多媒体技术应用3图形图像处理技术(陈永强)

1、数学与计算机学院数学与计算机学院陈永强陈永强Email:Email:2013-2014-2第三章第三章 图形图像处理技术图形图像处理技术n3.1图形图像基本原理图形图像基本原理 3.1.1人类视觉特性人类视觉特性 3.1.2计算机图形计算机图形 3.1.3数字图像数字图像n3.2常用图像压缩标准常用图像压缩标准 3.2.1JPEG 3.2.2JPEG 2000n3.3常用图形图像处理软件常用图形图像处理软件 3.3.1绘图设计软件绘图设计软件AutoCAD 3.3.2图像处理软件图像处理软件Photoshop第三章第三章 图形图像处理技术图形图像处理技术n3.1图形图像基本原理图形图像基本原理

2、3.1.1人类视觉特性人类视觉特性3.1.2计算机图形计算机图形3.1.3数字图像数字图像计算机图形学计算机图形学、图像处理图像处理是计算机理论与应用领域是计算机理论与应用领域的的2 2个分支学科，其相关技术已经在各行各业中得个分支学科，其相关技术已经在各行各业中得到了广泛的应用。到了广泛的应用。图形图像处理图形图像处理指的是使用图形图像输入指的是使用图形图像输入/ /输出设备、输出设备、图形图像算法与软件在计算机上处理和生成静态图形图像算法与软件在计算机上处理和生成静态或动态的图形图像。或动态的图形图像。 3.1.1人类视觉特性人类视觉特性眼睛对光的感觉被称为眼睛对光的感觉被称为光觉光觉，对

3、颜色的感觉被称为，对颜色的感觉被称为色觉色觉，它们是眼睛的基本特性。，它们是眼睛的基本特性。1 1光觉光觉 2 2色觉色觉 3.1.1人类视觉特性人类视觉特性1 1光觉光觉 视觉系统要产生光感觉，就需要有一定量的光进入视觉系统要产生光感觉，就需要有一定量的光进入眼球，我们把产生光觉的最小亮度称为眼球，我们把产生光觉的最小亮度称为光觉门限光觉门限或或光觉阈光觉阈。光觉门限与刺激面积有密切关系，这种关系可以使光觉门限与刺激面积有密切关系，这种关系可以使用用里克（里克（RiccoRicco）定理）定理和和里波（里波（RiperRiper）定理）定理来描来描述。述。3.1.1人类视觉特性人类视觉特性1

4、 1光觉光觉 当刺激面积较小时，服从当刺激面积较小时，服从里克定理里克定理，光觉门限与刺激面积成，光觉门限与刺激面积成反比。反比。当刺激面积较大时，服从当刺激面积较大时，服从里波定理里波定理，光觉门限与刺激面积的，光觉门限与刺激面积的开二次方成反比。开二次方成反比。一般情况下，里克定理和里波定理可以统一起来表达，这两一般情况下，里克定理和里波定理可以统一起来表达，这两个定理被统称为个定理被统称为里波定理里波定理。光觉门限与时间的关系由光觉门限与时间的关系由布洛克（布洛克（BlockBlock）定理）定理来描述，光来描述，光觉门限与刺激时间成反比。觉门限与刺激时间成反比。 3.1.1人类视觉特性

5、人类视觉特性2 2色觉色觉人们对人们对色觉色觉的普遍认识是：光线波长的不同而产生了不同的的普遍认识是：光线波长的不同而产生了不同的颜色感觉。色觉是视觉系统的基本机能，对于图像和物体颜色感觉。色觉是视觉系统的基本机能，对于图像和物体的检测具有重要意义。的检测具有重要意义。对人眼而言，可见光线的波长在对人眼而言，可见光线的波长在380380780 m780 m范围内，一范围内，一般可分辨出包括紫、蓝、青、绿、黄、橙、红等般可分辨出包括紫、蓝、青、绿、黄、橙、红等7 7种主要种主要颜色在内的颜色在内的120120180180种不同的颜色。种不同的颜色。3.1.1人类视觉特性人类视觉特性2 2色觉色觉

