彩色数字图像基础知识

彩色数字图像基础四川大学计算机学院陈虎视觉系统对颜色的感知颜色是什么视觉系统对可见光的感知结果可见光是波长在380～780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，因此有多种颜色的感觉颜色只存在于眼睛和大脑，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（约有600万到700万个，主要位于视网膜的中间部分）杆状体细胞在光功率极低的条件下才起作用（约7500万到15000万个，分布在视网膜表面）在计算机图像处理中，锥体细胞扮演重要角色视觉系统对颜色的感知视觉系统对颜色的感知特性眼睛本质上是一个照相机人的视网膜()通过神经元感知外部世界的颜色，每个神经元是一个对颜色敏感的锥体()

视觉系统对颜色的感知红、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有明显下降。从理论上说，自然界中的任何一种颜色都可以由R，G，B这三种颜色值之和来确定，它们构成一个三维的矢量空间这就是说，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视觉系统对颜色的感知视觉系统对颜色和亮度的响应特性曲线（各个波长的光的强度相等）视觉系统对颜色的感知上面的颜色响应曲线表明，人类眼睛对蓝光的灵敏度远远低于对红光和绿光的灵敏度。亮度响应曲线表明人眼对波长为550左右的黄绿色最为敏感。视觉系统对颜色的感知许多具有不同光谱分布的光产生的视觉效果（颜色）是一样的。即光谱与颜色的对应是多对一的。光谱分布不同而看上去相同的两种颜色称为条件等色（匹配等色）。绝大部分可见光谱对眼睛的刺激效果都可以用红（700）、绿（546.1）、蓝（435.8）三色光按不同比例和强度的混合来等效表示。（三刺激理论）视觉系统对颜色的感知匹配任意可见光所需的三原色光比例曲线视觉系统对颜色的感知从人的主观感觉角度，颜色包含三个要素：1、色调（）：色调反映颜色的类别，如红色、绿色、蓝色等。色调大致对应光谱分布中的主波长。视觉系统对颜色的感知2、饱和度（）饱和度是指彩色光所呈现颜色的深浅或纯洁程度。对于同一色调的彩色光，其饱和度越高，颜色就越深，或越纯；而饱和度越小，颜色就越浅，或纯度越低。高饱和度的彩色光可因掺入白光而降低纯度或变浅，变成低饱和度的色光。100%饱和度的色光就代表完全没有混入白光的纯色光。视觉系统对颜色的感知3、明亮度（）明亮度是光作用于人眼时引起的明亮程度的感觉。一般来说，彩色光能量大则显得亮，反之则暗。大量试验表明，人的眼睛能分辨128种不同的色调，10－30种不同的饱和度，而对亮度非常敏感。人眼大约可以分辨35万种颜色。人的主观感觉人的视觉系统能够适应光强度的级别的范围是很宽的，由夜视阈值到强闪光之间的光强度的级别约为1010级；背景亮度会影响到对目标亮度的感觉；同时对比度（）在相同亮度的刺激下,由于背景亮度不同,人眼所感受到的主观亮度不同颜色模型颜色模形型（匪）是用斤来精确患标定和众生成各琴种颜色耍的一套蹄规则和棕定义。较某种颜曲色模型究所标定别的所有以颜色就外构成了撕一个颜炼色空间泊。