第5章任务3 掌握图像媒体的编码方法

1、任务任务3 掌握图像媒体的编码方法掌握图像媒体的编码方法5.3.1 数字图像的获取数字图像的获取 5.3.2 数字图像的表示和编码数字图像的表示和编码 5.3.3 图形的概念和应用图形的概念和应用 数字图像数字图像 数字图像是二维图像有限像素的表示形式，数字图像是二维图像有限像素的表示形式，它能够应用于多种介质，可根据需要选择它能够应用于多种介质，可根据需要选择最合适的输出设备。最合适的输出设备。计算机中的数字图像按其生成方法可分为计算机中的数字图像按其生成方法可分为两大类：两大类：l一类是通过扫描仪、数码相机等设备获取的图一类是通过扫描仪、数码相机等设备获取的图像，可简称为位图图像；像，可简

2、称为位图图像；l另一类是由计算机合成的图像，一般称为矢量另一类是由计算机合成的图像，一般称为矢量图形。图形。位图图像位图图像 位图图像是由不同亮度和颜色的像素所组成，适合表现大量位图图像是由不同亮度和颜色的像素所组成，适合表现大量的图像细节，可以很好的反映明暗的变化、复杂的场景和颜的图像细节，可以很好的反映明暗的变化、复杂的场景和颜色，它的特点是能表现逼真的图像效果，但是文件比较大，色，它的特点是能表现逼真的图像效果，但是文件比较大，并且缩放时清晰度会降低并出现锯齿，如图所示。并且缩放时清晰度会降低并出现锯齿，如图所示。位图有种类繁多的文件格式，常见的有位图有种类繁多的文件格式，常见的有JPE

3、G、PCX、BMP、PSD、PIC、GIF和和TIFF等。等。5-4 位图图像矢量图形矢量图形 矢量图形矢量图形:使用直线和曲线来描述图形，这些图形的元素是一使用直线和曲线来描述图形，这些图形的元素是一些点、线、矩形、多边形、圆和弧线等等，它们都是通过数些点、线、矩形、多边形、圆和弧线等等，它们都是通过数学公式计算获得的，所以矢量图形文件一般较小。学公式计算获得的，所以矢量图形文件一般较小。l优点优点:无论放大、缩小或旋转等都不会失真，无论放大、缩小或旋转等都不会失真，l缺点缺点:难以表现色彩层次丰富的逼真图像效果，而且显示矢量图难以表现色彩层次丰富的逼真图像效果，而且显示矢量图也需要花费一些

4、时间。矢量图形主要用于插图、文字和可以自也需要花费一些时间。矢量图形主要用于插图、文字和可以自由缩放的徽标等图形。由缩放的徽标等图形。一般常见的文件格式有一般常见的文件格式有AI等。等。 图5-5 矢量图形数字图像的获取数字图像的获取 从现实世界中获取数字图像的过程称为图像的获取，扫描从现实世界中获取数字图像的过程称为图像的获取，扫描仪、数码相机就是最常用的图像获取设备。图像获取的过仪、数码相机就是最常用的图像获取设备。图像获取的过程实际上是模拟信号数字化的过程，它的处理步骤大体分程实际上是模拟信号数字化的过程，它的处理步骤大体分为四步：为四步：（1）扫描：模拟图像通过扫描过程被划分成若干个网

5、格，）扫描：模拟图像通过扫描过程被划分成若干个网格，每个网格就是一个取样点。每个网格就是一个取样点。（2）分色：将取样点的颜色分成三个基色（如红、绿、）分色：将取样点的颜色分成三个基色（如红、绿、蓝三基色），如果是灰度图像或黑白图像则不必分色。蓝三基色），如果是灰度图像或黑白图像则不必分色。（3）取样：测量每个取样点的每个基色的亮度值。）取样：测量每个取样点的每个基色的亮度值。（4）量化：将这些分量进行模数转换，将亮度值用数）量化：将这些分量进行模数转换，将亮度值用数字来表示。字来表示。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

6、色量量 化化量量 化化量量 化化图像获取过程：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 数字图像的组成数字图像的组成图像取样点的基本单位是像素图像取样点的基本单位是像素彩色图像通常由一组（一般是彩色图像通常由一组（一般是3个）矩阵组成个）矩阵组成灰度图像和

