图形图像处理基础

图形图像处理基础1

光度学基础知识光度学是研究光的辐射能量与人眼亮度感受之间关系的一门学科。电磁波和可见光不同波长的光呈现不同的颜色红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫可见光：380nm~780nm22

色度学基础知识色度学是用数学物理方法研究颜色的科学常用颜色模型RGBCMYYIQHSVHSI适于硬件使用3面向用户、和生理因素相关RGB颜色模型4三色学说19世纪初，Yaung提粗某一种波长的光可以通过三种不同波长的光混合而复现出来的假设，红、绿、蓝三种单色光可作为基本的颜色——原色Maxwell用旋转圆盘所做的颜色混合实验验证了Yaung的假设RGB颜色模型用红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）三种颜色作为显示的基础，是加色模型基于笛卡尔坐标系统，3个轴分别为R、G、B原点对应黑色，最远的点对应白色5CMY颜色模型用基色青（Cyan）、品红（Magenta）、和黄（Yellow）作为基色定义颜色模型，是减色系统用来描述往硬拷贝设备上输出的颜色是RGB的补色，即（C，M，Y）=（1，1,1）-（R,G，B）6YIQ颜色模型7适用于NTSC（National

TelevisionSystem

Committee）电视信号的输出Y——亮度信息I、Q——色度信息（色彩和纯度）黑白电视只需Y信号

Y

0.299

I

0.596

0.321

G

Q

0.2120.311

B

0.587 0.114

R

0.275

0.523

YUV颜色模型适用于PAL（Phase

Alternating

Line）制式的电视信号输出也称为Ycbcr

Y

0.2990.436

G

U

0.147

V

0.6150.587 0.114

R

0.289

0.515

0.100

B

Y

0.299R

0.587G

0.114B

U

0.493(B

Y

)V

0.87(R

Y

)

8HSI模型9人对彩色光的感觉通常用亮度（Brightness）、色调（Hue）和色饱和度（Saturation）来表示亮度—人眼所感受到的光明暗程度色调—色彩的类别饱和度—彩色光所呈现的彩色的深浅程度色调和饱和度合称为色度，既表明颜色类别，又表明颜色深浅HSI颜色模型10面向彩色处理的最常用的模型，符合人类的视觉感受H（Hue）——色调，表明物体是什么颜色S（Saturate）——饱和度，表明该种颜色的浓淡I（Intensity）——亮度，与图像的彩色信息无关HSI模型可与RGB模型相互转换HSI颜色模型11HSV颜色模型符合人类的视觉感受H（Hue）——色调，表明物体是什么颜色S（Saturate）——饱和度，表明该种颜色的浓淡V（Value）——亮度，与图像的彩色信息无关12彩色图像的RGB和HSI各分量的图示133

视觉基础知识人眼的主观亮度与实际情况有一定的差别同时对比效应人眼对目标亮度的主观感觉不完全取决于目标本身的亮度，还和背景亮度有关背景越亮，目标方块显得越暗143

视觉基础知识马赫带效应在亮度出现变化的地方出现亮条纹和暗条纹的现象153

视觉基础知识视觉错觉现象视觉错觉是人类视觉系统的一个特性，其机理涉及复杂的生理、心理、医学、光学等多种因素164硬件基础知识输入设备常用的输入设备包括：键盘、鼠标、光笔、数字化仪、触摸屏、数码相机、数据手套等输入设备的发展和传感器的发展密切相关17CRT的工作原理CRT结构主要由5部分组成：电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统和荧光屏18CRT的工作原理19工作原理由电子枪发出电子束，通过聚焦系统和偏转系统，射向涂覆荧光层的屏幕指定位置，产生亮点，从而产生可见图形屏幕越大，显像管越长技术指标：分辨率、显示速度CRT的工作原理20彩色CRT电压穿透式彩色CRT荫罩式彩色CRTCRT的工作原理电压穿透式彩色CRT由红绿两个荧光层组成，根据电子速度的不同激发不同的荧光层，从而形成彩色优点成本低，价格低廉缺点智能产生四种颜色，图形显示质量相对较差，用于早期的随机扫描显示器，目前已经被淘汰21CRT工作原理荫罩式彩色CRT在荧光屏后面约10mm处安装了薄钢板，其上开有许多孔或槽，看上去像纱罩，因此得名工作原理：荧光屏上的每个像素由RGB三个荧光点构成，电子束分别激发三个点组合成为不同的彩色22CRT工作原理点状与条状的荫罩23CRT工作原理光栅扫描原理从左到右、从上到下反复扫描整个屏幕存在逐行扫描（progressive）和隔行扫描（interlaced）两种24CRT工作原理25隔行扫描机制一帧图像由奇数场和偶数场组成，帧扫描周期是场扫描周期的2倍从行扫描频率来看，隔行扫描体制的行频是逐行扫描体制的1/2，使得信号带宽降低隔行扫描存在行间闪烁、相邻场锯齿化等现象，影响显示效果CRT的工作原理26帧缓存（frame

buffer）为了满足人眼视觉暂留现象的要求，一帧图像需要反复地绘制才能消除闪烁的感觉，这个过程称为刷新帧缓存是用来存储光栅扫描像素的强度值的存储器帧缓存的容量取决于两个因素屏幕分辨率每个像素占用的存储空间CRT的工作原理27帧缓存（frame

