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静态图像处理本讲稿第一页，共五十八页4.1 4.1 图像的基本知识图像的基本知识4.1.1 4.1.1 颜色与混色法颜色与混色法4.1.2 4.1.2 彩色空间彩色空间4.1.3 4.1.3 图像的显示和存储图像的显示和存储2022/9/222本讲稿第二页，共五十八页4.1.1 4.1.1 颜色与混色法颜色与混色法视觉特性与某一单色光相同的彩色视觉，可由具有不同光谱成分的色光组合所代替。利用这个原理，我们可以由几个基本的色彩，配出其他的色彩。人眼的亮暗感觉是相对的。人眼可以在相当宽的一个亮度范围内工作，但是却不能同时感受到所有的亮度。利用这一点，我们不需要恢复景物的真实亮度，也能给人同样的亮度感觉。人眼可产生色彩浓淡的感觉。通常，如果在颜色中混入白光，颜色的饱和度就会降低。2022/9/223本讲稿第三页，共五十八页基色原理与混色法相加混色法 我们的彩色显示器可以发出红绿蓝三种波长的光。这三种光的不同比例的相加构成了实际的显示器表示的颜色。我们把这种由基色光按不同比例相加获得不同色光叫做相加混色法。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2022/9/224本讲稿第四页，共五十八页相减混色法在印刷、绘图时，我们的纸张是不会发光的，它只能反射环境光产生颜色。纸张上的内容产生的色彩实际上是色彩颜料吸收了环境光中的特定波长的光而导致的。我们在相减混色法中使用青色（Cyan）、品红（Magenta）和黄色（Yellow）作为基色，又叫CMY模型。在实际中我们在产生黑色时，通常直接用黑色的颜料，而不是使用三种颜料混合得到。因此我们的减色模型模型实际上又多了一种颜色黑色（Black）。因此我们又叫减色模型为CMYK模型模型。2022/9/225本讲稿第五页，共五十八页相减混色法混色示意图黄青品红红绿黑蓝2022/9/226本讲稿第六页，共五十八页4.1.2 4.1.2 彩色空间彩色空间RGB彩色空间 F=r(R)+g(G)+b(B)如如果果每每种种颜颜色色以以8位位二二进进制制位位来来表表示示，那那么么可可以以表表示示的的色色彩彩为为224=1,670 万万种种颜颜色色，这这也也就就是是我我们们常常说说的的真真彩彩色色。计计算算机机的的显显示示器器就就是是使使用用 RGB 模型显示颜色的。模型显示颜色的。2022/9/227本讲稿第七页，共五十八页YUV和YIQ色彩空间l对于彩色电视系统，通常把彩色图像信号，经分色、放大、校正后得到RGB三分量，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即U和V，最后由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色彩空间。l这样做的好处是：lY和色度信号U、V是分离的。l没有U、V分量只有Y分量，那么得到的就是图像的黑白灰度图。lYUV三个分量在一起就是彩色图像。2022/9/228本讲稿第八页，共五十八页YUV与RGB的转换关系 亮度公式：Y0.3 R+0.59 G+0.11B 2022/9/229本讲稿第九页，共五十八页HIS彩色空间H(Hue)表示颜色的色调，S(Saturation)表示颜色的饱和度，I(Intensity)表示颜色的亮度。这种表示 法 又 叫 画 家 表 示 法。如 果 S和 I都 设 置 为1（100%），那么改变H值就可以得到不同的纯颜色，减小S就得到了渗入白色光的效果，而减小I,颜色就会变暗，相当于加入了黑色。利用这种彩色空间，我们容易选择需要的颜色。2022/9/2210本讲稿第十页，共五十八页4.1.3 4.1.3 图像的显示和存储图像的显示和存储l可以用一定长度的二进制数来分别表示色彩的红绿蓝三分量的强度值。