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1、第第 4 4 章章数字图像信息及处理技术数字图像信息及处理技术 色调（色调（huehue） 色调色调表示光的颜色，它决定于光的波长，是彩色光的基本特表示光的颜色，它决定于光的波长，是彩色光的基本特性。某一物体的色调是指该物体在日光照射下所反射的光谱成分作性。某一物体的色调是指该物体在日光照射下所反射的光谱成分作用到人眼的综合效果。用到人眼的综合效果。 自然界中的七色光分别对应着不同的色调，而每种色调又自然界中的七色光分别对应着不同的色调，而每种色调又分别对应着不同的波长。分别对应着不同的波长。4.1.1 4.1.1 色彩的三要素色彩的三要素色彩的三要素色彩的三要素 1教学进程教学进程教学进程教
2、学进程教学进程教学进程教学进程教学进程亮度亮度 （luminanceluminance）亮度亮度就是来表示某种颜色在人眼视觉上引起的明暗程度，它直接与光的就是来表示某种颜色在人眼视觉上引起的明暗程度，它直接与光的强度有关。光的强度越大，物体就越亮；光的强度越小，物体就会越暗。强度有关。光的强度越大，物体就越亮；光的强度越小，物体就会越暗。2教学进程教学进程教学进程教学进程饱和度饱和度(saturation)(saturation) 饱和度饱和度也称为纯度或彩度，它是指彩色的深浅或鲜艳程度，也称为纯度或彩度，它是指彩色的深浅或鲜艳程度，通常指彩色中白光含量的多少。通常指彩色中白光含量的多少。 对
3、于同一色调的彩色光，饱和度越深颜色越纯。饱和度还和亮对于同一色调的彩色光，饱和度越深颜色越纯。饱和度还和亮度有关，同一色调越亮或越暗则越不纯。度有关，同一色调越亮或越暗则越不纯。100%100%饱和度的色光就代表完饱和度的色光就代表完全没有混入白光的纯色光。全没有混入白光的纯色光。 3基色（基色（primary colorprimary color）1教学进程教学进程教学进程教学进程 基色是指互为独立的单色，任一基色都不能由其他两种基色混合产生。 人眼对红绿蓝三种色光最为敏感，且他们相配所得到的彩色范围最广，所以一般选红绿蓝作为基色。 选择基色遵循的原则：这三种颜色必须是相互独立且其中任两种颜
4、色不能形成第三色。 4.1.2 4.1.2 三基色原理三基色原理三基色原理三基色原理互补色互补色教学进程教学进程教学进程教学进程 凡是两种色光相混合而成白光，这两种色光就互为补色（complementary colors）。如图所示，红、青；绿、品红；蓝、黄互为补色。互补色是彼此之间最不一样的颜色，这就是人眼能看到除了基色之外其他色的原因。2教学进程教学进程教学进程教学进程4.1.3 4.1.3 色彩模式色彩模式色彩模式色彩模式RGBRGB模式模式1 RGBRGB采用的是加色法，三色光以不同的比例采用的是加色法，三色光以不同的比例和强度混合来表示。和强度混合来表示。 当当RGBRGB的值相等时
5、，结果会根据的值相等时，结果会根据02550255的具的具体值表现为纯黑、纯白及相应的灰色。体值表现为纯黑、纯白及相应的灰色。 色彩模式是指在计算机上显示或打印图像时表示颜色的数字方法。色彩模式是指在计算机上显示或打印图像时表示颜色的数字方法。比如计算机显示器采用比如计算机显示器采用RGBRGB模式，打印机输出彩色图像时用模式，打印机输出彩色图像时用CMYKCMYK模式，模式，从事艺术绘画的采用从事艺术绘画的采用HSBHSB模式，彩色电视系统采用模式，彩色电视系统采用YUV/YIOYUV/YIO模式。模式。教学进程教学进程教学进程教学进程CMYKCMYK模式模式2 2 CMYCMY模式是使用青
