多媒体技术基础及应用 刘建第5章静态图像信息处理

5.1视觉彩色空间的几种表示方法及转换■颜色的基本概念■视觉彩色空间的表示方法及转换5.2图像数据及特征■图像的概念■图像的技术参数5.3图形数据及特征■图形的概念■图形的特点■图形与图像的关系第5章静态图像信息处理5.4图像的显示技术■图像的数字化■显示系统5.5图像的压缩技术■图像数据压缩■静态图像压缩JPEG5.6图像文件格式和标准5.7图像的捕获与输出■图像的捕获■图像的输出5.8图像编辑软件Photoshop5.1视觉彩色空间的几种表示方法及转换5.1.1颜色的基本概念■颜色■亮度、色调和饱和度亮度:亮度是色彩的明暗程度，它和色彩吸收光线的程度有关。色调:简单说色调就是颜色，如红色、蓝色。饱和度:饱和度也常称为纯度或对比度，用来表示色彩浓或淡的程度，即颜色掺入白色光的程度。■三基色原理5.1.2视觉彩色空间的表示方法及转换1.RGB颜色模式自然界中所有的颜色都可以用红、绿、蓝（RGB）这三种波长颜色按不同的比例相加混色得到，如果将R、G、B看成三个变量，就形成RGB三维彩色空间。2.HIS颜色模式HIS颜色模式是基于人对颜色的心理感受的颜色模式。用H（色调）、I（光的亮度或强度）、S（饱和度）3个参数来描述彩色特性。■HIS彩色空间与RGB空间只是同一物理量的不同表示方法，因而它们之间存在着转换关系，转换公式如下：I=S=1-H=[90-arctan（）+(0,G>B;180,G<B)]3.CMY颜色模式CMY模式由青（Cyan）、品红（Magenta）、黄(Yellow)3种基本颜色组成。这种模式的创建基础与RGB不同，它不是增加光线，而是减去光线。■因为CMY空间正好与RGB空间互补，即用白色减去RGB空间中的某一色彩值就等于同样色彩在CMY空间中的值。■由于彩色墨水和颜料的化学特性，用等量的CMY三基色得到的黑色并不是真正的黑色，因此常添加一种真正的黑色（黑色用K来表示，区别于RGB三基色中的蓝色B），所以CMY又写成CMYK。4.YUV颜色模式YUV模式由一个亮度信号Y和两个色差信号U、V组成。■与YUV颜色模式类似的一种称为YCrCb模式，主要适用于数字电视系统，是数字视频信号的世界标准。YCrCb代表和YUV相同的颜色空间，它们的分量使用使用Y、Cr、Cb来表示5.2图像数据及特征5.2.1图像的概念■数字图像的种类有两种，一种是点阵图（也叫位图），另一种是矢量图。通常把点阵图称为图像，把矢量图称为图形。■像素是组成图像的最小单位，许许多多的像素构成一幅完整的图像。5.2.2图像的技术参数1．分辨率■显示分辨率：又称屏幕分辨率，是一系列标准显示模式的总称。■图像分辨率：数字化图像的大小，以水平和垂直的像素点表示。单位是dpi（dotsperinch），即每英寸显示的像点数,dpi的数值越大，图像越清晰■扫描分辨率：是指每英寸扫描得到的点，单位是dpi（dotperinch）。它表示一台扫描仪输入图像的细腻程度。■打印分辨率：表示一台打印机输出图像的技术指标，由打印头每英寸输出的点数决定，单位也是dpi。2．颜色深度即像素的所有分量的二进制位数之和，它决定了不同颜色的最大数目，或者确定灰色图像的每个象素的灰度级别。3．图像文件的体积图像文件的体积与组成图像的像素数量和颜色深度有关，其数据量由下面的公式计算：s=(h×w×c)/84．真彩色、伪彩色与直接色■真彩色(truecolor)■伪彩色(pseudocolor)■直接色(directcolor)5.3图形数据及特征5.3.1图形的概念■矢量图形是以一组指令的形式存在的。这些指令描述了一幅图中所包含的直线、曲线、圆、矩形、圆弧等的位置坐标、大小和形状等参数，也可以用更复杂的形式表示图像中的曲面、光照、材质等效果。■一般将图形分为二维图形和三维图形，二维图形使用的相当广泛，组成二维图形的基本单位为图元。三维图形就是在三维空间实现图形的显示和变换。5.3.2图形的特点■计算机对矢量图的表达实质上用数学方法描述一幅图，的是许多数学表达式和指令。■计算机可以对图元进行任意的变换：放大、缩小、旋转、变形、扭曲、属性的改变等，将仍保持图形的特性，而不会破坏图形的画面。