图像视频测试基础

 

一．色调、饱和度和亮度

从人的视觉系统看，颜色可用色调（hue）、饱和度（saturation）和亮度来描述，其中色调与光波的波长有直接关系，亮度和饱和度与光波的幅度有关。人眼看到的任一彩色光都是这三个特性的综合效果，这三个特性可以说是颜色的三要素。

（一）色调

色调(hue)又称为色相，指颜色的外观，用于区别颜色的名称或颜色的种类。色调是视觉系统对一个区域所呈现颜色的感觉。对颜色的感觉实际上就是视觉系统对可见物体辐射或者发射的光波波长的感觉。

色调用红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫(red，orange, yellow，green，cyan，blue，indigo，violet)等术语来刻画。苹果是红色的，这“红色”便是一种色调，它与颜色明暗无关。绘画中要求有固定的颜色感觉，有统一的色调，否则难以表现画面的情调和主题。例如我们说一幅画具红色调，是指它在颜色上总体偏红。

色调的种类很多，如果要仔细分析，可有一千万种以上，但普通颜色专业人士可辨认出的颜色大约可达三百至四百种。黑、灰、白则为无色彩。色调有一个自然次序：红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫。在这个次序中，当人们混合相邻颜色时，可以获得在这两种颜色之间连续变化的色调。

（二）饱和度

饱和度(saturation)是颜色的纯洁性，可用来区别颜色明暗的程度。当一种颜色渗入其他光成分愈多时，就说颜色愈不饱和。完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜色，例如仅由单一波长组成的光谱色就是完全饱和的颜色。

在在纯正光谱中，黄色的明度最高，显得最亮；其次是橙、绿；再其次是红、蓝；紫色明度最低，显得最暗。 

 图 纯正的颜色的明暗差别

明度和人的感知有关，目前还无法用物理设备来测量。

2．亮度

根据国际照明委员会的定义，亮度(luminance)是用反映视觉特性的光谱敏感函数加权之后得到的辐射功率(radiant power)，用单位面积上反射或者发射的光的强度表示。它的幅度与物理功率成正比，并在555 nm 处达到峰值。在CIE XYZ 系统中，亮度用Y 表示。严格地说亮度应该使用像烛光/平方米(cd/m²)这样的单位来度量，但实际上是用指定的亮度即白光作参考，并把它标称化为1 或者100 个单位。例如，监视器用亮度为80 cd/m²的白光作参考，并指定Y = 1 。

3．光亮度

      光亮度用作颜色空间的一个维，而明度(brightness)则仅限用于发光体，该术语用来描述反射表面或者透射表面。对计算机显示器显示的颜色，除使用明度(brightness)之外，也可使用光亮度(lightness)。因为虽然监视器是发射光的物体，但显示的颜色是相对于监视器的白光而言的。

由于明度很难度量，通常可以用亮度(luminance)即辐射的能量来度量。

（四）色调、饱和度与亮度的关系

淡色的饱和度比浓色要低一些。

饱和度还和亮度有关，同一色调越亮或越暗越不纯。

对于同一色调的彩色光，饱和度越深，颜色越鲜明或说越纯，相反则越淡。

 

二．位图

位图，是用像素点来描述或映射的图，也即位映射图（bit-mapped image）。位图在内存中也就是一组计算机内存位（bit）组成，这些位定义图像中每个像素点的颜色和亮度。位图一般也称为图像。

位图可以采用将自然图像进行模数转换（AD）的方式来获取，这个过程称为图像的扫描。一幅位图是由许多描述每个像素的数据组成的，这些数据通常称为图像数据，而这些数据作为一个文件来存贮，这种文件称为图像文件。通过位图与矢量图的比较,可以进一步了解这两者的关系和含义（表1）。  

表1  位图与矢量图比较

	文件内容	容量	显示速度	应用特点
矢量图	图形指令	与图的复杂 程度有关	图越复杂，需执行的指令越多，显示越慢	易于编辑，适于“绘制”和“创建”。但表现力受限
位图	图像点阵数据	与图的尺寸、颜色有关	与图的容量有关	适于“获取”和“复制”，表现力丰富，但编辑较复杂

