图形图像处理基础

1、第2章 图形图像处理基础1本章目标了解图形图像硬件系统及相关设备掌握显示系统基本原理掌握颜色表示模型初步认识MatLab软件2主要内容2.1 图形图像处理系统2.2 颜色模型2.3图形图像显示系统 2.4 输入输出设备2.5 典型应用软件2.6 MatLab软件简介32.1 图形图像处理系统一、概述1. 图形图像处理系统是执行处理、分析、理解图形图像信息任务的计算机系统。 2. 主要包括：输入设备、输出设备、处理机、存储设备和交互设备。二、系统结构图42.1 图形图像处理系统三、图形图像处理系统功能1. 处理功能。实现基本的图形图像处理应用，包括点、线、面的生成，图形的求交，基本几何变换，图像

2、变换，图像增强等。2. 存储功能。存储图形图像数据。数据包括图像的物理数据，图形的几何数据、属性数据等。3. 交互功能。通过人机交互操作（修改、编辑等）图形图像以得到满意的结果。4. 输入功能。图形图像数据输入到计算机。5. 输出功能。将图形图像处理结果输出到屏幕或打印设备。52.2 颜色模型一、色度学基本概念1. 颜色视觉：研究人的色觉现象和产生规律2. 色度学：用数学物理的方法研究颜色3. 颜色和彩色：颜色分为彩色和灰色（黑和白间的变化色）4. 人对彩色的表征量：亮度、色调和饱和度（1）亮度（brightness）：明暗程度（2）色调（hue）：反映了色彩的类别（3）饱和度（saturat

3、ion）：指颜色的深浅，取决于彩色光中混入白光的数量5. 色度：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。62.2 颜色模型二、三基色1. 三色学：人眼的视网膜中存在三种椎体细胞，含有不同的色素，对光的吸收和反射特性不一样，对不同的光就有不同的颜色感觉。三者共同作用使人产生颜色感觉。2. 颜色模型：三基色 用三个分量来描述颜色。任意互不相关的三种颜色量（任意两种的组合不能产生第三种颜色）构成了颜色空间的一组基，称为三基色。最常用的三基色是红色、绿色与蓝色。三基色通过适当的混合能产生所有的颜色。3. 分类 （1）面向硬件：RGB、CMY模型 （2）面向用户：和人的视觉生理有关，如HS

4、V模型。72.2 颜色模型4. RGB模型 每一种颜色由R、G、B三个分量值构成，在真彩色系统 中，每个分量取值0。255（即256种情况）。 面向硬件设备，如摄像机、扫描仪和投影仪等。5. CMY三基色三补色： 蓝绿(C, cyan)，品红(M, magenta)，黄(Y, yellow)用于彩色打印，与RGB关系：（这里1是归一化后的值，不归一化时是255）82.3 图形图像显示系统一、主要组成1. 显示设备：显示器2. 视频控制器：控制显示设备（有的含图形加速处理器），通过访问帧缓存来刷新屏幕3. 显示缓冲器：保存图像的内容。包含帧缓存、深度缓存等。可以在内存或显示控制器中。CPU系统存

5、储器视频控制器系统总线输入输出设备92.3 图形图像显示系统二、光栅扫描显示系统1. 基本原理 电子束按固定的扫描线和扫描顺序从左到右、自上而下进行扫描。2. 基本组成 帧缓冲存储器（Frame Buffer) 视频控制器（Video Controller) 显示处理器（Display Processor） CRT（或液晶LCD）显示器 102.3 图形图像显示系统3. 基本概念扫描线：一条水平线帧（frame）：1次扫描生成的图像水平回扫期：水平线间的回扫期垂直回扫期：帧间的回扫期112.3 图形图像显示系统4. 绘图过程示例电子束移动固定，需要扫描荧屏上所有的像素 三角形边上黑色原点需要预

