多媒体技术概论

图形和图像处理是多媒体技术的重要组成部分，图形和图像是信息量及其丰富的媒体，可以生动形象的表现大量信息，具有声图并茂的优点。在多媒体软件中使用图形和图像可以提供色彩丰富的画面和良好的人机界面。3.1图形与图像概述3.2静止图像压缩标准3.3显示设备与扫描仪3.4图像处理软件Photoshop目录3.1图形与图像概述3.1.1光和颜色3.1.2图形与图像3.1.3图像的数字化3.1.4图像的文件格式3.1.1光和颜色图形与图像都是视觉媒体元素。谈到视觉，自然离不开光和颜色。色彩始于光，也源于光。人的视觉系统是根据光线的波长来感觉颜色的。光的本质光的分类颜色内涵颜色的三要素色彩模式通常意义上的光是指可见光，波长在780nm-380nm之间。光的本质是一种电磁波，其电磁光谱如下：光的本质1041061081010101210141016频率(Hz)10410210010-210-410-610-8波长(m)无线电波微波红外线紫外线γ射线可见光光的分类1672年牛顿用三棱镜将太阳光(白光)分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色，按顺序排列成渐变的彩带，这种现象称作色散。经三棱镜分解出的七种色光即使再一次通过三棱镜也不会再分解为其他的色光，所以将这种不能再分解的色光叫做单色光。由单色光所混合的光称为“复色光”。太阳光及一般光源发出的光都是复色光。色彩是人类视觉对可见光感知的结果，在可见光的七色光谱内不同波长的光会引起不同的颜色感觉。颜色内涵380436480546580620700波长紫色蓝色青色绿色黄色橙色红色颜色光的波长与颜色对照暖色与冷色从红色到黄色的色彩，包括橙色、粉红、棕色和红葡萄酒色等颜色都称为暖色。暖色是明亮的，比其它颜色更能吸引眼睛的注意。从绿色到紫色的色彩，包括蓝色和所有灰色调都被认为是冷色。冷色产生与暖色完全相反的效果，比较平和，容易使人安静下来。互补色若两种色光混合后成白色，这两种色光成为互补色。互补色是彼此之间最不一样的颜色，例如，红与青，绿与品红，蓝与黄互为补色。人眼根据光线的波长来感觉颜色，有色物体对光线具有选择性吸收的特性，即光线照射到有色物体上时，入射光中被吸收的各种波长的色光是不等量的，有的被多吸收，有的被少吸收。反射或透射的光线与入射光线相比，不仅亮度有所减弱，光谱成分也改变了，因而物体呈现出各种不同的颜色。而当没有光线时，人眼感觉的颜色是黑色的。色彩的产生主要是因为物体表面或内部反射或透射的光线进入人的视觉系统形成的，因此色彩是由光、物体特性与人眼视觉机构等三大因素决定的。人的视觉系统对色彩的感知可用色调，饱和度和亮度来描述，它们综合决定了视觉的总体效果，称为色彩的三要素。色调：是指当我们看到一种或多种波长的光时所产生的彩色感觉。它表示颜色的种类，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等，取决于光的波长，是决定颜色的基本特征。颜色的三要素饱和度：表示颜色的纯度，或者说是颜色的深浅程度，即掺入白光的程度。对于同一色调的彩色光，饱和度越深颜色越鲜明，或越纯。例如，当红色加进白光之后，由于饱和度降低，红色被冲淡成粉红色。饱和度的增减还会影响到颜色的亮度，例如在红色中增加白光成分后，增加了光能，因而变得更亮了。所以在某色调的彩色光中，掺入别的彩色光，会引起色调的变化，而掺入白光时仅引起饱和度的变化。亮度：指光作用于人眼时所引起的明暗程度的感觉，它与被观察物体的发光强度有关，反光能力大的看起来就亮一些，反之就暗一些。对于色调和饱和度固定的光而言，当其全部能量增强时，亮度增加，因此亮度与光功率有关。由于色调和饱和度表示的是颜色的种类和深浅程度，因而这两者统称为色度。所以颜色由亮度和色度来表示。色彩模式是表示颜色的数字方法。使用色彩模式的目的是尽可能多的、有效的描述各种颜色，以便需要时能方便地加以选择。不同领域一般采用不同的色彩模式，如计算机显示器采用RGB模式，彩色印刷采用CMYK模式，艺术绘画采用HSI模式，彩色电视信号采用YUV/YIQ模式，还有其他的色彩模式。