颜色空间盘通常用三着维模型表警示，空间推中的颜色方通常使用瓶代表三个企参数的三崖维坐标来各指定对于人虽来说，宏可以通槽过色调船、饱和边度和亮称度来定丝式义颜色蚂（颜色斧模型）望；对于铺显示设督备来说铸，可以肯用红、元绿、蓝珠磷光体葱的发光响量来描送述颜色让（颜色铜模型）悦；对于揭打印设喇备来说句，可以屿使用青奇色、品兰红、黄趁色和黑坡色颜料血的用量循来指定阶颜色（皱颜色模辛型）。颜色模型显示彩色鬼图像用相来加混色模济型一个能腹发出光影波的物狱体称为予有源物唇体，它虾的颜色盟由该乏物体发仆出的光弦波决定使用3个桥电子枪分驼别产生红荣()、绿德()和蓝坊()三瘦种波长的殃光，如图侧4-1所捞示，并以巨各种不同槽的相对强蛛度组合慰产生不同灭的颜色颜色模重型相加混色遮模型组合红虫、绿和佩蓝光波剧来产生处特定颜董色的方烧法叫做仇相加混堤色法支(赵)，另即相加膨混色模端型相加混寸色是计阶算机应梁用中定续义颜色胃的基本礼方法任何一旬种颜色田都可用矮三种基锦本颜色矮按不同纤的比例搁混合禽得到颜色＝R贷(红的百辫分比)＋欣G(绿的拐百分比)鬼＋B(蓝器的百分比容)颜色模型三种颜色茫的光强越芽强，到达乐我们眼睛趋的光就越泥多，它们凝的比例不矛同，我们孟看到的颜欺色也就不工同。没有布光到达眼玩睛，就是丸一片漆黑当三基色赵等量相加胁时，得到慌白色；等番量的红绿秃相加而蓝哲为0时得放到黄色；羊等量的红唉蓝相加而薯绿为0时帜得到品红寻色；等量榴的绿蓝相牺加而红为蚀0时得到棉青色。颜色模型彩色图常像一幅彩粱色图像蛙可以看乖成是由担许多的锐点组成挺的图像中暗的单个议点称为兆像素(懂)，每主个像素午都有一播个值，碎称为职像素值续，它表姥示特定蚕颜色的猾强度颜色模联型一个像猪素值通射常用R饮，G，古B三个乡丰分量表丸示。如座果每个嫌像素呈的每个孩颜色分胆量“1摔”和“破0”表香示，即劈燕每种颜说色的强偶度是1链00%禾或0传%，每直个像素讽显示的暑颜色是底8种颜鸣色之一搅。颜色模型打印彩色悉图像用相微减混色模凳型用这种食方法产原生的颜超色之所鸦以称为塞相减混荒色，是戚因为斩它减少格了为视袍觉系统助识别颜博色所需孕要的反旋射光一个不发归光波的物且体称为无之源物体，吴它的颜色旨由该物爽体吸收或宝者反射哪春些光波决错定用夏用彩色墨凑水或颜料刮进行混合融，绘制的江图画是一档种无源物轮体，用赶这种方法年生成的颜产色称为相锅减色颜色模型相减混执色模型用三种基夫本颜色即券青色()吴、品红(隶)和黄色直()的撕颜料按一添定比例混临合得到颜尖色的方法蜓，通常写狗成，称奋为模型从理论绵上说，扬任何一捡种颜色弹都可以英用青色潮()、略品红廉()和升黄色(货)混合恶得到实际上，太因为所有轧打印油墨邻都会包含脾一些杂质抄，这三种精油墨混合表实际上产伶生一种土权灰色，必嫂须与黑色跟(K)义油墨混稿合才能产史生真正的船黑色，所禁以再加入幼黑色作为探基本色形已成颜色模熊型。颜色模型在相减剥混色中棒，三基药色相减狡结果如肤下颜色模型按每个像蔽素每种颜粘色用1位截表示，相厘减法产生促的8种友颜色如下骑所示相加色与砌相减色的侮关系相加色扁与相减茄色是互盾补色相加混色苦和相减混猎色之间成危对出现互曾补色,利用它复们之间刮的关系踏，可把添显示的嫁颜色转削换成打泽印的颜著色在中的颜渡色值为1乡丰的地方，域在对应的握位置上，株其颜色过值为0。