计算机图形、图像技术

计算机图形、图像技术

计算机图形、图像技术

计算机图形分为两大类——位图图像和矢量图形

矢量图形，是由叫作矢量的数学对象所定义的

直线和曲线组成的。矢量根据图形的几何特性

来对其进行描述，矢量图形与分辨率无关。

位图图象，也叫作栅格图象。位图图象是用小

方形网格（位图或栅格），即人所共知的象素

来代表图象，每个象素都被分配一个特定位置

和颜色值。位图图象与分辨率有关，换句话

说，它包含固定数量的象素，代表图象数据。

色度学

色度图

坐标轴

中心点和边界点

任一颜色的表示

颜色模型

RGB模型

HIS模型

色度学

三基色

红（R）绿（G）蓝（B）

三补色品红（M,magenta,红加蓝）

青（C,cyan,绿加蓝）

黄（Y,yellow,红加绿）

图像的RGB颜色模型

绝大部分可见光谱可用红、绿和蓝（RGB）

三色光按不同比例和强度的混合来表示。

在颜色重叠的位置，产生青色、品红和黄

色。

因为RGB颜色合成产生白色，它们也叫作

加色。将所有颜色加在一起产生白色——

就是说，所有光被反射回眼睛。加色用于

光照、视频和显示器。例如，显示器通过

红、绿和蓝荧光粉发射光线产生彩色。

图像的RGB颜色模型

Blue

蓝

400450500550600650700

图像的CMYK颜色模型

CMYK模型以打印在纸张上油墨的光线吸

收特性为基础，白光照射到半透明油墨

上时，部分光谱被吸收，部分被反射回

眼睛。

理论上，青色(0、品红(M)和黄色(Y)色

素能合成吸收所有颜色并产生黑色。由

于这个原因，这些颜色叫作减色。

图像的CMYK颜色模型

因为所有打印油墨都会包含一些杂质，

这三种油墨实际上产生一种土灰色，必

须与黑色（K）油墨混合才能产生真正的

黑色。将这些油墨混合产生颜色叫作四

色印刷。

图像的CMYK颜色模型

相加色与相减色关系

相加混色RGB相减混色CMY生成的颜色

000111里八、、

001110蓝

010101绿

011100

100Oil红

101010品红

110001黄

111000白

颜色模型的空间表示

颜色模型关系示意

•RGB色彩模式使用RGB模型为图像中每一

个像素的RGB分量分配一个0~255范围内

的强度值。

-例如：纯红色R值为255,G值为0,B值为0

*

-灰色的R、G、B三个值相等（除了0和255）

-白色的R、G、B都为255；

一黑色的R、G、B都为0。

•RGB图像只使用三种颜色，就可以使它们

按照不同的比例混合，在屏幕上重现

16777216种颜色

颜色的三个基本特征量

亮度：与发射率有关

色调：与波长有关

饱和度：与光谱纯度有关

CIE全色度图

色度图

色度图

y

520nm

0.8

PAL

红

^^^700-770nm

0.20.8x

色度图

色度图

Y

1.0-

0.8-

0.6-

0.4-

0.2-

X

0.00.20.40.60.81.0

色度图

1,在色度图中每点都对应一种颜色

2,在色度图中边界上的点代表纯颜色

中心点处纯度为零

3,在色度图中连接任意两端点的直线上

的各点表示将这两端点所代表的颜色相加

可组成的颜色。

色度图Y

颜色模型

RGB模型

面向硬件设备

HIS或HSB模型

面向彩色处理

H表示色调(hue)

S表示饱和度(saturation)

I表示亮度(Intensity或Brightness)

RGB模型坐标

RGB彩色立方体

HSI模型坐标

(a)

HSI颜色三角形和HSI颜色实体

红色分量

绿色分量蓝色分量

红色分量

绿色分量蓝色分量

彩色原图H分量

S分量I分量

颜色模型转换从RGB模型转换到HIS模型

/=（K+G+5）/3;

V3

S=l—］min（凡G，3）;

1

:［（火一G）+（火一8）］

6-cos—J1—

ZR-GY+（R-B）（G-B）

f仇GNB；

H=<

\i7i-e.G<B.

