第二部分多媒体图像处理技术

第二部分多媒体图像处理技术医学院生物医学工程研究所第7章概述7.1图像处理技术简介7.2图像的分类、格式、大小和分辨率7.3图像的色彩模式7.4图像的输入、输出设备7.1图像处理技术简介图形图像处理技术是计算机应用中非常普遍的一种技术，不仅广泛应用于专业的美术设计、彩色印刷、排版、摄影等领域，而且也越来越受到广大普通电脑用户的喜爱。尤其是随着网络的发展和普及，随着网页制作的流行，对网页中的图像的处理要求也越来越高。本章主要介绍图形图像处理的基础知识，包括图形硬件、软件的发展及其应用、图像色彩的模式、图像处理的数据、格式、分辨率等内容7.1.1计算机图形硬件的发展计算机图形制作是随着电子计算机及其外部设备的产生而发展起来的。1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院旋风I号计算机的附件诞生了，该显示器用一个类似于示波器的屏幕来显示一些简单的图形。1958年美国Calcomp公司将数字记录仪发展成滚筒式绘图仪。1962年，MIT林肯实验室首次证明了交互式计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域，从而确定了计算机图形学作为一个新的科学分支的独立地位。20世纪60年代至70年代，交互式的计算机图形系统在许多国家得到了应用，并得到了进一步的开发和完善，被广泛应用于军事、工业、教育和事务管理等领域。70年代末80年代初，个人计算机的出现使图形系统提高到了又一个崭新的阶段。80年代末期图形应用技术已进入了家庭。20世纪90年代后，计算机的图形功能除了随着图形设备的发展而提高外，其自身也朝着标准化、集成化和智能化的方向发展，特别是多媒体技术、人工智能及专家系统技术使图形系统越来越受到人们的注意，同时又向计算机图形学提出了更新更高的要求，使得三维乃至高维计算机图形学在真实性和实时性方面将有飞速发展。图形显示器是计算机图形学中的关键设备。20世纪60年代中期使用的是随机扫描的显示器，具有较高的分辨率和对比度及良好的动态性能。但为了避免图形闪烁，通常需要以30次／秒左右的频率不断刷新屏幕上的图形，为此需要一个刷新缓冲存储器来存放计算机产生的显示图形的数据和指令，还要有一个高速的处理器(这些在60年代中期是相当昂贵的)，因而成为影响交互式图形生成技术进一步普及的主要原因。为了解决这一问题，60年代后期采用了存储管式显示器。它不需要缓存及刷新功能，价格比较低廉，分辨率高，显示大量信息也不闪烁，但是它却不具有显示动态图形的能力，也不能选择性地进行删除、修改、编辑图形。虽然，存储管式显示器的推出对普及计算机图形学起到了促进作用，但对于交互式计算机图形学的需求，其功能还有待进一步改进和完善。20世纪70年代中期，由于廉价的固体电路随机存储器的出现，可以提供比十年前大得多的刷新缓冲存储器，因而可以采用基于电视技术的光栅图形显示器。在这种显示器中，被显示的线段、字符、图形及其背景色都按像素存储在刷新缓冲存储器中，按光栅扫描方式以每秒30次的频率对存储器进行读写以实现图形刷新而避免闪烁。光栅图形显示器的出现使得计算机图形生成技术和电视技术相衔接，图形处理和图像处理相渗透，生成的图形更加形象、逼真，因而更易于推广和应用。7.1.2图形图像的软件系统除了具备必须的硬件设备，计算机的图形图像处理还必须有一个良好的图形软件系统。目前常用的多为高级图形图像处理的软件包，它的建立通常可采用三种方法。一是以某个高级语言为基础，扩充处理图形的子程序包；二是以某个高级语言为基础，扩充处理图形的语句和数据类型；三是设计专用的高级图形语言。高级图形软件包的基本内容有：(1)系统管理子程序；(2)定义和输出图形的子程序(包括基本图形元素和复合图形元素)；(3)变换图形的子程序，包括平移、旋转、比例，错切、开窗等；(4)处理实时输入的子程序；(5)处理交互功能的子程序。