教学课件：多媒体技术基础与应用(第3版)1.ppt

1、第一章第一章 多媒体技术概论多媒体技术概论 1.1 多媒体的概念 1.2 多媒体技术的发展 1.3 多媒体的应用领域 1.4 多媒体数据的特性与表现形式 1.5 多媒体关键技术1.1 多媒体的概念 1.感觉媒体(Perception)感觉媒体就是指能直接作用于人的感官，使人能直接 产生感觉的一类媒体。如声音、图像、文字、气味以及物体的质地、形状、温度等。2.表示媒体(Presentation)它是为了能更有效地加工、处理和传输感觉媒体而人 为研究和构造出来的一种媒体，例如语言编码，静态和活动图像编码以及文本编码等都称为表示媒体。3.显示媒体(Perception)指感觉媒体和用于通信的电信号之

2、间转换用的一类媒体，可分为输入显示媒体(如键盘、摄像机、话筒、扫描仪等)和输出显示媒体(如显示器、发光二极管、打印机等)两种。4.存储媒体(Presentation)用于存放数字化的表示媒体的存储介质，如磁盘、光盘、半导体存储器等。5.传输媒体(Display)用来将表示媒体从一处传递到另一处的物理传输介质，如同轴电缆、双绞线、光纤及其它通信信道。图图1-1 1-1 各种媒体之间的关系各种媒体之间的关系 1.1.2 多媒体的定义 1.什么是多媒体 定义1：所谓多媒体技术就是计算机交互式综合处理多种媒体信息文本、图形、图像和声音使多种信息建立逻辑连接，集成为一个系统并具有交互性。简言之，多媒体技

3、术就是计算机综合处理声、文、图信息的技术，具有集成性、实时性和交互性。定义2：所谓多媒体就是在数值、文字、图形等由计算机处理的信息中，使静止图像、语音、影像等时间序列信息相互关联，同步处理的技术。定义3：多媒体系统的特征是：用计算机对一些独立的信息进行一体化的制作、处理、表现、存储和通信，这些信息必须至少通过一种连续(时间存关)媒体和一种离散(时间无关)媒体进行编码。2.多媒体技术 多媒体技术是一种基于计算机科学的综合技术，它包括数字化信息处理技术、音频和视频技术、计算机软硬件技术、人工智能和模式识别技术、通信和网络技术等。或者说，所谓多媒体技术是以计算机为中心，把语音、图像处理技术和视频技术

4、等集成在一起的技术。1.1.3 多媒体的关键特性1.交互性 2.多样性 3.集成性4.同步性 1.2 多媒体技术的发展 1.2.1 信息载体革命的三个重要里程碑 文字的出现 印刷术的发明 现代计算机和互联网技术 1.2.2 媒体传播技术的历史发展与整合 图图1-5 1-5 历史上各类媒体的发展与整合历史上各类媒体的发展与整合 1.2.3 历史上的多媒体系统1.Commodore公司的公司的Amiga系统系统 图图1-8 1-8 采用采用Hyper CardHyper Card的的AppleApple计算机计算机(1984)(1984)2.Apple的Hyper Card 图图1-71-7基于基

5、于Motorola 68000Motorola 68000处理器的处理器的Commodore AmigaCommodore Amiga系统系统 3.Philips/Sony 公司的CD-I系统4.Intel/IBM公司的公司的DVI系统系统 图图1 18 8 PhilipPhilip的的CD-ICD-I系统系统1.3 多媒体的应用领域1娱乐娱乐 图图1-10 1-10 三维赛车游戏三维赛车游戏 2教育与培训 3多媒体办公系统 4多媒体在通信系统中的应用 5多媒体在工业领域和科学计算中的应用 图图1-12 1-12 多媒体技术用于模拟实验和仿真研究多媒体技术用于模拟实验和仿真研究 6多媒体在医疗

6、中的应用 图图1-13 Voxel-Man1-13 Voxel-Man的虚拟人体标本的虚拟人体标本 7各种咨询服务与广告宣传系统 8电子出版物 图图1-14 1-14 维基百科：网络时代的多语大百科全书维基百科：网络时代的多语大百科全书1.4 多媒体数据的特性与表现形式 1.4.1 多媒体数据的特性 1 1数据量大数据量大 2 2数据长度不定数据长度不定3 3多数据流多数据流 4 4数据流的连续记录和检索数据流的连续记录和检索 1.4.2 多媒体信息的主要形式1.文本文本2.图形与图像图形与图像 图图1-15 1-15 多媒体信息的主要表现形式多媒体信息的主要表现形式 3.音频 4.视频 5.

