第3章 数字图像基础与多媒体光盘存储系统

1、5-1一、图形图像信息处理一、图形图像信息处理 1.1.图形图形( (矢量图形、几何图形矢量图形、几何图形) ) 矢量图是用一组指令来描述的，这些指矢量图是用一组指令来描述的，这些指令给出构成图形的各种属性和参数。例如：令给出构成图形的各种属性和参数。例如： 圆圆( (圆心坐标圆心坐标, ,半径及粗细半径及粗细, ,色彩色彩) ) 优缺点优缺点：图形文件占用空间较少：图形文件占用空间较少 图形复杂时耗时相对较长图形复杂时耗时相对较长 绘图软件绘图软件：CorelDRAWCorelDRAW AI AI5-2 2. 2.图像图像( (位图图像、点阵图像位图图像、点阵图像) ) 位图是指在空间和亮度

2、上已离散化的图位图是指在空间和亮度上已离散化的图像，通过描述每一像素的颜色或亮度来表示像，通过描述每一像素的颜色或亮度来表示该图像。它适应表现包含大量细节的图片，该图像。它适应表现包含大量细节的图片，如明暗、浓淡、层次和色彩变化等。如明暗、浓淡、层次和色彩变化等。 优缺点优缺点：色彩和色调丰富，景物逼真：色彩和色调丰富，景物逼真缩放处理易失真，数据量大缩放处理易失真，数据量大 绘画软件绘画软件：PhotoshopPhotoshop PhotoImpact PhotoImpact5-3图形与图像的比较图形与图像的比较图形图形图像图像文件大小文件大小与图形的复杂程度有与图形的复杂程度有关，一般较小

3、关，一般较小与图像的尺寸和颜色与图像的尺寸和颜色有关，一般较大有关，一般较大文件内容文件内容图形指令图形指令图像点阵数据图像点阵数据缩放、旋转处理缩放、旋转处理 无失真无失真有失真有失真处理技术处理技术绘制、创造和艺术性绘制、创造和艺术性 获取、复制和技巧性获取、复制和技巧性适合范围适合范围表现变化的曲线表现变化的曲线简单图案、运算结果简单图案、运算结果表现自然和细节景物表现自然和细节景物层次、色彩较丰富层次、色彩较丰富图形图形图像图像真实感图形绘制真实感图形绘制模式识别技术模式识别技术5-4 3.3.图像的数字化图像的数字化 连续空间位置的离散和数字化连续空间位置的离散和数字化 亮度值的离散

4、和数字化亮度值的离散和数字化5-5 4.4.图像的主要参数图像的主要参数 分辨率分辨率 分辨率直接影响图像质量。分辨率直接影响图像质量。 显示分辨率显示分辨率：指在显示器上能够显示的：指在显示器上能够显示的像素数目。像素数目。(640(640* *480,800480,800* *600,1024600,1024* *768)768) 图像分辨率图像分辨率：指数字图像的实际像素数：指数字图像的实际像素数目，它反映图像在屏幕中显示的大小。目，它反映图像在屏幕中显示的大小。 像素分辨率像素分辨率：指像素的宽高比：指像素的宽高比(1:1),(1:1),在在像素分辨率不同的机器间传输图像会变形。像素分

5、辨率不同的机器间传输图像会变形。5-6 颜色深度颜色深度 指记录每个像素所使用的二进制位数。指记录每个像素所使用的二进制位数。 彩色图像彩色图像：可使用的最多颜色数目：可使用的最多颜色数目 灰度图像灰度图像：可使用的亮度级别数目：可使用的亮度级别数目位数位数颜色数颜色数说明说明4 4位位1616种种Windows 3.xWindows 3.x中画笔支持中画笔支持1616种颜色种颜色8 8位位256256种种多媒体应用中的最低颜色深度多媒体应用中的最低颜色深度1616位位3276832768种种RGB5:5:5,RGB5:5:5,剩余剩余1 1位表示其它属性位表示其它属性( (透明透明度度) )

6、2424位位1616M M种种真彩色，超出人眼所能识别的颜色范围真彩色，超出人眼所能识别的颜色范围3232位位1616M M种种RGB8:8:8,RGB8:8:8,剩余剩余8 8位表示其它属性位表示其它属性( (透明透明度度) )5-7 5.5.图像的文件格式图像的文件格式 BMPBMP：WindowsWindows标准图像文件格式标准图像文件格式 JPGJPG：一种高效率压缩格式：一种高效率压缩格式(1:10(1:1020)20) GIFGIF：用于交换图片的，对灰度：用于交换图片的，对灰度图像表现佳，但不超过图像表现佳，但不超过256256色的图像。色的图像。 PNGPNG：流式网络图形格

