第一章 计算机图形图像处理.ppt

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1、计算机图形图像处理,刘坤良,计算机图形学的研究内容所研究的内容图形的输入 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去，以便作各种处理。图形的处理包括对图形进行变换(几何变换，投影变换)和运算（集合运算）,着色，形变等图形的输出 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输出。,计算机中的图可分为两种类型：即图形与图像。图形又称为矢量图形（Vector Graphics）、几何图形或矢量图，由一组指令的描述组成，这些指令给出构成该画面的所有直线、曲线、矩形、椭圆等的形状、位置、颜色等各种属性和参数，也可以用更为复杂的指令表示图像中

2、的曲面、光照、阴影、材质等效果。计算机显示图形就是从文件中读取指令并转化为屏幕上显示的图形效果。图像又称点阵图像或位图图像，指在空间上和亮度上已经离散化了的图像。我们可以把一幅位图图像理解为一个矩形，矩形中的任一元素对应于图像上的一个点，称为像素（Pixel）。像素是计算机图形与图像中能被单独处理的最小基本单元，颜色等级越多，图像就越逼真。,第一章 计算机图形图图像处理,图形与图像的主要区别有：数据来源不同 图像数据来自客观世界；图形数据来自主观世界。 处理方法不同 图像处理方法包括几何修正、图像变换、图像增强、图像分割、图像理解、图像识别等；图形处理方法包括几何变换、开窗和裁剪、隐藏线和隐藏

3、面消除、曲线和曲面拟合、明暗处理、纹理产生等。 理论基础不同 图像处理理论主要用到数字信号处理、概率与统计、模糊数学等；计算机图形学理论主要用到仿射与透视变换、样条几何、计算几何、分形理论等。,第一章 计算机图形图图像处理,第一章 计算机图形图图像处理,随着图形图像技术的发展，两者之间相互交叉、相互渗透，其界线也越来越模糊，计算机图形与图像处理之间的联系与转换如下图所示：图形学的逆过程是分析和识别输入的图像并从中提取二维或三维的数据模型（特征）。例如手写体识别、机器视觉。模型变换是采用CAGD （Computer Aided Geometric Design）技术，CAGD技术适用于几何形体在

4、计算机中的表示，分析、研究怎样灵活方便地建立几何形体的数学模型，提高算法效率，研究曲线、曲面的表示、生成、拼接、数据拟合，如何在计算机内更好地存储和管理这些模型等。,第一章 计算机图形图图像处理,应当指出，从历史上来看图形和图像有着较大不同，不能混为一谈。直到目前为止，计算机图形学和数字图像处理还是作为两门课程分别讲授的。 计算机图形学是指将点、线、面、曲面等实体生成物体的模型存放在计算机里，并可进行修改、处理、操作和显示的一门学科。图形含有几何属性，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。 数字图像处理技术是对计算机外部辅助设备（如扫描仪、数码相机或视频采集

5、装置等）输入的图像像素数据进行数字化处理、变换、压缩和传输的一门计算机技术。就存储方式而言，图像纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度或彩色信息图形的几何属性，应用面非常广。,第一章 计算机图形图图像处理,计算机图形学的主要研究内容: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。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。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是基于线条信息表示的，用于刻画物体形状的点、线、面、体等几何要素。如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是反映物体表面属性或材质的灰度颜色等非几何要素。

6、它侧重于根据给定的物体描述模型、光照及摄像机来生成真实感图形。,第一章 计算机图形图图像处理,第一章 计算机图形图图像处理,计算机图像处理的主要研究内容：图像变换,由于图像阵列很大，直接在空间域中进行处理，涉及计算量很大。因此，往往采用各种图像变换的方法，如傅立叶变换、沃尔什变换、离散余弦变换等间接处理技术，将空间域的处理转换为变换域处理，不仅可减少计算量，而且可获得更有效的处理。图像编码，压缩减少描述图像的数据量 。图像增强和复原提高图像的质量，如去除噪声，提高图像的清晰度等。 图像分割将图像中有意义的特征部分提取出来 ,图像描述，图像描述是图像识别和理解的必要前提。作为最简单的二值图像可采