7、黑白图像只有一个矩阵（即亮度分量）。灰度图像和黑白图像只有一个矩阵（即亮度分量）。矩阵的行数称为图像的垂直分辨率，列数称为图像的水平分矩阵的行数称为图像的垂直分辨率，列数称为图像的水平分辨率，矩阵中的元素是像素颜色分量的亮度值。辨率，矩阵中的元素是像素颜色分量的亮度值。图5-6 彩色分量图图像属性图像属性 （1）图像大小，也称为图像分辨率，如）图像大小，也称为图像分辨率，如800600dpi、1024768dpi等。等。（2）像素深度，即像素的所有颜色分量的二进位数之和，）像素深度，即像素的所有颜色分量的二进位数之和，它决定了不同颜色（亮度）的最大数目。它决定了不同颜色（亮度）的最大数目。l例

8、如只有例如只有1位平面的单色图像，若像素深度是位平面的单色图像，若像素深度是8位，则不同位，则不同的亮度的数目为的亮度的数目为28=256；l由由R、G、B三个位平面组成的彩色图像，若三个位平面中三个位平面组成的彩色图像，若三个位平面中的像素位数分别为的像素位数分别为8、8、8，则该图像的像素深度为，则该图像的像素深度为24，最大颜色数目为最大颜色数目为28+8+8=224=16777216，称为真彩色。，称为真彩色。（3）颜色空间的类型，指彩色图像所使用的颜色描述方）颜色空间的类型，指彩色图像所使用的颜色描述方法，也叫做颜色模型。常用的颜色模型有灰度模型法，也叫做颜色模型。常用的颜色模型有灰

9、度模型（Grayscale）、）、RGB模型、模型、HSB模型、模型、CMYK模型等。模型等。它们的特点如下：它们的特点如下：灰度模式灰度模式 灰度模式：该模式只有灰度色（图像的亮度），没灰度模式：该模式只有灰度色（图像的亮度），没有彩色。在灰度色图像中，每个像素都以有彩色。在灰度色图像中，每个像素都以8位或位或16位表示，取值范围在位表示，取值范围在0（黑色）（黑色）255（白色）之（白色）之间。间。灰度图像灰度图像RGB模型模型 RGB模型：用红（模型：用红（R）、绿（）、绿（G）、蓝）、蓝（B）三基色来描述颜色的方式叫）三基色来描述颜色的方式叫RGB模模式。式。对于真彩色，对于真彩色，R

10、、G、B三基色分别用三基色分别用8位位二进制数来描述，共二进制数来描述，共256种。种。lR、G、B的取值范围在的取值范围在0255之间之间l可以表示的颜色数目为可以表示的颜色数目为256256256=16777216种颜色。种颜色。HSB模式模式 HSB模式：该模式是利用颜色的三要素来模式：该模式是利用颜色的三要素来表示颜色的，它与人眼观察颜色的方式最表示颜色的，它与人眼观察颜色的方式最接近，是一种定义颜色的直观方式。接近，是一种定义颜色的直观方式。lH表示色调（也叫色相，表示色调（也叫色相，Hue）lS表示色饱和度（表示色饱和度（Saturation）lB表示亮度（表示亮度（Brightn

11、ess）CMYK模式模式 CMYK模式：该模式是一种基于四色印刷模式：该模式是一种基于四色印刷的印刷模式，是相减混色模式。的印刷模式，是相减混色模式。lC表示青色表示青色lM表示品红色表示品红色lY表示黄色表示黄色lK表示黑色。表示黑色。是一种最佳的打印模式。是一种最佳的打印模式。CMYK模式主要模式主要用于彩色打印和彩色印刷。用于彩色打印和彩色印刷。图像数据量图像数据量 一幅图像在计算机中的数据量可用下面的公一幅图像在计算机中的数据量可用下面的公式进行计算（以字节为单位）：式进行计算（以字节为单位）：l图像数据量图像数据量=图像水平分辨率图像水平分辨率图像垂直分辨率图像垂直分辨率像素深度像素

12、深度8例如，一幅分辨率为例如，一幅分辨率为1024768、24位真位真彩色的数字图像，它的数据量为：彩色的数字图像，它的数据量为：l1024768248=2359296B=2.25MB数字图像的压缩数字图像的压缩 未压缩的图像所需的数据量是比较大的，这就增加了未压缩的图像所需的数据量是比较大的，这就增加了存储成本，也影响了图像的传输速度，因此大幅度压存储成本，也影响了图像的传输速度，因此大幅度压缩图像的数据量是非常必要的。缩图像的数据量是非常必要的。l由于图像中的数据相关性很强，或者说冗余度较大由于图像中的数据相关性很强，或者说冗余度较大l同时人眼的视觉也存在着一定的局限性，即使压缩同时人眼的

