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第二部分 多媒体图像处理技术. 医学院生物医学工程研究所. 第 7 章 概述. 7.1 图像处理技术简介 7.2 图像的分类、格式、大小和分辨率 7.3 图像的色彩模式 7.4 图像的输入、输出设备. 7.1 图像处理技术简介.
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第二部分 多媒体图像处理技术 医学院生物医学工程研究所
第7章 概述 • 7.1 图像处理技术简介 • 7.2 图像的分类、格式、大小和分辨率 • 7.3 图像的色彩模式 • 7.4 图像的输入、输出设备
7.1 图像处理技术简介 图形图像处理技术是计算机应用中非常普遍的一种技术，不仅广泛应用于专业的美术设计、彩色印刷、排版、摄影等领域，而且也越来越受到广大普通电脑用户的喜爱。尤其是随着网络的发展和普及，随着网页制作的流行，对网页中的图像的处理要求也越来越高。本章主要介绍图形图像处理的基础知识，包括图形硬件、软件的发展及其应用、图像色彩的模式、图像处理的数据、格式、分辨率等内容
7.1.1 计算机图形硬件的发展 计算机图形制作是随着电子计算机及其外部设备的产生而发展起来的。1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院旋风I号计算机的附件诞生了，该显示器用一个类似于示波器的屏幕来显示一些简单的图形。1958年美国Calcomp公司将数字记录仪发展成滚筒式绘图仪。1962年，MIT林肯实验室首次证明了交互式计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域，从而确定了计算机图形学作为一个新的科学分支的独立地位。
20世纪60年代至70年代，交互式的计算机图形系统在许多国家得到了应用，并得到了进一步的开发和完善，被广泛应用于军事、工业、教育和事务管理等领域。70年代末80年代初，个人计算机的出现使图形系统提高到了又一个崭新的阶段。80年代末期图形应用技术已进入了家庭。
20世纪90年代后，计算机的图形功能除了随着图形设备的发展而提高外，其自身也朝着标准化、集成化和智能化的方向发展，特别是多媒体技术、人工智能及专家系统技术使图形系统越来越受到人们的注意，同时又向计算机图形学提出了更新更高的要求，使得三维乃至高维计算机图形学在真实性和实时性方面将有飞速发展。
20世纪70年代中期，由于廉价的固体电路随机存储器的出现，可以提供比十年前大得多的刷新缓冲存储器，因而可以采用基于电视技术的光栅图形显示器。在这种显示器中，被显示的线段、字符、图形及其背景色都按像素存储在刷新缓冲存储器中，按光栅扫描方式以每秒30次的频率对存储器进行读写以实现图形刷新而避免闪烁。光栅图形显示器的出现使得计算机图形生成技术和电视技术相衔接，图形处理和图像处理相渗透，生成的图形更加形象、逼真，因而更易于推广和应用。
7.1.2 图形图像的软件系统 除了具备必须的硬件设备，计算机的图形图像处理还必须有一个良好的图形软件系统。 目前常用的多为高级图形图像处理的软件包，它的建立通常可采用三种方法。一是以某个高级语言为基础，扩充处理图形的子程序包；二是以某个高级语言为基础，扩充处理图形的语句和数据类型；三是设计专用的高级图形语言。
高级图形软件包的基本内容有： • (1)系统管理子程序； • (2)定义和输出图形的子程序(包括基本图形元素和复合图形元素)； • (3)变换图形的子程序，包括平移、旋转、比例，错切、开窗等； • (4)处理实时输入的子程序； • (5)处理交互功能的子程序。 一个良好的图形软件系统要有合理的层次结构与模块结构，使得整个系统易于设计、调试、维护、扩充和移植。