l对于RGB8:8:8，它可以生成的颜色数为224种，人眼是很难分辨出这么多的颜色的。我们通常称这种彩色叫全彩色。l对于一幅具体的图像，它使用的颜色可能远远少于224种，这样，我们通常将它用到的颜色做成一个表（调色板），在图像的各像素中只记录像素颜色对应的调色板中的颜色索引号。这种图像存储方式构成的图像我们称为伪彩色(Pseudo Color)图像，我们把这种做颜色索引表的过程叫索引颜色。2022/9/2211本讲稿第十一页，共五十八页其他影响图像存储的因素l创建图像时，我们可能使用一些图形方法。l为了编辑的方便，我们也需要一些文件格式来支持各种编辑信息的存储。2022/9/2212本讲稿第十二页，共五十八页常用的图像文件格式 lBMPlGIF lTIFF lPNG lJPEG lPCX lPSD2022/9/2213本讲稿第十三页，共五十八页4.2 4.2 图像的压缩技术图像的压缩技术4.2.1 4.2.1 图像压缩的原理图像压缩的原理4.2.2 4.2.2 经典编码技术经典编码技术4.2.3 4.2.3 第二代图像编码技术第二代图像编码技术2022/9/2214本讲稿第十四页，共五十八页4.2.1 4.2.1 图像压缩的原理图像压缩的原理l相关性压缩相关性压缩l在场景不变时，两帧画面之间实际上只有一些细小的差别。l在同一帧内，相邻像素之间也具有一定的相关性。l 去除图像的相关性，这样就有效减少了图像的冗余，达到了压缩数据的目的。2022/9/2215本讲稿第十五页，共五十八页非相关性压缩l在不同的情况下，人对信号失真的分辨能力是不一样的。l当观看运动图像时，人对灰度等级和细节的分辨能力均会降低。l对于图像的细节，人眼的色彩感觉又不太敏感。l当人眼对图像的某种特性的感受性提高时，那么对图像其他特性的感受性就会降低。可以允许图像编码的一些更大的失真，从而达到减小数据量的目的。人们采用了自适应技术自适应技术，可以根据图像的每一局部特点来决定采样的频率和量化的精度。2022/9/2216本讲稿第十六页，共五十八页4.2.2 4.2.2 经典编码技术经典编码技术l预测编码l原理l用像素前值对新的像素值进行预测，并得到实际信号与预测信号之间的差值。可以想象，图像的相关性越高，预测的精度也就越高，那么差值也就越小，如果对差值进行编码，就可以达到减小比特数的目的。l算法l增量调制（Delta Modulation DM）l差分脉冲调制（Differential Pulse Code Modulation DPCM）2022/9/2217本讲稿第十七页，共五十八页变换编码l原理变换编码的基本原理是将原始数据作某种正交变换，这样原始数据就变换到了另外的一组正交的向量空间，我们称之为变换域。原来在空间域具有很强相关性的图像，经过变换之后，相关性被去除了，在变换域我们对图像进行量化和压缩就达到了减小数据量的目的。l算法l主要成分变换（K-L变换）l傅利叶变换l阿达马变换l哈尔变换l离散余弦变换（DCT变换）2022/9/2218本讲稿第十八页，共五十八页4.2.3 4.2.3 第二代图像编码技术第二代图像编码技术l原理经典的图形编码技术以信息论作为基础，没有考虑人的生理和心理特性。为了进一步提高压缩效率，各国学者对人的生理和心理作了大量的研究。利用人眼的视觉系统（HVS）的特点，我们可以设计出更好的编码方案，这就是第二代编码技术。l算法l将人眼的空间频率响应特性应用到DCT中，对DCT系数进行加权，就可以得到更好的压缩效果。l运动补偿。l自适应预测编码和自适应变换编码。l子带编码（SBC）。