圖像處理基礎(chǔ)知識課件

1、圖像處理基礎(chǔ)顏色模型、色彩空間、圖像格式和視頻格式顏色模型在圖形學(xué)領(lǐng)域定義的顏色模型，就是在某種特定上下文中對于顏色的特性和行為的解釋方法。一般對色彩的討論都是基于通過紅、綠、藍(lán)三原色混合而產(chǎn)生其它顏色的成色機(jī)制。RGB顏色模型最便于諸如視頻監(jiān)視器或打印機(jī)等硬件設(shè)備上表示顏色。但在具體的圖形應(yīng)用中，我們還會用到其它的一些顏色模型。HSV模型HSV模型是面向用戶的，是一種復(fù)合主觀感覺的色彩模型。H、S、V分別指的是色調(diào)（彩）（hue）、色飽（saturation）和度和明度（value）。所以在這個模型中，一種顏色的參數(shù)便是H、S、V三個分量構(gòu)成的三元組。HSV模型YCbCr模型YCbCr模型又

2、稱為YUV模型，是視頻圖像和數(shù)字圖像中常用的色彩模型。在YCbCr模型中，Y為亮度，Cb和Cr共同描述圖像的色調(diào)（色差），其中Cb、Cr分別為藍(lán)色分量和紅色分量相對于參考值的坐標(biāo)。YCbCr模型中的數(shù)據(jù)可以是雙精度類型，但存儲空間為8位無符號整型數(shù)據(jù)空間，且Y的取值范圍為16235，Cb和Cr的取值范圍為16240。在目前通用的圖像壓縮算法中（如JPEG算法），首要的步驟就是將圖像顏色空間轉(zhuǎn)換為YCbCr空間。NTSC模型NTSC模型是一種用于電視圖像的顏色模型。NTSC模型使用的是Y.I.Q色彩坐標(biāo)系，其中，Y為光亮度，表示灰度信息；I為色調(diào)，Q為飽和度，均表示顏色信息。因此，該模型的主要優(yōu)

3、點就是將灰度信息和顏色信息區(qū)分開來。色彩空間色彩空間，通俗一點講，就是各種色彩的集合，色彩的種類越多，色彩空間越大，能夠表現(xiàn)的色彩范圍即色域越廣。有兩類色彩空間，一類是基于RGB模型的色彩空間，另一類是CMYK色彩空間幾種顏色空間的色域sRGB(標(biāo)準(zhǔn)RGB)色彩空間由微軟與惠普于1997年聯(lián)合確立，是基于PC的32位色彩空間。目前，被廣泛地應(yīng)用于顯示器、打印機(jī)、掃描儀等設(shè)備，用以提高它們與打印輸出設(shè)備間的色彩匹配，保證色彩的一致性同樣采用sRGB色彩空間的設(shè)備之間，可以實現(xiàn)色彩相互模擬，但卻是通過犧牲色彩范圍來實現(xiàn)各種設(shè)備之間色彩的一致性的，這是所有RGB色彩空間中最狹窄的一個sRGB也稱“互

4、聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)色空間”，與普通的個人電腦監(jiān)視器的特性相匹配，普通電腦顯示器一般無法再現(xiàn)超越sRGB空間色域的圖象。通常在電腦監(jiān)視器上再現(xiàn)的圖象色彩比sRGB圖象更淺些。Adobe RGB 色域的顯示問題 Adobe RGB 的色域比一般的 sRGB 色域更廣，更接近人肉眼所能感知的顏色，所以廣為專業(yè)制作人員所應(yīng)用。 主流顯示器只能輸出 8-bit sRGB 色域，如果采用 Adobe RGB 色域處理數(shù)碼相片時可能會出現(xiàn)藍(lán)色區(qū)域無法正確顯示的問題，從而導(dǎo)致偏色。 采用 10 bit color 時，色階大為廣闊，能有更廣闊的色域，可解決 Adobe RGB 的色域問題。 采用10 bit color

