图像信息的获取与处理.docx
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图像信息的获取与处理
第3章图像信息的获取与处理
学习目标：
1.图像，图像的技术参数，图形与图像。
2.图像数字化及其过程，常见的图像文件格式。
3.图像获取方法，图像处理的常用软件。
4.图像的编辑软件——Photoshop。
视觉媒体是人类能直接感知的最丰富的媒体信息，图像是视觉媒体中一种非常重要的表现形式。
在人类能够直接感知的众多媒体信息中，视觉媒体是人类最丰富的信息来源。
统计表明，人类在感知外界信息的过程中，视觉获取的信息高达65%，其次是听觉，约占20％。
人们通过视觉而感知的信息，我们称为视觉媒体。
视觉媒体所包含的内容十分广泛，如图形、图像、文字、动画、景观、物体、人的各种肢体动作等，这些都居于视觉媒体。
事实上，计算机对视觉媒体中的不同对象的表示、处理、显示、存储等方法也是不同的，在多媒体技术的研究与应用中，常常将视觉媒体中的不同对象看做不同的媒体形式，如图像信息、视频信息等，而且通常将这些不向的媒体形式作为多媒体技术的只体研究对象：
本章主要讨论的就是图像信息的获取、处理与制作等。
3.1图像概述
3.1.1基本概念
1.什么是图像
所谓图，就是指用描绘或摄影等方法获得的外在景物的相似物；所谓像，就是指直接或间接得到的人或物的视觉印象。
一般地讲，图像就是指人类视觉系统所感知的信息形式，或者是人们心目中的有形想象。
在计算机中图像是由扫描仪、摄像机等输人设备捕捉实际的画面产生的数字图像，是由像素点阵构成的仿图。
在计算机对图像进行表示、获取、编辑、显示和存储的多种方式中，点阵图是其中最基本、最常用的一种表现形式。
2.点阵图和矢量图
计算机绘图分为点阵图（又称位图或栅格图像）和矢量图形两大类，认识它们的特色和差异，有助于创建、输入、输出、编辑和应用数字图像。
位图图像和矢量图形没有好坏之分，只是用途不同而已。
因此，整合点阵图图像和矢量图形的优点，才是处理数字图像的最佳方式。
点阵图的好处是，色彩变化丰富。
在编辑上，可以改变任何形状区域的色彩显示效果，相应的要实现的效果越复杂，需要的像素数越多，图像文件的大小（长宽）和体积（存储空间）越大。
矢量图的好处是，轮廓的形状更容易修改和控制，但是对于单独的对象，色彩上变化的实现不如位图来的方便直接。
另外，支持矢量格式的应用程序也远远没有支持点阵图的多，很多矢量图形都需要专门设计的程序才能打开、浏览和编辑。
点阵图（位图）与矢量图对比见图3-1。
图3-1位图（点阵图）与矢量图对比
3．点阵图和矢量图的区别
（1）点阵图（Bitmap）
点阵图又叫位图或像素图，计算机屏幕上的图你是由屏幕上的发光点（即像素）构成的，每个点用二进制数据来描述其颜色与亮度等信息，这些点是离散的，类似于点阵。
多个像素的色彩组合就形成了图像，称之为点阵图。
由于点阵图是以排列的像素集合体形式创建的，所以不能单独操作（如移动）局部点阵图。
点阵图以高倍率放大产生锯齿使影像失真的情况如图3-2。
图3-2点阵图以高倍率放大产生锯齿失真
点阵图图像的主要优点在于表现力强、细腻、层次多、细节多，可以十分容易的模拟出像照片一样的真实效果。
由于是对图像中的像素进行编辑，所以在对图像进行拉伸、放大或缩小等到处理时，其清晰度和光滑度会受到影响。
它可以通过数字相机、扫描或PhotoCD获得，也可以通过其他设计软件生成。
（2）点阵图的文件格式
点阵图的文件类型很多，如*.bmp、*.pcx、*.gif、*.jpg、*.tif、photoshop的*.psd、kodakphotoCD的*.pcd、corelphotopaint的*.cpt等。
同样的图形，存盘成以上几种文件时文件的字节数会有一些差别，尤其是jpg格式，它的大小只有同样的bmp格式的1/20到1/35，这是因为它们的点矩阵经过了复杂的压缩算法的缘故。
