第5章5.2图像与图形

1、 5.2 图像与图形图像与图形5.2.1 数字图像的获取数字图像的获取5.2.2 图像的表示与压缩编码图像的表示与压缩编码5.2.3 数字图像处理与应用数字图像处理与应用5.2.4 计算机图形计算机图形25.2.1 数字图像的获取数字图像的获取3图像的获取过程图像的获取过程扫扫 描描模模拟拟图图像像取取 样样取取 样样取取 样样数数字字图图像像分分 色色量量 化化量量 化化量量 化化n 从现实世界中获得数字图像的过程称为图像的从现实世界中获得数字图像的过程称为图像的“获取获取”n 常用的图像获取设备：扫描仪、数码相机、摄像头、摄像机等常用的图像获取设备：扫描仪、数码相机、摄像头、摄像机等n 图

2、像获取过程：图像获取过程： 将画面划分为将画面划分为 M N个网格，每个网格，每个网格称为个网格称为 一一个取样点个取样点 将彩色图像取样将彩色图像取样点的颜色分解成点的颜色分解成R，G，B三个三个基色基色测量每个取样点测量每个取样点的每个分量（基的每个分量（基色）的亮度值色）的亮度值对取样点每个分对取样点每个分量的亮度值进行量的亮度值进行A/D转换，使用转换，使用数字整型量表示数字整型量表示 45.2.2 图像的表示与压缩编码图像的表示与压缩编码5数字数字(取样取样)图像的组成图像的组成n 数字取样图像由数字取样图像由M(列列) N(行行)个取样点组成个取样点组成n 取样点是组成数字取样图像

3、的基本单位，称为取样点是组成数字取样图像的基本单位，称为“像素像素”n 彩色图像的像素通常由彩色图像的像素通常由3个彩色分量组成个彩色分量组成n 灰度图像和黑白图像的像素只包含灰度图像和黑白图像的像素只包含1个亮度分量个亮度分量 Red分量分量Green分量分量Blue分量分量像素像素6复习：黑白图象的表示复习：黑白图象的表示黑白图像黑白图像n 黑白图像的每个像素只有一个分量，且只用黑白图像的每个像素只有一个分量，且只用1个二进位表个二进位表示，其取值仅示，其取值仅“0”(黑黑)和和“1”(白白)两种两种7例例1：灰度图象的表示：灰度图象的表示灰度图像灰度图像n 灰度图像的每个像素也只有一个分

4、量，一般用灰度图像的每个像素也只有一个分量，一般用812个二个二进位表示，其取值范围是：进位表示，其取值范围是：02n-1，可表示，可表示2n个不同的个不同的亮度亮度8例例2：彩色图象的表示：彩色图象的表示蓝蓝色色分分量量绿绿色色分分量量红红色色分分量量n 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个分量分别用个分量分别用n,m,k个二进位表示，则可表示个二进位表示，则可表示2n+m+k种不同的颜色种不同的颜色9数字数字(取样取样)图像的主要参数图像的主要参数n 图像大小（图像分辨率）：图像大小（图像分辨率）：水平分辨

5、率水平分辨率x垂直分辨率垂直分辨率 n 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n 对图像清晰度和在屏幕上显示出来的大小有影响对图像清晰度和在屏幕上显示出来的大小有影响n 位平面数目，即像素的颜色分量的数目位平面数目，即像素的颜色分量的数目 n 颜色空间的类型，指彩色图像所使用的颜色描述方法，如：颜色空间的类型，指彩色图像所使用的颜色描述方法，如：n RGB(红、绿、蓝红、绿、蓝)模型，显示器使用模型，显示器使用n CMYK(青、品红、黄、黑青、品红、黄、黑)模型，彩色打印机使用模型，彩色打印机使用n HSB(色彩、饱和度、亮

6、度色彩、饱和度、亮度)模型，用户界面中使用模型，用户界面中使用n YUV(亮度、色度亮度、色度)模型，彩色电视信号传输时使用模型，彩色电视信号传输时使用n 像素深度，即像素的所有颜色分量的二进位数目之和像素深度，即像素的所有颜色分量的二进位数目之和图像类型图像类型位平面数目位平面数目像素深度像素深度(位数位数)颜色空间颜色空间单色图像单色图像黑白图像黑白图像仅仅1个个1位位不使用不使用灰度图像灰度图像仅仅1个个212位位不使用不使用彩色图像彩色图像彩色图像彩色图像3个以上个以上836位位RGB，CMY，YUV等等10举例：分辨率与图像尺寸的关系举例：分辨率与图像尺寸的关系520 x376260

