第8章 图形图像处理

1、图形图像处理图形图像处理 第 八 章本章内容提要v 图形图像的基本概念图形图像的基本概念v 图形图像处理技术图形图像处理技术v 常用图形图像处理软件常用图形图像处理软件8.1 图形图像的基本概念图形图像的基本概念 u早期的计算机是不能展现图像的，随着第一台支持图像的显示器被生产出来，图形图像以其自身特有的魅力得到了不断深入的应用；u目前，在艺术设计领域、医学领域、工程机械领域，都离不开图形图像处理技术。8.1.1 图形和图像的区别u 图形图像两者经常一起出现，常常被误认为一个概念，其实，数字图形和图像两者区别很大，这点在图像格式上表现尤其突出；u图形一般指由各种可以运用数学方法生成的几何造型构

2、成的图像，存储的一般是表示绘制图形的算法；u图像较多地指由非几何造型构成的图，一般可以理解为点的集合形式。 下面是一个图像处理过程示意图 1、 输出设备u 显示输出设备 CRT( cathode-ray-tube阴极显示管) 显示器 LCD(Liquid Crystal Display) 液晶显示器u印刷输出设备 打印机 彩色喷墨打印机 彩色激光打印机 绘图仪 8.1.2 图形图像处理的硬件设备显示卡（见下图） 是图像处理工作必备的装置，它负责将 CPU 送来的影像资料处理成显示器可以理解的格式，再送到显示屏幕上形成影像。图像处理工作中选用的显示卡必须配备足够的专用显存和相应的图形图像处理加速

3、芯片，具备一定图像预处理能力，而不是仅单纯的作为一个显示接口设备。 8.1.2 图形图像处理的硬件设备8.1.2 图形图像处理的硬件设备显示卡示意图 图像处理用显示卡一般由接口、显卡芯片、显存和RAM DAC (Digital Analog Converter) 几个部分组成。图像数据必须通过4个步骤，最后才会到达显示屏：（1）从总线 (bus) 进入显卡芯片（将 CPU 送来的资料送到显卡芯片里面进行处理）； （2）从 video chipset 进入 video RAM（将芯片处理完的资料送到显存）；（3）从显存进入Digital Analog Converter (DAC)（显示显存读取

4、出数据再送到 RAM DAC 进行数据转换的工作）； （4）从 DAC 进入显示器 (Monitor)（将转换完的类比资料送到显示屏）。 8.1.2 图形图像处理的硬件设备2、采集设备u 扫描仪 平板扫描仪 底片扫描仪 滚筒扫描仪 8.1.2图形图像处理的硬件设备u 数码照相机与数码摄像机 数码相机是一种能够进行拍摄，并通过内部处理把拍摄到的景物转换成以数字格式存放的图像的特殊照相机。与普通相机不同，数码相机并不使用胶片，而是使用固定的或者是可拆卸的半导体存储器来保存获取的图像。 8.1.2图形图像处理的硬件设备8.2 图形图像处理技术图形图像处理技术 图像采集设备所做的工作就是将来源于现实世

5、界中的光信号转换成计算机可以识别的数字信号。 图像输出设备所做的工作则是将这些数字信号再还原成人眼可以看的见的光信号。 图像处理过程则是指图像数字化输入以后到数字化输出以前的这一过程。因此，首先要解决数字。因此，首先要解决数字图像在计算机内的表示方法。图像在计算机内的表示方法。 8.2.1 图像表示与存储技术图像表示与存储技术 图像采集设备所做的工作就是将来源于现实世界中的光信号转换成计算机可以识别的数字信号。 图像输出设备所做的工作则是将这些数字信号再还原成人眼可以看的见的光信号。 图像处理过程则是指图像数字化输入以后到数字化输出以前的这一过程。因此，首先要解决数字。因此，首先要解决数字图像

6、在计算机内的表示方法。图像在计算机内的表示方法。 8.2.1 图像表示与存储技术8.2.1 图像表示与存储技术u 调色板 8.2.1 图像表示与存储技术u 调色板 调色板由红、绿、蓝三种基本颜色实现调色，每种颜色被分成浓淡共256种级别（0到255）。 不同的颜色值还具备色调（色彩纯度）、饱和度（色彩浓度）、亮度（色彩2暗程度）等属性，其取值范围也对应为0到255。 对红、绿、蓝三种基本色彩取不同值混合就可产生256256256=224种颜色，这就是真彩色。 调色板8.2.1 图像表示与存储技术u 数字图像可分为两个基本类型：点阵图和矢量图。 1、点阵图 点阵图就是由一个个具有色彩的点构成的图

7、，每个点的颜色由红、绿、蓝三基色的灰度值决定。典型的点阵图像格式有： (1) psd格式：psd格式是Photoshop的默认格式 8.2.1 图像表示与存储技术(2) bmp格式：bmp格式是Windows及OS/2操作系统的标准图像文件格式。bmp格式的文件可以用rle（run length encoding，运行长度编码）的无损失压缩方案进行压缩(3) tiff格式：tiff的全称为tag image file format（标记图像文件格式），它是Macintosh和PC平台上支持最广泛的图像格式 (4) jpeg/jpg格式：jpeg的全称时joint photographic ex

