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1、第1章 图形图像处理基本知识,1.1 数字图像 1.1.1 数字图像的基本概念 1.1.2 数字图像的分类 1.2 常用的图像文件格式 1.3 习题,0,1,第1篇 图形图像处理的技术基础第1章 图形图像处理基本知识1.1 数字图像 1.1.1 数字图像的基本概念 本章将介绍一些基本的数字图像处理技术，包括图像文件格式、交互式图形系统的逻辑结构、图形图像的研究动态等内容。数字图像在计算机上以位图（bitmap）的形式存在的。位图是一个矩形点阵，上面的每一个点称之为像素（pixel）。像素是数字图像中的基本单位。一幅mn大小的图像，是由mn个明暗不等的像素组成的。在数字图像中各像素所具有的明暗程
2、序是由一个称为灰度值（gray level）的数字所标识。例如，我们可以将白色灰度值定义为255，黑色的灰度值定义为0，而由黑到白之间的明暗度均匀地划分成256个等级，每个等级由一个相应的灰度值定义，这样就定义了一个256个等级的灰度表。,2,数字图像是通过什么样的机制在计算机屏幕上显示出来的呢？在计算机中设有专用于存储图形（图像）信息的帧缓冲存储器。计算机时时监视着这个存储器，如果该存储器内被填充图像数据，该数据就会自动地由光栅扫描方式映射到屏幕上来，形成图像。帧缓存存储器中的每一位对应于屏幕上的一个点，当一个位的数据被置为1时，屏幕上的对应位置上就会出现一个亮点，而当位的数据为0时，屏幕上
3、的对应位置就是一个暗点。计算机启动时，帧缓存所有的位上都被置为0，只有当输入图像或图形数据后，帧缓存中的某些位才置换为1。在显示器的分辨率为640480的计算机中，为显示一幅二值图像（每个像素占用1 bit）需要有640480位的帧缓存容量，这个容量被称为一个位平面。要能显示一幅256个灰度级的图像则需要配置8个位平面，即需要640480字节的帧缓存容量。当显示器的分辨率增大时（如选用800600，1024768，10241024等分辨率）所需的帧缓存容量则要求相应增大，这还是针对单色的图像而言的。若需要显示R，G，B均为256个灰度级的彩色图像，则帧缓存的容量还需要扩大到上述容量的三倍。,3
4、,1.1.2 数字图像的分类图像的表示有两种方法：位图（也叫栅图）和矢量图。图像文件可以使用其中的任意一种或同时使用两种方法。1.位图图像位图图像（点阵）是目前最常用的图像表示方法，不仅实现起来比较容易，而且用于任何图像，位图表示就是将一幅图像分割成栅格，栅格每一个像素都单独记录下来。显然，位图区域中数据点的位置确定了数据点表示的像素。位图表示的优点在于它可以记录任何一个想得到的图像，图像的颜色也可以达到真彩色。当然也有其缺点，如图像的存储缺乏灵活性，处理和显示一个高分辨率的图像需要几兆字节的存储空间。因而在图像存储中，图像的压缩处理成为一个不可缺少的一环。压缩算法的性能好坏直接影响到图像的显
5、示速度和存储量。图像一旦形成，便有了固定的分辨率，各个像素点的位置和颜色值就已经确定，而且它们之间没有内在的联系，这就导致了位图图像处理中的不灵活。尽管如此，由于位图图像的表现力丰富而且直观，它的应用范围已经非常广泛。,4,2.矢量图像矢量图像（图形）是用一系列的线和形描述图像，也可能使用实心的或者有等级深浅的色彩填充一些区域。然而矢量图像的色彩梯度和表现力无论如何也不能与位图图像相比，位图图像可以于原始图像达到几乎完全一致，而矢量图像则经过人工处理。然而矢量图像的优点恰恰是位图图像所难做到的，首先矢量图像是用一些描述语句来描述的，因而所需要的存储容量并不很大，处理速度也就会很快。另一个明显的
6、优点是矢量图像有很大的灵活性，对于放缩，旋转以及其他操作不仅方便而且灵活。3.矢量图像和位图图像的区别由于图像存储方法的截然不同，这两种图像表示方法的应用领域也不尽相同。位图适用于具有复杂的颜色，灰度或形状变化的图像，如照片、绘画和数字化的视频图像。而计算机显示就用的是位图格式，因而位图图像的计算机处理是有硬件基础的，与位图格式相比较，矢量格式适用于线型图，如计算机辅助设计（CAD）的图形和图像，它们只有简单的形状、灰度和颜色由于点阵和矢量两种不同的存储方法，所用的文件格式也不同。如Windows，Picture，Publisher，Pulishers，Paintbursh等图像处理工具所用的