7.2 图像的分类、格式、大小和分辨率 7.2.1 数字图像的概念 图像所包含的内容很广，凡是记录在纸上的、拍摄在照片上的、显示在屏幕上的所有具有视觉效果的画面，都可以称为图像；根据记录方式的不同，图像可分为两大类：模拟(analog)图像和数字(digital)图像。
模拟图像是通过某种物理量(光、电)的强弱变化来记录图像上各点的灰度信息；数字图像则完全是用数字来记录图像灰度信息的，是一种可在计算机上显示、编辑、保存和输出的图像，是由大量0和1组合的、计算机唯一能够识别的数字式数据。因此，数字图像比模拟图像更易于保存，不会因保存时间过长而发生失真现象。模拟图像是通过某种物理量(光、电)的强弱变化来记录图像上各点的灰度信息；数字图像则完全是用数字来记录图像灰度信息的，是一种可在计算机上显示、编辑、保存和输出的图像，是由大量0和1组合的、计算机唯一能够识别的数字式数据。因此，数字图像比模拟图像更易于保存，不会因保存时间过长而发生失真现象。
许多数字图像在计算机上以位图(bitmap)的形式存在。位图是一个矩形点阵，上面的每一个点称为像素(Pixel)。像素是数字图像中的基本单位，一幅m×n大小的图像，是由m× n个明暗不等的像素组成的。
在数字图像中，各像素所具有的明暗程度是由一个称为灰度值(gray Level)的数字所标识的，如将白色灰度值定义为255，黑色的灰度值定义为0，将由黑到白之间的明暗度均匀地划分成256个等级，每个等级由一个相应的灰度值定义，这样就定义了一个256个等级的灰度表。任何一幅用这个灰度表记录的图像，其每个像素的灰度值都是由0～255之间的某一个数字标定的。因256=28，所以描述一个像素的灰度需要用8位(8bit)数据。
7.2.2 数字图像的分类 数字图像可分两种：位图(也叫栅图)和矢量图。 (1)位图(点阵)图像 位图(点阵)图像是目前最常用的图像表示方法，可用于任何图像。位图就是将一幅图像分割成栅格，栅格中的每个像素都单独记录。位图区域中数据点的位置确定数据点表示的像素。使用位图产生的图像比较细致，层次和色彩也比较丰富。
位图图像的主要优点是清晰、美观、逼真，能画出比较复杂的图像，并支持鼠标。显示位图图像要比显示矢量图形快，位图可装入内存直接显示。位图图像的主要优点是清晰、美观、逼真，能画出比较复杂的图像，并支持鼠标。显示位图图像要比显示矢量图形快，位图可装入内存直接显示。 位图图像的主要缺点是存储容量大，因为位图必须把屏幕上显示的每一个像素的信息存储起来。一般同样的一幅画，位图的容量往往要比矢量图多一至二倍，甚至好几倍。分辨率对位图图像的影响也是比较大的，分辨率的高低将直接影响位图图像的质量。
(2)矢量图像 矢量图像(图形)是用—系列的线和形描述的图像，也可以使用实心的或者有等级深浅的色彩填充一些区域，然而矢量图像的色彩梯度和表现力无论如何也不能与位图图像相比，位图图像可与原始图像达到几乎完全一致，而矢量图像则需经过人工处理。
用来生成矢量图像的工具是一种通常称为Draw(绘画)的程序，它要求以该程序已设计好的一些图元进行绘画，如点、线、平行四边形、圆、椭圆、弧线、扇形等。用户可以用这些小小的图元进行放大、缩小、旋转等各种操作，使其构成所需要的图形。向量图形通常用于线条的绘制、报纸的版面设计、出版物的图形排版以及建筑绘图等。用来生成矢量图像的工具是一种通常称为Draw(绘画)的程序，它要求以该程序已设计好的一些图元进行绘画，如点、线、平行四边形、圆、椭圆、弧线、扇形等。用户可以用这些小小的图元进行放大、缩小、旋转等各种操作，使其构成所需要的图形。向量图形通常用于线条的绘制、报纸的版面设计、出版物的图形排版以及建筑绘图等。
