第5章52图像与图形

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1、按一下以編輯母片標題樣式,,按一下以編輯母片,,第二層,,第三層,,第四層,,第五層,,46,5.2,图像与图形,,5.2,图像与图形,5.2.,1,,数字图像的获取,,5.,2,.2,图像的表示与压缩编码,,5.2.,3,,数字图像处理与应用,,5.2.4,计算机图形,5.2.,1,,数字图像的获取,图像的获取过程,,扫 描,模拟图像,取 样,取 样,取 样,数,,字,,图,,像,分 色,量 化,量 化,量 化,从现实世界中获得数字图像的过程称为图像的“获取”,,常用的图像获取设备：扫描仪、数码相机、摄像头、摄像机等,,图像获取过程：,将画面划分为,M × N,个网格，每个网格称为 一个取样

2、点,将彩色图像取样点的颜色分解成,R,，,G,，,B,三个基色,测量每个取样点的每个分量（基色）的亮度值,对取样点每个分量的亮度值进行,A/D,转换，使用数字整型量表示,,5.2.2,图像的表示与压缩编码,数字,(,取样,),图像的组成,,数字取样图像由,M(,列,) × N(,行,),个取样点组成,,取样点是组成数字取样图像的基本单位，称为“像素”,,彩色图像的像素通常由,3,个彩色分量组成,,灰度图像和黑白图像的像素只包含,1,个亮度分量,Red,分量,Green,分量,Blue,分量,像素,复习：黑白图象的表示,黑白图像,黑白图像的每个像素只有一个分量，且只用,1,个二进位表示，其取值仅

3、“,0”(,黑,),和“,1”(,白,),两种,例,1,：灰度图象的表示,灰度图像,灰度图像的每个像素也只有一个分量，一般用,8,～,12,个二进位表示，其取值范围是：,0,～,2,n,-1,，可表示,2,n,个不同的亮度,例,2,：彩色图象的表示,,蓝色分量,绿色分量,红色分量,彩色图像的每个像素有三个分量，分别表示三个基色的亮度，假设,3,个分量分别用,n,m,k,个二进位表示，则可表示,2,n+m+k,种不同的颜色,数字,(,取样,),图像的主要参数,,图像大小（图像分辨率）：,水平分辨率,x,垂直分辨率,,,用来表示组成该图像的行列数目，亦即图像所包含的像素数目,,对图像清晰度和在屏幕

4、上显示出来的大小有影响,,位平面数目，即像素的颜色分量的数目,,颜色空间的类型，指彩色图像所使用的颜色描述方法，如：,,RGB(,红、绿、蓝,),模型，显示器使用,,CMYK(,青、品红、黄、黑,),模型，彩色打印机使用,,HSB(,色彩、饱和度、亮度,),模型，用户界面中使用,,YUV(,亮度、色度,),模型，彩色电视信号传输时使用,,像素深度，即像素的所有颜色分量的二进位数目之和,图像类型,,位平面数目,像素深度,(,位数,),颜色空间,单色图像,黑白图像,仅,1,个,1,位,不使用,,灰度图像,仅,1,个,2,～,12,位,不使用,彩色图像,彩色图像,3,个以上,8,～,36,位,RGB

5、,，,CMY,，,YUV,等,举例：分辨率与图像尺寸的关系,,520x376,260x188,130x94,在显示比例相同时，显示在屏幕上的图像尺寸与图像分辨率成正比,数字图像的数据量,,数字图像数据量的计算公式（以字节为单位）：,,,数据量,=,水平分辨率,×,垂直分辨率,×,像素深度／,8,,,几种常用格式的图像的数据量：,图像大小,8,位,(256,色,),16,位,(65536,色,),24,位,(,真彩色,),640,×,480,300 KB,600 KB,900 KB,1024,×,768,768 KB,1.5 MB,2.25 MB,1280,×,1024,1.25 MB,2.5

6、MB,3.75 MB,压缩之后数字图像的数据量计算（以字节为单位）：,,数据量,= (,水平分辨率,×,垂直分辨率,×,像素深度,/,8) /,压缩比,数字图像的数据压缩,,图像数据压缩的必要性：,,节省存储数字图像所需要的存储器容量,,提高图像的传输速度，减少通信费用,,,图像数据压缩的可能性：,,数字图像中有大量的数据冗余,,人眼视觉有局限性，允许图像有一些失真,,图像数据压缩的两种类型：,,无损压缩：用压缩后的数据还原出来的图像没有任何误差,,有损压缩：用压缩后的数据还原出来的图像有一定的误差,,压缩编码方法的评价,压缩倍数的高低（压缩比大小）,,重建图像的质量（有损压缩时）,,压缩算法