7、用其几何特性描述物体的特性，一般图像的描述方法采用二维形状描述，它有边界描述和区域描述两类方法。图像识别图像经过某些预处理（增强、复原、压缩）后，进行图像分割和特征提取，从而进行判决分类。近年来新发展起来的模糊模式识别和人工神经网络模式分类在图像识别中也越来越受到重视。,计算机图形系统的组成 计算机图形系统应由硬件设备和相应的图形软件系统两部分组成。 高质量的计算机图形离不开高性能的计算机图形硬件设备。例如，国际上广泛使用的Sun SPARC系列工作站、HP系列工作站，便是性能优异的专用图形系统。 图形系统硬件通常由图形处理器，图形输出设备和输入设备构成。图形处理器是图形系统结构的重要部件，是

8、连接计算机和显示终端的纽带。图形处理器具有存储和处理图形的功能，而且能完成大部分图形函数计算，这样就大大减轻了CPU的负担，提高了系统显示能力和显示速度。,第一章 计算机图形图图像处理,随着计算机系统、图形输入/输出设备的发展，计算机图形软件也不断更新和完善，目前发展了许多支持计算机图形技术的软件系统。如各种子程序包、图形函数库、甚至是专用的图形系统。随着图形系统的发展，提出了图形软件标准化的问题。为实现程序的可移植性，开发出了面向设备的驱动程序包或面向用户的图形生成及管理程序包。图形系统的设计和研制是计算机科学和工程领域的重要内容。,第一章 计算机图形图图像处理,计算机图形图像的应用领域随着

9、计算机图形图像学不断发展，它的应用范围也日趋广泛。目前计算机图形图像应用领域主要有： 计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域。目前，计算机图形学被广泛用来进行建筑工程设计、机械结构和产品的设计。包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电厂、化工厂等的布局以及电子线路、电子器件等。在电子工业中，计算机图形学应用到集成电路、印刷电路板、电子线路和网络分析等方面的优势是十分明显的。一个复杂的大规模或超大规模集成电路版图根本不可能用手工设计和绘制，用计算机图形系统不仅能进行设计和画图，而且可以在较短的时间内完成，把其结果直接送至后续工艺进行加工处理

10、。,第一章 计算机图形图图像处理,CAD领域另一个非常重要的研究领域是基于工程图纸的三维形体重建。三维形体重建就是从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建。,第一章 计算机图形图图像处理,图形化的用户接口 目前正在研究下一代用户界面，开发面向主流应用的自然、高效多通道的用户界面。研究多通道语义模型、多通道整合算法及其软件结构和界面范式是当前用户界面和接口方面研究的主流方向，而图形学在其中起主导作用。地形地貌和自然资源图建立在地理图形之上的关于各种资源的综合信息管理系统

11、数字地球，地形数据作为载体，（70）全球信息化.军事，政府决策，旅游，资源调查。图示图形学 主要用来生成报告的插图或透明胶片和幻灯片，使各类报告、公告等的各种归纳、总结、统计和分析信息实现图示化。,第一章 计算机图形图图像处理,科学计算可视化科学技术的迅猛发展，数据量的与日俱增使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，人们无法从数据海洋中得到最有用的数据，找到数据的变化规律，提取最本质的特征。但是如果能将这些数据用图形的形式表示出来，情况就不一样了，事物的发展趋势和本质特征将会很清楚地呈现在人们面前。 计算机动画和艺术,三维动画电影精灵鼠小弟,计算机创作的静物风格作品,第一章 计算机图形图图像处

12、理,数字图像处理的应用领域1：太空探索，遥感应用2：生物医学工程： CT的发明血球自动分类仪的商业化3：工业应用：视觉检验零部件选取，过程控制4：军事应用：5：网络数字媒体，视频图象特技,虚拟现实,视频会议通信等日常生活方方面面。,第一章 计算机图形图图像处理,图像数字化是将一幅画面转化成计算机能处理的形式数字图像的过程。 模拟图像 数字图像 正方形点阵 具体来说，就是把一幅图画分割成的一个个小区域（像元或像素），并将各小区域灰度用整数来表示，形成一幅点阵式的数字图像。它包括采样、量化和编码三个过程。像素的位置和灰度就是像素的属性。,第一章 计算机图形图图像处理,1. 采样：将空间上连续的图像