6、目前，一般采用目前，一般采用“三原色学说三原色学说”来解释色觉机理。来解释色觉机理。颜色三要素：色调、饱和度、亮度。颜色三要素：色调、饱和度、亮度。色调（色相）：就是颜色的相貌，色调（色相）：就是颜色的相貌，表示颜色的种类表示颜色的种类，由可见光谱中各分量的波长来确定。，由可见光谱中各分量的波长来确定。饱和度：饱和度：表示颜色的纯净程度。表示颜色的纯净程度。亮度：指颜色所引起的人眼对明暗程度的感觉。亮度：指颜色所引起的人眼对明暗程度的感觉。 3.1.1人类视觉特性人类视觉特性2 2色觉色觉三基色原理：将红、绿、蓝三种颜色按照不同的比三基色原理：将红、绿、蓝三种颜色按照不同的比例进行组合，就可以

7、引起人眼对自然界的全部颜例进行组合，就可以引起人眼对自然界的全部颜色感觉。色感觉。3.1.1人类视觉特性人类视觉特性2 2色觉色觉颜色空间模型：颜色空间模型：1 1）RGBRGB颜色空间，由三种基本颜色颜色空间，由三种基本颜色RedRed红、红、GreenGreen绿、绿、BlueBlue蓝组成。蓝组成。2 2）HSBHSB颜色空间，颜色空间，HueHue色调、色调、SaturationSaturation饱和度、饱和度、Brightness/ IntensifyBrightness/ Intensify亮度组成。亮度组成。3 3）YUVYUV颜色空间，颜色空间， Y Y表示亮度信号，表示亮度

8、信号，U U、V V表示色度信号，表示色度信号，是构成颜色的两分量。是构成颜色的两分量。4 4）CMYKCMYK颜色空间，青（颜色空间，青（CyanCyan）、品红（）、品红（MagentaMagenta）和黄）和黄（YellowYellow），简称为），简称为CMYCMY，K K（BlackBlack）表示黑色。）表示黑色。3.1.1人类视觉特性人类视觉特性2 2色觉色觉RGBRGB，HSIHSI，YUVYUV，CMY(K)CMY(K)等不同的颜色空间只是对颜色的等不同的颜色空间只是对颜色的不同表示方法，可以通过数学公式的相互转换。不同表示方法，可以通过数学公式的相互转换。实际应用中，一幅图

9、像在计算机中用实际应用中，一幅图像在计算机中用RGBRGB空间显示；用空间显示；用RGBRGB或或HSIHSI空间编辑处理；打印或印刷时要转换成空间编辑处理；打印或印刷时要转换成CMY(K)CMY(K)空间空间。3.1.2计算机图形计算机图形1 1计算机图形学计算机图形学 2 2计算机图形与图形基元计算机图形与图形基元 3 3计算机图形的表示特点计算机图形的表示特点 3.1.2计算机图形计算机图形1 1计算机图形学计算机图形学计算机图形学计算机图形学是研究图形处理技术（利用计算机来处理图形是研究图形处理技术（利用计算机来处理图形）的学科，包括图形处理的原理、方法和技术等内容。）的学科，包括图形

10、处理的原理、方法和技术等内容。（1 1）主要研究内容主要研究内容：图形的生成和表示技术；图形的运算：图形的生成和表示技术；图形的运算方法；图形输入方法；图形输入/ /输出设备及相应的输入输出设备及相应的输入/ /输出技术；图输出技术；图形系统与支持部件；图形信息的描述和表示；几何模型形系统与支持部件；图形信息的描述和表示；几何模型的构造技术与动画技术；图形的实时性与真实感。的构造技术与动画技术；图形的实时性与真实感。（2 2）主要应用领域主要应用领域 ：科学计算可视化；图形用户界面；计：科学计算可视化；图形用户界面；计算机辅助设计；娱乐与计算机动画；图形实时绘制与自算机辅助设计；娱乐与计算机动