颜色模型转换从HIS模型转换到RGB模型

八…。。代触;U

B=〒、―S),G=⑸—R—B;

V3

12。。3240。牛部+黑温片）

R=，=Q-S),B=Cl-R-B;

V3

J_rScos(〃-2400)

240°<//<360°,5=+cos(300°-//)

G=^(1-S),R=43I-R-B

V3

图像的Lab颜色模型

L*a*b颜色模型是在1931年国际照明委员会

（CIE）制定的颜色度量国际标准的基础上建

立的。1976年，这种模型被重新修订并命名

为CIEL*a*b。

L*a*b颜色设计为与设备无关；不管使用什

么设备（如显示器、打印机、计算机或扫描

仪）创建或输出图象，这种颜色模型产生的颜

色都保持一致。

L*a*b颜色由亮度或光亮度分量（L）和两个

色度分量组成；两个分量即a分量（从绿到

红）和b分量（从蓝到黄）。

图像的Lab颜色模型

A.光度=100（白）

B.绿到红分量

C.蓝到黄分量

D.光度=0（黑）到红分量

关于“溢色”

好

好

A

础

取消

口

定

自

定

自

£)-

-度r

:L9LI6r~

160

-FK-%r-

a9aI70--

.%

b-ro-

:2b

175

L_F-C%

:cs%百19-9

-o

F5%M%

MlE

:Y

YL9%%

:^r

L«K

K1-

:2%

.

颜色模型的色域

色域是一个色系能够显示或打印的颜色范围。

人眼看到的色谱比任何颜色模型中的色域都

宽。

在颜色模型中，L*a*b具有最宽的色域，它包

括RGB和CMYK色域中的所有颜色。通常RGB色域

包含能在计算机显示器或电视屏幕（发出红、

绿和蓝光）上所有能显示的颜色。因而一些诸

如纯青或纯黄等颜色不能在显示器上精确显

ZpSO

颜色模型的色域

CMYK色域较窄，仅包含使用印刷色油墨

能够打印的颜色。当不能被打印的颜色

在屏幕上显示时，它们称为溢色一一即

超出CMYK色域之外。

A.LE色域B.RGB色域C.CMYK色域

彩色空间的线性变换标准

为了使用人的视角特性以降低数据

量，通常把RGB空间表示的彩色图像

变换到其他彩色空间。彩色空间变

换有三种：

YIQ适用于NTSC彩色电视制式

YUV适用于PAL和SECAM彩色电视制式

YCrCb适用于计算机用的显示器

彩色空间的线性变换标准

YUV与YIQ模型

在彩色电视制式中，使用YUV和YIQ模型来表示

彩色图像。在PAL彩色电视制式中使用YUV模

型，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。

YUV/YIQ特点

亮度信号(Y)和色度信号(U、V)是相互独立

的；

可以利用人眼的特性来降低数字彩色图像所需

彩色空间RGB-YUV

Y=0.299R+0.587G+0.114B

U=-0.147R-0.289G+0.436B

V=0.615R-0.515G-0.100B

彩色空间RGB-YIQ

Y=0.299R+0.587G+0.114B

I=0.596R-0.275G-0.321B

Q=0.212R-0.523G+0.311B

彩色空间RGB-YCrCb

数字域中的彩色空间变换与模拟域的彩色

空间变换不同。它们的分量使用Y、Cr和

Cb来表示，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

图像的种类

只有黑白两中颜色的图像称为单色图像

(monochromeimage),它的每个像素的像素

值用1位存储，它的值只有“0”或者“F,一幅

640X480的单色图像需要占据37.5KB的存储

空间。

如果每个像素的像素值用一个字节表示，灰度

值级数就等于256级，每个像素可以是0-255之

间的任何一个值，一幅640X480的灰度图像就

需要占据300KB的存储空间。

图像的种类

图像的种类

彩色图像(colo门mage)可按照颜色的数目来划

分，例如256色图像和真彩色(24bit颜色)等。

彩色图像的每个像素的R、G和B值用一个字节

来表示，一幅640X480的8位彩色图像需要

3072KB的存储空间。一幅640X480的真彩色

图像需要92L6KB的存储空间。

许多24位彩色图像是用32位存储的，这个附加

的8位叫做alpha通道，它的值叫做alpha值，它

用来表示该像素如何产生特技效果。

图像的种类

图像的三个基本属性一分辨率

显示分辨率

显示分辨率是指显示屏上能够显示出

的像素数目。

图像分辨率

图像分辨率是指组成一幅图像的像素密

度的度量方法。对同样大小的一幅图，如果

组成该图的图像像素数目越多，则说明图像

的分辨率越高，看起来就越逼真。相反，图

像显得越粗糙。

图像的三个基本属性一像素深度

像素深度是指存储每个像素所用的位

数，它也是用来度量图像的分辨率

例如，一幅彩色图像的每个像素用

R,G,B三个分量表示，若每个分量

用8位，那么一个像素共用24位表

示，就说像素的深度为24,每个像素

可以是224=16777216种颜色中的一

种。

图像的三个基本属性一像素深度

在用二进制数表示彩色图像的像素时，

除R,G,B分量用固定位数表示外，往

往还增加1位或几位作为属性(Attribute)

