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第三章 数字图像的处理技术-许昌网站建设.doc
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第三章 数字图像的处理技术-许昌网站建设
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许昌网站建设
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数字媒体技术导论
华中师范大学
清华大学出版社
第三章 数字图像的处理技术
3.1 图像颜色的模型
3.2 彩色空间的线性变换
3.3 图像的基本属性及种类
3.4 数字图像的获取技术
3.5 图像创意设计与编辑技术
3.6 数字图像技术的应用
第三章 数字图像的处理技术
第三章 数字图像的处理技术
本章学习目标:
(1)了解颜色模型概念、颜色表示方法;理解各模型与 RGB 模型之间的变换方法。
(2)掌握图像的基本属性。
(3)了解位图和矢量图文件的获取和编辑方法。
(4)能较熟练操作数码相机、扫描仪和绘图板等。
(5)初步掌握 Photoshop 软件的核心概念以及基本操作。
3.1 图像颜色的模型
3.1 图像颜色的模型
3.1.1 视觉系统对颜色的感知
3.1.2RGB 颜色模型
3.1.3 CMYK 颜色模型
3.1.4 HSB 颜色模型
3.1.5 YUV 与 YIQ 颜色模型
3.1.6 CIE L*a*b 颜色模型
3.1 图像颜色的模型
图像颜色的模型,即颜色的表示模型,通常简称为颜色模型,被用来描述人们能感知的和处
理的颜色。
在颜色模型中,所有被定义的颜色形成了坐标系的彩色空间。每一种颜色表示颜色坐标系中
的一个点,可以使用数值来衡量。
常见的颜色模型包括 RGB(红色、绿色、蓝色);CMYK(青色、洋红、黄色、黑色);HSB
(色相、饱和度、亮度);YUV;CIE L*a*b 等。
一般来说,显示时采用 RGB 颜色模型,印刷用 CMYK 颜色模型,彩色全电视信号数字化
采用 YUV 颜色模型。为了便于彩色处理和识别,视觉系统又常采用 HSB 颜色模型。
3.1.1 视觉系统对颜色的感知
3.1.1 视觉系统对颜色的感知
眼睛看到的自然景观或图像,除了本身的特征外,还与一个重要的因素:颜色。
在同一种光线条件下,之所以会看到不同景物具有各种不同的颜色,这是因为物体的表面具
有吸收或反射不同光线的能力。
光不同,眼睛就会看到不同的色彩。色彩的发生,是光对人的视觉和大脑发生作用的结果,
是一种视知觉。由此看来,需要经过“光——眼——神经”的
过程才能见到色彩。
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当人的眼睛受到 380~780nm 范围内可见光谱的刺激以后,除了有亮度的反应外,同时产生
色彩的感觉。
3.1.1 视觉系统对颜色的感知
一般情况下光进入视觉通过以下三种形式:
(1)光源
光源发出的色光直接进入视觉,像霓虹灯、日光灯、蜡烛等的光线都可以直接进入视觉。
(2)透射光
光源穿过透明或半透明物体后再进入视觉的光线,称为透射光。透射光的亮度和颜色取决
于入射光穿过被透射物体之后所达到的光透射率及波长特征。
(3)反射光
反射光是光进入眼睛的最普遍的形式。在有光线照射的情况下,眼睛能看到的任何物体都
是该物体的反射光进入视觉所致。
3.1.2 RGB 颜色模型
颜色模型是用来描述人们能感知的和处理的颜色。RGB 颜色模型是颜色最基本的表示模型,
也是计算机系统彩色显示器采用的颜色模型。其中,R,G,B 分别代表红(Red)、绿
(Green)、蓝(Blue)三色。RGB 颜色模型通常用图 3-1 所示的单位立方体来表示。
图 3-1 RGB 立方体
3.1.2 RGB 颜色模型
