学习目标

了解数字图像处理技术的基本概念；

了解数字图像处理技术的基本属性；

了解数字图像颜色模型；

掌握数字图像的种类；

掌握数字图像获取技术；

理解数字图像的创意设计；

理解数字图像的编辑技术；

3.1.1 视觉系统的图像感知

• 眼睛看到的自然景观或图像，除了本身的特征外，还与一个重要的因素：颜色。    

• 在同一种光线条件下，之所以会看到不同景物具有各种不同的颜色，这是因为物体的表面具有吸收或反射不同光线的能力。

• 光不同，眼睛就会看到不同的色彩。色彩的发生，是光对人的视觉和大脑发生作用的结果，是一种视知觉。由此看来，需要经过“光——眼——神经”的过程才能见到色彩。

• 当人的眼睛受到380～780nm范围内可见光谱的刺激以后，除了有亮度的反应外，同时产生色彩的感觉。一般情况下光进入视觉通过以下三种形式。

（1）光源。光源发出的色光直接进入视觉，像霓虹灯、日光灯、蜡烛等的光线都可以直接进   入视觉。

（2）透射光。光源穿过透明或半透明物体后再进入视觉的光线，称为透射光。透射光的亮度和颜色取决于入射光穿过被透射物体之后所达到的光透射率及波长特征。

（3）反射光。反射光是光进入眼睛的最普遍的形式。在有光线照射的情况下，眼睛能看到的任何物体都是该物体的反射光进入视觉所致。

• 正常色觉的人，大致能区分750万种色彩。视神经感受到光线刺激，转化为神经冲动，通过神经纤维，将信息传达到大脑的视觉中枢，产生色彩的感觉。

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3.1.2 数字图像的种类及特点

• 按照图像在计算机中显示时不同的生成方式可以将图像分为矢量图（形）和点位图（像）。所谓矢量图是用一系列计算机指令来表示一幅图，如点、线、曲线、圆、矩形等。在显示图时，也往往能看到画图的过程。

• 矢量图有许多优点，由于矢量图可通过公式计算获得，所以矢量图文件体积一般较小。矢量图文件的大小主要取决图的复杂程度。当然，矢量图最大的优点还在于当它被放大、缩小或旋转等不会失真。矢量图与分辨率无关，可以将它缩放到任意大小和以任意分辨率在输出设备上打印出来，都不会影响清晰度。

• 它最大的缺点是难以表现色彩层次丰富的逼真图像效果，遇到这种情况往往就要采用点位图表示。

  

• 点位图也简称位图。点位图与矢量图不同，它是把一幅图分成许多的像素，每个像素用若干个二进制位来指定该像素的颜色、亮度和属性。因此一幅图由许多描述每个像素的数据组成，而这些数据作为一个文件来存储，这种文件又称为位图文件。位图与分辨率有关，换句话说，它包含固定数量的像素，代表图像数据。另外，点位图文件占据的存储器空间比较大。但是点位图在表现复杂的图像和丰富的色彩方面有明显的优势。

  

• 矢量图和点位图之间可以用软件进行转换，由矢量图转换成点位图采用光栅化(rasterizing)技术，这种转换也相对容易；由点位图转换成矢量图用跟踪(tracing)技术，这种技术在理论上说是容易，但在实际中很难实现，对复杂的彩色图像尤其如此。

•  所谓图像格式即图像文件存放在存储器上的格式，各种文件格式通常是为特定的应用程序创建的。这些文件格式大致上可以分为两大类：一类是属于位图图像文件格式，另一类是属于矢量图形的文件格式。位图图像常用的文件格式有以下几种。

  （1）PSD图像格式。扩展名是PSD,全名为Photoshop Document，它是Photoshop的专用文件格式，也是惟一可以存取所有Photoshop特有的文件信息以及

  （2）BMP图像格式。扩展名是BMP，全名为Bitmap-File。它是Windows采用的图像文件存储格式，在Windows环境下运行的所有图像处理软件都支持这种格式。该图像格式采用的是无损压缩，因此其优点是图像完全不失真，其缺点是图像文件的尺寸较大。