5、，需顯示器、顯卡和應(yīng)用程序的支持，如Adobe 的 Photoshop CS4、CS5 繪圖編輯軟件等已經(jīng)支持 。CMYK色彩空間CMYK色彩空間，是一種減光模式，它是四色打印的基礎(chǔ)。這四色是：青（Cyan）、品紅（Magenta）、黃（Yellow）、黑（Black）。青色是紅色的互補(bǔ)色。黃色是藍(lán)色的互補(bǔ)色，品紅是綠色的互補(bǔ)色，當(dāng)陽光照射一物體時，物體吸收部分光線，并將其它光線反射。反射光就是我們所看見的物體顏色，這是一種減色模式。依賴于這種減色方式，演變出了適合于打印、印刷的CMYK模式。由于在實際中這三種顏色的油墨很難疊加出真正地黑色，因此在打印、印刷時又引入了黑色以強(qiáng)化暗調(diào)，加深暗部色

6、彩。在CMYK模式下，每一種顏色都是以這四色的百分比來表示的，原色的混合將產(chǎn)生更暗的顏色。數(shù)字圖像的類型RGB圖像，采用RGB彩色模型的真彩圖像。不需使用調(diào)色板。每個像素的顏色由像素位置上紅、綠、藍(lán)亮度的組合確定?；叶葓D像，只包含亮度信息，不包含色彩信息的圖像?；叶葓D像是一個數(shù)據(jù)矩陣I，其值表示一定范圍內(nèi)的亮度值。二值圖像，每個像素的值僅為0或1的圖像，是黑白圖像。存儲空間小、處理速度快。通過二值圖像，可比較容易地獲取目標(biāo)區(qū)域的特征，便于圖像分析和識別。索引圖像，是一種把像素值直接作為RGB調(diào)色板下標(biāo)的圖像。調(diào)色板通常與索引圖像存儲在一起，裝載圖像時，調(diào)色板將和圖像一同自動裝載。 數(shù)字圖像的文

7、件格式圖像格式與圖像類型不同，指的是存儲圖像采用的文件格式。不同的操作系統(tǒng)、不同的圖像處理系統(tǒng)，所支持的圖像格式都有可能不同。在實際應(yīng)用中常用到以下幾種圖像格式：BMP、JPEG、 JPEG 2000 、TIFF/TIF、PCX、PSD、PNG、GIF格式等。在這些圖像格式中，我們使用最多的就是BMP、JPEG和PNG三種。BMP格式BMP是是一種與硬件設(shè)備無關(guān)的，Windows操作系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)圖像文件格式。隨著Windows操作系統(tǒng)的流行，BMP位圖格式理所當(dāng)然地被廣泛應(yīng)用。這種格式的特點是包含的圖像信息較豐富，占用磁盤空間過大。目前BMP在單機(jī)上比較流行。BMP文件的圖像深度可選lbit、

8、4bit、8bit及24bit。BMP文件存儲數(shù)據(jù)時，圖像的掃描方式是按從左到右、從下到上的順序。典型的BMP圖像文件由三部分組成：位圖文件頭，它包含BMP圖像文件的類型、顯示內(nèi)容等信息；位圖信息，它包含有BMP圖像的寬、高、壓縮方法；圖像數(shù)據(jù)。 JPEG2000格式 JPEG 2000同樣是由JPEG 組織負(fù)責(zé)制定的，它有一個正式名稱叫做“ISO 15444”，是JPEG格式的升級版，其壓縮率比JPEG高約30%左右。與JPEG不同的是，JPEG2000 同時支持有損和無損壓縮，而 JPEG 只能支持有損壓縮。JPEG2000的一個極其重要的特征在于它能實現(xiàn)漸進(jìn)傳輸，這一點與GIF的漸顯有異

9、曲同工之妙，即先傳輸圖像的輪廓，然后逐步傳輸數(shù)據(jù)，不斷提高圖像質(zhì)量，讓圖象由朦朧到清晰顯示，而不必是像現(xiàn)在的 JPEG 一樣，由上到下慢慢顯示。JPEG2000還支持所謂的感興趣區(qū)域特性，任意指定影像上你感興趣區(qū)域的壓縮質(zhì)量，還可以選擇指定的部份先解壓縮。 JPEG 2000 和 JPEG 相比優(yōu)勢明顯，且向下兼容，因此取代傳統(tǒng)的JPEG格式指日可待。JPEG2000可應(yīng)用于傳統(tǒng)的JPEG市場，如掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等，亦可應(yīng)用于新興領(lǐng)域，如網(wǎng)路傳輸、無線通訊等等。 TIFF圖像文件格式 TIFF格式 TIFF（Tag Image File Format）是一種廣泛使用的圖像格式，由Aldus和微