7、式，它使用：流式网络图形格式，它使用LZ77LZ77派生的无损数据压缩算法。派生的无损数据压缩算法。 PNGPNG存储灰度图像时图像深度达存储灰度图像时图像深度达1616位位 PNGPNG存储彩色图像时图像深度达存储彩色图像时图像深度达4848位位 6.6.图像的获取方法图像的获取方法数字图像素材的获取数字图像素材的获取 数字图像素材的获取可以根据不同的来源数字图像素材的获取可以根据不同的来源采取不同的方法。采取不同的方法。 1 利用抓图热键获取图像利用抓图热键获取图像 2使用扫描仪扫入图像使用扫描仪扫入图像 3使用摄像机捕捉使用摄像机捕捉 4使用数字照相机拍摄使用数字照相机拍摄 5从素材光盘

8、及其他途径获取图像从素材光盘及其他途径获取图像 6利用绘图软件创建图像利用绘图软件创建图像5-85-97.7.图像的处理技术图像的处理技术 图像处理手段很多，所有处理都是建立图像处理手段很多，所有处理都是建立在对数据进行数学运算的基础上，一般用户在对数据进行数学运算的基础上，一般用户可通过图像处理软件可通过图像处理软件( (PhotoshopPhotoshop) )来完成。来完成。 例如：图像亮度、对比度的调整等。例如：图像亮度、对比度的调整等。8.8.数字图像基本属性数字图像基本属性P74(1)(1)分辨率分辨率(2)(2)数字图像的灰度与颜色描述数字图像的灰度与颜色描述(3)(3)图像文件

9、大小图像文件大小5-109.9.数字图像的色彩数字图像的色彩(1)(1)色彩基础色彩基础色彩三要素色彩三要素 视觉所感知的一切色彩现象，都具有亮度、色调视觉所感知的一切色彩现象，都具有亮度、色调、饱和度三种特性，这三种特性称为色彩三要素，、饱和度三种特性，这三种特性称为色彩三要素，人眼看到的色彩都是这三个要素的综合效果。人眼看到的色彩都是这三个要素的综合效果。 1亮度（亮度（Lightness） 亮度是指光作用于人眼时所引起的明亮程度的感亮度是指光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉。它与被观察物体的发光强度有关。对于不发光觉。它与被观察物体的发光强度有关。对于不发光的物体，人们看到的是反射光的

10、强度。的物体，人们看到的是反射光的强度。5-11 2色调（色调（Hue） 色调与物体发射或反射的光波的波长有关色调与物体发射或反射的光波的波长有关。 眼睛通过对不同光波波长的感受，可以区眼睛通过对不同光波波长的感受，可以区分不同的颜色。分不同的颜色。 3饱和度（饱和度（Staturation） 饱和度指的是颜色的深浅程度。它是按各饱和度指的是颜色的深浅程度。它是按各种颜色中掺入白光的程度来表示的。种颜色中掺入白光的程度来表示的。 饱和度还和亮度有关，在饱和的彩色中增饱和度还和亮度有关，在饱和的彩色中增加白光的成分，彩色的亮度就会增加，变得加白光的成分，彩色的亮度就会增加，变得更亮，但是它的饱和

11、度降低了。更亮，但是它的饱和度降低了。5-12(2)(2)色彩的标准模式色彩的标准模式三基色原理三基色原理 三基色原理是指自然界常见的各种可见光，都三基色原理是指自然界常见的各种可见光，都可由红（可由红（Red）、绿（）、绿（Green）、蓝（）、蓝（Blue）三种）三种颜色光按不同比例相配而成。同样，绝大多数可见颜色光按不同比例相配而成。同样，绝大多数可见光也可以分解成红、绿、蓝三种色光。光也可以分解成红、绿、蓝三种色光。 三基色的选择不是惟一的，但是，三基色的三种三基色的选择不是惟一的，但是，三基色的三种颜色必须是独立的。由于人的眼睛对红、绿、蓝三颜色必须是独立的。由于人的眼睛对红、绿、蓝

