节; 当当biBitCount=4时，时，2个像素占个像素占1个字节个字节; 当当biBitCount=8时，时，1个像素占个像素占1个字节个字节; 当当biBitCount=24时时,1个像素占个像素占3个字节个字节;Windows规定一个扫描行所占的字节数必须是规定一
29、个扫描行所占的字节数必须是4的倍数的倍数(即以即以long为为单位单位),不足的以不足的以0填充填充l一个扫描行所占的字节数计算方法一个扫描行所占的字节数计算方法:DataSizePerLine=(biWidth*biBitCount+31)/8;l一个扫描行所占的字节数一个扫描行所占的字节数DataSizePerLine=DataSizePerLine/4*4;/字节数必须是字节数必须是4的倍数的倍数l位图数据的大小位图数据的大小(不压缩情况下不压缩情况下):DataSize=DataSizePerLine*biHeight;25BMP文件格式文件格式-6总结总结Windows所使用的所使用
30、的BMP文件，在开始处有一个文件头，大小为文件，在开始处有一个文件头，大小为54字节。字节。l文件头保存了包括文件格式标识、颜色数、图象大小、压缩方式等信息文件头保存了包括文件格式标识、颜色数、图象大小、压缩方式等信息l对对24位位色色不不压压缩缩的的BMP，文文件件头头中中的的信信息息基基本本不不需需要要注注意意，只只有有“大大小小”这这一一项项对对有有用用。图图象象的的宽宽度度和和高高度度都都是是一一个个32位位整整数数，在在文文件件中中的的地地址址分分别别为为0x0012和和0x0016。54个个字字节节以以后后，如如果果是是16色色或或256色色BMP，则则还还有有一一个个颜颜色色表表
31、，但但24位位色色BMP没有这个，可不考虑。没有这个，可不考虑。接接下下来来就就是是实实际际的的像像素素数数据据了了。24位位色色的的BMP文文件件中中，每每三三个个字字节节表表示示一一个个像像素素的的颜颜色色。注注意意，通通常常使使用用RGB来来表表示示颜颜色色，但但BMP文文件件则则采采用用BGR，就是说，顺序被反过来了就是说，顺序被反过来了每一行的字节数一行的字节数必须是每一行的字节数一行的字节数必须是4的整数倍，如果不是，则需要补齐的整数倍，如果不是，则需要补齐BMP文文件件的的数数据据存存放放是是从从下下到到上上，从从左左到到右右的的。也也就就是是说说， 从从文文件件中中最最先先读读
32、到到的的是是图图像像最最下下面面一一行行的的左左边边第第一一个个像像素素， 然然后后是是左左边边第第二二个个像像素素， 接接下下来来是是倒倒数数第第二二行行左左边边第第一一个个像像素素， 左左边边第第二二个个像像素素。依依次次类类推推， 最最后得到的是最上面一行的最右边的一个像素后得到的是最上面一行的最右边的一个像素26作业作业2用用VC或者或者C/C+实现一个包含如下功能的程序实现一个包含如下功能的程序打开打开24位彩色位彩色bmp文件文件,显示该图像显示该图像将图像内容顺时针旋转将图像内容顺时针旋转90度后显示出来度后显示出来将图像分成等大小的将图像分成等大小的4块，将第块，将第1和第和第
33、3块像素互换后保存块像素互换后保存将旋转后的图像转换成灰度图像显示，并保存将旋转后的图像转换成灰度图像显示，并保存对灰度图像求对灰度图像求Sobel边缘图，显示出来，并保存边缘图，显示出来，并保存对灰度图像进行对灰度图像进行Gaussian平滑，并保存（平滑，并保存（需要体会平滑的作用需要体会平滑的作用）对灰度图像进行对灰度图像进行2值化（值化（可尝试使用不同的阈值，如可尝试使用不同的阈值，如30，50，128，160）要求要求不可借助其它不可借助其它SDK，只能用，只能用C/C+来实现，可参考网上代码来实现，可参考网上代码作业提交：源程序作业提交：源程序+原始图像原始图像+各结果图像（可拷贝