10、軟聯(lián)合開發(fā)，最初是出于跨平臺存儲掃描圖像的需要而設(shè)計的。特點是圖像格式復(fù)雜、存貯信息多。因為它存儲的圖像細(xì)微層次的信息多，圖像質(zhì)量也得以提高，有利于原稿的復(fù)制。TIFF支持多種編碼，包括RGB無壓縮、RLE壓縮及JPEG壓縮。TIFF圖像文件由三個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成，分別為文件頭、若干稱為IFD的包含標(biāo)記指針的目錄以及數(shù)據(jù)本身。TIFF圖像文件中的第一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為圖像文件頭或IFH。這個結(jié)構(gòu)是一個TIFF文件中唯一的、有固定位置的部分；IFD圖像文件目錄是一個字節(jié)長度可變的信息塊，Tag標(biāo)記是TIFF文件的核心部分，在圖像文件目錄中定義了要用的所有圖像參數(shù)，目錄中的每一目錄條目就包含圖像的一個參數(shù)

11、。TIFF是現(xiàn)存圖像文件格式中最復(fù)雜的一種，具有擴(kuò)展性、方便性、可改性，是微機(jī)上使用最廣泛的圖像文件格式之一。 PSD格式和PNG格式 PNG（Portable Network Graphics）是一種新興的網(wǎng)絡(luò)圖像格式。1994由于Unysis公司宣布GIF擁有專利的壓縮方法，從而促使結(jié)合GIF及JPG兩家之長的PNG 誕生，96年10月由PNG向國際網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟提出并得到推薦認(rèn)可。它能把圖像文件壓縮到極限以利于網(wǎng)絡(luò)傳輸，但又能保留所有與圖像品質(zhì)有關(guān)的信息；它的另一個特點是顯示速度很快，只需下載1/64的圖像信息就可以顯示出低分辨率的預(yù)覽圖像；PNG還支持透明圖像的制作。PNG的缺點是不支持動畫

12、應(yīng)用效果，如果在這方面能有所加強(qiáng)，簡直就可以完全替代GIF和JPEG了。如今在網(wǎng)絡(luò)上比較流行這種格式。PSD格式是Adobe公司的圖像處理軟件PS的專用格式Photoshop Document（PSD）。PSD其實是PS進(jìn)行平面設(shè)計的一張草圖，包含有各種圖層、通道、遮罩等多種設(shè)計的樣稿，以便于下次打開文件時可以修改上次的設(shè)計。在PS所支持的各種圖像格式中，PSD的存取速度比其它格式快很多，功能也很強(qiáng)大。由于PS越來越被廣泛地應(yīng)用，相信這種格式也會逐步流行起來。 AVI格式AVI格式：它的英文全稱為Audio Video Interleaved，即音頻視頻交錯格式。它于1992年被Microso

13、ft公司推出，隨Windows3.1一起被人們所認(rèn)識和熟知。所謂“音頻視頻交錯”，就是可以將視頻和音頻交織在一起進(jìn)行同步播放。這種視頻格式的優(yōu)點是圖像質(zhì)量好，可以跨多個平臺使用，其缺點是體積過于龐大，而且更加糟糕的是壓縮標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，最普遍的現(xiàn)象就是高版本W(wǎng)indows媒體播放器播放不了采用早期編碼編輯的AVI格式視頻，而低版本W(wǎng)indows媒體播放器又播放不了采用最新編碼編輯的AVI格式視頻，所以我們在進(jìn)行一些AVI格式的視頻播放時常會出現(xiàn)由于視頻編碼問題而造成的視頻不能播放或即使能夠播放，但存在不能調(diào)節(jié)播放進(jìn)度和播放時只有聲音沒有圖像等一些莫名其妙的問題，如果用戶在進(jìn)行AVI格式的視頻播放時

14、遇到了這些問題，可以通過下載相應(yīng)的解碼器來解決。 MPEG格式 它的英文全稱為Moving Picture Expert Group，即運動圖像專家組格式，家里常看的VCD、SVCD、DVD就是這種格式。MPEG文件格式是運動圖像壓縮算法的國際標(biāo)準(zhǔn)，它采用了有損壓縮方法減少運動圖像中的冗余信息，說的更加明白一點就是MPEG的壓縮方法依據(jù)是相鄰兩幅畫面絕大多數(shù)是相同的，把后續(xù)圖像中和前面圖像有冗余的部分去除，從而達(dá)到壓縮的目的(其最大壓縮比可達(dá)到200:1)。目前MPEG格式有三個壓縮標(biāo)準(zhǔn)，分別是MPEG1、MPEG2、和MPEG4，另外，MPEG-7與MPEG-21仍處在研發(fā)階段。 MPEG格

