多媒体技术彩色数字图像基础.ppt
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1、1 主要内容 n视觉系统对颜色的感知 n图像的颜色模型 n图像的基本属性 n图像的分类 n伽马()校正 2 n17世纪,牛顿通过用三棱镜研究对白光的折射发 现白光可被分解成一系列从红到紫的连续光谱。 n证明白光是由不同颜色(这些颜色不能再进一步 分解)的光线相混合而组成的。 n一个物体反射的光若在所有的可见光波长范围内 是平衡的,对观察者来说显示白色。若一个物体 对某些光谱反射得较多,则物体呈现相应的颜色 。 视觉系统对颜色的感知 3 视觉系统对颜色的感知 n可见光的波长范围为380nm780nm, 大多数自然光都是由不同波长的光组合 而成。 n人的视网膜有对红、绿、蓝颜色敏感程 度不同的三种
2、锥体细胞,颜色只存在于 眼睛和大脑中。颜色是视觉系统对可见 光的感知结果。 n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, 4 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) 5 视觉系统对颜色的感知 n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。 n亮度响应曲线表明人眼对波长为550nm 左右的黄绿色最为敏感。 6 视觉系统对颜色的感知 n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。 n光谱分布不同而看上去相同的两种颜色称为条 件等色
3、(匹配等色)。 n绝大部分可见光谱对眼睛的刺激效果都可以用 红(700nm)、绿(546.1nm)、蓝( 435.8nm)三色光按不同比例和强度的混合来 等效表示。(三刺激理论) 7 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 8 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(hue):色调反映颜色的类别,分为红 黄、绿、蓝、紫5种主色调。 9 视觉系统对颜色的感知 2、饱和度(Saturation) 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
4、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。 10 视觉系统对颜色的感知 3、明亮度(luminance) 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,1030种不同的饱和度,而对亮度非常 敏感。 11 颜色模型 n颜色模型(color model)是用来精确标定和生 成各种颜色的一套规则和定义。某种颜色模型 所标定的所有颜色就构成了一个颜色空间。 n颜色空间通常用三维模型表示,空间中的颜色 通常使用代表三个参数的三维坐标来指
5、定 n对于人来说,可以通过色调、饱和度和亮度来 定义颜色(HSV颜色模型);对于显示设备 来说,可以用红、绿、蓝磷光体的发光量来描 述颜色(RGB颜色模型);对于打印设备来 说,可以使用青色、品红、黄色和黑色颜料的 用量来指定颜色(CMYK颜色模型)。 12 理论上绝大部分可见光谱都可用红、绿和蓝 (RGB) 三色光按不同比例和强度的混合来表示。 颜色CR(红色的百分比)G(绿色的百分比) B(蓝色的百分比) RGB模型称为相加混色模型,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。 RGB颜色模型 13 RGB颜色模型 RGB颜色模型(R-red, G-gre
6、en, B-blue) 14 RGB颜色模型 15 RGB图像R分量图像 G分量图像B分量图像 16 17 CMYK颜色模型 n在理论上,绝大多数颜色都可以用三种基本颜 料(青色cyan、品红magenta、和黄色yellow )按一定比例混合得到,记为CMY模型。 n理论上,青色、品红和黄色三种基本色素等量 混合能得到黑色。但实际上,因为所有打印油 墨都会包含一些杂质,这三种油墨混合实际上 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,所以再加入黑色作为基本 色形成CMYK颜色模型。 nCMYK模型称为相减混色模型。 18 CMY颜色模型 19 CMY颜色模型 RGB彩色