34、到各结果图像（可拷贝到word文件中）文件中）27描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语颜色是什么颜色是什么颜色是人的视觉系统对可见光的感知结果，感知到的颜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波长决定色由光波的波长决定l视觉系统能感觉的波长范围为视觉系统能感觉的波长范围为380780nm，感知到的颜色和波，感知到的颜色和波长之间的对应关系如图所示长之间的对应关系如图所示l纯颜色用光的波长定义，称为光谱色纯颜色用光的波长定义，称为光谱色(spectralcolors)。单色光。单色光l用不同波长的光进行组合时可产生相同的颜色感觉用不同波长的光进行组合时可产生相同的颜色感觉国际
35、照明委员会（国际照明委员会（CIE）定义了三个特性来区分不同的）定义了三个特性来区分不同的颜色颜色l色调色调(hue)l饱和度饱和度(saturation)l明度明度(brightness) 光谱色28颜色的三个特性颜色的三个特性-1色调（色调（Hue）视觉系统对一个区域呈现的颜色的感觉，即对可见物体辐射视觉系统对一个区域呈现的颜色的感觉，即对可见物体辐射或发射的光波波长的感觉或发射的光波波长的感觉这种感觉就是与红、绿和蓝三种颜色中的哪一种颜色相似，这种感觉就是与红、绿和蓝三种颜色中的哪一种颜色相似，或者与它们组合的颜色相似。或者与它们组合的颜色相似。色调取决于可见光谱中的光波的频率，它是最容
36、易把颜色区色调取决于可见光谱中的光波的频率，它是最容易把颜色区分开的一种属性分开的一种属性苹果是红色的，这苹果是红色的，这“红色红色”便是一种色调，它与颜色明暗无便是一种色调，它与颜色明暗无关关黑、灰、白则为无色彩黑、灰、白则为无色彩色调有一个自然次序：色调有一个自然次序：红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫( (red，orange,yellow，green，cyan，blue，indigo，violet)。在这个次序中，当在这个次序中，当人们混合相邻颜色时，可以获得在这两人们混合相邻颜色时，可以获得在这两种颜色之间连续变化的色调种颜色之间连续变化的色调29颜色的三个
37、特性颜色的三个特性-2色调表示法色调表示法色调（色调（Hue）在在颜颜色色圆圆上上用用圆圆周周表表示示，圆圆周周上上的的颜颜色色具具有有相相同同的饱和度和明度，但它们的色调不同的饱和度和明度，但它们的色调不同,如图所示如图所示30颜色的三个特性颜色的三个特性-3饱和度饱和度(Saturation)指颜色的纯洁性指颜色的纯洁性l可用来区别颜色明暗的程度可用来区别颜色明暗的程度l当一种颜色掺入其他光成分越多时，当一种颜色掺入其他光成分越多时，就说该颜色越不饱和就说该颜色越不饱和 一种一种一种一种颜颜色色色色+ +其他光成分其他光成分其他光成分其他光成分= =颜颜色不色不色不色不饱饱和和和和l完全饱
38、和的颜色是指没有渗入白光所完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜色呈现的颜色l单一波长的光谱色是完全饱和的颜色单一波长的光谱色是完全饱和的颜色半径表示法半径表示法l见图见图(a)，沿径向方向上的颜色具有相，沿径向方向上的颜色具有相同的色调和明度，但它们的饱和度不同的色调和明度，但它们的饱和度不同同l图图(b)所示的七种颜色具有相同的色调所示的七种颜色具有相同的色调和明度，但具有不同的饱和度，左边和明度，但具有不同的饱和度，左边的饱和度最浅，右边的饱和度最深的饱和度最浅，右边的饱和度最深 (a) 半径表示法(b) 饱和度表示法31颜色的三个特性颜色的三个特性-4明度明度(Brightness)
39、视觉系统对可见物体辐射光或发射光多少的感知属视觉系统对可见物体辐射光或发射光多少的感知属性性l同一物体因受光不同会产生明度上的变化。同一物体因受光不同会产生明度上的变化。l有色表面的明度取决于亮度和表面的反射率有色表面的明度取决于亮度和表面的反射率感知的明度与反射率不成正比，认为是一种对数关系感知的明度与反射率不成正比，认为是一种对数关系l明度的主观感觉值目前无法用物理设备测量明度的主观感觉值目前无法用物理设备测量可用亮度可用亮度(luminance)即辐射的能量来度量即辐射的能量来度量一个极端是黑色一个极端是黑色(没有光没有光)，另一个极端是白色，在这两个极，另一个极端是白色，在这两个极端之
