第1章 圖形圖像處理概述課件

1、第1部分 基 礎 知 識 第1章 圖形圖像處理概述 關于圖形圖像處理 色彩 數(shù)字圖像在計算機中的表示 動畫 1.1 關于圖形圖像處理 1.2 色彩 所謂色彩是色與彩的合稱。色是感覺色與知覺色的總和，是被分解的光進入人眼并傳至大腦時生成的感覺，是光、物、眼、腦的綜合產(chǎn)物。而彩是指多色的意思。 1.2.1 色彩概述 自然界中的色彩可以分為非彩色和彩色兩大類。非彩色指黑色、白色和各種深淺不一的灰色，而其他顏色均屬于彩色。色彩是客觀存在的物質現(xiàn)象，是光刺激眼睛所引起的一種視覺感。色彩由光線、物體和眼睛三個感知色彩的條件構成，缺少任何一個條件，人都無法準確的感知色彩。在圖形圖像處理中，對色彩的處理占了很

2、大部分。 1.2.2 色彩的產(chǎn)生 普通光線是由紅、綠、藍三種波長的光混合組成的。 1生活中色彩的產(chǎn)生 物體本身沒有顏色，物體之所以呈現(xiàn)不同的顏色，是因為物體不同程度地吸收或反射了紅、綠、藍三種波長的光線。任何物體都有對照射到其表面的光線選擇性吸收、透射和反射的特性。對于不透光的物體，它們的顏色取決于該物體對各種色光的吸收和反射情況。例如，當我們看到一個物體是紅色的時候，是因為物體吸收了光線中的綠色和藍色光波，反射了紅色光波。如果物體吸收所有色光，則物體為黑色。對于透光的物體，其顏色取決于該物體對色光的吸收和透射的情況。 2人眼對色彩的感知 人眼感受色彩主要是依靠視網(wǎng)膜的椎體細胞，它能夠清晰地分

3、辨出對象反射的各種波長的色光。視覺細胞受到光線刺激而興奮，形成的信號經(jīng)視覺神經(jīng)傳輸?shù)揭曈X中樞，便產(chǎn)生視像、視覺和色覺。 3彩色顯示器中色彩的產(chǎn)生 彩色顯示器中色彩的產(chǎn)生就是利用了紅綠藍三原色進行互補和混合生成新的顏色的原理，其產(chǎn)生的數(shù)以百萬計的顏色都是通過這三原色的不同混合強度來描述的。自然界的色彩和彩色顯示器產(chǎn)生的色彩的不同點在于自然界的色彩是物體反射的光線的色彩，而彩色顯示器產(chǎn)生的色彩是電子束轟擊發(fā)光材料產(chǎn)生的顏色。1.2.3 色彩的三要素 在日常生活中，我們對物體的觀察不僅要觀察其色彩，還包括其形狀、面積、體積和材質等，以及該物體的功能和所處的環(huán)境，這些因素對色彩的感覺都會產(chǎn)生影響。為了

4、尋找規(guī)律，人們抽象出構成色彩的三要素，即色相、明度和飽和度。 色相色相指色彩的相貌，是一種顏色區(qū)別于其他顏色的最基本和最顯著的特征。一個物體的色相取決于這個物體對可見光進行選擇性的吸收和反射后的結果。 明度明度是指色彩的明暗程度。相對于色相和飽和度而言，明度具有較強的獨立性，可以用黑、灰、白的無彩色系單獨表現(xiàn)出來。對于同一色相，明度可能不同。色彩的明度和亮度是有區(qū)別的，亮度是物體表面反射色彩的光亮程度，反射的光亮程度越大，它的亮度越高。而明度是人們對色彩明暗程度的感知，它以亮度為基礎，但不等同于亮度。 飽和度飽和度是指顏色的純潔度，即某種顏色含該顏色的量值?？梢姽庾V的各種單色光其飽和度最高，當

5、在某一顏色中加入灰色時，該顏色的飽和度便降低。當飽和度變化時顏色有兩個變化趨勢：飽和度增加，顏色變亮，相當于在顏色中加入白色成分；飽和度降低，顏色變暗，相當于在顏色中加入灰色或黑色成分。 1.2.4 顏色模式 無論在計算機上還是在其他的顏色表現(xiàn)介質上，都需要一種方法來描述不同的顏色，色彩學上將描述顏色的方法稱為顏色模式或色彩模式。有很多種顏色模式，每一種所描述顏色的角度都不同，所適用的場合也不同。1RGB模式 由紅色（Red）、綠色（Green）和藍色（Blue）相加混合，以取得其他顏色的顏色合成方式稱為RGB色彩模式。紅綠藍可以混成絕大多數(shù)色彩；反之，絕大部分色彩亦可分解為紅綠藍三色，這就是

