第二章--图形图像处理技术——基础理论和基本工具的使用

2.1.1人类视觉特性
眼睛对光的感觉被称为光觉，对颜色的感觉被称为色觉，它们是眼睛的基本特性。

1.光觉

视觉系统要产生光感觉，就需要有一定量的光进入眼球，我们把产生光觉的最小亮度称为光觉门限或光觉阈。

光觉门限与刺激面积有密切关系，这种关系可以使用里克（Ricco）定理和里波（Riper）定理来描述。

2.色觉

人们对色觉的普遍认识是：光线波长的不同而产生了不同的颜色感觉。色觉是视觉系统的基本机能，对于图像和物体的检测具有重要意义。对人眼而言，可见光线的波长在380～780 mμ范围内，一般可分辨出包括紫、蓝、青、绿、黄、橙、红等7种主要颜色在内的120～180种不同的颜色。

目前，一般采用“三原色学说”来解释色觉机理。

2.1.2计算机图形
1.计算机图形学

计算机图形学是研究图形处理技术（利用计算机来处理图形）的学科，包括图形处理的原理、方法和技术等内容。

（1）主要研究内容：图形的生成和表示技术；图形的运算方法；图形输入/输出设备及相应的输入/输出技术；图形系统与支持部件；图形信息的描述和表示；几何模型的构造技术与动画技术；图形的实时性与真实感。

（2）主要应用领域 ：科学计算可视化；图形用户界面；计算机辅助设计；娱乐与计算机动画；图形实时绘制与自然景物仿真；计算机艺术。

2.计算机图形与图形基元

计算机图形是一个广义的概念，它既包括了描述图形，也包括了自然图形。

从构成图形的要素来看，图形是由点、线、面、体等几何要素以及明暗、灰度、色彩等非几何要素构成的。

可以这样来描述计算机图形：它是从客观世界的物体中抽象出来的、具有灰度或色彩以及具有形状的图或形。事实上，这样的定义也涵盖了“图像”这一概念。

图形基元指的是最基本的图形元素。在计算机图形学中，它实际上包括两层含义，即静态含义和动态含义。

静态含义指的是图形基元的逻辑意义，即前面所述的基本图形单元在计算机内的表示。

动态含义指的是显示输出图形基元的过程（被称为输出基元或图形输出原语），即在输出设备的指定位置使用最基本的输出原语来生成确定的图形几何结构。

3.计算机图形的表示特点

在图形系统中，计算机图形是以指令的形式来存放的。

计算机通过指令和数学公式来建立矢量的计算机图形。

矢量图形式表示的计算机图形特点：

（1）图形缩放不变形

（2）局部编辑特性

（3）存储空间小

2.1.3数字图像
根据记录方式的不同，图像可以分为两大类：模拟图像和数字图像，前者通过某种物理量（如光和电）的强弱变化来记录图像上各点的灰度信息，后者则是使用数字来记录图像灰度信息的。

数字图像是一种可以在计算机中显示、编辑、保存和输出的图像。

1.数字图像处理

（1）主要研究内容：图像信息的获取、存储、传输 、处理、输出与显示。

（2）典型的应用领域：遥感图像处理、医学应用、图像通信领域、安全保障领域、教学与科研领域。

2.灰度与图像数据的表示

灰度是指图像上各点处的颜色深浅程度的信息。

对于单色黑白图像来说，灰度即是黑白程度等级；对于彩色图像来说，因为任何彩色图像都可以分解成红、绿、蓝三种单色图像，所以彩色图像的灰度指的是这三种单色图像的灰度。

数字图像在计算机上是以位图的形式存在的，位图是一个矩形点阵，上面的每一个点被称为像素。

像素是数字图像中的基本单位，一幅m×n大小的图像由m×n个明暗不等的像素组成。实际上，像素所具有的明暗程度就是由灰度值(Gray Level)来标识的。

3.位图图像的表示特点

位图图像适合表现具有细致层次和丰富色彩等特点的图像 。

位图图像文件较大，需消耗大量的存储空间。

位图图像的编辑也比较困难 。

位图图像缺乏灵活性。

4.矢量图与位图文件的对比

图形图像文件大致上可以分为两大类：一类为位图（又称光栅或像素图）文件；另一类称为描绘类、矢量类或面向对象图形图像文件。前者以点阵形式描述图形图像，后者是以数学方法描述的一种由几何元素组成的图形图像。