■矢量图文件的大小主要取决于图的复杂度。■矢量图中的局部图元可以很容易的被抽取重新定义后放入分类的图库，为以后的复用带来方便。■矢量图形主要用于线型图画和工程制图以及美术字等。■矢量图处理起来比较复杂，处理的速度与数据存储结构密切相关。5.3.3图形与图像的关系■图形是矢量的概念，它的基本元素是图元，也就是图形指令。而图像是位图的概念，它的基本元素是像素。■图像的数据量相对较大，图形的数据量相对较小。■图像的像点之间没有内在的联系，在放大与缩小时，部分像点被丢失或重复添加时，会导致清晰度受影响。而图形受运算关系支配，放大或缩小不会影响图形的特征。■适用范围不同。■图形和图像之间使可以相互转化：由图形转换成图像采用栅格化技术（Rasterizing），由图像转换成图形用跟踪技术（Tracing）。5.4图像的显示技术5.4.1图像的数字化图像的数字化过程一般包括■采样:采样的实质是指要用多少点来描述一幅图像，采样的结果就是通常所说的分辨率。■量化:量化是指要用多大范围的数值来表示采样之后的每一个点。量化的结果就是图像能够容纳的颜色总数，它反映了采样的质量。■编码:数字化后的得到的图像数据量非常大，必须采用编码技术来压缩信息。5.4.2显示系统1．显示器■显示器的功能是将显卡的图形图像信号转换成图像反映在显示屏幕上■实现技术大体上分为CRT、LCD（液晶）2．显卡■显卡又称显示器适配卡,作用是控制显示器的显示方式■显卡的技术规格■显卡类型5.5图像的压缩技术5.5.1图像数据压缩1．数据压缩的可能性■空间冗余■时间冗余■视觉冗余■知识冗余2．影响数据压缩的因素■压缩比■算法的复杂性和运算速度■失真度3．有损压缩和无损压缩根据图像编码压缩过程中是否存在信息的损失把数据编码分为两大类：■无损编码压缩算法，也称为冗余度压缩，信息保持编码或熵编码，是为了保留原始多媒体对象而设计的，主要针对图像中的像素间冗余量进行压缩，所能达到的压缩率不高。■有损编码压缩算法，也称为信息量压缩、失真度编码或熵压缩编码，该算法不仅考虑了图像像素间固有的冗余量，而且考虑了人眼的视觉生理特点和人对图像的视觉心理等因素，通过对图像中的心理视觉冗余量的压缩而获取更高的压缩率，其中动态视频图像的压缩比可达100：1到200：1。5.5.2静态图像压缩标准JPEG1．JPEG简介JPEG(JointPhotographicExpertsGroup)是一个由ISO和IEC两个组织机构联合组成的一个专家组，负责制定静态的数字图像数据压缩编码标准，这个专家组开发的算法称为JPEG算法，并且成为国际上通用的标准，因此又称为JPEG标准。2．JPEG2000JPEG2000是JPEG2000工作组制定的并于2000年底陆续公布的基于JPEG标准的最新静止图像压缩编码的国际标准。5.6图像文件格式和标准1．BMP格式的图像文件BMP是Bitmap的缩写，意为“位图”，它是微软公司在Windows操作系统下使用的一种标准图像文件格式，以“.bmp”作为文件扩展名。每个BMP文件只能存放一幅图像，因此该文件所表示的图像是静止的。BMP是一种典型的位映射存储形式，可以以多种彩色模式保存图像，如16色、256色、24位真全彩色模式（16777216色）。2．TIFF格式的图像文件TIFF(TagImageFileFormat)，是一种通用的位图映射图像文件格式。由Aldus公司开发，文件的扩展名是“.tif”，它支持从单色模式到32bit彩色模式的所有图像，可用于多种操作平台和应用软件。TIFF文件具有多种数据压缩存储方式，使解压过程变得复杂化。4．GIF格式的图像文件GIF(GraphicsInterchangeFormat)的扩展名是“.gif”，1989年推出的GIF89a允许一个文件存储多个图像，可实现动画功能。GIF格式的图像文件适合于动画制作、网页制作以及样式文稿制作等方面3．TGA格式的图像文件TGA(TargaImageFormat)由Truevision公司开发，TGA格式图像文件的扩展名是“.tga”，它支持1bit到32bit彩色的所有图像具有很强的颜色表达能力，特别适合影视广播中的动画制作。5．