6、所謂的三原色原理?；旌系念伾?，每一種顏色都有256個亮度水平級，因此三種色彩疊加就能形成1670萬種顏色了（俗稱“真彩”），這已經(jīng)足以再現(xiàn)這個絢麗的世界了。 RGB模式不同的紅綠藍比例混合，所得色彩也就不同，例如：紅色（50）+ 綠色（50）+ 藍色（0）= 黃色紅色（0）+ 綠色（50）+ 藍色（50）= 青色紅色（50）+ 綠色（0）+ 藍色（50）= 品紅紅色（50）+ 綠色（50）+ 藍色（50）= 白色RGB模式是由紅、綠、藍相疊加形成其他顏色，因此該模式也叫加色模式（相對于CMYK色彩模式而言）。所有的顯示器、投影設備以及電視等許多設備都采用RGB模式。 RGB模式特點RGB模式

7、是常用的一種色彩合成模式，其優(yōu)點在于處理方便、占用空間小，而且它可提供全屏幕的達24bit的色彩范圍，即“真彩顯示”。因此幾乎所有的繪圖軟件都采用了RGB模式。就編輯圖像而言，RGB模式也是最佳的色彩模式。 2CMYK模式 當可見光照射到某物體上時，該物體將吸收一部分光線，并反射其余光線，反射光的顏色就是人眼看到的物體的顏色。這是一種減色色彩模式。在紙上印刷時也應用這種減色模式，并演變出了適合于印刷的CMYK模式。CMYK即代表印刷上用的四種油墨色，C代表青色，M代表品紅色，Y代表黃色，K代表黑色。 CMYK模式CMYK模式是一種顏料混合模式，即模仿現(xiàn)實繪畫中色彩顏料的混合特性。它采用的合成方

8、式與RGB模式相反，即相減混合。例如：白色（100）- 紅色（50）= 青色白色（100）- 綠色（50）= 品紅白色（100）- 藍色（50）= 黃色白色（100）- 紅色（50）- 綠色（50）- 藍色（50）= 黑色CMYK模式CMYK模式和RGB模式在本質上是相同的，這可以通過兩者混合公式的比較得出結論。CMYK模式：綠色=白色（100）-紅色（50）- 藍色（50）RGB模式：綠色=青色（50）+黃色（50）CMYK模式：紅色=白色（100）- 藍色（50）- 綠色（50）RGB模式：紅色=黃色（50）+ 品紅（50）CMYK模式是印刷業(yè)的標準色彩模式，一般用于印刷輸出的分色處理。在

9、進行圖形圖像處理時也經(jīng)常直接采用這種色彩模式進行圖形圖像處理，以保證處理的精確性。 3Lab模式 Lab模式是由國際照明委員會（CIE）于1976年公布的一種色彩模式。Lab模式由三個通道組成，一個通道是亮度，即L，另外兩個是色彩通道，用a和b來表示。a通道的顏色是從深綠（低亮度值）到灰（中亮度值），再到亮粉紅色（高亮度值）；b通道則是從亮藍色（低亮度值）到灰（中亮度值），再到焦黃色（高亮度值）。這種彩色混合后將產(chǎn)生明亮的色彩。而Lab模式是既不依賴于光線，也不依賴于顏料，它是CIE組織確定的一個理論上包括了人眼可見的所有色彩的色彩模式，彌補了RGB與CMYK兩種彩色模式的不足。Lab模式 在

10、表達色彩范圍上，處于第一位的是Lab模式，第二位是RGB模式，第三位是CMYK模式。Lab模式所定義的色彩最多，與光線及設備無關，并且處理速度與RGB模式同樣快，且比CMYK模式快數(shù)倍。4HSB模式 HSB模式是最接近現(xiàn)實習慣的一種色彩模式，非常符合一般用戶的色彩調整習慣。HSB色彩模式是利用色彩的三要素，即色相（Hue）、純度（Saturation）和明度（Brightness）這三個分量來表示色彩的。色相是色彩最基本的屬性，即色彩的顏色范圍，或紅或橙或黃或綠或藍或紫，光譜中的每一種色彩都是一種色相：在紅色至紫色之間，可以定義出任意數(shù)量的色相。純度即色彩的彩度，亦稱飽和度。其準確的含義為：用