RGB 颜色模型也称为加色模型,各种颜色由不同比例红、绿、蓝 3 种基本色的叠加而成。
当三基色按不同强度相加时得到的颜色称为相加色。任意颜色 F 的配色方程为:
F=r[R]+g[G]+b[G]
式子中 r[R]、g[G]、b[G]为 F 色的三色分量。
三基色相加的结果如图 3-2 所示。如果 r[R]、g[G]、b[G]三个分量各占一个字节(8 位),这
样共可表示 224=16 777 216 种颜色。
3.1.2 RGB 颜色模型
图 3-2 RGB 三基色叠加效果
3.1.3 CMYK 颜色模型
CMYK 模型以打印在纸上的油墨的光线吸收特性为基础。
当白光照射到半透明油墨上时,色谱中的一部分被吸收,而另一部分被反射回眼睛。哪些光
波反射到眼睛中,决定了人们能感知的颜色。
CMYK 模 型 中 也 定 义 了 颜 料 的 三 种 基 本 颜 色 ——青 色 (Cyan) 、 品 红 (Magenta) 和 黄 色
(Yellow)。在理论上说,任何一种颜色都可以用这三种基本颜料按一定比例混合得到。
由于所有打印油墨都包含一些杂质,因此这三种油墨实际生成土灰色,必须与黑色 (K) 油
墨合成才能生成真正的黑色
3.1.3 CMYK 颜色模型
与 RGB 模型相对,CMYK 模型被称为减色模型。
理论上,在相减混色中,等量黄色(Y)和品红(M)相减而青色(C)为 0 时,得到红色(R);等量
青色(C)和品红(M)相减而黄色(Y)为 0 时,得到蓝色(B);等量黄色(Y)和青色(C)相减而品红
(M)为 0 时,得到绿色(G)。100%的三种基本颜料合成将吸收所有颜色而生成黑色。这些三
基色相减结果如图 3-3 所示。
3.1.3 CMYK 颜色模型
图 3-3 CMYK 颜色模型减色效果
3.1.4 HSB 颜色模型
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RGB、CMY 都是硬件设备使用的颜色模型,比较而言,HSB 模型是面向用户的。
HSB 模型建立在人类对颜色的感觉基础之上。H 表示色调(也称色相)、S 表示饱和度、 B
表示亮度。
色调反映颜色的种类,如红色、橙色或绿色,是人们眼看一种或多种波长的光时产生的彩色
感觉。
饱和度是指颜色的深浅程度或纯度,即各种颜色混入白色的程度。要减少颜色的饱和度可在
该颜色中添加白色。对同一色调的光,饱和度越高则颜色越鲜艳或者说越纯。色调和饱和度
通常统称为色度。
亮度是颜色的相对明暗程度。HSB 颜色模型可用图 3-4 表示。
3.1.4 HSB 颜色模型
图 3-4 HSB 颜色模型
3.1.5 YUV 与 YIQ 颜色模型
彩色全电视信号采用 YUV 和 YIQ 模型表示彩色电视的图像。
不同的电视制式采用的颜色模型不同。我国和一些西欧国家采用 PAL 电视制式(在下一章
中有讲解),在 PAL 彩色电视制式中使用 YUV 模型,其中的 Y 表示亮度,UV 用来表示色
差,U、V 是构成彩色的两个分量;
在美国、加拿大等国采用的 NTSC 彩色电视制式中使用 YIQ 模型,其中的 Y 表示亮度,I、
Q 是两个彩色分量。
3.1.5 YUV 与 YIQ 颜色模型
采用 YUV 颜色模型的有两个优点。一个优点是解决了彩色电视与黑白电视的兼容问题。这
样使黑白电视能够接收彩色电视信号。
另一个优点是可以利用人眼的特性来降低数字彩色图像所需要的存储容量。一幅大小为 640
×480 像素的彩色图像,用 8:2:2YUV 格式(即 Y 分量用 8 位表示,而对每四个相邻像
素(2×2)的 U、V 值分别用相同的一个值表示)来表示,所需要的存储容量为 640*480*
(8+2+2)/8=460 800 字节。若采用 RGB 8∶8∶8 格式表示,所需要的存储容量为 640*480*
(8+8+8)/8=921 600 字节。
在我国的 PAL/D 制式中,亮度 Y 的带宽为 6MHz,色差 U、V 的带宽为 1.3MHz。