2.2 常用图像压缩标准
对于静止的图像，已有多个国际标准。

ISO制定了JPEG(Joint Photographic Experts Group)和JBIG（Join Bilevel Image Group）标准，ITU制定了G3、G4等标准。

在这些标准中，JPEG标准及其下一代的JPEG 2000标准运用的最为广泛。

2.2.1 JPEG
JPEG是关于静止图像编码的联合专家组名称的缩写。该专家组的任务是开发一种用于连续色调的（黑白的或真彩色的）静止图像压缩编码的通用算法的国际标准。

JPEG标准可用于自然景象或任何连续色调图像的数字数据的压缩编码和解码。

1.工作方式

（1）顺序方式 ：图像被分割为成行成列的小块，编码时由左而右、由上而下地逐行逐列对每个小块进行运算，直到所有小块都被编码为止。

（2）渐进方式 ：整个图像首先以一种低于最终质量要求的质量标准（如分辨率或数据精度）进行编码，完成后再以较上次高一级的质量要求进行一次编码，仅传输为改善质量所需增加的那部分信息。

2.编码算法

JPEG标准规定了三种级别的编码算法：基本系统（Baseline System）、扩展系统（Extended System）和无失真系统（Lossless System）。

JPEG的基本系统算法可以归结为以下几个过程：

（1）通过DCT降低图像数据的相关性。

（2）利用人眼视觉特性对系数进行自适应量化。

（3）对每个子块量化后的系数矩阵进行z形扫描，将系数矩阵变换成符号序列。

（4）用哈夫曼变长码对符号进行熵编码。

3.压缩效果

彩色自然景物和人像的测试图片:

压缩到0.15位/像素时，图像可识别；

压缩到0.25位/像素时，解码后的图像可评价为“有用”；

压缩到约0.75位/像素时，被认为是“极佳”；

压缩到约1.5位/像素时，基本上与原图像无法区别。

2.2.2 JPEG 2000
1.新特性

高压缩率

无损压缩

渐进传输

感兴趣区域压缩

码流的随机访问和处理

容错性

开放的框架结构

基于内容的描述

2.基本框架和实现

整个JPEG 2000的编码过程可概括：

（1）把原图像分解成各个成分（亮度信号和色度信号）。

（2）把图像和它的各个成分分解成矩形图像片。图像片是原始图像和重建图像的基本处理单元。

（3）对每个图像片实施小波变换。

（4）对分解后的小波系数进行量化并组成矩形的编码块。

（5）对在编码块中的系数“位平面”熵编码。

（6）为使码流具有容错性，在码流中添加相应的标识符。

（7）可选的文件格式用来描述图像和它的各个成分的意义。

3.核心算法

（1）小波变换

（2）量化

（3）熵编码

4.应用

JPEG 2000的应用领域可概略分成两部分：

一是传统JPEG的市场，如打印机、扫描仪、数码相机等；

再一个就是新兴应用领域，如网络传输、无线通信、数字图书馆、医疗图像等。对JPEG 2000热情最大的是数码相机厂商。

2.3 常用图形图像处理软件
图形图像处理软件一般具有扫描输入、图形图像编辑、打印输出及文件管理等功能，实际上是一个集各种运算方法于一体的操作平台，经过各种复杂的运算，以实现图形图像数据的读写、处理、变换和压缩保存等。

1.绘图设计软件AutoCAD

AutoCAD是由美国Autodesk公司开发的一个通用交互式绘图与设计软件，是用于二维及三维设计、绘图的系统工具，用户可以使用它来创建、浏览、管理、打印、输出、共享设计图形，具有易于掌握，使用方便，体系结构开放等特点 。

2009年3月，Autodesk公司推出AutoCAD 2010简体中文版。

2.图像处理软件Photoshop

Photoshop是Adobe公司最为出名的图像处理软件之一，集图像创作、图像修饰、图形编辑、彩色绘图、网页制作等于一体，在图形图像处理领域拥有毋庸置疑的地位。

Photoshop CS6（CS就是Creative Suite的意思）于2008年9月23日正式发行。

（1）功能介绍

图像编辑

图像合成

校色调色

特效制作

（2）编辑环境

（3）基本操作

（1）基本概念与基本知识

（2）文件操作

（3）控制页面显示

（4）标尺、网格和参考线

（5）图像的基本操作

（6）图像的色彩处理