11、戶定義的色彩與“標準色彩”的相近程度和偏向。定義色彩與“標準色彩”的值差為100，當值差為-100時，即定義色彩為無彩度的灰色；反之，為+100時，則定義色彩為濃艷的重彩。明度即色彩的明暗程度。通常情況下，色彩的明度取值范圍為0256，即白色至黑色。 5灰度模式 灰度模式圖像中的每個像素由8位信息來描述，能夠產(chǎn)生從0255級的灰色度，可表現(xiàn)28=256種灰度的明暗效果，其中0表示黑色，256表示白色。可以將色彩模式的圖像轉換成灰度模式。但是，當將轉換后的灰度模式文件再次轉換成色彩模式文件時，不能將所有的顏色信息完全恢復，因為在將色彩模式文件轉換成灰度模式文件時，所有的色彩信息將會丟失。在將色彩

12、模式文件轉換成位圖模式文件時，首先要將其轉換為灰度模式，然后再由灰度模式轉換為位圖模式。 6雙色調模式 雙色調模式是指用兩種色調顯示圖像的效果。因為盡管灰度模式在理論上可以顯示256種灰度，但在使用油墨印刷時，每滴油墨卻只能產(chǎn)生50種左右的灰度效果。為了提高印刷效果，可以再加一種、兩種或三種彩色油墨，即所謂的套印。 7索引色模式 索引色模式下，每個像素也具有8位的最大顏色容量，但在該模式下可以用256色顯示彩色的圖像信息。使用該模式會丟失一些圖像的顏色信息，但該模式的圖像文件較小，適于在網(wǎng)上發(fā)布。索引色模式只能在灰度和RGB模式下轉換。 1.2.5 顏色模式的轉換 每種模式有其優(yōu)點和適用范圍。

13、例如，對于編輯圖像而言，RGB色彩模式是最佳的色彩模式，但是，如果RGB模式用于打印就不是最佳的了。因此，就產(chǎn)生了圖形圖像處理時顏色模式的選擇問題，即各種顏色模式相互轉換的問題。 顏色模式的轉換 RGB模式雖然色彩多，但不能完全打印出來；CMYK模式是最佳的打印模式。在編輯時運算速度慢。進行圖形圖像處理時經(jīng)常先用RGB模式編輯，再用CMYK模式打印，或直到印刷前才進行轉換，然后加以校色、銳化和修飾，這樣圖形圖像處理的精度受到一定的影響，但是可以節(jié)省大量的編輯時間。 最佳避免色彩損失的方法是：先在Lab模式下進行圖形圖像的編輯，再轉換成CMYK模式進行打印。1.3 數(shù)字圖像在計算機中的表示 圖像

14、分為連續(xù)圖像和離散圖像。連續(xù)圖像是指其顏色的變化是連續(xù)的圖像，例如彩色或黑白照片、電影圖像等。離散圖像是在二維坐標系中，將圖像分成網(wǎng)格形狀，僅取網(wǎng)格交叉點位置上顏色的有關數(shù)據(jù)，所構成的圖像即為離散圖像。各種印刷圖像、計算機屏幕所顯示的圖像、電視屏幕所顯示的圖像都是離散圖像。 1.3.1 數(shù)字圖像概述 數(shù)字圖像就是將離散圖像網(wǎng)格交叉點位置上的顏色，用量化的整數(shù)值來表示。像素：像素是數(shù)字圖像最基本的單元，其屬性包括像素尺寸、顏色及亮度、飽和度、位置等。一幅數(shù)字圖像由許多像素組成，其質量與單位面積（一般為每平方英寸）上的像素的多少有關。單位面積上的像素越多，則圖像的質量越好。分辨率：圖像的分辨率可以