一个良好的图形软件系统要有合理的层次结构与模块结构，使得整个系统易于设计、调试、维护、扩充和移植。7.2图像的分类、格式、大小和分辨率7.2.1数字图像的概念图像所包含的内容很广，凡是记录在纸上的、拍摄在照片上的、显示在屏幕上的所有具有视觉效果的画面，都可以称为图像；根据记录方式的不同，图像可分为两大类：模拟(analog)图像和数字(digital)图像。模拟图像是通过某种物理量(光、电)的强弱变化来记录图像上各点的灰度信息；数字图像则完全是用数字来记录图像灰度信息的，是一种可在计算机上显示、编辑、保存和输出的图像，是由大量0和1组合的、计算机唯一能够识别的数字式数据。因此，数字图像比模拟图像更易于保存，不会因保存时间过长而发生失真现象。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，因此彩色图像的灰度指的是这三种单色图像的灰度。可以用计算机进行处理的只能是数字图像。现在一般提到的图像处理，若未加特别说明，就是指用计算机进行处理的数字图像，采用数字图像处理比直接对模拟图像进行处理更易于控制处理效果。实际上，任何一幅模拟图像都可以用A／D转换装置(如数字扫描仪等)将其转换为数字图像。许多数字图像在计算机上以位图(bitmap)的形式存在。位图是一个矩形点阵，上面的每一个点称为像素(Pixel)。像素是数字图像中的基本单位，一幅m×n大小的图像，是由m×n个明暗不等的像素组成的。在数字图像中，各像素所具有的明暗程度是由一个称为灰度值(grayLevel)的数字所标识的，如将白色灰度值定义为255，黑色的灰度值定义为0，将由黑到白之间的明暗度均匀地划分成256个等级，每个等级由一个相应的灰度值定义，这样就定义了一个256个等级的灰度表。任何一幅用这个灰度表记录的图像，其每个像素的灰度值都是由0～255之间的某一个数字标定的。因256=28，所以描述一个像素的灰度需要用8位(8bit)数据。对于一幅单色图像来说，256等级的灰度变化足以描述它的各个细节。如果采用少于256等级的灰度表，将发现图像上原来很清楚的细微部分会变得模糊起来，这显然是由于记录图像的信息不够而引起的。反之如果采用多于256等级的灰度表，毫无疑问，由于信息量的增加，从理论上说图像的表现会变得更加细致入微，但实际上观察者却感觉不到明显的变化，这是因为人的肉眼很难分辨256等级以上的灰度变化。因此，256等级的灰度表是比较理想的，采用多于256等级的灰度只会无益地增加图像的数据量。在彩色图像中，因任何彩色图像都可分解成红(R)、绿(G)、蓝(B)三个单色图像，任何一种其他的颜色都可以由这三种颜色混合而成，如黄色就是由红色和绿色混合成的。增加或减少红色或绿色的灰度，就能得到不同色调的黄色，因此每个像素需用三个字节的数据来记录。在图像处理中，彩色图像的处理通常是通过对其三个单色图像分别进行处理来实现的。7.2.2数字图像的分类数字图像可分两种：位图(也叫栅图)和矢量图。(1)位图(点阵)图像位图(点阵)图像是目前最常用的图像表示方法，可用于任何图像。位图就是将一幅图像分割成栅格，栅格中的每个像素都单独记录。位图区域中数据点的位置确定数据点表示的像素。使用位图产生的图像比较细致，层次和色彩也比较丰富。位图图像的主要优点是清晰、美观、逼真，能画出比较复杂的图像，并支持鼠标。显示位图图像要比显示矢量图形快，位图可装入内存直接显示。位图图像的主要缺点是存储容量大，因为位图必须把屏幕上显示的每一个像素的信息存储起来。一般同样的一幅画，位图的容量往往要比矢量图多一至二倍，甚至好几倍。分辨率对位图图像的影响也是比较大的，分辨率的高低将直接影响位图图像的质量。(2)矢量图像矢量图像(图形)是用—系列的线和形描述的图像，也可以使用实心的或者有等级深浅的色彩填充一些区域，然而矢量图像的色彩梯度和表现力无论如何也不能与位图图像相比，位图图像可与原始图像达到几乎完全一致，而矢量图像则需经过人工处理。