第三章 图形与图像处理

教学目标：了解图形与图像概述；了解静止图像压缩标准；了解显示设备与扫描仪；掌握图像处理软件。

重点难点：图像处理软件。

教学内容：1．图形与图像概述

2．静止图像压缩标准

3．显示设备与扫描仪

4．图像处理软件

教学课时：3学时

教学过程：

3.1 图形与图像概述

一、光与色彩

图形与图像都是视觉媒体元素。

光的本质是电磁波，其电磁光谱如下：

可见光：780nm～380nm波长

色彩是人类视觉对可见光的感知结果，在可见光谱内不同波长的光会引起不同颜色感觉

光的波长与颜色对照

三基色原理：将红、绿、蓝三种颜色按照不同的比例进行组合，就可以引起人眼对自然界的全部颜色感觉。

颜色模式：指表示色彩的数字方法。

①RGB相加混合模式

RGB模式适用于显示器这类发光物体。

RGB是由三种基本颜色Red红、Green绿、Blue蓝组成，每种颜色的亮度大小用数字0-255表示，共有1670万种颜色。

R=G=B=0 黑色

R=G=B=255 白色

0灰色

②CMYK相减混合模式

CMYK模式主要用于彩色打印机和彩色图片印刷这类吸光物体上。

CMYK是由Cyan青色、Magenta品红色、Yellow黄色、Black黑色组成，每种颜色用百分数0-100%来表示。

C=M=Y=K=0% 白色

C=M=Y=K=100% 黑色

③HSB模式

HSB模式是根据人对颜色的感觉来描述的，适合从事艺术绘画的人描述色彩的方法。

HSB是由Hue色调、Saturation饱和度、Brightness亮度组成。

色调由可见光谱中各分量的波长来确定。

饱和度表示色彩的浓淡程度(掺入白光)。

亮度表示色彩的明亮程度(光的能量)。

色度＝色调＋饱和度

④YUV/YIQ模式

YUV模式用于PAL彩色电视制式，其中：

Y表示亮度信号，可构成灰色图像

U、V表示色度信号，是构成色彩的两分量

⑤黑白模式与灰度模式

黑白模式采用1bit表示一个像素，只能显示黑色和白色，适合制作黑白的线条图。

灰度模式采用8bit表示一个像素，形成256个等级，适合用来模拟黑白照片的图像效果。

二、图形与图像

1.图形(矢量图形、几何图形)

矢量图是用一组命令来描述图形，这些命令给出构成图形的各种属性和参数，如圆可以是圆心坐标、半径以及粗细和色彩组成的。

优点：图形文件占用空间较少。

缺点：图形复杂时，耗时相对较长。

软件：CorelDRAW

FreeHand

2.图像(位图图像、点阵图像)

位图是指在空间和色彩上已经离散化的图片，它通过描述画面中每一像素的颜色或亮度来表示该图像，非常适合表现包含大量细节的图片(如明暗、浓淡、层次和色彩变化等)。

优点：色彩和色调变化丰富，景物逼真。

缺点：缩放等处理后易失真，数据量大。

软件：Photoshop

PhotoImpact

三、图像的主要属性

1.分辨率

分辨率直接影响了图像的质量。

显示分辨率：指显示器屏幕上能够显示的像素数目，如：800*600。

图像分辨率：指组成一幅图像所拥有的像素数目，它反映图像在屏幕中显示的大小。

像素分辨率：指像素的宽高比(1:1)，在像素分辨率不同的机器间传输图像会变形。

2.颜色深度

指记录每个像素所使用的二进制位数。

彩色图像：图像可使用的最多颜色数目

灰度图像：图像可使用的亮度级别数目

3.图像数据量的计算

存储一幅图像的空间大小是：

图像数据＝图像分辨率×颜色深度/8(B)

[例3-1]一幅640×480的真彩色图像，未压缩的图像数据量是多少？

640×480×24/8＝921600B

＝900KB

四、图像的文件格式

图像数据在存储媒体中存放的格式称为文件格式，常用的文件格式有：

3.2 静态图像压缩标准

一、JPEG压缩标准

JPEG(Joint Photographic Experts Group,联合图片专家组)是ISO和ITU的联合技术小组，其任务是为连续色调(包括灰度或彩色)静态图像压缩制定通用的国际标准。