  （3）JPEG图像格式。扩展名是JPG，全名为Joint Photograhic Experts Group。它利用一种失真式的图像压缩方式将图像压缩在很小的储存空间中，其压缩比率通常在10:1～40:1之间。这样可以使图像占用较小的空间，所以很适合应用在网页的图像中。JPEG格式的图像主要压缩的是高频信息，对色彩的信息保留较好，因此也普遍应用于需要连续色调的图像中。

  （4）GIF图像格式。扩展名是GIF，全名是Graphics Interchange Format。此种格式的图像特点是文件尺寸较小，支持透明背景，特别适合作为网页图像。此外，GIF文件格式可在一个文件中存放多幅彩色图形、图像。如果在GIF文件中存放有多幅图，它们可以像演幻灯片那样显示或者像动画那样演示。

  （5）TIFF图像格式。扩展名是TIF，全名是Tagged Image File Format。它是一种非失真的压缩格式(最高也只能做到2～3倍的压缩比)能保持原有图像的颜色及层次，但占用空间却很大。例如一个200万像素的图像，差不多要占用6MB的存储容量，故TIFF常被应用于比较专业的用途，如书籍出版、海报等，极少应用于互联网上。

  矢量图形的文件格式主要有以下几种：

（1）CDR格式。CDR是CorelDraw中的一种矢量图形文件格式。它是所有    CorelDraw应用程序中均能够使用的一种文件格式。                                                 （2）DWG格式。DWG是AutoCAD中使用的一种图形文件格式。                         （3）DXF格式。DXF是AutoCAD中的图形文件格式，它以ASCII码方式存储图形，  在表现图形的大小方面十分精确，可被CorelDraw、3dMAX等大型软件调用编辑。 （4）EPS。EPS是用PostScript语言描述的一种ASCII图形文件格式，在PostScript    图形打印机上能打印出高品质的图形图像，最高能表示32位图形图像。

3.1.3 数字图像的颜色模式

• 图像颜色的模型，即颜色的表示模型，通常简称为颜色模型，被用来描述人们能感知的和处理的颜色。

•  在颜色模型中，所有被定义的颜色形成了坐标系的彩色空间。每一种颜色表示颜色坐标系中的一个点，可以使用数值来衡量。

• 常见的颜色模型包括RGB，CMYK，HSB，YUV和CIE L*a*b五种。

• 一般来说，显示时采用RGB颜色模型，印刷用CMYK颜色模型，彩色全电视信号数字化采用YUV颜色模型。为了便于彩色处理和识别，视觉系统又常采用HSB颜色模型。              （1）RGB颜色模型。颜色模型是用来描述人们能感知的和处理的颜色。RGB颜色模型是颜色最基本的表示模型，也是计算机系统彩色显示器采用的颜色模型。其中，R，G，B分别代表红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）三色。RGB颜色模型通常用图3-1所示的单位立方体来表示。

图3-1 RGB立方体

• RGB颜色模型也称为加色模型，各种颜色由不同比例红、绿、蓝3种基本色的叠加而成。当三基色按不同强度相加时得到的颜色称为相加色。任意颜色F的配色方程为：

                      F＝r[R]＋g[G]＋b[G]




      式子中r[R]、g[G]、b[G]为F色的三色分量。




      三基色相加的结果如图3-2所示。如果r[R]、g[G]、b[G]三个分量各占一个字节（8           位），这样共可表示2^24=16 777 216种颜色。







                                     图3-2 RGB三基色叠加效果                                           （2）CMYK 颜色模型。CMYK 模型以打印在纸上的油墨的光线吸收特性为基础。当白光照射到半透明油墨上时，色谱中的一部分被吸收，而另一部分被反射回眼睛。哪些光波反射到眼睛中，决定了人们能感知的颜色。CMYK模型中也定义了颜料的三种基本颜色——青色(Cyan)、品红(Magenta)和黄色(Yellow)。在理论上说，任何一种颜色都可以用这三种基本颜料按一定比例混合得到。由于所有打印油墨都包含一些杂质，因此这三种油墨实际生成土灰色，必须与黑色(K) 油墨合成才能生成真正的黑色（为避免与蓝色混淆，黑色用K而非B表示），所以CMY又写成CMYK。