6、色（模式是使用青色（CyanCyan）、品红（）、品红（MagentaMagenta）、黄色）、黄色（YellowYellow）3 3种基本颜色按一定比例合成色彩的方法，混色种基本颜色按一定比例合成色彩的方法，混色原理是减色法。原理是减色法。 在印刷时常加一种真正的黑色（在印刷时常加一种真正的黑色（BlackBlack），这样，），这样，CMYCMY模式又称为模式又称为CMYKCMYK模式。模式。HSBHSB模式模式3教学进程教学进程教学进程教学进程 HSBHSB模式使用色调（模式使用色调（HueHue）、饱和度（）、饱和度（SaturationSaturation）和）和亮度（亮度（Brig
7、htnessBrightness）3 3个参数来生成颜色。利用个参数来生成颜色。利用HSBHSB模式描模式描述颜色比较自然，但实际使用却不方便，例如显示时要转述颜色比较自然，但实际使用却不方便，例如显示时要转换成换成RGBRGB模式，打印时要转换为模式，打印时要转换为CMYKCMYK模式等。模式等。 YUV/YIQYUV/YIQ模式模式4 在现代彩色电视系统中，使用在现代彩色电视系统中，使用YUVYUV模式或模式或YIQYIQ模式来表模式来表示彩色图像。在示彩色图像。在PALPAL制式中使用制式中使用YUVYUV模式，其中模式，其中Y Y表示亮度；表示亮度；U U、V V表示色度，是构成彩色的
8、两个分量。在美国、日本表示色度，是构成彩色的两个分量。在美国、日本等国采用的等国采用的NTSCNTSC制式中使用制式中使用YIQYIQ模式，其中模式，其中Y Y表示亮度，表示亮度，I I、Q Q是两个彩色分量。是两个彩色分量。灰度模式与黑白模式灰度模式与黑白模式5 灰度模式采用灰度模式采用8 8位来表示一个像素，即将纯黑位来表示一个像素，即将纯黑和纯白之间的层次等分为和纯白之间的层次等分为256256级，就形成了级，就形成了256256级级灰度模式，它可以用来模拟黑白照片的图像效果。灰度模式，它可以用来模拟黑白照片的图像效果。 黑白模式只采用黑白模式只采用1 1位来表示一个像素，于是位来表示一
9、个像素，于是只能显示黑色和白色。黑白模式无法表示层次复只能显示黑色和白色。黑白模式无法表示层次复杂的图像，但可以制作黑白的线条图。杂的图像，但可以制作黑白的线条图。4.2 图形与图像图形与图像4.2.14.2.1矢量图形与位图图像矢量图形与位图图像矢量图形矢量图形1 又称几何图形或矢量图（Vector Graphic）。指令用来描述构成一幅图所包含的直线、矩形、圆、圆弧、曲线等的形状、位置、颜色等各种属性和参数。 矢量图形与分辨率无关，可以将它缩放到任意大小和以任意分辨率在输出设备上打印出来，都不会影响清晰度。 位图图像位图图像 2 2 又称点阵图像或位图图像，它是指在空间和亮度上已经离散化的
10、图像，是由许多像素点组成的。 可以把一幅位图图像理解为一个矩形，矩形中的任一元素与图像中的一个点对应，该点的灰度或颜色等级用相应的值表示。 矩形的元素称为像素，每个像素可以具有不同的颜色和亮度，它是组成位图图像的基本单位。 像素的颜色等级越多则图像越逼真。 教学进程教学进程教学进程教学进程4.2.2 4.2.2 图形与图像的比较图形与图像的比较图形与图像的比较图形与图像的比较容量容量1显示性能显示性能2 矢量图文件存储的是图形指令，占用的空间较小。矢量图文件存储的是图形指令，占用的空间较小。 位图文件存储的是图像数据，占用的空间比矢量图大得位图文件存储的是图像数据，占用的空间比矢量图大得多。影
11、响位图文件大小的因素有：图像分辨率和图像深度。多。影响位图文件大小的因素有：图像分辨率和图像深度。 显示一幅复杂的位图文件比显示一幅复杂的矢量图文件要快。显示一幅复杂的位图文件比显示一幅复杂的矢量图文件要快。教学进程教学进程教学进程教学进程缩放性能缩放性能3应用应用4 图图形形适适合合于于表表现现变变化化的的曲曲线线、简简单单的的图图案案和和运运算算结结果果等等；而而图图像像表表现现较较强强，层层次次和和色色彩彩较较丰丰富富，适适合合于于表表现现自自然然、细细节节的的景景物物。图图形形的的编编辑辑方方便便，因因此此侧侧重重于于“绘绘制制”、“创创建建”；而而图图像像的的表表现现力力强强但但创创
