多媒體技術(shù)基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)教程第1頁(yè)/共30頁(yè)4.1圖形圖像基本原理計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理是計(jì)算機(jī)理論與應(yīng)用領(lǐng)域的2個(gè)分支學(xué)科，其相關(guān)技術(shù)已經(jīng)在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)中一個(gè)比較年輕的分支學(xué)科，其主要研究?jī)?nèi)容包括：幾何模型的構(gòu)造技術(shù)、圖形生成技術(shù)、圖形的操作與處理方法、圖形信息的存儲(chǔ)檢索及交換技術(shù)、人機(jī)交互及用戶接口技術(shù)、動(dòng)畫技術(shù)、圖形輸出設(shè)備與輸出技術(shù)、圖形標(biāo)準(zhǔn)與圖形軟件包的開發(fā)技術(shù)等。

圖形圖像處理指的是使用圖形圖像輸入/輸出設(shè)備、圖形圖像算法與軟件在計(jì)算機(jī)上處理和生成靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的圖形圖像。圖像處理基本上可以分為兩大類：模擬圖像處理和數(shù)字圖像處理。對(duì)于后者，我們稱它為計(jì)算機(jī)圖像處理，其主要研究?jī)?nèi)容包括：圖像信息的獲取、圖像信息的存儲(chǔ)、圖像信息的傳送、圖像信息的處理、圖像的輸出與顯示等。第2頁(yè)/共30頁(yè)4.1.1視覺特性眼睛對(duì)光的感覺被稱為光覺，對(duì)顏色的感覺被稱為色覺，它們是眼睛的基本特性。光覺

視覺系統(tǒng)要產(chǎn)生光感覺，就需要有一定量的光進(jìn)入眼球，我們把產(chǎn)生光覺的最小亮度稱為光覺門限或光覺閾。光覺門限值大約為

（尼特）光覺門限與刺激面積有密切關(guān)系，這種關(guān)系可以使用里克（Ricco）定理和里波（Riper）定理來描述。第3頁(yè)/共30頁(yè)當(dāng)刺激面積較小時(shí)，服從里克定理，上式中，為光覺門限的強(qiáng)度，為刺激面積。當(dāng)刺激面積較大時(shí)，服從里波定理，一般情況下，里克定理和里波定理可以統(tǒng)一起來表達(dá)，這兩個(gè)定理被統(tǒng)稱為里波定理。光覺門限與時(shí)間的關(guān)系由布洛克（Block）定理來描述為刺激時(shí)間，其大小應(yīng)小于，即在時(shí)間較短的范圍內(nèi)才成立。第4頁(yè)/共30頁(yè)色覺

人們對(duì)色覺的普遍認(rèn)識(shí)是：光線波長(zhǎng)的不同而產(chǎn)生了不同的顏色感覺。色覺是視覺系統(tǒng)的基本機(jī)能，對(duì)于圖像和物體的檢測(cè)具有重要意義。對(duì)人眼而言，可見光線的波長(zhǎng)在380～780mμ范圍內(nèi)，一般可分辨出包括紫、藍(lán)、青、綠、黃、橙、紅等7種主要顏色在內(nèi)的120～180種不同的顏色。色覺的實(shí)現(xiàn)主要依賴于視錐細(xì)胞。目前，一般采用“三原色學(xué)說”來解釋色覺機(jī)理。第5頁(yè)/共30頁(yè)4.1.2計(jì)算機(jī)圖形計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究圖形處理技術(shù)（利用計(jì)算機(jī)來處理圖形）的學(xué)科，它包括圖形處理的原理、方法和技術(shù)等內(nèi)容。主要研究?jī)?nèi)容圖形的生成和表示技術(shù)。圖形的運(yùn)算方法。圖形輸入輸出設(shè)備及相應(yīng)的輸入輸出技術(shù)。圖形系統(tǒng)與支持部件。圖形信息的描述和表示。幾何模型的構(gòu)造技術(shù)與動(dòng)畫技術(shù)。圖形的實(shí)時(shí)性與真實(shí)感。主要應(yīng)用領(lǐng)域1）科學(xué)計(jì)算可視化。2）圖形用戶界面。3）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。4）娛樂與計(jì)算機(jī)動(dòng)畫。5）圖形實(shí)時(shí)繪制與自然景物仿真。6）計(jì)算機(jī)藝術(shù)。第6頁(yè)/共30頁(yè)計(jì)算機(jī)圖形與圖形基元實(shí)際上，計(jì)算機(jī)圖形是一個(gè)廣義的概念，它既包括了描述圖形，也包括了自然圖形。從構(gòu)成圖形的要素來看，圖形是由點(diǎn)、線、面、體等幾何要素以及明暗、灰度、色彩等非幾何要素構(gòu)成的。點(diǎn)是只有位置而沒有大小和形狀的圖形，它可以使用坐標(biāo)值來標(biāo)識(shí)。線是點(diǎn)的軌跡，分為直線、曲線兩大類。色彩是由于物體對(duì)不同光波的反射和吸收特性而產(chǎn)生的，沒有光便沒有任何色彩。綜上所述，我們可以這樣來描述計(jì)算機(jī)圖形：它是從客觀世界的物體中抽象出來的、具有灰度或色彩以及具有形狀的圖或形。事實(shí)上，這樣的定義也涵蓋了“圖像”這一概念。第7頁(yè)/共30頁(yè)圖形基元指的是最基本的圖形元素。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，它實(shí)際上包括兩層含義，即靜態(tài)含義和動(dòng)態(tài)含義。前者指的是圖形基元的邏輯意義，即前面所述的基本圖形單元在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示；

