图形图像处理技术教材课件.ppt

第五章图形/图像处理技术,2006年08月19日,2,本章主要内容,5.1颜色的基本知识5.2位图图像与矢量图形5.3 图像的数字化过程5.4 数字图像处理与输出5.5 数字图像分析5.6图形图像文件5.7 图形图像处理软件,2006年08月19日,3,5.1 颜色的基本知识5.1.1 颜色的基本概念,1、颜色的三要素 一般称亮度、色相和饱和度为彩色的三要素。,亮度（Luminance /Brightness）：光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉，它与被观察物体的发光强度有关；最亮为白色，最暗为黑色；对于同一物体，照射的光越强，反射的光也越强，即越亮；对于不同的物体，在相同照射的情况下，反射越强的物体看起来也越亮。,2006年08月19日,4,色相（Hue）：不同颜色的相貌，是人眼看一种或多种波长的光时所产生的彩色感觉，是决定颜色的基本特性。最基本的代表色是红（R）、黄（Y）、绿（G）、蓝（B）、紫（P）五种。此五种颜色在人们的生理和心理方面有明确的特征，色相的心理反应特征是暖色或冷色。色相之间的关系可以用色相环表示，另外，橙（YR）、黄绿（GY）、青绿（BG）、青紫（PB）、紫红（RP）称为中间色相。 注意区别色相和色调的概念。色调是指在一定的色相和亮度的光源色照射下，物体表面反射出的一种统一的色彩倾向，如亮的、暗的、淡的、浅的等,2006年08月19日,5,饱和度（Saturation）：是指颜色的鲜艳程度或纯度，即掺入白光的程度。对于同一色调，饱和度越高，颜色越鲜明。例如，红色加入白光后，变成粉红色，饱和度降低。如果在某种彩色光中掺入别的彩色光，就会引起颜色的变化，只有掺入白光才会引起饱和度的变化。饱和度和色相，统称为色度。任何颜色由亮度和色度决定。,2006年08月19日,6,2、三基色和混色1）三基色原理,2）混色（三基色光按不同比例相加可产生混色光） 红色+绿色=黄色 红色+蓝色=品红（也称洋红） 绿色+蓝色=青色 红色+绿色+蓝色=白色黄色、紫色和青色分别为红、绿、蓝三色的补色。,各种彩色光，都可由红（R）、绿（G）、蓝（B）三种颜色光按不同比例相配而成；绝大多数颜色也可以分解成红、绿、蓝三种色光。,2006年08月19日,7,1） 混色原理属于“加性”颜色形成方法，计算机显示器就是采用这种原理产生颜色的。在显示器屏幕的背面涂满了能发出不同色光（红、绿、蓝）的化学物点，当电子束扫描到这些点时，它们就会发光。电子束按逐行扫描方式对屏幕上的所有点进行扫描，扫描一遍就会形成一帧彩色图像。 2）对于非专业应用来说，色相和色调的概念较难区分。有关颜色基本概念可参考相关专业资料，或访问“配色手册网站”，网址是： http:/,特别提示：,2006年08月19日,8,5.1.2 计算机中的颜色模式,颜色模式（颜色空间）是用来定义或描述颜色的一组规则。利用不同的规则，可形成不同的颜色模式。在多媒体计算机的图像处理过程中，通常使用RGB、HSB、Lab、CMYK等多种颜色模式。下图是Photoshop软件中常用的四种彩色模式的表示与调整方法。,2006年08月19日,9,1、RGB颜色模式,所谓RGB颜色模式，就是用红（R）、绿（G）、蓝（B）三种基本颜色来表示任意彩色光。根据三基色原理，在RGB颜色模式中，任意彩色光F的配色方程可写成： F= rR+gG+bB,其中r、g、b分别代表对应色的比例系数，rR、gG、bB分别代表F色光的红绿蓝三色分量。,在MPC中，使用最多的是RGB颜色模式，因为MPC彩色监视器的输入需要RGB三个彩色分量，通过三个分量的不同比例，在屏幕上合成所需的任意颜色。所以显示输出一定要转换成RGB颜色模式。,2006年08月19日,10,2、HSB颜色模式,HSB颜色模式实际上是依据人眼的视觉特征，用颜色的三要素亮度、色相、饱和度来描述颜色的基本特征，如图5-3。,色相：就是颜色。在 0 到 360 度的标准色轮上，按位置度量色相。平时把色相用颜色名称标识，如红色、橙色等。,2006年08月19日,11,饱和度：是指颜色的强度或纯度，表示色相中灰色分量所占的比例，它使用从 0%（灰色）至 100%（完全饱和）的百分比来度量。在标准色轮上，饱和度从中心到边缘递增。 亮度：是颜色的相对明暗程度，通常使用从 0%（黑色）至 100%（白色）的百分比来度量。