第5章52圖像與圖形

1、5.2 圖像與圖形5.2.1 數(shù)字圖像的獲取5.2.2 圖像的表示與壓縮編碼5.2.3 數(shù)字圖像處理與應(yīng)用5.2.4 計(jì)算機(jī)圖形5.2.1 數(shù)字圖像的獲取圖像的獲取過程掃 描模擬圖像取 樣取 樣取 樣數(shù)字圖像分 色量 化量 化量 化從現(xiàn)實(shí)世界中獲得數(shù)字圖像的過程稱為圖像的“獲取”常用的圖像獲取設(shè)備：掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、攝像頭、攝像機(jī)等圖像獲取過程： 將畫面劃分為 M N個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格稱為 一個(gè)取樣點(diǎn) 將彩色圖像取樣點(diǎn)的顏色分解成R，G，B三個(gè)基色測量每個(gè)取樣點(diǎn)的每個(gè)分量（基色）的亮度值對(duì)取樣點(diǎn)每個(gè)分量的亮度值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，使用數(shù)字整型量表示 5.2.2 圖像的表示與壓縮編碼數(shù)字(取樣)圖像的

2、組成數(shù)字取樣圖像由M(列) N(行)個(gè)取樣點(diǎn)組成取樣點(diǎn)是組成數(shù)字取樣圖像的基本單位，稱為“像素”彩色圖像的像素通常由3個(gè)彩色分量組成灰度圖像和黑白圖像的像素只包含1個(gè)亮度分量 Red分量Green分量Blue分量例1：黑白圖象的表示黑白圖像黑白圖像的每個(gè)像素只有一個(gè)分量，且只用1個(gè)二進(jìn)位表示，其取值僅“0”(黑)和“1”(白)兩種例2：灰度圖象的表示灰度圖像灰度圖像的每個(gè)像素也只有一個(gè)分量，一般用812個(gè)二進(jìn)位表示，其取值范圍是：02n-1，可表示2n個(gè)不同的亮度例3：彩色圖象的表示藍(lán)色分量綠色分量紅色分量彩色圖像的每個(gè)像素有三個(gè)分量，分別表示三個(gè)基色的亮度，假設(shè)3個(gè)分量分別用n,m,k個(gè)二進(jìn)

3、位表示，則可表示2n+m+k種不同的顏色數(shù)字(取樣)圖像的主要參數(shù)圖像大?。▓D像分辨率）：用來表示組成該圖像的行列數(shù)目，亦即圖像所包含的像素?cái)?shù)目使用 水平分辨率x垂直分辨率 表示對(duì)在屏幕上顯示出來的大小有影響顏色空間的類型，指彩色圖像所使用的顏色描述方法，如：RGB(紅、綠、藍(lán))模型，顯示器使用CMYK(青、品紅、黃、黑)模型，彩色打印機(jī)使用HSB(色彩、飽和度、亮度)模型，用戶界面中使用YUV(亮度、色度)模型，彩色電視信號(hào)傳輸時(shí)使用像素深度，即像素的所有顏色分量的二進(jìn)位數(shù)目之和圖像類型像素的組成像素深度(位數(shù))顏色空間單色圖像黑白圖像僅1個(gè)分量1位不使用灰度圖像僅1個(gè)分量212位不使用彩色

4、圖像彩色圖像3個(gè)分量以上836位RGB，CMY，YUV等舉例：分辨率與圖像尺寸的關(guān)系520 x376260 x188130 x94在顯示比例相同時(shí)，顯示在屏幕上的圖像尺寸與圖像分辨率成正比數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量的計(jì)算公式（以字節(jié)為單位）： 數(shù)據(jù)量=水平分辨率垂直分辨率像素深度8 幾種常用格式的圖像的數(shù)據(jù)量： 圖像大小8位(256色)16位(65536色)24位(真彩色)640480300 KB600 KB900 KB1024768768 KB1.5 MB2.25 MB128010241.25 MB2.5 MB3.75 MB例：數(shù)字圖像傳輸時(shí)間的計(jì)算假設(shè)數(shù)據(jù)傳輸速率為56 kb/s（電話

5、上網(wǎng)），則傳輸一幅分辨率為640480的6.5萬種顏色的未壓縮圖像的時(shí)間為： (640 x480 x16)/56000 = 87.8秒數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)壓縮圖像數(shù)據(jù)壓縮的必要性：節(jié)省存儲(chǔ)數(shù)字圖像所需要的存儲(chǔ)器容量提高圖像的傳輸速度，減少通信費(fèi)用 圖像數(shù)據(jù)壓縮的可能性：數(shù)字圖像中有大量的數(shù)據(jù)冗余人眼視覺有局限性，允許圖像有一些失真圖像數(shù)據(jù)壓縮的兩種類型：無損壓縮：用壓縮后的數(shù)據(jù)還原出來的圖像沒有任何誤差有損壓縮：用壓縮后的數(shù)據(jù)還原出來的圖像有一定的誤差壓縮編碼方法的評(píng)價(jià)壓縮倍數(shù)的高低重建圖像的質(zhì)量（有損壓縮時(shí)）壓縮算法的復(fù)雜程度數(shù)字圖像的常用文件格式不同的圖象文件格式采用了不同的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和數(shù)據(jù)組

