多媒体技术基础与实验教程4

多媒体技术基础与实验教程第四章图形图像处理技术第四章目录4.1图形图像基本原理4.1.1视觉特性4.1.2计算机图形4.1.3数字图像4.2常用图像压缩标准4.2.1JPEG4.2.2JPEG20004.3图形图像文件格式4.3.1位图格式4.3.2矢量图格式4.4图形图像处理工具4.4.1计算机绘图软件AutoCAD4.4.2数字图像处理软件Photoshop4.1图形图像基本原理计算机图形学、图像处理是计算机理论与应用领域的2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。计算机图形学是计算机科学中一个比较年轻的分支学科，其主要研究内容包括：几何模型的构造技术、图形生成技术、图形的操作与处理方法、图形信息的存储检索及交换技术、人机交互及用户接口技术、动画技术、图形输出设备与输出技术、图形标准与图形软件包的开发技术等。图形图像处理指的是使用图形图像输入/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或动态的图形图像。图像处理基本上可以分为两大类：模拟图像处理和数字图像处理。对于后者，我们称它为计算机图像处理，其主要研究内容包括：图像信息的获取、图像信息的存储、图像信息的传送、图像信息的处理、图像的输出与显示等。4.1.1视觉特性眼睛对光的感觉被称为光觉，对颜色的感觉被称为色觉，它们是眼睛的基本特性。光觉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光觉门限或光觉阈。光觉门限值大约为62110cdm（尼特）光觉门限与刺激面积有密切关系，这种关系可以使用里克（Ricco）定理和里波（Riper）定理来描述。•当刺激面积较小时，服从里克定理，IA常数上式中，为光觉门限的强度，为刺激面积。IA•当刺激面积较大时，服从里波定理，IA常数一般情况下，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里波定理。•光觉门限与时间的关系由布洛克（Block）定理来描述IT常数为刺激时间，其大小应小于，即在时间较短的范围内才成立。T0.1s色觉人们对色觉的普遍认识是：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，对于图像和物体的检测具有重要意义。对人眼而言，可见光线的波长在380～780mμ范围内，一般可分辨出包括紫、蓝、青、绿、黄、橙、红等7种主要颜色在内的120～180种不同的颜色。色觉的实现主要依赖于视锥细胞。目前，一般采用“三原色学说”来解释色觉机理。4.1.2计算机图形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）的学科，它包括图形处理的原理、方法和技术等内容。主要研究内容①图形的生成和表示技术。②图形的运算方法。③图形输入输出设备及相应的输入输出技术。④图形系统与支持部件。⑤图形信息的描述和表示。⑥几何模型的构造技术与动画技术。⑦图形的实时性与真实感。主要应用领域1）科学计算可视化。2）图形用户界面。3）计算机辅助设计。4）娱乐与计算机动画。5）图形实时绘制与自然景物仿真。6）计算机艺术。计算机图形与图形基元实际上，计算机图形是一个广义的概念，它既包括了描述图形，也包括了自然图形。从构成图形的要素来看，图形是由点、线、面、体等几何要素以及明暗、灰度、色彩等非几何要素构成的。•点是只有位置而没有大小和形状的图形，它可以使用坐标值来标识。•线是点的轨迹，分为直线、曲线两大类。•色彩是由于物体对不同光波的反射和吸收特性而产生的，没有光便没有任何色彩。综上所述，我们可以这样来描述计算机图形：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形状的图或形。事实上，这样的定义也涵盖了“图像”这一概念。图形基元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。