2022/9/2219本讲稿第十九页，共五十八页4.3 4.3 图像编码技术的国际标准图像编码技术的国际标准4.3.1 4.3.1 图像编码技术标准概况图像编码技术标准概况4.3.2 JPEG4.3.2 JPEG标准标准4.3.3 MPEG4.3.3 MPEG标准标准2022/9/2220本讲稿第二十页，共五十八页4.3.1 4.3.1 图像编码技术标准概况图像编码技术标准概况l制定了相关的标准制定了相关的标准的国际组织l国际标准化组织（国际标准化组织（ISO）l国际电工委员会（国际电工委员会（IEC）l国际电信联盟（国际电信联盟（ITU）下属国际电报电话咨询委员）下属国际电报电话咨询委员会（会（CCITT）2022/9/2221本讲稿第二十一页，共五十八页H.261视频压缩编码l1984年，CCITT针对ISDN成立了研究会议电视和可视电话数字视频压缩编码的专家小组。l1988年10月，该小组提交了CCITT H.261草案，该草案在1990年被批准成为正式的标准。lH.261视频压缩编码标准是第一个在国际上有广泛影响的视频压缩编码标准，其后的MPEG标准的压缩编码算法从原理和框图都与H.261视频压缩编码标准为蓝本。2022/9/2222本讲稿第二十二页，共五十八页JPEGl1986年，ISO与CCITT共同成立了联合图片专家组（Joint Photographic Experts Group JPEG）。l1991年3月，该小组提交了用于灰度和颜色都连续变化的图像的编码方法JPEG建议草案。l1992年7月，草案成为了正式的标准。2022/9/2223本讲稿第二十三页，共五十八页MPEG-1l1991年运动图像专家组（Moving Picture Experts Group MPEG）提交了ISO1172标准。该标准是一个用于数字媒体存贮的码率为1.5Mbit/s的活动图像及其声音编码标准。l1992年，该标准通过，这就是我们常说的MPEG-1标准。该标准在影视领域得到了广泛的应用，我国的VCD就采用了MPEG-1标准。2022/9/2224本讲稿第二十四页，共五十八页MPEG-2l1992年7月，MPEG开 始 制 定 MPEG-2。1993年11月 产 生 了ISO/IEC13818 MPEG-2草案，也就是活动图像及其声音通用编码草案。l1994年通过该标准。l这个标准的视频编码部分就是ITU H.262标准。lMPEG-2被广泛地应用到高清晰度电视、DVD、数字电视等多媒体领域。2022/9/2225本讲稿第二十五页，共五十八页MPEG-3/4l专门针对高清晰度电视的MPEG-3标准，由于MPEG-2已经是一个通用的标准，于1992年7月取消。l随着通信技术、视频压缩技术和集成电路技术的发展，需要有一定的交互性和极低的通讯码率（一般要求低于64Kbit/s）的标准。H.263和MPEG-4是这方面的两个标准。2022/9/2226本讲稿第二十六页，共五十八页MPEG-7l1996年，启动了MPEG-7的制定工作，其目的是制定一套标准，用来描述各种多媒体信息和它们之间的关系，我们称为多媒体内容描述接口。2022/9/2227本讲稿第二十七页，共五十八页4.3.2 JPEG4.3.2 JPEG标准标准lJPEG标准是一个用于数字图像的数据压缩编码标准它既可以处理灰度图像，又可以处理彩色图像。lJPEG有两套压缩算法：l以预测技术为基础的无损压缩算法l基于离散余弦变换的有损压缩算法 2022/9/2228本讲稿第二十八页，共五十八页4.3.3 MPEG4.3.3 MPEG标准标准lMPEG-1视频压缩标准。l“数字存贮媒介的码率高达1.5Mbit/s的活动图像及其伴音的编码方案”。l主要包含三个部分：lMPEG-1系统lMPEG-1视频lMPEG-1音频lNTSC制352*240/帧，30帧/秒。lPAL制352*288/帧，25帧/秒。l压缩输出速率为1.5Mbit/s。l能够满足在CD-ROM上或网络上存贮数字影视的要求。2022/9/2229本讲稿第二十九页，共五十八页MPEG-2视频压缩标准l“活动图像及有关声音的通用编码”。