12、建建较较困困难难，因因此此侧侧重重于于“获取获取”、“复制复制”。 图形在进行缩放、旋转等操作后不会产生失真；而图形在进行缩放、旋转等操作后不会产生失真；而图像有可能出现失真现象，特别是放大若干倍后可能出图像有可能出现失真现象，特别是放大若干倍后可能出现严重的颗粒状，缩小后会吃掉部分像素点。现严重的颗粒状，缩小后会吃掉部分像素点。 教学进程教学进程教学进程教学进程4.3.1 4.3.1 图像的采样图像的采样图像的采样图像的采样 图像数字化的目的是把真实的图像转变成计算机能够接受的显图像数字化的目的是把真实的图像转变成计算机能够接受的显示和存储格式，即特定的一串连续数字。图像的数字化过程分为采示
13、和存储格式，即特定的一串连续数字。图像的数字化过程分为采样、量化和编码三个步骤样、量化和编码三个步骤 。采样频率采样频率1 图像采样图像采样就是把图像分割成为一系列小区域，用特定的数值来表示每一个小区域的亮度、色彩等特征，这些小区域称之为像素点。像素点。 采样频率采样频率是指一秒钟内采样的次数，它反映了采样之间的间隔大小。采样频率是影响图像质量的重要指标，它决定了采样后所得到的图像是否能真实地反映原图像的程度。采样频率越高，得到的图像样本就越细腻逼真，图像的质量就越高，但存储量就越大。 4.3 图像的数字化图像的数字化图像的数字化图像的数字化教学进程教学进程教学进程教学进程4.3.2 4.3.
14、2 图像的量化图像的量化图像的量化图像的量化 4.3.3 4.3.3 图像的编码与压缩图像的编码与压缩图像的编码与压缩图像的编码与压缩图像的编码图像的编码就是按照一定的格式把图像经过采样和量化就是按照一定的格式把图像经过采样和量化得到的离散数据记录下来。得到的离散数据记录下来。 压缩编码技术压缩编码技术是实现图像传输与存储的关键，常用的图是实现图像传输与存储的关键，常用的图像压缩编码有预测编码和变换编码。像压缩编码有预测编码和变换编码。 把采样后所得到的这些连续量表示的像素值离散化为整数值的操作叫量化。 表示量化的亮度值（或色彩值）所需的二进制位数称为量量化化字字长长（图图像像深深度度）。 量
15、化字长越大，就越能真实反映图像的原有效果。教学进程教学进程教学进程教学进程分辨率分辨率1(1)显示分辨率显示分辨率 （Display Resolution） 是指屏幕上显示图像区域的大小，即构成全屏显示的像素点是指屏幕上显示图像区域的大小，即构成全屏显示的像素点的个数。以水平和垂直像素表示。如的个数。以水平和垂直像素表示。如800800600600，是指屏幕水平，是指屏幕水平方向有方向有800800个像素点，垂直方向有个像素点，垂直方向有600600个像素点。个像素点。 同样大小的屏幕，显示分辨率越高，像素的密度越大，显同样大小的屏幕，显示分辨率越高，像素的密度越大，显示的图像就越精细。示的图
16、像就越精细。 (2)图像分辨率图像分辨率 是指确定组成一幅图像的像素数目。以水平的和垂直的像是指确定组成一幅图像的像素数目。以水平的和垂直的像素点表示。图像和显示分辨率决定了显示图像的大小。素点表示。图像和显示分辨率决定了显示图像的大小。 4.3.44.3.4数字图形、图像的性能指标数字图形、图像的性能指标数字图形、图像的性能指标数字图形、图像的性能指标 (3)像素分辨率像素分辨率 像素分辨率是指在显示器上一个像素点的宽和长之比，在像素像素分辨率是指在显示器上一个像素点的宽和长之比，在像素分辨率不同的机器间传输图像时会产生变形。分辨率不同的机器间传输图像时会产生变形。 教学进程教学进程教学进程