6、織方法，有不同的應(yīng)用常用的圖像文件格式有：名稱壓縮編碼方法性質(zhì)典型應(yīng)用開發(fā)公司(組織)BMPRLE(行程長度編碼)無損Windows應(yīng)用程序MicrosoftTIFRLE,LZW(字典編碼)無損桌面出版Aldus，MicrosoftGIFLZW無損因特網(wǎng)CompuServeJPEGDCT(離散余弦變換)，Huffman編碼大多為有損因特網(wǎng),數(shù)碼相機(jī)等ISO/IECJP2小波變換，算術(shù)編碼無損/有損因特網(wǎng),數(shù)碼相機(jī)等ISO/IEC圖像文件格式例1：BMP格式BMP圖像格式是Windows操作系統(tǒng)下使用的一種標(biāo)準(zhǔn)圖像格式支持單色、16色、256色、真彩色圖像一個(gè)文件一幅圖像，可以進(jìn)行無損壓縮，也可

7、不壓縮非壓縮的BMP文件是一種通用的圖像文件格式，幾乎所有Windows 應(yīng)用軟件都能支持圖像文件格式例2： GIF 圖像顏色數(shù)目不超過256色 ，適合用作插圖、剪貼畫等色彩數(shù)要求不高的場合，文件特別小，適合網(wǎng)絡(luò)傳輸GIF圖像格式具有累進(jìn)顯示功能，適合網(wǎng)絡(luò)瀏覽器觀看 GIF圖像格式能支持透明背景（JPEG不支持）GIF圖像格式能支持動(dòng)畫GIF動(dòng)畫之例透明背景圖像文件格式例3：JPEG圖像JPEG是靜止圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼的國際標(biāo)準(zhǔn)，采用JPEG標(biāo)準(zhǔn)的圖像文件擴(kuò)展名是 .jpgJPEG特別適合各種連續(xù)色調(diào)的彩色或灰度圖像，在計(jì)算機(jī)和數(shù)碼相機(jī)中已得到廣泛應(yīng)用 JPEG的最新標(biāo)準(zhǔn)是JPEG2000（圖像

8、文件擴(kuò)展名是 .jp2 ），它采用更先進(jìn)的技術(shù)，可取得更好的效果JPEG與JPEG2000的比較之例5.2.3 數(shù)字圖像處理與應(yīng)用數(shù)字圖象處理：目的與內(nèi)容目的：(1) 提高圖像的視覺質(zhì)量(2) 恢復(fù)與重建有失真和畸變的圖像(3) 圖像分析，包括：圖像的分類、識(shí)別和理解等(4) 圖像數(shù)據(jù)的變換、編碼和數(shù)據(jù)壓縮(5) 圖像的存儲(chǔ)、管理與檢索(6) 圖像內(nèi)容與知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù) 內(nèi)容：去噪、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、提取特征、壓縮、存儲(chǔ)、檢索等數(shù)字圖像處理的應(yīng)用(1) 圖像通信，包括圖像傳輸、電視電話、電視會(huì)議等。(2) 遙感(3) 醫(yī)療診斷(4) 工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，如產(chǎn)品質(zhì)量檢測，生產(chǎn)過程自動(dòng)控制等(5) 機(jī)

9、器人視覺(6) 軍事、公安、檔案管理等其他方面的應(yīng)用X光圖像CT圖像核磁共振圖像指紋圖像常用的圖像編輯軟件Word和PowerPoint具有基本的圖像編輯功能Windows附件中的“畫圖”軟件微軟Office工具中的Picture ManagerACD System公司的ACDSee32Adobe PhotoShopWord和PowerPoint的圖像編輯功能 使用“圖片工具欄”編輯圖片使用快捷菜單，屏幕上顯示“圖片”工具欄，進(jìn)入圖片編輯狀態(tài)：顏色控制裁剪圖片線型文字環(huán)繞設(shè)置圖片格式設(shè)置透明色增加對(duì)比度降低對(duì)比度增加亮度降低亮度旋轉(zhuǎn)圖片壓縮圖片Word和PowerPoint的圖像編輯功能 圖片