7、动画1.5 多媒体关键技术多媒体关键技术 1.5.1 数据存储技术 硬磁盘是计算机重要的存储设备。图图1-16 1-16 大容量存储设备大容量存储设备-磁盘阵列磁盘阵列 光盘是多媒体数据的重要存储介质 图图1-17 1-17 光盘是存储多媒体信息的主要介质光盘是存储多媒体信息的主要介质 1.5.2 多媒体数据压缩编码与解码技术 数据压缩技术目前已有以下一些国际标准：JPEG(Joint Photographic Experts Group)标准 MPEG-1(Moving Picture Experts Group)标准 MPEG-2标准 MPEG-4标准 H.261标准 1.5.3 虚拟现实

8、技术 虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是多媒体技术的最高境界，也是当今计算机科学中最激动人心的课题。虚拟现实是计算机软硬件技术、传感技术、人工智能及心理学等技术的综合结晶。它通过计算机生成一个虚拟的现实世界，人可与该虚拟现实环境进行交互，在各方面都显示出诱的前景。虚拟现实之所以能让用户从主观上有一种进入虚拟世界的感觉，而不是从外部去观察它，主要是依靠采用一些特殊的输入输出设备来实现。图图1-18 1-18 虚拟现实环境中的实验者虚拟现实环境中的实验者 最重要的输入最重要的输入/输出设备是头戴式显示器输出设备是头戴式显示器(Head Mount Head Mount Disp

9、layDisplay )，又称为数据头盔。，又称为数据头盔。图图1-201-20 数据手套的每一个指头上都装有一个传感器数据手套的每一个指头上都装有一个传感器 另一个重要的设备输入设备称为数据手套另一个重要的设备输入设备称为数据手套(Data GloveData Glove)，它是一种能感知手的位置及方向的设备它是一种能感知手的位置及方向的设备。传统的数据库只能解决数值与字符数据的存储检索。多媒体数据库除要求处理结构化的数据外，还要求处理大量非结构化数据。多媒体数据库需要解决的问题主要有:数据模型、数据压缩/还原、数据库操作、浏览及统计查询以及对象的表现。随着多媒体技术的发展，面向对象技术的成

10、熟以及人工智能技术的发展，多媒体数据库、面向对象的数据库以及智能化多媒体数据库的发展越来越迅速，它们将进一步发展或取代传统的关系数据库，形成对多媒体数据进行有效管理的新技术。1.5.5 多媒体网络与通信技术 多媒体技术与有线和无线通信(电话、电报、传真、数据)网络、广播和闭路电视网络、微波和卫星通信网络、计算机远程和地区性局域网络等各种通信技术相结合,产生了一种边缘性技术多媒体通信。对于多媒体通信而言,高速网络是基石,否则多媒体信息的特性将很难实现。当前，全新的电信组网技术、终端设备技术、多媒体技术、电视机技术、计算机IP网络技术，组合成了多媒体网络通信新的技术学科。多媒体网络通信的出现，有力

11、地推动了IP电话、视频会议、高清晰度电视、视频点播等领域的发展，推进了电信网、计算机网和有线电视网络相互融合的进程。1.5.6 智能多媒体技术 1993年12月，英国计算机学会在英国Leeds大学举行了多媒体系统和应用(Multimedia System and Application）国际会议上，由英国的两位科学家首次提出了智能多媒体的概念，引起了人们的普遍关注和研究兴趣。正如将人工智能看成是一种高级计算一样，智能多媒体应该看作为一种更加拟人化的高级智能计算。多媒体技术的进一步发展迫切需要引入人工智能，要利用多媒体技术解决计算机视觉和听觉方面的问题，必须引入知识，这必然要引人工智能的概念、方

12、法和技术。1.5.7 多媒体信息检索 多媒体信息检索是根据用户的要求，对图形、图像、文本、声音、动画等多媒体信息进行检索，得到用户所需的信息。基于特征的多媒体信息检索系统有着广阔的应用前景，它将广泛用于电子会议、远程教学、远程医疗、电子图书馆、艺术收藏和博物馆管理、地理信息系统、遥感和地球资源管理、计算机支持协同工作等方面。第二章 多媒体计算机系统 2.1 多媒体计算机系统的组成及其发展 2.2 多媒体计算机主机系统 2.3 磁存储系统及其工作原理 2.4 显示系统及其工作原理 2.5多媒体信息处理器及芯片2.1 多媒体计算机系统的组成及其发展 2.1.1 多媒体计算机系统的层次结构 计算机系

13、统由硬件系统和软件系统两部分组成。多媒体计算机系统是对基本计算机系统的软硬件功能的扩展，作为一个完整的多媒体计算机系统，它应该包括五个层次的结构。多媒体应用程序接口CPUCPU多媒体存储多媒体存储图像图像3D图形3D图形音频音频视频视频多媒体文件系统多媒体文件系统多媒体操作系统多媒体操作系统多媒体通信系统多媒体通信系统硬件系统API软件系统多媒体应用系统创作工具图形处理图形处理图像处理图像处理音频处理音频处理视频处理视频处理图图2-1 2-1 多媒体计算机系统的组成多媒体计算机系统的组成 2.1.1 多媒体计算机系统的层次结构 硬件技术的发展 系统功能的不断完善 多媒体技术未来的发展方向图图2

