多媒体第四章

§4.1颜色空间表示及其转换

人类绘制图画已有几千年的历史，我们的祖先很早就用颜料、墨水、彩笔绘制各种彩色的图画，把它画在布上、纸上和刻在石头上。

18世纪人类发明了摄影技术，能够把摄取的现实景物洗印在像纸上，今天，我们能够用电的方法把它存起来并显示在屏幕上。计算机面世的较长时间内，其输入输出的信息主要是数字和字符，20世纪80年代多媒体计算机出现，它使计算机能够综合处理声音、文字、数字和图像信息。彩色空间是如何表示的？⑴颜色的基本概念

彩色可用亮度、色调和饱和度来描述，人眼看到的任一彩色光都是这三个特性的综合效果——国际照明委员会CIE对颜色的描述是就用这三个特性来区分颜色，任一颜色都是这三个特征的综合效果。

亮度是光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉，它与被观察物体的发光强度有关，由于其强度不同，看起来可能亮一些或暗一些。显然，彩色光的强度(降)→黑色，强度(升)→白色。色调是当人眼看到一种或多种波长的光时所产生的彩色感觉，它反映颜色的种类，是决定颜色的基本特性，例如红色、棕色等都是指色调。某一物体的色调，是指该物体在日光照射下所反射的各光谱成分作用于人眼的综合效果，对于透射物体，则是透过该物体的光谱综合作用的结果。

饱和度是指颜色的纯度即掺入白光的程度，或音说是指颜色的深浅程度。对于同一色调的彩色光，饱和度越深颜色越鲜明或者说越纯。例如，当红色加进白光之后冲淡为粉红色，其基本色调还是红色，但饱和度降低。饱和度还和亮度有关，因为若在饱和的彩色光中增加白光的成分，增加了光能，因而变得更亮了，但是它的饱和度却降低了。如果在某色调的彩色光中，掺入别的彩色光，则会引起色凋的变化，只有掺入白光时仅引起饱和度的变化。

通常把色调和饱和度通称为色度，上述内容总结为：亮度表示某彩色光的明亮程度，而色度则表示颜色的类别与深浅程度。⑵三基色(RGB)原理自然界常见的各种颜色光，都可由红(R)、绿(G)、蓝(B)三种颜色光按不同比例相配而成，同样绝大多数颜色光也可以分解成红、绿、蓝三种色光。当然三基色的选择不是唯一的，也可以选择其它三种颜色为三基色。但是，三种颜色必须是相互独立的，即任何一种颜色都不能由其它两种颜色合成。由于人眼对红、绿、蓝三种色光最敏感，因此由这三种颜色相配所得的彩色范围也最广，所以一般都选这三种颜色作为基色。把三种基色光按不同比例相加称之为相加混色，由红、绿、蓝三基色进行相加混色的情况如下：红色+绿色=黄色红色+蓝色=品红绿色+蓝色=青色红色+绿色+蓝色=白色称黄、品红和青色为相加二次色，此外还可以看出：红色+青色=绿色+品红=蓝色+黄色=白色因此称青色、品红和黄色分别是红、绿、蓝三色的补色。⑷常见的彩色空间在多媒体技术中，用得最多的是RGB彩色空间，它对任意彩色光F，其配色方程可写成：F＝r[R]＋g[G]＋b[B]

其中r，g，b为三色系数，[R]，[G]，[B]为F色光的三色分量。

YUV彩色空间：在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄像机或彩色CCD摄像机，把摄得的彩色图像信号，经分色棱镜分成R0G0B0三个分量的信号，分别进行放大和γ校正得到RGB，再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y、色差信号R-Y和B-Y，最后发送端将Y、R-Y及B-Y三个信号进行编码，用同一信道发送出去。这就是我们常用的YUV彩色空间。其它的还有：CMYK、HSV、HIS等彩色空间(参见教材)。⑶亮度公式