11、画；图形实时绘制与自然景物仿真；计算机艺术。然景物仿真；计算机艺术。 3.1.2计算机图形计算机图形2 2计算机图形与图形基元计算机图形与图形基元计算机图形计算机图形是一个广义的概念，它既包括了描述图形，也包是一个广义的概念，它既包括了描述图形，也包括了自然图形。括了自然图形。从构成图形的要素来看，图形是由从构成图形的要素来看，图形是由点、线、面、体等几何要点、线、面、体等几何要素素以及以及明暗、灰度、色彩等非几何要素明暗、灰度、色彩等非几何要素构成的。构成的。可以这样来描述可以这样来描述计算机图形计算机图形：它是从客观世界的物体中抽象：它是从客观世界的物体中抽象出来的、具有灰度或色彩以及具有

12、形状的图或形。事实上出来的、具有灰度或色彩以及具有形状的图或形。事实上，这样的定义也涵盖了，这样的定义也涵盖了“图像图像”这一概念。这一概念。 图图3-1 3-1 一幅计算机图形一幅计算机图形 3.1.2计算机图形计算机图形2 2计算机图形与图形基元计算机图形与图形基元图形基元图形基元指的是最基本的图形元素。在计算机图形学中，它指的是最基本的图形元素。在计算机图形学中，它实际上包括两层含义，即静态含义和动态含义。实际上包括两层含义，即静态含义和动态含义。静态含义静态含义指的是图形基元的逻辑意义，即前面所述的基本图指的是图形基元的逻辑意义，即前面所述的基本图形单元在计算机内的表示；形单元在计算机

13、内的表示；动态含义动态含义指的是显示输出图形基元的过程（被称为输出基元指的是显示输出图形基元的过程（被称为输出基元或图形输出原语），即在输出设备的指定位置使用最基本或图形输出原语），即在输出设备的指定位置使用最基本的输出原语来生成确定的图形几何结构的输出原语来生成确定的图形几何结构。 3.1.2计算机图形计算机图形3 3计算机图形的表示特点计算机图形的表示特点 在图形系统中，计算机图形是以在图形系统中，计算机图形是以指令指令的形式来存放的形式来存放的。的。计算机通过计算机通过指令指令和和数学公式数学公式来建立矢量的计算机图来建立矢量的计算机图形。形。 3.1.2计算机图形计算机图形3 3计算机

14、图形的表示特点计算机图形的表示特点矢量图形式表示的计算机图形特点：矢量图形式表示的计算机图形特点：（1 1）图形缩放不变形）图形缩放不变形（2 2）局部编辑特性）局部编辑特性（3 3）存储空间小）存储空间小 213.1.3数字图像数字图像根据记录方式的不同，图像可以分为两大类：根据记录方式的不同，图像可以分为两大类：模拟模拟图像图像和和数字图像数字图像，前者通过某种物理量（如光和，前者通过某种物理量（如光和电）的强弱变化来记录图像上各点的灰度信息，电）的强弱变化来记录图像上各点的灰度信息，后者则是使用数字来记录图像灰度信息的。后者则是使用数字来记录图像灰度信息的。数字图像数字图像是一种可以在计

15、算机中显示、编辑、保存是一种可以在计算机中显示、编辑、保存和输出的图像。和输出的图像。 22233.1.3数字图像数字图像1 1数字图像处理数字图像处理 2 2灰度与图像数据的表示灰度与图像数据的表示 3 3位图图像的表示特点位图图像的表示特点 4 4矢量图与位图文件的对比矢量图与位图文件的对比 243.1.3数字图像数字图像1 1数字图像处理数字图像处理（1 1）主要研究内容主要研究内容 ：图像信息的获取、存储、传：图像信息的获取、存储、传输输 、处理、输出与显示。、处理、输出与显示。 （2 2）典型的应用领域典型的应用领域：遥感图像处理、医学应用、：遥感图像处理、医学应用、图像通信领域、安