亮度决定了颜色的强度，反映了彩色光对视觉的刺激程度，表现了彩色光所包含的能量特征，能量大就亮。,在图像处理和计算机视觉中大量算法都基于HSB颜色模式，只要对亮度信号操作就可获得良好效果。因此，利用HSB颜色模式中可以大大简化图像分析和处理的工作量。,2006年08月19日,12,3、CMY颜色模式,CMY颜色模式是采用青（Cyan）、品红（Magenta）、黄（Yellow）三种基本颜色按一定比例合成颜色的方法。它通过颜料未吸收而反射出来的光线来判断颜色的，其原理称为“减色”原理。因为所有的颜料都加入后才能成为纯黑，当颜料减少时才开始出现色彩，颜料全部除去后才成为白色。 虽然理论上利用CMY三基色混合可以制作出所需要的各种色彩，但实际上同量的CMY 混合后并不能产生完善的黑色或灰色，因此在印刷时必须加上一个黑色（Black），由于字母B已经用来表示蓝色，因此黑色选用单词Black的最后一个字母“K”来表示，这样又称为CMYK颜色模式。,2006年08月19日,13,四色印刷是依据CMYK彩色模式表示原理发展而来的，所以，彩色打印和彩色印刷都是采用CMYK彩色模式实现彩色输出的。因此，当要将MPC上的显示图像通过彩色打印机输出时，系统会自动将RGB彩色模式转换为CMYK彩色模式表示。从理论上讲，RGB与CMY彩色模式是互补的，可以互相转换，但实际上因为发射光与反射光的性质完全不同，显示器上看到的颜色不可能精确地在打印机上复制出来，因此同一彩色图像的显示与打印颜色会有细微差别。,特别提示：,2006年08月19日,14,4、Lab颜色模式,Lab颜色模式分别用亮度或光亮度分量 (L) 和两个色度分量（a、b）来表示颜色，a 分量表示从绿到红， b 分量表示从蓝到黄，如图5-4所示。具体取值范围是：L在0到100之间，a和b都在-128+127之间。,Lab颜色模式可以表示的颜色最多，颜色更为明亮且与光线和设备无关,不管使用什么设备（如显示器、打印机、计算机或扫描仪）创建或输出图象，这种颜色模型产生的颜色都保持一致。,2006年08月19日,15,5、Photoshop中的其他几种颜色模式,1）索引模式 索引模式最多使用256种颜色，当图像被转换为索引模式时，通常会构建一个调色板存放并索引图像中的颜色。 2）灰度模式 灰度模式最多使用256级灰度来表现图像，图像中的每个像素有一个0（黑色）到255（白色）之间的亮度值，如图5-5上半部所示。灰度值也可以用黑色油墨覆盖的百分比来表示（0%表示白色，100%表示黑色）。,2006年08月19日,16,3）位图模式 位图模式只有黑色与白色两种颜色，每个像素用1位二进制数表示，“0”表示黑色，“1”表示白色。位图模式主要用于早期不能识别颜色和灰度的设备。如果需要表示灰度，则需要通过点的抖动来模拟（如图5-5下半部所示）。位图模式通常用于文字识别，如果扫描需要使用OCR（光学文字识别）技术识别的图像文件，须将图像转化为位图模式。,2006年08月19日,17,5.1.3 颜色模式的色域,色域是一个色系能够显示或打印的颜色范围。人眼看到的色谱比任何颜色模型中的色域都宽。Lab具有最宽的色域，它包括RGB和CMYK色域中的所有颜色。CMYK色域较窄，仅包含使用印刷色油墨能够打印的颜色。RGB色域包含能在计算机显示器或电视屏幕（发出红、绿和蓝光）上所有能显示的颜色。因而一些诸如纯青或纯黄等颜色不能在显示器上精确显示。,图5-6 彩色模式的色域,2006年08月19日,18,5.2 位图图像与矢量图形,5.2.1 位图图像,位图是用矩阵形式表示的一种数字图像，矩阵中的元素称为像素，每一个像素对应图像中的一个点，像素的值对应该点的灰度等级或颜色，所有像素的矩阵排列构成了整幅图像。图5-7给出了二值图像抖动技术显示的位图和对应的灰度位图。,2006年08月19日,19,图像文件保存的是组成位图的各像素点的颜色信息，颜色的种类越多，图像文件越大。在将图像文件放大、缩小和旋转时，会产生失真。 位图图像的放大与缩小是通过增加或减少像素实现的，当放大位图时，就可看见构成整个图像的无数个小方块，线条和形状也显得参差不齐。同样，缩小位图尺寸也会使原图变形。由于位图图像是一个像素矩阵，所以局部移动或其他操作就会破坏原图形状，但这也是数字位图处理的途径所在。位图图像的处理质量与整个处理环节所采用的分辨率密切相关。,2006年08月19日,20,5.2.2 矢量图形,由矢量定义的基本图形元素组成。