14、-2 2-2 多媒体计算机硬件系统及常用外部设备多媒体计算机硬件系统及常用外部设备2.2 多媒体计算机主机系统 2.2.1 CPU-给你一颗奔腾的”芯”CPU是中央处理单元的缩写，或称作微处理器(Microprocessor)，微型电子计算机的CPU是由一块大规模集成电路芯片组成。图图2-4 Intel2-4 Intel的最新微处理器的最新微处理器Core 2Core 2（酷睿（酷睿2 2）DuoDuo 2.2.2 半导体储器及其工作原理 1.只读存储器-ROM ROM可分为掩模ROM、PROM、EPROM、E2PROM和快闪存储器等几种不同类型。2.随机存储器-RAM 随机存储器也叫随机读/

15、写存储器,简称RAM.3.非易失性存储器 通俗地解释，非易失性存储器是指那些断电后数据仍然能保留的半导体存储器。图图2-8 2-8 安装在主板上的安装在主板上的DRAMDRAM内存储器内存储器图图2-9 Cache2-9 Cache在在CPUCPU与与RAMRAM间提供了快速的数据交换间提供了快速的数据交换 图图2-10 DRAM2-10 DRAM基本单元基本单元(CELL)(CELL)图图2-11 DRAM2-11 DRAM基本单元由列和行来寻址基本单元由列和行来寻址 2.2.3主板 主板是微机系统中最大的一块电路板，它的英文名字叫做“Mainboard”或“Motherboard”。主板上

16、布满了各种电子元件、芯片及芯片组、插槽、接口等。它为CPU、内存和各种功能（声、图、通信、网络、TV、SCSI等）卡提供安装插座（槽）；为各种磁、光存储设备、打印和扫描等I/O设备以及数码相机、摄像头、Modem等多媒体和通讯设备提供接口，实际上，微机通过主板将CPU等各种器件和外部设备有机地结合起来形成一套完整的系统。2.2.4 总线结构 1.内部总线 2.外部总线图图2-12 2-12 主板中的白色扩展槽是主板中的白色扩展槽是PCIPCI插槽插槽 2.2.5 计算机与外部设备的接口及标准 (a)RS-232 (a)RS-232串行接口串行接口 (b)(b)并行接口并行接口 图图2-14 2

17、-14 计算机上的计算机上的USBUSB接口接口 2.3 磁存储系统及其工作原理 2.3.1 磁存储原理 2.3.2 硬盘存储系统 2.3.3 磁盘阵列图图2-17 RAID12-17 RAID1结构图结构图 图图2-18 RAID 52-18 RAID 5结构图结构图 2.3.4 磁带存储图图2-19 2-19 磁带存储设备磁带存储设备 2.4 显示系统及其工作原理 2.4.1 CRT显示器 1.CRT显示器如何显示彩色 2.点距 3.CRT显示器的行频、场频和带宽图图2-20 2-20 荫罩孔的距离称为点距荫罩孔的距离称为点距 图图2-21 2-21 荫栅式彩色显示器结构荫栅式彩色显示器结

18、构 2.4.2 液晶显示器图图2-22 2-22 液晶显示器广泛地应用在各种产品中液晶显示器广泛地应用在各种产品中 2.4.2 液晶显示器 1.什么是液晶 2LCD液晶显示器工作原理图图2-23 2-23 热致型液晶的物态相变热致型液晶的物态相变液 晶 层偏 光 板偏 光 板图图2-242-24偏光板工作原理偏光板工作原理图图2-25 2-25 液晶是具有规则性分子排列的有机化合物液晶是具有规则性分子排列的有机化合物 2.4.3 显示卡图图2-26 2-26 显示卡结构及工作原理显示卡结构及工作原理 2.5多媒体信息处理器及芯片 2.5.1 数字信号处理器图图2-27 2-27 微电子技术产品

19、：数字信号微电子技术产品：数字信号处理器处理器DSPDSP 2.5.2具有多媒体功能的微处理器 计算机微处理器芯片是多媒体计算机的核心，它的性能好坏直接影响到多媒体计算机的整体功能。为加速对多媒体信息的处理速度，Intel公司推出了基于MMX技术的微处理芯片。MMX技术将面向多媒体数据处理的指令集成到CPU芯片内，这对多媒体系统的体系结构带来了革命性的影响。2.5.3 媒体处理器 媒体处理器可定义为一种专门用于同时快速处理多个多媒体数据的可编程处理器,在媒体处理器中执行特定多媒体功能的软件称为媒体件(Mediaware)。由媒体处理器和媒体件共同处理包括图形、视频、音频及通信在内的各种多媒体数

