圖像的數(shù)字化過程

圖像的數(shù)字化過程學(xué)習(xí)任務(wù)分析本節(jié)課教學(xué)是多媒體技術(shù)應(yīng)用中三種媒體數(shù)字化原理的第一個(gè)，在后續(xù)課堂教學(xué)中，“聲音的數(shù)字化表示”、“視頻的數(shù)字化表示”與圖像的數(shù)字化表示有相通或類似的思想，本節(jié)課的教學(xué)的順得完成，對(duì)后續(xù)的兩節(jié)課堂教學(xué)有著重要奠定基礎(chǔ)和方法遷移的作用。通過上節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道圖像是如何利用二進(jìn)制進(jìn)行表示，本節(jié)課主要學(xué)習(xí)如何將模擬圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像，并存儲(chǔ)在信息技術(shù)設(shè)備中。學(xué)習(xí)者分析人的視覺特性是圖像數(shù)字化原理的生理學(xué)基礎(chǔ)，但學(xué)生對(duì)此沒有相關(guān)的知識(shí)準(zhǔn)備，因此，在本節(jié)課的開始，對(duì)相關(guān)知識(shí)的補(bǔ)充的十分必要的。學(xué)習(xí)目標(biāo)分析知識(shí)與技能（1）了解圖像圖像數(shù)字化的原理與過程（2）掌握?qǐng)D形、圖像文件壓縮工具的用法；過程與方法（1）能主動(dòng)利用數(shù)字化圖像解決日常生活、學(xué)習(xí)中遇到的的問題（2）能主動(dòng)利用數(shù)字化圖像呈現(xiàn)信息、發(fā)表觀點(diǎn)、交流思想、開展合作情感態(tài)度與價(jià)值觀（1）感受人類在利用技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息表達(dá)時(shí)體現(xiàn)的才智和不斷探索的精神；（四）教學(xué)過程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)一:感性認(rèn)識(shí)人眼的分辨力，理解圖像數(shù)字化的生理學(xué)基礎(chǔ)，引入課題（一）肖像的觀察與分析首先，教師利用演示文稿向?qū)W生播放圖像1，向?qū)W生提問：“現(xiàn)在同學(xué)們看到了什么？”學(xué)生看到這幅圖像后，馬上回答：“看到了一些0、1”，再繼續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)是由0、1組成的肖像，部分同學(xué)聯(lián)想到某某名星，很快有同學(xué)發(fā)現(xiàn)這是老師的肖像。然后，再播放第二幅圖像。告訴學(xué)生這幅圖像與上幅圖像都是由0、1組成（提供教學(xué)支架）。然后，提出問題：“這兩幅圖像有什么區(qū)別呢？”學(xué)生通過比較得出：1．第二幅圖像中0、1很小，以至于無(wú)法看清2．第二幅圖像中0、1距離很近3．第二幅圖像中0、1的個(gè)數(shù)多4．第二幅肖像更加逼真接著播放第三幅圖像。告訴學(xué)生，這幅圖像也是由0、1組成(支架)，且這幅圖像0、1個(gè)數(shù)與第二幅圖像的相同，并提出問題：“這幅圖像與前兩幅比較，又有什么不同？”學(xué)生很快回答出：1．第三幅圖像中0、1更小2．第三幅圖像中0、1距離更近4．第三幅肖像看起來(lái)像一幅連續(xù)的畫面在此基礎(chǔ)上，組織學(xué)生討論：“通過剛才的觀察、比較、分析，我們可以得出什么結(jié)論？”（二）顏色列表的觀察與分析1．展示顏色列表，如下圖，學(xué)生可以清晰看出相鄰兩種顏色的差別2．展示顏色列表如下圖，告訴學(xué)生，這也是由黑到白的一些顏色組成的顏色列表。利用圖像編輯軟件，將其放大、縮小。觀察相鄰兩種顏色的區(qū)別。3．展示顏色列表如下圖，學(xué)生可以清晰看出相鄰兩種顏色的差別。4．展示顏色列表如下圖，告訴學(xué)生，這也是由黑到白的一些顏色組成的顏色列表。利用圖像編輯軟件，將其放大、縮小。觀察相鄰兩種顏色的區(qū)別。在此基礎(chǔ)上，組織學(xué)生討論：“通過剛才的觀察、比較、分析，我們可以得出什么結(jié)論？”教師：“現(xiàn)在我們知道，人的視覺具有一定的局限性，人們正是利用這種局限性，才做到了將現(xiàn)實(shí)的模擬的連續(xù)的圖像，轉(zhuǎn)化為近似的、看起來(lái)是真實(shí)的數(shù)字化的圖像。就像我們?cè)谏瞎?jié)課看到的那些數(shù)字化圖像那樣?！苯處煟骸斑@節(jié)課我們以數(shù)碼相機(jī)為例，探討圖像的數(shù)字化過程。”本環(huán)節(jié)安排的主要目的：活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生的注意力迅速集中到課堂學(xué)習(xí)中；啟發(fā)學(xué)生理解圖像數(shù)字化表示的生理學(xué)基礎(chǔ)—人眼分辨力，為本課后面教學(xué)建立最近發(fā)展區(qū)，為學(xué)生理解采樣過程中圖像的分割過程奠定基礎(chǔ)；引入本節(jié)課題。環(huán)節(jié)二：采樣灰度圖像的采樣利用課件展示下圖。