与RGB模型相对，CMYK模型被称为减色模型。理论上，在相减混色中，等量黄色(Y)和品红(M)相减而青色(C)为0时，得到红色(R)；等量青色(C)和品红(M)相减而黄色(Y)为0时，得到蓝色(B)；等量黄色(Y)和青色(C)相减而品红(M)为0时，得到绿色(G)。100%的三种基本颜料合成将吸收所有颜色而生成黑色。这些三基色相减结果如图3-3所示。

                        图3-3 CMYK颜色模型减色效果                                                  （3）HSB 颜色模型。RGB、CMY都是硬件设备使用的颜色模型，比较而言，HSB模型是面向用户的。

HSB 模型建立在人类对颜色的感觉基础之上。H表示色调（也称色相）、S表示饱和度、 B表示亮度。–色调反映颜色的种类，如红色、橙色或绿色，是人们眼看一种或多种波长的光时产生的彩色感觉。–饱和度是指颜色的深浅程度或纯度，即各种颜色混入白色的程度。要减少颜色的饱和度可在该颜色中添加白色。对同一色调的光，饱和度越高则颜色越鲜艳或者说越纯。色调和饱和度通常统称为色度。–亮度是颜色的相对明暗程度。HSB颜色模型可用图3-4表示。                                                                                            

       图3-4  HSB颜色模型                        图3-5 色浓、色深、色调之间的关系




用HSB表示颜色很容易为画家所理解。画家配色的方法与HSB模型是相对应的。画家的做法是，在一种纯色中加入白色以改变色浓，加入黑色以改变色深，若同时加入不同比例的白色、黑色，即可获得各种不同的色调。图3-5为某个固定色彩的颜色的三角形表示。                                                                                                                                 （4）YUV和YIQ颜色模型。彩色全电视信号采用YUV和YIQ模型表示彩色电视的图像。不同的电视制式采用的颜色模型不同。我国和一些西欧国家采用PAL电视制式（在下一章中有讲解），在PAL彩色电视制式中使用YUV模型，其中的Y表示亮度，UV用来表示色差，U、V是构成彩色的两个分量；在美国、加拿大等国采用的NTSC彩色电视制式中使用YIQ模型，其中的Y表示亮度，I、Q是两个彩色分量。

采用YUV颜色模型的有两个优点。一个优点是解决了彩色电视与黑白电视的兼容问题。这样使黑白电视能够接收彩色电视信号。

另一个优点是可以利用人眼的特性来降低数字彩色图像所需要的存储容量。一幅大小为640×480像素的彩色图像，用8：2：2YUV格式（即Y分量用8位表示，而对每四个相邻像素(2×2)的U、V值分别用相同的一个值表示）来表示，所需要的存储容量为640*480*（8+2+2）/8=460 800字节。若采用RGB 8∶8∶8格式表示，所需要的存储容量为640*480*（8+8+8）/8=921 600字节。在我国的PAL/D制式中，亮度Y的带宽为6MHz，色差U、V的带宽为1.3MHz。

YIQ颜色模型的I、Q与YUV模型的U、V虽也为色差信号，但它们在色度矢量图中的位置却是不同的。Q、I正交坐标轴与U、V正交坐标轴之间有33o夹角，如图3-6所示。                                        

                                   图3-6 YUV和YIQ彩色空间的关系                                           （5）CIELab颜色模型。Lab 颜色模型设计目的是为了得到不依赖于具体设备的颜色标准，从而在实际使用中不论使用何种设备（如显示器、打印机、计算机或扫描仪）均能制作和输出完全一致的颜色。

Lab 颜色由亮度或光亮度分量 (L) 和两个色度分量组成：a分量保存从绿色到红色所对应的色彩信息；b分量保存从蓝色到黄色所对应的色彩信息，如图3-7所示。单个a或b无意义，只有a，b结合才有意义。

                                   图3-7  Lab 模型