7、 x188130 x94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11数字图像的数据量数字图像的数据量n 数字图像数据量的计算公式（以字节为单位）：数字图像数据量的计算公式（以字节为单位）： 数据量数据量=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 几种常用格式的图像的数据量：几种常用格式的图像的数据量： 图像大小图像大小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 MB128010

8、241.25 MB2.5 MB3.75 MBn 压缩之后数字图像的数据量计算（以字节为单位）：压缩之后数字图像的数据量计算（以字节为单位）：数据量数据量 = (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) / 压缩比压缩比12数字图像的数据压缩数字图像的数据压缩n 图像数据压缩的必要性：图像数据压缩的必要性：n 节省存储数字图像所需要的存储器容量节省存储数字图像所需要的存储器容量n 提高图像的传输速度，减少通信费用提高图像的传输速度，减少通信费用 n 图像数据压缩的可能性：图像数据压缩的可能性：n 数字图像中有大量的数据冗余数字图像中有大量的数据冗余n 人眼视觉有局限性，

9、允许图像有一些失真人眼视觉有局限性，允许图像有一些失真n 图像数据压缩的两种类型：图像数据压缩的两种类型：n 无损压缩：用压缩后的数据还原出来的图像没有任何误差无损压缩：用压缩后的数据还原出来的图像没有任何误差n 有损压缩：用压缩后的数据还原出来的图像有一定的误差有损压缩：用压缩后的数据还原出来的图像有一定的误差n 压缩编码方法的评价压缩编码方法的评价压缩倍数的高低（压缩比大小）压缩倍数的高低（压缩比大小）重建图像的质量（有损压缩时）重建图像的质量（有损压缩时）压缩算法的复杂程度压缩算法的复杂程度13数字数字图像的常用文件图像的常用文件格式格式n 常用的图像文件格式有：常用的图像文件格式有：名

10、称名称压缩编码方法压缩编码方法性质性质典型应用典型应用开发公司开发公司(组织组织)BMPRLE(行程长度编码行程长度编码)无损无损Windows应用程序应用程序MicrosoftTIFRLE,LZW(字典编码字典编码)无损无损桌面出版桌面出版Aldus，MicrosoftGIFLZW无损无损因特网因特网CompuServeJPEG DCT(离散余弦变换离散余弦变换)，Huffman编码编码大多数为大多数为有损有损因特网因特网,数码相机等数码相机等ISO/IECPNGLZ77派生的压缩算法派生的压缩算法无损无损因特网等因特网等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不同的图象文件格

11、式采用了不同的数据压缩技术和数据组织方法，适合不同的应用组织方法，适合不同的应用! !14图像文件图像文件格式例格式例1：BMP格式格式n BMP图像格式是图像格式是Windows操作系统下使用的一种操作系统下使用的一种标准图像格式标准图像格式n 支持单色、支持单色、16色、色、256色、真彩色图像色、真彩色图像n 一个文件一幅图像，可以进行无损压缩，也可不一个文件一幅图像，可以进行无损压缩，也可不压缩压缩n 非压缩的非压缩的BMP文件是一种通用的图像文件格式，文件是一种通用的图像文件格式，几乎所有几乎所有Windows 应用软件都能支持应用软件都能支持15图像文件图像文件格式例格式例2： G

12、IF 图像图像n 颜色数目不超过颜色数目不超过256色色 ，适合用作插图、剪贴画等色彩数，适合用作插图、剪贴画等色彩数要求不高的场合，要求不高的场合，文件特别小文件特别小，适合网络传输，适合网络传输n GIF图像格式具有图像格式具有累进显示累进显示功能，适合网络浏览器观看功能，适合网络浏览器观看 n GIF图像格式能支持图像格式能支持透明背景透明背景（JPEG不支持）不支持）n GIF图像格式能支持图像格式能支持动画动画透透明明背背景景缺点缺点: 不适合真彩色图片不适合真彩色图片 16图像文件图像文件格式例格式例3：JPEG图像图像n JPEG是静止图像数据压缩编码的国际标准，采用是静止图像数

13、据压缩编码的国际标准，采用JPEG标准的图像文件扩展名是标准的图像文件扩展名是 .jpgn JPEG特别适合各种连续色调的彩色或灰度图像，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在计算机和数码相机中已得到广泛应用 n JPEG的最新标准是的最新标准是JPEG2000（图像文件扩展名（图像文件扩展名是是 .jp2 ），它采用更先进的技术，可取得更好的），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效果，目前在医学图像处理中使用175.2.3 数字图像处理与应用数字图像处理与应用18数字图象处理：目的与内容数字图象处理：目的与内容n 目的目的：(1