编辑这样的图形的软件也叫点阵图形编辑器。
如：
PhotoShop、PhotoStyle、画笔等等。
（3）矢量图（vector）
矢量图又叫向量图，是用一系列计算机指令来描述和记录一幅图，一幅图可以解为一系列由点、线、面等到组成的子图，它所记录的是对象的几何形状、线条粗细和色彩等。
生成的矢量图文件存储量很小，特别适用于文字设计、图案设计、版式设计、标志设计、计算机辅助设计（CAD）、工艺美术设计、插图等。
矢量图可任意缩放大小，仍保持影像清晰如图3-3。
图3-3矢量图可任意缩放大小
下载（12.3KB）
2006-12-2710:
14
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（4）矢量图的文件格式
矢量图形格式也很多，如AdobeIllustrator的*.AI、*.EPS和SVG、AutoCAD的*.dwg和dxf、CorelDRAW的*.cdr、windows标准图元文件*.wmf和增强型图元文件*.emf等等。
当需要打开这种图形文件时，程序根据每个元素的代数式计算出这个元素的图形，并显示出来。
就好象我们写出一个函数式，通过计算也能得出函数图形一样。
编辑这样的图形的软件也叫矢量图形编辑器。
如：
AutoCAD、CorelDraw、Illustrator、Freehand等。
（5）点阵图和矢量图特点比较（见表3-1）
表3-1点阵图和矢量图特点比较
点阵图
矢量图
有效地表达自然直观图，适合表现比较细致、层次和色彩丰富，包含大量细节的图像。
主要用于线型的图形，美术字和工程制图等。
描述图像需逐点记录像素的亮度及颜色值，占用存储空间大。
用命令或函数来描述图像，所用存储空间小。
图像缩放产生失真。
图像缩放不失真；
可任意修改矢量图的各个组成部分而不影响图中其他部分。
4．模拟图像和数字图像
模拟图像——以连续形式存储的数据，如用传统相机拍摄的照片就是模拟图像。
数字图像——用二进制数字处理的数据，如用数码相机拍摄的数字照片。
图像数字化——就是将图像L每个点的信息按某种规律（模拟/数字转换）编成一系列二进制数码，即用数码来表示图像信息。
这种用数码来表示的图像信息可以存储在磁盘、光盘等存储设备里，也可以不失真地进行通信传输，更可以有利于计算机进行分析处理。
将模拟图像转化成数字图像可以分别从处理速度、灵活性、表现精度、传输和再现性等方面去讨论、比较：
◆就处理速度来讲，模拟图像相对较快，比如拍照、录像、投影等，可在一个闭合的系统内很快形成；而数字图像的处理就相对较慢，尤其是在机器性能不是很高时。
◆就灵活性来讲，模拟图像相对较差，能采用的处理方式很少，往往只能进行放大、缩小等；而数字图像的处理就相对较灵活。
由于数字图像的结构本身就是一些相对独立的数字，修改它们可以非常精确、灵活多样、以非常简单的方式进行。
◆就表现精度来讲，如果单从表面上看，数字图像由于有采样的环节，其精度可能亚于模拟图像。
但如果把分辨率（dpi）提高到每英寸80个像素以上，那么这样的数字图像的表现精度与模拟图像就相差无几了。
◆就传输来讲，由于数字图像以电子数字信息为载体，模拟图像多以实物为载体，显然数字图像的传输优于模拟图像。
◆从再现性角度看，模拟图像加相片的保存性较差，无论是胶片还是印制好的正片，其有机成分都将随时间和环境的改变而改变，所以我们认为模拟图像的再现性较差。
而数字图像不会因为保存、传输或复制而产生图像质量上的变化。
3.1.2图像的技术参数
1.分辨率
分辨率是影响图像质量的最基本的参数之一。
一般情况下，主要从两个方面来考虑分辨率。
（1）显示分辨率
显示分辨率是指在一定显示方式下，显示设备上用于显示图像的最大区域的范围，一般以水平像素点×垂直像素点来表示。
例如1024*768，表示显示器屏幕的水平方向是1024个像素，垂直方向有768个像素。
需要说明的是，显示分辨率有最大显示分辨率和当前显示分辨率之分。
