1、 5.2 圖像與圖形圖像與圖形5.2.1 數(shù)字圖像的獲取數(shù)字圖像的獲取5.2.2 圖像的表示與壓縮編碼圖像的表示與壓縮編碼5.2.3 數(shù)字圖像處理與應(yīng)用數(shù)字圖像處理與應(yīng)用5.2.4 計算機圖形計算機圖形25.2.1 數(shù)字圖像的獲取數(shù)字圖像的獲取3圖像的獲取過程圖像的獲取過程掃掃 描描模模擬擬圖圖像像取取 樣樣取取 樣樣取取 樣樣數(shù)數(shù)字字圖圖像像分分 色色量量 化化量量 化化量量 化化n從現(xiàn)實世界中獲得數(shù)字圖像的過程稱為圖像的從現(xiàn)實世界中獲得數(shù)字圖像的過程稱為圖像的“獲取獲取”n常用的圖像獲取設(shè)備：掃描儀、數(shù)碼相機、攝像頭、攝像機等常用的圖像獲取設(shè)備：掃描儀、數(shù)碼相機、攝像頭、攝像機等n圖像獲取

2、過程：圖像獲取過程： 將畫面劃分為將畫面劃分為 M N個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格稱為個網(wǎng)格稱為 一一個取樣點個取樣點 將彩色圖像取樣將彩色圖像取樣點的顏色分解成點的顏色分解成R，G，B三個三個基色基色測量每個取樣點測量每個取樣點的每個分量（基的每個分量（基色）的亮度值色）的亮度值對取樣點每個分對取樣點每個分量的亮度值進行量的亮度值進行A/D轉(zhuǎn)換，使用轉(zhuǎn)換，使用數(shù)字整型量表示數(shù)字整型量表示 45.2.2 圖像的表示與壓縮編碼圖像的表示與壓縮編碼5數(shù)字數(shù)字(取樣取樣)圖像的組成圖像的組成n數(shù)字取樣圖像由數(shù)字取樣圖像由M(列列) N(行行)個取樣點組成個取樣點組成n取樣點是組成數(shù)字取樣圖像的基本單位

3、，稱為取樣點是組成數(shù)字取樣圖像的基本單位，稱為“像素像素”n彩色圖像的像素通常由彩色圖像的像素通常由3個彩色分量組成個彩色分量組成n灰度圖像和黑白圖像的像素只包含灰度圖像和黑白圖像的像素只包含1個亮度分量個亮度分量 Red分量分量Green分量分量Blue分量分量像素像素6復(fù)習(xí)：黑白圖象的表示復(fù)習(xí)：黑白圖象的表示黑白圖像黑白圖像n黑白圖像的每個像素只有一個分量，且只用黑白圖像的每個像素只有一個分量，且只用1個二進位表個二進位表示，其取值僅示，其取值僅“0”(黑黑)和和“1”(白白)兩種兩種7例例1：灰度圖象的表示：灰度圖象的表示灰度圖像灰度圖像n灰度圖像的每個像素也只有一個分量，一般用灰度圖像

4、的每個像素也只有一個分量，一般用812個二個二進位表示，其取值范圍是：進位表示，其取值范圍是：02n-1，可表示，可表示2n個不同的個不同的亮度亮度8例例2：彩色圖象的表示：彩色圖象的表示藍藍色色分分量量綠綠色色分分量量紅紅色色分分量量n彩色圖像的每個像素有三個分量，分別表示三個基色的亮度，假設(shè)彩色圖像的每個像素有三個分量，分別表示三個基色的亮度，假設(shè)3個分量分別用個分量分別用n,m,k個二進位表示，則可表示個二進位表示，則可表示2n+m+k種不同的顏色種不同的顏色9數(shù)字數(shù)字(取樣取樣)圖像的主要參數(shù)圖像的主要參數(shù)n圖像大?。▓D像分辨率）：圖像大?。▓D像分辨率）：水平分辨率水平分辨率x垂直分辨