8、perts group（联合图像专家组），它是目前最优秀的数字化摄影图像的存储方式。 8.2.1 图像表示与存储技术(5) eps格式：eps的全称是encapsulated postscript格式。Postscript是由Adobe公司开发的打印机及其他输出设备的页面布局语言，现已成为桌面排版领域的工业标准，eps格式现在已开始用于图像的存储和交换。其最大特点是可以在排版软件中以低分辨率预览，而在打印时以高分辨率输出。(6)gif格式：gif是graphics interchange format（可交换图像文件格式）的缩写。在用于彩色和灰度文件时，gif格式将文档中的颜色数限制不超过25

9、6种。gif格式中单个像素只占用8位。通过位深的压缩，gif文件将变得很小，因此它在web页中得到了广泛的应用。 8.2.1 图像表示与存储技术(7)raw格式：raw是现在流行的数码相机常用的图像格式，是直接读取传感器（CCD）上的原始记录数据，也就是说这些数据尚未经过任何处理。(8)pdf格式：该格式是由Adobe公司推出的专为在线出版而制定的，它以Postscript Level2语言为基础，因此，可以支持矢量图像和位图图像，并且支持超链接。该格式可以保存多页信息，其中可以包含图形和文本。8.2.1 图像表示与存储技术（9）png格式：该格式支持24bit色彩（256*256*256），

10、压缩不失真并支持透明背景和渐显图像的制作，所以称它为传统GIF的替代格式。在Web页面中，浏览器支持的格式有jpg、gif和png。（10）tga格式：该格式支持32位软件和8位通道电视， 是Windows与3DS进行图形交换的格式。在实用中可以将动画通过视频软件转入电视。 8.2.1 图像表示与存储技术 2、矢量图 矢量图像，也称为面向对象的图像或绘图图像，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。矢量文件中的图形元素称为对象。每个对象都是一个自成一体的实体，它具有颜色、形状、轮廓、大小和屏幕位置等属性。由于每个对象都是一个自成一体的实体，所以可以在维持

11、它原有清晰度和弯曲度的同时，多次移动和改变它的属性，而不会影响图例中的其它对象。这些特征使基于矢量的程序特别适用于图例和三维建模，因为它们通常要求能创建和操作单个对象。 8.2.1 图像表示与存储技术u 典型的矢量图像格式有： (1) swf格式 ：利用Flash我们可以制作出一种后缀名为swf（Shockwave Format）的动画，这种格式的动画图像能够用比较小的体积来表现丰富的多媒体形式。在图像的传输方面，不必等到文件全部下载才能观看，而是可以边下载边看，因此特别适合网络传输。 (2) wmf格式：wmf (Metafile) 是一种矢量图形格式， Word中内部存储的图片或绘制的图形

12、对象属于这种格式。无论放大还是缩小，图形的清晰度不变，wmf是一种清晰简洁的文件格式。 8.2.1 图像表示与存储技术 (3) svg格式：svg为Scalable Vector Graphics，意思为可缩放的矢量图形。它是基于XML（Extensible Markup Language），由World Wide Web Consortium（W3C）联盟进行开发的。用户可以直接用代码来描绘图像，可以用任何文字处理工具打开svg图像，通过改变部分代码来使图像具有互交功能，并可以随时插入到HTML中通过浏览器来观看。 svg文件比jpeg和gif格式的文件要小很多，因而下载也很快。 8.2.1

13、 图像表示与存储技术(4)emf格式：emf（Enhanced Metafile）是微软公司为了弥补使用wmf的不足而开发的一种Windows 32位扩展图元文件格式，也属于矢量文件格式，其目的是欲使图元文件更加容易接受。(5)dxf/dwg/dwf格式：这三种格式都是AutoCAD中的矢量文件格式，它们以ASCII码方式存储文件，在表现图形的大小方面十分精确。许多软件都支持dxf格式的输入与输出。 8.2.2 平面数字图像处理技术 平面数字图像处理出现在两种情况下：一种是将一幅图像变为另一幅经过加工的图像，是图像到图像的过程；另一种是将一幅图像转化为一种非图像的表示，如一个决策等。 在本书中

14、，只介绍第一种情况。 数字图像处理是用数字技术处理图像的过程，它涉及的图像范围已远远传统意义上的图像，包括可见数字图像、不可见物理图像（如X光图像），甚至还有数学函数。 8.2.2 平面数字图像处理技术u数字图像范围8.2.2 平面数字图像处理技术u 分形图像(数学函数生成的图像)8.2.2 平面数字图像处理技术u 数字图像的表示形式 1、二值图像：一幅图像用数字0和1表示，如我们常见的黑白图像，下面是 黑白图像的表示与效果图8.2.2 平面数字图像处理技术2、灰度图像，将从黑到白的变化划分为256种情况，像我们所见到的黑白照片8.2.2 平面数字图像处理技术3、彩色图像，将一幅图像中的每个点