40、间是灰色端之间是灰色32颜色的三个特性颜色的三个特性-5明度（明度（Brightness）明度常用垂直轴表示，见图明度常用垂直轴表示，见图(a)在图在图(b)中，七种颜色具有中，七种颜色具有l相同色调和饱和度相同色调和饱和度l不同的明度不同的明度l底部的明度最小底部的明度最小l顶部的明度最大顶部的明度最大(a) 垂直轴表示法(b) 示例33饱和度和亮度的关系饱和度和亮度的关系同一色调越亮或越暗越不纯。同一色调越亮或越暗越不纯。l在饱和的彩色光中增加白光的成分，相当于增加了光能，在饱和的彩色光中增加白光的成分，相当于增加了光能，因而变得更亮了，但是它的饱和度却降低了。因而变得更亮了，但是它的饱和
41、度却降低了。l若增加黑色光的成分，相当于降低了光能，因而变得更若增加黑色光的成分，相当于降低了光能，因而变得更暗，其饱和度也降低了。暗，其饱和度也降低了。34颜色的三个特性颜色的三个特性-6亮度（亮度（ luminance ）由于明度很难度量，因此国际照明委员会定义了一个比由于明度很难度量，因此国际照明委员会定义了一个比较容易度量的物理量，称为较容易度量的物理量，称为亮度亮度( (luminance)。亮亮度度的的值值是是可可度度量量的的，它它用用单单位位面面积积上上反反射射或或者者发发射射的的光的强度表示光的强度表示光光的的强强度度用用“intensity”表表示示，但但在在许许多多中中文文
42、工工具具书书和和科科技技文文献献中中把把“intensity”和和“luminance”都都翻翻译译成成“亮度亮度” ” 总总结结：色色调调与与光光波波的的波波长长有有直直接接关关系系，亮亮度度和和饱饱和和度与光波的幅度有关。度与光波的幅度有关。 35颜色空间颜色空间-1表示颜色的一种数学方法表示颜色的一种数学方法对人，可以通过色调、饱和度和明度来定义颜色对人，可以通过色调、饱和度和明度来定义颜色对显示设备，用红、绿和蓝发光体的发光量来描述颜色对显示设备，用红、绿和蓝发光体的发光量来描述颜色对打印或印刷设备，使用青色、品红色、黄色和黑色的对打印或印刷设备，使用青色、品红色、黄色和黑色的反射和吸
43、收来产生指定的颜色反射和吸收来产生指定的颜色通常用三维模型表示通常用三维模型表示颜色常用代表三个参数的三维坐标来指定，这些参数描颜色常用代表三个参数的三维坐标来指定，这些参数描述颜色在颜色空间中的位置述颜色在颜色空间中的位置36颜色空间颜色空间-2例：如图表示用色调、饱和例：如图表示用色调、饱和度和明度构造的度和明度构造的HSB(hue,saturation，andbrightness) 颜色空间颜色空间l色调用角度标定，红色标色调用角度标定，红色标为为0,青色标为青色标为180l饱和度的深浅用半径大小饱和度的深浅用半径大小表示表示l明度用垂直轴表示明度用垂直轴表示lHIS（Intensity
44、） 色调-饱和度-明度颜色空间37HIS/HSB（A）HSI圆锥空间模型圆锥空间模型 （B）线条示意图：圆锥上亮度、色度和饱和度的关系。）线条示意图：圆锥上亮度、色度和饱和度的关系。 （C）纵轴表示亮度：亮度值是沿着圆锥的轴线度量的，沿着圆锥轴）纵轴表示亮度：亮度值是沿着圆锥的轴线度量的，沿着圆锥轴线上的点表示完全不饱和的颜色，按照不同的灰度等级，最亮点为纯线上的点表示完全不饱和的颜色，按照不同的灰度等级，最亮点为纯白色、最暗点为纯黑色。白色、最暗点为纯黑色。 （D）圆锥纵切面：描述了同一色调的不同亮度和饱和度关系。）圆锥纵切面：描述了同一色调的不同亮度和饱和度关系。 （E）圆锥横切面：色调）