20、据类型。第3章 多媒体光盘存储系统 3.1 光盘存储系统 3.2 光盘的标准 3.3 光存储介质的结构与工作原理 3.4光盘数据编码与光盘生产过程 3.5光盘库与光盘镜像服务器3.1 光盘存储系统 3.1.1 信息时代的数字化纸张-光盘 光盘在存储多媒体信息方面具有以下主要的特点。1.记录密度高 CD光盘的表面的存储位（凹痕）DVD光盘的表面的存储位（凹痕）图3-1 DVD比CD提供了更大的存储容量 2.存储容量大图3-2 一张光盘可存放16万页A4开本的文本信息资料 3.采用非接触方式读/写信息图3-3 光头不与光盘片直接接触 图3-4 光盘可以存储多种媒体 4.信息保存时间长 对于只读型光

21、盘，不必但心文件会被误删除，更不必忧虑受到病毒的侵扰。如果使用得当，一张光盘上的信息可保存长达几十年甚至更长。5.不同平台可以互换 光盘上的信息按照标准格式记录，即使在不同的硬件或软件平台上，光盘中的信息也可以被正确读出。6.取代传统媒体存储介质 光盘可以同时存储计算机程序、文字、音乐、图形、影像、等多种媒体信息。7价格低廉 与磁带、磁盘相比，光盘是目前计算机数据最便宜的存储介质。3.1.2 光盘的类型 1.只读型光盘存储器 2.多次可写光盘存储器 3.可重写光盘存储器只读光盘中的数据是用压模方法压制而成的，用户只能读取上面的数据，而不能写入或修改光盘中的数据。允许用户一次或多次写入数据，并可

22、随时往盘上追加数据，直到盘满为止。信息写入后则变成只读状态，不可再作修改，主要用于重要数据的长期保存。3.1.3 CD-ROM驱动器的工作原理 图3-5 光盘驱动器工作原理 3.1.4 光驱读取光盘的两种方式 CD-ROM光盘信息组织和其地址编码与软盘、硬盘不一样，由于它的光道是螺 旋形的光道（图3-6），光 盘在光驱中以恒定线速度 旋转，为有效提高对光盘 的读取速度，光驱在工作 时有CLV和CAV两种方式。3.2 光盘的标准 目前主要的光盘标准及产品有：CD-DA、CD-ROM、CD-R、VCD、DVD、蓝光DVD等（图3-7）。图3-7 光盘技术发展过程中的主要产品 光盘的标准:3.2.1

23、 CD-DA 标准 3.2.2 CD-ROM标准 3.2.3 CD-R标准 3.2.4 Video-CD 3.2.5 DVD 3.2.6 DVD的蓝色接班人-蓝光DVD与HD DVD3.3 光存储介质的结构与工作原理 3.3.1光存储介质的概念 3.3.2 光盘结构综述图3-8 光盘的一般结构 1.基板 2.记录层(染料层)3.反射层 4.保护层 5.标签层（印刷层）光盘结构：3.3.3光盘记录密度及其技术图3-10 CD、DVD、BD（蓝光DVD）三种类型光盘的容量与记录密度比较图3-11 CD与DVD光盘的轨道间距与存储位比较 3.3.4 CD-R光盘结构与记录信息的原理 1.CDR的结构

24、 2CDR的写入过程图3-12 CD-R的剖面结构 3.3.5 磁光盘记录信息的原理 磁光型光盘（MOD）(图3-13)主要是由各种易于在垂直于表面方向磁化的介质制成。图3-14(a)磁光型光盘工作原理 图3-14(b)磁光型光盘结构 3.3.6 相变光盘记录信息的原理(a)有序的结晶结构 （b）无序的非结晶状态图3-15相变材料具有可变的晶体结构图3-16 激光束加热相变材料某一区域时，可改变其晶体结构 3.3.7 DVD光盘结构与类型 1DVD-ROM的结构图3-17 DVD-ROM的几种结构 2.DVD的规格标签面透明聚碳酸酯基底金属反射层染料记录层导槽染料记录层透明聚碳酸酯基底半透明金

25、属反射层激光束图3-19 DVD+R光盘的剖面结构 图3-20 DVD-RAM的数据结构图3-21 DVD-RAM的光盘结构3.4光盘数据编码与光盘生产过程 3.4.1 光盘数据的编码图3-22 光盘上0和1数字的表示111010001110001010111010000100100000101001 0001 00001000010000100100000100100000101001 0001 000010000100001001000100000018位 数 据 14位 调制 数 据加 合 并 位图3-23 EFM调制编码示意图 3.4.2光盘的生产制作过程 1.预制主片 2.制主片 图