14、) (1) 提高图像的视觉质量提高图像的视觉质量(2) (2) 恢复恢复与重建有失真和畸变的图像与重建有失真和畸变的图像(3) (3) 图像分析，包括：图像的分类、识别和理解等图像分析，包括：图像的分类、识别和理解等(4) (4) 图像数据的变换、编码和数据压缩图像数据的变换、编码和数据压缩(5) (5) 图像的存储、管理与检索图像的存储、管理与检索(6) (6) 图像内容与知识产权的保护图像内容与知识产权的保护 n 内容内容：n 去噪、增强、复原、分割、提取特征、压缩、存储、检索等去噪、增强、复原、分割、提取特征、压缩、存储、检索等19Word和和PowerPoint的图像编辑功能的图像编辑

15、功能 使用使用“图片工具栏图片工具栏”编辑图片编辑图片n使用快捷菜单，屏幕上显示使用快捷菜单，屏幕上显示“图片图片”工具栏，进入图片工具栏，进入图片编辑状态：编辑状态：颜色控制颜色控制裁剪图片裁剪图片线型线型文字环绕文字环绕设置图片格式设置图片格式设置透明色设置透明色增加增加对比度对比度降低降低对比度对比度增加亮度增加亮度降低亮度降低亮度旋转图片旋转图片压缩图片压缩图片20Word和和PowerPoint的图像编辑功能的图像编辑功能 图片编辑举例图片编辑举例(外形修改外形修改)缩小缩小压扁压扁放大放大拉长拉长原始图片原始图片21Word和和PowerPoint的图像编辑功能的图像编辑功能 图片

16、编辑举例图片编辑举例(裁剪与旋转裁剪与旋转)旋转旋转90度度裁剪底部裁剪底部裁剪左部裁剪左部旋转任意角度旋转任意角度原始图片原始图片22Word和和PowerPoint的图像编辑功能的图像编辑功能 图片编辑举例图片编辑举例(图像属性修改图像属性修改)增加对比度增加对比度降低对比度降低对比度增加亮度增加亮度降低亮度降低亮度灰度图片灰度图片黑白图片黑白图片原始图片原始图片23图像的特效处理图像的特效处理原始图像波浪效果旋转效果旋涡效果24图像去噪图像去噪去噪之后的图像有噪声的图像25图像增强图像增强增强前的图像增强后的图像26图像恢复图像恢复陈旧的老照片恢复后的照片27抠图抠图场景合成场景合成28

17、图像分割与识别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原始图像分割成若干部分分割成若干部分29人脸检测与识别人脸检测与识别30数字图像处理的应用数字图像处理的应用(1) 图像通信，包括图像传输、电图像通信，包括图像传输、电视电话、电视会议等。视电话、电视会议等。(2) 遥感遥感(3) 医疗诊断医疗诊断(4) 工业生产中的应用，如产品质工业生产中的应用，如产品质量检测，生产过程自动控制等量检测，生产过程自动控制等(5) 机器人视觉机器人视觉(6) 军事、公安、档案管理等其他军事、公安、档案管理等其他方面的应用方面的应用X光图像光图像CT图像图像核磁共振核磁共振图像图像指纹图像指纹

18、图像31常用的图像编辑软件常用的图像编辑软件n Word和和PowerPoint具有基本的图像编辑功能具有基本的图像编辑功能n Windows附件中的附件中的“画图画图”软件软件n 微软微软Office工具中的工具中的Picture Managern ACD System公司的公司的ACDSee32n Adobe PhotoShop325.2.4 计算机图形计算机图形33什么是计算机图形什么是计算机图形(graphics)n 通过计算机和软件对景物的结构、形状与外貌进行描述通过计算机和软件对景物的结构、形状与外貌进行描述(称称为为“建模建模”)，然后根据该描述和选定的观察位置及光线状，然后根据

19、该描述和选定的观察位置及光线状况，生成该景物的图形况，生成该景物的图形(称为称为“绘制绘制”)n 计算机图形也称为计算机合成图像计算机图形也称为计算机合成图像n 计算机制作图形的步骤如下：计算机制作图形的步骤如下： 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视图的视图 绘绘 制制(Rendering)(Image Synthesis)(2) 绘制绘制34选讲：选讲： 景物的两类描述景物的两类描述(建模建模)方法方法几何造几何造型技术型技术规则形体规则形体(如工业产品如工业产品)用基本的几何元素用基本的几何元素(如点、如点、线、面、体等线、