5、率垂直分辨率 n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數(shù)目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數(shù)目n對圖像清晰度和在屏幕上顯示出來的大小有影響對圖像清晰度和在屏幕上顯示出來的大小有影響n位平面數(shù)目，即像素的顏色分量的數(shù)目位平面數(shù)目，即像素的顏色分量的數(shù)目 n顏色空間的類型，指彩色圖像所使用的顏色描述方法，如：顏色空間的類型，指彩色圖像所使用的顏色描述方法，如：nRGB(紅、綠、藍紅、綠、藍)模型，顯示器使用模型，顯示器使用nCMYK(青、品紅、黃、黑青、品紅、黃、黑)模型，彩色打印機使用模型，彩色打印機使用nHSB(色彩、飽和度、亮度色彩、飽和度、亮度)模型，用戶界面

6、中使用模型，用戶界面中使用nYUV(亮度、色度亮度、色度)模型，彩色電視信號傳輸時使用模型，彩色電視信號傳輸時使用n像素深度，即像素的所有顏色分量的二進位數(shù)目之和像素深度，即像素的所有顏色分量的二進位數(shù)目之和圖像類型圖像類型位平面數(shù)目位平面數(shù)目像素深度像素深度(位數(shù)位數(shù))顏色空間顏色空間單色圖像單色圖像黑白圖像黑白圖像僅僅1個個1位位不使用不使用灰度圖像灰度圖像僅僅1個個212位位不使用不使用彩色圖像彩色圖像彩色圖像彩色圖像3個以上個以上836位位RGB，CMY，YUV等等10舉例：分辨率與圖像尺寸的關(guān)系舉例：分辨率與圖像尺寸的關(guān)系520 x376260 x188130 x94在顯示比例相同時

7、，顯示在屏幕上的圖像尺寸與圖像分辨率成正比在顯示比例相同時，顯示在屏幕上的圖像尺寸與圖像分辨率成正比11數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量n數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量的計算公式（以字節(jié)為單位）：數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量的計算公式（以字節(jié)為單位）： 數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)量=水平分辨率水平分辨率垂直分辨率垂直分辨率像素深度像素深度8 n幾種常用格式的圖像的數(shù)據(jù)量：幾種常用格式的圖像的數(shù)據(jù)量： 圖像大小圖像大小8位位(256色色)16位位(65536色色)24位位(真彩色真彩色)640480300 KB600 KB900 KB1024768768 KB1.5 MB2.25 MB128010241.25 MB2.5 MB3.75 MB

8、n壓縮之后數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量計算（以字節(jié)為單位）：壓縮之后數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量計算（以字節(jié)為單位）：數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)量 = (水平分辨率水平分辨率垂直分辨率垂直分辨率像素深度像素深度/ /8) / 壓縮比壓縮比12數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)壓縮數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)壓縮n圖像數(shù)據(jù)壓縮的必要性：圖像數(shù)據(jù)壓縮的必要性：n節(jié)省存儲數(shù)字圖像所需要的存儲器容量節(jié)省存儲數(shù)字圖像所需要的存儲器容量n提高圖像的傳輸速度，減少通信費用提高圖像的傳輸速度，減少通信費用 n圖像數(shù)據(jù)壓縮的可能性：圖像數(shù)據(jù)壓縮的可能性：n數(shù)字圖像中有大量的數(shù)據(jù)冗余數(shù)字圖像中有大量的數(shù)據(jù)冗余n人眼視覺有局限性，允許圖像有一些失真人眼視覺有局限性，允許圖像有一些失真n圖