位图的绘制过程也即逐点映射的过程，与图像的复杂程度无关。位图的表现力强，可适于任何自然图像，细腻、层次多、细节多。

在一般的图像处理软件中都有一定的绘图功能，可绘制和编辑几何图形，但最终记录成图像文件时几何图形都转换成像素点信息记录在文件中。在MPC环境下的多媒体应用软件开发中，目前用得较多的是位图，在以后的讨论中，我们主要介绍位图的编辑处理。

三．分辨率

分辨率包括显示分辨率和图像分辨率。

显示分辨率是确定屏幕上显示图像的区域的大小。显示分辨率有最大显示分辨率和当前显示分辨率之别。最大显示分辨率是由物理参数，即显示器和显示卡（显示缓存）决定的。当前显示分辨率是由当前设置的参数决定的。

图像分辨率是确立组成一幅图像的像素数目，点图像分辨率用每英寸多少（dpi，dot per inch ）表示，指组成一幅图像的像素密度的度量方法。对同样大小的一幅原图，如果数字化时图像分辨率高，则组成该图的像素点数目越多，图像分辨率在图像输入/输出时起作用；它决定图像的点阵数。而且，不同的分辨率会造成不同的图像清晰度。

四．图像深度与颜色类型

图像深度是指位图中记录每个像素点所占的位数，它决定了彩色图像中可出现的最多颜色数，或者灰度图像中的最大灰度等级数。图像的颜色需用三维空间来表示，如RGB颜色空间，而颜色的空间表示法又不是惟一的，所以每个像素点的图像深度的分配还与图像所用的颜色空间有关。以最常用的RGB颜色空间为例，图像深度与颜色的映射关系主要有真彩色、伪彩色和直接色。

（一）真彩色（true-color）：真彩色是指图像中的每个像素值都分成R、G、B三个基色分量，每个基色分量直接决定其基色的强度，这样产生的颜色称为真彩色。例如图像深度为24，用R：G：B＝8：8：8来表示颜色，则R、G、B各用8位来表示各自基色分量的强度，每个基色分量的强度等级为2⁸＝256种。图像可容纳2²⁴＝16M 种颜色。这样得到的颜色可以反映原图的真实颜色，故称真彩色。

（二）伪彩色（pseudo-color）：伪彩色图像的每个像素值实际上是一个索引值或代码，该代码值作为颜色查找表（CLUT，Color Look-Up Table）中某一项的入口地址，根据该地址可查找出包含实际R、G、B的强度值。这种用查找映射的方法产生的颜色称为伪彩色。用这种方式产生的颜色本身是真的，不过它不一定反映原图的颜色。在VGA显示系统中，调色板就相当于颜色查找表。从16色标准VGA调色板的定义可以看出这种伪彩色的工作方式（表2）。调色板的代码对应RGB颜色的入口地址，颜色即调色板中RGB混合后对应的颜色。

 表2  16色标准VGA调色板

代码	R	G	B	颜色名称	效果
0	0	0	0	黑(Black)
1	0	0	128	深蓝(Navy)
2	0	128	0	深绿(Dark Green)
3	0	128	128	深青(Dark Cyan)
4	128	0	0	深红(Maroon)
5	128	0	128	紫(Purple)
6	128	128	0	橄榄绿(Olive)
7	192	192	192	灰白(Light gray)
8	128	128	128	深灰(Dark gray)
9	0	0	255	蓝( blue)
10	0	255	0	绿( green)
11	0	255	255	青(cyan)
12	255	0	0	红( red)
13	255	0	255	品红( magenta)
14	255	255	0	黄(Yellow)
15	255	255	255	白(white)

 伪彩色一般用于65K色以下的显示方式中。标准的调色板是在256K色 均匀地选取16种或256种颜色。一般应用中，有的图像往往偏向于某一种或几种色调，此时如果采用标准调色板，则颜色失真较多。