16、全保障领域、教学与科研领图像通信领域、安全保障领域、教学与科研领域。域。 253.1.3数字图像数字图像2 2灰度与图像数据的表示灰度与图像数据的表示灰度灰度是指图像上各点处的颜色深浅程度的信息。是指图像上各点处的颜色深浅程度的信息。 对于对于单色黑白图像单色黑白图像来说，灰度即是黑白程度等来说，灰度即是黑白程度等级；级； 对于对于彩色图像彩色图像来说，因为任何彩色图像都可以来说，因为任何彩色图像都可以分解成红、绿、蓝三种单色图像，所以彩色图像分解成红、绿、蓝三种单色图像，所以彩色图像的灰度指的是这三种单色图像的灰度。的灰度指的是这三种单色图像的灰度。263.1.3数字图像数字图像2 2灰度与

17、图像数据的表示灰度与图像数据的表示数字图像在计算机上是以数字图像在计算机上是以位图位图的形式存在的，的形式存在的，位图位图是一个矩是一个矩形点阵，上面的每一个点被称为像素。形点阵，上面的每一个点被称为像素。像素像素是数字图像中的基本单位，一幅是数字图像中的基本单位，一幅mmn n大小的图像由大小的图像由mmn n个明暗不等的像素组成。实际上，像素所具有的明个明暗不等的像素组成。实际上，像素所具有的明暗程度就是由灰度值暗程度就是由灰度值(Gray Level)(Gray Level)来标识的。来标识的。 273.1.3数字图像数字图像3 3位图图像的表示特点位图图像的表示特点 位图图像适合表现具

18、有细致层次和丰富色彩等特点的图像位图图像适合表现具有细致层次和丰富色彩等特点的图像 。位图图像文件较大，需消耗大量的存储空间。位图图像文件较大，需消耗大量的存储空间。 位图图像的编辑也比较困难位图图像的编辑也比较困难 。位图图像缺乏灵活性位图图像缺乏灵活性 。283.1.3数字图像数字图像4 4矢量图与位图文件的对比矢量图与位图文件的对比图形图像文件大致上可以分为两大类：一类为图形图像文件大致上可以分为两大类：一类为位图（又称光位图（又称光栅或像素图）文件栅或像素图）文件；另一类称为；另一类称为描绘类、矢量类或面向对描绘类、矢量类或面向对象图形图像文件象图形图像文件。前者以点阵形式描述图形图像

19、，后者是。前者以点阵形式描述图形图像，后者是以数学方法描述的一种由几何元素组成的图形图像。以数学方法描述的一种由几何元素组成的图形图像。 293.1.3数字图像数字图像4 4矢量图与位图文件的对比矢量图与位图文件的对比表表3-13-1 303.1.3数字图像数字图像4 4矢量图与位图文件的对比矢量图与位图文件的对比（1 1）位图文件的常见格式）位图文件的常见格式 ：PCXPCX 、TIFFTIFF、TGA TGA 、BMP BMP 、GIF GIF 、JPEG JPEG 、PNG PNG 。（2 2）矢量图文件的常见格式）矢量图文件的常见格式 ：WMF WMF 、EMF EMF 、EPS EP

20、S 、DXF DXF 、SWF SWF 。 31323.1.3数字图像数字图像4 4矢量图与位图文件的对比矢量图与位图文件的对比（1 1）图形图像格式是指计算机中存储图形图像文件的方法）图形图像格式是指计算机中存储图形图像文件的方法，它们代表不同的图形图像信息，它们代表不同的图形图像信息包括矢量图形和点阵包括矢量图形和点阵图像。图像。 （2 2）图形图像处理软件通常会提供多种图形图像文件格式）图形图像处理软件通常会提供多种图形图像文件格式，每一种格式都有它的特点和用途。，每一种格式都有它的特点和用途。（3 3）在选择图形图像文件的输出格式时，应考虑图形图像）在选择图形图像文件的输出格式时，应考