13、变换成离散点的操作称为采样。采样间隔和采样孔径的大小是两个很重要的参数。 当对图像进行实际的抽样时，怎样选择各抽样点的间隔是个非常重要的问题。关于这一点，图像包含何种程度的细微的浓淡变化，取决于希望忠实反映图像的程度。 不同形状的采样孔径,第一章 计算机图形图图像处理,2.量化 经采样图像被分割成空间上离散的像素，但其灰度是连续的，还不能用计算机进行处理。 将像素灰度转换成离散的整数值的过程叫量化。 表示像素明暗程度的整数称为像素的灰度级（或灰度值或灰度）。 一幅数字图像中不同灰度级的个数称为灰度级数，用G表示。,采样方式:有缝、无缝和重迭,第一章 计算机图形图图像处理,一般来说， ，g就是表

14、示存储图像像素灰度值所需的比特位数。 若一幅数字图像的量化灰度级数G=256=28级，灰度取值范围一般是0255的整数，由于用8bit就能表示灰度图像像素的灰度值，因此常称8 bit 量化。 从视觉效果来看，采用大于或等于6比特位量化的灰度图像，视觉上就能令人满意。 一幅大小为MN、灰度级数为G的图像所需的存储空间，即图像的数据量，大小为 MNg （bit）,灰度级数就代表一幅数字图像的层次。图像数据的实际层次越多视觉效果就越好。,第一章 计算机图形图图像处理,数字图像根据灰度级数的差异可分为：黑白图像、灰度图像和彩色图像。黑白图像 图像的每个像素只能是黑或白，没有中间的过渡，故又称为二值图像

15、。二值图像的像素值为0或1。例如,第一章 计算机图形图图像处理,灰度图像灰度图像是指灰度级数大于2的图像。但它不包含彩色信息。彩色图像 彩色图像是指每个像素由R、G、B分量构成的图像，其中R、B、G是由不同的灰度级来描述。,第一章 计算机图形图图像处理,量化参数与数字化图像间的关系 数字化方式可分为均匀采样、量化和非均匀采样、量化。 所谓“均匀”，指的是采样、量化为等间隔方式。图像数字化一般采用均匀采样和均匀量化方式。 非均匀采样是根据图象细节的丰富程度改变采样间距。细节丰富的地方，采样间距小，否则间距大。 非均匀量化是对图像层次少的区域采用间隔大量化，而对图像层次丰富的区域采用间隔小量化。

16、采用非均匀采样与量化，均会使问题复杂化，因此很少采用。,第一章 计算机图形图图像处理,图像的采样：非统一的采样和量化,非统一的图像的采样在灰度级变化尖锐的区域，用细腻的采样，在灰度级比较平滑的区域，用粗糙的采样,第一章 计算机图形图图像处理,图像的采样：非统一的采样和量化,非统一的图像的量化在边界附近使用较少的灰度级。剩余的灰度级可用于灰度级变化比较平滑的区域避免或减少由于量化的太粗糙，在灰度级变化比较平滑的区域出现假轮廓的现象,第一章 计算机图形图图像处理,图像的质量1.平均亮度 2.对比度 是指一幅图象中灰度反差的大小。 对比度=最大亮度/最小亮度,第一章 计算机图形图图像处理,3.清晰度

17、 由图像边缘灰度变化的速度来描述。4.分解力或分辨率,第一章 计算机图形图图像处理,一般来说，采样间隔越大，所得图像像素数越少，空间分辨率低，质量差，严重时出现像素呈块状的国际棋盘效应； 采样间隔越小，所得图像像素数越多，空间分辨率高，图像质量好，但数据量大。,第一章 计算机图形图图像处理,量化等级越多，所得图像层次越丰富，灰度分辨率高，图像质量好，但数据量大； 量化等级越少，图像层次欠丰富，灰度分辨率低，会出现假轮廓现象，图像质量变差，但数据量小。 但在极少数情况下对固定图像大小时，减少灰度级能改善质量，产生这种情况的最可能原因是减少灰度级一般会增加图像的对比度。例如对细节比较丰富的图像数字