buffer）假设显示分辨率为M

N，每个像素需要B

bit，则帧缓存的容量至少为M

N

B/8

Byte一个像素用Bbit表示，那么该像素可以表示的颜色有2B种帧缓存配置的容量常常大于屏幕显示的范围，有的显示系统甚至配备双缓存，用于高效显示CRT的工作原理28彩色查找表帧缓存可以直接驱动硬件，但这种直接表示存在一些不足如果想提高显示的颜色数目，代价比较大在某些情况下灵活性不够彩色查找表（ColorLookupTable，LUT）是一个一维线性表，存储显示设备的颜色对应关系，又称为“调色板”在彩色查找表模式下，帧缓存的数据不是直接表示颜色，而是表示LUT中的序号，即颜色索引CRT的工作原理彩色查找表29CRT的工作原理30彩色查找表显示器能够显示的颜色总数由查找表的位宽决定，查找表的长度则决定能够同时显示的颜色数目例如：8位帧缓存，24位查找表位宽，表示可以从224种颜色中选择28中颜色显示CRT的工作原理光栅扫描系统光栅扫描系统的构成如下31CRT工作原理显示控制部分的电路32LCD的工作原理33LCD（Liquid

Crystal

Display）显示器相比CRT在体积、重量、功耗方面都有优势显示设备的重点在于四个方面：通断、颜色、定位、刷新通断—如何控制显示的亮和暗颜色—如何产生所需的颜色定位—如何在任意的位置显示信息刷新—如何产生持续稳定的显示画面LCD的工作原理通断利用光的偏振实现通断光是横波，其振动方向垂直于光的传播方向。光穿越偏振片时，只有振动方向与偏振片方向一致的光能够穿过34LCD工作原理颜色利用滤色片实现彩色35LCD工作原理定位和刷新通过阵列电路控制刷新将液晶单元排列成阵列，附件外围扫描和数据电路，就实现了显示的定位与刷新36LCD的基本指标37屏幕尺寸对角线的长度：通常有15寸，17寸，19寸宽屏等点距或分辨率点距，指两个液晶颗粒之间的距离，通常0.28~0.32mm就可以得到较好的显示效果可视角度能看到清晰图像的最大角度，一般指标为160度左右响应速度像素单元从亮变暗，又从暗变亮的时间，以ms为单位，通常有25ms、16ms、8ms等Windows下图形图像的显示38Windows系统为应用程序提供虚拟图形设备，这种虚拟的图形设备不随硬件的改变而改变Windows下图形图像的绘制要解决两个问题绘制的环境—设备环境（Device

Context，DC）绘制的工具—图形设备接口（Graphics

DeviceInterface，GDI）Windows下图形图像的显示设备环境，也称为设备上下文、设备描述表，是一种包含各种绘图属性和方法的数据结构在MFC类库中，设备环境由CDC类封装图形设备接口，表示一个抽象接口，通过该接口可以控制图形颜色、线条粗细等属性GDI对象的抽象基类为CGdiObject，其派生类包括CBitmap类、CBrush类、CFont类、CPen类、CRgn类和Cpalette类39Windows下图形图像的显示40设备环境主要定义了绘图的状态和方式，而图形设备接口则主要定义而来用来绘图的工具在绘图之前，必须获取绘图窗口区域的一个设备环境DC，接着构造需要的GDI对象，并将GDI对象放入设备环境，然后才能进行GDI函数的调用Windows下图形图像的显示获取设备环境如果调用成功，则返回CWnd客户区的设备环境，否则，返回NULL释放设备环境完成作图后，GetDC获取的设备环境必须通过调用ReleaseDC函数来释放在一个给定时刻，系统只有5个公共的设备环境是可用的，如果不释放，则可能妨碍其他应用程序访问设备环境CDC

*

CWnd：：GetDCInt

ReleaseDC(CDC*

pDC)41Windows下图形图像的显示绘制流程CDC

*

pDC=GetDC(); //获取设备环境//调用各种绘制函数进行绘制……42ReleaseDC(pDC);//释放设备环境Windows下图形图像的显示绘制像素点绘制线段绘制折线段CDC::SetPixel(int

x,

int

y,

COLORREF

rgb)CDC::MoveTo(int

x,

int

y);CDC::LineTo(intx,

int

y);CDC::Polyline(POINT

*polyline,

int

nPoints)43Windows下图形图像的显示绘制多边形CDC::Polygon(POINT

*polygon,

int

nPoints)44Windows下图形图像的显示位图的显示位图的载入创建兼容设备环境将位图对象放入兼容设备环境LoadBitmap()——从资源载入位图LoadImage()——不仅可以从资源中载入图像资源（包括位图、光标和图标，还可以从文件中加载位图）CDC::CreateCompatibleDC(CDC

*pDC)CDC::SelectObject(CGdiObject

*pObject)45Windows下图形图像的显示位图显示显示位图按照原始比例显示可以对位图进行缩放BOOL

BitBlt(int

x,

int

y,int

nWidth,

int

nHeight,

CDC

*pSrcDC,int

xSrc,

int

ySrc,

DWORD

dwOp)BOOL

StretchBlt(int

x,

int

y,int

nWidth,

int

nHeight,

CDC

*pSrcDC,int

xSrc,

int

ySrc,

int

nSrcWidth,

int

nSrcHeight

,DWORD

dwOp)46Windows下图形图像的显示Cbitmap

bitmap;//从文件中加载位图HBI

TM基AP

h本bitm框ap

架=(HBITMAP)LoadImage(NULL,“lena.bmp”,IMAGE_BITMAP,0,

0,LR_LOADFROMFILE);Bitmap.Attach(hbitmap);//创建一个兼容DCCDC

compDC,co