用来生成矢量图像的工具是一种通常称为Draw(绘画)的程序，它要求以该程序已设计好的一些图元进行绘画，如点、线、平行四边形、圆、椭圆、弧线、扇形等。用户可以用这些小小的图元进行放大、缩小、旋转等各种操作，使其构成所需要的图形。向量图形通常用于线条的绘制、报纸的版面设计、出版物的图形排版以及建筑绘图等。矢量图形的主要优点是简单，操作方便，可以对图中的每一个部分分别进行控制，在屏幕上任意地移动每一个小图元，并可以任意将该小图元进行放大、缩小、旋转、扭曲而不破坏整个图形的画面，向量图形中的小图元覆盖在其他图元上时，依然能保持其特性。矢量图形的主要缺点是不能画出复杂的图形。也就是说，图形越复杂所花费的时间也就越多，越不容易实现。用矢量图形编辑软件不能对图片进行编辑，也不能使用鼠标画图。(3)位图与矢量图的区别由于图像存储方法的截然不同，不同方法表示的图像其应用领域也不尽相同。位图适用于具有复杂的颜色、灰度或形状变化的图像，如照片、绘画和数字化的视频图像。计算机显示就采用位图格式，因而位图图像的计算机处理是有硬件基础的。与位图格式相比较，矢量格式适用于线型图，如计算机辅助设计(CAD)的图形和图像，只有简单的形状、灰度和颜色。由于点阵和矢量两种不同的存储方法，其所用的文件格式也不同，如BMP、PCX、GIF、PIC、TGA等文件格式是用来存储位图图像的，而如AutoCAD的DWC、DXF以及GDS使用的GRA文件都是存储矢量图像的。另外，图像按照工作方式来分可以分为静态图像和动态图像两种：静态图像就是只能一张张显示的图像，各张图像之间不连续也没有直接的关系，如照片；而动态图像指的是视频图像，即一连串连续图像，在视觉上感觉连在一起快速显示的画面动了起来。其实这与电影、电视是同一个道理，电视是以每秒30幅画面的速度显示的图像，由于人的视觉暂留作用，看不出画面间的切换，好像见到活生生的景象一样。7.2.3图像的格式多媒体计算机通过彩色扫描仪能把各种印刷图像及彩色照片数字化后送到计算机中；通过视频信号数字化器能把摄像机、录像机、激光视盘等彩色全电视信号存到计算机中；还有计算机本身也可以通过计算机图形学的方法编程，生成二维、三维彩色几何图形及三维动画，存放在计算机中。采用上述三种形式形成的数字化的图形图像及视频信息，都以文件的形式存储到计算机的存储器中。不同的文件是以不同的格式存放的，常用的静态图像文件格式有TIFF、BMP、JPG等，而动态视频图像文件格式主要有MPG、AVI等。下面介绍几种常用的图像保存格式。(1)TIFFTIFF格式是由Microsoft，HewlettPackard与Aldus组成委员会制定的。目的就是提供一个与平台无关，与应用程序无关，与图像本身无关的图像文件格式。它的最大优点是兼容性非常好，几乎可运用在任何方面，用它保存图像可以保证顺利地与任何人进行交流。该格式文件的扩展名是tiff或tif。(2)BMPBMP(Bitmap-File)格式是Windows采用的标准图形文件格式，在Windows环境下运行的所有图像处理软件都支持该格式。Windows系统内部各图像绘制操作都是以BMP为基础的。它也被称为设备无关位图DIB(device-independentbitmap)格式，是微软极力推荐的保存图像文件的格式，目的是为了让Windows能够在任何类型的显示设备上显示所存储的图像。BMP位图文件默认的文件扩展名是bmp。(3)GIFGIF格式是由CompuServe创建的，并被用来作为国际互联网上交换图片的媒介。它可以无损失地压缩图像，也可以用来制作动画，是目前较为流行的图像文件格式之一，但它的调色板最多只能包含256种色彩。该格式文件的扩展名为gif。(4)JPGJPG格式是由联合图像专家组所制定的一种静态图像高效压缩格式。它以有限的画面损失为代价，获得了远远超过GIF的压缩率。这种格式的图像也是在网上被用来保存、传送、页面制作图像的格式之一。该格式文件的扩展名为jpg。(5)PSDPSD格式是Photoshop所特有的一种图像格式，它的