按照面向对象的思想，可以把矢量图元看作一个个图形对象，每个对象都有自己的属性，例如：颜色、形状、轮廓、大小和输出位置等。每个图形对象都具有相对独立性，可以分别移动或编辑而不会影响其他对象。因此，矢量图形处理的基本单位是图形对象。,2006年08月19日,21,矢量图形文件存储的是绘制图形中各图形元素的命令。输出矢量图时，需要相应的软件读取这些命令，并将命令转换为组成图形的各个图形元素。矢量图形由于采用数学方法描述图形，所以通常生成的图形文件相对较小，而且颜色的多少与文件的大小基本无关。矢量图形的输出质量与分辨率无关，可以任意放大和缩小，是表现文字（小文字）、线条图形（标志）等的最佳选择。,2006年08月19日,22,5.2.3 图形图像处理的基本内容,矢量图形处理是计算机信息处理的一个重要分支，被称为计算机图形学，主要研究二维和三维空间图形的矢量表示、生成、处理、输出等内容。具体来说，就是利用计算机系统对点、线、面、曲面等数学模型进行存放、修改、处理（包括几何变换、曲线拟合、曲面拟合、纹理产生与着色等）和显示等操作，通过几何属性表现物体和场景。 矢量图形处理技术广泛应用于计算机辅助设计（CAD: Computer Aided Design）、计算机辅助制造、计算机动画（建模阶段）、创意设计、可视化科学计算、地形地貌和自然资源模拟等领域。,2006年08月19日,23,图像处理,图像处理是指对位图图像所进行的数字化处理、压缩、存储和传输等内容，具体的处理技术包括图像变换、图像增强、图像分割、图像理解、图像识别等。处理过程中，图像以位图方式存储和传输，而且需要通过适当的数据压缩方法来减少数据量，图像输出时再通过解压缩方法还原图像。 图像处理技术广泛应用于遥感、军事、工业、农业科技、航空航天、医学影像等领域。尽管矢量图形于位图图像的处理思想与应用各不相同，但在实际应用中，两者是相互联系的，它们相互结合可以创造更完美的视觉效果。,2006年08月19日,24,5.2.4 位图与矢量图的比较与转换,1、位图和矢量图的不同： 矢量图形处理的基本单位是几何图形对象，文件中存储的是对应的绘制命令和参数，矢量图形文件的数据量很小，能方便的对每个图像元素方便的进行编辑修改；位图图像处理的基本单位是像素，文件中存储的是像素，因而文件的数据量巨大，存储和传输时需要进行必要的数据压缩，且不便于编辑修改。 矢量图形常用的技术标准有GKS、PHIGS、OpenGL、WMF、VRML、CGM、STEP等。位图图像常用的技术标准有JBIG、JPEG、TIFF等。,2006年08月19日,25,2、转换方法 转换方法分为两种：,一种是通过硬件设备实现的转换，如图5-9所示。 另一种是通过文件格式的转换，即软转换。,2006年08月19日,26,5.2.5 图像的主要参数,1、分辨率 用于衡量图像细节的表现能力。在图形图像处理中，常涉及的分辨率概念有以下几种。,1）图像分辨率：指单位图像线性尺寸中所包含的像素数目，通常以像素英寸（ppi）为计量单位。图5-10是PhotoShop中图像分辨率与图像尺寸的关系示意图。,2006年08月19日,27,2）显示分辨率：指显示器上每单位长度显示的像素或点的数目，通常以点英寸（dpi）为计量单位。PC显示器典型的分辨率为96 dpi。当图像的分辨率高于显示器的分辨率时，图像在屏幕上显示的尺寸比实际的打印尺寸大。 人们通常所理解的显示分辨率与所用的显示模式有关，显示模式不同，屏幕纵、横向的像素点个数也就不同，单位长度像素点的数目也就不同。同一图像的显示尺寸会随着分辨率的增大而变小。如图5-11所示。,图5-11 同一图片在不同分辨率下的显示尺寸,2006年08月19日,28,3）打印机分辨率：是指打印机每英寸产生的油墨点数, 单位是dpi（dot per inch）指每平方英寸上印刷的网点数。大多数激光打印机的输出分辨率为600dpi，高档的激光照排机在1200dpi以上。需要说明的是，印刷上计算的网点大小（Dot）和计算机屏幕上显示的像素（Pixel）是不同的。 4）扫描分辨率：是指每英寸扫描所得到的点，单位也是dpi。它表示一台扫描仪输入图像的细微程度，数值越大，表示被扫描的图像转化为数字化图像越逼真，扫描仪质量也越好。,2006年08月19日,29,2、颜色深度 位图图像中各像素的颜色信息是用二进制数据来描述的，二进制的位数就是位图图像的颜色深度。颜色深度决定了图像中可以出现的颜色的最大个数。