JPEG标准(ISO 10918)包括图像编码和解码过程以及压缩图像数据的编码表示。

二、JPEG 2000压缩标准

JPEG 2000(ISO 15444)是JPEG的更新换代标准，针对Internet应用和无线通信等领域。

关键技术：以离散小波变换DWT为主的多解析压缩方式

核心算法：EBCOT

高压缩比：比JPEG压缩性能提高30%

三、JPEG软件实现

编程语言：Visual Basic

Visual C++

四、JPEG图像压缩工具

JPEG是目前在Internet上应用最广泛的图片格式，其压缩比最高(仅为位图的1/10)。

1.JPEG Optimizer 4.0

功能：压缩和优化图像文件

特点：交互地实时显示改变压缩设置的图像效果，以便在压缩比例和图像质量上平衡。

2.JPEG Imager 2.0

3.JPEG Wizard 1.12

3.3 扫描仪与显示系统

一、扫描仪

1984年第一台扫描仪问世。

扫描仪是一种光、机、电一体化的数字化输入设备，它可以将图像或文字转换成计算机能够识别和处理的数字图像文件。

常用输入设备：键盘、鼠标器、扫描仪。

品牌扫描仪：HP、Microtek、Uniscan。

1.扫描仪的工作原理

扫描仪是由电荷耦合器件(CCD)阵列、光源及聚焦透镜等组成。

将光线照射在图片上，产生反射光或透射光,通过CCD将光线亮度以及色彩信号转换成模拟电信号，再经A/D转换成数字图像。

2.扫描仪的分类

⑴平板式扫描仪

平板式扫描仪是由步进电机带动扫描头对图片进行自动扫描。

特点：扫描精度较高、成像稳定

使用方便

适用场合：

精度要求较高

图稿幅面不大

⑵手持式扫描仪

手持式扫描仪是以手动的方式推动扫描仪对图片进行扫描。

特点：体积小、携带方便、价格便宜

缺点：图像失真(手推进速度不均匀)

适用场合：

图稿幅面小

精度要求不高

⑶滚筒式扫描仪

滚筒式扫描仪是采用扫描头固定、滚动式走纸机构移动图纸而自动完成扫描。

适用场合：大型工程图

A0、A1大幅面图稿

3.扫描仪的性能指标

⑴分辨率

光学分辨率：CCD元件数(一列)

600dpi×1200dpi(步进电机的步长)

CCD解析度

插值分辨率：通过算法在两像素间插入所要像素，使其超过光学分辨率的图像。

如标注最大分辨率是19200dpi。

dpi表示每英寸长度所含像素点的个数。

⑵色彩位数

它是用来表示扫描仪所能分辨颜色的数量，比如24位、30位、36位、42位、48位等。

色彩位数越高，图像色彩表现力越丰富。

⑶扫描速度

它是指扫描仪在扫描图稿时所需的时间。

影响它的主要因素：步进电机的速度

接口类型

分辨率的设定

⑷接口标准

USB接口：通用串行总线，支持热插拔

USB→12Mbps

USB 2.0→480Mbps

SCSI接口：SCSI卡，20Mbps

并行接口：安装方便，速度最慢

⑸扫描幅面

平板式扫描仪：A4、A3

滚筒式扫描仪：A0、A1

4.OCR文字识别

OCR(Optical Character Recognition)

光学字符识别

文字识别过程：

文字出版物→扫描仪→文字图像→OCR软件→识别为文本格式→文字处理软件排版

扫描仪捆绑销售软件：

①驱动程序：Windows 98/2000/XP

②字符识别软件：OCR软件

二、显示系统

1. 显示系统简述

2.显示卡

显示卡(显示适配器、显示接口卡)