3.1.5 YUV 与 YIQ 颜色模型
IQ 颜色模型的 I、Q 与 YUV 模型的 U、V 虽也为色差信号,但它们在色度矢量图中的位置
却是不同的。Q、I 正交坐标轴与 U、V 正交坐标轴之间有 33o 夹角,如图 3-6 所示。
图 3-6 YUV 和 YIQ 彩色空间的关系
3.1.6 CIE L*a*b 颜色模型
L*a*b 颜色模型设计目的是为了得到不依赖于具体设备的颜色标准,从而在实际使用中不
论使用何种设备(如显示器、打印机、计算机或扫描仪)均能制作和输出完全一致的颜色。
L*a*b 颜色由亮度或光亮度分量 (L) 和两个色度分量组成:a 分量保存从绿色到红色所对应
的色彩信息;b 分量保存从蓝色到黄色所对应的色彩信息,如图 3-7 所示。单个 a 或 b 无意
义,只有 a,b 结合才有意义。
3.1.6 CIE L*a*b 颜色模型
图 3-7 L*a*b* 模型
3.2 彩色空间的线性变换
3.2 彩色空间的线性变换
3.2.1 YUV 与 RGB 彩色空间变换
3.2.2 YIQ 与 RGB 彩色空间变换
3.2.3 HSI(HSB)与 RGB 之间的转换
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3.2.4 YCrCb 与 RGB 彩色空间变换
3.2.1 YUV 与 RGB 彩色空间变换
在考虑人的视觉系统和阴极射线管(CRT)的非线性特性之后,RGB 和 YUV 的对应关系可以
近似地用下面的方程式表示:
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
U = - 0.147R - 0.289G + 0.436B
V = 0.615R - 0.515G - 0.100B
R = Y - 0.001U + 1.402V
G = Y - 0.344U - 0.714V
B = Y + 1.772U + 0.001V
3.2.1 YUV 与 RGB 彩色空间变换
或者写成矩阵的形式,
3.2.2 YIQ 与 RGB 彩色空间变换
Y、U、V 到 Y、I、Q 的转换,只是将其中的色度坐标作 33o 旋转。因此,RGB 和 YIQ 的
转换方程式可由上面方程间接推得:
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
I = 0.596R - 0.275G - 0.321B
Q = 0.212R - 0.523G + 0.311B
或者写成矩阵的形式:
3.2.3 HSI(HSB)与 RGB 之间的转换
HSB 和 RGB 的对应关系用下面的方程式表示:
I = (R + G + B) / S
H = 1/360{90-Arctan{(2R-G-B)/((G-B))}+{0,G>B;180,G<B}}
S = 1-[min(R,G,B)/I
3.2.4 YCrCb 与 RGB 彩色空间变换
YCrCb 与 YUV 的定义基本上是相同的,但应用有所不同。YUV 适用于 PAL 和 SECAM 彩
色电视制式的模拟视频图像的表示,而 YCrCb 则适用于数字电视以及计算机用数字视频图
像的表示。数字域中的彩色空间变换与模拟域的彩色空间变换不同,YCrCb 与 RGB 空间的
转换关系如下:
Y=0.299R+0.578G+0.114B
Cr=(0.500R-0.4187G-0.0813B)+128
Cb=(-0.1687R-0.3313G+0.500B)+128
3.2.4 YCrCb 与 RGB 彩色空间变换
或者写成矩阵的形式:
RGB 与 YCrCb 之间的变换关系可写成如下的形式:
3.3 图像的基本属性及种类
3.3 图像的基本属性及种类
3.3.1 分辨率
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