第二章 数字图像处理基础 2.1 图像文件格式图像文件格式 2.2 色度学基础色度学基础2.3 颜色模型颜色模型 2.1 图像文件格式图像文件格式 数字图像有多种存储格式，每种格式一般由不同的开发商支持。随着信息技术的发展和图像应用领域的不断拓宽，还会出现新的图像格式。因此，要进行图像处理，必须了解图像文件的格式， 即图像文件的数据构成。每一种图像文件均有一个文件头， 在文件头之后才是图像数据。文件头的内容由制作该图像文件的公司决定，一般包括文件类型、文件制作者、制作时间、版本号、 文件大小等内容。各种图像文件的制作还涉及到图像文件的压缩方式和存储效率等。2.3.1 BMP图像文件格式图像文件格式 第一部分为位图文件头BITMAPFILEHEADER， 它是一个结构体，其定义如下： typedef struct tagBITMAPFILEHEADER WORD bfType; DWORDbfSize; WORDbfReserved1; WORDbfReserved2; DWORDbfOffBits; BITMAPFILEHEADER; 这个结构的长度是固定的，为14个字节（WORD为无符号16位二进制整数，DWORD为无符号32位二进制整数）。 第二部分为位图信息头BITMAPINFOHEADER，也是一个结构，其定义如下：typedef struct tagBITMAPINFOHEADER DWORD biSize; LONGbiWidth; LONGbiHeight; WORDbiPlanes; WORDbiBitCount; DWORDbiCompression; DWORDbiSizeImage; LONGbiXPelsPerMeter; LONGbiYPelsPerMeter; DWORDbiClrUsed; DWORDbiClrImportant; BITMAPINFOHEADER; 这个结构的长度是固定的，为40个字节（LONG为32位二进制整数）。其中，biCompression的有效值为BI_RGB、 BI_RLE8、 BI_RLE4、BI_BITFIELDS，这都是一些Windows定义好的常量。由 于 RLE4和 RLE8的 压 缩 格 式 用 的 不 多 ， 今 后 仅 讨 论biCompression的有效值为BI_RGB，即不压缩的情况。 第三部分为调色板(Palette)，当然，这里是对那些需要调色板的位图文件而言的。真彩色图像是不需要调色板的， BITMAPINFOHEADER后直接是位图数据。调色板实际上是一个数组， 共有biClrUsed个元素（如果该值为零，则有2的biBitCount次方个元素）。数组中每个元素的类型是一个RGBQUAD结构， 占4个字节，其定义如下： typedef struct tagRGBQUAD BYTE rgbBlue; /该颜色的蓝色分量 BYTE rgbGreen;/该颜色的绿色分量 BYTE rgbRed;/该颜色的红色分量 BYTE rgbReserved;/保留值 RGBQUAD; 第四部分就是实际的图像数据。对于用到调色板的位图， 图像数据就是该像素颜色在调色板中的索引值，对于真彩色图像， 图像数据就是实际的R、 G、 B值。下面就2色、 16色、256色和真彩色位图分别介绍。 对于2色位图，用1位就可以表示该像素的颜色（一般0表示黑， 1表示白），所以一个字节可以表示8个像素。 对于16色位图，用4位可以表示一个像素的颜色，所以一个字节可以表示2个像素。 对于256色位图，一个字节刚好可以表示1个像素。 下面两点请读者注意： （1） 每一行的字节数必须是4的整数倍，如果不是，则需要补齐。这在前面介绍biSizeImage时已经提到过。 （2） BMP文件的数据存放是从下到上，从左到右的。也就是说， 从文件中最先读到的是图像最下面一行的左边第一个像素， 然后是左边第二个像素， 接下来是倒数第二行左边第一个像素， 左边第二个像素。依次类推， 最后得到的是最上面一行的最右边的一个像素。 2.2 色度学基础色度学基础 在前面学习灰度图像时，图像的像素值是光强， 即二维空间变量的函数f(x, y)。如果把灰度值看成是二维空间变量和光谱变量的函数f(x, y, )，即多光谱图像，也就是通常所说的彩色图像。在计算机上显示一幅彩色图像时，每一个像素的颜色是通过三种基本颜色（即红、绿、蓝）合成的，即最常见的RGB颜色模型。要理解颜色模型， 首先应了解人的视觉系统。 1 三色原理三色原理 在人的视觉系统中存在着杆状细胞和锥状细胞两种感光细胞。杆状细胞为暗视器官，锥状细胞是明视器官，在照度足够高时起作用， 并能分别辨颜色。锥状细胞将电磁光谱的可见部分分为三个波段：红、绿、蓝。由于这个原因，这三种颜色被称为三基色， 图2-7表示了人类视觉系统三类锥状细胞的光谱敏感曲线。 颜色由光波的频率决定 图2-7 人类感光细胞的敏感曲线 根据人眼的结构，所有颜色都可看作是三种基本颜色R表示红（Red）、 G表示绿（Green)和B表示蓝（Blue)按照不同的比例组合而成。为了建立标准，国际照度委员会(CIE)早在1931年就规定三种基本色的波长分别为R：700 nm，G：546.1 nm，B： 435.8 nm。 前面已讲过，一幅彩色图像的像素值可看作是光强和波长的函数值f(x, y, )，但实际使用时，将其看作是一幅普通二维图像， 且每个像素有红、绿、蓝三个灰度值会更直观些。 