圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)(00001)課件

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(duì)于顏色的特性和行為的解釋方法。一般對(duì)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(huì)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(gè)模型中，一種顏色的參數(shù)便是H、S、V三個(gè)分量構(gòu)成的三元組。HSV模型YCbCr模型YCbCr模型又稱為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(duì)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(chǔ)空間為8位無符號(hào)整型數(shù)據(jù)空間，且Y的取值范圍為16~235，Cb和Cr的取值范圍為16~240。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)點(diǎn)就是將灰度信息和顏色信息區(qū)分開來。Lab色彩空間由國際照明協(xié)會(huì)（CIE）在1931年制定包括人眼所能看到的所有顏色是目前為止色域最寬的色彩空間，其每一色值組合對(duì)應(yīng)一種確定的、與設(shè)備無關(guān)的色彩?！袄碚摶钡纳?，使不同設(shè)備的色彩能夠相互比較、模擬和匹配。在輸出、輸入設(shè)備有限的色域范圍內(nèi)安全地進(jìn)行色彩傳遞幾種顏色空間的色域RGB色彩空間RGB對(duì)應(yīng)的是紅綠藍(lán)三種原色光，這是因?yàn)樽匀唤绲乃蓄伾伎梢杂眠@三種光混合而成。在描述時(shí)，用R、G、B作為相互垂直的坐標(biāo)軸來表示，是一種加光模式RGB色彩空間在色彩的處理過程中主要是用來描述像顯示器、電視、掃描儀、數(shù)字相機(jī)等設(shè)備的以顯示器為例，三種基色的中每一種都有一個(gè)0~255的值的范圍，通過對(duì)紅、綠、藍(lán)的各種值進(jìn)行組合來改變象素的顏色。所有基色的相加便形成白色。反之，當(dāng)所有的基色的值都為0時(shí)，便得到了黑色。RGB色彩空間又有AdobeRGB、AppleRGB、sRGB

、ColorMatchRGB、WideGamutRGB、CIEGB、MonitorRGB/SimplifiedMonitorRGB等幾種AdobeRGB色彩空間AdobeRGB由Adobe公司在1998年制定，其雛形最早用在Photoshop5.x中，被稱為SMPTE-240M具備非常大的色彩范圍，其絕大部分色彩卻又是設(shè)備可呈現(xiàn)的，這一色彩空間全部包含了CMYK的色彩范圍，為印刷輸出提供了便利，可以更好地還原原稿的色彩，在出版印刷領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用高端數(shù)碼相機(jī)采用AdobeRGB色彩空間，層次較豐富，但色彩飽和較低AdobeRGB色域的顯示問題

AdobeRGB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-bitsRGB色域，如果采用AdobeRGB色域處理數(shù)碼相片時(shí)可能會(huì)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10bitcolor時(shí)，色階大為廣闊，能有更廣闊的色域，可解決AdobeRGB的色域問題。采用10bitcolor，需顯示器、顯卡和應(yīng)用程序的支持，如Adobe的PhotoshopCS4、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(shí)，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(shí)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(shí)又引入了黑色以強(qiáng)化暗調(diào)，加深暗部色彩。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)字圖像的文件格式圖像格式與圖像類型不同，指的是存儲(chǔ)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(shí)際應(yīng)用中常用到以下幾種圖像格式：BMP、JPEG、JPEG2000、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(diǎn)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、4bit、8bit及24bit。BMP文件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，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)。JPEG格式

JPEG也是常見的一種圖像格式，它由聯(lián)合照片專家組（JointPhotographicExpertsGroup）開發(fā)并以命名為"ISO10918-1"，JPEG僅僅是一種俗稱而已。它用有損壓縮方式去除冗余的圖像和彩色數(shù)據(jù)，獲取得極高的壓縮率的同時(shí)能展現(xiàn)十分豐富生動(dòng)的圖像。JPEG還是一種很靈活的格式，具有調(diào)節(jié)圖像質(zhì)量的功能，允許你用不同的壓縮比例對(duì)這種文件壓縮。完全可以在圖像質(zhì)量和文件尺寸之間找到平衡點(diǎn)。JPEG的應(yīng)用也非常廣泛，特別是在網(wǎng)絡(luò)和光盤讀物上，。目前各類瀏覽器均支持JPEG這種圖像格式，因?yàn)镴PEG格式的文件尺寸較小，下載速度快，使得Web頁有可能以較短的下載時(shí)間提供大量美觀的圖像。TIFF圖像文件格式

TIFF格式TIFF（TagImage）是一種廣泛使用的圖像格式，由Aldus和微軟聯(lián)合開發(fā)，最初是出于跨平臺(tái)存儲(chǔ)掃描圖像的需要而設(shè)計(jì)的。特點(diǎn)是圖像格式復(fù)雜、存貯信息多。因?yàn)樗鎯?chǔ)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(gè)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(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為圖像文件頭或IFH。這個(gè)結(jié)構(gòu)是一個(gè)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(gè)字節(jié)長(zhǎng)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(gè)參數(shù)。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。GIF格式

