图形图像处理技术

第5章图形图像处理与Photoshop5.1图形与图像

图形与图像的区别

图形是用一个指令集合来描述的。这些指令描述构成一幅图的所有直线、圆、圆弧、矩形、曲线等的位置、维数和大小、形状、颜色。产生图形的程序通常称为绘图（Draw）程序，它可以分别产生和操作矢量图形和各个片断，并可任意移动、缩小、放大、旋转和扭曲各个部分，也依然保持各自的特性。图形与分辨率无关。原始图形图形放大4倍的效果5.1图形与图像

图形与图像的区别

图像是由描述图像中各个像素点的亮度与颜色的数位集合组成。它适合表现层次细致、色彩丰富、包含大量细节的图像。生成图像的软件工具通常称为绘画（Paint）程序，可以制定颜色画出每个像素点来生成一幅画。它所需空间比矢量图形大得多，因为图像必须指明屏幕上显示的每个像素点的信息。图像与分辨率有关。原始图像图像放大4倍的效果5.1图形与图像

5.1.2图形处理的内容

●图形的输入

图形的输入研究的是如何开发利用图形输入设备及软件将图形输入到计算机中，以便进行各种处理。

●

图形的变换处理

图形的变换处理包括对图形进行变换(如几何变换、投影变换、建模、造型)和运算(如图形的并、交、差运算)处理。

●

图形的生成与输出

图形的生成与输出研究的是如何将图形特定的表示形式转换成图形输出系统便于接受的表示形式，并将图形在显示屏或打印机等输出设备上显示输出。

5.1图形与图像

5.1.3图像处理的内容♣

图像的数字化

图像的数字化是指将一幅图像通过采样、量化、编码转变成计算机能够接受的数字图像。

♣

图像编码压缩

♣

图像变换

图像的变换是将空间域的处理转换为变换域的处理，不仅可以减少计算量，而且可获得更有效的处理。图像还变换包括传统的几何变换，例如图像的缩放、旋转、平移、投影等。

图像恢复是采用某种滤波方法，如去除噪声、干扰和模糊等，恢复或重建原来的图像。

1．亮度

亮度也称为明度，是指彩色所引起的人眼对明暗程度的感觉。它与被观察物体的发光强度有关。对于色调、饱和度固定的光而言，当其全部能量增强时，亮度增加，因此亮度与光功率有关。2．色调

色调也称为色相，指颜色的基本面貌，即人们称呼某种颜色的名称，如红、绿、蓝等。色调与光波的波长有关，不同的波长反映不同的颜色感。色调是人们看到一种或多种波长的光时所产生的综合效果。它反映颜色的种类，是决定颜色的基本特性。

3．饱和度

饱和度也称为纯度，指颜色的深浅程度。对于同一色调的彩色光，饱和度越高则颜色越纯。凡是经过混合后所产生的颜色，它的色彩饱和度比未混合的原来的颜色低。饱和度的增减还会影响到颜色的亮度。色彩模型是指已经建立好的用于描述和重现色彩的各种模型。各个应用领域一般使用不同的色彩模型。常用的色彩模型有HSB、RGB、CMYK以及Lab色彩模型。1．HSB模型

HSB指的是色调(Hue)、饱和度(Saturation)、亮度(Brightness)。该模型是用色彩的三要素来描述颜色，适合于色彩设计，绝大部分的设计软件都提供了这种色彩模型，包括Windows的系统调色板也是采用这种色彩模型。色相变化纯度变化明度变化windows系统调色板

色彩模型是指已经建立好的用于描述和重现色彩的各种模型。各个应用领域一般使用不同的色彩模型。常用的色彩模型有HSB、RGB、CMYK以及Lab色彩模型。加色法混合方式