矢量图形的主要优点是简单，操作方便，可以对图中的每一个部分分别进行控制，在屏 幕上任意地移动每一个小图元，并可以任意将该小图元进行放大、缩小、旋转、扭曲而不破 坏整个图形的画面，向量图形中的小图元覆盖在其他图元上时，依然能保持其特性。 矢量图形的主要缺点是不能画出复杂的图形。也就是说，图形越复杂所花费的时间也就越多，越不容易实现。用矢量图形编辑软件不能对图片进行编辑，也不能使用鼠标画图。
(3)位图与矢量图的区别 由于图像存储方法的截然不同，不同方法表示的图像其应用领域也不尽相同。位图适用于具有复杂的颜色、灰度或形状变化的图像，如照片、绘画和数字化的视频图像。计算机显示就采用位图格式，因而位图图像的计算机处理是有硬件基础的。与位图格式相比较，矢量格式适用于线型图，如计算机辅助设计(CAD)的图形和图像，只有简单的形状、灰度和颜色。
由于点阵和矢量两种不同的存储方法，其所用的文件格式也不同，如BMP、PCX、GIF、PIC、TGA等文件格式是用来存储位图图像的，而如AutoCAD的DWC、DXF以及GDS使用的GRA文件都是存储矢量图像的。由于点阵和矢量两种不同的存储方法，其所用的文件格式也不同，如BMP、PCX、GIF、PIC、TGA等文件格式是用来存储位图图像的，而如AutoCAD的DWC、DXF以及GDS使用的GRA文件都是存储矢量图像的。
另外，图像按照工作方式来分可以分为静态图像和动态图像两种：静态图像就是只能一张张显示的图像，各张图像之间不连续也没有直接的关系，如照片；而动态图像指的是视频图像，即一连串连续图像，在视觉上感觉连在一起快速显示的画面动了起来。其实这与电影、电视是同一个道理，电视是以每秒30幅画面的速度显示的图像，由于人的视觉暂留作用，看不出画面间的切换，好像见到活生生的景象一样。另外，图像按照工作方式来分可以分为静态图像和动态图像两种：静态图像就是只能一张张显示的图像，各张图像之间不连续也没有直接的关系，如照片；而动态图像指的是视频图像，即一连串连续图像，在视觉上感觉连在一起快速显示的画面动了起来。其实这与电影、电视是同一个道理，电视是以每秒30幅画面的速度显示的图像，由于人的视觉暂留作用，看不出画面间的切换，好像见到活生生的景象一样。
7.2.3 图像的格式 多媒体计算机通过彩色扫描仪能把各种印刷图像及彩色照片数字化后送到计算机中；通过视频信号数字化器能把摄像机、录像机、激光视盘等彩色全电视信号存到计算机中；还有计算机本身也可以通过计算机图形学的方法编程，生成二维、三维彩色几何图形及三维动画，存放在计算机中。
采用上述三种形式形成的数字化的图形图像及视频信息，都以文件的形式存储到计算机的存储器中。不同的文件是以不同的格式存放的，常用的静态图像文件格式有TIFF、BMP、JPG等，而动态视频图像文件格式主要有MPG、AVI等。下面介绍几种常用的图像保存格式。采用上述三种形式形成的数字化的图形图像及视频信息，都以文件的形式存储到计算机的存储器中。不同的文件是以不同的格式存放的，常用的静态图像文件格式有TIFF、BMP、JPG等，而动态视频图像文件格式主要有MPG、AVI等。下面介绍几种常用的图像保存格式。
(1)TIFF TIFF格式是由Microsoft，Hewlett Packard与Aldus组成委员会制定的。目的就是提供一个与平台无关，与应用程序无关，与图像本身无关的图像文件格式。它的最大优点是兼容性非常好，几乎可运用在任何方面，用它保存图像可以保证顺利地与任何人进行交流。该格式文件的扩展名是tiff或tif。
(2)BMP BMP(Bitmap-File)格式是Windows采用的标准图形文件格式，在Windows环境下运行的所有图像处理软件都支持该格式。Windows系统内部各图像绘制操作都是以BMP为基础的。它也被称为设备无关位图DIB(device-independent bitmap)格式，是微软极力推荐的保存图像文件的格式，目的是为了让Windows能够在任何类型的显示设备上显示所存储的图像。BMP位图文件默认的文件扩展名是bmp。