后者指的是顯示輸出圖形基元的過程（被稱為輸出基元或圖形輸出原語(yǔ)），即在輸出設(shè)備的指定位置使用最基本的輸出原語(yǔ)來生成確定的圖形幾何結(jié)構(gòu)。在圖形系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)圖形是以指令的形式來存放的。一幅計(jì)算機(jī)圖形第8頁(yè)/共30頁(yè)常用坐標(biāo)系統(tǒng)

世界坐標(biāo)系。這是一種與設(shè)備無關(guān)的、用于描述計(jì)算機(jī)圖形的直角坐標(biāo)系統(tǒng)，常用于計(jì)算機(jī)圖形的存儲(chǔ)、輸入與輸出等。設(shè)備坐標(biāo)系。這是一種與具體的圖形設(shè)備密切相關(guān)的坐標(biāo)系統(tǒng)，例如屏幕坐標(biāo)系就是一種適用于顯示設(shè)備的坐標(biāo)系統(tǒng)。歸一化設(shè)備坐標(biāo)。它也被稱為正則坐標(biāo)或規(guī)則化坐標(biāo)，這是一個(gè)用于計(jì)算機(jī)圖形處理的中間過程的坐標(biāo)系，它將坐標(biāo)值范圍規(guī)定在某個(gè)范圍內(nèi)（一般是0～1之間）。以歸一化設(shè)備坐標(biāo)表示的計(jì)算機(jī)圖形，在任何設(shè)備空間中都能處于相同的相對(duì)位置。例如，在有多個(gè)輸出設(shè)備時(shí)，歸一化設(shè)備坐標(biāo)最常用于視區(qū)規(guī)范。第9頁(yè)/共30頁(yè)4.1.3數(shù)字圖像數(shù)字圖像處理學(xué)

數(shù)字圖像處理技術(shù)起源于20世紀(jì)20年代，當(dāng)時(shí)通過海底電纜從英國(guó)倫敦到美國(guó)紐約傳輸了一幅照片，其中就采用了數(shù)字壓縮技術(shù)。重要性主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：圖像處理為人類從客觀世界獲取信息提供了重要來源、圖像處理是人類視覺延續(xù)的重要手段、圖像處理對(duì)國(guó)計(jì)民生有重要意義。主要研究?jī)?nèi)容