感光器鏡頭感光器鏡頭提示：這是一幅灰度圖像(模擬照片)它反射的光線通過鏡頭照射到感光器上，感光器負(fù)責(zé)將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)；我們知道，數(shù)字化的圖像是由像素組成的，將連續(xù)的圖像分割為像素陣列，就是在這一過程中完成的；討論：怎樣才能實(shí)現(xiàn)這一過程呢？教師總結(jié):1．在日常生活中，我們所使用的數(shù)碼相機(jī)的感光器，一般是由M*N個(gè)光敏元件組成，這些光敏元件具有光電轉(zhuǎn)換功能。其中每個(gè)光敏元件對(duì)應(yīng)一個(gè)像素點(diǎn)，它采集的是一個(gè)像素點(diǎn)的信息，并將光信息號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。2．展示模擬光電反應(yīng)的教學(xué)課件，向?qū)W生進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。當(dāng)光信號(hào)的幅度連續(xù)變化時(shí)，通過光敏元件轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)也是連續(xù)的，它也是模擬的，并向?qū)W生展示光信號(hào)與電信號(hào)變化關(guān)系曲線。(如下圖中A到B的過程)3．利用感光器中的光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的過程被稱為采樣。（二）顏色圖像的采樣提示：感光器中光敏元件并不能分辨色彩，它僅僅是光電轉(zhuǎn)換器。上節(jié)課我們已經(jīng)知道，計(jì)算機(jī)中的彩色像素，是用表示R、G、B三種顏色的不同亮度二進(jìn)制數(shù)字組合表示的。討論：怎樣才能實(shí)現(xiàn)彩色像素的采樣呢？教師總結(jié)：實(shí)現(xiàn)彩色攝影的方法有多種，包括給感光器表面加以CFA（ColorFilterArray，彩色濾鏡陣列），或者使用分光系統(tǒng)將光線分為紅、綠、藍(lán)三色，分別用3片CCD接收等。設(shè)計(jì)思路:1．本環(huán)節(jié)采用由淺入深、循序漸進(jìn)的策略，先探索灰度圖像的采樣，在此基礎(chǔ)上，探索彩色圖像的采樣，從而降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的梯度。2．在講解灰度圖像的采樣時(shí)，首先通過課件的播放和兩個(gè)提示對(duì)學(xué)生提供學(xué)習(xí)支架,在此基礎(chǔ)上組織學(xué)生進(jìn)行討論，討論過程可以仁者見仁、智者見智，不一定要與現(xiàn)實(shí)技術(shù)一致。在討論的過程中,培養(yǎng)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，然后，與教師介紹目前采用的技術(shù)相對(duì)比，對(duì)本環(huán)節(jié)的知識(shí)有了更深刻的理解。3．在學(xué)習(xí)彩色圖像的采樣時(shí)，以上節(jié)課學(xué)習(xí)內(nèi)容和灰度圖像的采樣為基礎(chǔ)，通過啟發(fā)，推進(jìn)鄰近發(fā)展區(qū)。4．學(xué)生在高三才學(xué)習(xí)光電效應(yīng)，本環(huán)節(jié)需要通過課件，向?qū)W生進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。環(huán)節(jié)三：量化教師講解：物體反射的光線（光信號(hào)，模擬信號(hào)），通過鏡頭照射到感光器上，感光器上光敏元件陣列將其分割為像素并轉(zhuǎn)換為模擬的電信號(hào)（如下圖A→B的過程），而在信息技術(shù)設(shè)備中存儲(chǔ)的都是數(shù)字信號(hào)，所以我們還要將模擬的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這個(gè)過程叫做量化。依次提出問題，組織學(xué)生討論：采樣獲得的電信號(hào)是連續(xù)的、模擬的，而數(shù)字信號(hào)是離散的、數(shù)字的，將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)的依據(jù)應(yīng)該是什么？將模擬電信號(hào)變化范圍進(jìn)行分割（如8等分），那么，各等分點(diǎn)能不能用二進(jìn)制表示呢？怎樣表示？當(dāng)各等分點(diǎn)用二進(jìn)制數(shù)表示后，在任意時(shí)刻t，光信號(hào)轉(zhuǎn)變成的電信號(hào)能否近似的用二進(jìn)制數(shù)表示呢？如何表示？為什么？怎樣做才能使數(shù)字化的圖像與真實(shí)的物體顏色更加接近，看起來(lái)更加真實(shí)？教師邊展示下圖，邊總結(jié)：將模擬電信號(hào)按照由弱到強(qiáng)劃分為若干個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間端點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，然后將表示像素的電信號(hào)強(qiáng)度提升或下降到鄰近的二進(jìn)制數(shù)。