显示卡是用于将主机中的数字信号转换成图像信号并由显示器显示出来。

⑴显示卡的基本结构

显示卡的基本结构是由显示芯片、显示内存、RAM DAC、VGA BIOS、总线接口等组成。

显示卡的工作过程：

①由CPU向图形处理部件发出命令

②显示卡将图形处理完成后送显示内存

③显示内存进行数据读取并送到RAM DAC

④RAM DAC将数字信号转化为模拟信号输出显示

⑵显示卡的性能指标

分辨率(解析度)：指在显示器屏幕上所能描绘的像素个数(横纵比为4:3)，如640*480、800*600、1024*768、1600*1200等。

颜色位数：指显示卡能同屏显示的色彩数量，如8位、16位、24位、32位等。

刷新频率：指在显示器上图像更新速度，即屏幕每秒重新显示的次数(>75Hz)。

刷新频率越高，屏幕图像闪烁感越小。

3.显示器

显示器是通过电子扫描的方式将计算机的信息以人能识别的形式实时地显示屏幕上。

显示器基本上都是CRT(阴极射线管)。

CRT是由电子枪、偏转线圈、荧光粉层、荫罩和玻璃外壳组成，彩色管是基于三基色显示的。

显示器的性能指标：

屏幕尺寸：指衡量显示器屏幕大小。

显象管尺寸→显象管对角线的长度(英寸)

可视尺寸→屏幕可视区的面积

光栅尺寸→实际显示的最大尺寸(背景)

如：14in、15in、17in、21in

点距：指一个荧光粉点组中心到另一个荧光粉点组中心的距离。

点距越小，显示图像越细腻。

如：0.28mm、0.27mm、0.26mm、0.25mm

分辨率：指屏幕上可容纳像素的个数。

显示器的分辨率受到屏幕尺寸和点距的限制，也与显示卡的性能有关。

扫描方式(隔行扫描和逐行扫描)：

隔行扫描是指更新屏幕数据需要两遍扫描(奇数行、偶数行扫描)，实现便宜但易闪烁。

逐行扫描是指更新屏幕时只需一遍扫描，其无闪烁标准是垂直刷新频率为75-85Hz。

垂直刷新频率→场频

4.液晶显示器

液晶显示器LCD是通过液晶材料和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图像。

液晶显示器主要尺寸是：12.1in、13.3in

14.1in、15in

可视角度可分为：

水平可视角度>1400

垂直可视角度>1200

3.4 图像处理软件

一、Photoshop概述

Photoshop是美国Adobe公司开发的一个强大的图像图形处理软件。

1.发展简史

1989：Adobe推出了Photoshop的Macintosh版，升级到2.5时才同时推出Windows版本。

1996：Photoshop 4.0

1998：Photoshop 5.0

2000：Photoshop 6.0

2002：Photoshop 7.0

2.基本功能

Photoshop可用来作各种平面图像处理、绘制简单的几何图形以及进行各种格式或色彩模型的转换等，创作出任何能构想的作品。

主要功能：①各种选择、绘图和色彩功能

②图像旋转和变换

③处理图像尺寸和分辨率

④图层、通道和滤镜功能

⑤支持大量图像格式和TWAIN32界面

3.应用于电脑绘图设计

①用Photoshop制作网页的图片和背景。

②排版软件PageMaker或多媒体创作工具Authoreare、PowerPoint等需要大量图片，可经Photoshop处理后的置入需要的文件中。

③绘图软件CorelDRAW完成的矢量图可置入Photoshop中进行编辑和修改。

④动画设计时，可用Photoshop制作的图片来充当素材或布置整个背景。

4.窗口组成

标题栏、菜单栏、工具箱

工具选项栏、文件浏览器、画笔面板

浮动面板：五组13个控制面板

Shift+Tab键、Tab键

图象编辑窗口：图像标题栏(文件名称、

图像格式、图像显示比例、色彩模型)

状态栏：图像显示比例、图像文件大小

Photoshop工作状态和工具提示

二、Photoshop基本操作

1.文件的管理

创建文件：文件/新建→新建对话框

图像名称、图像大小、图像背景色

保存文件：文件/存储为(16种格式)

文件/存储为Web所用格式

(GIF、JPEG、PNG)

打开文件：文件/打开，文件浏览器

关闭文件：文件/关闭，[关闭]按钮

2.选区的选取

选框工具：矩形、椭圆、单行、单列

Shift、Alt、Shift+Alt

套索工具：～、多边形、磁性

魔棒工具：Shift-添加、Alt-减少

选区编辑：移动选区(单击并拖动)