PCX格式的图像文件PCX由PCPaintbrush而得名，Zsoft公司研制开发，文件扩展名是“.pcx”，一个文件存储一幅图像，它采用ＲＬＥ压缩算法存储数据，读写PCX时需要一段RLE和解码程序。6．JPEG格式的图像文件JPEG格式图像文件的扩展名是“.jpg”或“.jpeg”，是最常用的图形文件格式。它采用高效率有损编码方式,形式灵活，具有调节图形质量的功能，允许用不同的压缩比例对文件进行压缩。5.7图像的捕获与输出5.7.1图像的捕获1.图像扫描仪2.数码照相机3．用绘图软件创建数字图像4．Windows界面的获取和制作5.7.2图像的输出最常见的图像输出设备是打印机和显示器，打印机有很多种类：针式打印机、喷墨打印机、激光打印机、热升华打印机、热蜡打印机等。5.8图像编辑软件Photoshop5.8.1Photoshop简介Photoshop是美国Adobe公式开发的图像编辑软件，它提供了多种图像涂抹、修饰、编辑、创建、合成、分色与打印的方法，并给出了许多增强图像的特殊手段，可广泛地应用于美工设计、广告及桌面印刷、动画设计、影视特技等领域，是计算机数字图像处理的有力工具。Photoshop运行在Windows图形操作环境中，支持TIF、TGA、PCX、GIF、BMP、JPEG等各种流行的图像文件格式，能方便地与文字处理、图形应用、桌面印刷等软件或程序交换图像数据。5.8.2PhotoshopCS的运行界面选框工具切片工具魔棒工具套索工具移动工具仿制图章工具橡皮擦工具渐变工具历史纪录画笔工具画笔工具减淡工具横排文字工具矩形工具吸管工具缩放工具裁切工具修复画笔工具模糊工具路径选择工具钢笔工具注释工具抓手工具前景色和背景色编辑模式屏幕模式跳转Imageready■菜单栏■工具箱■工具选项栏■状态栏■图像窗口■浮动面板5.8.3图层■图层是画面的物理层，各层编辑手段完全相同■输入文字、粘贴剪贴板的内容将自动产生新图层■保存之前需拼合图层设置图层间混合模式调板菜单图层锁定选项画笔图标显示当前图层链接图标一组控制图标5.8.4滤镜■滤镜是一组完成特定效果的程序，一个滤镜对应一种特定的效果。■滤镜的效果强度和特性可以调整，以产生不同的效果。■滤镜视觉效果浮雕纹理化扭曲镜头光晕5.8.5图像文件的格式转换5.8.6Photoshop制作实例例1：利用路径确定一个心形选区，在其内填充人物像，熟悉图层、路径、羽化的使用方法。■执行“文件”|“新建”建立一个新文件，设置高度和宽度，RGB模式，背景为浅绿色。■选择工具栏中的“钢笔工具”，辅助“添加锚点”和“转换点工具”建立心形路径。路径最大的优点是它能够自由地修改，所以在选取不规则的复杂图像时，先用路径来描绘图像的边缘，然后再转换成选区，这样路径就能完成选择工具无法或者很难选取的目标图像了。■打开另外一副人物图像，利用磁性套索工具，选择图像中的人物，复制该选区到心形图的窗口，同时建立了一个新的图层，调整位置让人物图案位于心形中间。■选择“图层”|“合并图层”命令，将两个图层合并成一个图层。注意：这时图层名为“背景”，将其改名为“图层1”。■单击路径面板菜单右上角的弹出窗口按钮，选择“建立选区”，在选区对话框中设置羽化半径为5个象素点。■选择菜单“选择”|“反选”命令，将选择区域翻转，按Delete键将选定部分删除，按Ctrl+D组合键完成例子。例2：完成一如图所示的球体，目的是通过这个例子熟悉各种滤镜使用效果。■建立一新图像文件，RGB模式，用油漆工具填充黑色，选择“滤镜”|“渲染”|“镜头光晕”命令。■选择“滤镜”|“扭曲”|“极坐标”命令，在参数的设置过程中可以通过预览窗口观察效果。■“滤镜”|“扭曲”|“玻璃”，“纹理”下拉列表框选择“微晶体”■用选择工具选择一个正圆区域，执行“滤镜”|“扭曲”|“球面化”，■CTRL+J复制为一个新的图层。至此球体的基本形状制作完毕■删掉背景，因为下面的操作不再用到它。CTRL+SHIFT+ALT+~载入复合通道的选区，将选区反选（SHFT+CTRL+I），然后使用组合键CTRL+J复制为一个新的图层。将该图层反相（CTRL+I），设图层混合模式为“差值”。■对下面图层的图层应用样式设置“渐变叠加”，