Y＝0.299R＋0.587G＋0.114B

亮度公式是根据美国国家电视制式委员会的NTSC制式推导得到的。如果采用PAL电视制式，白光的亮度公式将作如下改动：

Y=0.222R＋0.707G＋0.071B

两个公式不同的原因，是由于所选取的显示三基色不同。红绿蓝品红黄青白相加混色之三基色及其补色●颜色空间与用途(复习)CMYK模式(用于印刷)●特点:色彩灰暗分色胶片印版印辊印纸成品RGB模式(用于显示打印)●特点:色彩鲜艳⑸彩色空间转换彩色空间的表示是可以相互转换的，这里列出其转换方程。YUV空间和RGB空间的转换方程式如下：YUV0.30.590.110.6-0.28-0.320.21-0.520.31RGB=颜色深度：位图图像中各像素的颜色(或亮度)信息用若干数据位来表示，这些数据位的个数称为图像的颜色深度(也简称为图像深度、颜色深度或深度)。颜色深度反映了构成图像的颜色总数目。例如深度为1的图像只能有两种颜色(一般为黑色和白色，但也可以是另外两种色调或颜色)，这样的图像称为单色图像；深度为24的图像称为真彩色图像。灰度级图像是一种特殊的索引色图像，其像素只能是黑、白及不同的灰度颜色。下表列出了微机上常用的几种颜色深度、对应的最大颜色总数和图像的名称。§4.2图形与图像1图形(Graphic)

图形一般指用点、线、面等绘制（draw）的几何图(包含彩色图)，如直线、圆、圆弧、矩形、任意曲线和图表等。

矢量(也称向量)是指有方向、长短等属性的线段。而矢量图(vectorgraphics)是用一组矢量集合来描述图形的内容，这些指令用来描述构成该图形的所有直线、圆、圆弧、矩形、曲线等图元的位置、维数和形状等。在计算机屏幕上显示矢量图形要有专门的软件，如AutoCad、PKPM、CorelDraw、AdobeIllustrator、MacromediaFreehand等，这些软件将描述图形的指令转换成在屏幕上显示的形状和颜色，也可产生和操作矢量图形的各成分，并对矢量图形进行移动、缩放、旋转和扭曲等变换。在几何学中，图形一般就使用矢量表示，因此也称矢量图。2静态图像(StillImage)

图像是指由输入设备捕捉的实际场景画面，或以数字化形式存储的任意画面，或者说是自然界中客观景物通过某种系统的影射，使得人们产生视觉感受。

数字图像指经由摄像机或扫描仪等设备输入、并以数字形式存储在计算机中的图像信息，这些图像可以是照片、绘画等等。在计算机中，图像都是由一些排成行列的点（像素）组成的。图像通常有位图

(bit-mappedpicture)和矢量图两种表示形式。

位图图像由数字阵列信息组成，阵列中的各项数字用来描述构成图像的各个点(称为像素点)的强度与颜色等信息。

位图适合于表现含有大量细节(如明暗变化、场景复杂和多种颜色等)的画面，并可直接、快速地在屏幕上进行显示。●位图图像●图像由基本显示单元“像点”构成图像像点8bit(28=256色)16bit(216=65536色)24bit(224=16M色)●8位图像●16位图像●24位图像●二进制位与图像之间存在严格的“位映射”关系●像点由若干个二进制位进行描述●二进制位代表图像颜色的数量●具有位映射关系的图叫作“位图”●“位图”特指图像影响图像质量的几个因素分辨率：是指在单位长度中，所表达或包含的像素数目。分辨率的高低直接影响到图像的质量，一般其数值越大，像点密度越高，图像对细节的表现能力越强，清晰度越高。图像分辨率：指图像中存储的信息量，通常用“像素/英寸”表示。显示器的分辨率：指画面由多少像素构成，数值越大，图像也就越清晰。显示器的最大分辨率与显示区域的大小、点距、视频带宽等因素有关，可用公式计算：显示区域的宽或高/点距。打印机分辨率又叫输出分辨率：指打印图像中存储的信息量，通常以“点/英寸”（DPI）表示，也称打印精度。

颜色深度也称图像灰度：指数字图像中每个像素上用于表示颜色的二进制数字位数n。颜色深度为n能描述的色彩数2n。

图像的基本属性⑴分辨率显示分辨率：显示屏上能够显示出的像素数目；图像分辨率：组成图像的像素密度的度量方法。⑵像素深度像素深度是存储每个像素所用的位数。它也能度量图像的分辨率。⑶真/伪彩色

真彩色：指彩色图像的每个像素中，可以采用R、G、B三个基色分量直接决定显示设备的基色强度；

伪彩色：指彩色图像的每个像素中，不是采用R、G、B三个基色分量直接决定显示设备的基色强度，而是通过一个彩色对应表来决定显示设备的基色强度。图形与图像区别：⑴概念上；⑵数据存储大小上；⑶内容处理方式上；⑷表现力上。●