9、像數(shù)據(jù)壓縮的兩種類型：圖像數(shù)據(jù)壓縮的兩種類型：n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n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n壓縮編碼方法的評價壓縮編碼方法的評價壓縮倍數(shù)的高低（壓縮比大?。嚎s倍數(shù)的高低（壓縮比大小）重建圖像的質(zhì)量（有損壓縮時）重建圖像的質(zhì)量（有損壓縮時）壓縮算法的復(fù)雜程度壓縮算法的復(fù)雜程度13數(shù)字圖像的常用文件格式數(shù)字圖像的常用文件格式n常用的圖像文件格式有：常用的圖像文件格式有：名稱名稱壓縮編碼方法壓縮編碼方法性質(zhì)性質(zhì)典型應(yīng)用典型應(yīng)用開發(fā)公司開發(fā)公

10、司(組織組織)BMPRLE(行程長度編碼行程長度編碼)無損無損Windows應(yīng)用程序應(yīng)用程序MicrosoftTIFRLE,LZW(字典編碼字典編碼)無損無損桌面出版桌面出版Aldus，MicrosoftGIFLZW無損無損因特網(wǎng)因特網(wǎng)CompuServeJPEG DCT(離散余弦變換離散余弦變換)，Huffman編碼編碼大多數(shù)為大多數(shù)為有損有損因特網(wǎng)因特網(wǎng),數(shù)碼相機等數(shù)碼相機等ISO/IECPNGLZ77派生的壓縮算法派生的壓縮算法無損無損因特網(wǎng)等因特網(wǎng)等W3C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)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)組織方法，適合不同的應(yīng)用組織方法，適

11、合不同的應(yīng)用! !14圖像文件格式例圖像文件格式例1：BMP格式格式nBMP圖像格式是圖像格式是Windows操作系統(tǒng)下使用的一種操作系統(tǒng)下使用的一種標準圖像格式標準圖像格式n支持單色、支持單色、16色、色、256色、真彩色圖像色、真彩色圖像n一個文件一幅圖像，可以進行無損壓縮，也可不一個文件一幅圖像，可以進行無損壓縮，也可不壓縮壓縮n非壓縮的非壓縮的BMP文件是一種通用的圖像文件格式，文件是一種通用的圖像文件格式，幾乎所有幾乎所有Windows 應(yīng)用軟件都能支持應(yīng)用軟件都能支持15圖像文件格式例圖像文件格式例2： GIF 圖像圖像n顏色數(shù)目不超過顏色數(shù)目不超過256色色 ，適合用作插圖、剪貼

12、畫等色彩數(shù)，適合用作插圖、剪貼畫等色彩數(shù)要求不高的場合，要求不高的場合，文件特別小文件特別小，適合網(wǎng)絡(luò)傳輸，適合網(wǎng)絡(luò)傳輸nGIF圖像格式具有圖像格式具有累進顯示累進顯示功能，適合網(wǎng)絡(luò)瀏覽器觀看功能，適合網(wǎng)絡(luò)瀏覽器觀看 nGIF圖像格式能支持圖像格式能支持透明背景透明背景（JPEG不支持）不支持）nGIF圖像格式能支持圖像格式能支持動畫動畫透透明明背背景景缺點缺點: 不適合真彩色圖片不適合真彩色圖片 16圖像文件格式例圖像文件格式例3：JPEG圖像圖像nJPEG是靜止圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼的國際標準，采用是靜止圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼的國際標準，采用JPEG標準的圖像文件擴展名是標準的圖像文件擴展名是 .jp

13、gnJPEG特別適合各種連續(xù)色調(diào)的彩色或灰度圖像，特別適合各種連續(xù)色調(diào)的彩色或灰度圖像，在計算機和數(shù)碼相機中已得到廣泛應(yīng)用在計算機和數(shù)碼相機中已得到廣泛應(yīng)用 nJPEG的最新標準是的最新標準是JPEG2000（圖像文件擴展名（圖像文件擴展名是是 .jp2 ），它采用更先進的技術(shù)，可取得更好的），它采用更先進的技術(shù)，可取得更好的效果，目前在醫(yī)學(xué)圖像處理中使用效果，目前在醫(yī)學(xué)圖像處理中使用175.2.3 數(shù)字圖像處理與應(yīng)用數(shù)字圖像處理與應(yīng)用18數(shù)字圖象處理：目的與內(nèi)容數(shù)字圖象處理：目的與內(nèi)容n目的目的：(1) (1) 提高圖像的視覺質(zhì)量提高圖像的視覺質(zhì)量(2) (2) 恢復(fù)恢復(fù)與重建有失真和畸變的