26、3-24 玻璃盘的光刻过程 3.电铸 4.复制 图3-25 液态树脂送入光盘的模具型腔中 5.印刷和包装图3-27 丝网印刷的光盘封面 3.5光盘库与光盘镜像服务器 3.5.1 光盘库图3-30 光盘库利用机械手来装卸光盘 图3-31 光盘库模块化系统结构框图 3.5.2光盘镜像服务器图3-32 典型的NAS结构 第第4章章 多媒体音频信息处理多媒体音频信息处理 4.1 音频信号及其概念 4.2 模拟音频的数字化过程 4.3 声卡 4.4 音频文件的格式与处理软件 4.5 乐器数字接口-MIDI4.1 音频信号及其概念 4.1.1 声音处理技术历史回顾图4-2用磁带记录声音的录音机 4.1.2

27、 声音信号的形式图4-4 在自然界，声波与水波一样都是一种振动波 图4-5 用声音录制软件记录的英文单词”Hello”语音的实际波形 4.1.3 模拟音频信号的物理特征振幅周期频率图4-6 声波的频率、周期与振幅 4.1.4 模拟与数字 图4-7 借助于A/D或D/A转换器，模拟信号和数字信号可以互相转换 4.1.5 与声音有关的几个术语 所谓听觉，就是接收声音并转换成神经脉冲的过程。所谓感知是指将听到的声音经过大脑的处理后转换成给定的含义。音高是人对声波频率的主观属性，它首先与声波的频率有关。声波的振动频率高，我们听到的声音就高，反之亦然，但它们之间并非线性关系。音色是声波波形的主观属性。不

28、同的发音体所发出的音波都有自己的特异性。声波的类型是多种多样的，一般可分为纯音和复合音两大类。语音是特殊的复合音。语音由元音和辅音所构成。元音是一种能连续发出的音乐，辅音主要是不能连续发出的短促的噪音，元音与辅音合成汉语音节。响度是声波振幅的主观属性，它是由声波的振幅引起的。振幅越大则响度越大，但它们之间也不是线性关系。4.1.6 声音质量的评价 1声音客观质量的度量方法 2声音主观质量的度量 3.声音质量分级与带宽电话调幅广播调频广播CD-DA 10 20 502003.4K7K15K频率（Hz)图4-8 四级声音质量的频率范围 4.2 模拟音频的数字化过程图4-9 声音的采样和量化示意图

29、4.2.1采样 为实现A/D转换，需要把模拟音频信号波形进行分 割，以转变成数字信号，这种方法称为采样(Sampling)。4.2.2 量化用某种数字化的方法来反映某一瞬间声波幅度的电压值的大小称为量化 4.2.3 声音采样与量化过程示例图4-10 采样频率为1000Hz，10个量化等级的波形图4-11 经过D/A转换器得到的信号波形(直线段的波形)有较大的失真图4-12 采样率为2000Hz，量化等级为20的采样量化过程图4-13 采样率为4000Hz，量化等级为40的采样量化过程 4.2.4 编码输入信号解码器传输/存储编码器输出信号图4-14 音频信号处理过程4.3 声卡 4.3.1 声

30、卡的工作原理游戏接口MIDI接口混合信号处理器总线接口和控制器数字声音处理器MIC放大器功率放大器音乐合成器麦克风输入Line输入CD输入扬声器输出PC总线数据总线地址总线控制总线图4-16 声卡工作原理框图 1主芯片-数字信号处理器 2混音芯片-CODEC 图4-18 Sound Blaster PCI64声卡的混音器设置界面 3.合成器 MIDI合成器有两种：频率调制合成器(FM合成器)、波形表(Wave table合成器)。4.总线接口和控制器 总线接口和控制器由数据总线双向驱动器、总线接口控制逻辑、总线中断逻辑和DMA控制逻辑组成。5.外部输入输出口 声卡外部输入输出口均为3.5mm规

31、格插口（MIDI/Joystick除外）4.3.2 声卡的性能指标 1音频技术指标 2MIDI音频 3声道数 图4-19 5.1声道系统的布局图 4.多音频流输出 5.I/O设备接口 6.声卡软件 7总线结构图4-20 支持5.1声道系统的声卡接口4.4 音频文件的格式与处理软件 4.4.1 数字音频的文件格式图4-21 常用音频格式 1.WAV文件 2.VOC文件 3.MP3 4.MP4 5.RealAudio文件.RA/.RM/.RAM 6.AIFF文件.AIF/.AIFF 图4-22 MP3是Internet上流行的音乐格式 4.4.2 音频制作与处理软件 1CoolEdit 图4-25

