第5章彩色数字图像基础 冰水水冰本水冰水水水冰水水水本水冰本客*冰水水水水冰本水冰水水水水水水冰本冰客水冰水水水冰客水冰本水水水水水冰水水冰本水冰水水水水水水水*客 5.1视角系统对颜色的感知 5.2图像的颜色模型 5.2.1显示彩色图像用RGB相加混色模型 5.2.2打印彩色图像用CMY相减混色模型 5.3图像的三个基本属性 5.3.1分辨率 5.3.2像素深度 5.3.3真彩色、伪彩色与直接色 5.4图像的种类 5.4.1矢量图与点位图 5.4.2灰度图与彩色图 5.5伽马qy)校正 的概念 5.5.2y校正 5.6JPEG压缩编码 5.6.1JPEG算法概要 5.6.2JPEG算法的主要计算步骤 5.6.3应用JPEG算法举例 5.7图像文件格式 5.7.1BMP文件格式 5.7.2GIF文件格式 5.7.3JPEG格式 5.7.4PNG格式 5.8图像文件后缀一览表 练习与思考题 参考文献和站点 水水水本水水水水水冰客*水冰*客水水水水冰水客水冰水水水水水水水水*水冰水水水冰冰水冰水水冰水水水水水水水冰水本水冰水水水水冰冰 图像是多媒体中携带信息的极其重要的媒体,有人发表过统计资料,认为人们获取的信 息的70%来自视觉系统,实际就是图像和电视。但是,图像数字化之后的数据量非常大,在 因特网上传输时很费时间,在盘上存储时很占“地盘”,因此就必须要对图像数据进行压缩 压缩的目的就是要满足存储容量和传输带宽的要求,而付出的代价是大量的计算。几十年来, 许多科技工作者一直在孜孜不倦地寻找更有效的方法,用比较少的数据量表达原始的图像。 图像数据压缩主要是根据下面两个基本事实来实现的。一个事实是图像数据中有许多重 复的数据,使用数学方法来表示这些重复数据就可以减少数据量:另一个事实是人的眼睛对 图像细节和颜色的辨认有一个极限,把超过极限的部分去掉,这也就达到压缩数据的目的 利用前一个事实的压缩技术叫做无损数据压缩技术,利用后一个事实的压缩技术叫做有损压 缩技术。实际的图像压缩是综合使用各种有损和无损数据压缩技术来实现的 本章将介绍表示数字彩色图像所需要的基本知识、使用得相当广泛的JPEG压缩标准和图 像文件的存储格式。在介绍过程中,要涉及到有关颜色的度量和颜色空间的转换问题,这些 比较深入的问题将在第6章“颜色的度量体系”和第7章“颜色空间变换”中作比较详细的介 绍。读者也可先看这两章的内容,然后再阅读这章的内容
第5章 彩色数字图像基础 *************************************************************************** 5.1 视角系统对颜色的感知 5.2 图像的颜色模型 5.2.1 显示彩色图像用RGB相加混色模型 5.2.2 打印彩色图像用CMY相减混色模型 5.3 图像的三个基本属性 5.3.1 分辨率 5.3.2 像素深度 5.3.3 真彩色、伪彩色与直接色 5.4 图像的种类 5.4.1 矢量图与点位图 5.4.2 灰度图与彩色图 5.5 伽马( )校正 5.5.1 γ的概念 5.5.2 γ校正 5.6 JPEG压缩编码 5.6.1 JPEG算法概要 5.6.2 JPEG算法的主要计算步骤 5.6.3 应用JPEG算法举例 5.7 图像文件格式 5.7.1 BMP文件格式 5.7.2 GIF文件格式 5.7.3 JPEG格式 5.7.4 PNG格式 5.8 图像文件后缀一览表 练习与思考题 参考文献和站点 *************************************************************************** 图像是多媒体中携带信息的极其重要的媒体，有人发表过统计资料，认为人们获取的信 息的70％来自视觉系统，实际就是图像和电视。但是，图像数字化之后的数据量非常大，在 因特网上传输时很费时间，在盘上存储时很占“地盘”，因此就必须要对图像数据进行压缩。 压缩的目的就是要满足存储容量和传输带宽的要求，而付出的代价是大量的计算。几十年来， 许多科技工作者一直在孜孜不倦地寻找更有效的方法，用比较少的数据量表达原始的图像。 图像数据压缩主要是根据下面两个基本事实来实现的。