Resolution(分辨率)单位图像分辨率●●dpi的数值越大，图像越清晰dpi(displaypixels/inch)每英寸显示的线数300dpi96dpi21dpidpi视觉效果清晰度绝对清晰度位图矢量图格式文件类型格式文件类型BmpWindows,OS/2FlaFlashGifGraphicsinterchangeformatSwfFlashPcdPhotoCD3ds3DStudioJpgJPEGAiAdobeIllustratorPsdPhotoshopnativeformatCdrCorelDrawTifTagimagefileformatClpWindowsClipboardSgiSiliconGraphicsRGBWrlVRMLPngPortableNetworkGraphicsPctMacintoshPICTdrawingsIcoWindowsiconDxfAutoCADRasSunDwg位图格式与矢量图格式文件颜色与分辨率用途.GIF256/96dpi用于动画、多媒体程序界面，网页界面.BMP256～224/*dpi用于Windows环境下的任何场合.TIF256～232

/*dpi用于专业印刷.JPG216

～232/*dpi用于数字图片保存、传送.TGA256～224/96dpi用于专业动画影视制作.PCD216

～232/*dpi用于PHOTOCD●

注意：⑴图像文件的扩展名不要轻易修改，否则不能使用

⑵其它常见图像文件格式参见教材P122●数字化图像以文件的形式存在，其文件名有严格的约定3文件格式静态图像文件格式，当前比较流行的图像文件格式有：GIF，TIF，TGA，BMP，PCX，JPG，PIC，PCD等等。●A4幅面(横)24bit彩色300dpi分辨率文件格式与数据量.JPG

883KB损失15%色重复保存,损失加剧.GIF

4,501KB256色格式转换容易失真.BMP

25,481KB真彩色●

数据量大.TGA

25,481KB真彩色●

数据量大.PCD

25,481KB真彩色●

数据量大.TIF

25,697KB真彩色●

数据量大数据对比视频数据量=视频水平分辨率×视频垂直分辨率×颜色深度

×帧频×时间(秒)

÷8(Byte/S)调色板调色板（palette）：图像的色彩索引表。若图像的色彩数远小于全色彩数时，当每个像素的值用色彩索引表的位置表示就可以大大节约存储空间。这种技术长用于各种图像的存储格式中，如bmp,tif,gif等。

调色板举例

一幅200×200的16色图像

共有40000个像素，需要120000字节16种颜色，采用一个颜色表，每一行记录一种颜色的R、G、B值，16种状态可以用4位表示，一个像素用半个字节，整幅图像要用20000字节，加上颜色表占用的3×16=48字节，总共20048字节

（目前按这个数值理解，实际比这个数值要大些，讲到位图文件格式时再补充）。

⑴BMP格式——Bitmap，Microsoft公司开发，用于Windows环境.●特点

(1)扩展名采用“.bmp”(2)文件描述单一(静止)图像

(3)彩色模式:24~232(4)调色板RGB数据顺序反向排列

(5)以图像左下角为起点排列数据

(6)一般采用非压缩数据格式，也可压缩●使用要点

(1)用于表现打印、显示用图像

(2)不适于网络传送

(3)不适于提供印刷文件文件头:54b调色板数据(反向排列)图像数据(可压缩否取决于存储空间和处理软件)BMP结构图采用RLE4压缩算法,可以得到16色模式的BMP图像采用RLE8压缩算法,可以得到256色模式的BMP图像38424650●TIFF格式TagImageFileFormat，Aldus公司开发，用于精确描述图像的场合●使用要点

(1)平面设计作品的最佳表现形式

(2)用于提供印刷文件

(3)不适于网络传送文件头(1FH:8b)标识信息区(1FD:12b)图像数据(说明压缩法,如何排列,如何分割等)●特点

(1)扩展名采用“.tif”(2)文件描述单一(静止)图像

(3)彩色模式:21(单色)

~232(4)支持多平台(PC&Macintosh)(5)可采用多种压缩数据格式

(6)数据结构是可变的，文件具有可改写性TagaImageFormat，Truevision公司开发，用于屏显和动画帧显示●使用要点

(1)用于表现影视广播级动画的帧

(2)不适于保存高质量印刷文件

(3)不适于网络传送●特点

(1)扩展名采用“.tga”(2)文件描述单一(静止)图像

(3)彩色模式:20(1色)

~232(显示模式依赖显示卡)(4)图像分辨率固定为96dpi文件头调色板信息图像数据数据补充区●TGA格式●GIF格式GraphicsInterchangeFormat,CompuServe公司开发,用于屏显和网络●使用要点