减色法混合方式

2．RGB模型RGB是指红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）三种色光。该模式采用加色法混合方式。3．CMYK模型CMYK是指青色（Cyan）、品红(Magenta)、黄色（Yellow)、黑色(blacK)四种油墨色。该模式采用减色法混合方式。色彩模型是指已经建立好的用于描述和重现色彩的各种模型。各个应用领域一般使用不同的色彩模型。常用的色彩模型有HSB、RGB、CMYK以及Lab色彩模型。4．Lab模型Lab色彩模型用三组数值表示色彩：L：Lightness亮度数值，从0到100。a：

红色和绿色两种原色之间的变化区域，数值从-120到+120b：

黄色到蓝色两种原色之间的变化区域，数值从-120到+120

分辨率是影响图像质量的重要因素，分为屏幕分辨率、图像分辨率、显示器分辨率和像素分辨率。

1．屏幕分辨率

屏幕分辨率是指某一种显示方式下，计算机屏幕上最大的显示区域，以水平和垂直的像素表示。2．图像分辨率图像分辨率指数字化图像的大小，以水平和垂直的像素点表示。3．显示器分辨率显示器分辨率指显示器本身所能支持各种显示方式下最大的屏幕分辨率，通常它用像素之间的距离来表示，即点距。4．像素分辨率像素分辨率指一个像素的宽和长的比例（也称为像素的长宽比），在像素分辨率不同的机器间传输图像时会产生意想不到的畸变。

位图图像中像素的颜色（或亮度）信息是用若干二进制数据位来表示的，这些数据位的个数称为图像颜色的深度。

颜色深度颜色深度取决于组成该图像的所有位平面中像素的位数之和，即位图中每个像素所占的位数，它反映图像可能出现不同颜色的最大数目。例如，一幅彩色图像的3个位平面中的颜色深度均为8位，此时该图像的颜色深度为24，则该图像可以包含2∧24=16772216种不同的颜色，称为真彩色。

5.2.5图像文件格式

1.

PCX格式2.

DIB和BMP格式3.GIF格式

◆PCX格式最初由Z-Soft公司为其图像处理软件——PCPaintbrush设计的文件格式。该格式使用游程长编码（RLE）方法进行压缩，压缩比适中，适合于一般软件的使用，压缩和解压缩的速度都比较快。另外，各种扫描仪扫描得到的图像一般都能存成PCX格式。

◆DIB是Windows所使用的与设备无关的点位图文件存储格式。◆BMP是标准的Windows和OS/2的图像格式的基本位图格式。BMP文件格式存储的图像数据都不能压缩，因此图像文件的大小较大。

◆GIF（GraphicsInterchangeFormat）格式，译为图形交换格式，用于在不同的平台上进行图像交流和传输。GIF是使用LZW压缩方法的主要图形文件格式，因此，文件压缩比较高，文件较小。

5.2.5图像文件格式

4.TIFF格式5.JPEG格式6.PCD格式◆TIFF（TagImageFileFormat）格式称为标记图像文件格式，支持所有的图形类型，同时被许多图形应用软件（如CorelDraw，PhotoShop等）所支持。TIFF格式文件分为压缩和非压缩两类，非压缩的TIF文件独立于软硬件，但压缩文件要复杂多了，图形文件压缩后，格式改为TIEF格式。

◆JPEG格式采用的是有损压缩编码格式，文件非常小，而且可以调整压缩比。JPEG文件的显示比较慢，仔细观察图像的边缘可以看出不太明显的失真。适用于要处理大量图像的场合，一般不适合用来存储原始图像。

◆PCD格式是Kodak公司开发的电子照片文件存储格式，是Photo-CD的专用格式，一般都存储在CD-ROM上，读取PCD文件要用Kodak公司出的专门软件。

5.3图像数据的压缩5.3.1图像数据的压缩算法数字图像压缩的两个基本原理♣数字图像的相关性。

♣人的视觉心理特征。

在图像的同一行相邻像素之间、活动图像的相邻帧的对应像素之间往往存在很强的相关性，去除或减少这些相关性，也就去除或减少图像信息中的冗余度，即实现了对数字图像的压缩。