32、 CoolEditPro 的界面 2Sound Forge图4-26 Sound Forge音频处理软件 4.5.1 什么是MIDI MIDI 是数字音乐接口（Musical Instrument Digital Interface)的缩写。或者说，MIDI是用来將电子乐器相互连接，或将MIDI设备与电脑连接成系统的一种通讯协议。通过它，各种MIDI设备都可以准确传送MIDI信息。4.5 乐器数字接口-MIDI 4.5.2 MIDI系统的组成 1.合成器图4-28 具有USB接口的MIDI键盘 2音源图4-29 硬件音源产品（Roland JV1080）3音序器(Sequencer)4采样器

33、5其它设备 如录音设备、监听设备、音箱功放等 4.5.3 MIDI的工作过程MIDI接口音序器合成器MIDI文件MIDI乐器MIDI指令图4-31 MIDI的工作过程 4.5.4 FM与波表合成方式 1.FM合成法 FM称为“数字式频率调制合成法”，简称FM合成法。FM合成法生成音乐的基本原理是，用数字信号来表示不同音乐的波形，然后把它们组合起来，再通过数模转换器（）生成音乐播放。2.波表合成法 使用FM合成法来产生各种逼真的音乐是相当困难的，有些音乐几乎不能产生。为了能真实地再现音乐，目前的声卡一般采用音乐样本合成法，即波表合成法。4.5.5 GM-标准MIDI乐器排序表 4.5.6 MID

34、I音乐创作软件与音序软件图4-33 CakeWalk Pro Audio音序软件主界面 图4-34 在Cakewalk Pro Audio能容易地对MID乐谱进行编辑和创作第5章 数字图像处理技术 5.1 数字图像处理概述 5.2 数字图像处理的主要研究内容 5.3 图像与图像数字化过程 5.4 图像处理中的色彩学知识 5.5 位图绘画与编辑 5.6 图像文件格式与图像处理软件5.1 数字图像处理概述 5.1.1 廓清数字图像的概念图5-1 图像的分类 5.1.2 图像的数字化 数字化(digitizing)是将一幅图像从其原来的形式转换为数字形式的处理过程。“转换”是非破坏性的，因原始图像未

35、被破坏掉。数字化的逆过程是显示(display)，即由一幅数字图像生成一幅可见的图像，常用的等价词有“回放”和“图像重建”。扫描(scanning)指对一幅图像内给定位置的寻址，在扫描过程中被寻址的最小单元是图像元素(picture element)即像素(pixel)，对摄影图像的数字化就是对胶片上一个个小斑点的顺序扫描。矩形扫描网格常称为光栅。采样(sampling)是指在一幅图像的每个像素位置上测量灰度值。采样通常是由一个图像传感元件完成，它将每个像素处的亮度转换成与其成正比的电压值。量化(quantization)是将测量的灰度值用一个整数表示。由于数字计算机只能处理数字。因此必须将连

36、续的测量值转化为离散的整数。在图像传感器后面经常跟随一个模数转换器(ADC)，将电压值转化成一个整数。图5-2 图像的数字化 5.1.3电磁波谱 光是电磁波，但并不是所有电磁波都能引起视觉，就像声音是机械波，但并不是所有机械波都能引起听觉一样。人眼可以感受到的电磁波称为“可见光”。它在整个电磁波谱中仅占很小的部分，可见光波的波长约为400700（nm）。在可见光波范围以外，还存在着大量的看不见的射线，如红外线、紫外线、X射线、射线等，它们也是电磁波。图5-3 电磁波谱 5.1.4 图像感知和获取(c)矩阵传感器(b)线性传感器(a)单个成像传感器 图5-4 3种传感器装置的结构类型图5-5 线

37、状传感器常用于航空成像 5.1.5 图像的表示 1.空间图像与平面图像的形式化表示 2.二维平面图像的矩阵表示 5.1.6 数字图像处理系统图5-7 数字图像处理系统图5-8 数字图像处理与其他相关学科的关系5.2 数字图像处理的主要研究内容 1.图像数字化 2.图像增强 原图图5-9 直方图的均衡化的结果直方图均衡化后的结果 3图像几何变换 4图像恢复原图像受到噪声干扰的图像去噪处理后的图像（Wiener滤波）图5-10 用滤波方法恢复图像的质量 5图像重建 6图像隐藏 7图像变换图5-11 将空间域的图像通过变换转换到频率域 8图像编码 9图像识别与理解 图5-12 美国警方采用图像识别系

38、统辨别罪犯，该系统每分钟以1500万画面的速率进行面部匹配5.3 图像与图像数字化过程图像与图像数字化过程 5.3.1 图像的采样 图5-13 图像采样就是在水平方向和垂直 方向上等间隔地将图像分割成矩形网状结构 图5-14 不同采样精度所获得的图像分辨率不同 5.3.2 图像量化度图像是指每个像素由一个量化的灰度来描述的图像。所谓的灰度级，是指在显示图像时，将最暗像素点的值到最亮像素点的值的区间，分成若干个级别，然后对亮度用某种码字来进行表示。灰度级是以比特位为单位来描述的，灰度图像示例如图5-15所示。1 bit(2级灰度)5 bit(32级灰度)4 bit(16级灰度)3 bit(8级灰