反选选区(选择/反选)

调整选区(选择/修改)

扩边.平滑.扩展.收缩

3.图像的编辑

复制：定义选区→移动工具(两图像间)

编辑/拷贝→编辑/粘贴(图像内)

变形：定义选区→编辑/变换

缩放、旋转、斜切、扭曲、透视等

自由变形：定义选区→编辑/自由变换

图像旋转和翻转：图像/旋转画布

改变图像的大小：图像/图像大小

裁切图像：图像/画布大小、裁切工具

4.图像色彩的调整(图像/调整)

色阶：调整色彩的明暗度和反差效果

色彩平衡：调整颜色的平衡度，色调平衡(暗调、中间调、高光)指着重更改的色调范围

去色：将整个图像或某个选区的彩色图像转变为灰度图像，但不改变图像模式

替换颜色：选择颜色范围来调整其色相、饱和度、亮度的值

渐变映射：根据图像灰度值来填充渐变色

反相：互补色 阀值：黑白图像效果

5.色彩与填充

⑴颜色与色板

前景色：使用绘图工具和文字工具的颜色

背景色：使用橡皮擦工具和删除选区时，背景色成为填充颜色

默认和切换：前景色和背景色

拾色器：单击前景色和背景色色块

浮动面板：颜色、色板

吸管工具：

⑵填充与描边

填充：指用颜色、图案等对选区或整幅图像进行填充(编辑/填充)

描边：对选区的边缘着色，制作出近似霓虹灯的图像效果(编辑/描边)

⑶混合模式

可完成不同的合成效果，其应用场合是：

①使用填充和描边功能时

②使用绘图和编辑工具时

③图层应用时

⑷油漆桶工具

用于填充图像或选区中颜色相近的区域，其中颜色的相近程度由“容差”值来决定。

⑸渐变工具

用于在选区内填充多种色彩以及样式的渐变效果。

五种渐变工具：线性渐变、径向渐变

角度渐变、对称渐变、菱形渐变

渐变编辑器：

6.绘图与编辑工具

画笔工具：绘制比较柔和的线条(毛笔)

铅笔工具：绘制不同粗细硬线条(铅笔)

橡皮擦工具：擦除图像颜色(背景色)

背景橡皮擦工具：擦除图像颜色(透明)

魔术橡皮擦工具：擦除相同色彩均为透明

仿制图章工具、图案图章工具

模糊工具、锐化工具、涂抹工具

减淡工具、加深工具、海绵工具

三、图层的应用

1.图层及其作用

图层是一个没有厚度、透明的电子画布。

图层的作用：①可以将图像中的各个部分独立出来并单独进行编辑或处理。

②将各个图层通过不同的模式混合，可产生不同的效果。

2.图层的基本操作

图层控制面板

图层的创建：[创建新的图层]按钮

图层的移动：拖动到指定位置

图层的复制：拖放到[创建新的图层]按钮

图层的删除：拖放到[删除图层]按钮

3.图层的设置

设置图层样式：双击图层缩览图

图层/图层样式/混合选项

[图层样式]对话框→更改设置

4.合并图层

图层过多将占据很大的内存

向下合并图层：图层/向下合并

合并可见图层：图层/合并可见图层

拼合图层：图层/拼合图层

四、通道与蒙版

1.通道及其作用

通道是图层中各种单色分量的分布状态。

通道的作用：①存储彩色信息

②保存选择区域

通道的种类：

①默认通道

RGB通道、红色通道、绿色通道、蓝色通道

CMYK通道、青色通道、洋红通道

黄色通道、黑色通道

②Alpha通道

Alpha通道是用来保存选区，它实际上是一幅256色灰度图像。黑→透明区，白→不透明区

③专色通道

2.通道的基本操作

通道控制面板

通道的切换：单击通道

创建新通道：单击[创建新通道]按钮

删除通道：拖放到[删除当前通道]按钮

复制通道：通道控制面板菜单/复制通道

3.Alpha通道

将选区存储到Alpha通道中

将通道作为选区载入

4.蒙版及其作用

蒙版实际就是存储的Alpha通道。

蒙版的作用：①存放选区的遮罩效果

②精确地修改遮罩范围

5.快速蒙版的制作

①选取需要修改的图像区域

②单击快速蒙版模式编辑工具

③使用橡皮擦工具等对蒙版区域进行编辑

④单击标准模式编辑工具(蒙版→选区)