17、教学进程颜色深度颜色深度2颜色深度/位数值颜色数量颜色评价1212二值图像42416简单色图像828256基本色图像1621665536增强色图像2422416777216真彩色图像322324294967296真彩色图像 颜色深度是指记录每个像素所使用的二进制位数，对于彩色图颜色深度是指记录每个像素所使用的二进制位数，对于彩色图像来说，颜色深度决定了该图像可以使用的最大颜色数目；对于灰度图像来说，颜色深度决定了该图像可以使用的最大颜色数目；对于灰度图像来说，颜色深度决定了该图像可以使用的亮度级别数目。像来说，颜色深度决定了该图像可以使用的亮度级别数目。 颜色深度值越大，显示的图像色彩越丰富，
18、画面越好，但数据颜色深度值越大，显示的图像色彩越丰富，画面越好，但数据量也随之增长。量也随之增长。 教学进程教学进程教学进程教学进程颜色类型颜色类型 3 最常用的最常用的RGBRGB颜色空间为例，图像深度与颜色的映射颜色空间为例，图像深度与颜色的映射关系主要包括真彩色、伪彩色和调配色。关系主要包括真彩色、伪彩色和调配色。 (1)真彩色真彩色 （True-color） 指图像中的每个像素值都分成指图像中的每个像素值都分成R R、G G、B B三个基色分量。每三个基色分量。每个基色分量直接决定其基色的强度，这样产生的颜色称为真彩色。个基色分量直接决定其基色的强度，这样产生的颜色称为真彩色。 例如，
19、图像深度为例如，图像深度为2424，用，用R:G:B=8:8:8R:G:B=8:8:8来表示颜色，则来表示颜色，则R R、G G、B B各占用各占用8 8位来表示各自基色分量的强度，每个基色分量的强度位来表示各自基色分量的强度，每个基色分量的强度等级为等级为2 28 8=256=256种。图像可以容纳种。图像可以容纳2 22424=16 777 216=16M=16 777 216=16M种色彩。这样种色彩。这样得到的颜色可以反映原图的真实色彩，故称为真彩色。得到的颜色可以反映原图的真实色彩，故称为真彩色。教学进程教学进程教学进程教学进程(2)伪彩色伪彩色（Pseudo-color） 图像的每
20、个像素值实际上是一个索引值或代码值。该图像的每个像素值实际上是一个索引值或代码值。该代码值作为颜色查找表中某一项的入口地址。根据该地址可以代码值作为颜色查找表中某一项的入口地址。根据该地址可以查找出包含实际查找出包含实际R R、G G、B B的强度值，这种用查找映射的方法产的强度值，这种用查找映射的方法产生的色彩称为伪彩色。生的色彩称为伪彩色。 (3)调配色调配色 （Direct-color） 调配色获取是通过每个像素点的调配色获取是通过每个像素点的R R、G G、B B分量分别作为单分量分别作为单独的索引值进行变换，经相应的颜色变换表找出各自的基色强独的索引值进行变换，经相应的颜色变换表找出
21、各自的基色强度，用变换后的度，用变换后的R R、G G、B B强度值产生的色彩。强度值产生的色彩。教学进程教学进程教学进程教学进程调配色与真彩色的比较调配色与真彩色的比较 相同点：都是采用相同点：都是采用R,G,BR,G,B分量来决定基色强度。分量来决定基色强度。不同点：调配色的基色强度由不同点：调配色的基色强度由 R,G,B经过变换后得到；真彩色经过变换后得到；真彩色 是直接用是直接用R,G,B决定。决定。调配色调配色 与伪彩色的比较与伪彩色的比较 相同点：都是采用查找表进行变换。相同点：都是采用查找表进行变换。不同点：调配色是对不同点：调配色是对R,G,B分量分别进行查找变换，而伪彩色是分
22、量分别进行查找变换，而伪彩色是把整个像素当作查找的索引进行查找变换。把整个像素当作查找的索引进行查找变换。教学进程教学进程教学进程教学进程显示深度（显示深度（Display DepthDisplay Depth）4 4 图像深度图像深度是图像文件中记录一个像素点所需要的是图像文件中记录一个像素点所需要的位数，而位数，而显示深度显示深度是在显示缓存表示一个像素点的最大位是在显示缓存表示一个像素点的最大位数，即显示器可以显示的颜色数。数，即显示器可以显示的颜色数。 (1)显示深度大于图像深度显示深度大于图像深度 此此时时，屏屏幕幕上上的的颜颜色色能能够够比比较较真真实实地地反反映映图图像像文文件件