圖像信息的獲取。圖像信息的存儲(chǔ)。圖像信息的傳輸。圖像信息的處理。圖像的輸出與顯示。第10頁(yè)/共30頁(yè)灰度與圖像數(shù)據(jù)的表示這里說到的灰度信息是指圖像上各點(diǎn)處的顏色深淺程度的信息。對(duì)于單色黑白圖像來說，灰度即是黑白程度等級(jí)；對(duì)于彩色圖像來說，因?yàn)槿魏尾噬珗D像都可以分解成紅、綠、藍(lán)三種單色圖像，所以彩色圖像的灰度指的是這三種單色圖像的灰度。許多數(shù)字圖像在計(jì)算機(jī)上是以位圖的形式存在的，位圖是一個(gè)矩形點(diǎn)陣，上面的每一個(gè)點(diǎn)被稱為像素。像素是數(shù)字圖像中的基本單位，一幅m×n大小的圖像由m×n個(gè)明暗不等的像素組成。實(shí)際上，像素所具有的明暗程度就是由灰度值(GrayLevel)來標(biāo)識(shí)的。第11頁(yè)/共30頁(yè)4.2常用圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于靜止的圖像，已有多個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。ISO制定了JPEG(JointPhotographicExpertsGroup)和JBIG（JoinBilevelImageGroup）標(biāo)準(zhǔn)，ITU制定了G3、G4等標(biāo)準(zhǔn)。在這些標(biāo)準(zhǔn)中，JPEG標(biāo)準(zhǔn)及其下一代的JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用的最為廣泛。第12頁(yè)/共30頁(yè)4.2.1JPEGJPEG是ISO和CCITT關(guān)于靜止圖像編碼的聯(lián)合專家組名稱的縮寫。該標(biāo)準(zhǔn)可用于自然景象或任何連續(xù)色調(diào)圖像的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的壓縮編碼和解碼。工作方式

順序方式(SequentialMode)漸進(jìn)方式(ProgressiveMode)編碼算法JPEG標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了3種級(jí)別的編碼算法：基本系統(tǒng)(BaselineSystem)、擴(kuò)展系統(tǒng)(ExtendedSystem)和無失真系統(tǒng)(LosslessSystem)。JPEG的基本系統(tǒng)算法可以歸結(jié)為以下幾個(gè)過程：

1）通過離散余弦變換減少圖像數(shù)據(jù)的相關(guān)性。

2）利用人眼視覺特性對(duì)系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)量化。

3）對(duì)每個(gè)子塊量化后的系數(shù)矩陣進(jìn)行z形掃描，將系數(shù)矩陣變換成符號(hào)序列。

4）用哈夫曼變長(zhǎng)碼對(duì)符號(hào)進(jìn)行熵編碼。第13頁(yè)/共30頁(yè)4.2.2JPEG2000新特性高壓縮率無損壓縮漸進(jìn)傳輸感興趣區(qū)域壓縮碼流的隨機(jī)訪問和處理容錯(cuò)性開放的框架結(jié)構(gòu)基于內(nèi)容的描述第14頁(yè)/共30頁(yè)基本框架和實(shí)現(xiàn)

編碼器

解碼器第15頁(yè)/共30頁(yè)整個(gè)JPEG2000的編碼過程可概括如下：基本框架和實(shí)現(xiàn)

把原圖像分解成各個(gè)成分（亮度信號(hào)和色度信號(hào)）。把圖像和它的各個(gè)成分分解成矩形圖像片。圖像片是原始圖像和重建圖像的基本處理單元。對(duì)每個(gè)圖像片實(shí)施小波變換。對(duì)分解后的小波系數(shù)進(jìn)行量化并組成矩形的編碼塊。對(duì)在編碼塊中的系數(shù)“位平面”熵編碼。為使碼流具有容錯(cuò)性，在碼流中添加相應(yīng)的標(biāo)識(shí)符?？蛇x的文件格式用來描述圖像和它的各個(gè)成分的意義。核心算法小波變換量化熵編碼第16頁(yè)/共30頁(yè)4.3圖形圖像文件格式圖形圖像文件大致上可以分為兩大類：一類為位圖(又稱光柵或像素圖)文件；一類稱為描繪類、矢量類或面向?qū)ο髨D形圖像文件。前者以點(diǎn)陣形式描述圖形圖像，后者是以數(shù)學(xué)方法描述的一種由幾何元素組成的圖形圖像。