最大显示分辨率由显示设备的物理参数所限制，一般是由显示器和显卡决定的。
而当前显示分辨率是由用户选择的参数来决定的。
如一个最大显示分辨率是1024×768的显示设备，可以选择的当前显示分辨率通常有640×480、800×600和l024×768三种。
（2）图像分辨率
图像分辨率是指组成一幅图像的像素数目，一般也是以水平像素点×垂直像素点来表示，即每英寸所表达的像素数目（PixelperInch，PPI）；图像分辨率的另一种度量方法是用每英寸多少点（DotperInch，DPI）来表示的，即通过一幅图像的像素密度来度量图像的分辨率。
一般情况下，DPI表示方法在图像的扫描中使用得比较多。
当然，这两种度量方法都是度量值越大，图像的质量越高。
另外，图像分辨率与显示分辨率是两个不同的概念。
比如，当显示分辨率为800×600时，如果一幅图像的图像分辨率为1024×768，那么显示器的屏幕就不能将这幅图像显示完全。
而如果图像的分辨率是400×300，那么这幅图像在显示器的屏幕上就可以完全显示，且在水平与垂直方向上各占据了一半的空间。
另外，图像分辨率越高，意味着每英寸所包含的像素点越高，图像就有越多的细节．颜色过渡就越平滑；图像分辨率越高，所包含的像素点越多，也就是图像的信息量越人，因而文件就越大。
实际上，除了这两种主要的分辨率之外，还有其他一些分辨率：
像素分辨率：
指一个像素点的宽与长之比。
不同的像素长宽比会使图像的显示效果不一样。
当显示分辨率发生变化时，系统都会自动对像素分辨率进行调整。
扫描分辨率：
表示扫描仪输入图像的细微程度，单位dpi数值越大，表示被扫描的图像转化为数字化图像越逼真，扫描仪的质量就越好。
决定扫描仪性能的主要因素有三个：
扫描分辨率、最大扫描页面、颜色位数。
扫描分辨率是一种输入分辨率，而显示分辨率和打印分辨率都是输出分辨率。
我们在使用扫描仪扫描图形时可以根据需要调节扫描的精度，不像显示分辨率和打印分辨率是固定的或只有几种可选。
打印分辨率：
打印分辨率直接关系到打印机输出图像或文字的质量好坏。
在这里我们只考虑喷墨打印机和激光打印机的打印分辨率。
打印分辨率用dpi（dotperinch）来表示，即指每英寸打印多少个点。
喷墨和激光打印的水平分辨率和垂直分辨率通常是相同的。
例如：
在打印分辨率为600dpi是指打印机在一平方英寸的区域内垂直打印600个点，水平打印600个点，总共可打360000个点。
但是，720dpi的喷墨打印机不一定比600dpi的激光打印机产生更好的打印质量。
这是因为喷墨打印机打印的每一个墨点只是近似相等，每个墨点在干燥之前还会向四周扩散，没有激光打印机产生的点那样均匀。
2.图像深度
在描述一幅图像时，图像中每个像素的值都是由若干位二进制数表示的。
这个二进制数的位数越多，表示这个像素或这幅图像所能显示的颜色数就越多，因此，这个位数就被称为图像深度。
实际上，这是图像在被数字化的过程中进行量化的结果，这个位数也称为量化位数。
如果一个像素用8位二进制数表示，那么彩色图像所能表示的颜色数就是28＝256种，或者是黑白图像的灰度级就是256级。
3.颜色类型
在图像素材中，颜色是其中非常重要的一个属性。
图像颜色的表示是不唯一的，而且往往用三维空间来表示，如RGB颜色空间等。
在颜色类型中，一般主要有三种类型：
（1）真彩色：
指图像中每个像素值都是出R（红）、G（绿）、B（蓝）三个基色分量组成的。
每个基色分量将直接决定其基色的强度。
真彩色的图像深度为24，即R、G、B三个分量分别用8位二进制数来表示各基色的强度，这样共表示16777216种颜色。
（2）伪彩色：
指通过查找映射的方法产生的色彩。
在伪彩色中，每个像素的值实际是一个索引值或代码值，这个值是颜色查找表（ColorLook—UpTable，CLUT）中的入口地址，然后根据这个地址在表中找到它对应的R、G、B的分量值，最后再形成颜色。
（3）调配色：