目前，颜色深度有1、4、8、16、24和32几种。当图像的颜色深度24时，则称这种表示为真彩色。3、颜色模式 图像处理方式与所用的颜色模式（彩色空间）有关。一幅图像常用的颜色模式有灰度、RGB、HSL、CMYK、LAB等。,2006年08月19日,30,4、图像尺寸 图像尺寸分为像素尺寸和输出尺寸两种。图像的像素尺寸是指数字化图像像素的多少，用横向与纵向像素的乘积来表示。描述一幅图像时，这两个参数都要用到。 图像的输出尺寸则是指在给定的输出分辨率下图像输出的大小。 图像输出尺寸的大小与输出分辨率有直接的关系。,2006年08月19日,31,5、图像的数据量 数据大小与分辨率、颜色深度有关。设图像垂直方向的像素数为H，水平像素数为W，颜色深度为C位，则一幅图像所拥有的数据量大小B为：B=HWC/8（字节） 例如，一幅未被压缩的位图图像，如果它的水平像素为320，垂直像素为240，颜色深度为16位，则该幅图像的数据量为：32024016/8=153600字节=150K字节。,2006年08月19日,32,5.3 图像的数字化过程,实际上就是对连续图像f（x,y）进行空间和颜色离散化的过程，主要经过采样、量化、压缩编码三个步骤。,被分割的图像若水平方向有M个间隔，垂直方向上有N个间隔，则一幅图像画面就被采样成M x N个像素点构成的离散像素的集合（如图5-12），M x N表示采样图像的像素尺寸。,5.3.1 采样 将二维空间上连续的灰度或色彩信息转化为一系列有限的离散数值的过程。 具体方法是对图像在水平方向和垂直方向上等间隔地分割成矩形网状结构。所形成的矩形微小区域，称之为像素点。,2006年08月19日,33,5.3.2 量化 量化是对采样得到的灰度或者颜色样本进行离散化的过程 。基本思想是将图像采样后的灰度或颜色样本值划分为有限多个区域，把落入某区域中的所有样本用同一值表示，用有限的离散数值来代替无限的连续模拟量，从而实现样本信息的离散化。 量化时所确定的离散取值个数称为量化级数，表示量化的色彩（或亮度）值所需的二进制位数，称为量化字长。一般可用8位、16位、24位或更高的量化字长来表示图像的颜色。量化字长越大，则越能真实地反映原有图像的颜色。但得到的数字图像的数据量也越大。,2006年08月19日,34,5.3.3 压缩编码 数字化得到的图像数据量巨大，必须采用编码技术来压缩信息。目前，已有许多成熟的编码算法应用于静止图像的压缩，压缩比大约在30:1以上。为了使图像压缩标准化，国际标准化组织（ISO）和国际电报电话咨询委员会（CCITT）联合组成的图象专家小组，制定了名为JPEG的图像压缩标准。详细内容请参见第七章。 实现图像的数字化，需要专门的数字化设备。常见的图像数字化设备有图像扫描仪和数码照相机等。图像信息数字化的关键部件是CCD（Charge Coupled device，电荷耦合器件）阵列。,2006年08月19日,35,5.4 数字图像处理与输出,数字图像处理的主要内容包括图像内容编辑、图像效果优化和添加特殊效果3个方面。 5.4.1 图像内容编辑 图像内容编辑主要指通过各种编辑技术实现图像内容的拼接、组合、叠加等，具体编辑技术包括选择、裁剪、旋转、缩放、修改、图层叠加等，还可加入文字、几何图形等。 5.4.2 图像效果优化 图像效果优化是对采集的图像根据需要进行增强、滤噪、校畸、锐化、恢复等处理，使图像质量更好。,2006年08月19日,36,图像增强是一类具有相似效果的多种技术的集合，它试图变换图像的视觉效果，或把图像转换成某种适合于人或计算机分析的图像形式。 滤噪即图像的平滑处理，主要是为了去除实际成像过程中因成像设备和环境所造成的图像失真。 校畸是为了改善图像质量，一般通过伽玛校正（Gamma Correction）使画面中较暗的部分层次分明、细节清晰可辨、色彩还原更自然、轮廓线更平滑，它具有通过调节亮度和对比度而无法达到的效果。 锐化主要指图像边缘的锐化处理，目的是加强图像中的轮廓边缘和细节，形成完整的物体边界，达到将目标物体从背景图像中分离出来或将表示同一物体表面的区域检测出来的目的。,2006年08月19日,37,图像恢复则是指研究从所获得的变质图像中恢复出真实图像的处理，其关键是建立图像变质模型，然后按照其退化的逆过程恢复图像。,2006年08月19日,38,5.4.3 添加特殊效果 添加特殊效果是图像进行内容编辑和效果优化处理的基础上，根据应用需要所采取的图像创意效果处理，即在取得较好的图像质量的同时，对图像进行艺术加工和效果处理。