1、5.2 圖像與圖形5.2.1 數字圖像的獲取5.2.2 圖像的表示與壓縮編碼5.2.3 數字圖像處理與應用5.2.4 計算機圖形5.2.1 數字圖像的獲取圖像的獲取過程掃 描模擬圖像取 樣取 樣取 樣數字圖像分 色量 化量 化量 化從現實世界中獲得數字圖像的過程稱為圖像的“獲取”常用的圖像獲取設備：掃描儀、數碼相機、攝像頭、攝像機等圖像獲取過程： 將畫面劃分為 M N個網格，每個網格稱為 一個取樣點 將彩色圖像取樣點的顏色分解成R，G，B三個基色測量每個取樣點的每個分量（基色）的亮度值對取樣點每個分量的亮度值進行A/D轉換，使用數字整型量表示 5.2.2 圖像的表示與壓縮編碼數字(取樣)圖像的

2、組成數字取樣圖像由M(列) N(行)個取樣點組成取樣點是組成數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個彩色分量組成灰度圖像和黑白圖像的像素只包含1個亮度分量 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像素只有一個分量，且只用1個二進位表示，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像素也只有一個分量，一般用812個二進位表示，其取值范圍是：02n-1，可表示2n個不同的亮度例3：彩色圖象的表示藍色分量綠色分量紅色分量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3個分量分別用n,m,k個二進

3、位表示，則可表示2n+m+k種不同的顏色數字(取樣)圖像的主要參數圖像大小（圖像分辨率）：用來表示組成該圖像的行列數目，亦即圖像所包含的像素數目使用 水平分辨率x垂直分辨率 表示對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)模型，顯示器使用CMYK(青、品紅、黃、黑)模型，彩色打印機使用HSB(色彩、飽和度、亮度)模型，用戶界面中使用YUV(亮度、色度)模型，彩色電視信號傳輸時使用像素深度，即像素的所有顏色分量的二進位數目之和圖像類型像素的組成像素深度(位數)顏色空間單色圖像黑白圖像僅1個分量1位不使用灰度圖像僅1個分量212位不使用彩色

4、圖像彩色圖像3個分量以上836位RGB，CMY，YUV等舉例：分辨率與圖像尺寸的關系520 x376260 x188130 x94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數字圖像的數據量數字圖像數據量的計算公式（以字節為單位）： 數據量=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據量： 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：數字圖像傳輸時間的計算假設數據傳輸速率為56 kb/s（電話

5、上網），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間為： (640 x480 x16)/56000 = 87.8秒數字圖像的數據壓縮圖像數據壓縮的必要性：節省存儲數字圖像所需要的存儲器容量提高圖像的傳輸速度，減少通信費用 圖像數據壓縮的可能性：數字圖像中有大量的數據冗余人眼視覺有局限性，允許圖像有一些失真圖像數據壓縮的兩種類型：無損壓縮：用壓縮后的數據還原出來的圖像沒有任何誤差有損壓縮：用壓縮后的數據還原出來的圖像有一定的誤差壓縮編碼方法的評價壓縮倍數的高低重建圖像的質量（有損壓縮時）壓縮算法的復雜程度數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據壓縮技術和數據組

6、織方法，有不同的應用常用的圖像文件格式有：名稱壓縮編碼方法性質典型應用開發公司(組織)BMPRLE(行程長度編碼)無損Windows應用程序MicrosoftTIFRLE,LZW(字典編碼)無損桌面出版Aldus，MicrosoftGIFLZW無損因特網CompuServeJPEGDCT(離散余弦變換)，Huffman編碼大多為有損因特網,數碼相機等ISO/IECJP2小波變換，算術編碼無損/有損因特網,數碼相機等ISO/IEC圖像文件格式例1：BMP格式BMP圖像格式是Windows操作系統下使用的一種標準圖像格式支持單色、16色、256色、真彩色圖像一個文件一幅圖像，可以進行無損壓縮，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 應用軟件都能支持圖像文件格式例2： GIF 圖像顏色數目不超過256色 ，適合用作插圖、剪貼畫等色彩數要求不高的場合，文件特別小，適合網絡傳輸GIF圖像格式具有累進顯示功能，適合網絡瀏覽器觀看 GIF圖像格式能支持透明背景（JPEG不支持）GIF圖像格式能支持動畫GIF動畫之例透明背景圖像文件格式例3：JPEG圖像JPEG是靜止圖像數據壓縮編碼的國際標準，采用JPEG標準的圖像文件擴展名是 .jpgJPEG特別適合各種連續色調的彩色或灰度圖像，在計算機和數碼相機中已得到廣泛應用 JPEG的最新標準是JPEG2000（圖像

