图形图像处理 潘荣江 山东大学计算机科学与技术学院 panrj@sdu.edu.cn

1、图形与图像 矢量表示 图形表示 ●图像：直接量化的原始信号形式 ●图形：运算形成的抽象化产物 ● 图形由具有方向和长度的 ● 用于分析运算结果，简单 图形表示 ● 图像的最小单位是像素 ● 用于表现自然影像

Images and Graphics

2 获取图像 三维坐标(W1,W2,W3)二维坐标(r,s) Projection of real world to image plane following the central projection equation:

采样、量化、编码 2 levels 16 levels 256 levels 1 bit (2色) 3 bit (8色) 2 bit (4色) 5 bit (32色) 4 bit (16色)

Picture Elements: Pixel Color images gray-value images binary images (e.g., values 1 for black, 0 for white)

位图图像 存在严格的“位映射”关系 8bit ( 28 = 256色 ) 16bit ( 216 = 65536色 ) ● 图像由基本显示单元“像素”构成 ● 像素由若干个二进制位进行描述 图像像点 ● 二进制位代表图像颜色的数量 ● 二进制位与图像之间 存在严格的“位映射”关系 8bit ( 28 = 256色 ) 16bit ( 216 = 65536色 ) 24bit ( 224 = 16M色 ) ● 具有位映射关系的图叫作“位图” ● “位图”特指图像 ● 8位图像 ● 16位图像 ● 24位图像

dpi (display pixels / inch) 图像分辨率 dpi 视觉效果 清晰度 绝对清晰度 ● Resolution (分辨率)单位 dpi (display pixels / inch) 每英寸显示的线数 ● dpi的数值越大，图像越清晰 300 dpi 96 dpi 21 dpi

常见分辨率 4800 dpi 普通：300dpi 高精度：600 dpi ● 平板扫描仪：1200 dpi ● 显示器：96 dpi ● 印刷图片 普通：300dpi 高精度：600 dpi ● 底片扫描仪 4800 dpi ● 激光打印机：600~1200 dpi ● 喷墨打印机：720～2880 dpi

像素深度 像素深度是指存储每个像素所用的位数 像素深度决定彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或者确定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数。 例如，一幅彩色图像的每个像素用R，G，B三个分量表示，若每个分量用8位，那末一个像素共用24位表示，就说像素的深度为24，每个像素可以是224=16 777 216种颜色中的一种。 往往把像素深度说成是图像深度。表示一个像素的位数越多，能表达的颜色数目就越多。

真彩色、伪彩色与直接色 真彩色(true color) 指在组成一幅彩色图像的每个像素值中，有R，G，B三个基色分量，每个基色分量直接决定显示设备的基色强度。 真彩色图通常是指RGB 8:8:8，即图像的颜色数等于224，也常称为全彩色(full color)图像。 伪彩色(pseudo color) 每个像素的颜色不是由每个基色分量的数值直接决定，而是把像素值当作彩色查找表(color look-up table，CLUT)的表项入口地址，去查找一个显示图像时使用的R，G，B值，用查找出的R，G，B值产生的彩色称为伪彩色。

直接色(direct color) 　　每个像素值分成R，G，B分量，每个分量作为单独的索引值对它做变换。也就是通过相应的彩色变换表找出基色强度，用变换后得到的R，G，B强度值产生的彩色称为直接色。

Capturing / Recording format: Spatial resolution [pixel x pixel] Planes Color coding [bits/pixel] Storage format: 2-dimensional matrix representing pixels Example: Bitmap matrix containing binary values Color image: four important approaches 3 numbers representing intensities for red, green, blue (RGB) or ("true color" if numbers fine-grained enough, e.g., 8-bit; very common) 3 numbers representing pointers to color table (1 color per entry-R,G, or B) 1 number as pointer (index) to color table: "color lookup table CLUT“ (most common, apart from true color) e.g., 8 bit-pointer: 256 colors possible CLUT-entry 3 Bytes: one for each main color (256-out-of-16Mio) index to arbitrary data structures representing colors

图像文件 文件 颜色与分辨率 用途 .GIF 256 / 96dpi 用于动画、多媒体程序界面，网页界面 . BMP ● 数字化图像以文件的形式存在，其文件名有严格的约定 文件 颜色与分辨率 用途 .GIF 256 / 96dpi 用于动画、多媒体程序界面，网页界面 . BMP 256 ～ 224 / * dpi 用于Windows环境下的任何场合 . TIF 256 ～ 232 / * dpi 用于专业印刷 . JPG 216 ～ 232 / * dpi 用于数字图片保存、传送 . TGA 256 ～ 224 / 96dpi 用于专业动画影视制作 . PCD 用于PHOTO CD ● 注意：图像文件的扩展名不要轻易修改，否则不能使用