15、式MPEG1：制定于1992年，它是針對1.5Mbps以下數(shù)據(jù)率的數(shù)字存儲媒體運動圖像及伴音編碼而設(shè)計的國際標(biāo)準(zhǔn)。即VCD制作格式。使用MPEG-1，可把一部120分鐘長的電影壓縮到1.2GB左右大小。這種視頻格式的文件擴(kuò)展名包括.mpg、.mlv、.mpe、.mpeg及VCD光盤中的.dat文件等。MPEG2：制定于1994年，目標(biāo)為高級工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖像質(zhì)量以及更高的傳輸率。主要應(yīng)用在DVD/SVCD的制作(壓縮)方面，同時在一些HDTV和一些高要求視頻編輯、處理上面也有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用。這種視頻格式的文件擴(kuò)展名包括.mpg、.mpe、.mpeg、.m2v及DVD光盤上的.vob文件等。 MPEG格

16、式MPEG3（MPEG AUDIO LAYER 3）是一種具有高壓縮率的音響信號文件?？膳cCD/MD的音質(zhì)媲美。MP3高達(dá)10比1的壓縮比率。MPEG4：制定于1998年，MPEG4是為了播放流媒體的高質(zhì)量視頻而專門設(shè)計的，它可利用很窄的帶寬，通過幀重建技術(shù)，壓縮和傳輸數(shù)據(jù)，以求使用最少的數(shù)據(jù)獲得最佳的圖像質(zhì)量。目前MPEG-4最有吸引力的地方在于它能夠保存接近于DVD畫質(zhì)的小體積視頻文件。另外，還包含了以前MPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)所不具備的比特率的可伸縮性、動畫精靈、交互性甚至版權(quán)保護(hù)等特殊功能。這種視頻格式的文件擴(kuò)展名包括.asf、.mov和DivX AVI等。 H.264格式H.264與以前的國

17、際標(biāo)準(zhǔn)如H.263和MPEG-4相比，最大優(yōu)勢體現(xiàn)在以下四個方面： 將每個視頻幀分離成由像素組成的塊，因此視頻幀的編碼處理的過程可以達(dá)到塊的級別。 采用空間冗余的方法，對視頻幀的一些原始塊進(jìn)行空間預(yù)測、轉(zhuǎn)換、優(yōu)化和熵編碼（可變長編碼）。 對連續(xù)幀的不同塊采用臨時存放的方法，這樣，只需對連續(xù)幀中有改變的部分進(jìn)行編碼，采用運動預(yù)測和運動補(bǔ)償來完成。對某些特定的塊，在一個或多個已經(jīng)進(jìn)行了編碼的幀執(zhí)行搜索來決定塊的運動向量，并由此在后面的編碼和解碼中預(yù)測主塊。 采用剩余空間冗余技術(shù)，對視頻幀里的殘留塊編碼。如：對于源塊和相應(yīng)預(yù)測塊的不同，再次采用轉(zhuǎn)換、優(yōu)化和熵編碼。 H.264格式H.264是國際標(biāo)準(zhǔn)

18、化組織ISO和國際電信聯(lián)盟ITU共同提出的繼MPEG4之后的新一代數(shù)字視頻壓縮格式，既保留了以往壓縮技術(shù)的優(yōu)點和精華又具有其他壓縮技術(shù)無法比擬的許多優(yōu)點。 低碼率：和MPEG2和MPEG4 ASP等壓縮技術(shù)相比，在同等圖像質(zhì)量下，采用H.264技術(shù)壓縮后的數(shù)據(jù)量只有MPEG2的1/8，MPEG4的1/3。顯然，H.264壓縮技術(shù)的采用將大大節(jié)省用戶的下載時間和數(shù)據(jù)流量收費。 高質(zhì)量的圖象：H.264能提供連續(xù)、流暢的高質(zhì)量圖象（DVD質(zhì)量）。 容錯能力強(qiáng)：H.264提供了解決在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯誤的必要工具。 網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)：H.264提供了網(wǎng)絡(luò)抽象層（Network Abstraction Layer）, 使得H.264的文件能容易地在不同網(wǎng)絡(luò)上