lMPEG-2支持交叠图像序列，其位速率可以改变并支持可调节的编码，同时也增加了许多先进的功能。l位速率为4Mbit/s-9Mbit/s，最高达15Mbit/s。l利用更高的网络带宽来支持更高分辨率的图像压缩和更好的图像质量。l一个相当成功的标准，已经被全世界所承认，广泛地运用到数字电视、数字声音广播等领域。2022/9/2230本讲稿第三十页，共五十八页MPEG-4视频压缩标准l低比特率下的多媒体通讯、多媒体通讯的综合。l在信息描述中采用了对象的概念。l码率范围为5Kbit/s-4Mbit/s。l提供灵活的框架和工具集，可以支持音频视频的内容交互。2022/9/2231本讲稿第三十一页，共五十八页MPEG-7视频压缩标准l支持多媒体信息基于内容检索的编码方案。lMPEG-7将被运用到包括数字图书馆、声像词典、多媒体目录服务等领域。2022/9/2232本讲稿第三十二页，共五十八页4.4 4.4 图像的采集图像的采集4.4.1 4.4.1 扫描仪扫描仪4.4.2 4.4.2 视频采集卡视频采集卡4.4.3 4.4.3 数码相机数码相机4.4.4 4.4.4 抓图软件抓图软件2022/9/2233本讲稿第三十三页，共五十八页4.4.1 4.4.1 扫描仪扫描仪l用途l原理l性能指标l扫描分辨率l色彩位数l灰度等性能指标 2022/9/2234本讲稿第三十四页，共五十八页4.4.2 4.4.2 视频采集卡视频采集卡l实现视频模拟信号的数字化。视频采集卡不但可以采集静态的图像，也可以实时地采集动态的连续画面（如：PAL或NTSC制的电视画面）。l通过硬件实现了视频压缩功能。l支持一些特殊的视频处理效果，如淡出、旋转、镜像等。2022/9/2235本讲稿第三十五页，共五十八页视频采集卡的分类l民用级视频采集卡 l专业级视频采集卡 l广播级视频采集卡 2022/9/2236本讲稿第三十六页，共五十八页4.4.3 4.4.3 数码相机数码相机l原理l性能指标l分辨率 l颜色深度 l存储能力及存储介质 l数据输出方式 l连续拍摄 2022/9/2237本讲稿第三十七页，共五十八页4.4.4 4.4.4 抓图软件抓图软件l利用软件截取计算机显示器屏幕上的图像。l分类：l追求简单实用的抓图软件，不要求功能全面强大。l专业的抓图软件，这类软件功能全面强大，提供连续截图、DirectX截图等高级功能。2022/9/2238本讲稿第三十八页，共五十八页常用的抓图软件 lHyperSnap：支持Windows 95/98NT/Win2000环境，功能强大，使用方便。支持Direct X和3Dfx GLIDE游戏，以及DVD影像技术。其运行界面如图4.4.2。lSnagIt/32：一个小巧的抓图软件，只有3.2MB。可抓取Windows下的多种图像、文本和视频。能够较好地抓取DOS屏幕。lCapture Professional：具有专业抓图的功能和专业处理图像的能力，省去你打开一个新的图像编辑器的麻烦。能抓取多种外形图像，如椭圆形、多边形等，此外还具有控件、菜单、光标、图标、多种窗口的抓图功能。lDX-Snap：提供包括DirectX截图、连续截图等很多高级功能。2022/9/2239本讲稿第三十九页，共五十八页4.5 Photoshop4.5 Photoshop图像处理技术图像处理技术4.5.1 Photoshop4.5.1 Photoshop的界面和基本概念的界面和基本概念4.5.2 Photoshop4.5.2 Photoshop的基本操作的基本操作4.5.3 4.5.3 图像处理实例图像处理实例4.5.4 4.5.4 图像校正图像校正4.5.5 4.5.5 应用实例应用实例2022/9/2240本讲稿第四十页，共五十八页4.5.1 Photoshop4.5.1 