39、度)2 bit(4级灰度)图5-15 不同灰度级别的图像效果5.4 图像处理中的色彩学知识 5.4.1 认识色彩图5-17 太阳光经三菱镜后会产生色散现象 图5-18 物体呈现出的颜色是光的反射或透射作用的结果 5.4.2 色彩的三要素图5-19 色调环图5-20 掺入白光对饱和度的影响 5.4.3 色彩模型 1.什么是色彩模型 在进行数字图像处理时，常常会涉及到用几种不同色彩模型（或颜色 模型）来表示图像的颜色。使用色彩模型的目的是尽可能多地及有效 地描述各种颜色，以便需要时能方便地加以选择。各个应用领域一般 使用不同的色彩模型。图5-21 色彩空间是一个三维的模型 2.色域（Color g

40、amut）图5-22 三种彩色模型的色域颜色范围 3.RGB模型 4.HSL 模型 图5-23 RGB模型 5.CMYK模型 6.Lab模型5-25 四色印刷基于C、M、Y、K四种颜色叠印的原理 图5-26 Lab模型 5.4.4 颜色深度与位平面 位图图像中像素的灰度信息是用若干二进制数据位来表示的，这些数据位的个数称为图像颜色的深度。颜色深度反映了构成图像的颜色总数目。若图像灰度采用1Bit来表示一个像素，像素灰度的值只有两个，通常用0(白色)或1(黑色)表示，这样的图像称为二值图像，如图5-27所示。黑白模式无法表示层次复杂的图像，只能表示简单的黑白线条图。图5-27 二值图像与示例 如

41、果图像用8bit来表示一个像素，即将纯黑和纯白间的灰度等级层次等分为256级，就形成了256等级的灰度模式，可以用来模拟黑白照片的图像效果，其灰度效果如图5-28所示。图5-28 如果图像量化为8比特，共有256种灰度等级 5.4.5 分辨率 1.显示分辨率 2.图像分辨率 3.扫描分辨率 4.打印分辨率图5-29 不同图像分辨率下实际显示图像的大小5.5 位图绘画与编辑 5.5.1.位图绘画与数字化绘图板 数字化绘图板是提供绘画创作人员的压感输入型设备，其类型可分 标准型或嵌入显示器型，绘画者手持钢笔状的尖笔在绘图板上或屏 幕上直接作画（图5-30），这完全取代了鼠标的操作。图5-30 数字

42、化绘图板：用于绘画的标准型和嵌入显示器型 目前，数字化绘图板支持所有常见的专业绘画、绘图及图像处理软件，无论是在插画、动画、3D创作，或者是数码摄影、平面设计、多媒体设计、影视编辑方面的工作，数字化绘图板在许多艺术创作领域中得到广泛使用，很多动画特技或精美的设计效果都是用数字化绘图板画出来的（图5-31）。图5-31 用数字化绘图板设计创作的作品 5.5.2 基本绘画工具 1.画笔 每一种画笔都有多种变体和特性，还可以设置画笔直径的大小，以及笔尖的角度、圆度和硬度等，这使得画笔变得丰富多彩，满足各种风格的绘图效果需求(图5-32)。图5-32 画笔笔尖形状与不同笔刷线条 2.选区 图5-33

43、建立选区（图中的白色虚线部分）并利用选区实现图像的“抠图”3.颜色与调色板图5-34 调色板与颜色控制滑块 4.渐变 图5-35 渐变的效果 5.5.3 色彩调整原图 改变明亮/对比度 改变色彩平衡 改变色相与饱和度 图5-36 图像色彩调整示例 图像色彩调整主要包括直方图分布图、色阶调整、色彩平衡、明亮/对比度、色调和饱和度、色彩校正等。举例来说。色调/饱和度调整可在一个对话框中对滑块进行控制，只要简单地移动滑块就可以改变图片的整体色谱，并可以看到效果（图5-37）。图5-37 色调/饱和度对话调整框 5.5.4 滤镜图5-39 天鹅（左图）的碳铅画滤镜效果（右图）图5-40 鹰的原图像（左

44、图）与水彩滤镜（中图）、马赛克拼图滤镜（右图）的效果比较 5.5.5图层图5-41 原图（左）与加入新图层后的效果图（右）5.5.6通道图5-42 PhotoShop图像软件中的RGB颜色通道 5.5.7 图层蒙版图5-43 利用图层蒙版技术，将两张图像（左图与中图）合成为一张图像（右图）5.6 图像文件格式与图像处理软件 5.6.1 常用图像文件格式 图像在存储媒体（如磁盘、光盘）中储存格式，称为文件格式。图像文件主要是指位图图像，是由无数个像素点组成的。图像文件的存储格式有多种，如图5-44所示。图5-44 常见图像格式文件 1.BMP 2.JPEG 3.JPEG2000格式 4.TIFF