五、路径与矢量图

Adobe Photoshop 位图(矢量图)

Illustrator 矢量图

1.路径及其作用

路径是一种线条的记录方式。

路径的作用：

①绘制复杂的图形，如卡通人、小动物

②选择图象，如图像边缘是流线形

③使用填充路径、描绘路径创作特殊效果

④路径可单独作为矢量图输出

关于路径术语：

锚点：属性(直线、曲线)

线段：连接两锚点的线

调整杆：选中带曲线属性的锚点

起点与终点

路径制作工具：

钢笔工具、自由钢笔工具

添加锚点工具、删除锚点工具、转换点工具

2.路径的基本操作

路径控制面板：

新建、复制、删除路径层

路径的切换、关闭路径

路径的编辑：

路径选择工具

直接选择工具

添加锚点工具

删除锚点工具、转换点工具

路径变形处理：编辑/自由变换路径

多个路径排列：工具属性栏

路径的填充：单击用前景色填充路径按钮

3.路径与选区的转换

将路径转换为选区：

路径控制面板菜单/建立选区

将选区转换为路径：

路径控制面板菜单/建立工作路径

4.矢量图绘制工具

⑴矩形工具

绘制矢量图(创建新的形状图层)：

新建文件→矩形工具→绘制一个矩形

设置填充色、图层样式

创建新的工作路径：

矩形工具属性栏→创建工作路径工具

创建填充区域：

矩形工具属性栏→创建填充区域工具

⑵圆角矩形工具

工具属性栏→设置圆角半径

⑶椭圆工具 Shift→正圆

⑷多边形工具

工具属性栏→设置多边形的边数

⑸直线工具

工具属性栏→设置直线的宽度

⑹自定形状工具

工具属性栏→形状面板→选取需要图形

六、典型滤镜效果

滤镜来源于摄影中的滤光镜，应用它可以在图像上产生一些特殊效果。

滤镜的操作过程：

①打开图像文件，选中要处理的区域；若要处理整个图象，则不需要选区域。

②选择某个滤镜的菜单命令，若出现对话框，可调整其参数以得到不同特殊效果的图像。

1.抽出对象

操作过程：

①打开图片→滤镜/抽出

②边缘高光器工具→沿边界绘制选取框

③填充工具→单击要保留区域

④单击预览按钮→确定

2.液化图像

使用液化命令可以对图像的特定区域进行互动式的扭曲、膨胀等变形操作。

3.无缝平铺图案

①打开图像→滤镜/图案创建

②选择一个矩形区域→生成→确定

4.像素化滤镜组

用来将图像分块或将图像平面化(背景)。

晶格化：使图像重排为一组不规则的小块体而产生晶状效果

铜版雕刻：使图像产生镂刻的版画效果

马赛克：使图像产生马赛克效果

5.扭曲滤镜组

使图像产生变形效果。

切变：按设定的弯曲路径来扭曲图像

极坐标：使方形图像变为圆形图像，反之

球面化：使图像产生球化弯曲

6.模糊滤镜组

通过减少相邻像素对比度使图像变得柔和

动态模糊：使图像沿某一方向进行位移

高斯模糊：用高斯曲线的分布方式来模糊

7.渲染滤镜组

用来在图像中创建三维形状、云彩、灯光和眩光等特殊效果。

云彩：使用前景色和背景色随机产生一种云彩效果。彩虹天空的操作步骤是：

①新建文件→选取前景色和背景色→滤镜/渲染/云彩

②选取径向渐变工具并双击→在径向渐变选项中单击编辑按钮→在渐变编辑器中选取透明彩虹渐变→将各色瓶按顺序叠放到最右边

③创建新图层→用渐变工具从下方向中间画直线→选取魔棒工具单击红色区域→选择/修改/收缩(3)→选择/羽化(2) →Del键→Ctrl+D组合键

④滤镜/模糊/高斯模糊(2.0)→调整彩虹图层的不透明度(25%)→合并图层→存盘

第三章 图与图像处理