(3)GIF GIF格式是由CompuServe创建的，并被用来作为国际互联网上交换图片的媒介。它可以无损失地压缩图像，也可以用来制作动画，是目前较为流行的图像文件格式之一，但它的调色板最多只能包含256种色彩。该格式文件的扩展名为gif。
(4)JPG JPG格式是由联合图像专家组所制定的一种静态图像高效压缩格式。它以有限的画面损失为代价，获得了远远超过GIF的压缩率。这种格式的图像也是在网上被用来保存、传送、页面制作图像的格式之一。该格式文件的扩展名为jpg。
(5)PSD PSD格式是Photoshop所特有的一种图像格式，它的定义已远远超越了一般意义上的图像格式。用它可以完整地保存Photoshop的工作状态，包括图层和通道等数据，是专业设计人员梦想的格式。但它的存储容量大，同样保存一幅图片，它的容量至少大于一般格式的图片容量1／3之多，因此不适用于存储容量小的计算机。该格式文件的扩展名为psd。
7.2.4 图像文件的大小和分辨率 (1)图像文件的大小 图像文件的大小可以用以下两种方法表示： ①Image Size，是指图像在计算机中占用的随机存储器(RAM)的大小； ②File Size，是指图像保存文件后的长度。 两者之间基本上是呈正比的关系，但并不一定相等。因为图像信息从RAM保存到文件时，会在文件中加上头部信息，再进行压缩。因此，File Size通常会比Image Size小一些。
(2)图像的分辨率 ①点和样点 点和样点是在计算机上对不同阶段的图像进行度量的方法。当扫描一幅图像时要设置扫描仪的分辨率(Resolution)，这一分辨率决定了扫描仪从源图像里每英寸取多少个样点。扫描仪将源图像看成由大量的网格组成，然后在每一网格里取出一点，用它的颜色值来代表这一网格区域里所有点的颜色值。这些被选中的点就称为样点。
②像素 在Photoshop里，对于所获取的图像，有各种不同的度量。像素是指显示在显示器上的光的单元，而每英寸的像素数则是用来衡量图像显示的分辨率。 ③分辨率 图像的分辨率可为分以下几种： 屏幕分辨率是指在屏幕上观察图像时所感受到的分辨率。一般屏幕分辨率是由计算机的显示卡所决定的。如标准的VGA显示卡的分辨率是640×480，即宽640点(像素)、高480点(像素)。高级的显示卡通常可以支持1024×768点以上。
打印机分辨率又称为输出分辨率，是指打印输出的分辨率极限。打印机分辨率决定了输出质量，打印机分辨率高，可以减少打印的锯齿边缘，在灰度的半色调表现上也会较为平滑。 打印机的分辨率通常以dpi（每英寸中所包含的点数）来表示。喷墨或激光打印机的分辨率可达300dpi、600dpi，甚至1200dpi，不过必须使用特殊的纸张，才能打印这么高的分辨率。
扫描仪分辨率指的是扫描仪的解析极限，表示的方法与打印机分辨率类似，一般也以dpi表示。不过这里的点是指样点，与打印机的输出点是不同的。扫描仪的分辨率在纵向是由步进马达的精度来决定的，而横向则是由感光元件的密度来决定的。扫描仪分辨率指的是扫描仪的解析极限，表示的方法与打印机分辨率类似，一般也以dpi表示。不过这里的点是指样点，与打印机的输出点是不同的。扫描仪的分辨率在纵向是由步进马达的精度来决定的，而横向则是由感光元件的密度来决定的。
一般台式扫描仪的分辨率可以分为光学分辨率和输出分辨率。光学分辨率指的是扫描仪的硬件所真正扫描的图像分辨率。目前市场上的产品可以达到800～1200dpi以上。一般台式扫描仪的分辨率可以分为光学分辨率和输出分辨率。光学分辨率指的是扫描仪的硬件所真正扫描的图像分辨率。目前市场上的产品可以达到800～1200dpi以上。 输出分辨率是通过软件强化之后所产生的分辨率，大约为光学分辨率的3～4倍左右。所以衡量扫描仪的扫描精度时，应以光学分辨率为主要指标。