笛例如，为送0∶1∶辫0时，对斧应为1∶寨0∶1相加色与敌相减色的街关系相加色攻与相减醋色模型到模而型的转换分色算暂法（F夸代表白身色）彩色空间励和彩色空买间彩色空间搜和彩色空挨间的表示租法颜色模型模型是提叔出的，摊它反映了广人的视觉唯系统观察制彩色的方话式，在艺垂术上经常舱使用模型放。模型中，配H表示色悟调()，跪S表示饱嚷和度()翼，I表武示亮度(温，对应成促像亮度和庸图像灰度千)。这个模型疼的建立基念于两个重合要的事实租：①I分室量与图像霞的彩色信尸息无关；②H和绳S分量与提人感受颜袄色的方式芹是紧密相涝联的。这些特歼点使得策模型非接常适合部借助人张的视觉懂系统来旁感知彩役色特性吹的图像砍处理算栽法。颜色模型格式格式色相环可描述了检色相和值饱和度可两个参壮数。色日相由角规度表示并，它反使映了该激彩色最宿接近什命么样的躺光谱波它长。一添般假定燥0°表五示的颜杜色为红赏色，缺120聪°的为扑绿色，仔240核°的为揪蓝色。赶0°到摔240困°的色谷相覆盖稿了所有犁可见光衰谱的彩絮色，在拉240起°到3糖00°负之间为倒人眼可籍见的非羊光谱色停（紫色芬）。饱和度播是指一帝个颜色兼的鲜明浮程度，价饱和度押越高，熊颜色越陷深，新如深红课，深绿拉。饱和壳度参数风是色环命的原点颂（圆心判）到彩圈色点的血半径的饺长度。胆由色相鸦环可以爷看出，恢环的边跨界上纯汤的或饱筒和的颜窝色，缩慧其饱和磨度值为间1。在缠中心是博中性（农灰色）胳阴影，苍饱和猎度为0刃。格式转其中R、怠G、B均缝介于[0旋，1]转1、当H兼落在[0倡度，12态0度]时转2、当H种落在[1铜20度，絮240度殃]时转3、当壁H落在俘[24雁0度，档360浮度]时转和和彩色图颜色输赠入图像的种台类矢量图戴（）根据数学贪规则描述载而生成的贺图一幅图用两数学描述火的点、线毯、弧、曲捞线、多边侵形和其他颈几何实寄体和几何眼位置来表饶示，创建蔬的图是对很象的集合之而不是点察或像素模候式的图绘制和显飞示矢量图缺的软件通晚常称为绘抱图程序(镇)；存摧放矢量图墨的存储格价式称为矢蚕量图格式想；存储伶的数据主挑要是绘制邀图形的数守学描述图像的种均类优点目标图像柱的移动、晕缩小或放浓大、旋转稳、拷贝、然属性(如猫线条变叠宽变细、武颜色)变仗更都很容李易做到相同或类桑似的图可霜以把它们厕当作图的啊构造块，罚并把它们乳存到图由库中，这貌样不仅可引加速矢量防图的生成蹲，而且可准减小矢债量图的文搁件大小局限性很难用数莫学方法来康描述真实拾世界的彩主照，这就锡要用位图挥法表示图像的种糕类位图（，抬）用像素惨值阵列辫表示的如图对位图个进行操嫌作时，肯只能对乌图中的灯像素进沾行操作冷，而不叮能把冈位图中御的物体班作为独岩立实体需进行操折作。也挂称光栅典图(先)画位图或膝编辑位图烟的软件称梳为画图程碌序()界；存放蝇位图的格雅式称为位火图格式；估存储的内咏容是描述傅像素的折数值图像的她种类矢量图声与位图矢量图点位图图像的镇种类特性位图的获罢取通常用袜扫描仪、刮数码相机之、摄像机甚、录像机纽奉、视像阿光盘和相须关的数字尺化设备位图文件萌占据的存芒储空间比泼较大影响位图怨文件大小粥的因素图像分辨卫率：分辨欺率越高，起表示组成己一幅图的技像素就越天多，图潮像文件就凤越大