13、视觉也存在着一定的局限性，即使压缩前后图像有一定的失真，在允许的误差范围之内人前后图像有一定的失真，在允许的误差范围之内人眼也是无法区分的，这就给图像压缩带来了可能性。眼也是无法区分的，这就给图像压缩带来了可能性。数字图像的压缩分为无损压缩和有损压缩两类，它们数字图像的压缩分为无损压缩和有损压缩两类，它们的主要区别是指使用压缩后的数据进行图像还原时是的主要区别是指使用压缩后的数据进行图像还原时是否与原图一致。否与原图一致。l无损压缩时与原始图像完全相同，但压缩幅度不大无损压缩时与原始图像完全相同，但压缩幅度不大l有损压缩时则有一定的误差，但不影响对图像的正有损压缩时则有一定的误差，但不影响对图

14、像的正确理解，压缩比例较大，现常用有损压缩。确理解，压缩比例较大，现常用有损压缩。评价一种压缩编码方法的优劣主要看三个方面：压缩评价一种压缩编码方法的优劣主要看三个方面：压缩倍数的大小、重建图像的质量、压缩算法的复杂程度。倍数的大小、重建图像的质量、压缩算法的复杂程度。图像文件格式图像文件格式 ：BMP格式格式 BMP（BityMap-file）图像是微软公司）图像是微软公司在在Windows操作系统下使用的一种标准操作系统下使用的一种标准图像文件格式图像文件格式该格式结构较简单，每个文件只存放一幅该格式结构较简单，每个文件只存放一幅图像，可以进行无损压缩，也可以不压缩。图像，可以进行无损压缩

15、，也可以不压缩。几乎所有的几乎所有的Windows应用软件都能支持。应用软件都能支持。图像文件格式图像文件格式 ：JPEG格式格式 JPEG（Joint Photographic Experts Group）是目前最流行的一种压缩图像文件格式）是目前最流行的一种压缩图像文件格式有有JPEG和和JPEG2000两种格式两种格式该标准特别适合处理各种连续色调的彩色或灰度图该标准特别适合处理各种连续色调的彩色或灰度图像，算法复杂度适中，大多为有损压缩像，算法复杂度适中，大多为有损压缩该标准现已广泛用于因特网和数码相机中。该标准现已广泛用于因特网和数码相机中。图5-7 BMP格式图5-8 JPEG格式

16、图像文件格式图像文件格式 ：GIF格式格式 GIF（Graphics Interchange Format）是一种在因特网上广泛使用的）是一种在因特网上广泛使用的图像文件格式图像文件格式l该格式颜色数目有限（不超过该格式颜色数目有限（不超过256色）色）l文件小文件小l能支持透明背景能支持透明背景l还能将多张图像保存在一个文件中，按预先规还能将多张图像保存在一个文件中，按预先规定的时间间隔逐一显示，从而达到简单动画的定的时间间隔逐一显示，从而达到简单动画的效果。效果。 GIF 图像图像GIF图像格式具有图像格式具有累进显示累进显示功能，适合网络浏览器功能，适合网络浏览器观看观看 GIF图像格式

17、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）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 计算机图形的概念计算机图形的概念 计算机根据景物的模型生成的数字图像称为计算计算机根据景物的模型生成的数字图像称为计算机合成图像，也称为计算机矢量图形。机合成图像，也称为计算机矢量图形。研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法被称为计算机图形学。被称为计算机图形学。图形与图像两个概念间的区别越来越模糊，但

18、还图形与图像两个概念间的区别越来越模糊，但还是有区别的：是有区别的：l图像纯指计算机内以位图形式存在的灰度信息，而图图像纯指计算机内以位图形式存在的灰度信息，而图形含有几何属性，或者说更强调场景的几何表示，是形含有几何属性，或者说更强调场景的几何表示，是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。 计算机图形的应用计算机图形的应用 图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。线宽等非几何属性组成。从构成要素上看，图形主要分为两类：从构成要素上看，图形主要分为两类：l一类是几何要素在构图中具有突出作用的图形，如工程图、等高线一类是几何要素在构图中具有突出作用的图形，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等地图、曲面的线框图等l另一类非几何要素在构图中具有突出作用的图形，如明暗图、晕渲另一类非几何要素在构图中具有突出作用的图形，如明暗图、晕渲图、真实感图形等。图、真实感图形等。计算机不但能生成实际存在的具体景物的图像，还能生成假象计算机不但能生成实际存在的具体景物的图像，还能生成假象或抽象景物的图像；不但能生成静止图像，