6、先计算保存在帧缓存中。122.3 图形图像显示系统三、帧缓冲存储器（简称帧缓存）1. 作用：存储屏幕上像素的颜色值。帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同，单元与像素一一对应，各单元的数值决定了其对应像素的颜色。2. PC机中显存中的部分存储单元。3. 显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关如：黑白显示系统的帧缓冲器的每个单元只需一位。132.3 图形图像显示系统4. 帧缓存容量计算分辨率M*N、颜色个数K 与缓存大小V 的关系说明一般像素颜色用RGB三基色表示若每个帧缓存中每个存储单元有24位（每种基色占8位）即显示系统最多可表示产生224种颜色（24位真彩色）例：颜色为真彩色、分辩率

7、是10241024的显示器，需要 10241024 log2224 /8 3兆字节142.3 图形图像显示系统四、视频控制器1. 功能建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应关系，负责刷新2. 逻辑结构3. 工作原理 刷新周期开始，依扫描次序取出帧缓存单元的数值, 放入像素值寄存器，用来控制像素的颜色，然后X的地址寄存器的地址加一，如此重复，直到该扫描线上的最后一个像素，转下行，X置0，Y加1。152.3 图形图像显示系统五、显示处理器1. 作用：代替CPU完成部分图形处理功能，如扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等。2. 具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构图形加速卡 = 视频控制器

8、 + 显存 + 显示处理器162.4 输入输出设备一、输入设备 1. 常规：鼠标、键盘、扫描仪、数码相机 2. 3维：数据手套，空间球二、输出设备 1. 常规：显示器、打印机和绘图仪 2. 其它：触摸屏，既是输出也是输入设备。3D显示器172.5 典型应用软件一、AutoCAD1. AutoCAD是美国Autodesk公司推出的通用CAD和设计软件包。 2. 主要功能（1）既可交互式绘图，也可实现自动绘图(编程方式)。（2）具有开放的体系结构，易于二次开发。（3）可通过标准的或专用的数据格式与其他CAD/CAM系统进行数据交换。（4）具有三维绘图、实体造型和显示功能。182.5 典型应用软件二

9、、3D Studio Max 常简称为3ds Max或MAX，是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。主要功能 1. 建模及编辑 几何体（可以参数化）；粒子系统。 2. 材质与贴图 材质编辑器、贴图坐标设计、多种光照。 3. 动画制作 动画制作控制、刚体运动、动画合成。 4. 灯光和摄象机 多种灯光类型 、灯光运动、阴影。192.5 典型应用软件三、CorelDRAW 加拿大Corel公司开发的全面的平面图形图像解决方案软件包。主要包括： 1. CorelDRAW 矢量绘图； 2. Corel Photo-paint 图像处理软件，与Photoshop类似； 3. C

10、orel RAVE 矢量动画制作和剪辑动态图像。 202.5 典型应用软件四、Photoshop 是Adobe公司旗下最为出名的图像处理软件之一。 从功能上看，Photoshop可分为图像编辑、图像合成、校色调色及特效制作部分。 图像编辑：几何变换、修补、修饰等； 图像合成：多幅图像合成，使得图像与创意很好融合； 校色调色：图像的颜色进行明暗、色编的调整和校正； 特效制作：主要由滤镜、通道及工具综合应用完成。如油画、浮雕、石膏画、素描等常用的传统美术技巧 。212.5 典型应用软件五、Flash 是Macromedia公司发布的网络动画创作工具。可以将音乐、声效、动画以及界面融合在一起，制作出

11、网页动态效果。 主要功能： 1. 做动画 2. 制作网页广告、教程等 3. 开发软件如：FLASH留言本等 4. 开发FLASH游戏 5. 做课件 222.6 MatLab简介一、 MatLab概述1. 简介由美国MathWorks公司推出的计算软件目前最优秀的科学计算与数学应用软件之一Matrix Laboratory （矩阵实验室）的简称2. 软件功能矩阵代数、微积分、应用数学、有限元法及科学计算信号与系统、神经网络、小波分析及其应用数字图像处理、计算机图形学电子线路、电机学、自动控制与通信技术、物理、力学和机械振动。233. MatLab的优点容易使用可以由多种操作系统支持丰富的内部函数