色彩模式1.RGB模式RGB模式适用于彩色显示器这类发光物体。RGB分别代表红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)三种基本颜色，每种颜色的亮度大小用数字0-255表示，共有1670万种颜色。由于人眼对这三种色光最为敏感，RGB三种颜色相配所得到的彩色范围也最广，所以一般都选这三种颜色作为基色，这就是色度学的基本原理—三基色原理。理论上讲，任何一种颜色都可以用这三种基本颜色按不同比例混合得到，称为相加混色，或称为RGB相加模式。没有光是全黑，各色光加入后才产生色彩，光强越强，光就越多，极限就是白色。R=G=B=0R=G=B=2550R=G=B255黑色白色灰色彩色显示器和电视都是利用RGB模式显示彩色图像，而彩色扫描仪则是利用它的逆过程，扫描是把一幅彩色图片分解成R、G、B三种基色，每一种基色的数据代表特定颜色的强度，当这三种基色的数据在计算机中重新混合时又显示出它原来的颜色。由于计算机的彩色显示器采用的是RGB模式，所以不管多媒体系统中采用什么色彩模式，最后输出一定要转换成RGB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。CMY模式由青(Cyan)、品红(Magenta)、黄(Yellow)三种基本颜色按一定比例合成，每种颜色用百分数0-100%来表示。CMY模式和RGB模式不同，其色彩的产生不是直接来自于光线，而是由照射在颜料上反射回来的未被吸收的光线产生的，因为颜料会吸收一部分光线，所以这种色彩的产生方式称相减混色。2.CMYK模式在相减混色中，当三种基本颜色等量相加时得到黑色或灰色；而等量相减后才能得到白色。理论上利用CMY三基色混合可以得到所需要的各种色彩，但实际上同量的CMY混合后并不能产生完善的黑色或灰色。因此在印刷时必须加上一种真正的黑色(Black)，这样CMY模式又称为CMYK模式。C=M=Y=K=0%白色C=M=Y=K=100%黑色四色印刷便是依据CMYK模式发展而来的。以我们常见的彩色印刷品为例。我们所看到的五颜六色的彩色印刷品，其实在印刷的过程中仅仅只用了四种颜色。在印刷之前先通过计算机或电子分色机将一件艺术品分解成四色，并打印成胶片。一般来说，一张真彩色图像的分色胶片是四张透明的灰度图，单独地看一张单色胶片时不会发现什么特别之处，但如果将这几张分色胶片分别涂以青、品红、黄和黑四种颜色叠印到一起观察时，就产生了一张绚丽多姿的彩色图片。3.HSB模式HSB模式由色调(Hue)、饱合度(Saturation)、亮度(Brightness)来生成颜色。用HSB模式描述颜色更加自然，比较符合人的主观感受，适合绘画艺术，但使用时不方便，显示时要转换成RGB模式。HIS和RGB的转换方程为：IBGRISBGBGBGBGRHBGRI,,min,180,032arctan90360134.YUV/YIQ模式在PAL彩色电视信号标准中采用YUV模式来表示彩色图像，其中Y表示亮度，U、V表示色度，是构成彩色的两个分量。在NTSC彩色电视信号标准中使用YIQ模式，其中Y表示亮度，I、Q是两个彩色分量。YUV模式的优点是亮度信号Y和色度信号U、V是相互独立的，也就是用Y分量构成的黑白灰度图和用U、V信号构成的两幅单色图是相互独立的，因为Y、U、V的相互独立，所以可以对这些单色图分别进行编码。不管用YUV模式还是YIQ模式来表示彩色图像，都要求在显示每个像素前，把彩色分量值转换成RGB值。YUV和RGB彩色空间的转换方程为：Y=0.299R+0.587G+0.114BU=0.147R–0.289G+0.436BV=0.615R–0.515G–0.100BYIQ和RGB的转换方程为：Y=0.299R+0.587G+0.114BI=0.596R–0.275G–0.321BQ=0.212R–0.523G+0.311B5.