它是通过每个像素点的R、G、R分量分别作为单独的索引值，进入相应的颜色查找表中找到各自的基色强度，然后再用变换后的R、G、B强度值产生色彩。
4.图像尺寸
以一幅尺寸是500×300像素的图像为例，其图像信息如图3-4。
图中的像素大小500×300指的就是图像在电脑中的大小。
下面的文档大小，实际上就是打印大小，指的就是这幅图像打印出来的尺寸。
可以看到打印大小为17.64×10.58厘米。
它可以被打印在一张A4大小的纸上。
图3-4图像信息
那是否就是说500像素等同于17.64厘米呢？
那么1000像素打印大小是否就是17.64×2＝35.28厘米呢？
这种观点是错误的，电脑中的像素和传统长度不能直接换算，因为一个是虚拟的一个是现实的，他们需要一个桥梁才能够互相转换，这个桥梁就是位于文档大小宽度和高度下方的分辨率。
注意这里的分辨率是打印分辨率，和我们所说的显示器分辨率是不同的。
5.图像的数据量
图像的数据量，也称图像的容量，即图像在存储器中所占的空间，单位是字节。
图像的数据量与很多因素有关，如色彩的数量、画面的大小、图像的格式等。
图像的画面越大、色彩数量越多，图像的质量就越好，文件的容量也就越大，反之则越小。
一幅图像数据量的大小与图像的分辨率和图像的深度成正比。
一幅未经压缩的图像，其数据量大小的计算公式为：
图像数据量大小=垂直像素总数×水平像素总数×颜色深度/8
例如：
一幅65536级的图像，其图像分辨率为800×600，那么它的数据量就是：
800×600×16/8=960000Byte
计算机图像的容量是在多媒体系统设计时必须考虑的问题。
尤其在网页制作方面，图像的容量关系着下载的速度，图像越大，下载越慢。
这时就要在不损失图像质量的前提下尽可能地减小图像容量，在保证质量和下载速度之间寻找一个较好的平衡点。
3.1.3图形与图像
1．图形
图形是利用计算机对图像进行运算后形成的抽象化结果，或者说是指一种抽象化的图像。
它是依据一种标准对图像进行分析而产生的结果。
图形通常是用各种绘图工具绘制的，由直线、圆、弧线、矩形等图元构成。
与位图不同的是，图形不直接描述其中的每一点，而是通过指令的形式来描述构成图形的这些点和图元的位置、大小、形状、过程和方法等特性，而且还可以根据需要，采取更复杂的指令形式来表示其中的曲面、光照效果、材质效果等。
这样的图形就称为矢量图形，一般简称为图形。
以上是绘制图形的基本情况。
计算机在显示这些图形的时候，先要读取这些指令，然后对它们进行解释，接着按照这些指令的要求进行操作，即在屏幕上显示出图形的形状、颜色等信息。
图形一般分为二维图形和三维图形两大类。
二维图形是平面的，绘制和变换都是在二维空间进行，相对简单一些。
三维图形需要在三维立体空间中显承与变换，绘制和变换的方法，尤其是加上一些特殊效果，如填充、消隐等，就更加复杂了。
但是，三维图形的用处和效果要更好一些。
2.图形与图像的关系
（1）图像是用具有一定灰度级的点阵描述的图。
图形是用图元和操作过程描述的图、是抽象化的图像。
图形不是客观存在的，是根据客观事物而主观形成的，即从“描述”到“图像”；而图像则是对客观事物的真实描述。
（2）获取方式的不同。
图像的获取方式比较简单，用数码相机、摄像机等都可以方便地获取，而用计算机绘图相对要困难一些，要用各种命令去处理。
但是，图形在获得进一步的信息时又比较方便。
因此它们的处理软件一般也是不同的，如Photoshop以图像处理为主，而Coreldraw就以图形处理为主。
（3）缩放的不同。
图形在伸缩变化时，可以保持不失真，可以适应不同的分辨率；但是图像放大时会发生失真现象，可以看到整个图像是由很多像素组合而成的，即产生马赛克效应。
（4）适用场合不同。
图形适合于描述轮廓不很复杂、色彩不很丰富的对象，如几何图形、工程图纸、CAD、3D造型等；而图像适合表现含有大量细节（如明暗变化、轮廓色彩丰富）的对象，如照片等。
（5）存储方式的不同。
图形文件存储的是画图的函数或指令，而图像文件存储的则是像素的位置、颜色情息或灰度信息等。