12、强大的图形和符号功能可以自动选择算法与其他软件和语言有良好的对接性控制外观，主要有线宽、线型和颜色4. MatLab的缺点运行效率较低，因为MatLab是一种解释语言。 价格比较贵。2.6 MatLab简介24二、MatLab用户界面1. 组成：主菜单、工具栏和窗口(1) MatLab 的主菜单(2) MatLab 的工具栏 包括新建文件、打开文件、剪切、复制和粘贴等常用图标 同时，MatLab 的工具栏适时显示MatLab 的当前路径，用户还可以通过工具栏来改变当前路径2.6 MatLab简介25(3) MatLab 的窗口打开MatLab，默认打开的窗口包括： 命令窗口(Command W

13、indow)； 命令历史窗口(Command History)； 工作间管理窗口(Workspace)； 当前路径窗口(Current Directory) 此外，还有编译窗口、图形窗口和帮助窗口等其他种类的窗口 。2.6 MatLab简介262.6 MatLab简介 命令窗口(Command Window) 作用：输入并执行命令（函数），同时显示运行结果 设置：在默认设置下，命令窗口自动显示于MatLab界面中，如果用户只想调出命令窗口，也可以选择Desktop | Desktop Layout | Command Window Only命令。MatLab 7用户界面的右侧窗口就为命令窗口。

14、272.6 MatLab简介 命令历史窗口(Command History)命令历史窗口显示用户在命令窗口中所输入的每条命令的历史记录，并标明使用时间，这样可以方便用户的查询。如果用户想再次执行某条已经执行过的命令，只需在命令历史窗口中双击该命令。282.6 MatLab简介 工作间管理窗口(Workspace)工作间管理窗口就是用来显示当前计算机内存中MatLab变量的名称、数学结构、该变量的字节数及其类型。在默认设置下，工作间管理窗口自动显示于MatLab界面中。双击变量可以查看其值292.6 MatLab简介 当前路径窗口(Current Directory) 在默认设置下，当前路径窗口

15、自动显示于MatLab界面中，用户也可以选择Desktop| Current Directory命令调出或隐藏该命令窗口。当前路径窗口显示当前用户工作所在的路径。用来搜索文件。设置文件搜索路径。选择MatLab的主窗口中File | Set Path命令 ，进入到设置路径搜索的对话框 ，用户可以设置新的路径302.6 MatLab简介三、命令窗口的使用1. 直接输入法： 3*30+3*35 ans = 1952. 存储变量法： grade1=3*30 grade1 = 90 grade2= 3*35； total=grade1+grade2 total= 195说明：1）命令后不加“;”结束，

16、命令执行后将显示结果，否则不显示结果。可用变量名查询结果2）变量名命名与C语言一致3）clear命令清除工作间中所有变量4）whos查看工作间中所有变量312.6 MatLab简介3. 矩阵（数组）计算(1) 矩阵运算：*，+，-（矩阵行列必须满足运算要求）(2)矩阵元素生成直接赋值（逐个元素输入） a1=1 2 3 4;-1 0 5 -2 a1= 1 2 3 4 -1 0 5 -2 a2=2 3;-2 2; 3 0; 1 -1 a2= 2 3 -2 2 3 0 1 -1 a1*a2 ans= 11 3 11 -1说明：(1)直接赋值创建矩阵时，用“” “”(2)行间必须用“；”分隔(3)元素

17、间必须用“，”或空格分隔322.6 MatLab简介冒号输入法 格式：x=a:inc:b 说明：主要针对一维数组（行向量矩阵），a表示第一个元素 值，inc为元素值递增步长，b为元素上限值 例子：x=1:0.3:2 x= 1.0000 1.3000 1.6000 1.9000 x=1:4 x= 1 2 3 4 （这里inc省略了）说明：如果省略inc，默认值为1332.6 MatLab简介4. 例(1) 绘图 x=0:pi/100:2*piy1=sin(2*x);y2=2*cos(2*x);plot(x,y1,k-,x,y2,b-);title(f(x)=sin(2x)与其导数的曲线);xlabel(x);ylabel(y);legend(f(x),d/dx f(x);grid on;343.5 统计图绘制(2) 图像操作命令 读图像文件I = imread（filename） 文件名用单引号；A是数组变量如：I = imread（ric