14、圖像與重建有失真和畸變的圖像(3) (3) 圖像分析，包括：圖像的分類、識別和理解等圖像分析，包括：圖像的分類、識別和理解等(4) (4) 圖像數(shù)據(jù)的變換、編碼和數(shù)據(jù)壓縮圖像數(shù)據(jù)的變換、編碼和數(shù)據(jù)壓縮(5) (5) 圖像的存儲、管理與檢索圖像的存儲、管理與檢索(6) (6) 圖像內(nèi)容與知識產(chǎn)權(quán)的保護圖像內(nèi)容與知識產(chǎn)權(quán)的保護 n內(nèi)容內(nèi)容：n去噪、增強、復(fù)原、分割、提取特征、壓縮、存儲、檢索等去噪、增強、復(fù)原、分割、提取特征、壓縮、存儲、檢索等19Word和和PowerPoint的圖像編輯功能的圖像編輯功能 使用使用“圖片工具欄圖片工具欄”編輯圖片編輯圖片n使用快捷菜單，屏幕上顯示使用快捷菜單，屏

15、幕上顯示“圖片圖片”工具欄，進入圖片工具欄，進入圖片編輯狀態(tài)：編輯狀態(tài)：顏色控制顏色控制裁剪圖片裁剪圖片線型線型文字環(huán)繞文字環(huán)繞設(shè)置圖片格式設(shè)置圖片格式設(shè)置透明色設(shè)置透明色增加增加對比度對比度降低降低對比度對比度增加亮度增加亮度降低亮度降低亮度旋轉(zhuǎn)圖片旋轉(zhuǎn)圖片壓縮圖片壓縮圖片20Word和和PowerPoint的圖像編輯功能的圖像編輯功能 圖片編輯舉例圖片編輯舉例(外形修改外形修改)縮小縮小壓扁壓扁放大放大拉長拉長原始圖片原始圖片21Word和和PowerPoint的圖像編輯功能的圖像編輯功能 圖片編輯舉例圖片編輯舉例(裁剪與旋轉(zhuǎn)裁剪與旋轉(zhuǎn))旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)90度度裁剪底部裁剪底部裁剪左部裁剪左部旋轉(zhuǎn)

16、任意角度旋轉(zhuǎn)任意角度原始圖片原始圖片22Word和和PowerPoint的圖像編輯功能的圖像編輯功能 圖片編輯舉例圖片編輯舉例(圖像屬性修改圖像屬性修改)增加對比度增加對比度降低對比度降低對比度增加亮度增加亮度降低亮度降低亮度灰度圖片灰度圖片黑白圖片黑白圖片原始圖片原始圖片23圖像的特效處理圖像的特效處理原始圖像波浪效果旋轉(zhuǎn)效果旋渦效果24圖像去噪圖像去噪去噪之后的圖像有噪聲的圖像25圖像增強圖像增強增強前的圖像增強后的圖像26圖像恢復(fù)圖像恢復(fù)陳舊的老照片恢復(fù)后的照片27摳圖摳圖場景合成場景合成28圖像分割與識別圖像分割與識別原始圖像戒指健身圈手分割后進行識別原始圖像原始圖像分割成若干部分分割