23、的的颜颜色色效效果。果。 比比如如，当当显显示示深深度度为为2424位位，图图像像深深度度为为8 8位位时时，屏屏幕幕上上可可以以显显示示按按该该图图像像的的调调色色板板选选取取的的256256种种颜颜色色；图图像像深深度度为为4 4位位时时，屏屏幕幕上上可可以以显显示示1616色色。这这种种情情况况下下，显显示示的的颜颜色色完完全全取取决决于于图图像的颜色定义。像的颜色定义。教学进程教学进程教学进程教学进程(2)显示深度等于图像深度显示深度等于图像深度 在这种情况下，如果用真彩色显示模式来显示真彩色在这种情况下，如果用真彩色显示模式来显示真彩色图像，或者显示调色板与图像调色板一致时，屏幕上的
24、颜色能图像，或者显示调色板与图像调色板一致时，屏幕上的颜色能较真实地反映图像文件的色彩效果。反之，如果显示调色板与较真实地反映图像文件的色彩效果。反之，如果显示调色板与图像调色板不一致，则显示颜色会出现失真。图像调色板不一致，则显示颜色会出现失真。(3)显示深度小于图像深度显示深度小于图像深度 在这种情况下，显示的颜色会出现失真。在这种情况下，显示的颜色会出现失真。 例如，如果显示深度为例如，如果显示深度为8 8位，那么需要显示一幅真彩色位，那么需要显示一幅真彩色的图像时，显然达不到应有的颜色效果。的图像时，显然达不到应有的颜色效果。教学进程教学进程教学进程教学进程4.3.5 4.3.5 图像
25、数据量图像数据量图像数据量图像数据量 在扫描生成一幅图像时，实际上就是按一定的图像分辨率和图像深度在扫描生成一幅图像时，实际上就是按一定的图像分辨率和图像深度对模拟图片或照片进行采样，从而生成一幅数字化的图像。对模拟图片或照片进行采样，从而生成一幅数字化的图像。 图像的分辨率越高、图像深度越深，数字化后的图像效果越逼真、图像的分辨率越高、图像深度越深，数字化后的图像效果越逼真、图像数据量越大图像数据量越大 。 按照像素点及其深度映射的图像数据大小可用下面的公式对数据量按照像素点及其深度映射的图像数据大小可用下面的公式对数据量进行估算：进行估算：图像数据量（B）=水平方向像素数垂直方向像素数图像
26、深度（位）/8 eg:一幅一幅640480的的256色图像，其文件大小约为：色图像，其文件大小约为：6404808/8=307200（B）=300（KB） 一幅一幅1024768的真彩色图像文件大小约为：的真彩色图像文件大小约为： 102476824/8=2359296（B）=2304（KB）=2.25(MB)教学进程教学进程教学进程教学进程 确定一幅图像的主要参数有两个：图像的容量；图像输出确定一幅图像的主要参数有两个：图像的容量；图像输出的效果。的效果。 如果是屏幕限时，则要考虑显示器的分辨率和深度；如果是屏幕限时，则要考虑显示器的分辨率和深度；如果是打印输出，则要考虑打印机的分辨率等性能
27、。如果是打印输出，则要考虑打印机的分辨率等性能。教学进程教学进程教学进程教学进程(1)BMP （Bitmap）格式）格式 BMPBMP文件是文件是WindowsWindows操作系统中的标准图像文件格式，操作系统中的标准图像文件格式，是一种典型的位映射存储形式，它支持是一种典型的位映射存储形式，它支持RGBRGB、灰度和位图、灰度和位图颜色模式。颜色模式。BMPBMP文件都不压缩，所以这类文件的数据量很文件都不压缩，所以这类文件的数据量很大大 。(2)JPEG格式格式 JPEGJPEG是按图像专家联合组（是按图像专家联合组（Joint Photographic Joint Photograph