8、文件擴展名是 .jp2 ），它采用更先進的技術，可取得更好的效果JPEG與JPEG2000的比較之例5.2.3 數字圖像處理與應用數字圖象處理：目的與內容目的：(1) 提高圖像的視覺質量(2) 恢復與重建有失真和畸變的圖像(3) 圖像分析，包括：圖像的分類、識別和理解等(4) 圖像數據的變換、編碼和數據壓縮(5) 圖像的存儲、管理與檢索(6) 圖像內容與知識產權的保護 內容：去噪、增強、復原、分割、提取特征、壓縮、存儲、檢索等數字圖像處理的應用(1) 圖像通信，包括圖像傳輸、電視電話、電視會議等。(2) 遙感(3) 醫療診斷(4) 工業生產中的應用，如產品質量檢測，生產過程自動控制等(5) 機

9、器人視覺(6) 軍事、公安、檔案管理等其他方面的應用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，進入圖片編輯狀態：顏色控制裁剪圖片線型文字環繞設置圖片格式設置透明色增加對比度降低對比度增加亮度降低亮度旋轉圖片壓縮圖片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)旋轉90度裁剪底部裁剪左部旋轉任意角度原始圖片Word和PowerPoint的圖像編輯功能 圖片編輯舉例(圖像屬性修改)增加對比度降低對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 計算機圖形什么是計算機圖形(graphics)通過計算機和軟件對景物的結構、形狀與外貌進行描述(稱為“建模”)，然后根據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”)計算機圖形也稱為計算機合成圖像計算機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)方法幾何造型技術規則形體(如工業產品)用基本的幾何元素(如點、線、面、體等)及材料的表面性質等進行描述 過程模型技術不規則形體(如自然現象)找出其生成規律，并使用相應的算法來描述 計算機圖形的繪制過程從景物模型繪制出圖形的過程，實際上也是把景物的描述(模型)轉換成為點陣(像素陣列)的過程，它包括下列步驟： 將各個物體的所有表面用小的多邊形（三角形或四邊形）進行近似表示 用戶選擇一個觀測位置，并設定一個取景范圍，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的部分裁剪掉，同

12、時還把景物中所有被遮擋而看不見的部分隱去根據景物表面材料的性質和環境光源的設定，計算出物體可見面上每一點(像素)的顏色及其亮度計算出物體所產生的本影和半影；根據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：計算機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計算機圖形與顯卡(圖形卡)圖形繪制過程中，每一個像素的顏色及其亮

13、度都要經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目前PC機所配置的圖形卡（顯卡）上安裝了功能很強的專用繪圖處理器，它能承擔繪制過程中的大部分計算任務S-Video接口DVI接口VGA接口繪圖處理器顯示卡計算機圖形的應用(1) 計算機輔助設計和輔助制造(CADCAM)。(2) 利用計算機生成各種地形圖、交通圖、天氣圖、海洋圖、石油開采圖等。(3) 作戰指揮和軍事訓練。(4) 計算機動畫和計算機藝術。(5) 其它：電子出版、數據處理、工業監控、輔助教學、軟件工程等。 矢量繪圖軟件專業繪圖軟件： AutoCAD（機械、建筑等）MAPInfo、ARCInfo（地圖、地理信息

14、系統）辦公與事務處理、平面設計、電子出版等領域：Corel公司的CorelDraw，Adobe 公司的Illustrator，Macromedia公司的FreeHand，微軟公司的Microsoft Visio等內嵌的繪圖軟件：Word 和 PowerPoint中的繪圖功能（簡單的二維圖形 ） 小結：圖像與圖形的比較計算機中的圖像按其生成方法可以分為兩大類：通過數字化設備獲取的圖像，它們稱為取樣圖像、點陣圖像，或位圖圖像等，通常簡稱圖像（image）通過計算機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分，但它們有許多不同的屬性，一般需要使用不同的軟件進行處理 圖 像圖 形小結：圖像與圖形的對比圖像圖形生成途徑通過圖像獲取設備獲得景物的圖像使用矢量繪