在进行具体处理时，可根据需要从图5-13中选择相应的滤镜效果。 无论是利用图像处理软件还是其他的图像处理系统，在完成以上处理后，还需要确定适当的图像存储格式。这需要依据图像的具体特点和不同的应用目的而定，具体格式说明见本章5.6节。,2006年08月19日,39,5.4.4 图像的打印输出1、图像打印与显示 根据前面介绍的彩色模式，多媒体计算机用RGB模式显示图像，而用CMYK模式打印图像，这就需要把色彩从RGB模式转换到CMYK模式。 打印驱动程序通过“色彩转换”和“半色调转换” 两个步骤把计算机图象从24位RGB表示转换成单色和彩色打印头所使用的4位CMYK命令。2、色彩转换过程 把RGB模式转换成CMY模式的过程是一个简单的、逐像素的表格核对过程，此过程指定了平面打印每一种颜色所需墨水的相对数量，控制着色彩的表现程度。,2006年08月19日,40,3、单色半色调 单色二进位打印机的点只能是开或关两种状态，不能打印一个点的一部分，或降低点的强度。要打印有不同深浅的黑白图像时，软件驱动程序必须使用半色调技术。 打印半色调需要把纸张页面分割成若干个单元，一个单元就是一个像素矩阵，一个像素代表一个要打印的点位置，在一个单元中打印黑色时，该单元中所有的点位置都以黑色打印。要打印一个白色空间时，所有点位置都不打印。打印不同深浅颜色时，该单元中只有一些点位置被打印。颜色越浅，单元中被打印的点数就越少。,2006年08月19日,41,一般来说，NN个像素单元可表示N2+1个灰度级别。例如一个44的单元可以有16+1级灰度，88的矩阵可以有64+1级不同的灰度。图5-14给出了22个像素单元的5个灰度值。4、彩色半色调,图5-14 22个像素单元的5个灰度值,彩色半色调能够仅用3种颜色的墨水再现丰富的色彩。彩色半色调是用3个不同的层或颜色平面创建的：青色点平面，品红点平面，黄色点平面。把这3种平面放在纸上，外加上黑色，就可以再现几乎无限的色彩。彩色半色调与彩色胶印所使用的色彩分离过程有些类似。 彩色半色调需要很复杂的处理算法，对图形质量影响极大，不同品牌的彩色喷墨打印机打印质量有很大差别。,2006年08月19日,42,5、规则抖动和图像扩散技术 1）规则抖动技术,每一个平面都被分割成若干单元，每一单元有不同的点模式。所有单元在纸面上的“平铺”结果就是图像。一个单元中的像素个数决定了单色打印机所能再现的灰度级数。 设定灰度阀值作为“筛”，可把要打印的灰度值与阀“筛”相应单元位置的值进行比较：如果要打印的灰度值小于阀值，相应的单元位置就不打印；否则，相应的单元位置就要打印。,2006年08月19日,43,图5-15给出了利用单色抖动技术打印的照片。如果未用抖动技术，直接将24位真彩图用黑白单色图表示，则黑点多时较暗，白点多时较亮。,2006年08月19日,44,2）图像扩散技术 是依据灰度误差来决定周围打印方式的一种打印技术，它能有效提高图像的柔和性。 若要打印的灰度值为x，未打印时的灰度值为：0（白色），已打印时的灰度值为：255（黑色），可定义：,把计算出来的误差“扩散”到邻近像素，如果误差是负的，就减少邻近像素打印黑点的几率；如果误差是正的，就提高邻近像素打印黑点的几率，这样可使图像平滑柔和。,2006年08月19日,45,5.5 数字图像分析,数字图像分析是图像处理的重要技术内容，通过分析，可以自动辨别图像中各区域的特征，达到自动识别、标记和测量的目的。数字图像分析技术广泛应用于金属成分分析、医学图像分析、农作物分析以及公安、交通、城市公共事业中的图像识别等。数字图像分析的基本内容包括图像分割、图像测量以及图像识别等。,2006年08月19日,46,图像分割是将图像划分成若干个互不相交的小区域的过程，小区域是某种意义下具有共同属性的像素的连通集,5.5.1 图像分割,图5-16 4连通和8连通,4连通指的是从区域上一点出发，可通过4个方向，即上、 下、左、右移动的组合，在不越出区域的前提下，到达区域内的任意像素；8连通方法指的是从区域上一点出发，可通过左、 右、上、下、左上、右上、左下、右下这8个方向的移动组合来到达区域内的任意像素。,合。连通是指集合中任意两个点之间都存在着完全属于该集合的连通路径。对于离散图像而言，连通有4连通和8连通之分，如图5-16所示。