17、成若干部分29人臉檢測與識別人臉檢測與識別30數(shù)字圖像處理的應(yīng)用數(shù)字圖像處理的應(yīng)用(1) 圖像通信，包括圖像傳輸、電圖像通信，包括圖像傳輸、電視電話、電視會議等。視電話、電視會議等。(2) 遙感遙感(3) 醫(yī)療診斷醫(yī)療診斷(4) 工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，如產(chǎn)品質(zhì)工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，如產(chǎn)品質(zhì)量檢測，生產(chǎn)過程自動控制等量檢測，生產(chǎn)過程自動控制等(5) 機器人視覺機器人視覺(6) 軍事、公安、檔案管理等其他軍事、公安、檔案管理等其他方面的應(yīng)用方面的應(yīng)用X光圖像光圖像CT圖像圖像核磁共振核磁共振圖像圖像指紋圖像指紋圖像31常用的圖像編輯軟件常用的圖像編輯軟件nWord和和PowerPoint具有基本的圖像編輯

18、功能具有基本的圖像編輯功能nWindows附件中的附件中的“畫圖畫圖”軟件軟件n微軟微軟Office工具中的工具中的Picture ManagernACD System公司的公司的ACDSee32nAdobe PhotoShop325.2.4 計算機圖形計算機圖形33什么是計算機圖形什么是計算機圖形(graphics)n通過計算機和軟件對景物的結(jié)構(gòu)、形狀與外貌進行描述通過計算機和軟件對景物的結(jié)構(gòu)、形狀與外貌進行描述(稱稱為為“建模建模”)，然后根據(jù)該描述和選定的觀察位置及光線狀，然后根據(jù)該描述和選定的觀察位置及光線狀況，生成該景物的圖形況，生成該景物的圖形(稱為稱為“繪制繪制”)n計算機圖形也

19、稱為計算機合成圖像計算機圖形也稱為計算機合成圖像n計算機制作圖形的步驟如下：計算機制作圖形的步驟如下： 建模建模/造型造型(Modeling)景物的景物的模型模型(model)(1) 建模建模景物景物的視圖的視圖 繪繪 制制(Rendering)(Image Synthesis)(2) 繪制繪制34選講：選講： 景物的兩類描述景物的兩類描述(建模建模)方法方法幾何造幾何造型技術(shù)型技術(shù)規(guī)則形體規(guī)則形體(如工業(yè)產(chǎn)品如工業(yè)產(chǎn)品)用基本的幾何元素用基本的幾何元素(如點、如點、線、面、體等線、面、體等)及材料的表及材料的表面性質(zhì)等進行描述面性質(zhì)等進行描述 過程模過程模型技術(shù)型技術(shù)不規(guī)則形體不規(guī)則形體(如

20、自然現(xiàn)象如自然現(xiàn)象)找出其生成規(guī)律，并使用找出其生成規(guī)律，并使用相應(yīng)的算法來描述相應(yīng)的算法來描述 35選講：選講： 幾何造型幾何造型使用基本的幾何元素使用基本的幾何元素( (如如平面、曲面、立方體、平面、曲面、立方體、多面體、圓柱、圓球、多面體、圓柱、圓球、圓錐等圓錐等) )，借助于，借助于“并并”、“差差”、“交交”等運算等運算來構(gòu)造物體的結(jié)構(gòu)與形來構(gòu)造物體的結(jié)構(gòu)與形狀狀 36選講：選講： 交互式網(wǎng)格造型交互式網(wǎng)格造型n借助借助3D Modeling軟件，通過編輯網(wǎng)格形狀進行造型軟件，通過編輯網(wǎng)格形狀進行造型37計算機圖形的繪制技術(shù)計算機圖形的繪制技術(shù)n繪制繪制（rendering）,也稱為

21、圖像合成也稱為圖像合成(image synthesis)依據(jù)景物的模型，根據(jù)觀察位置和光線情況，生成該景依據(jù)景物的模型，根據(jù)觀察位置和光線情況，生成該景物可視圖像的過程物可視圖像的過程38景物圖像的繪制過程景物圖像的繪制過程取取景景變變換換視視域域裁裁剪剪三三角角化化光光柵柵化化隱隱藏藏面面消消除除明明暗暗處處理理陰陰影影生生成成紋紋理理映映射射景物景物的的模型模型景物景物的的圖像圖像繪制流水線（繪制流水線（Rendering Pipeline）物體表物體表面用多面用多邊形進邊形進行近似行近似表示表示 投影投影裁剪裁剪和消和消隱處隱處理理 明暗處明暗處理、陰理、陰影生成影生成和紋理和紋理映射映

