数字媒体概论——2D图像图形

一：色彩基础

1.1：色彩认知

色彩是能引起我们共同的审美愉悦的、最为敏感的形式要素。色彩是最有表现力的要素之一，因为它的性质直接影响人们的感情。

丰富多样的颜色可以分成两个大类：无彩色系和有彩色系。有彩色系的颜色具有三个基本特性：色调、纯度（也称彩度、饱和度）、亮度。在色彩学上也称为色彩的三大要素或色彩的三属性

• 色调(Hue)：人眼看多种波长的光时所产生的彩色的感觉。反应了颜色的种类，是决定颜色的基本特性。
• 饱和度（Saturation）：指色彩的鲜艳程度，也称作颜色的纯度
• 亮度（Luminance / Lightness / Grayscale Value）：单位是堪德拉每平米(cd/m2)或称nit。是从白色表面到黑色表面的感觉连续体。图像亮度是指画面的明亮程度，图像作用于人眼所引起的明亮程度的感觉。它与被观察物体的发光或反射光强度有关。

色调差异：

饱和度差异：

亮度差异：

1.2：色彩表示

HSV颜色空间（Hue-Saturation-Value）：根据颜色的直观特性由A. R. Smith在1978年创建的一种颜色空间，颜色参数为色调H，饱和度S，明度V

HSI颜色空间 (Hue Saturation Intensity/Lightness), HSL：符合人视觉直观特性的一种颜色空间，用H、S、I三参数描述颜色特性，其中H色调；S表示颜色的深浅程度，称为饱和度；I表示强度或亮度。

CMYK 彩色空间：是彩色印刷和彩色打印行业所用的，利用色料的三原色混色原理，加上黑色油墨，共计四种颜色混合叠加，形成所谓“全彩印刷”。

• 四种标准颜色是：Cyan 青色，Magenta 品红色，Yellow 黄色；black黑色
• 青、品红、黄是印刷三原色，理论上可以混合出黑色，但是现实中由于生产技术的限制，油墨纯度往往不尽人意。为了降低成本更直接的方式是直接使用最常用的黑色油墨

YUV/YIQ 彩色空间：YUV/YIQ/YCrCb是被电视系统、视频产业所广泛采用的颜色空间

• 其中“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰度值；而“U”和“V” 表示的则是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。
• YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。如果只有Y信号分量而没有U、V信号分量，那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。
• YUV与RGB可以相互换算

RGB 彩色空间：RGB颜色标准是工业界的一种颜色标准，是通过对红®、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色的

• 这个标准几乎包括了人类视力所能感知的所有颜色，是运用最广的颜色系统之一。
• 显示器、电脑大都采用了RGB颜色标准。在电脑中，RGB的亮度用整数来表示(例如8bit图像取值范围0-255) 。8bit图像的RGB色彩总共能组合出约1678万种色彩，即256×256×256=16777216。通常也被简称为1600万色或千万色。也称为24位色。

视频中为什么需要这么多的颜色空间？

虽然颜色还是那个颜色，但是不同的颜色空间的适用范围并不相同：

• RGB：面向采集和显示设备
• YUV：面向存储
• HSL：面向人类视觉感知
• XYZ：RGB之间的转换桥梁

从视频采集到视频消费的整个过程，涉及到不同的设备和标准，而不同的设备和标准所支持的色域空间又不相同。正是通过不同的颜色模型转换和不同的色域转换，才得以在不同输入、输出、显示设备上都呈现出最好的颜色，才得以让我们实现以近似相同的观看体验来消费视频。

色深度/位深度 Bit Depth：色彩的数字化就是使用数字来代表颜色，计算机使用二进制bit位，如果用n bit表示彩色，则可以表示2的n次方种颜色(范围在0~2的n次方-1之间)

灰度 Grayscale：灰度使用黑色调表示物体。 每个灰度对象都具有从 0%（白色）到灰度条100%（黑色）的亮度值。

• 在设计领域 “灰”形容饱和度
• 在研究领域 是亮度的一种计算
• 灰度值范围与位深度有关

ALPHA通道（α Channel / Alpha Channel ）是指图片的透明和半透明度通道

• 每个像素16比特存储的位图，每5个比特分别表示红绿蓝色，最后一个比特是阿尔法(透明/不透明)
• 使用32个比特存储的位图，每8个比特表示红绿蓝，和8bit阿尔法通道。在这种情况下，阿尔法通道还可以表示256级的半透明度。
  
• Alpha Channel 指定图像的透明度，在图像编辑中有很多用途，例如蒙版
• 阿尔法通道图像中像素点的像素值计算：
  

1.3：BMP图像文件格式

BMP格式，又称为Bitmap（位图），是Windows操作系统中的标准图像文件格式。这种格式的特点是包含的图像信息较丰富，几乎不进行压缩

位图文件由4个部分组成：

• 位图文件头（bitmap-file header）
• 位图信息头（bitmap-information header）
• 颜色表（color table）
• 位图数据（Data Bits