Photoshop的界面和基本概念的界面和基本概念l界面l主界面元素l工具箱和工具按钮组l任务栏和工具参数选项 2022/9/2241本讲稿第四十一页，共五十八页Photoshop的文件格式l默认格式：PSD l“存储为”命令将PSD格式的文件保存为其他格式的文件 l“存贮为Web所用格式”，将文件保存为Web页面 2022/9/2242本讲稿第四十二页，共五十八页图层 2022/9/2243本讲稿第四十三页，共五十八页蒙版2022/9/2244本讲稿第四十四页，共五十八页切片2022/9/2245本讲稿第四十五页，共五十八页位图图像和矢量图形 2022/9/2246本讲稿第四十六页，共五十八页4.5.2 Photoshop4.5.2 Photoshop的基本操作的基本操作新建、打开和保存文件l文件菜单的新建命令 l文件菜单的打开、打开为、最近打开文件 l文 件 菜 单 的存 储（Ctrl+S）、存 储 为(Shift+Ctrl+S)、存 储 为Web所 用 格 式(Alt+Shift+Ctrl+S)2022/9/2247本讲稿第四十七页，共五十八页图像的显示l 放缩工具l 抓手按钮l 活动面板的导航器 l 标尺、网格和参考线 2022/9/2248本讲稿第四十八页，共五十八页编辑图像创建选区l选框工具组 l按住shift键时表示添加到选区，按住Alt键时表示与从选区减去。Alt+Shift键表示与选区交叉 l羽化：通过建立选区和选区周围像素之间的过渡边界来模糊选取边缘 2022/9/2249本讲稿第四十九页，共五十八页l套索工具组l套索工具：建立一个任意形状的选区 l多边形套索工具：创建多边形选区 l磁性套索工具：选择一个对象的边缘 l魔棒工具：选择颜色一致的区域 2022/9/2250本讲稿第五十页，共五十八页调整选区 l移动选区l按住Shift键拖动鼠标，可以在45度的倍数方向上移动选区。使用箭头键以 1 个像素的增量移动选区。按住 Shift 键并使用箭头键，以 10 个像素的增量移动选区。l扩展或收缩选区 2022/9/2251本讲稿第五十一页，共五十八页图像的移动和复制 l剪切、复制、粘贴 l移动工具 l按住 Ctrl 键在另一个工具被选中时启动移动工具。l按住 Alt 键可以复制选区。这种拖动的方法不仅在图像内部有效，在不同的图像窗口也有效。l粘贴入命令 2022/9/2252本讲稿第五十二页，共五十八页绘画和绘图 l绘画工具2022/9/2253本讲稿第五十三页，共五十八页喷枪工具 l喷枪工具任务栏l笔触 l前景色和背景色的选取 l拾色器窗口 l恢复默认前景和背景色 l互换前景色和背景色 2022/9/2254本讲稿第五十四页，共五十八页4.5.3 4.5.3 图像处理实例图像处理实例l画笔的使用实例l创建形状图层实例l图层控制面板的使用l创建路径实例l使用滤镜实例l图像校正实例l图像直方图 l图像调整色阶命令 l图像调整菜单的亮度/对比度命令 l调整菜单的其他调整方法 2022/9/2255本讲稿第五十五页，共五十八页4.5.4 4.5.4 图像校正图像校正l直方图 直方图用图形来表示不同色阶像素数量。直方图表示了图像在暗调、中间调和高光中是否包含足够的细节，以便进行相应地校正。2022/9/2256本讲稿第五十六页，共五十八页4.5.5 4.5.5 应用实例应用实例渐变的蒙板图层的不透明度和显示模式2022/9/2257本讲稿第五十七页，共五十八页4.64.6 小小 结结 本章阐述了多媒体图像处理的基本知识：图像的色彩模式、显示和存储方法；图像文件的各种存储格式、压缩技术和压缩编码方法的国际标准JPEG标准和MPEG标准；图像的采集和获取方法。最后以图像处理软件Photoshop为例，阐述了Photoshop的界面组成和基本操作，以及各种图像处理方法和滤镜特效处理。2022/9/2258本讲稿第五十八页，共五十八页