PS

Follow-up: Adobe’s PORTABLE DOCUMENT FORMAT (PDF) History: Developed 1984 by Adobe First time fonts became important to the general public Functionality: Integration of high-quality text, graphics and images programming language full-fledged with variables, control structures and files Postscript Level-1: Earliest version developed in 1980ies Scalable font concept (in contrast to fixed-size fonts available until then) Problem: no patterns available to fill edges of letters resulting in medium quality Postscript Level-2: High-quality pattern filling Greater number of graphics primitives Color concept both device-dependent or device-independent Follow-up: Adobe’s PORTABLE DOCUMENT FORMAT (PDF)

GIF GIF（Graphics Interchange Format）是由CompuServe公司为了制定彩色图像传输协议而开发的图像格式文件。 具有支持64000像素的图像，256到16M颜色的调色板，单个文件的多重图像，按行扫描迅速解码，有效地压缩以及与硬件无关等特性。 GIF文件在存储时都经LZW压缩，可以将文件的大小压缩至20%-25%。 GIF可用于压缩复杂并极富变化的图像，因此适合于需要高效率的图像处理。目前，在因特网上，GIF格式已成为主页图片的标准格式。

TIFF TIFF（Tag Image File Format）称为标签图像文件格式。它是Alaus和Microsoft公司为扫描仪和桌面出版系统研制开发的较为通用的图像文件格式。 TIFF的存储格式可以压缩也可不压缩，压缩的方法也不只一种。 TIFF不依赖于操作环境，具有可移植性。它不仅作为图像信息交换的有效媒介，更可作为图像编辑程序的基本内部数据格式，具有多用性。 由于PC机和苹果MAC机同时支持TIFF格式，所以如果制作的图像同时要在PC机及苹果MAC机系统上应用的话，TIFF格式是个很好的选择。

XBM and XPM 在UNIX下存储程序图标或背景图像 不压缩 灰度、256彩色

example of the UNIX-world color images Some datails Hot spot: identifies cursor position where mouse selection can be applied Coded as string array (header and list of strings) Color substituted by ASCII value Transparency color: symbols (“s None”)

PBMplus PBM PGM PPM Anymap 文本/二进制

BMP BMP(Bitmap)文件是一种与设备无关的图像文件，是Windows软件推荐使用的一种格式，例如BMP文件用于作为Windows系统的图标和背景。 BMP是一种典型的位映射存储形式，可达24位全彩色模式。 为了处理方便，BMP文件都不压缩。

BMP图像文件结构 位图文件头(bitmap-file header) BITMAPFILEHEADER 位图信息头(bitmap-information header) BITMAPINFOHEADER 彩色表(color table) RGBQUAD 图像数据阵列字节BYTE

创建图形 输入设备 图形软件 Joystick Trackball Electromagnetic trackers Data glove 3D Mouse 图形软件 应用模板 应用程序 图形系统

存储图形 图形是用数学方法描述的一系列点、线、弧和其他几何形状。存储的数据主要是绘制图形的数学描述,用一系列计算机指令来表示一幅图，如画点、画线、画曲线、画圆、画矩形等。 在计算显示图时，也往往能看到画图的过程。绘制和显示这种图的软件通常称为绘图程序(draw programs)。 矢量图有许多优点。例如，当需要管理每一小块图像时，矢量图法非常有效；目标图像的移动、缩小放大、旋转、拷贝、属性的改变(如线条变宽变细、颜色的改变)也很容易做到；相同的或类似的图可以把它们当作图的构造块，并把它们存到图库中，这样不仅可以加速画的生成，而且可以减小矢量图文件的大小。 然而，当图变得很复杂时，计算机就要花费很长的时间去执行绘图指令。

IGES DXF：AutoCAD PGL：HP plotter WMF: Windows Metafile EMF: Enhanced metafile PIC: Variety of picture formats WRL: VRML 3DS: 3D Studio

3. Graphics & Image Processing 计算机图形（图像合成、产生）：从基于计算机形式的模型到真实物体的图形合成。 图像处理（图像分析、识别）：场景的分析、二维或3维物体图像的模型重建。 图像增强(Image improvement) 模式识别(Pattern detection and recognition)) 场景分析(Scene analysis) Computer vision

图像特性 颜色 统计图 颜色相关矢量 颜色空间 纹理 结构分析 统计纹理分析

CIE lab

边界 卷积模板 Sobel

图像分割 图象分割是将图象划分为若干互不相交的小区域的过程。 面向象素法 面向边界法 面向区域法

图像识别 规范：估计信息模型，压制噪声 标记：判定每个象素属于哪一个空间对象 分组：把属于同一对象的象素分组 抽取：为每组象素计算特征 匹配：解释图像对象

图像合成

4 重构图像

5 图形和图像的输出方案 Problem: Solution Main application: laser printer 5 图形和图像的输出方案 Problem: Image quality using binary images (black and white) Solution Dithering. Idea: human eye performs spatial integration. Machine representation: halftoning Main application: laser printer