（6）处理方式的不同。
图形可以进行旋转、扭曲、拉伸等操作，而图像可以进行对比度增强、边缘检测等操作。
图形一般是使用几何算法来处理，而图像一般使用滤波、统计等算法处理。
3.2图像的数字化
3.2.1基本概念
现实空间中，以照片或视频等形式记录的图像其亮度和颜色等信号上都是连续的，属于模拟信号，这样的图像有时也称为模拟图像。
而计算机是无法接收和直接处理这些连续的模拟信号的，因此要对这些图像进行数字化，要将这些图像转化为用一系列数据表示的数字图像。
这一转换过程就称为图像的数字化。
所谓数字化图像，就是将图像上每个点的信息按某种规律（模拟/数字转换）转换成一系列二进制数的编码，即用二进制编码来显示图像信息。
计算机可以对这种用编码表示的图像信息进行存储、传输和分析处理。
图像数字化的目的是把真实的图像转换为计算机能接受的格式，并且在输出的时候，尽可能真实地还原出图像原有的面目。
3.2.2数字化过程
图像在进行数字化的过程中，一般需要经过采样、量化和编码这三个步骤。
1.采样
计算机在处理图像模拟量时，首先就是要通过外部设备如数码相机、扫描仪等来获取图像信息，即对图像进行采样。
所谓采样就是计算机按照一定的规律，采集一幅原始图像模拟信号的样本。
每秒钟的采样样本数叫做采样频率。
采样频率越高，数字化后声波就越接近于原来的波形，即声音的保真度越高，但量化后声音信息量的存储量也越大。
2.量化
对采集到的样本点进行数字化处理就是量化，实际上是对样本点的颜色或灰度进行等级划分，然后用多位二进制数表示出来。
量化等级是图像数字化过程中非常重要的—个参数。
它描述的是每帧图像样本量化后，每个样本点可以用多少位二进制数表示，反映图像采样的质量。
3.编码
在以上两项工作完成了，就需要对每个样本点按照它所属的级别，进行二进制编码，形成数字信息，这个过程就是编码。
如果图像的量化等级是256级，那么每个样本点都会分别属于这256级中的某一级，然后将这个点的等级值编码成一个8位的二进制数即可。
3.2.3常见的图像文件格式
1.JPEG
JPEG是JointPhotographicExpertsGroup（联合图像专家组）的缩写，文件后辍名为“．jpg”或“．jpeg”，由软件开发联合会组织制定的一种有损压缩格式，能够将图像压缩在很小的储存空间。
换句话说，就是可以用最少的磁盘空间得到较好的图像品质。
JPEG支持多种压缩级别，压缩比率通常在10：
1到40：
1之间。
压缩比越大，品质就越低；相反地，压缩比越小，品质就越好。
比如可以把1．37Mb的BMP位图文件压缩至20．3KB。
JPEG格式是目前网络上最流行的图像格式，是可以把文件压缩到最小的格式，对色彩的信息保留较好，也普遍应用于需要连续色调的图像。
JPEG2000作为JPEG的升级版，其压缩率比JPEG高约30％左右，同时支持有损和无损压缩。
JPEG2000和JPEG相比优势明显，且向下兼容，因此可取代传统的JPEG格式。
JPEG2000即可应用于传统的JPEG市场，如扫描仪、数码相机等，又可应用于新兴领域，如网路传输、无线通讯等等。
2.GIF格式
GIF（GraphicsInterchangeFormat）的原义是"图像互换格式"，是CompuServe公司在1987年开发的图像文件格式。
GIF文件的数据，是一种无损压缩格式。
其压缩率一般在50％左右，目前几乎所有相关软件都支持它，公共领域有大量的软件在使用GIF图像文件。
GIF图像文件的数据是经过压缩的，其图像深度从lbit到8bit，也即GIF最多支持256种色彩的图像。
GIF格式的另一个特点是其在一个GIF文件中可以存多幅彩色图像，如果把存于一个文件中的多幅图像数据逐幅读出并显示到屏幕上，就可构成一种最简单的动画。
3.PNG格式
PNG（PortableNetworkGraphics）是一种新兴的网络图像格式。