7、的复杂程度,数字,图像的常用文件,格式,常用的图像文件格式有：,,名称,压缩编码方法,性质,典型应用,开发公司,(,组织,),BMP,RLE(,行程长度编码,),无损,Windows,应用程序,Microsoft,TIF,RLE,LZW(,字典编码,),无损,桌面出版,Aldus,，,Microsoft,GIF,LZW,无损,因特网,CompuServe,JPEG,DCT(,离散余弦变换,),，,Huffman,编码,大多数为有损,因特网,,,数码相机等,ISO/IEC,PNG,LZ77,派生的压缩算法,无损,因特网等,W3C,不同的图象文件格式采用了不同的数据压缩技术和数据组织方法，适合不同

8、的应用,!,图像文件,格式例,1,：,BMP,格式,BMP,图像格式是,Windows,操作系统下使用的一种标准图像格式,,支持单色、,16,色、,256,色、真彩色图像,,一个文件一幅图像，可以进行无损压缩，也可不压缩,,非压缩的,BMP,文件是一种通用的图像文件格式，几乎所有,Windows,应用软件都能支持,图像文件,格式例,2,：,GIF 图像,颜色数目不超过,256,色 ，适合用作插图、剪贴画等色彩数要求不高的场合，,文件特别小,，适合网络传输,,GIF,图像格式具有,累进显示,功能，适合网络浏览器观看,,,GIF,图像格式能,支持,透明背景,（,JPEG,不支持）,,GIF,图像格

9、式能,支持,动画,透明背景,缺点,:,不适合,真彩色,图片,图像文件,格式例,3,：,JPEG,图像,JPEG,是静止图像数据压缩编码的国际标准，采用,JPEG,标准的图像文件扩展名是,.jpg,,JPEG,特别适合各种连续色调的彩色或灰度图像，在计算机和数码相机中已得到广泛应用,,JPEG,的最新标准是,JPEG2000,（图像文件扩展名是,.jp2,），它采用更先进的技术，可取得更好的效果，目前在医学图像处理中使用,5.2.3,数字图像处理与应用,数字图象处理：目的与内容,,目的,：,,(1),提高图像的视觉质量,,(2),恢复,与重建有失真和畸变的图像,,(3),图像分析，包括：图像的分

10、类、识别和理解等,,(4),图像数据的变换、编码和数据压缩,,(5),图像的存储、管理与检索,,(6),图像内容与知识产权的保护,,,内容,：,,去噪、增强、复原、分割、提取特征、压缩、存储、检索等,Word,和,PowerPoint,的图像编辑功能,,使用“图片工具栏”编辑图片,使用快捷菜单，屏幕上显示“图片”工具栏，进入图片编辑状态：,颜色控制,裁剪图片,线型,文字环绕,设置图片格式,设置透明色,增加,对比度,降低,对比度,增加亮度,降低亮度,旋转图片,压缩图片,Word,和,PowerPoint,的图像编辑功能,,图片编辑举例,(,外形修改,),缩小,压扁,放大,拉长,原始图片,Word

11、,和,PowerPoint,的图像编辑功能,,图片编辑举例,(,裁剪与旋转,),旋转,90,度,裁剪底部,裁剪左部,旋转任意角度,原始图片,Word,和,PowerPoint,的图像编辑功能,,图片编辑举例,(,图像属性修改,),增加对比度,降低对比度,增加亮度,降低亮度,灰度图片,黑白图片,原始图片,图像的特效处理,原始图像,波浪效果,旋转效果,旋涡效果,图像去噪,去噪之后的图像,有噪声的图像,图像增强,增强前的图像,增强后的图像,图像恢复,陈旧的老照片,恢复后的照片,抠图,,场景合成,图像分割与识别,原始图像,戒指,健身圈,手,分割后进行识别,原始图像,分割成若干部分,人脸检测与识别,数字

12、图像处理的应用,,(1),图像通信，包括图像传输、电视电话、电视会议等。,,(2),遥感,,(3),医疗诊断,,(4),工业生产中的应用，如产品质量检测，生产过程自动控制等,,(5),机器人视觉,,(6),军事、公安、档案管理等其他方面的应用,X,光图像,CT,图像,核磁共振图像,指纹图像,常用的图像编辑软件,,Word,和,PowerPoint,具有基本的图像编辑功能,,Windows,附件中的“画图”软件,,微软,Office,工具中的,Picture Manager,,ACD System,公司的,ACDSee32,,Adobe,,PhotoShop,5.2.4,计算机图形,什么是计算机