,2006年08月19日,47,分割图像的基本依据和条件有以下4个方面： 分割的图像区域应具有同质性； 区域内部平整，不存在很小的空洞； 相邻区域之间对选定的某种同质判据而言，应存在显著的差异性； 每个分割区域边界应具有齐整性和空间位置的准确性。 大多数图像分割方法只是部分满足上述条件，不同的图像分割方法总是在各种约束条件之间找到适当的平衡点。,2006年08月19日,48,图像分割主要有以下几类方法： 从全图出发，通过属性将各像素划归到相应物体或区域的像素聚类方法, 即区域法； 从象元出发，把相邻的、具有一致属性的象元聚集为区域； 分开合并方法，先人为地把图像划分为若干规则块，以后按属性一致的准则，反复分开属性不一致的图像块，合并具有一致属性的相邻图像块，直至形成一张区域图。 阈值化处理进行图像分割。,2006年08月19日,49,1、灰度阈值法分割 把图像灰度分成不同的等级，用设置灰度阀值的方法确定有意义的区域或分割物体的边界。二值化处理：选择一个，阈值将图像转换为黑白二值图像， 用于图像分割及边缘跟踪等预处理。 图像阈值化处理的变换函数表达式为：,（T为阈值）,2006年08月19日,50,在图像的阀值化处理过程中，选用不同的阀值其处理结果差异很大。如图5-17所示, 阀值过大，会提取多余的部分；而阀值过小，又会丢失所需的部分。,2006年08月19日,51,选取阀值的方法：可通过分析灰度直方图来选取灰度阀值。灰度直方图：是灰度级的函数，描述的是图像中每种灰度级像素的个数，反映图像中每种灰度出现的频率。横坐标是灰度级，纵坐标是灰度级出现的频率。,图5-18 原始图像的灰度直方图,图5-18是图5-17中原始图像的灰度直方图。具有双峰特性。选取双峰之间的谷底处灰度值作为阀值T进行图像的阈值化处理，便可将目标和背景分割开。,2006年08月19日,52,2、区域生长 区域生长（又称区域生成）是图形分割的另一种方法。它是以区域为处理对象的，考虑到区域内部和区域之间的同异性，尽量保持区域中像素的邻近性和一致性的统一，这样就可以更好的分辨图像真正的边界。 假定区域的数目以及在每个区域中单个点的位置已知，则从一个已知点开始，加上与已知点相似的邻近点形成一个区域。 相似性准则可以是灰度级、彩色、组织、梯度或其他特性。相似性的测度可以由所确定的阈值来判定。,2006年08月19日,53,方法是从满足检测准则的点开始，在各个方向上生长区域，当其邻近点满足检测准则就并入小块区域中。当新的点被合并后再用新的区域重复这一过程，直到没有可接受的邻近点时生成过程终止。图5-19给出一个简单的例子。此例的相似性准则是邻近点的灰度级与物体的平均灰度级的差小于2。,2006年08月19日,54,用区域生长法实现如图分割，相似性准则为：邻近点的灰度级与物体的平均灰度级差2，以4连通的方式，用区域生长法来实现图像的分割。1）从灰度最大值“9”开始，按照4连通（上、下、左、右）的方式，对周围的像素的灰度进行对比；其中左、上、下灰度值是8的满足相似性准则，并入该区域；见图(b)；2）求该区域中所有像素灰度的平均值：(9+8+8+8)/4=8.25；3）用像素平均值按照4连通的方式，对周围的像素按相似性准则进行对比，结果灰度7并入该区域, 如图(c)；4）求该区域中所有像素灰度的平均值：(9+8+8+8+7)/5=8；5）用平均值对周围4个像素按相似性准则进行对比，结果没有灰度值并入该区域，此区域生长结束。6）再从另任一没有合并到区域的点开始，按前述方法重新生长区域，直到没有可以合并的邻近点为止。7）以此类推，直到所有点完成合并。当生成任意物体时，接收准则可以结构为基础，而不是以灰度级或对比度为基础。为了把候选的小群点包含在物体中， 可以检测这些小群点，而不是检测单个点， 如果它们的结构与物体的结构足够相似时就接受它们。,2006年08月19日,55,3、区域分裂/合并分割法 该方法的基本思想是： 将图像中灰度级不同的区域均分为4个子区域； 如果相邻的子区域所有像素的灰度级相同，则将其合并；,图5-20 区域的分裂/合并, 反复进行上两步操作，直至不再有新的分裂与合并为止，如图5-20所示。 图像块的初始划分常是固定的或人为规定的。,2006年08月19日,56,5.5.2 图像测量,通过图像测量，可得到图像的不同特征。 几何特征：描述目标面积、圆周、形状等性质。 强度特征：描述目标中灰度值的分布，包括均值、标准差和可能的高阶矩。 颜色特征：客观地描述目标的颜色和颜色在目标中的分布。 纹理特征：描述图像的细微结构。