15、分别用红、绿、蓝三种基本颜色描述，在显示的时候实现叠加从而得到 8.2.2 平面数字图像处理技术u 数字图像处理方法 1、锐化处理 想要使图像中的物体轮廓变得更清楚，与周围环境的差别更大，可以对图像做锐化处理。锐化处理的基本原则是：为要处理物体轮廓上的点增加灰度值。其基本方法是：先将要处理的点的灰度值分别与周围8个点的值相减，在将相减后得到的结果和作为灰度值与该点原来的灰度值相加作为该点新的灰度值。 下面是锐化处理效果对比示意图2、平滑处理 想要去掉图像中的杂质、雪花点，可以对图像做平滑处理（如下图）。平滑处理的基本原则是：将图像中出现的异常点去掉或弱化。其基本方法是：将要处理的点的灰度值与周

16、围8个点的值排序取中间大小的那个值或平均值作为该点新的灰度值。 3、目标提取u 腐蚀处理和膨胀处理 4、压缩变换 压缩一般是为了消除一幅图像中存在数据冗余和主观视觉冗余，通过改变图像的描述方式，来实现图像的压缩。 无损压缩：该方式通过改变对信息的表述方法来提高图像的编码效率，其压缩率一般不高，但可以保证接收方获得的信息与发送方相同。 有损压缩：该方式采用忽略视觉不敏感的部分以提高压缩率办法。如DCT变换编码的设计思想就是希望在接收方不产生误解的前提下进行一定的信息丢失。有损压缩与解压过程如下图所示： 有损压缩与解压过程与效果示意图 8.3 常用图形图像处理软件常用图形图像处理软件 目前，各种图

17、形图像处理软件可谓百花齐放，针对于不同的应用领域，具有代表性的图形图像处理软件有Photoshop、Auto CAD、3D MAX、Flash 等。 8.3.1 PhotoshopsPhotoshop是目前PC机上公认的最好的通用平面美术设计软件，它功能完善，性能稳定，使用方便，所以在几乎所有的广告、出版、软件公司，Photoshop都是首选的平面工具。Photoshop界面 Photoshop的相关概念u选择：这个概念是相当广泛的，将屏幕上某处选择，则该选择反白显示，移动该区域时，其中的内容一并移动，同时在原始位置留下空白。作为一个图像处理软件，Photoshop 将 “选择” 变成一个独立

18、的实体，即“层”(Layer)。 u通道：也类似一个层，我们可称之为通道层。一个通道层同一个图像层之间最根本的区别在于：图层的各个像素点的属性是以红绿蓝三原色的数值来表示的，而通道层中的像素颜色是由一组原色的亮度值组成的。 Photoshop常用图像处理的特技效果 uPhotoshop采用数字图像处理技术通过对原图像进行一种或多种处理，使图像具备某种艺术化的形式，得到就像透过一面哈哈镜看到的图像效果，因此把这种工具称为滤镜。 Photoshop常用图像处理的特技效果Cutout（彩纸剪切滤镜）效果对比图 Fresco（壁画）效果对比图 Photoshop常用图像处理的特技效果Plastic W

19、rap（塑模封装）效果对比 Paint Daubs（绘画涂抹）效果对比Photoshop常用图像处理的特技效果Poster Edges（海报边缘）效果对比图 Rough Pastels（粗糙蜡笔纹理覆盖）效果对比图 8.3.2 AutoCADsAutoCAD是美国Autodesk公司推出的通用计算机辅助绘图和设计软件包，具有易于掌握、使用方便、体系结构开发等特点，深受广大工程技术人员的喜爱。AutoCAD的版本历经R14、 R15（AutoCAD2000）、AutoCAD2002。目前最新版本已发展到AutoCAD2005。8.3.2 AutoCAD AutoCAD 是目前世界上应用最广的CA

20、D软件，市场占有率位居世界第一。 AutoCAD 软件具有如下特点： s善的图形绘制功能s强大的图形编辑功能s用多种方式进行二次开发或用户定制s多种图形格式的转换，具有较强的数据交换能力s支持多种硬件设备s支持多种操作平台s具有通用性、易用性，适用于各类用户AutoCAD启动主界面 8.3.3 Maya MAYA是Alias Wavefront ( 2003 年 7月 更名为 Alias )公司的产品。MAYA集成了Alias Wavefront 最先进的动画及数字效果技术，它不仅包括一般三维和视觉效果制作的功能，而且还结合了最先进的建模、数字化布料模拟、毛发渲染和运动匹配技术。MAYA 因其强大的功能在3D动画界造成巨大的影响，已经渗入到电影、广播电视、公司演示、游戏可视化等各个领域，且成为三维动画软件中的佼佼者。星球大战前传、透明人、黑客帝国、角斗士、完美风暴、恐龙等到很多大片中的电脑特技镜头都是应用 MAY