12、三种色光最为敏感，由这三种颜色相配得到的颜色范种色光最为敏感，由这三种颜色相配得到的颜色范围最广，因此一般都选红（围最广，因此一般都选红（R）、绿（）、绿（G）、蓝（）、蓝（B）为三基色。）为三基色。 三基色（三基色（RGB）原理是色度学最基）原理是色度学最基本的原理。本的原理。5-13 10.10.数字图像的文件格式数字图像的文件格式p78p781BMP格式格式 BMP文件是文件是Windows使用的标准图像文件格式使用的标准图像文件格式， Windows系统的图标和背景都采用这种格式。系统的图标和背景都采用这种格式。 BMP是一种是一种典型的位映射存储形式，它典型的位映射存储形式，它支持支

13、持 RGB、索引颜色、灰度和、索引颜色、灰度和位图颜色模式。位图颜色模式。 2JPEG格式格式 JPEG是按图像专家联合组制订的压缩标准是按图像专家联合组制订的压缩标准DCT来压缩存来压缩存储的图像文件格式，储的图像文件格式，JPEG使用一种有损压缩算法使用一种有损压缩算法，但是损，但是损失很小，以至于人们很难察觉。用户可以根据自己的需要选失很小，以至于人们很难察觉。用户可以根据自己的需要选择择JPEG文件的压缩比。文件的压缩比。JPEG图像文件格式是目前应用范围图像文件格式是目前应用范围非常广泛的一种图像文件格式。非常广泛的一种图像文件格式。5-14 3GIF格式格式 GIF（Graphic

14、s Interchange Format）是由）是由CompuServe公司为了制定彩色图像传输协议而发的图像公司为了制定彩色图像传输协议而发的图像格式文件。它格式文件。它最多只能支持最多只能支持256种颜色的调色板种颜色的调色板，通常用于通常用于以较大色块而非连续色阶呈现的图像。以较大色块而非连续色阶呈现的图像。在多媒体制作和网页在多媒体制作和网页制作中经常用到这种格式的文件。制作中经常用到这种格式的文件。GIF格式已成为主页图片的标准格式，除了它的文件较小，可格式已成为主页图片的标准格式，除了它的文件较小，可以减少下载时间外，另外有以减少下载时间外，另外有3个主要特点：个主要特点：（1）交

15、错显示（）交错显示（2）透明）透明 （3）动画效果）动画效果 4PSD格式格式 PSD格式是格式是Adobe公司开发的图像处理软件公司开发的图像处理软件PhotoShop中自建的标准文件格式，中自建的标准文件格式，是是PhotoShop的默认文件格式，的默认文件格式，它支持它支持PhotoShop的所有功能，能保存没有合并的图层、的所有功能，能保存没有合并的图层、通道和蒙板等信息。通道和蒙板等信息。5-15 5PCX格式格式 PCX是为是为Zsoft公司研制开发的图像处理软件公司研制开发的图像处理软件PC Paintbrush设计的文件格式。设计的文件格式。 PCX图像文件格式与特定图图像文件

16、格式与特定图形显示硬件有关。形显示硬件有关。PCX文件在存储时都要经过文件在存储时都要经过RLE压缩，读压缩，读写写PCX时需要一段时需要一段RLE编码和解码程序。编码和解码程序。 6 TIFF格式格式 TIFF（Tag Image File Format）称为标）称为标记图像文件格记图像文件格式式。它是。它是Alaus和和Microsoft公司为公司为扫描仪和桌面出版系统扫描仪和桌面出版系统研制开发研制开发的较为通用的图像文件格式的较为通用的图像文件格式 5-161.4.1 光盘及其特点光盘及其特点 CD（Compact Disc，高密盘）是采用光学方式来记录和读取二进制信息的，所以称之为光

17、盘。 光盘是一种数字式记录存储器，具有容量大、耐用、易保存、标具有容量大、耐用、易保存、标准化等优点，并且非常适合于大量生产准化等优点，并且非常适合于大量生产，所以被广泛地作为计算机软件、多媒体出版物、计算机游戏等发行量大的电子出版物。 光盘在存储多媒体信息方面具有以下主要的特点。光盘在存储多媒体信息方面具有以下主要的特点。 1记录密度高记录密度高 2存储容量大存储容量大 3采用非接触方式读采用非接触方式读/写信息写信息 4信息保存时间长信息保存时间长 5不同平台可以互换不同平台可以互换 6多种媒体融合多种媒体融合 7价格低廉价格低廉 为了使不同生产厂家生产的光盘能够在遵循对应规范的光盘驱动器