（三）直接色（direct-color）：直接色的获取是通过每个像素点的R、G、B分量分别作为单独的索引值进行变换，经相应的颜色变换表找出各自的基色强度，用变换后的R、G、B强度值产生的颜色。

直接色与伪彩色相比，相同之处是都采用查找表，不同之处是前者对R、G、B分量分别进行查找变换，后者是把整个像素当作查找的索引进行查找变换。因此，直接色的效果一般比伪彩色好。

直接色与真彩色比，相同之处是都采用R、G、B分量来决定基色强度，不同之处是前者的基色强度是由R、G、B经变换后得到的，而后者是直接用R、G、B决定。在VGA显示系统中，用直接色可以得到相当逼真的彩色图像，虽然其颜色数受调色板的限制而只有256色。

五．图像深度与显示深度

图像深度是图像文件中记录一个像素点所需要的位数。显示深度表示显示缓存中记录屏幕上一个点的位数（bit），也即显示器可以显示的颜色数。因此，显示一幅图像时，屏幕上呈现的颜色效果与图像文件所提供的颜色信息有关，也即与图像深度有关；同时也与显示器当前可容纳的颜色容量有关，也即与显示深度有关。

（一）显示深度大于图像深度

在这种情况下屏幕上的颜色能较真实地反映图像文件的颜色效果。如当显示深度为24位，图像深度为8位时，屏幕上可以显示按该图像的调色板选取的256种颜色；图像深度为4位时可显示16色。这种情况下，显示的颜色完全取决于图像的颜色定义。

（二）显示深度等于图像深度

在这种情况下，如果用真彩色显示模式来显示真彩色图像，或者显示调色板与图像调色板一致时，屏幕上的颜色能较真实地反映图像文件的颜色效果。反之，如果显示调色板与图像调色板不一致，则显示颜色会出现失真。

（三）显示深度小于图像深度

此时显示的颜色会出现失真。例如，若显示深度为8位，需要显示一幅真彩色的图像时显然达不到应有的颜色效果。在这种情况下不同的图像软件有不同的处理方法。

根据以上的分析，我们很容易理解为什么有时用真彩色记录图像，但在VGA显示器上显示的颜色却不是原图像的颜色。因此，在多媒体应用中，图像深度的选取要从应用环境出发综合考虑。

六．图像数据的容量

在扫描生成一幅图像时，实际上就是按一定的图像分辨率和一定的图像深度对模拟图片或照片进行采样，从而生成一幅数字化的图像。图像的分辨率越高、图像深度越深，则数字化后的图像效果越逼真、图像数据量也越大。按照像素点及其深度映射的图像数据大小可用下面的公式来估算：

    图像数据量＝图像的总像素×图像深度 / 8 （Byte）

一幅640×480、真彩色的图像，其文件大小约为：

    640×480×24/ 8 = 1 M (Bytes)

通过以上的分析，我们可知如果要确定一幅图像的参数，要考虑的因素一是图像的容量，二是图像输出的效果。在多媒体应用中，更应考虑好图像容量与效果的关系。由于图像数据量很大，因此，数据的压缩就成为图像处理的重要内容之一。

按照不同的图像分辨率来扫描图像，可以看出图像分辨率与显示分辨率的关系和不同。如果图像的点数大于显示分辨率的点数，则该图像在显示器上只能显示出图像的一部分。只有当图像大小与显示分辨率相同时，一幅图像才能充满整屏。对于14英寸的显示器，当显示分辨率设置为800×600时，屏幕上的一英寸约有72个像素点，这时若用72 dpi的图像分辨率来扫描一幅图像，则屏幕上显示的图像大小基本就是原图大小。

如果用200 dpi来扫描一幅彩色照片的局部，得到一幅253×265个像素的图5A.如果用50 dpi来扫相同的画面，则得到63×66个像素的图5 B。图5 B的边长只有图像A的四分之一大小。如果要使图像B在屏幕上达到图像A的大小，则需把图像B的点阵放大，如一点变成颜色相同的四点，与图像A相比,,所得到的图5C显然很粗糙。