一个事实是图像数据中有许多重 复的数据，使用数学方法来表示这些重复数据就可以减少数据量；另一个事实是人的眼睛对 图像细节和颜色的辨认有一个极限，把超过极限的部分去掉，这也就达到压缩数据的目的。 利用前一个事实的压缩技术叫做无损数据压缩技术，利用后一个事实的压缩技术叫做有损压 缩技术。实际的图像压缩是综合使用各种有损和无损数据压缩技术来实现的。 本章将介绍表示数字彩色图像所需要的基本知识、使用得相当广泛的JPEG压缩标准和图 像文件的存储格式。在介绍过程中，要涉及到有关颜色的度量和颜色空间的转换问题，这些 比较深入的问题将在第6章“颜色的度量体系”和第7章“颜色空间变换”中作比较详细的介 绍。读者也可先看这两章的内容，然后再阅读这章的内容
第5章彩色数字图像基础 5.1视角系统对颜色的感知 人们认为颜色是视觉系统对可见光的感知结果。可见光是波长在380mm~780m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。人们 在研究眼睛对颜色的感知过程中普通认为,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,另外还有一种在光功率极端低的条件下才起作用的杆状体细胞,因此颜色只 存在于眼睛和大脑。在计算机图像处理中,杆状细胞还没有扮演什么角色。 人的视觉系统对颜色的感知可归纳出如下几个特性 1.眼睛本质上是一个照相机。人的视网膜( human retina)通过神经元来感知外部世界 的颜色,每个神经元或者是一个对颜色敏感的锥体(cone),或者是一个对颜色不敏 感的杆状体(rod) 2.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。这就意味着,人们可以使用数字图像处理技术来降低表示图像的数据量而 不使人感到图像质量明显下降 3.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,它们构成一个 3维的RGB矢量空间。这就是说,R,G,B的数值不同,混合得到的颜色就不同,也 就是光波的波长不同。 5.2图像的颜色模型 颜色模型( color model)是用简单方法描述所有颜色的一套规则和定义,例如RGB,CMY, YCrCb等都是表示颜色的颜色模型 5.2.1显示彩色图像用RGB相加混色模型 个能发出光波的物体称为有源物体,它的颜色由该物体发出的光波决定,并且使用RGB 相加混色模型。电视机和计算机显示器使用的阴极射线管( cathode ray tube,CRT)就是 个有源物体。CRT使用3个电子枪分别产生红(Red)、绿( Green)和蓝(Blue)三种波长的光,并 以各种不同的相对强度综合起来产生颜色,如图5-01所示。组合这三种光波以产生特定颜色 就叫做相加混色,因为这种相加混色是利用R,G和B颜色分量产生颜色,所以称为RGB相加混 色模型。相加混色是计算机应用中定义颜色的基本方法。 ··· 000 电子枪 00000 0●00●● 掩蔽罩 0000000 荧光涂层屏幕 图5-01彩色显像产生颜色的原理 从理论上讲,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。三种颜色的光 强越强,到达我们眼睛的光就越多,它们的比例不同,我们看到的颜色也就不同,没有光到 达眼睛,就是一片漆黑。当三基色按不同强度相加时,总的光强增强,并可得到任何一种颜 色。某一种颜色和这三种颜色之间的关系可用下面的式子来描述 颜色=R(红色的百分比)+G(绿色的百分比)+B(蓝色的百分比)
第5章 彩色数字图像基础 2 5.1 视角系统对颜色的感知 人们认为颜色是视觉系统对可见光的感知结果。可见光是波长在380 nm～780 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。人们 在研究眼睛对颜色的感知过程中普通认为，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，另外还有一种在光功率极端低的条件下才起作用的杆状体细胞，因此颜色只 存在于眼睛和大脑。在计算机图像处理中，杆状细胞还没有扮演什么角色。 人的视觉系统对颜色的感知可归纳出如下几个特性： 1. 眼睛本质上是一个照相机。