20、面、体等)及材料的表及材料的表面性质等进行描述面性质等进行描述 过程模过程模型技术型技术不规则形体不规则形体(如自然现象如自然现象)找出其生成规律，并使用找出其生成规律，并使用相应的算法来描述相应的算法来描述 35选讲：选讲： 几何造型几何造型使用基本的几何元素使用基本的几何元素( (如如平面、曲面、立方体、平面、曲面、立方体、多面体、圆柱、圆球、多面体、圆柱、圆球、圆锥等圆锥等) )，借助于，借助于“并并”、“差差”、“交交”等运算等运算来构造物体的结构与形来构造物体的结构与形状状 36选讲：选讲： 交互式网格造型交互式网格造型n 借助借助3D Modeling软件，通过编辑网格形状进行造型

21、软件，通过编辑网格形状进行造型37计算机图形的绘制技术计算机图形的绘制技术n 绘制绘制（rendering）,也称为图像合成也称为图像合成(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物可视图像的过程38景物图像的绘制过程景物图像的绘制过程取取景景变变换换视视域域裁裁剪剪三三角角化化光光栅栅化化隐隐藏藏面面消消除除明明暗暗处处理理阴阴影影生生成成纹纹理理映映射射景物景物的的模型模型景物景物的的图像图像绘制流水线（绘制流水线（Rendering Pipeline）物体表物体表面用多面用多边形进边形

22、进行近似行近似表示表示 投影投影裁剪裁剪和消和消隐处隐处理理 明暗处明暗处理、阴理、阴影生成影生成和纹理和纹理映射映射 39绘制的硬件支持绘制的硬件支持显卡显卡(图形卡图形卡)n 绘制的三个基本要求：绘制的三个基本要求：n 每秒可处理的三角面片数量要大每秒可处理的三角面片数量要大(108个个) ，以生成复杂场景的图像以生成复杂场景的图像n 纹理数据库要大纹理数据库要大(几几十几几十GB)，以生成多种多样的高度真实感图像：以生成多种多样的高度真实感图像：n 绘制速度要快，绘制速度要快，游戏要求实时绘制（游戏要求实时绘制（25帧帧/秒）秒）n 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

23、才绘制过程中，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显卡在绘制过程中起着关键作用绘图处理器承担着绘制过绘图处理器承担着绘制过程中的大部分计算任务程中的大部分计算任务40n 美国康乃尔大学美国康乃尔大学Suzanne Smits 和和Priamos Georgiades建建模并绘制的俄罗模并绘制的俄罗斯茶壶斯茶壶 例例1:俄罗斯茶壶俄罗斯茶壶41例例2：计算机绘制的钢笔画和铅笔画：计算机绘制的钢笔画和铅笔画z 木 桶z 玻璃瓶引用自：引用自：Georges

24、 Winkenbach,D.Salesin (Univ.of Washington) pp.469-476, SIGGRAPH9642例例3：分形图案：分形图案43计算机图形的应用计算机图形的应用(1) 计算机辅助设计和辅助制造计算机辅助设计和辅助制造(CADCAM)。(2) 利用计算机生成各种地形图、交通图、天气图、海洋图、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。石油开采图等。(3) 作战指挥和军事训练。作战指挥和军事训练。(4) 计算机动画和计算机艺术。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、软件其它：电子出版、数据处理、工业监

25、控、辅助教学、软件工程等。工程等。 44常用的矢量绘图软件常用的矢量绘图软件n 专业绘图软件：专业绘图软件： n AutoCAD、PROTEL和和CAXA电子图板（机械、建筑等）电子图板（机械、建筑等）n MAPInfo、ARCInfo、SuperMap GIS （地图、地理信息系统）（地图、地理信息系统）n 办公与事务处理、平面设计、电子出版等使用的绘图软件：办公与事务处理、平面设计、电子出版等使用的绘图软件：n Corel公司的公司的CorelDraw，n Adobe 公司的公司的Illustrator，n Macromedia公司的公司的FreeHand，n 微软公司的微软公司的Microsoft Visio等等n MS Office中内嵌的绘图软件：中内嵌的绘图软件：n Word 和和 PowerPoint中的绘图功能（简单的二维图形中的绘图功能（简单的二维图形 ） 45小结：图像与图形的比较小结：图像与图形的比较n 计算机中的计算机中的“图图”按其生成方法可以按其生成方法可以分为分为两两大类：大类：n 通过数字化设备获取的通过数字化设备获取的“图图”，它，它们称