4.3.1位圖格式4.3.2矢量圖格式第17頁(yè)/共30頁(yè)4.3.1位圖格式在計(jì)算機(jī)圖像處理中，位圖圖像的表示方法是把一幅圖形分割成很多細(xì)小的柵格，所以位圖圖像也被稱為柵格圖像。每—個(gè)柵格的色彩、亮度值都是以數(shù)值的形式單獨(dú)記錄的。與計(jì)算機(jī)屏幕的顯示方式一樣，位圖圖像也是由映射于屏幕上特定位置處的像素所組成?；靖拍钕袼貥?gòu)成位圖圖像的細(xì)小柵格就是圖形的基本元素，被稱為像素。位位是計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器中的最小單元，位圖圖像中每一個(gè)像素的顏色，包括黑色、白色或絢麗的彩色，在計(jì)算機(jī)內(nèi)都是用位來記錄的。第18頁(yè)/共30頁(yè)位深度表示—個(gè)像素信息所用的二進(jìn)制位數(shù)被稱為位深度，它決定了位圖圖像中出現(xiàn)的最大顏色數(shù)。位圖字體位圖字體是位圖圖像的一個(gè)特殊子集。分辨率分辨率是影響位圖圖像質(zhì)量的重要因素。在圖像處理中，有三種分辨率，即屏幕分辨率、圖像分辨率和像素分辨率。第19頁(yè)/共30頁(yè)位圖圖像文件的大小位圖圖像文件的大小是指在磁盤上存儲(chǔ)整幅圖像所占的字節(jié)數(shù)，可按下面的公式計(jì)算：文件的字節(jié)數(shù)=圖像分辨率×位深度／8其中，圖像分辨率＝高×寬。高是指垂直方向上的像素?cái)?shù)，寬是指水平方向上的像素?cái)?shù)。位圖圖像的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)位圖圖像適合表現(xiàn)具有細(xì)致層次和豐富色彩等特點(diǎn)的圖像位圖圖像具有易于輸入輸出的特點(diǎn)缺點(diǎn)位圖圖像文件較大，需消耗大量的存儲(chǔ)空間位圖圖像的編輯也比較困難位圖圖像缺乏靈活性第20頁(yè)/共30頁(yè)常用格式

PCX文件TIFF文件TGA文件BMP文件GIF文件JPEG文件PNG文件見過幾種？第21頁(yè)/共30頁(yè)4.3.2矢量圖格式矢量圖形的形成原理和位圖圖像的形成原理差別很大。矢量圖形不象位圖圖像那樣，由數(shù)量龐大的單個(gè)像素構(gòu)成，而是用代表數(shù)學(xué)模式的指令集合來描述線條和形狀，再由這些線條和形狀組成圖形，它類似于輪廓線字體。矢量圖的描述

計(jì)算機(jī)機(jī)可以通過指令和數(shù)學(xué)公式來建立矢量圖。產(chǎn)生矢量圖形的程序通常被稱為繪圖程序，它可以分別產(chǎn)生和操作矢量圖形的各個(gè)片段、實(shí)心的或者有深淺層次或者有色彩填充的一些區(qū)域，也可以移動(dòng)、縮小、放大、旋轉(zhuǎn)和扭曲圖形的各個(gè)部分。矢量圖的特點(diǎn)圖形縮放不變形局部編輯特性存儲(chǔ)空間小第22頁(yè)/共30頁(yè)矢量圖與位圖文件的對(duì)比

類別矢量圖位圖表示原理用數(shù)學(xué)方法描述通過采樣、量化等步驟文件大小體積小體積大靈活性旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、傾斜等變換操作容易，且不變形、不失真操作不容易，易變形、失真色彩單一缺乏變化豐富逼真適用類型簡(jiǎn)單的幾何圖形較復(fù)雜的圖像（如照片）第23頁(yè)/共30頁(yè)常用格式

WMF文件EMF文件EPS文件DXF文件SWF文件見過幾種？第24頁(yè)/共30頁(yè)4.4圖形圖像處理工具圖形圖像處理軟件是專門用于處理圖形圖像的軟件系統(tǒng)，在多媒體產(chǎn)品的制作中是必不可少的。圖形圖像處理軟件一般具有掃描輸入功能、圖形圖像編輯功能、打印輸出功能以及文件管理等功能，該軟件實(shí)際上是一個(gè)集各種運(yùn)算方法于一體的操作平臺(tái)，它經(jīng)過各種復(fù)雜的運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn)圖形圖像數(shù)據(jù)的讀寫、處理、變換和壓縮保存等。第25頁(yè)/共30頁(yè)4.4.1計(jì)算機(jī)繪圖軟件AutoCAD功能概述

繪圖功能編輯功能設(shè)置功能輔助功能文件管理功能三維功能數(shù)據(jù)庫(kù)的管理與連接開放式體系結(jié)構(gòu)第26頁(yè)/共30頁(yè)編輯環(huán)境

第27頁(yè)/共30頁(yè)4.4.2數(shù)字圖像處理軟件PhotoshopPhotoshop是Adobe公司的王牌產(chǎn)品，它在圖形圖像處理領(lǐng)域擁有毋庸置疑的地位。無論是平面