前者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；后者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的输出原语来生成确定的图形几何结构。在图形系统中，计算机图形是以指令的形式来存放的。一幅计算机图形常用坐标系统世界坐标系。这是一种与设备无关的、用于描述计算机图形的直角坐标系统，常用于计算机图形的存储、输入与输出等。设备坐标系。这是一种与具体的图形设备密切相关的坐标系统，例如屏幕坐标系就是一种适用于显示设备的坐标系统。归一化设备坐标。它也被称为正则坐标或规则化坐标，这是一个用于计算机图形处理的中间过程的坐标系，它将坐标值范围规定在某个范围内（一般是0～1之间）。以归一化设备坐标表示的计算机图形，在任何设备空间中都能处于相同的相对位置。例如，在有多个输出设备时，归一化设备坐标最常用于视区规范。4.1.3数字图像数字图像处理学数字图像处理技术起源于20世纪20年代，当时通过海底电缆从英国伦敦到美国纽约传输了一幅照片，其中就采用了数字压缩技术。重要性主要体现在三个方面：图像处理为人类从客观世界获取信息提供了重要来源、图像处理是人类视觉延续的重要手段、图像处理对国计民生有重要意义。主要研究内容①图像信息的获取。②图像信息的存储。③图像信息的传输。④图像信息的处理。⑤图像的输出与显示。灰度与图像数据的表示这里说到的灰度信息是指图像上各点处的颜色深浅程度的信息。对于单色黑白图像来说，灰度即是黑白程度等级；对于彩色图像来说，因为任何彩色图像都可以分解成红、绿、蓝三种单色图像，所以彩色图像的灰度指的是这三种单色图像的灰度。许多数字图像在计算机上是以位图的形式存在的，位图是一个矩形点阵，上面的每一个点被称为像素。像素是数字图像中的基本单位，一幅m×n大小的图像由m×n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(GrayLevel)来标识的。4.2常用图像压缩标准对于静止的图像，已有多个国际标准。ISO制定了JPEG(JointPhotographicExpertsGroup)和JBIG（JoinBilevelImageGroup）标准，ITU制定了G3、G4等标准。在这些标准中，JPEG标准及其下一代的JPEG2000标准运用的最为广泛。4.2.1JPEGJPEG是ISO和CCITT关于静止图像编码的联合专家组名称的缩写。该标准可用于自然景象或任何连续色调图像的数字数据的压缩编码和解码。工作方式①顺序方式(SequentialMode)②渐进方式(ProgressiveMode)编码算法JPEG标准还规定了3种级别的编码算法：基本系统(BaselineSystem)、扩展系统(ExtendedSystem)和无失真系统(LosslessSystem)。JPEG的基本系统算法可以归结为以下几个过程：1）通过离散余弦变换减少图像数据的相关性。2）利用人眼视觉特性对系数进行自适应量化。3）对每个子块量化后的系数矩阵进行z形扫描，将系数矩阵变换成符号序列。4）用哈夫曼变长码对符号进行熵编码。4.2.2JPEG2000新特性高压缩率无损压缩渐进传输感兴趣区域压缩码流的随机访问和处理容错性开放的框架结构基于内容的描述基本框架和实现图象源数据小波系数压缩码流量化分层系数位流正向DC位移正向分量变换正向小波变换量化熵编码分层组织打包速率控制压缩重构小码流波系数重构图象数据解包熵解码反量化反向分量变换反向DC位移逆向小波变换编码器解码器整个JPEG2000的编码过程可概括如下：基本框架和实现①把原图像分解成各个成分（亮度信号和色度信号）。②把图像和它的各个成分分解成矩形图像片。图像片是原始图像和重建图像的基本处理单元。③对每个图像片实施小波变换。④对分解后的小波系数进行量化并组成矩形的编码块。⑤对在编码块中的系数“位平面”熵编码。⑥为使码流具有容错性，在码流中添加相应的标识符。⑦可选的文件格式用来描述图像和它的各个成分的意义。