人的视觉对于边缘急剧变化不敏感(视觉掩盖效应)，对颜色分辨力弱，利用这些特征可以在相应部分适当降低编码精度，而使人从视觉上并不感觉到图像质量的下降，从而达到对数字图像压缩的目的。从信息论观点来看，图像作为一个信源，描述信源的数据是信息量(信源熵)和信息冗余量之和。信息冗余有许多种，如空间冗余、时间冗余、结构冗余、知识冗余、视觉冗余等，数据压缩实质上是减少这些冗余量。从数学上讲，图像可以看作一个多维函数，压缩描述这个函数的数据量实质是减少其相关性。另外在一些情况下，允许图像有一定的失真，而并不妨碍图像的实际应用。5.3.1图像数据的压缩算法1．图像数据压缩的可能性空间冗余时间冗余信息熵冗余结构冗余知识冗余视觉冗余其它冗余

5.3图像数据的压缩

5.3图像数据的压缩5.3.1图像数据的压缩算法2．图像压缩方法衡量一个压缩编码方法优劣的重要指标是：①压缩比要高，有几倍、几十倍，也有几百乃至几千倍；②压缩与解压缩要快，算法要简单，硬件实现容易；③解压缩的图像质量要好。压缩编码算法无损压缩编码哈夫曼编码算术编码行程编码有损压缩编码预测编码频率域方法空间域方法模型方法基于重要性混合编码JBIGH261JPEGMPEG等技术5.3.1图像数据的压缩算法

5.3图像数据的压缩3．无损压缩编码所谓无损压缩格式，是利用数据的统计冗余进行压缩，可完全回复原始数据而不引起任何失真，但压缩率是受到数据统计冗余度的理论限制，一般为2:1到5:1.这类方法广泛用于文本数据，程序和特殊应用场合的图像数据(如指纹图像，医学图像等)的压缩。由于压缩比的限制，仅使用无损压缩方法是不可能解决图像和数字视频的存储和传输的所有问题.5.3.1图像数据的压缩算法

5.3图像数据的压缩3．无损压缩编码香农-范诺（Shannon-Fano）编码的目的是产生具有最小冗余的码词（codeword）。其基本思想是产生编码长度可变的码词。码词长度可变指的是，被编码的一些消息的符号可以用比较短的码词来表示。估计码词长度的准则是符号出现的概率。符号出现的概率越大，其码词的长度越短。香农-范诺编码算法步骤：①按照符号出现的概率减少的顺序将待编码的符号排成序列。②将符号分成两组，使这两组符号概率和相等或几乎相等。③将第一组赋值为0，第二组赋值为1。④对每一组，重复步骤②的操作。5.3.1图像数据的压缩算法

5.3图像数据的压缩3．无损压缩编码霍夫曼编码的基本方法是先对图像数据扫描一遍，计算出各种像素出现的概率，按概率的大小指定不同长度的唯一码字，由此得到一张该图像的霍夫曼码表。编码后的图像数据记录的是每个像素的码字，而码字与实际像素值的对应关系记录在码表中。算法步骤如下：①初始化，根据符号概率的大小按由大到小顺序对符号进行排序。②把概率最小的两个符号组成一个新符号（节点），即新符号的概率等于这两个符号概率之和。③重复第2步，直到形成一个符号为止（树），其概率最后等于1。④从编码树的根开始回溯到原始的符号，并将每一下分枝赋值为1，上分枝赋值为0。5.3.1图像数据的压缩算法

5.3图像数据的压缩3．无损压缩编码5.3.1图像数据的压缩算法

5.3图像数据的压缩3．无损压缩编码行程编码RLE。现实中有许多这样的图像，在一幅图像中具有许多颜色相同的图块。在这些图块中，许多行上都具有相同的颜色，或者在一行上有许多连续的象素都具有相同的颜色值。在这种情况下就不需要存储每一个象素的颜色值，而仅仅存储一个象素的颜色值，以及具有相同颜色的象素数目就可以，或者存储一个象素的颜色值，以及具有相同颜色值的行数。这种压缩编码称为行程编码，常用(runlengthencoding，RLE)表示，具有相同颜色并且是连续的象素数目称为行程长度。行程编码的基本原理是：用一个符号值或串长代替具有相同值的连续符号（连续符号构成了一段连续的“行程”。行程编码因此而得名），使符号长度少于原始数据的长度。例如：5555557777733322221llllll行程编码为：（5，6）（7，5）（3，3）（2，4）（l，7）。