21、虑图形图像的应用目的和应用环境。的应用目的和应用环境。33第三章第三章 图形图像处理技术图形图像处理技术n3.2常用图像压缩标准常用图像压缩标准 3.2.1JPEG 3.2.2JPEG 200034对于静止的图像，已有多个国际标准。对于静止的图像，已有多个国际标准。ISOISO制定了制定了JPEG(Joint Photographic Experts Group)JPEG(Joint Photographic Experts Group)和和JBIGJBIG（Join Bilevel Image GroupJoin Bilevel Image Group）标准，标准，ITUITU制制定了定了G

22、3G3、G4G4等标准。等标准。在这些标准中，在这些标准中，JPEGJPEG标准及其下一代的标准及其下一代的JPEG 2000JPEG 2000标准运用的最为广泛。标准运用的最为广泛。 353.2.1JPEGJPEGJPEG是关于静止图像编码的联合专家组名称的缩写是关于静止图像编码的联合专家组名称的缩写。该专家组的任务是开发一种用于。该专家组的任务是开发一种用于连续色调连续色调的（的（黑白的或真彩色的）黑白的或真彩色的）静止图像压缩编码静止图像压缩编码的通用算的通用算法的国际标准。法的国际标准。JPEGJPEG标准标准可用于自然景象或任何连续色调图像的数可用于自然景象或任何连续色调图像的数字数

23、据的压缩编码和解码。字数据的压缩编码和解码。 363.2.1JPEG1 1工作方式工作方式 2 2编码算法编码算法 3 3压缩效果压缩效果 373.2.1JPEG1 1工作方式工作方式（1 1）顺序方式顺序方式 ：图像被分割为成行成列的小块，编码时由：图像被分割为成行成列的小块，编码时由左而右、由上而下地逐行逐列对每个小块进行运算，直到左而右、由上而下地逐行逐列对每个小块进行运算，直到所有小块都被编码为止。所有小块都被编码为止。 （2 2）渐进方式渐进方式 ：整个图像首先以一种低于最终质量要求的：整个图像首先以一种低于最终质量要求的质量标准（如分辨率或数据精度）进行编码，完成后再以质量标准（如

24、分辨率或数据精度）进行编码，完成后再以较上次高一级的质量要求进行一次编码，仅传输为改善质较上次高一级的质量要求进行一次编码，仅传输为改善质量所需增加的那部分信息。量所需增加的那部分信息。 383.2.1JPEG2 2编码算法编码算法JPEGJPEG标准规定了三种级别的编码算法：标准规定了三种级别的编码算法：基本系统基本系统（Baseline Baseline SystemSystem）、）、扩展系统扩展系统（Extended SystemExtended System）和）和无失真系统无失真系统（Lossless SystemLossless System）。）。 JPEGJPEG的的基本系统

25、算法基本系统算法可以归结为以下几个过程：可以归结为以下几个过程： 通过通过DCTDCT降低图像数据的相关性。降低图像数据的相关性。 利用人眼视觉特性对系数进行自适应量化。利用人眼视觉特性对系数进行自适应量化。 对每个子块量化后的系数矩阵进行对每个子块量化后的系数矩阵进行z z形扫描，将系数矩阵形扫描，将系数矩阵变换成符号序列。变换成符号序列。 用哈夫曼变长码对符号进行熵编码。用哈夫曼变长码对符号进行熵编码。 393.2.1JPEG3 3压缩效果压缩效果彩色自然景物和人像的测试图片彩色自然景物和人像的测试图片: :压缩到压缩到0.150.15位位/ /像素时，图像可识别；像素时，图像可识别；压缩到压缩到0.250.25位位/ /像素时，解码后的图像可评价为像素时，解码后的图像可评价为“有有用用”；压缩到约压缩到约0.750.75位位/ /像素时，被认为是像素时，被认为是“极佳极佳”；压缩到约压缩到约1.51.5位位/ /像素时，基本上与原图像无法区别像素时，基本上与原图像无法区别。 403.2.2JPEG 20001 1新特性新特性 2 2基本框架和实现基本框架和实现 3 3核心算法核心算法 4 4应用应用 413.2.2JPEG