18、中使用，国际标准化组织ISO对光盘的物理尺寸、转速、存储容量、数据传输速率、误码率、编码方法和数据格式等多项技术参数作了详细的规定。这些技术规范为软件、硬件设计人员提供了详细的技术说明，也为软件、硬件开发人员进行技术开发提供了依据。由于国际标准化组织在制定和采纳光盘标准规范文件时，使用了不同颜色的封面，人们也就习惯以标准规范文件的封面颜色来区分不同的光盘标准。 1红皮书（Red Book）规范 红皮书是红皮书是CD标准的第一个文件，即标准的第一个文件，即CD-DA（CD-Digital Audio）激光数字音频光盘规范，发表于）激光数字音频光盘规范，发表于1981年年。红皮书详细规定了CD-D

19、A光盘的物理特性、数据编码和错误校正格式。 CD系列的所有产品都建立在红皮书规范之上，其后的各种光盘标准都是以红皮书规范为基础改进制定的 2黄皮书（Yellow Book ）规范 CD-ROM开发人员1985年在High Sierra旅馆集会，提出了CD-ROM的基本标准的基本标准， 1988年正式被国际标准化组织制年正式被国际标准化组织制定为定为IS0 9660规范，即黄皮书规范。规范，即黄皮书规范。IS0 9660规范以红皮书为基础，详细规定了CD-ROM数据存放和逻辑结构的格式，其核心思.想是将光盘上的数据以数据块的方式来组织，专用于存储计算机数据或软件。CD-ROM扇区数据格式的定义分

20、为Mode l和Mode 2两种规范，Mode 1主要用于存放对误码率要求较高的计算机软件或数据，Mode 2主要用于存放对误码率要求不高的图像或声音数据。 3绿皮书（Green Book ）规范 绿皮书是绿皮书是1987年为交互式光盘年为交互式光盘CD-I （CD-Interactive）制定的技术标准。交互式光盘交互式光盘CD-I可将高质量的静止图像、可将高质量的静止图像、图形、动画、声音及文本以数字格式存放在图形、动画、声音及文本以数字格式存放在CD-ROM光盘上。光盘上。主要用于家庭娱乐交互式多媒体播放系统。主要用于家庭娱乐交互式多媒体播放系统。 1992年又推出了可以交互式播放动态视

21、频的第二代CD-I规范。 因黄皮书规范与绿皮书规范采用不同的物理格式不同的物理格式，所以标准CD-ROM驱动器不能读取交互式光盘CD-I的数据。 4蓝皮书（Blue Book）规范 蓝皮书规范是1985年为CD-WORM光盘制定的标准，CD-WORM光盘容许用户一次性写入信息，写入的信息将永用户一次性写入信息，写入的信息将永久保存在光盘上，写入后可以多次读出，但不能再修改。久保存在光盘上，写入后可以多次读出，但不能再修改。 由于蓝皮书规范与光盘的基本标准红皮书规范在逻辑格式上完全不兼容，因而没有得到推广应用。蓝皮书规范目前己被橙皮书规范完全取代，橙皮书规范已成为CD-WORM光盘的正式标准。

22、5橙皮书（Orange Book ）规范 橙皮书规范是在黄皮书规范的基础上进行改进，增加了在可录CD空白部分写入数据的功能，于1989年发表。橙皮书规范容许在CD-R （Compact Disk Recordable）光盘的空白部分多次写入数据，直到剩余空间用完为止，但不能擦除但不能擦除以前写入的数据。以前写入的数据。 6CD-ROM XA规范 因标准CD-ROM驱动器不能读取交互式光盘CD-I格式的数据，1988年由Philips、Sony和Microsoft公司共同制定了一种CD-ROM扩展结构。该规范基本兼容了交互式光盘CD-I数据格式，其目的是让CD-ROM XA驱动器能够读取CD-I