像素深票度：像朋素深度让越深，羊表达单姑个像素番的颜色垫和亮度亮的位提数越多斧，图像夏文件就象越大图像的种笑类图形图故像(蓄)表示图形香的位图，凑即用矢量根图表示的仙图形转呆换成用像桨素表示的滋图像也称矢量俘图像(迁)用像素值吗阵列表示浸的位图纤边沿较光吓滑；用始矢量图转黄换成的位歌图边沿较垦粗糙图像的脉种类灰度图廊(或测)只有明暗塑不同的像影素而没有航彩色像素政组成的图羊像只有黑售白两种妙颜色的谨图像称艘为单色兽图像(减)，喷每个像怎素的像跑素值用细一位存稍储，其川值是“畜0”或饥“1”一般灰度却图用一个摄字节表示灭一个像素诉的(2僻56级灰窗度)，惜一幅64宋0×48夺0的灰度滚图像需要品占据30框0的存技储空间图像的坚种类标准单色扔图烧标准灰葛度图图像的旺种类彩色图苏像(趣)每个像素刻包含颜色勿信息的图乓像。可按照颜辣色的数目赔划分256边色图像蝴：每个蜻像素的挪R、G常和B值洞用一个猾字节沟来表示仆，一幅表640炕×48滥0的彩始色图像捡需要3条00到的存储痕空间真彩色盗图像：文每个像侮素的R阅，G，锅B分量还分别用糊一个机字节表裙示，一欠幅64详0×4欺80的影真彩色模图像需柳要90俘0的笔存储武空间图像的随种类256色消标准图像窃2体4位标准乌图像图像的种底类分辨率屏幕分获辨率(喉)或。衡量显量示设备吨再现图朋像时所毛能达到颜的精细筛程度的钩度量方罢法。讯也称显俱示分辨惯率用“水嗓平像素匙数×垂裹直像素烛数”表积示，如悲640脊×48吨0表示轨显示限屏分成五480龟行，每厚行显示元640育个像素距，整个笨显示屏膀含有安307误200牢个显像贯点常见咬的屏幕分尖辨率:犹640×达480，惰800×跃600，上1024蚊×768盗，12帮80×1稳024传统电视乏屏幕的宽消高比为4宪:3；高谁清晰度电陈视屏幕的回宽高比朱为16∶寸9图像的属鸟性图像分辨呼率()蹲。图像精细境程度的度魂量方法。酒对同样尺米寸的一幅鬼图，如果社像素数怀目越多，毫则说明图家像的分辨稳率越高，级看起来就必越逼真。恩相反，小图像显得恶越粗糙图像分辨领率也称空俭间分辨率侨()和揪像素分辨纤率(竭)图像分饶辨率与层屏幕分午辨率是且两个不锁同的概政念从行列盾像素角啊度看，卸图像分激辨率是壤构成一裤幅图像合的像素块数目猜，而屏重幕分辨咽率是显迟示图像美的区域符大小图像的何属性在图像般显示应靠用中的忧图像分脸辨率表如示法(1)穿物理尺寸青：每毫米颈线数(或植行数)(2)侧行列像素戴：像素/并行×行/胜幅，如6合40像素存/行×4学80行/拜幅(3)盛像素赴总数：悠如数码兆相机上晶标的5录00万粪像素(4)钞单位狠长度上坡的像素垒：如像绝素每英腐寸(痒，)(5)李线对(刻)数：以臣黑白相邻西的两条线裳为一对，路如5对线图像数字载化和打印疯应用中的寒图像分辨令率表示法辉。通常用蛇多少点着每英寸虎(棒，)表探示，如奋300分辨率越赶高，图像括质量就越亮高，像素诸就越多，趟要求存储预容量就断越大图像的脸属性像素深腿度与阿墓尔法(渔α)通撕道存储每个涂像素所用柱的位数例如，用钓R，G，飞B三个分加量表示的塞彩色图像脊，若每个均分量用8敌位表示烤，那么一皇个像素共刑用24位效表示，就漆说像素深渔度为24熟位像素深度静决定彩色恢图像的每枣个像素可劫能有的颜停色数，处或者确定押灰度图像麻的每个像帖素可能有找的灰度级仙数例如，像洒素深度为示24位时佛，每个像源素可以是骡224=构167区772页16种蜡颜色中的注一种图像的梦属性像素深详度越深槐，表达抬的颜色愁数目就京越多，虫所占用蛛的存姓储空间诞也越大絮。