人的视网膜(human retina)通过神经元来感知外部世界 的颜色，每个神经元或者是一个对颜色敏感的锥体(cone)，或者是一个对颜色不敏 感的杆状体(rod)。 2. 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。这就意味着，人们可以使用数字图像处理技术来降低表示图像的数据量而 不使人感到图像质量明显下降。 3. 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，它们构成一个 3维的RGB矢量空间。这就是说，R，G，B的数值不同，混合得到的颜色就不同，也 就是光波的波长不同。 5.2 图像的颜色模型 颜色模型(color model)是用简单方法描述所有颜色的一套规则和定义，例如RGB，CMY， YCrCb等都是表示颜色的颜色模型。 5.2.1 显示彩色图像用RGB相加混色模型 一个能发出光波的物体称为有源物体，它的颜色由该物体发出的光波决定，并且使用RGB 相加混色模型。电视机和计算机显示器使用的阴极射线管(cathode ray tube，CRT)就是一 个有源物体。CRT使用3个电子枪分别产生红(Red)、绿(Green)和蓝(Blue)三种波长的光，并 以各种不同的相对强度综合起来产生颜色，如图5-01所示。组合这三种光波以产生特定颜色 就叫做相加混色，因为这种相加混色是利用R，G和B颜色分量产生颜色，所以称为RGB相加混 色模型。相加混色是计算机应用中定义颜色的基本方法。 图5-01 彩色显像产生颜色的原理 从理论上讲，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。三种颜色的光 强越强，到达我们眼睛的光就越多，它们的比例不同，我们看到的颜色也就不同，没有光到 达眼睛，就是一片漆黑。当三基色按不同强度相加时，总的光强增强，并可得到任何一种颜 色。某一种颜色和这三种颜色之间的关系可用下面的式子来描述： 颜色＝R(红色的百分比)＋G(绿色的百分比)＋B(蓝色的百分比)
第5章彩色数字图像基础 当三基色等量相加时,得到白色:等量的红绿相加而蓝为0值时得到黄色;等量的红蓝 相加而绿为0时得到品红色:等量的绿蓝相加而红为0时得到青色。这些三基色相加的结果如 图5-02所示 绿 白 红{品红)蓝 图5-02相加混色 幅彩色图像可以看成由许多的点组成的,如图5-03所示。图像中的单个点称为像素 ( pixel),每个像素都有一个值,称为像素值,它表示特定颜色的强度。一个像素值往往用R, G,B三个分量表示。如果每个像素的每个颜色分量用二进制的1位来表示,那末每个颜色的 分量只有“1”和“0”这两个值。这也就是说,每种颜色的强度是100%,或者是0%。在这种 情况下,每个像素所显示的颜色是8种可能出现的颜色之一,如表5-01所示。 图5-03一幅图像由许多像素组成 表5-01相加色 RGB 颜色 010 011 蓝绿青红招黄 l11 对于标准的电视图形阵列( Video graphics array,WGA)适配卡的16种标准颜色,其对 应的R,G,B值如表5-02所示。在 Microsoft公司的 Windows中,用代码0~15表示。在表中
第5章 彩色数字图像基础 3 当三基色等量相加时，得到白色；等量的红绿相加而蓝为0值时得到黄色；等量的红蓝 相加而绿为0时得到品红色；等量的绿蓝相加而红为0时得到青色。这些三基色相加的结果如 图5-02所示。 图5-02 相加混色 一幅彩色图像可以看成由许多的点组成的，如图5-03所示。图像中的单个点称为像素 (pixel)，每个像素都有一个值，称为像素值，它表示特定颜色的强度。一个像素值往往用R， G，B三个分量表示。如果每个像素的每个颜色分量用二进制的1位来表示，那末每个颜色的 分量只有“1”和“0”这两个值。这也就是说，每种颜色的强度是100%，或者是0%。在这种 情况下，每个像素所显示的颜色是8种可能出现的颜色之一，如表5-01所示。 图5-03 一幅图像由许多像素组成 表5-01相加色 RGB 颜色 000 黑 001 蓝 010 绿 011 青 100 红 101 品红 110 黄 111 白 对于标准的电视图形阵列(Video graphics array，VGA)适配卡的16种标准颜色，其对 应的R，G，B值如表5-02所示。在Microsoft公司的Windows中，用代码0～15表示。在表中