10、編輯舉例(外形修改)縮小壓扁放大拉長原始圖片Word和PowerPoint的圖像編輯功能 圖片編輯舉例(裁剪與旋轉(zhuǎn))旋轉(zhuǎn)90度裁剪底部裁剪左部旋轉(zhuǎn)任意角度原始圖片Word和PowerPoint的圖像編輯功能 圖片編輯舉例(圖像屬性修改)增加對(duì)比度降低對(duì)比度增加亮度降低亮度灰度圖片黑白圖片原始圖片5.2.4 計(jì)算機(jī)圖形什么是計(jì)算機(jī)圖形(graphics)通過計(jì)算機(jī)和軟件對(duì)景物的結(jié)構(gòu)、形狀與外貌進(jìn)行描述(稱為“建?！?，然后根據(jù)該描述和選定的觀察位置及光線狀況，生成該景物的圖形(稱為“繪制”或“圖像合成”)計(jì)算機(jī)圖形也稱為計(jì)算機(jī)合成圖像計(jì)算機(jī)制作圖形的步驟如下： 建模/造型(Modeling)景物

11、的模型(model)景物的視圖 繪 制(Rendering)(Image Synthesis)景物的2種描述(建模)方法幾何造型技術(shù)規(guī)則形體(如工業(yè)產(chǎn)品)用基本的幾何元素(如點(diǎn)、線、面、體等)及材料的表面性質(zhì)等進(jìn)行描述 過程模型技術(shù)不規(guī)則形體(如自然現(xiàn)象)找出其生成規(guī)律，并使用相應(yīng)的算法來描述 計(jì)算機(jī)圖形的繪制過程從景物模型繪制出圖形的過程，實(shí)際上也是把景物的描述(模型)轉(zhuǎn)換成為點(diǎn)陣(像素陣列)的過程，它包括下列步驟： 將各個(gè)物體的所有表面用小的多邊形（三角形或四邊形）進(jìn)行近似表示 用戶選擇一個(gè)觀測位置，并設(shè)定一個(gè)取景范圍，將景物向成像平面作透視投影；然后將景物中不在取景范圍內(nèi)的部分裁剪掉，同

12、時(shí)還把景物中所有被遮擋而看不見的部分隱去根據(jù)景物表面材料的性質(zhì)和環(huán)境光源的設(shè)定，計(jì)算出物體可見面上每一點(diǎn)(像素)的顏色及其亮度計(jì)算出物體所產(chǎn)生的本影和半影；根據(jù)景物表面和背景使用的材料，選擇合適的紋理映射到物體的表面美國康乃爾大學(xué)Suzanne Smits 和Priamos Georgiades建模并繪制的俄羅斯茶壺 例1:俄羅斯茶壺例2：計(jì)算機(jī)繪制的鋼筆畫和鉛筆畫 木 桶 玻璃瓶引用自：Georges Winkenbach,D.Salesin (Univ.of Washington) pp.469-476, SIGGRAPH96計(jì)算機(jī)圖形與顯卡(圖形卡)圖形繪制過程中，每一個(gè)像素的顏色及其亮

13、度都要經(jīng)過大量的計(jì)算才能得到，因此繪制過程的計(jì)算量很大，特別是三維圖形和動(dòng)畫目前PC機(jī)所配置的圖形卡（顯卡）上安裝了功能很強(qiáng)的專用繪圖處理器，它能承擔(dān)繪制過程中的大部分計(jì)算任務(wù)S-Video接口DVI接口VGA接口繪圖處理器顯示卡計(jì)算機(jī)圖形的應(yīng)用(1) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助制造(CADCAM)。(2) 利用計(jì)算機(jī)生成各種地形圖、交通圖、天氣圖、海洋圖、石油開采圖等。(3) 作戰(zhàn)指揮和軍事訓(xùn)練。(4) 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫和計(jì)算機(jī)藝術(shù)。(5) 其它：電子出版、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)監(jiān)控、輔助教學(xué)、軟件工程等。 矢量繪圖軟件專業(yè)繪圖軟件： AutoCAD（機(jī)械、建筑等）MAPInfo、ARCInfo（地圖、地理信息

14、系統(tǒng)）辦公與事務(wù)處理、平面設(shè)計(jì)、電子出版等領(lǐng)域：Corel公司的CorelDraw，Adobe 公司的Illustrator，Macromedia公司的FreeHand，微軟公司的Microsoft Visio等內(nèi)嵌的繪圖軟件：Word 和 PowerPoint中的繪圖功能（簡單的二維圖形 ） 小結(jié)：圖像與圖形的比較計(jì)算機(jī)中的圖像按其生成方法可以分為兩大類：通過數(shù)字化設(shè)備獲取的圖像，它們稱為取樣圖像、點(diǎn)陣圖像，或位圖圖像等，通常簡稱圖像（image）通過計(jì)算機(jī)建模并繪制而成的圖像，稱為矢量圖形，通常簡稱圖形（graphics）；兩者在外觀上很難區(qū)分，但它們有許多不同的屬性，一般需要使用不同的軟件進(jìn)行處理 圖 像圖 形小結(jié)：圖像與圖形的對(duì)比圖像圖形生成途徑通過圖像獲取設(shè)備獲得景物的圖像使用矢量繪