相反仙，如果汉像素深育度太浅趁，则影锤响图像分的质量灶，图像乒看起来氧让人觉宽得很粗护糙和很味不自然由于受膨到设备冷和人眼基分辨率颤的限制抗，不一另定要追社求特叼别深的坦像素深舅度图像的植属性阿尔法(者α)通道在每个迁像素用截32位环表示的驾图像表浪示法中崇的高8膜位，蠢其余2脂4位是摧颜色通臂道，红边色、绿虚色和蓝稠色分量异各占处一个8诸位的通骗道用于表暂示像素将在对象倘中的透味明度例如，相用两幅凯图像A废和B混营合成一龙幅新图低像，新食图像(野)的盏像素为猫：熟=()续(A碑)票+()驾(B尊)又如，藏一个像桥素(A左，R，栗G，B页)的四严个分量他都用规于一化的屋数值胡表示时缺，像素值为缝(1，1万，0，0幼)时显示菜红色，表灶示红色强写度为1像素值走为(0胜.5，查1，0领，0)块时，使总用α通控道中的狸预乘数杂0.5秃与R露，G，墨B相乘念，其结息果为(侨0.5途,0.插5,0购,0)散，表示开红色强搭度为邀0.5图像的属墨性调色板一个彩色旗图像假如跃只包含2找4位真彩章色空间中秋的16个井离散的点宇（16色瓦图），则张可以建立帜一个颜色斜查找表，慰表中的每亿一行记录填一组值，善实际像素岔的值用来确指定该点存颜色在查抬找表中的辩索引值，厉这样就可庭以大大缩族小存储量茎。这个颜效色查找表额就叫做调障色板。图像的属降性真彩色每个像素愁的颜色值杂用红(R滚)、绿(邪G)和蓝忆(B)表完示的颜色通常用筹24位猫表示，茄其颜色俱数22非4＝1链67棋77免216破种。也修称24膀位颜歌色(2蛛4)拘或全彩汪色(平)图像的属搅性伪彩色朱()不是物体恩固有的而翠是人为的轨颜色将像素责值当作期彩色查贝找表(择，蹄)的表宰项入淹口地址习，查找扇显示图愿像时要剥使用的洪R，G窗，B值月，用查过找出鸦的R，厚G，B阅值产生甘的彩色使用查找冰得到的R牢，G，B能数值显示帅的彩色是低真的，但录不是图景像本身真退正的颜色芝，它没有爱完全反映粱原图的颜递色图像的属铅性根据一定针的准则对戚灰度值赋翅以彩色值将灰度图重像转换为不彩色图像煤，提高视运觉分辨效茧果图像的属闻性图像的属太性图像的属缎性伽马(恐)校乓正一个图像走系统中一汁般包含输傍入设备（摧扫描仪、涛摄像机、协数码相机侵）、存储蛛设备（胶凯片、磁盘陕）和输出永设备三大遵模块。各种涉苦及到光果电转换罩的设备强的输入籍输出特堪性曲线剩一般是弄非线性沉的，且乖表现为识幂函数店的形式杰：狂y＝胳睁输出税＝(输猎入)γ优（假按照惯搭例，“裳输入”句和“输勒出”都补缩放到窃0～1跨之间）粪。所以字整个图戒像系统愤的传递闸函数是奔一个幂旦函数。桌＝俊1×亡2×库…×广n一个图像敌系统追求感的目标：婆真实的再名现原始场臣景。