核心算法①小波变换②量化③熵编码4.3图形图像文件格式图形图像文件大致上可以分为两大类：一类为位图(又称光栅或像素图)文件；一类称为描绘类、矢量类或面向对象图形图像文件。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。4.3.1位图格式4.3.2矢量图格式4.3.1位图格式在计算机图像处理中，位图图像的表示方法是把一幅图形分割成很多细小的栅格，所以位图图像也被称为栅格图像。每—个栅格的色彩、亮度值都是以数值的形式单独记录的。与计算机屏幕的显示方式一样，位图图像也是由映射于屏幕上特定位置处的像素所组成。基本概念像素构成位图图像的细小栅格就是图形的基本元素，被称为像素。位位是计算机内存储器中的最小单元，位图图像中每一个像素的颜色，包括黑色、白色或绚丽的彩色，在计算机内都是用位来记录的。位深度表示—个像素信息所用的二进制位数被称为位深度，它决定了位图图像中出现的最大颜色数。位图字体位图字体是位图图像的一个特殊子集。分辨率分辨率是影响位图图像质量的重要因素。在图像处理中，有三种分辨率，即屏幕分辨率、图像分辨率和像素分辨率。位图图像文件的大小位图图像文件的大小是指在磁盘上存储整幅图像所占的字节数，可按下面的公式计算：文件的字节数=图像分辨率×位深度／8其中，图像分辨率＝高×宽。高是指垂直方向上的像素数，宽是指水平方向上的像素数。位图图像的优缺点优点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位图图像具有易于输入输出的特点缺点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位图图像缺乏灵活性常用格式PCX文件TIFF文件TGA文件BMP文件GIF文件JPEG文件PNG文件见过几种？4.3.2矢量图格式矢量图形的形成原理和位图图像的形成原理差别很大。矢量图形不象位图图像那样，由数量庞大的单个像素构成，而是用代表数学模式的指令集合来描述线条和形状，再由这些线条和形状组成图形，它类似于轮廓线字体。矢量图的描述计算机机可以通过指令和数学公式来建立矢量图。产生矢量图形的程序通常被称为绘图程序，它可以分别产生和操作矢量图形的各个片段、实心的或者有深浅层次或者有色彩填充的一些区域，也可以移动、缩小、放大、旋转和扭曲图形的各个部分。矢量图的特点图形缩放不变形局部编辑特性存储空间小矢量图与位图文件的对比类别矢量图位图表示原理用数学方法描述通过采样、量化等步骤文件大小体积小体积大灵活性旋转、放大、缩小、倾斜等变换操作容易，且不变形、不失真操作不容易，易变形、失真色彩单一缺乏变化丰富逼真适用类型简单的几何图形较复杂的图像（如照片）常用格式WMF文件EMF文件EPS文件DXF文件SWF文件见过几种？4.4图形图像处理工具图形图像处理软件是专门用于处理图形图像的软件系统，在多媒体产品的制作中是必不可少的。图形图像处理软件一般具有扫描输入功能、图形图像编辑功能、打印输出功能以及文件管理等功能，该软件实际上是一个集各种运算方法于一体的操作平台，它经过各种复杂的运算，以实现图形图像数据的读写、处理、变换和压缩保存等。4.4.1计算机绘图软件AutoCAD功能概述①绘图功能②编辑功能③设置功能④辅助功能⑤文件管理功能⑥三维功能⑦数据库的管理与连接⑧开放式体系结构编辑环境菜单栏工具栏图形窗口标题栏状态栏命令行及文本窗口4.4.2数字图像处理软件PhotoshopPhotoshop是Adobe公司的王牌产品，它在图形图像处理领域拥有毋庸置疑的地位。无论是平面广告设计、室内装潢，还是处理个人照片，Photoshop都已经成为不可或缺的工具。随着近年来个人电脑的普及，使用Photoshop的家庭用户也多了起来。到目前为止，Photoshop已经发展成为家庭电脑的主流软件之一。Photoshop软件具有众多的编辑功能，其独到之处是采用了分层编辑技术和滤镜标准化技术。该软件主要用于编辑和处理位图图像，同时还可以驱动扫描仪进行扫描输入，驱动打印机进行打印输出以及进行文件