PNG是目前保证最不失真的格式，它汲取了GIF和JPG二者的优点，存储形式丰富，兼有GIF和JPG的色彩模式；它的另一个特点能把图像文件压缩到极限以利于网络传输，但又能保留所有与图像品质有关的信息，因为PNG是采用无损压缩方式来减少文件的大小，这一点与牺牲图像品质来换取高压缩率的JPG有所不同；它的第三个特点是显示速度很快，只需下载1/64的图像信息就可以显示出低分辨率的预览图像；第四，PNG同样支持透明图像的制作，透明图像在制作网页图像的时候很有用，我们可以把图象背景设为透明，用网页本身的颜色信息来代替设为透明的色彩，这样可让图像和网页背景很和谐地融合在一起。
PNG的缺点是不支持动画应用效果，如果在这方面能有所加强，简直就可以完全替代GIF和JPEG了。
Macromedia公司的Fireworks软件的默认格式就是PNG。
现在，越来越多的软件开始支持这一格式，在网络上也越来越流行。
4．PSD格式
PSD格式是Adobe公司的图像处理软件Photoshop的专用格式，它支持Photoshop提供的所有图像模式，包括多通道、多图层和多种色彩模式。
实际上，它是Photoshop进行平面设计的一张“草稿图”，里面包含各种图层、通道、遮罩等多种设计的样稿，以便于下次打开文件时可以修改上一次的设计。
以PSD格式保存时会将文件压缩，以减少占用的磁盘空间，但由于PSD格式所包含的图像数据信息较多，因此比其他格式的图像文件要大得多，由于PSD文件分层，因此修改较为方便，这也是该文件格式的最大优点，PSD文件格式是惟一能够支持全部图像色彩模式的格式。
5.BMP格式
BMP（Bitmap）格式是独立于图像设备的一种文件格式。
它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，不采用其他任何压缩，因此，BMP文件所占用的空间很大。
BMP文件的图像深度可选1bit、4bit、8bit及24bit。
BMP文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序。
由于BMP文件格式是Windows环境中交换与图有关的数据的一种标准，因此在Windows环境中运行的图形图像软件都支持BMP图像格式。
6.SVG格式
SVG可以算是目前最火热的图像文件格式了，它的英文全称为ScalableVectorGraphics，意思为可缩放的矢量图形。
严格来说应该是一种开放标准的矢量图形语言，可让你设计激动人心的、高分辨率的Web图形页面。
用户可以直接用代码来描绘图像，可以用任何文字处理工具打开SVG图像，通过改变部分代码来使图像具有互交功能，并可以随时插入到HTML中通过浏览器来观看。
它提供了目前网络流行格式GIF和JPEG无法具备了优势：
可以任意放大图形显示，但绝不会以牺牲图像质量为代价；字在SVG图像中保留可编辑和可搜寻的状态；总体来说，SVG文件比JPEG和GIF格式的文件要小很多，因而下载也很快。
可以相信，SVG的开发将会为Web提供新的图像标准。
7.TIFF格式
TIFF（TaggedImageFileFormat）是Macintosh和PC机上使用最广泛的位图交换格式，在这两种硬件平台上移植TIFF图形、图像十分便捷。
这种格式可支持跨平台的应用软件，大多数扫描仪也都可以输出TIFF格式的图像文件。
该格式支持的色彩数最高可达16M。
8.TGA格式
TGA（TaggedGraphics）是TrueVision公司为其显卡开发的一种图像文件格式，创建时间较早，最高色彩数可达32bit。
TGA的结构比较简单，属于一种图形、图像数据的通用格式，在多媒体领域有很大影响，是计算机生成图像向电视转换的一种首选格式。
TGA图像格式最大的特点是可以做出不规则形状的图形、图像文件。
该格式已经被广泛应用于PC的各
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