位。例如，RGB5:5:5表示一个像素时，

用2个字节共16位表示，其中R,G,B各

占5位，剩下一位作为属性位。在这种情

况下，像素深度为16位，而图像深度为

15位

图像的三个基本属性一像素深度

用32位表示一个像素时，R,G,B分别用8位表示，剩下的8位常

称为a通道(alphachannel)位，或称为复盖(overlay)位、中断

位、属性位。它的用法可用一个预乘a通道(premultipliedalpha)

的例子说明。假如一个像素(A,R,G,B)的四个分量都用规一化

的数值表示，(A,R,G,B)为(1,1,0,0)时显示红色。当像素

为(0.5,1,0,0)时，预乘的结果就变成(050.5,0,0),这表示原来该

像素显示的红色的强度为1,而现在显示的红色的强度降了一

半。

用这种办法定义一个像素的属性在实际中很有用。例如在一幅彩

色图像上叠加文字说明，而又不想让文字把图复盖掉，就可以用

这种办法来定义像素，而该像素显示的颜色又有人把它称为混合

色(keycolor)。在图像产品生产中，也往往把数字电视图像和计

算机生产的图像混合在一起，这种技术称为视图混合(v

keying)技术，它也采用a通道。

图像的三个基本属性

真彩色、伪彩色与直接色

真彩色(truecolor)

真彩色图通常是指RGB8:8:8,即图

像的颜色数等于224,也常称为全彩

色(fullcolor)图像。

图像的三个基本属性

真彩色、伪彩色与直接色

伪彩色(pseudocolor)

伪彩色图像的含义是，每个像素的颜色不是由每

个基色分量的数值直接决定，而是把像素值当作彩色

查找表(coloCook-uptable,CLUT)的表项入口地址，

去查找一个显示图像时使用的R,G,B强度值，用查

找出的R,G,B强度值产生的彩色称为伪彩色。

使用查找得到的数值显示的彩色是真的，但不是

图像本身真正的颜色，它没有完全反映原图的彩色。

图像的三个基本属性

真彩色、伪彩色与直接色

直接色(directcolor)

每个像素值分成R,G,B分量，每个分量作为单独的索引值对

它做变换。也就是通过相应的彩色变换表找出基色强度，用变换

后得到的R,G,B强度值产生的彩色称为直接色。它的特点是对

每个基色进行变换。

用这种系统产生颜色与真彩色系统相比，相同之处是都采用R,

G,B分量决定基色强度，不同之处是前者的基色强度直接用R,

G,B决定，而后者的基色强度由R,G,B经变换后决定。因而这

两种系统产生的颜色就有差别。试验结果表明，使用直接色在显

示器上显示的彩色图像看起来真实、很自然。

这种系统与伪彩色系统相比，相同之处是都采用查找表，不

同之处是前者对R,G,B分量分别进行变换，后者是把整个像素

当作查找表的索引值进行彩色变换。

图像文件格式

BMP文件格式

位图文件(Bitmap-File,BMP)格式是Windows采用

的图像文件存储格式，由4个部分组成：位图文件头

(bitmap-fileheader)>位图信息头(bitmap-

informationheader)>彩色表(colortable)和定义

位图的字节阵列。

位图文件的组成结构名称符号

位图文件头fbitmap-flieheadez)BITKAFF工LEHE虹)ERbmfh

位图信息头(bitmap-information61TMAPINFOHEADERbmih

header)

彩色表(colortable)RGBQUADaColors[]

图像数据阵列字节BYTEaBitmapBits[]

图像文件格式

GIF文件格式

GIF(GraphicsInterchangeFormat)格式由

CompuServe公司于87年开发，版本号GIF87a,89年扩

充后版本号为GIF89a。GIF图像文件以块(block)

为单位存储信息。GIF文件采用LZW压缩算法来存储图

像数据。

图像文件格式

1He&dexIGIF文件头

IDLogicalScreenDsscxiptor［瞠辑屏幕描述块

GlobalCalcrTable全局彩色表

…扩展模块（任选）…

图彤描冰块

LocalLolorTable局部彩色表（可重复而欠）

TableBasedData表式压缩图像数据

ControlExtension图像控制？r锤地

归PlainTextExtension无格式文本扩展热

R||CaAinentExteiis;ion注释扩展块

10llApplicatonExtensionI||应用