15、理解為在水平或垂直的方向上，表現(xiàn)單位面積圖像所用的像素數(shù)量。所用的像素數(shù)量越多，圖像的分辨率就越高，顯然圖像的質量就越高。圖像的分辨率的單位是像素/英寸。設備的分辨率與圖像的分辨率類似，只是用點來表達，故其單位為點/英寸。計算機顯示器的分辨率習慣上是指整個屏幕上長寬方向的點陣數(shù)，如800600像素，1024768像素等。顯示器的分辨率越高，則顯示一幅數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量就越大，所需要的計算機的內存或外存儲器的數(shù)量就越大，處理該圖像的速度就越慢。 1.3.2 位圖圖像 位圖圖像又稱為點陣圖像，它是連續(xù)色調圖像最常用的電子媒介，可以表現(xiàn)陰影和顏色的細微層次，如照片或數(shù)字繪畫等。在計算機中，位圖圖像是將

16、屏幕上的圖像分成若干點陣（像素），每個像素都被分配一個特定的屏幕位置參數(shù)和顏色值，許許多多不同色彩的像素組合在一起，便構成了一幅圖像。由于位圖是采取了點陣的方式，每個像素都能夠記錄圖像的色彩信息，因此可以精準地表現(xiàn)色彩豐富的圖像。 1.3.3 矢量圖像 矢量圖像是相對于位圖圖像而言的，也稱為向量圖像，是利用數(shù)學原理將線結合成面進而來描述對象。矢量圖像中的圖形元素稱為對象，且每個對象都是獨立的，具有各自的屬性，如顏色、形狀、輪廓、尺寸以及顯示在屏幕上的位置等。矢量圖像在屏幕上任意地被縮放時不會失真，當對其進行改變比例、扭曲、變形等操作時，仍可以保持原有的清晰度。 1.3.4 位圖圖像與矢量圖像的

17、比較 1. 從圖像質量上比較 2從分辨率上比較 位圖圖像放大后的情況 從分辨率上比較 矢量圖像放大后的情況 1.3.5 數(shù)字圖像的文件格式 1BMP格式 BMP是Windows中的標準圖像文件格式，已成為PC Windows系統(tǒng)中事實上的工業(yè)標準，有壓縮和不壓縮兩種形式。它以獨立于設備的方法描述位圖，可用非壓縮格式存儲圖像數(shù)據(jù)，解碼速度快，支持多種圖像的存儲，常見的各種PC圖形圖像軟件都能對其進行處理。該格式的圖像包含的圖像信息較豐富，在Photoshop中最多可以使用16M的色彩渲染BMP格式圖像。因為BMP格式圖像幾乎不進行壓縮，所以它占用磁盤空間較大。 2GIF格式 GIF是英文Grap

18、hics Interchange Format（圖形交換格式）的縮寫。其特點是壓縮比高，磁盤空間占用較少，因此這種圖像格式在因特網(wǎng)上得到了廣泛的應用。GIF圖像文件格式可以被各種平臺上的圖形處理軟件處理，而且它是一種可以在Macintosh、Amiga、Atati、IBM機器間進行移植的標準位圖格式。存儲色彩最高只能達到256種，在顏色深度和圖像大小上遠不如BMP格式的圖像。正因為它是經(jīng)過壓縮的圖像文件格式，所以大多用在網(wǎng)絡傳輸上，速度要比傳輸其他圖像文件格式快得多。它的最大缺點是最多只能處理256種色彩，故不能用于存儲真彩色的圖像文件，但其GIF89a格式能夠存儲成背景透明的形式，并且可以將

19、數(shù)張圖存成一個文件，從而形成動畫效果。 3JPEG格式 JPG/JPEG是24位的圖像文件格式，也是一種高效率的壓縮格式，文件格式是JPEG（聯(lián)合圖像專家組）標準的產(chǎn)物，該標準是面向連續(xù)色調靜止圖像的一種壓縮標準。通過損失極少的分辨率，可以將圖像所需存儲量減少至原大小的10。JPG/JPEG圖像并不適合放大觀看，輸出成印刷品時品質也會受到影響。但一幅16M（24位）的JPG/JPEG圖像看上去與照片沒有多大差別，非專業(yè)人士甚至無法分辨。同樣一幅畫面，用JPG/JPEG格式儲存的文件是其他類型圖形文件的1/101/20。一般情況下，JPG/JPEG文件只有幾十KB，而色彩數(shù)最高可達到24位，所以