第5章彩色数字图像基础 代码1~6表示的颜色比较暗,它们是用最大光强值的一半产生的颜色:9~15是用最大光强 值产生的 表5-0216色WG调色板的值 160 00黑(Back) 60蓝(Bue) 240 0绿( Green) 200 240 60品红( Magenta) 128 240 60褐色( Dark yellow) 192 192 160 180白( Light gray) 128128 160 120淡蓝 (Light blue 255 120淡绿( Light green) 255 240 120淡青( Light cyan) 240 120淡红( Light Red 13 255 200 240 120淡品红 (Light 240 120黄( (yellow) 15255 240高亮白( Bright white 在表5-02中,每种基色的强度是用8位表示的,因此可产生22=16777216种颜色。但实 际上要用一千六百多万种颜色的场合是很少的。在多媒体计算机中,除用RGB来表示图像之 外,还用色调-饱和度-亮度(hue- saturation- lightness,HSL)颜色模型 在HSL模型中,H定义颜色的波长,称为色调:S定义颜色的强度( intensity),表示颜色 的深浅程度,称为饱和度;L定义掺入的白光量,称为亮度。用HSL表示颜色的重要性,是因 为它比较容易为画家所理解。若把S和L的值设置为1,当改变H时就是选择不同的纯颜色:减 小饱和度S时,就可体现掺入白光的效果:降低亮度时,颜色就暗,相当于掺入黑色。因此 在 Windows中也用了HSL表示法,16色VGA调色板的值也表示在表5-02中。 5.2.2打印彩色图像用OM相减混色模型 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,用 OMY相减混色模型。用彩色墨水或颜料进行混合,绘制的图画就是一种无源物体,用这种方 法生成的颜色称为相减色。在理论上说,任何一种颜色都可以用三种基本颜料按一定比例混 合得到。这三种颜色是青色(Cyan)、品红( Magenta)和黄色( Yellow),通常写成CMY,称为CMY 模型。用这种方法产生的颜色之所以称为相减色,乃是因为它减少了为视觉系统识别颜色所 需要的反射光 在相减混色中,当三基色等量相减时得到黑色: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)。三基色相减结果如图5-04所示
第5章 彩色数字图像基础 4 代码1～6表示的颜色比较暗，它们是用最大光强值的一半产生的颜色；9～15是用最大光强 值产生的。 表5-02 16色VGA调色板的值 代码 R G B H S L 颜色 0 0 0 0 160 0 0 黑(Black) 1 0 0 128 160 240 60 蓝(Blue) 2 0 128 0 80 240 60 绿(Green) 3 0 128 128 120 240 60 青(Cyan) 4 128 0 0 0 240 60 红(Red) 5 128 0 128 200 240 60 品红(Magenta) 6 128 128 0 40 240 60 褐色(Dark yellow) 7 192 192 192 160 0 180 白(Light gray) 8 128 128 128 160 0 120 深灰(Dark Gray) 9 0 0 255 160 240 120 淡蓝(Light blue) 10 0 255 0 80 240 120 淡绿(Light green) 11 0 255 255 120 240 120 淡青(Light cyan) 12 255 0 0 0 240 120 淡红(Light Red) 13 255 0 255 200 240 120 淡品红(Light Magenta) 14 255 255 0 40 240 120 黄(yellow) 15 255 255 255 160 0 240 高亮白(Bright white) 在表5-02中，每种基色的强度是用8位表示的，因此可产生2 24=16 777 216种颜色。