28、ic Experts GroupExperts Group）制订的压缩标准，是基于）制订的压缩标准，是基于DCTDCT压缩算法进行压缩算法进行存储的图像文件格式，它是使用有损压缩方式去除冗余的图存储的图像文件格式，它是使用有损压缩方式去除冗余的图像和彩色数据，但是这种损失很小，以至于人们很难察觉。像和彩色数据，但是这种损失很小，以至于人们很难察觉。4.4 4.4 数字图像的文件格式数字图像的文件格式数字图像的文件格式数字图像的文件格式教学进程教学进程教学进程教学进程(3)GIF （Graphics Interchange Format）格式格式 GIFGIF是由是由CompuServeComp
29、uServe公司为了制定彩色图像传输协议而公司为了制定彩色图像传输协议而开发的图像格式文件。它最多只能支持开发的图像格式文件。它最多只能支持256256种颜色的调色板，种颜色的调色板，通常用于以较大色块而非连续色阶呈现的图像。通常用于以较大色块而非连续色阶呈现的图像。 GIFGIF格式的特点是压缩比高（存储时采用格式的特点是压缩比高（存储时采用LZWLZW压缩算法）压缩算法），磁盘空间占用较少。另外有，磁盘空间占用较少。另外有3 3个主要特点：个主要特点：（1 1）交错显示）交错显示（2 2）透明：）透明：GIFGIF图像允许将画面的某一种颜色设置为透明。图像允许将画面的某一种颜色设置为透明。
30、 （3 3）动画效果）动画效果:GIF:GIF文件格式允许在一个文件中设置多幅画文件格式允许在一个文件中设置多幅画面。面。教学进程教学进程教学进程教学进程(4)PSD格式格式 PSDPSD格式是格式是AdobeAdobe公司开发的图像处理软件公司开发的图像处理软件PhotoShopPhotoShop中自带的标准文件格式，是中自带的标准文件格式，是PhotoShopPhotoShop的默认文件格式。的默认文件格式。 优点是在优点是在PSPS支持的所有图像格式中，支持的所有图像格式中，PSDPSD的存取速度的存取速度比其他格式快很多，功能也更强大；缺点是体积庞大，很比其他格式快很多，功能也更强大；
31、缺点是体积庞大，很少有其他图像软件能读取此格式图像。少有其他图像软件能读取此格式图像。 (5)PCX格式格式 PCXPCX是为是为ZSOFTZSOFT公司研制开发的图像处理软件设计的文公司研制开发的图像处理软件设计的文件格式。件格式。PCXPCX图像文件格式适用于绘画程序，是在图像文件格式适用于绘画程序，是在PCPC机上机上使用时间最久的一种位图格式。使用时间最久的一种位图格式。教学进程教学进程教学进程教学进程(6)TIFF格式格式（Tag Image File Format） TIFFTIFF称为标记图像文件格式。它是称为标记图像文件格式。它是AldusAldus和和MicrosoftMic
32、rosoft公司为扫描仪和桌面出版系统研制开发的较为通用的图像公司为扫描仪和桌面出版系统研制开发的较为通用的图像文件格式。它的特点是图像格式复杂、存储信息多。如果文件格式。它的特点是图像格式复杂、存储信息多。如果想打印图片，想打印图片，TIFFTIFF则是最佳的图像格式。则是最佳的图像格式。 (7)PNG文件文件（Portable Network Graphics） PNGPNG是一种新兴的网络图像格式，它汲取了是一种新兴的网络图像格式，它汲取了GIFGIF和和JPEGJPEG两者的优点，是目前保证最不失真的格式。它具有存储两者的优点，是目前保证最不失真的格式。它具有存储形式丰富的特点，采用无损压缩方式来减小文件；显示形式丰富的特点，采用无损压缩方式来减小文件；显示速度快；缺点：目前还不支持动画。速度快；缺点：目前还不支持动画。 教学进程教学进程教学进程教学进程数字图像的获取数字图像的获取数字图像的获取数字图像的获取用绘图软件创建数字图像用绘图软件创建数字图像1用数字摄入设备获取图像用数字摄入设备获取图像2利用扫描仪获取图像利用扫描仪获取图像3从屏幕上直接获取图像从屏幕上直接获取图像4从光盘中获取图像资料从光盘中获取图像资料5从网上获取图像从网上获取图像6