（由圖B到圖D，模擬信號(hào)（P1的縱坐標(biāo)）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（P2的縱坐標(biāo)）設(shè)計(jì)思路：本環(huán)節(jié)中的問題1是在環(huán)節(jié)1基礎(chǔ)上向前推進(jìn)發(fā)展區(qū)，同時(shí)，問題1又題后續(xù)問題的基礎(chǔ)；問題2、3的解答，使學(xué)生理解了量化的兩個(gè)過程；上節(jié)課中二種灰度圖像的分析和觀察，使學(xué)生對(duì)本環(huán)節(jié)問題4有了感性的認(rèn)識(shí)，本環(huán)節(jié)在此基礎(chǔ)上向前推進(jìn)最近發(fā)展區(qū)。同時(shí)，問題4的設(shè)計(jì)主要是為了加深學(xué)生對(duì)量化的理解。環(huán)節(jié)三：編碼（壓縮）圖形、圖像的壓縮原理比較深?yuàn)W，學(xué)生原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，相關(guān)內(nèi)容很少。因此，應(yīng)采取直接教學(xué)方式，給出相關(guān)的壓縮技術(shù)方法，然后通過學(xué)生的活動(dòng)加深對(duì)知識(shí)的理解。教師：在上節(jié)課的學(xué)習(xí)中，我們已經(jīng)感受到圖像數(shù)字化之后的數(shù)據(jù)量非常大。這樣大的數(shù)據(jù)量，在因特網(wǎng)上傳輸時(shí)很費(fèi)時(shí)間，存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)時(shí)很占“地盤”，因此就需要按照一定的編碼規(guī)則對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，用比較少的數(shù)據(jù)量表達(dá)原始的圖像，以滿足存儲(chǔ)容量和傳輸帶寬的要求。圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)主要有兩類方法。一類是通過改變圖像的描述方式，減少數(shù)據(jù)量。而圖像在壓縮前后完全一樣，這種壓縮稱為無(wú)損壓縮；另一類是利用人眼的視覺特性，有針對(duì)地簡(jiǎn)化不重要的數(shù)據(jù)，以減小總的數(shù)據(jù)量。這種壓縮方法生成的圖像與壓縮前有一定程度的不同，稱為有損壓縮。學(xué)生活動(dòng)：（1）有一種無(wú)損壓縮的方法是將顏色值相同的相鄰像素點(diǎn)用一個(gè)計(jì)數(shù)值和該顏色值來(lái)代替。有一幅彩色圖像如圖：它可以記錄為5432164請(qǐng)問這兩種記錄方式的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與壓縮比？（2）下圖為一圖像示意圖（在表示每個(gè)像素點(diǎn)的單元格內(nèi)標(biāo)明了該像素的RGB值），分析壓縮策略，以及壓縮后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式、壓縮比。(246,40,6)(251,32,15)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(244,47,8)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(251,33,12)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(244,47,8)(248,27,4)(244,8,8)(248,27,4)(248,27,4)(0,128,0)(2,126,14)(0,128,0)(0,128,0)(44,124,4)(0,128,0)(242,27,10)(240,28,10)(252,24,0)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(91,104,8)(91,104,8)(94,105,9)(91,104,8)(91,104,8)(91,104,8)(84,97,7)(87,106,8)(91,104,8)(91,104,8)(11,86,161)(10,90,166)(10,90,166)(10,90,166)(10,90,166)(8,82,164)(9,97,163)(10,90,166)(10,90,166)(10,90,166)(10,90,166)(11,82,163)(10,90,166)(10,90,166)(8,82,164)(10,90,166)環(huán)節(jié)四：圖像的存儲(chǔ)教師：上面我們分別介紹了兩種圖像壓縮方法，實(shí)際的圖像壓縮是綜合使用各種有損和無(wú)損壓縮技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于圖片的用途不同、生成的軟件不同、壓縮方式不同，產(chǎn)生了很多種圖片的格式，比如：BMP格式是Windows采用的圖像文件存儲(chǔ)格式，在W