45、圆锥横切面：色调H为绕着圆锥截面度量的色环，圆周上的颜色为绕着圆锥截面度量的色环，圆周上的颜色为完全饱和的纯色，色饱和度为穿过中心的半径横轴。为完全饱和的纯色，色饱和度为穿过中心的半径横轴。 38颜色空间颜色空间-339肤色模型（肤色模型（Skinmodel）肤色检测在人脸检测、手势识别、人体跟踪、敏肤色检测在人脸检测、手势识别、人体跟踪、敏感图像过滤等问题中得到广泛应用感图像过滤等问题中得到广泛应用它通常被作为预处理环节来降低问题求解的计算复杂度它通常被作为预处理环节来降低问题求解的计算复杂度由于种族、光照、背景等因素的影响，准确分割人体肤由于种族、光照、背景等因素的影响，准确分割人体肤色区
46、域仍是一个有挑战性的问题色区域仍是一个有挑战性的问题40肤色模型（肤色模型（Skinmodel）肤色在不同颜色空间上的肤色在不同颜色空间上的分布分布计算机表示中最常用的计算机表示中最常用的RGB颜色空间颜色空间RGB is developed with CRT asanadditivecolorspaceIt has high correlation, non-uniformityandmixingofchrominance and luminancedata.Therefore RGB is not suitablefor color analysis and colorbasedrecog
47、nition41肤色模型（肤色模型（Skinmodel）与人类颜色感知一致的与人类颜色感知一致的HSV颜色空间颜色空间HSV(hue,saturation,value)表示色调、饱和度和亮度H-V and H-S subspace plotsDistribution of the H (Hue) channelHSV反反映映了了人人的的视视觉觉系统观察彩色的方式系统观察彩色的方式V分分量量与与图图像像的的彩彩色信息无关；色信息无关；H和和S分分量量与与人人感感受受颜颜色色的的方方式式是是紧紧密密相联的相联的HSV非非常常适适合合借借助助人人的的视视觉觉系系统统来来感感知知彩彩色色特特性性的的图
48、图像像处理算法处理算法42肤色模型（肤色模型（Skinmodel）YUV (YCbCr) 颜色空间Y分量决定颜色的明亮度分量决定颜色的明亮度U分量和分量和V分量决定了颜色本身（色度）分量决定了颜色本身（色度）Distribution of Y, Cb and CrBounding planes for Cb-Cr subspace43肤色模型（肤色模型（Skinmodel）肤色在更多颜色空间上的分布肤色在更多颜色空间上的分布44肤色模型（肤色模型（Skinmodel）肤色建模方法肤色建模方法简单定义肤色模型简单定义肤色模型l通过实验观察，通过定义一系列规则来定义颜色空间中的肤色通过实验观察，通
49、过定义一系列规则来定义颜色空间中的肤色区域区域l采用的规则包括有人工定义的简单的线性函数、复杂的非线性采用的规则包括有人工定义的简单的线性函数、复杂的非线性函数，或者通过机器学习自动找到规则函数，或者通过机器学习自动找到规则参数肤色模型参数肤色模型l假定肤色分布符合某类具体的数学函数，并通过训练数据来确假定肤色分布符合某类具体的数学函数，并通过训练数据来确定出相应的参数，模型通常被假定为服从定出相应的参数，模型通常被假定为服从单高斯分布单高斯分布、多高斯、多高斯分布、椭圆分布等分布、椭圆分布等非参数肤色模型非参数肤色模型l通过训练集中的肤色出现频率直接估计每种颜色的肤色概率，通过训练集中的肤色
50、出现频率直接估计每种颜色的肤色概率，常用方法有查表法、常用方法有查表法、Bayes法、法、SOM等等l这类模型中的各颜色点的肤色概率值独立，准确性高，但缺乏这类模型中的各颜色点的肤色概率值独立，准确性高，但缺乏泛化能力泛化能力45肤色模型（肤色模型（Skinmodel）46肤色模型（肤色模型（Skinmodel）肤色检测结果肤色检测结果47作业作业31.实实现现RGB颜颜色色空空间间到到HSV和和YCbCr颜颜色色空空间间的的转换（关于转换公式由自己查阅资料获取）转换（关于转换公式由自己查阅资料获取）2.（选选做做）采采集集些些肤肤色色样样本本，画画出出这这些些肤肤色色在在RGB，HSV和和YCbCr颜色空间上的分布颜色空间上的分布