,5.5.3 图像标记与识别 图像识别也称模式识别，即对图像进行特征抽取，然后根据图形的几何及纹理特征利用模式匹配等识别理论对图像进行分类和结构分析。,2006年08月19日,57,在完成图像分割后，可将特定区域与已经定义好的另一图像通过相应的处理算法进行比对，从而判断指定区域与给定图像的相似关系。依据问题的难易程度，图像识别有三类问题需要研究： 图像中的像素表达了某一物体的某种特定信息。 待识别物是有形的整体，二维图像信息已经足够识别该物体。 由输入的二维图、要素图等得出被测物体的三维表示。 在我国，图像识别技术已经应用于区域安全监视、罪犯识别、车辆牌照识别等领域。,2006年08月19日,58,5.6.1 图像文件的内容,5.6 图形/图像文件,图像文件由图像说明和图像数据两部分组成。图像说明部分保存用于说明图像的高度、宽度、格式、颜色深度、调色板及压缩方式等信息；图像数据部分是描述图像每一个像素颜色的数据，存贮方式由文件格式来确定。图像文件的逻辑结构如图5-21所示。,2006年08月19日,59,5.6.2 图像文件的格式 在多媒体计算机系统中，不同的压缩方式用不同的文件格式表示。不同的文件格式用特定的文件扩展名来表示，常见的图像文件格式有BMP、PCX、GIF、JPG、TIF、TGA、PNG、PSD和MPT等。1、BMP格式 BMP格式是一种与设备无关的图像文件格式，采用位映射存储形式，支持RGB、索引色、灰度和位图色彩模式。利用Windows的画图软件可以将图像存储成BMP格式图像文件。该格式结构较简单，每个文件只存放幅图像。,2006年08月19日,60,2、PCX格式 PCX格式是为Zsoft公司研制开发的图像处理软件PCPaintbrush设计的文件格式，与特定图形显示硬件有关。PCX文件在存储时要经过RLE压缩或解压缩。3、GIF格式 GIF格式是CompuServe公司指定的图像格式，它具有支持64000像素的图像、25616M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，且能将图像存储成背景透明的形式，还能将多幅图像存成一个图像文件而连续播放形成动态效果。GIF文件在存储时都经LZW压缩，可以将文件的大小压缩至原来的一半。在Internet上，GIF格式已成为页面图片的标准格式。,2006年08月19日,61,4、JPG格式 是用JPEG压缩标准压缩的图像文件格式，JPEG压缩是一种高效率的有损压缩，压缩时可将人眼很难分辨的图像信息进行删除。将图像保存为JPEG格式时，可以指定图像的品质和压缩级别。 5、TIFF格式 是Tagged Image File Format（标记图像文件格式）的缩写，通常标识为*.TIF类型。它是由Aldus和 Microsoft公司为扫描仪和台式计算机出版软件开发的用来为存储黑白、灰度和彩色图像而定义的存储格式，支持1-8位、 24位、32位（CMYK模式）或48位（RGB模式）等颜色模式。能保存为压缩和非压缩的格式。几乎所有的绘画、图像编辑和页面排版应用程序，都能处理TIFF文件格式。,2006年08月19日,62,6、TGA格式 TGA格式是Truevision公司为支持图像捕捉和本公司的显卡而设计的种图像格式。这种格式支持任意大小的图像，图像的颜色可以从1位到32位，具有很强的颜色表达能力。 7、PNG格式 PNG格式是为了适应网络传输而设计的一种图像文件格式。在大多数情况下，它的压缩比大于GIF图像文件格式，利用Alpha通道可以调节图像的透明度，可提供16位灰度图像和48位真彩色图像。它可取代GIF和TIF图像文件格式。一个图像文件只能存储一幅图像。,2006年08月19日,63,8、PSD格式 是Photoshop特有的图像文件格式，支持Photoshop中所有的图像类型。可以将编辑的图像文件中的所有图层和通道的信息记录下来。在编辑图像的过程中，将文件保存为PSD格式，可重新读取需要的信息，而且图像没有经过压缩，但会占很大的硬盘空间。 9、MPT（或MAC）格式 是苹果MAC机所使用的灰度图像格式，也称MAC Paint格式，文件扩展名为.MPT或.MAC。在PC机上制作图像时可以利用这种格式与苹果MAC机沟通，它的屏幕显示固定在576X 720像素，转换文件时注意调整以免图像有所损失。 在以上的图像文件格式中，GIF、JPEG、PNG以及BMP等格式最为常用。