23、格式的数据。 CD-ROM XA 规范容许将视频、音频和文本交替地放置在光盘的光道上，便于开发人员制作丰富多彩的多媒体节目。 7白皮书（White Book ）规范 白皮书规范由绿皮书规范演化而来，是1992年针对VCD（Video Compact Disk）光盘制定的标准，采用MPEG压缩算法压缩音频与动态图像。目前VCD1.0和VCD 2.0光盘节目均采用白皮书规范。VCD光盘能在光盘能在CD-I、CD-ROM XA和和Video CD播放机上正常播放播放机上正常播放。 8DVD DVD（Digital Video Disc，数字视频光盘）是继上述光盘产品之后的新一代光盘存储介质。与以往的

24、光盘存储介质相比，DVD采用波长更短的红色激光、更有效的调制方式和更强的纠错方法，具有更高的道密度和位密度，并支持双层双面结构。 对视频信号的处理，DVD采用的是MPEG-2压缩编码标准。 在音频方面，DVD可以采用的标准较多，既可是MPEG-1立体声、MPEG-2环绕立体声，也可是杜比（Dolby）AC-3。 杜比AC-3是一种高效、高性能的声音编码系统，该声音系统在放音时，前面有左、中、右3个通道,后侧面有2个独立的环绕声通道，前方中间还有200Hz以下的低音专用通道，因频带窄而称为0.1通道，所以AC-3又称为5.1通道 。 1只读型光盘及其读原理只读型光盘及其读原理 只读光盘中的数据是

25、用压模方法压制而成的，用户只能读取上面的数据，而不能写入或修改光盘中的数据。最常见的只读光盘为CD-ROM光盘。 CD-ROM光盘上的数据是沿着盘面螺旋形状的光道，由内向外以一系列长度不等的凹坑和凸区的形式存储的。 凹凸交界的边缘代表数字“1”，两个边缘之间代表数字“0”，“0”的个数是由边缘之间的长度决定的。通过光学探测仪器产生光电检测信号，从而读出“0”、“1”数据。 2多次可写光盘及其读写原理（刻录技术）多次可写光盘及其读写原理（刻录技术） 这种光盘允许用户写入数据，并可随时往盘上追加数据，直到盘满为止。 信息写入后则变成只读状态，不可再做修改。 CD-R信息的写入系统主要由写入器和写入

26、控制软件构成。写入器也称为光刻机，是写入系统的硬件部分。CD-R光盘记录数据的方法和CD-ROM一样，也是将数据由内向外刻录在螺旋型的光道上。 2多次可写光盘及其读写原理（刻录技术）多次可写光盘及其读写原理（刻录技术） 使用CD-R刻录机制作数据盘的时候，是将刻录机的写激光聚焦后，透过CD-R空白盘上的聚碳酸脂层照射到有机染料的表面上，激光照射时产生的热量将有机染料烧熔，并使其变成光痕。用数据“0”或“1”来调制激光的强度，就可以把要存储的信息刻录在光盘上。 当用CD-ROM驱动器读取CD-R盘上的信息时，激光透过聚碳酸脂层和有机染料层照射到反射层的表面上，并反射回CD-ROM的光电二极管检测

27、器上。光痕会改变激光的反射程度，CD-ROM驱动器就根据反射回来的光线强弱的变化分辨出数据“0”和“1”。 3可读写光盘及其擦写原理可读写光盘及其擦写原理 目前，可读写光盘主要有磁光盘（Magneto-Optical Disk，MOD）和相变光盘（Phase-Change Disk，PCD）两种类型。MOD是利用磁的记忆特性，借助激光来写入和读出数据； PCD采用晶体非晶体作为制成材料，它在激光束的热力作用下，导致由非晶体状态转变为晶体状态，同样，也可以由晶体状态转变为非晶体状态。这种晶体非晶体状态的互换，就形成信息的写入和擦除。与MOD相比，PCD仅利用光学原理来读写数据，所以其光学头可以做得相对简单，存取时间也就可以提高；又由于PCD的读出方式与CD-ROM相同，所以多功能的光盘驱动器就变得容易实现。总之，可读写式光盘由于其具有硬盘的大容量、软盘的抽取方便的特点，如果性能稳定、读取速度提高，未来的远景十分看好。 必须使用专门的设备才能从光盘中读取数据，这种设必须使用专门的设备才能从光盘中读取数据，这种设备就是光盘驱动器，简称光驱备就是光盘驱动器，简称光驱。 光驱在工作时有光驱在工作时有CLV和和CAV两种方式两种方式。 在CLV（Constant Line Velocity，恒定线速度）方式下，单位距离的