以—个3×5英寸的图像为例。若分辨率为200dpi，则整张图像的总点数为(3×200) ×(5×200)=600，000个点。若将分辨率提高到400dpi，则总点数增加到2，400，000点，为原来的4倍。 可见，分辨率的大小将直接决定图像文件的大小。
7.3 图像的色彩模式 7.3.1 数字图像的色彩理论 (1)色阶(Levels) 色阶是指各种图像色彩模式下图形原色(如RGB模式下的原色为R、G、B和RGB四种)的明暗度，色阶的调整也就是明暗度的调整。色阶的范围为0～255，即共包含256种色阶。如对于灰度模式，其中的256个色阶为从白到灰，再从灰到黑。
(2)色调(Hue) 图像通常被划分为多个色调(如绿色、红色)，其中包含一个主色调。色调调整也就是指将图像颜色在各种颜色之间进行调整，用户可分别调整各色调。
(3)饱和度(Saturation) 饱和度是指图像颜色的彩度或鲜艳程度(如更红或更绿)，将一个图像的饱和度降至-100时图像即变为灰度图。 (4)亮度(Brightness) 亮度是指图像中明暗程度的平衡，它决定了明暗色调的强度。
(5)对比度(Contrast) 对比度是指不同颜色之间的差异。对比度越大，两种颜色之间的差异就越大。如将一幅灰度图像的对比度增加后，黑白颜色对比会更加鲜明。当对比度增加到极限时，一幅灰度图像将只剩下黑白两色；而将对比度减小到极限时，一幅灰度图像将只剩下灰色底图。
7.3.2图像的色彩模式 在Photoshop中，颜色模式决定用来显示和打印Photoshop文档的色彩模型。常见的颜色模式包括HSB模式、RGB模式、CMYK模式、Lab模式以及一些为特别颜色输出的模式，如索引颜色和双色调模式。不同的颜色模式定义的颜色范围也不同。
(1)位图模式 位图模式使用两种颜色值，即黑色和白色来表示图像中的像素。位图模式的图像也叫黑白图像，所要求的磁盘空间最少。该图像模式下不能制作出色彩丰富的图像。 在这里，要注意一个“位深度”的概念。位深度也叫做像素深度或颜色深度，用来度量在图像中有多少颜色信息来显示或打印像素。较大的位深度(每像素信息的位数较多)意味着数字图像中有更多的颜色和更精确的颜色表示。例如，1位深度的像素有黑和白两种可能的值，8位深度的像素有28即256个可能的值，24位深度的像素有224即1670万个可能的值。常用的深度值范围为1～64位／像素。
(2)灰度颜色模式 灰度颜色模式比位图模式的色调要丰富。该模式最多可以有256级灰度(层次)，灰度图像的每个像素有一个0(黑色)～255(白色)之间的亮度值，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)。使用黑白或灰度扫描仪产生的图像常以“灰度”模式显示。
(3)双色调模式 双色调模式用两种颜色的油墨制作图像，它可以增加灰度图像的色调范围。如果仅用黑色油墨打印灰度图像，效果必然很粗糙。用能重现多达50阶灰度的两种、三种或四种油墨打印的图像，看起来的效果要明显好得多。用黑色油墨和灰色油墨打印双色调图像，黑色用于暗调部分，灰色用于中间调和高光部分。因双色调模式只表示“色调”，所以可以用彩色油墨来打印高光颜色。在Photoshop中双色调被当做单通道、8位的灰度图像。
(4)索引颜色模式 索引颜色图像是单通道图像(8位／像素)，使用256种颜色。当转换为索引颜色时， Photoshop会构建一个颜色对照表，程序会选取已有颜色中最相近的颜色或使用已有颜色模拟这种颜色。因此索引颜色可以大大减小文件大小，同时保持视觉上的品质不变。这个性质对用于多媒体动画或网页制作很有用，但在这种模式中只提供有限的编辑功能。