伽马(究)校正伽马(聚)校正伽马(组)校静正伽马(拣)校朵正中提供暮的校正鼓功能图像格胖式图像文件明格式是存冠储图形或擦图像数据敲的数据结笑构文件格式暴的简写微软公数司开发银的在环泰境下的百标准位明图文件过格式与设备无贼关的位图练()文件拖格式铁的缩写像素存最储顺序披和像素污深度与丛具体设退备无关文件扩展钥名是或文件格式文件结高构位歉图文件贞头(葬)位图娘信息头(鸽)彩色勺表()位图阀的字节(甘)阵列文件格式{;温/*晨说明笛文件的虑类型属*/;纽奉/*渡说明文近件的大犁小，用朋字节为危单位跪*/1;雪/*买保留，设扎置为0神*/2;统/*常保留，设绒置为0姐*/;丧/*演说明从吓结构开始到卖实际的泊图像数菌据之间仓的字材节偏移量悲*/}侍;文件格式{;底/*说符明结构体腹所需字节产数*/;脊/*以篮像素为单呢位说明图巷像的宽度芳*/;默/*何以像素秩为单位泰说明图疯像的高技速*终/;染/*蜓说明政位面数赶，必须阅为1辽*/;帮/*膨说明位织数/像准素，1再、2、混4、8汗、24溪*/;崭/*胡说明图轮像是否袜压缩及斗压缩类辣型*璃/;叙/*悔以字节仅为单位说患明图像大绵小*/;期/瘦*售说明水睡平分辨坐率，像涉素/米拆*/;壶/*惊说明垂四直分辨率讯，像素/菠米*/;疫/近*说滚明图像松实际用移到的颜冷色数，磁如果为胞0则颜色含数为2男的次方齿*/;贸/*说含明对图碑像显示膨有重要等影响的卸颜色索引的迫数目，类如果是续0，表烟示都重臂要。*甩/};文件格式调色板实爪际上是一竭个数组，逃它所包含铃的元素与亚位图所具抄有的颜色伍数相同，术决定于和胁字段。数打组中每个幅元素的类筛型是一个独结构。{;绳/*指定用蓝色分量裙*/;购/*指来定绿色柔分量*批/;坊/*指悲定红色分粪量*/;剧/*厉保留，封指定为级0*/};文件格增式紧跟在群彩色表溉之后的咐是图像槐数据字奏节阵列辅。图像漠的每一快扫描行衡由表示竿图像像绘素的连浸续的字蚕节组成结，每一借行的字劳节数取横决于图援像的颜肥色数目疯和用像腿素表示室的图像摄宽度。明扫描行垃是由底妨向上存佳储的，洁这就是敞说，阵真列中的售第一个层字节表丹示位图教左下角笼的像素斯，而最农后一个径字节表拉示位图龄右上角促的像素史。文件格式图形文件虎交换格式绒的缩写公司开发森的图像文龄件存储格尖式1987影年开发的柴版本号为顺87a198锅9年扩笼充后的叉版本号练为89虫a图像的捡相关信种息以数绝据块(封)为单抬位一个文疤件由表屈示图形缓/图像标的数据唤块、数贼据子块哄以及显汤示图冶形/图沾像的控枝制信息巩块组成文件格薯式在一个文舱件中可存骨放多幅彩直色图形/巷图像，并眨可像幻孙灯片那样栽显示或像轻动画那样横演示采用压绍缩算法绝来压缩辞图像数残据用户可职为图像坟设置透咳明()叠的背景文件定义发的图像中泻可以加入删文本。支持图伟像数据探的交叉筑存储方游式，这婶样一个插大的图超像可以盗逐步显页示，让托用户首矛先看到梁图像概抬貌，然兴后逐步兆清晰文件格式1文件头2

逻辑屏幕描述块3

全局颜色表。。。。。。扩展模块（任选）4

图像描述块5

局部颜色表可6

表基压缩图像数据重7

图像控制扩展块复8

无格式文本扩展块n9

注释扩展块次10

应用程序扩展块。。。。。。扩展模块（任选）11

文件结束快文件格称式格式格式的缩写委员会扁在制定抛标准时乡丰定义了颜许多标伴记(价)，用姜来区分缴和识别宜图像数秀据及其吼相关信尾息广泛使就用的文宵件格式蔬是文件铁交换格导式(姑，)，篮版本号琴为1擦.02笑，这是品199