7、BMP、PCX、GIF、PIC、TGA等文件格式都是用来存储位图图像数据的，而如AutoCAD的DWG、DXF以及GDS使用GRA文件都是存储矢量图像的。本章的后面内容将对位图文件格式，如BMP，GIF，PCX等作详细的介绍。,5,另外，图像按照工作方式划分可以分为静态图像和动态图像两种。静态图像就是只能一片一片显示的图像，各张图像之间不连续也没有直接的关系，如照片图像。而动态图像指的是视频图像，即一连串连续图像，连在一起快速显示的画面便动了起来。其实这与电影，电视是同一个道理，电视是以每秒30幅画面的速度显示的图像，由于人的视觉暂留作用，看不出画面间的切换，好像见到活生生的景象一样了。动态图
8、像主要用于多媒体系统，由于对动态图像的高速压缩和解压缩芯片的存在，才使得动态图像在多媒体中大放异彩。下面章节中，若不作特殊说明，所指的图像均为静态位图图像。1.2 常用的图像文件格式 多媒体计算机通过彩色扫描仪能够把各种印刷图像及彩色照片，数字化后送到计算机存储器中；通过视频信号数字化器能够把摄像机，录像机，激光视盘等彩色全电视信号数字化存到计算机存储器中；还有计算机本身可以通过计算机图形学的方法编程，生成二维，三维彩色几何图形及三维动画，存在计算机存储器中。采用上述三种形式形成的数字化的图形，图像及视频信息，都以文件的形式存储到计算机的存储器中。人们希望能够有国际标准的文件格式，但是目前流行
9、的大多数是工厂或企业的标准。下面将其分成两类，一类是静态图像文件格式；另一类是动态视频图像文件格式。对于静态图像文件格式，将讨论5种当前比较流行的图像格式：TIFF，TGA，BMP，PCX及MMP；对于动态视频图像文件格式，常用的有MPG，AVI等文件格式，这里不再介绍。,6,1.TIFF（Tag lmage File Format）TIFF格式中引进了标志域的方法，其文件格式全部是基于标志域的。Alaus和Microsoft公司为扫描仪和桌上出版系统研制开发了TIFF较为通用的文件格式，TIFF一出现就得到了广泛的应用，这大大超过了设计者的想象。关于图像的所有信息都存在标志域中，例如，它规定
10、图像尺寸大小，规定所用计算机型号，制造商，图像的作者，说明，软件及数据等。TIFF文件是一种极其灵活易变的格式，它支持多种压缩方法，特殊的图像控制函数及许多其他的特性。因为TIFF文件比较大，为了研究开发它的复杂的实现技术，它需要扩展码。为了帮助编程人员详细了解它的复杂性，TIFF文件定义了4类不同的TIFF文件格式：TIFF-B适用于二值图像；TIFF-G适用于黑白图像；TIFF-P适用于带调色板的彩色图像以及TIFF-R适用于RGB的彩色图像。TIFF-X是一种通用型，通过编程可以适用于上述所有4种类型。为了保证它们的兼容性，每类都有一个最小的域，编程时不需要使用其他的域。2.TGA(Ta
11、rge Image Format)TGA图像文件格式是Truevision公司为Targe和Vista图像获取板设计的TIPS软件所使用的文件格式，Targe和Vista图像获取板插在PC机上得到了广泛的应用，因此，TGA图像文件格式的应用也变得越来越广泛。,7,3.BMP（Bitmap）BMP是一种与设备无关的图像文件格式，它是标准的Windows和OS/2的图像文件格式，可对图像进行无损压缩，最高可支持24位的颜色深度。随着Windows的普及，BMP的应用越来越广泛。4.PCXPCX图像文件格式是Zsoft公司研制开发的，主要与商业性PC-Paint brush图像软件一起使用。PCX文
12、件可以分成三类：各种单色PCX文件；不超过16种颜色的PCX文件和具有256颜色的PCX图像文件。PCX图像文件格式与特定图形显示硬件密切相关，其格式一般为256色和16色，不支持真彩色的图像存储，存储方式通常采用RLE压缩编码，读写PCX时需要一段RLE编码和解码程序。5.MMPMMP图像文件格式是 Ani-video公司以及清华大学计算机系，在他们设计制造的Ani-videot和TH-Ani-video 1、2、3视频信号采集板中采用的图像文件格式。根据最近几年新的发展趋势，为了使视频数据能和电视视频信号兼容，它的图像数据采用YUV的形式，这和计算机图形数据（RGB）有较大的不同，因此，它的通用性不如前面几种格式。,8,6GIF由CompServe提供的一种图像格式，采用LZW压缩方式进行压缩，支持8位的图像文件，文件容量小，广泛地应用于通信领域和互联网的HTML网页文档之中。7JPEG 它是一种有损压缩文件格式，压缩率高，存储的文件容量小，一般用于图像预览和HTML网页，不适合作印刷用。8EPS 它是压缩的PostScript格式，支持Photoshop的所有颜色模式。可在排版软件中的分辨率预览，高分辨率打印输出。9PSD 它是Photoshop特有的图像模式，可包括图层、通道、颜色模式等信息，文件容量较大。1.3 习题1.什么是数字图像？2.常用的图像文件格式有哪些？,