GIF即GraphicsInterchangeFormat（圖形交換格式），是上世紀(jì)80年代美國的CompuServe針對(duì)當(dāng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的限制開發(fā)出來的圖像格式。GIF格式的特點(diǎn)是壓縮比高，磁盤空間占用較少，所以這種圖像格式迅速得到了廣泛的應(yīng)用。最初的GIF只是簡(jiǎn)單地用來存儲(chǔ)單幅靜止圖像（GIF87a），后來可同時(shí)存儲(chǔ)若干幅靜止圖象進(jìn)而形成連續(xù)的動(dòng)畫，是當(dāng)時(shí)支持2D動(dòng)畫幾種格式之一（稱為GIF89a），甚至可指定透明區(qū)域，使圖像具有非同一般的顯示效果。目前網(wǎng)上大量采用的彩色動(dòng)畫文件多為這種格式。此外，考慮到網(wǎng)絡(luò)傳輸中的實(shí)際情況，GIF圖像格式還增加了漸顯方式，即在圖像傳輸過程中，用戶可先看到圖像的大致輪廓，然后隨著傳輸過程的繼續(xù)而逐步看清圖像中的細(xì)節(jié)部分，從而適應(yīng)了用戶的“從朦朧到清楚”的觀賞心理。GIF不能存儲(chǔ)超過256色的圖像。盡管如此，這種格式仍在網(wǎng)絡(luò)上大行其道，這和GIF圖像文件短小、下載速度快、可用許多具有同樣大小的圖像文件組成動(dòng)畫等優(yōu)勢(shì)是分不開的。PSD格式和PNG格式

PNG（PortableNetworkGraphics）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(zhǎng)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(gè)特點(diǎn)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(diǎn)是不支持動(dòng)畫應(yīng)用效果，如果在這方面能有所加強(qiáng)，簡(jiǎn)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PhotoshopDocument（PSD）。PSD其實(shí)是PS進(jìn)行平面設(shè)計(jì)的一張"草圖"，包含有各種圖層、通道、遮罩等多種設(shè)計(jì)的樣稿，以便于下次打開文件時(shí)可以修改上次的設(shè)計(jì)。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(huì)逐步流行起來。nAVI格式

nAVI是newAVI的縮寫，是一個(gè)名為ShadowRealm的地下組織發(fā)展起來的一種新視頻格式(與上述AVI格式?jīng)]有太大聯(lián)系)。由MicrosoftASF壓縮算法的修改而來的，但是又與下面介紹的網(wǎng)絡(luò)影像視頻中的ASF視頻格式有所區(qū)別，它以犧牲原有ASF視頻文件視頻“流”特性為代價(jià)而通過增加幀率來大幅提高ASF視頻文件的清晰度。DV-AVI格式：DV的英文全稱是DigitalVideoFormat，是由索尼、松下、JVC等多家廠商聯(lián)合提出的一種家用數(shù)字視頻格式。目前非常流行的數(shù)碼攝像機(jī)就是使用這種格式記錄視頻數(shù)據(jù)的。它可以通過電腦的IEEE1394端口傳輸視頻數(shù)據(jù)到電腦，也可以將電腦中編輯好的的視頻數(shù)據(jù)回錄到數(shù)碼攝像機(jī)中。這種視頻格式的文件擴(kuò)展名一般是.avi，所以也叫DV-AVI格式。MPEG格式

它的英文全稱為MovingPictureExpertGroup，即運(yùn)動(dòng)圖像專家組格式，家里?？吹腣CD、SVCD、DVD就是這種格式。MPEG文件格式是運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)圖像中的冗余信息，說的更加明白一點(diǎn)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(gè)壓縮標(biāo)準(zhǔn)，分別是MPEG－1、MPEG－2、和MPEG－4，另外，MPEG-7與MPEG-21仍處在研發(fā)階段。H.264格式H.264是目前最先進(jìn)的編碼格式，這種編碼的視頻一般被封裝在MP4的格式中使用，即H264編碼的視頻一般的格式都是MP4格式，這種格式的文件非常小，清晰度非常高。H.264是ITU-T的VCEG（視頻編碼專家組）和ISO/IEC的MPEG（活動(dòng)圖像編碼專家組）的聯(lián)合視頻組（JVT：jointvideoteam）開發(fā)的一個(gè)新的數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4的第10部分。98年1月開始草案征集，次年9月完成首個(gè)草案，01年5月制定了其測(cè)試模式TML-8，02年6月的JVT第5次會(huì)議通過了H.264的FCD板，03年3月正式發(fā)布。H.264格式 H.264與以前的國際標(biāo)準(zhǔn)如H.263和MPEG-4相比，最大優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：將每個(gè)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(jí)別。采用空間冗余的方法，對(duì)視頻幀的一些原始?jí)K進(jìn)行空間預(yù)測(cè)、轉(zhuǎn)換、優(yōu)化和熵編碼（可變長(zhǎng)編碼）。對(duì)連續(xù)幀的不同塊采用臨時(shí)存放的方法，這樣，只需對(duì)連續(xù)幀中有改變的部分進(jìn)行編碼，采用運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償來完成。對(duì)某些特定的塊，在一個(gè)或多個(gè)已經(jīng)進(jìn)行了編碼的幀執(zhí)行搜索來決定塊的運(yùn)動(dòng)向量，并由此在后面的編碼和解碼中預(yù)測(cè)主塊。采用剩余空間冗余技術(shù)，對(duì)視頻幀里的殘留塊編碼。如：對(duì)于源塊和相應(yīng)預(yù)測(cè)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)化組織ISO和國際電信聯(lián)盟ITU共同提出的繼MPEG4之