45、格式 5.GIF 6.MAC PAINT格式(文件扩展名为.MPT、.MAC)7.PhotoShop格式(文件扩展名为.PSD)8.PNG格式 5.6.2 图像处理软件Adobe PhotoShop 图5-45 PhotoShop CS2的工作界面与工具框第第6章章 计算机图形学与图形处理计算机图形学与图形处理技术技术 6.1 计算机图形学概论 6.2计算机图形学的发展与应用 6.3 二维矢量绘图与编辑 6.4 三维真实感图形技术 6.5 实时真实感图形学技术 6.6 矢量图格式与绘图软件6.1 计算机图形学概论 6.1.1 计算机图形学研究的主要内容图6-2 利用真实感图形技术生成的的实体模

46、型 6.1.2 计算机图形处理的基本内容 图形处理包括的主要内容有:几何变换，如平移、旋转、缩放、透视和投影等 曲线和曲面拟合 建模或造型 隐线隐面消除 阴暗处理 纹理产生 着色 6.1.3 计算机图形系统的组成与功能 作为一个图形系统，至少应具有计算、存储、输入、输出、人机交互等五个方面的基本功能。计算功能 存储功能 输入功能 输出功能 人机交互功能 6.2 计算机图形学的发展与应用 6.2.1 计算机图形学的发展DAC-1,世界上首个用于汽车发动机设计的CAD系统，1959年由IBM开发世界上第一台光笔交互式 图形显示器IBM2250图6-4 早期的计算机图形应用系统 6.2.2 计算机图

47、形学的应用领域 1.计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）图6-5 用CAD设计的波音（BOEING）777 2.图形化的用户接口 3.地形地貌和自然资源图 4.科学计算可视化 5.计算机动画和艺术 三维动画电影精灵鼠小弟 计算机创作的静物风格作品 图6-7 计算机动画与艺术创作 6.3 二维矢量绘图与编辑 6.3.1 矢量图形对象与绘图工具 1.矢量图形对象 2.绘图工具 图6-8 矢量绘图软件提供的工具箱 交互式工具是矢量绘图软件中的一个非常重要的功能，通过 一系列的交互工具的使用，可以创建出令人惊叹的效果。使 用“调和工具”，可以将两个对象通过调和平滑的组合在一 起，在矢量图形对象之间产

48、生形状、颜色的连续变化（图6-9a）。交互式变形工具可以同时对多个矢量对象进行变 形（图6-9b）。(a)交互式调和工具效果(b)交互式变形工具效果（注意变形前后两个图形的不同）图6-9 交互式工具的使用 智能绘图工具自动对涂鸦的线条进行识别、判断并组织成 最接近的几何形状，如图6-10所示。图6-10 智能绘图工具能将手绘草图 转换成最接近的几何形状 6.3.2路径与锚点 开放路径：路径有两个明显的端点（锚点），中间有任意数目的定位点。闭合路径：路径是连续的，没有终点和起始点。闭合路径对象是可以填充的，而开放路径对象则不能填充。复合路径：由两个或多个开放或闭合路径组成。图6-11 路径及其绘

49、图实例 6.3.3 曲线编辑图6-12 由两个Bazzier曲线段连接而成的曲线，拖动方向线可改变曲线的弯曲形状 6.3.4填充与渐变 图6-13 渐变与图案填充效果 图6-14 渐变网格应用示意图及作品 6.3.5 矢量字体图6-15 用矢量绘图软件设计的美术字体 6.3.6 三维造型图6-16 用Adobe Illustrator CS矢量绘图软件设计的三维图形6.4 三维真实感图形技术 6.4.1 真实感图形技术研究的内容 6.4.2 计算机三维图形建模与表示 1.三维物体的投影与透射图6-17 直线段P1P2在投影平面平行投影 2.多边形网格模型图6-19 一个物体的多边形网格表示图6

50、-20 三维模型的面是由多边形或曲面组成的 3.三维物体的数值表示 图6-21为一立方体模型。立方体的顶点表坐标构成该物体的三维模型信息。图6-21 立方体模型的顶点表示 4.如何获取多边形网格(a)三维数字化仪 (b)实物(c)物体表面的网格表示 图6-22 利用三维数字化仪为创建三维模型 6.4.3 三维几何造型方法图6-23 三维实体模型的表示 图6-24 复杂曲面的三维建模应用：表面模型（左图）与实体模型（右图）6.4.4 三维物体消隐 (a)线框图 (b)从右上往下看（C）从左下住上看 图6-25 线框模型具有二义性 线框图 线消隐 面消隐 图6-26 线消隐与面消隐 消隐算法大致可