图形图像处理

1. 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

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

3. Images and Graphics

4. 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:

5. 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)

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

7. 位图图像 ● 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 ●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 图像像点 ●具有位映射关系的图叫作“位图” 8bit ( 28 = 256色 ) 16bit ( 216 = 65536色 ) 24bit ( 224 = 16M色 ) ● 8位图像 ● 16位图像 ● 24位图像 ●“位图”特指图像

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

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

10. 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。

11. 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。

13. 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。

14. 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

15. 图像文件 ● 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 216～ 232 / * dpi 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

16. PS

17. 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)

18. 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。

20. 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。

21. 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

22. 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”)

23. PBMplus • PBM • PGM • PPM • Anymap • 文本/二进制

24. 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。

25. 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

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

27. 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。

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

29. 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

30. 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

31. CIE lab

32. 边界 • 卷积模板 Sobel

33. 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

35. 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

36. 图像合成

37. 4 重构图像

38. 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