多媒体技术彩色数字图像基础讲稿.ppt
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1、多媒体技术彩色数字图像基础第一页,讲稿共五十五页哦2n17世纪,牛顿通过用三棱镜研究对白光的折射发现白光可世纪,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。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。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。射得较多,
2、则物体呈现相应的颜色。视觉系统对颜色的感知第二页,讲稿共五十五页哦3视觉系统对颜色的感知n可见光的波长范围为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大多数自然光都是由不同波长的光组合而成。而成。n人的视网膜有对红、绿、蓝颜色敏感程人的视网膜有对红、绿、蓝颜色敏感程度不同的三种锥体细胞,颜色只存在于度不同的三种锥体细胞,颜色只存在于眼睛和大脑中。眼睛和大脑中。颜色是视觉系统对可见颜色是视觉系统对可见光的感知结果。光的感知结果。n红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的光的感知程度不同,对不同亮度的感知光的感知程度不同,对不同亮度的感知
3、程度也不同,程度也不同,第三页,讲稿共五十五页哦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)第四页,讲稿共五十五页哦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蓝光的灵敏度远远低于对红光和绿光的灵敏度。灵敏度。n亮度响应曲线表明人眼对波长为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。左右的黄绿色最为敏感。第五页,讲稿共五十五页哦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
4、应是多(颜色)是一样的。即光谱与颜色的对应是多对一的。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光谱分布不同而看上去相同的两种颜色称为条件等色(匹配等色)。(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绝大部分可见光谱对眼睛的刺激效果都可以用红(红(700nm)、)、绿(绿(546.1nm)、蓝()、蓝(435.8nm)三色光三色光按不同比例和强度的混合来等效表示。(三刺按不同比例和强度的混合来等效表示。(三刺激理论)激理论)第六页,讲稿共五十五页哦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匹配任意可见光所需的三原色光比例曲线第七页,讲稿共五十五页哦8视
5、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:从人的主观感觉角度,颜色包含三个要素:1、色调(、色调(hue):):色调反映颜色的类别,分为红黄、色调反映颜色的类别,分为红黄、绿、蓝、紫绿、蓝、紫5种主色调。种主色调。第八页,讲稿共五十五页哦9视觉系统对颜色的感知2、饱和度(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,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。或越纯;而饱和度越小,颜色就越浅,或纯度越低。高饱和度
6、的彩色光可因掺入白光而降低纯度或变浅,高饱和度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。变成低饱和度的色光。100%饱和度的色光就代表完饱和度的色光就代表完全没有混入白光的纯色光。全没有混入白光的纯色光。第九页,讲稿共五十五页哦10视觉系统对颜色的感知3、明亮度(、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。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。一般来说,彩色光能量大则显得亮,反之则暗。大量试验表明,人的眼睛能分辨大量试验表明,人的眼睛能分辨128种不同的色调,种不同的色调,1030种不同的饱和度,而对
7、亮度非常敏感。种不同的饱和度,而对亮度非常敏感。第十页,讲稿共五十五页哦11颜色模型n颜色模型(颜色模型(color model)是用来精确标定和生成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。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定用代表三个参数的三维坐标来指定n对于人来说,可以通过色调、饱和度和亮度来定义对于人来说,可以通过色调、饱和度和亮度来定义颜色(颜色(HSV颜色模型);对于
8、显示设备来说,可以颜色模型);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(用红、绿、蓝磷光体的发光量来描述颜色(RGB颜颜色模型);对于打印设备来说,可以使用青色、品红、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(黄色和黑色颜料的用量来指定颜色(CMYK颜色模颜色模型)。型)。第十一页,讲稿共五十五页哦12n 理论上绝大部分可见光谱都可用红、绿和蓝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。三色光按不同比例和强度的混合来表示。颜色颜色CR(红色的百分比红色的百分比)G(绿色的百分比绿色的百分比)B(蓝色
9、的百分比蓝色的百分比)n RGB模型称为相加混色模型,用于光照、视频和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。光线产生彩色。RGB颜色模型第十二页,讲稿共五十五页哦13RGB颜色模型RGB颜色模型(R-red,G-green,B-blue)第十三页,讲稿共五十五页哦14RGB颜色模型第十四页,讲稿共五十五页哦15RGB图像R分量图像G分量图像B分量图像第十五页,讲稿共五十五页哦16第十六页,讲稿共五十五页哦17CMYK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(青在理论上,绝大多数颜色
10、都可以用三种基本颜料(青色色cyan、品红品红magenta、和黄色和黄色yellow)按一定比按一定比例混合得到,记为例混合得到,记为CMY模型。模型。n理论上,青色理论上,青色、品红和黄色三种基本色素等量混合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,一些杂质,这三种油墨混合实际上产生一种土灰色,必须与黑色必须与黑色(K)油墨混合才能产生真正的黑色,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所以再加入黑色作为基本色形成CMYK颜色模型。颜色模型。nCMY
11、K模型称为相减混色模型模型称为相减混色模型。第十七页,讲稿共五十五页哦18CMY颜色模型第十八页,讲稿共五十五页哦19CMY颜色模型RGB彩色空间和CMY彩色空间的表示法第十九页,讲稿共五十五页哦20HSV颜色模型 HSV色彩模型示意图n HSV(Hue,Saturation,Value)颜色模型n 在HSV颜色模型中,每一种颜色和它的补色相差180o,n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。nH:0,360o,S:0,1,V:0,1 n在圆锥
12、的顶点处,V=0,H和S无定义,代表黑色。n 圆锥的顶面中心处S=0,V=1,H无定义,代表白色。第二十页,讲稿共五十五页哦21HSV颜色模型第二十一页,讲稿共五十五页哦22HSV图像H分量图像S分量图像V分量图像第二十二页,讲稿共五十五页哦23n HSV颜色模型具有以下的优点颜色模型具有以下的优点 n 符合人眼对颜色的感觉。n 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。n 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,
13、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颜色模型第二十三页,讲稿共五十五页哦24CIE(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。n 设备无关性:n CIE颜色模型的提出n CIE颜色模型的类型第二
14、十四页,讲稿共五十五页哦25CIE 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。1931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彩色图表第二十五页,讲稿共五十五页哦26CIE L*a*b*L*a*b*颜色空间是在1
15、976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)、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:从蓝色到黄色第二十六页,讲稿共五十五页哦27CIE 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
16、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、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。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
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