(1)用于屏幕显示图像和电脑动画

(2)用于网络传送

(3)不适于保存高质量印刷文件●特点

(1)扩展名采用“.gif”(2)具有87a、89a两种格式

87a——描述单一(静止)图像

89a——描述多帧图像

(3)彩色模式:28,分辨率96dpi,不支持真彩

(4)采用改进的LZW压缩算法文件头逻辑屏幕描述图像数据结束标志调色板信息●PCX格式由Zsoft公司开发用于绘图软件PCPaintbrush●使用要点

(1)用于表现打印、显示用图像

(2)不适于网络传送

(3)不适用于高质量印刷文件●特点

(1)扩展名采用“.pcx”(2)一个文件存储一个图像

(3)彩色模式:21、24、28，仅最新版本支持224(4)采用RLE(行程编码)压缩存储数据

(5)图像显示与计算机硬件设备显示模式有关文件头图像数据区(256色调色板数据)●JPEG格式JointPhotographicExpertsGroup，联合专家小组开发，用于彩色图像的存储和网络传送●使用要点

(1)用于保存表现自然景观的图像

(2)用于网络传送

(3)不适于表现有明显边界的图形

(4)不适用于高质量印刷文件●特点

(1)扩展名采用“.jpg”(2)采用有损压缩编码形式，数据量小

(3)彩色模式:232(真彩色)(4)经解压缩，方可显示图像，显示速度慢经压缩的图像数据各类压缩算法JPEG压缩编码技术及其文件格式比较复杂，请参[2]P99*[2]林福宗编，《多媒体技术基础》，清华大学出版社.4单色图像●单色图像——颜色单一图像，但并非只有一种颜色的图像单色图像“二值”图像只有黑、白两色简单形式复杂形式“灰度”图像具有256级灰度

●

单色图像用途：简单形式——文本显示、木刻、版画效果的图像复杂形式——书籍用图片、报纸用图片

●

单色图像格式：

TGA、JPG、TIF、PCX等5彩色图像

主要有两种颜色模式:

⑴RGB彩色图像

RGB模式主要应用于显示和打印输出。●RGB——红、绿、蓝

R

GBR

G

BR数组—8bit表示(256阶梯)G数组—8bit表示(256阶梯)B数组—8bit表示(256阶梯)最大表示：28×28×28=224=16777216(16.7M)

⑵CMYK彩色图像

CMYK模式主要应用于印刷。四种颜色混合可得多种颜色。●CMYK:青、品红、黄、黑

C

KMYC数组—8bit表示(256阶梯)M数组—8bit表示(256阶梯)Y数组—8bit表示(256阶梯)K数组—8bit表示(256阶梯)

最大表示：28×28×28×28=232=4294967296(4294M)C

M

YK⑴动态原理●动态图像定义多帧图像的有序组合6动态图像文件Δt●动态原理Δt≤1/24s(视觉滞留时间)，就会在人眼产生连续活动视觉效果。●动态图像文件构成组合位图(静态图像)数据调色盘数据速度参数(时间间隔)压缩算法●动态图像分类⑴动画；⑵视频。●动态图像特点具有时间上的连续性和延续性、具有帧间的相关性、具有强烈的实时性。⑵动态图像的技术参数●帧速度帧的切换速度

[1]NTSC制30Frame/s[2]PAL制25Frame/s●数据量相关因素：

[1]画面几何尺寸

[2]颜色数量

[3]采用的压缩算法●图像质量相关因素——位图的颜色与分辨率，过分的数据压缩将影响图像质量Frame1#Frame2#……⑶动态图像文件描述动态图像文件●

AVI(AudioVideoInterlaced)——音频视频交互文件(.avi)音频+视频●

FLC(Flicks)——电影(动画)文件(.fli

或.flc)AVI固定显示分辨率320×240采用高分辨率效果差视频FLC多种显示分辨率640×480…ENDFLC动画文件特点：具有足够画面，但最大像素为216；帧间速度可调；具有28颜色，每种颜色有8bit彩色变化；压缩格式，存储容量小，节省空间；采用帧存储模式，除第一帧外其它只保存差异数据。7数字视频(数字电影)数据数字视频就是模拟信号源(如电视、电影等)经过数字化处理后产生的图像和同步术语的混合体。如何获取数字视频？①图像的显示技术假设通过扫描仪和视频信号获取器能把静态图像和运动视频信号数字化后存到帧存储器中，现在要解决如何把它们变成标准文件存到内存或外存？如何把不同的图像文件格式进行转换？如何在显示器的屏幕上显示？微型计算机随着CPU性能的不断提高，显示系统也不断推出新的标准。以IBM-P