7、空间和CMY彩色空间的表示法 20 HSV颜色模型 HSV色彩模型示意图 v HSV(Hue, Saturation, Value)颜色模型 在HSV颜色模型中,每一种颜色和它的补色相差180o, 圆锥的顶面对应于V=1,它包含RGB模型中的R=1,G=1,B=1三个面,故所代表的 颜色较亮。色度H由绕V轴的旋转角给定。红色对应于角度0o,绿色对应于角度120o ,蓝色对应于角度240o。 H:0,360o , S:0,1 , V:0,1 在圆锥的顶点处,V=0,H和S无定义,代表黑色。 圆锥的顶面中心处S=0,V=1,H无定义,代表白色。 21 HSV颜色模型 22 HSV图像H分量图像 S
8、分量图像V分量图像 23 v HSV颜色模型具有以下的优点 符合人眼对颜色的感觉。 当采用RGB(或者CMY)颜色模型时,改变某一颜色的属性, 比如改变色调就必须同时改变R、G、B(或者C、M、Y)三个坐 标;而采用HSV颜色模型时只需改变H坐标。也就是说,HSV颜色 模型中的三个坐标是独立的。 HSV颜色模型构成的是一个均匀的颜色空间,采用线性的标尺 ,彩色之间感觉上的距离与HSV颜色模型坐标上点的欧几里德 距离成正比。 HSV颜色模型 24 CIE(国际照明委员会)颜色模型 CIE颜色模型包括一系列颜色模型,这些颜色模型是由国际照明委员会提出的,是 基于人的眼睛对RGB的反应,被用于精确表
9、示对色彩的接收。 这些颜色模型被用来定义所谓的独立于设备的颜色。它能够在任何类型的设备上产 生真实的颜色,例如:扫描仪、监视器和打印机。这些模型被广泛地使用,因为它 们很容易被用于计算机,描述颜色的范围。 CIE的模型包括:CIE XYZ, CIE L*a*b和 CIE YUV等。 v 设备无关性: v CIE颜色模型的提出 v CIE颜色模型的类型 25 CIE XYZ RGB三基色系统匹配需要负值,XYZ三刺激值的概念是以色视觉的三元理论为根据的 ,它说明人眼具有接受三基色(红、绿、蓝)的接受器,系统采用假想的三基色XYZ,Y 是人眼对亮度的响应,而所有的颜色均被视作该三基色的混合色。 1
10、931年CIE制定了一种假想的标准观察者,配色函数 XYZ三刺激值是利用这些标准观察者配色函数计算得来的。 在此基础上,CIE于1931年规定了CIE Yxy颜色空间,其中Y为亮度,x,y是从三刺激值 XYZ计算得来的色坐标。它代表人类可见的颜色范围。 CIE彩色图表 26 CIE L*a*b* L*a*b*颜色空间是在1976年制定的,它是基于四色理论,它是CIE XYZ颜色模型的改 进型,以便克服原来的Yxy颜色空间存在的在x,y色度图上相等的距离并不相当于我 们所觉察到的相等色差的问题。与XYZ比较,CIE L*a*b*颜色更适合于人眼的感觉。 利用CIE L*a*b*,颜色的亮度(L)
11、、灰阶和饱和度(a,b)可以单独修正,这样,图 像的整个颜色都可以在不改变图像或其亮度的情况下,发生改变。 L*a*b* 的概念图 L: 明亮度 a: 从绿色到红色 b: 从蓝色到黄色 27 CIE YUV 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(点耦合器件)摄像机 ,它把摄得的彩色图像信号,经分色、分别放大校正得到RGB,再经过矩阵变换电路 得到亮度信号Y和两个色差信号RY、BY,最后发送端将亮度和色差三个信号分 别进行编码,用同一信道发送出去。这就是我们常用的YUV颜色空间。 采用YUV颜色空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。如果只有Y 信号分量而没有U
12、、V分量,那么这样表示的图就是黑白灰度图。彩色电视采用YUV 空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题,使黑白电视机 也能接收彩色信号。 根据美国国家电视制式委员会,NTSC制式的标准,当白光的亮度用Y来表示时,它 和红、绿、蓝三色光的关系可用如下式的方程描述: 色差U、V是由、按不同比例压缩而成的。 28 29 各种颜色模型之间的转换算法 v RGB与CMY颜色模型之间转换算法 c = 1 r m= 1 g y = 1 b v RGB与HSV颜色模型之间转换算法 查表法 RGB颜色模型到HSV颜色模型之间转换的算法要复杂一些。从RGB颜色模型 到HSV颜色模型的最可靠的方
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