但实 际上要用一千六百多万种颜色的场合是很少的。在多媒体计算机中，除用RGB来表示图像之 外，还用色调-饱和度-亮度(hue-saturation-lightness，HSL)颜色模型 在HSL模型中，H定义颜色的波长，称为色调；S定义颜色的强度(intensity)，表示颜色 的深浅程度，称为饱和度；L定义掺入的白光量，称为亮度。用HSL表示颜色的重要性，是因 为它比较容易为画家所理解。若把S和L的值设置为1，当改变H时就是选择不同的纯颜色；减 小饱和度S时，就可体现掺入白光的效果；降低亮度时，颜色就暗，相当于掺入黑色。因此 在Windows中也用了HSL表示法，16色VGA调色板的值也表示在表5-02中。 5.2.2 打印彩色图像用CMY相减混色模型 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，用 CMY相减混色模型。用彩色墨水或颜料进行混合，绘制的图画就是一种无源物体，用这种方 法生成的颜色称为相减色。在理论上说，任何一种颜色都可以用三种基本颜料按一定比例混 合得到。这三种颜色是青色(Cyan)、品红(Magenta)和黄色(Yellow)，通常写成CMY，称为CMY 模型。用这种方法产生的颜色之所以称为相减色，乃是因为它减少了为视觉系统识别颜色所 需要的反射光。 在相减混色中，当三基色等量相减时得到黑色；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)。三基色相减结果如图5-04所示
第5章彩色数字图像基础 黄 绿 红 黑 青\蓝/品红 品红 图5-04相减混色 彩色打印机采用的就是这种原理,印刷彩色图片也是采用这种原理。按每个像素每种颜 色用1位表示,相减法产生的8种颜色如表5-03所示。由于彩色墨水和颜料的化学特性,用等 量的三基色得到的黑色不是真正的黑色,因此在印刷术中常加一种真正的黑色( black ink) 所以CMY又写成CMYK。 表5-03相减色 青色 黄色 相减色 100 0101010 红青绿蓝黑 相加色与相减色之间有一个直接关系,如表5-04所示。利用它们之间的关系,可以把显 示的颜色转换成输出打印的颜色。相加混色和相减混色之间成对出现互补色。例如,当RGB 为1:1:1时,在相加混色中产生白色,而CMY为1:1:1时,在相减混色中产生黑色。从另 个角度也可以看它们的互补性。从表5-04中可以看到,在RGB中的颜色为1的地方,在CMY 对应的位置上,其颜色值为0。例如RGB为0:1:0时,对应CMY为1:0:1 表5-04相加色与相减色的关系 相加混色 相减混色 生成的颜色 000 110 010 101 011 100 011 101 010 110 111
第5章 彩色数字图像基础 5 图5-04 相减混色 彩色打印机采用的就是这种原理，印刷彩色图片也是采用这种原理。按每个像素每种颜 色用1位表示，相减法产生的8种颜色如表5-03所示。由于彩色墨水和颜料的化学特性，用等 量的三基色得到的黑色不是真正的黑色，因此在印刷术中常加一种真正的黑色(black ink)， 所以CMY又写成CMYK。 表5-03 相减色 青色 品红 黄色 相减色 0 0 0 白 0 0 1 黄 0 1 0 品红 0 1 1 红 1 0 0 青 1 0 1 绿 1 1 0 蓝 1 1 1 黑 相加色与相减色之间有一个直接关系，如表5-04所示。利用它们之间的关系，可以把显 示的颜色转换成输出打印的颜色。相加混色和相减混色之间成对出现互补色。例如，当RGB 为1∶1∶1时，在相加混色中产生白色，而CMY为1∶1∶1时，在相减混色中产生黑色。从另 一个角度也可以看它们的互补性。从表5-04中可以看到，在RGB中的颜色为1的地方，在CMY 对应的位置上，其颜色值为0。例如RGB为0∶1∶0时，对应CMY为1∶0∶1。 表5-04 相加色与相减色的关系 相加混色 相减混色 生成的颜色 RGB CMY 000 111 黑 001 110 蓝 010 101 绿 011 100 青 100 011 红 101 010 品红 110 001 黄 111 000 白