5.3.1图像数据的压缩算法

5.3图像数据的压缩4．预测编码从相邻数据之间由强的相关性特点考虑，可以利用前面已经出现的数值，进行预测（估计），得到一个预测值，将实际值与预测值求差，对这个差值信号进行编码、传送，这种编码方法即为预测编码方法。♣差分脉冲编码调制(DPCM)♣帧间预测编码5.3.1图像数据的压缩算法

5.3图像数据的压缩4．预测编码差分脉冲编码调制的思想是，根据过去的样本去估算(estimate)下一个样本信号的幅度大小，这个值称为预测值，然后对实际信号值与预测值之差进行量化编码，从而就减少了表示每个样本信号的位数。

图5.13DPCM5.3.1图像数据的压缩算法

5.3图像数据的压缩4．预测编码活动图像是由连续图像帧组成的时间图像序列，它在时间上比在空间上具有更大的相关性。大多数电视图像相邻帧间细节变化是很小的，即视频图像帧间具有很强的相关性，利用帧所具有的相关性的特点进行帧间编码，可获得比帧内编码高得多的压缩比。帧间预测编码是利用视频图像帧间的相关性，即时间相关性，来达到图像压缩的目的，即不直接传送当前帧的像素值，而是传送x和其前一帧或后一帧的对应像素x'之间的差值,这称为帧间预测。广泛用于普通电视、会议电视、视频电话、高清晰度电视的压缩编码。图5.14帧间预测5.3.1图像数据的压缩算法

5.3图像数据的压缩5.变换编码

变换编码是指先对信号进行某种函数变换，从一种信号（空间）变换到另一种（空间），然后再对信号进行编码。常用的变换编码有：离散余弦变换（DCT）沃尔什—哈达玛变换（WHT）离散傅里叶变换（DFT）卡亨南—洛维变换（KLT）小波变换1974年，N．Ahmed等人提出了离散余弦变换(DCT)，最大特点是对于一般的图像都能够将像块的能量集中于少数低频DCT系数上，这样就可能只编码和传输少数系数而不严重影响图像质量。DCT不能直接对图像产生压缩作用，但对图像的能量具有很好的集中效果，为压缩打下了基础。①一维离散余弦变换②二维离散余弦变换5.3.2图像数据的压缩标准

5.3图像数据的压缩1.JPEGJPEG是一个适用范围很广的静态图像数据压缩标准，具有连续色调、多级灰度和静态图像特点的数字图像压缩编码方法，被确定为JPEG国际标准。5.3.2图像数据的压缩标准

5.3图像数据的压缩1.JPEG图5-15JPEG算法框图压缩编码大致分成三个步骤：①使用正向离散余弦变换(FDCT)把空间域表示的图变换成频率域表示的图。②使用加权函数对DCT系数进行量化，这个加权函数对于人的视觉系统是最佳的。③使用霍夫曼可变字长编码器对量化系数进行编码。5.3.2图像数据的压缩标准

5.3图像数据的压缩1.JPEG离散余弦变换。对每个单独的彩色图像分量，把整个分量图像分成8×8的图像块，并作为两维离散余弦变换DCT的输入。通过DCT变换，把能量集中在少数几个系数上。图5-16DCT系数5.3.2图像数据的压缩标准