20、它被廣泛運用在Internet上，以節(jié)約寶貴的網(wǎng)絡傳輸資源。4TIFF格式 TIFF是為Macintosh機開發(fā)的一種圖形文件格式，最早流行于Macintosh，現(xiàn)在Windows上主流的圖像應用程序都支持該格式。目前，它是Macintosh和PC機上使用最廣泛的位圖格式，在這兩種硬件平臺上移植TIFF圖形圖像十分便捷，大多數(shù)掃描儀也都可以輸出TIFF格式的圖像文件。該格式支持的色彩數(shù)最高可達16M種。其特點是存儲的圖像質量高，但占用的存儲空間也非常大，其大小是相應GIF圖像的3倍，JPEG圖像的10倍；細微層次的信息較多，有利于原稿色調與色彩的復制。由于TIFF獨特的可變結構，所以對TIFF

21、文件解壓縮非常困難。5PSD格式 這是著名的Adobe公司的圖像處理軟件Photoshop的專用格式。PSD其實是Photoshop進行平面設計的一張“草稿圖”，它里面包含有各種圖層、通道、遮罩等多種設計的樣稿，以便于下次打開文件時可以修改上一次的設計。在Photoshop所支持的各種圖像格式中，PSD的存取速度比其他格式快很多，功能也更強大。6PNG格式 PNG（Portable Network Graphics）是能存儲32位信息的位圖文件格式，也是一種新興的網(wǎng)絡圖像格式。PNG是目前保證最不失真的格式，它汲取了GIF和JPG二者的優(yōu)點，存儲形式豐富，兼有GIF和JPG的色彩模式，但其圖像

22、質量遠勝過GIF。同GIF一樣，PNG也使用無損壓縮方式來減少文件的大小。在壓縮位圖數(shù)據(jù)時，PNG圖像可以是灰階的（16位）或彩色的（48位），也可以是8位的索引色。PNG支持透明圖像的制作，這樣當該格式的圖像文件用于網(wǎng)頁設計時，可讓圖像和網(wǎng)頁背景很和諧地融合在一起。 7SWF格式 利用Flash制作出一種后綴名為SWF的動畫，這種格式的動畫圖像能夠用比較小的體積來表現(xiàn)豐富的多媒體形式。在圖像的傳輸方面，不必等到文件全部下載才能觀看，而是可以邊下載邊看，因此特別適合網(wǎng)絡傳輸。SWF已被大量應用于WEB網(wǎng)頁進行多媒體演示與交互性設計。SWF動畫是基于矢量技術制作的，因此不管將畫面放大多少倍，畫面

23、不會因此而有任何損害。SWF格式作品以其高清晰度的畫質和小巧的體積，受到了越來越多網(wǎng)頁設計者的青睞，也越來越成為網(wǎng)頁動畫和網(wǎng)頁圖像設計制作的主流，目前已成為網(wǎng)上動畫的事實標準。 8DXF格式 DXF（Autodesk Drawing Exchange Format）是AutoCAD中的矢量文件格式，它以ASCII碼方式存儲文件，在表現(xiàn)圖形的大小方面十分精確，許多軟件都支持DXF格式的輸入與輸出。9WMF格式 WMF（Windows Metafile Format）是Windows中常見的一種圖元文件格式，屬于矢量文件格式。它具有文件短小、圖案造型化的特點，整個圖形常由各個獨立的組成部分拼接而成

24、，其圖形往往較粗糙。 10EMF格式 EMF（Enhanced Metafile）是微軟公司為了彌補WMF的不足而開發(fā)的一種Windows 32位擴展圖元文件格式，也屬于矢量文件格式，其目的是使圖元文件更加容易接受。 11SVG格式 SVG為可縮放的矢量圖形。它是一種開放標準的矢量圖形語言，可設計高分辨率的Web圖形頁面。用戶可以直接用代碼來描繪圖像，可以用任何文字處理工具打開SVG圖像，通過改變部分代碼來使圖像具有交互功能，并可以隨時插入到HTML中通過瀏覽器來觀看。它提供了GIF和JPEG無法具備的優(yōu)勢：可以任意放大圖形顯示，但絕不會以犧牲圖像質量為代價；SVG文件比JPEG和GIF格式的文件要小很多，因而下載也很快。1.4 動畫 隨著計算機圖形圖像處理技術的迅速發(fā)展，從20世紀60年代起，計算機動畫技術也得到很快發(fā)展和廣泛應用，成為計算機圖形圖像處理技術的重要組成部分。計算機動畫區(qū)別于計算機圖形、圖像的重要標志是使靜態(tài)圖形、圖像產(chǎn)生了運動效果。計算