,2006年08月19日,64,矢量图形文件也有多种格式，常见的有：EPS格式 DXF格式 PS格式 HGL格式 WMF格式,5.6.3 图形文件的格式,2006年08月19日,65,5.7 图形/图像处理软件,5.7.1 图形处理软件概述,图形处理软件是利用矢量绘图原理描述图形元素和处理方法的绘图设计软件，通常有平面矢量图形设计与三维设计之分。最有代表性的软件产品有CorelDraw、 Adobe Illustrator、Macromedia Freehand、3DS Max、AutoCAD等。,2006年08月19日,66,1、CorelDraw,CorelDraw是Corel公司出品的基于矢量图形原理的图形制作工具软件。图5-22 给出了CorelDraw 10的主画面。,图5-22 CorelDraw 10的主画面,2006年08月19日,67,2、Adobe Illustrator 是Adobe公司出品的全球最著名的矢量图形软件，具有与PhotoShop相类似的操作界面，如图5-23所示，该软件广泛用于封面设计、广告设计、产品演示、网页设计等领域。,图5-23 Adobe Illustrator 10的主画面,2006年08月19日,68,3、Macromedia Freehand FreeHand是Macromedia公司推出的一个功能强大的矢量平面图形设计软件（如图5-24），广泛应用于机械制图、建,图5-24 FreeHand MX主画面,筑蓝图绘制、海报设计、广告创意的实现等方面。支持HTML、PNG、GIF和JPEG等格式。具有对路径使用光栅和矢量效果的能力，使用突出（Extrude）工具，可为对象赋以3D外观。,2006年08月19日,69,4、3DS Max 3DSMax是Autodesk公司推出的三维建模、渲染、动画制作软件，其基本设计思想是通过建模完成对物品的形状设计，通过材质的选择和编辑实现物品的质感设计，通过光源类型的选择和灯光调整赋予物品适当的视觉效果。最后通过渲染完成物品的基本设计。 5、AutoCAD AutoCAD也是Autodesk公司推出的一个基于矢量绘图的更为专业化的计算机辅助设计软件，广泛应用于建筑、城市公共基础设施、机械等设计领域。,2006年08月19日,70,5.7.2 图像处理软件概述,图像处理软件是以位图为处理对象、以象素为基本处理单位的图像编辑工具软件，可对平面图片进行裁剪、拼接、混合、添加效果等多种处理，属平面设计范畴。表5-1列出了常见的图像处理软件的基本信息，最有代表性的软件产品有：Photoshop、PhotoImpact、PaintShop Pro、Painter等。 总之，多媒体计算机中不同平台的图形图像处理软件很多，其处理对象、处理功能、应用目的等有一定差别，使用者应根据自己的专业技术水平、特点和应用目的等因素，选择适合自己的工具软件。,2006年08月19日,71,表5-1 常见的图像处理软件,2006年08月19日,72,5.7.3 典型的图像处理软件Photoshop,1、Photoshop 简介 Photoshop是Adobe公司开发的一种多功能图像处理软件，具有图像采集（扫描）、裁剪、合成、混合、效果设计等功能，可支持多种图像文件格式，可在Macintosh计算机或装有Windows操作系统的PC机上运行，是平面设计的专业处理工具。目前， Photoshop的最新版为PhotoShop CS版。,2006年08月19日,73, 图像文件管理 修复画笔 Web 透明度 WBMP 支持 “自动颜色”命令 数据驱动的图形,2、Photoshop的功能 基本功能包括图像扫描、基本作图、图像编辑、图像尺寸和分辨率调整、图像的旋转和变形、色调和色彩功能、支持多种文件格式、图层功能、特殊效果创意以及通过滤镜及其组合向用户提供无限的创意等。 Photoshop7.0对绘画引擎、画笔、液化增效工具等功能进行了改进，在此基础上，还新增了以下主要功能：,2006年08月19日,74,3、Photoshop的基本知识 （1）对比度：指不同颜色之间的差异。 （2）图层：每一层好像是一张透明纸，叠放在一起就是一个完整的图像。对某一图层进行修改处理，不会对其他图层造成任何影响。 （3）通道：在PhotoShop中，通道是指色彩的范围，一般情况下，一种基本色为一个通道。 （4）路径：路径工具可以用于创建任意形状的路径，路径可以是闭合的，也可以是断开的。 （5）色彩