第一章 计算机图形图像处理.ppt

第三章 图像处理的基本概念计算机图形图像处理刘坤良 candds@第三章 图像处理的基本概念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第三章 图像处理的基本概念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第三章 图像处理的基本概念图形与图像的主要区别有： Ø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 Ø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、隐藏线和隐藏面消 除、曲线和曲面拟合、明暗处理、纹理产生等 Ø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三章 图像处理的基本概念图形(Graphics)图像(Image)数据量很少 数据量很大有结构，便于编辑修改无结构，不便于编辑修改能准确表示3D景物，易于生成所需 的不同视图3D景物的信息巳部分丢失，很难生成 不同的视图生成视图需要复杂的计算生成视图不需要复杂的计算自然景物的表示很困难自然景物的表示不困难国际标准：GKS，PHIGS，OpenGL， WMF， VRML;CGM，STEP，国际标准：JBIG，JPEG，TIFF编辑软件(绘图软件): AutoCAD， CorelDRAW编辑软件(图像处理软件)： Photoshop，Photostyler第一章 计算机图形图图像处理第三章 图像处理的基本概念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第三章 图像处理的基本概念• 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第三章 图像处理的基本概念• 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三章 图像处理的基本概念第一章 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 第三章 图像处理的基本概念u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第三章 图像处理的基本概念随着计算机系统、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第三章 图像处理的基本概念u计算机图形图像的应用领域 随着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： Ø 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 第一章 计算机图形图图像处理第三章 图像处理的基本概念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第三章 图像处理的基本概念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Ø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• 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Ø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第三章 图像处理的基本概念Ø 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 Ø 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理第三章 图像处理的基本概念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第三章 图像处理的基本概念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第三章 图像处理的基本概念1. 采样：将空间上连续的图像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第三章 图像处理的基本概念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第三章 图像处理的基本概念一般来说， ，g就是表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0~255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M×N、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M×N×g （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第三章 图像处理的基本概念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第三章 图像处理的基本概念 灰度图像灰度图像是指。