2 颜色的三个属性颜色的三个属性 颜色是外界光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。颜色分两大类：非彩色和彩色。非彩色是指黑色、白色和介于这两者之间深浅不同的灰色， 也称为无色系列。彩色是指除了非彩色以外的各种颜色。颜色有三个基本属性， 分别是色调、 饱和度和亮度。基于这三个基本属性，提出了一种重要的颜色模型HSI（Hue、 Saturation、 Intensity）。在HSI颜色模型部分中， 我们将详细介绍这三个基本属性。 为了科学地定量描述和使用颜色，人们提出了各种颜色模型。目前常用的颜色模型按用途可分为两类，一类面向诸如视频监视器、 彩色摄像机或打印机之类的硬件设备。另一类面向以彩色处理为目的的应用，如动画中的彩色图形。面向硬件设备的最常用彩色模型是RGB模型，而面向彩色处理的最常用模型是HSI模型。另外，在印刷工业上和电视信号传输中，经常使用CMYK和YUV色彩系统。 2.3 颜色模型颜色模型 1. RGB模型模型 RGB模型用三维空间中的一个点来表示一种颜色，如图2-8所示。每个点有三个分量，分别代表该点颜色的红、绿、蓝亮度值， 亮度值限定在0, 1。 在RGB模型立方体中，原点所对应的颜色为黑色，它的三个分量值都为零。距离原点最远的顶点对应的颜色为白色，它的三个分量值都为1。从黑到白的灰度值分布在这两个点的连线上， 该线称为灰色线。立方体内其余各点对应不同的颜色。彩色立方体中有三个角对应于三基色红、绿、蓝。剩下的三个角对应于三基色的三个补色黄色、 青色（蓝绿色）、品红（紫色）。 图2-8 RGB模型单位立方体 2. HSI模型模型 HSI模型是Munseu提出的， 它反映了人的视觉系统观察彩色的方式，在艺术上经常使用HSI模型。HSI模型中，H表示色调(Hue)，S表示饱和度(Saturation)， I表示亮度(Intensity，对应成像亮度和图像灰度)。这个模型的建立基于两个重要的事实： I分量与图像的彩色信息无关； H和S分量与人感受颜色的方式是紧密相联的。这些特点使得HSI模型非常适合借助人的视觉系统来感知彩色特性的图像处理算法。 图2-9中的色相环描述了色相和饱和度两个参数。色相由角度表示，它反映了该彩色最接近什么样的光谱波长。一般假定0表示的颜色为红色， 120的为绿色， 240的为蓝色。 饱和度是指一个颜色的鲜明程度，饱和度越高，颜色越深， 如深红，深绿。饱和度参数是色环的原点（圆心）到彩色点的半径的长度。由色相环可以看出，环的边界上纯的或饱和的颜色， 其饱和度值为1。在中心是中性（灰色）阴影， 饱和度为0。 图2-9 色相环 亮度是指光波作用于感受器所发生的效应，其大小由物体反射系数来决定，反射系数越大，物体的亮度愈大，反之愈小。 HSI模型的三个属性定义了一个三维柱形空间， 如图2-10所示。灰度阴影沿着轴线从底部的黑变到顶部的白，具有最高亮度。最大饱和度的颜色位于圆柱上顶面的圆周上。 图2-10 柱形彩色空间 1) RGB转换到HSI 对任何3个0， 1范围内的R、G、B值，其对应HSI模型中的I、S、H分量的计算公式为 (2-4) 式（2-4）计算出的H值的范围为 0, 180， 对应于。在时，值大于180,只要令360H，即可把转换到180，360区间。所以若将两种情况都考虑上， 则由式（2-4）算得的是在0，360范围内。当S0时对应的是无色彩的中心点，这时H就没有意义，此时定义H为0。当I0时，S也没有意义。 2) HSI转换到RGB 假设S、I的值在0，1之间，R、G、B的值也在0，1之间，则HSI转换为RGB的公式为(分成3段以利用对称性) （1）当H在0，120之间 (2-5) (2) 当H在120，240之间 (2-6) (3) 当H在240，360之间 (2-7) 3. CMYK表色系统表色系统 CMYK表色系统也是一种常用的表示颜色的方式。计算机屏幕显示通常用RGB表色系统，它是通过相加来产生其他颜色， 这种做法通常称为加色合成法(Additive Color Synthesis)。而在印刷工业上则通常用CMYK表色系统，它是通过颜色相减来产生其他颜色的，所以称这种方式为减色合成法(Subtractive Color Synthesis)。 CMYK模式的原色为青色(Cyan)、品红色(Magenta)、黄色(Yellow)和黑色（Black）。在处理图像时，一般不用CMYK模式， 主要是因为这种模式的文件大， 占用的磁盘空间和内存大。这种模式一般在印刷时使用。 4. 其他表色系其他表色系 1） YUV电视信号彩色坐标系统 YUV彩色电视信号传输时，将R、G、B改组成亮度信号和色度信号。PAL制式将R、G、B三色信号改组成Y、U、V信号， 其中Y信号表示亮度，U、V信号是色差信号。 RGB与YUV之间的对应关系如下： （2-9） （2-8） 2） Lab表色系 Lab颜色模型是CIE于1976年推荐的设计成符合孟塞尔彩色系统的表色系。Lab 颜色由亮度或光亮度分量L 和a、b两个色度分量组成。其中a在的正向数值越大表示越红，在负向的数值越大则表示越绿；b在的正向数值越大表示越黄，在负向的数值越大表示越蓝。Lab颜色与设备无关， 无论使用何种设备（如显示器、打印机、计算机或扫描仪）创建或输出图像，这种模型都能生成一致的颜色。 （2-10）式中X0、Y0、Z0为标准白色对应的X、Y、Z值。 实验实验2 图像的读取和显示图像的读取和显示1.1.图像的读取图像的读取 2.2.图像的显示图像的显示