18、化。,第一章 计算机图形图图像处理,数字化器 数字化器必须能够将图像划分为若干像素并分别给它们地址，能够度量每一像素的灰度并量化为整数，能够将这些整数写入存储设备。一、数字化器组成A采样孔：保证单独观测特定的像素而不受其它部分的影响。B图像扫描机构：使采样孔按预先确定的方式在图像上移动。C光传感器：通过采样孔测量图像的每一个像素的亮度。D量化器：将传感器输出的连续量转化为整数值。E输出存储体：将像素灰度值存储起来。它可以是固态存储器，或磁盘等。 常用的数字化器是扫描仪、数码相机和数码摄像机。,第一章 计算机图形图图像处理,扫描仪工作原理 扫描仪是图像输入的常用设备。其工作步骤是: 1.将欲扫描

19、的原稿正面朝下铺在扫描仪的玻璃板上; 2.启动扫描仪驱动程序后，安装在扫描仪内部的可移动光源 通过机械传动机构在控制电路的控制下带动装着光学系统和CCD的扫描头与图稿进行相对运动来完成扫描。,3.照射到原稿上的光线经反射后穿过一个很窄的缝隙，形成横向光带，又经过一组反光镜，由光学透镜聚焦并进入分光镜，经过棱镜和红绿蓝三色滤色镜得到的RGB三条彩色光带，分别照到各自的CCD上，CCD将RGB光带转变为模拟电子信号，该信号又被A/D变换器转变为数字电子信号。 4.将数字电子信号传送至计算机存储起来。,第一章 计算机图形图图像处理,扫描仪的类型有很多种，按扫描仪所扫描对象来划分，可分为反射式和透射式

20、两种。根据其组成结构，扫描仪可分为手持式、平板式和滚筒式等几种。手持式扫描仪这种扫描仪诞生于1987年，是当年使用比较广泛的扫描仪品种，最大扫描宽度为105mm，用手推动，完成扫描工作，也有个别产品采用电动方式在纸面上移动，称为自走式扫描仪。手持式扫描仪扫描幅面太窄，难于操作和捕获精确图像，扫描效果也很差。1995 1996年，各扫描仪厂家相继停止生产这一产品，手持式扫描仪退出了历史的舞台。,第一章 计算机图形图图像处理,鼓式扫描仪 又称为滚筒式扫描仪。鼓式扫描仪是专业印刷排版领域应用最广泛的产品。 滚筒式扫描仪的结构特殊，它的工作原理是把原图贴放在一个有机玻璃滚筒上，让滚筒以一定的速率围绕一

21、个光电系统旋转，探头中的亮光源发射出的光线通过细小的锥形光圈照射在原图上，一个像素一个像素地进行采样。,这种扫描仪的光学分辨率高、色深高、动态范围宽，而且输出的图像普遍具有色彩还原逼真、阴影区细节丰富、放大效果优良等特点。但它的体积大，价格也很高。,第一章 计算机图形图图像处理,平台式扫描仪 又称平板式扫描仪、台式扫描仪，这种扫描仪诞生于1984年，是目前扫描仪的主流产品。 它的扫描区域为一块透明的平板玻璃，将原图放在这块玻璃平板上，光源系统通过一个传动机构作水平移动，发射出的光线照射在原图上，经反射或透射后，由接收系统接收并生成模拟信号，再通过AD转换成数字信号，直接传送到电脑，由电脑进行相应的处理，完成扫描过程。平板式扫描仪的扫描速度、精度、质量很好，已得到了很好的普及。,第一章 计算机图形图图像处理,第一章 计算机图形图图像处理,天津复康路三维实景虚拟,第一章 计算机图形图图像处理,居室虚拟1,第一章 计算机图形图图像处理,居室虚拟2,第一章 计算机图形图图像处理,自然景观模拟,第一章 计算机图形图图像处理,美人鱼,第一章 计算机图形图图像处理,