灰度模式和黑白模式灰度模式采用8位来表示一个像素，即将纯黑和纯白间的层次等分为256级，就形成了256级的灰度模式，可以用来模拟黑白照片的图像效果。黑白模式采用1位表示一个像素，只能显示黑色和白色。黑白模式无法表示层次复杂的图像，可以制作黑白线条图。3.1.2图形与图像计算机中的图片有两种类型：图形与图像。图形又称矢量图或几何图，是用数学模型表示图形的形状、位置、颜色等属性和参数。例如，圆是由圆心坐标、半径和色彩组成的。矢量图形的精度高、灵活性大，并且用它们设计出来的作品可以任意放大、缩小而不会变形失真。它不会像一些位图图像，在进行高倍放大后图像会不可避免的方块化。三维线框图三维填色图相对于位图图像来讲，矢量图占用的存储空间较小。但在屏幕每次显示时，它都需要经过重新计算，所以显示速度没有图像快。图像又称点阵图或位图，是空间和亮度上离散化的图像，它通过描述画面中每一像素的颜色或亮度来表示该图像，非常适合表现如明暗、浓淡、层次和色彩变化等包含大量细节的图片。图形与图像的比较图形(Graphics)图像(Image)数据量很少数据量很大有结构，便于编辑修改无结构，不便于编辑修改不会产生失真现象可能出现失真现象生成视图需要复杂的计算，显示速度慢生成视图不需复杂的计算，显示速度快自然景物的表示很困难自然景物的表示不困难国际标准：OpenGL国际标准：JPEG，TIFF绘图软件:AutoCAD，CorelDraw等图像处理软件：Photoshop，PhotoDraw等图形的研究与发展图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是基于线条信息表示的，用于刻画物体形状的点、线、面、体等几何要素。如工程图、等高线地图等；另一类是反映物体表面属性或材质的灰度颜色等非几何要素。它侧重于根据给定的物体描述模型、光照效果等来生成真实感图形，如建筑模型图、实体造型等。图形的应用已经有数千年的历史。早在两千多年前，就出现了欧几里德几何，后来又出现立体几何、解析几何和样条几何，广泛用于数学和建筑学。计算机图形学的研究最早起源于美国麻省理工学院。从20世纪50年代初到60年代中期，麻省理工学院积极从事现代计算机辅助设计/制造技术的开拓性研究。计算机图形这个术语是在1962年美国麻省理工学院林肯实验室的IvanE.sutherland发表的一篇博士论文“一个人—机通信的图形系统”中首次使用。它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，从而确立了计算机图形学作为一个崭新的学科分支的独立地位。1964年，孔斯(S.Coons)提出了用小块曲面片的组合来表示自由曲面，称孔斯曲面。此方法受到了工业界和学术界的极大重视。法国雷诺公司的贝赛尔(P.Bezier)也提出了Bezier曲线和曲面，并将其成功地用于几何外形设计，开发了用于汽车外形设计的系统。他们被称为计算机辅助几何设计的奠基人。1964年，IBM公司推出了第一台交互式光笔输入显示器的设计方案，以后经过改进，成为IBM2250显示器。它预示着交互式计算机图形学的诞生。洛克希德飞机公司利用IBM2250开发了CAD绘图加工系统，从1974年起向外界转让，成为IBM主机上目前应用最广的CAD/CAM软件。DAC-1,世界上第一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图像的研究与发展图像的应用已有数千年历史。最初是用于像形文字和绘画。17世纪出现显微镜图，在医学上有很大的贡献。20世纪30年代出现电视，对新闻传播和文化娱乐起了很大作用。1858年出现的黑白照片和1924年出现的彩色照片，更是对人类文化、艺术和生活带来了很大影响。1972年出现了卫星遥感图和医学上的CT图，这些图像不仅数量大，而且采用了计算机技术，对军事、科研和医学具有极为重要的意义。从20世纪60年代以来，美国及一些国际组织发射了资源遥感卫星和天空实验室，由于成像条件受飞行器位置、姿态、环境条件等影响，图像质量总不是很高。