13、图形,(graphics),通过计算机和软件对景物的结构、形状与外貌进行描述,(,称为“建模”,),，然后根据该描述和选定的观察位置及光线状况，生成该景物的图形,(,称为“绘制”,),,计算机图形也称为计算机合成图像,,计算机制作图形的步骤如下：,建模,/,造型,(Modeling),景物的,,模型,(model),(1),建模,景物,,的视图,绘 制,(Rendering),(Image Synthesis),(2),绘制,选讲：,景物的两类描述,(,建模,),方法,几何造型技术,规则形体,(,如工业产品,),用基本的几何元素,(,如点、线、面、体等,),及材料的表面性质等进行描述,过程模型

14、技术,不规则形体,(,如自然现象,),找出其生成规律，并使用相应的算法来描述,,选讲：,几何造型,使用基本的几何元素,(,如平面、曲面、立方体、多面体、圆柱、圆球、圆锥等,),，借助于“并”、“差”、“交”等运算来构造物体的结构与形状,选讲：,交互式网格造型,借助,3D Modeling,软件，通过编辑网格形状进行造型,计算机图形的绘制技术,,绘制,（,rendering,）,,,也称为图像合成,(image synthesis)——,依据景物的模型，根据观察位置和光线情况，生成该景物可视图像的过程,景物图像的绘制过程,,取景变换,视域裁剪,三角化,光栅化,隐藏面消除,明暗处理,阴影生成,纹理

15、映射,景物的,,模型,景物的,,图像,绘制流水线（,Rendering Pipeline,）,物体表面用多边形进行近似表示,投影裁剪和消隐处理,明暗处理、阴影生成和纹理映射,绘制的硬件支持,——,显卡,(,图形卡,),,绘制的三个基本要求：,,每秒可处理的三角面片数量要大,(10,8,个,),，,以生成复杂场景的图像,,纹理数据库要大,(,几～几十,GB),，,以生成多种多样的高度真实感图像：,,绘制速度要快，,游戏要求实时绘制（,>25,帧,/,秒）,,绘制过程中，每一个像素的颜色及其亮度都要经过大量的计算才能得到，因此绘制过程的计算量很大，特别是三维图形和动画,显卡在绘制过程中起着关键作用

16、,绘图处理器承担着绘制过程中的大部分计算任务,美国康乃尔大学,Suzanne Smits,和,Priamos,,Georgiades,建模并绘制的俄罗斯茶壶,,例,1:,俄罗斯茶壶,例,2,：计算机绘制的钢笔画和铅笔画,,木 桶,,玻璃瓶,引用自：,Georges,Winkenbach,D.Salesin,(Univ.of Washington),pp.469-476,,,,SIGGRAPH’96,例,3,：分形图案,,计算机图形的应用,,(1),计算机辅助设计和辅助制造,(CAD,／,CAM),。,,(2),利用计算机生成各种地形图、交通图、天气图、海洋图、石油开采图等。,,(3),作战指挥

17、和军事训练。,,(4),计算机动画和计算机艺术。,,(5),其它：电子出版、数据处理、工业监控、辅助教学、软件工程等。,常用的矢量绘图软件,,专业绘图软件：,,,AutoCAD,、,PROTEL,和,CAXA,电子图板（机械、建筑等）,,MAPInfo,、,ARCInfo,、,SuperMap,GIS,（地图、地理信息系统）,,办公与事务处理、平面设计、电子出版等使用的绘图软件：,,Corel,公司的,CorelDraw,，,,Adobe,公司的,Illustrator,，,,Macromedia,公司的,FreeHand,，,,微软公司的,Microsoft Visio,等,,MS Offi

18、ce,中内嵌的绘图软件：,,Word,和,PowerPoint,中的绘图功能（简单的二维图形 ）,小结：图像与图形的比较,,计算机中的“图”按其生成方法可以分为,两,大类：,,通过数字化设备获取的“图”，它们称为取样图像、点阵图像，或位图图像等，通常简称图像（,image,）,,通过计算机建模并绘制而成的“图”，称为矢量图形，通常简称图形（,graphics,）；,,两者在外观上很难区分，但它们有许多不同的属性，一般需要使用不同的软件进行处理,图 像,图 形,小结：图像与图形的对比,,,图像,图形,生成途径,通过图像获取设备获得景物的图像,使用矢量绘图软件以交互方式制作而成,表示方法,将景物的映像,(,投影,),离散化，然后使用像素表示,使用计算机描述景物的结构、形状与外貌,表现能力,能准确地表示出实际存在的任何景物与形体的外貌，但丢失了部分三维信息,规则的形体,(,实际的或假想的,),能准确表示，自然景物只能近似表示,相应的编辑处理软件,典型的图像处理软件,,,如,PhotoShop,典型的矢量绘图软件，如,AutoCAD,文件的扩展名,.bmp .gif .,tif,.jpg .jp2,等,.,dwg,.,dxf,.,wmf,,等,数据量,大,小,