5.3图像数据的压缩1.JPEG量化是对经过FDCT变换后的频率系数进行量化。量化的目的是减小非“0”系数的幅度以及增加“0”值系数的数目，量化是图像质量下降的最主要原因。量化阶段需要两个8*8矩阵数据，一个是专门处理亮度的频率系数，另一个则是针对色度的频率系数，将频率系数除以量化矩阵的值，取得与商数最近的整数，即完成量化。亮度量化值色度量化值

1611101624405161121214192658605514131624405769561417222951878062182237566810410377243555648110411392496478871031211201017292959811210010399171824479999999918212666999999992426569999999999476699999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999995.3.2图像数据的压缩标准

5.3图像数据的压缩1.JPEG量化后得到的仍是64个系数，量化并没有改变系数的性质。经过DCT变换后，低频分量集中在左上角，其中F（0，0）（即第一行第一列元素）代表了直流（DC）系数，即8*8子块的平均值，要对它单独编码。由于两个相邻的8*8子块的DC系数相差很小，所以对它们采用差分编码DPCM，可以提高压缩比，也就是说对相邻的子块DC系数的差值进行编码。8*8的其它63个元素是交流（AC）系数，采用行程编码。5.3.2图像数据的压缩标准

5.3图像数据的压缩1.JPEG第一个字节的前4位对于DC系数而言，总为0；对于AC系数而言，表示非零系数前所包含的连续0的个数。低4为对于DC系数而言，表示差值的幅值编码所需的比特数；对于AC系数而言，表示下一个非零系数幅值编码所需的比特数。第二个字节表示DC差值的幅值或下一个非零系数幅值。5.3.2图像数据的压缩标准

5.3图像数据的压缩2.MPEGMPEG系统的组成①MPEG系统：定义音频、视频及有关数据的同步；②MPEG视频：定义视频数据的编码和重建图像所需的解码过程，亮度信号分辨率为360×240，色度信号分辨率为180×120；③MPEG音频：定义音频数据的编码和解码；④一致性测试。5.3.2图像数据的压缩标准

5.3图像数据的压缩2.MPEGMPEG的视频数据流结构●序列层●图像组层●图像层●片层●宏块层●块层5.3.2图像数据的压缩标准

5.3图像数据的压缩2.MPEGMPEG运动图像类型

I帧

P帧

B帧

D帧5.3.2图像数据的压缩标准

5.3图像数据的压缩2.MPEG视频流的组成

①允许编码端自行选择I帧的使用频率和在视频流中的位置。②允许编码端自行选择任何两帧参考图像之间的B帧数。③编码端的视频流记录格式并不要求与典型图像显示顺序一致。5.4图像素材的获取

1.利用图像光盘资源

2.网上查找

5.4.1直接从素材库获取或网站下载市场上出售各种不同类别的图像素材光盘，如动物、花卉、底纹、按钮、背景等，使用时根据需要选择相关的素材，并进行适当处理即可。

网络是一个巨大的资源库，充分利用网络能查找到大量的图片素材。一般情况下，进入http：//可以找到各行各业的专业图片。找到图片后用保存网页的方法可以保存图片，若网页设置为不能保存，可以用复制粘贴的方法保存图片。5.4图像素材的获取

1.利用PrintScreen键5.4.2从显示屏幕捕获◆如果想从当前屏幕上捕获图像，可以通过使用屏幕捕获程序从当前屏幕上捕获图像。如果图像所在的软件运行在windows环境下，则只要按下Printscreen键，全屏幕图像便被拷贝到剪贴板上。如果只想将当前活动窗口捕获则需要按下A1t十Printscreen键。打开要被捕捉的活动窗口。

按下A1t十Printscreen键，把活动窗口的内容复制到剪贴板上。打开windows的画图应用程序。新建文件，将剪贴板上的图像粘贴到新建画图文件中。保存文件。捕获当前活动窗口的步骤如下。5.4图像素材的获取