22、射 39繪制的硬件支持繪制的硬件支持顯卡顯卡(圖形卡圖形卡)n繪制的三個基本要求：繪制的三個基本要求：n每秒可處理的三角面片數(shù)量要大每秒可處理的三角面片數(shù)量要大(108個個) ，以生成復(fù)雜場景的圖像以生成復(fù)雜場景的圖像n紋理數(shù)據(jù)庫要大紋理數(shù)據(jù)庫要大(幾幾十幾幾十GB)，以生成多種多樣的高度真實感圖像：以生成多種多樣的高度真實感圖像：n繪制速度要快，繪制速度要快，游戲要求實時繪制（游戲要求實時繪制（25幀幀/秒）秒）n繪制過程中，每一個像素的顏色及其亮度都要經(jīng)過大量的計算才繪制過程中，每一個像素的顏色及其亮度都要經(jīng)過大量的計算才能得到，因此繪制過程的計算量很大，特別是三維圖形和動畫能得到，因此繪

23、制過程的計算量很大，特別是三維圖形和動畫顯卡在繪制過程中起著關(guān)鍵作用顯卡在繪制過程中起著關(guān)鍵作用繪圖處理器承擔著繪制過繪圖處理器承擔著繪制過程中的大部分計算任務(wù)程中的大部分計算任務(wù)40n美國康乃爾大學(xué)美國康乃爾大學(xué)Suzanne Smits 和和Priamos Georgiades建建模并繪制的俄羅模并繪制的俄羅斯茶壺斯茶壺 例例1:俄羅斯茶壺俄羅斯茶壺41例例2：計算機繪制的鋼筆畫和鉛筆畫：計算機繪制的鋼筆畫和鉛筆畫z 木 桶z 玻璃瓶引用自：引用自：Georges Winkenbach,D.Salesin (Univ.of Washington) pp.469-476, SIGGRAPH9

24、642例例3：分形圖案：分形圖案43計算機圖形的應(yīng)用計算機圖形的應(yīng)用(1) 計算機輔助設(shè)計和輔助制造計算機輔助設(shè)計和輔助制造(CADCAM)。(2) 利用計算機生成各種地形圖、交通圖、天氣圖、海洋圖、利用計算機生成各種地形圖、交通圖、天氣圖、海洋圖、石油開采圖等。石油開采圖等。(3) 作戰(zhàn)指揮和軍事訓(xùn)練。作戰(zhàn)指揮和軍事訓(xùn)練。(4) 計算機動畫和計算機藝術(shù)。計算機動畫和計算機藝術(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。工程等。 44常用的矢量繪圖軟件常用的矢量繪圖軟件n專業(yè)繪圖軟件：專業(yè)繪圖軟件： nAutoCAD、PROTEL和和CAXA電子圖板（機械、建筑等）電子圖板（機械、建筑等）nMAPInfo、ARCInfo、SuperMap GIS （地圖、地理信息系統(tǒng)）（地圖、地理信息系統(tǒng)）n辦公與事務(wù)處理、平面設(shè)計、電子出版等使用的繪圖軟件：辦公與事務(wù)處理、平面設(shè)計、電子出版等使用的繪圖軟件：nCorel公司的公司的CorelDraw，nAdobe 公司的公司的Illustrator，nMacromedia公司的公司的FreeHand，n微軟公司的微軟公司的Microsoft Visio等等nMS Office中內(nèi)嵌的繪圖軟件：中內(nèi)嵌的繪圖軟件：nW