2.利用抓图软件SnagIt捕获图像5.4.2截取屏幕中图像SnagIt7主界面

菜单栏功能选区

属性区

5.4图像素材的获取

2.利用抓图软件SnagIt捕获图像5.4.2截取屏幕中图像在【输入】菜单下选择抓图范围，此处选择【活动窗口】进行局部抓图。按下组合键【Ctrl+Shift+P】，开始抓图。出现SnagIt的编辑窗口。单击【文件】︱【另存为】菜单命令，存储文件。捕捉图像步骤5.4图像素材的获取

5.4.3从VCD/DVD中截取画面步骤1：启动超级解霸应用程序，选择【文件】︱【打开媒体文件】命令，开始播放文件。步骤2：确定需要截取图像的位置，截取图像。步骤3：保存文件。5.4图像素材的获取

5.4.5利用数码照相机拍摄数码照相机具有将依赖空间、时间的图像转化成数字图像，暂存到相机的存储卡中，再通过计算机的USB接口输入到计算机中。这种方法输入图像速度快，且图像的清晰度高、色彩逼真。

5.4.4利用扫描仪获取图像扫描仪可将照片、图片等素材通过光电转换变成数字图像输入到计算机中，生成单色、灰度或彩色等多种格式的图像文件。

5.5图像的编辑处理1．图像的增强

♣图像增强是将图像中感兴趣的特征有选择的突出，调整图像的对比度，突出图像中的重要细节，而衰减不需要的特征，其目的主要是提高图像的视觉效果。

2．图像的恢复

♣图像的恢复就是对退化或劣化的图像进行校正处理、滤去退化痕迹、恢复图像的本来面目。其原则是尽可能复现或逼近无退化的真实图像。

3．图像的平滑

♣图像平滑主要是为了消除噪声。噪声并不限于人眼所能看得见的失真和变形，有些噪声只有在进行图像处理时才可以发现。图像中的噪声往往和信号交织在一起，如果平滑不当，就会使图像本身的细节如边界轮廓、线条变得模糊不清，因此，、既要平滑掉噪声，又要尽量保持图像细节，是图像平滑主要研究的任务。5.5图像的编辑处理4．图像的锐化

◆图像边缘锐化处理主要是加强图像中的轮廓边缘和细节，形成完整的物体边界，将物体从图像中分离出来或将表示同一物体表面的区域检测出来。

5．图像的分割

◆图像分割是将图像分成若干部分，每一部分对应于某一物体表面，在进行分割时，每一部分的灰度或纹理符合某一种均匀测度度量。其本质是将像素进行分类。6．图像的校正

◆图像校正是为改善图像质量而提出的一种处理方法。统统图像校正可使画面中较暗的部分层次分明、细节清晰可辨，色彩还原自然，轮廓线平滑。5.5图像的编辑处理5.5.2典型图像处理软件Photoshop1．Photoshop的工作环境菜单栏

工具栏

工具箱

状态栏

控制面板

5.5图像的编辑处理5.5.2典型图像处理软件Photoshop2．理解Photoshop重要概念♣选区♣图层♣通道5.5图像的编辑处理5.5.2典型图像处理软件Photoshop3．Photoshop的基本操作建立文件保存文件文件浏览配置Photoshop运行参数5.6Photoshop综合实践应用5.6.1选区编辑

图最终效果图样图1样图2样图3打开三幅样图在选项工具栏设置魔棒“容差”改变“样图1”背景，填充为黑色用魔棒工具选中金色圆盘做出金色盘的白色光晕效果

选择样图3的紫色树叶删除中间区域，得到最终效果5.6Photoshop综合实践应用5.6.2绘画色彩

样图

最终效果图

♠打开样图♠选择工具箱的“单行选区”和“单列选区”，并填充为白色♠画一个正圆，描边♠选择右上方的四分之一圆，调整图像色相饱和度♠选择左下方的花瓣，执行“图像/调整/渐变映射”，调整位置，得到最终效果图5.6Photoshop综合实践应用5.6.3矢量绘图

样图

最终效果图

打开样图建立一个RGB文件，背景为白色绘制树叶外轮廓的路径转换路径为选区，填充绿色，再选择喷枪工具喷出纯黑色的叶柄