《圖像與圖形》課件

圖像與圖形本課件將帶您深入了解圖像和圖形背后的奧秘。從基本概念到實際應(yīng)用，我們將探索圖像的生成、處理和分析。課程大綱圖像基礎(chǔ)圖像的定義、特點、分類和存儲格式圖像數(shù)字化表示：像素、分辨率、顏色模型、采樣和量化圖像操作圖像讀取、顯示、縮放、裁剪、旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)圖像處理技術(shù)：直方圖均衡化、濾波處理和邊緣檢測圖形基礎(chǔ)幾何圖元、坐標系統(tǒng)、變換操作二維圖形繪制：直線、圓、多邊形和曲線繪制三維圖形三維坐標系、幾何體、圖形變換總結(jié)和展望圖像基礎(chǔ)知識圖像基礎(chǔ)知識是理解和處理圖像的關(guān)鍵包括圖像的定義、特點、分類和存儲格式等1.1圖像的定義和特點視覺信息圖像是一種視覺信息載體，可以用來記錄、存儲和傳遞現(xiàn)實世界中的場景。光學(xué)現(xiàn)象圖像的形成是基于光學(xué)原理，通過光線照射物體，再由光學(xué)設(shè)備捕捉光線形成。數(shù)字表示圖像可以用數(shù)字形式表示，由像素矩陣組成，每個像素代表一個顏色值。二維信息圖像通常是二維的，用寬度和高度表示，包含了空間位置和顏色信息。1.2圖像的分類11.位圖圖像位圖圖像由像素組成，每個像素存儲顏色信息。22.矢量圖像矢量圖像使用數(shù)學(xué)公式描述圖形，不依賴于像素，因此可以無限放大。33.灰度圖像灰度圖像只包含亮度信息，沒有顏色信息。44.彩色圖像彩色圖像包含紅、綠、藍三種顏色通道的信息，可以展現(xiàn)更豐富的色彩。1.3圖像的存儲格式JPEG格式JPEG是一種常用的壓縮圖像格式，它使用有損壓縮技術(shù)，可以有效地減小文件大小。PNG格式PNG是一種無損壓縮圖像格式，它可以保留原始圖像數(shù)據(jù)，適用于需要高質(zhì)量圖像的場景。GIF格式GIF是一種支持動畫的圖像格式，常用于制作簡單的動畫效果，它使用索引顏色來減少文件大小。TIFF格式TIFF是一種專業(yè)的圖像格式，它支持多種壓縮算法，可以存儲高質(zhì)量的圖像，常用于印刷和出版行業(yè)。圖像的數(shù)字化表示圖像的數(shù)字化表示是將圖像轉(zhuǎn)換為計算機可以理解和處理的形式。它涉及將圖像分解為像素，并使用數(shù)字來表示每個像素的顏色和亮度信息。2.1像素和分辨率像素像素是圖像的基本組成單元，每個像素代表圖像中的一個點。每個像素的顏色和亮度值決定了圖像的最終外觀。分辨率分辨率是指圖像中像素的數(shù)量，它反映了圖像的清晰度。分辨率越高，圖像的細節(jié)越豐富，清晰度越高。單位圖像分辨率通常用每英寸像素數(shù)（PPI）表示。PPI越高，圖像的像素密度越高，圖像越精細。2.2顏色模型1RGB顏色模型是最常見的顏色模型之一，用于顯示器和數(shù)碼相機。2CMYK顏色模型主要用于印刷行業(yè)，使用青色、洋紅色、黃色和黑色墨水混合。3HSV顏色模型基于色調(diào)、飽和度和亮度，更接近人類感知顏色方式。4其他顏色模型還有如HSB、Lab等模型，根據(jù)應(yīng)用場景選擇。2.3圖像的采樣和量化圖像采樣圖像采樣是將連續(xù)的圖像信號轉(zhuǎn)換成離散的像素值的過程。它決定了圖像的分辨率，即圖像的清晰度。圖像量化圖像量化是將像素值從連續(xù)的數(shù)值范圍映射到有限的離散值的過程。它決定了圖像的顏色深度，即圖像的顏色數(shù)量。圖像的基本操作圖像的基本操作是圖像處理的基礎(chǔ)，可以對圖像進行簡單的修改和處理，為后續(xù)的更高級操作做準備。3.1圖像的讀取和顯示圖像讀取圖像讀取是指將存儲在硬盤或其他存儲介質(zhì)上的圖像數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中，以便計算機程序能夠訪問和處理這些數(shù)據(jù)。圖像顯示圖像顯示是指將內(nèi)存中的圖像數(shù)據(jù)渲染到顯示設(shè)備上，例如計算機屏幕或打印機，以便用戶能夠觀察和理解圖像內(nèi)容。圖像文件格式不同的圖像文件格式使用不同的編碼方式來存儲圖像數(shù)據(jù)。例如，JPEG格式使用有損壓縮，而PNG格式使用無損壓縮。圖像處理庫圖像處理庫提供了一組函數(shù)和工具，用于執(zhí)行各種圖像操作，例如讀取、顯示、縮放、旋轉(zhuǎn)、濾波等。3.2圖像的縮放和裁剪圖像縮放圖像縮放通過調(diào)整圖像尺寸來改變圖像大小，可以放大或縮小圖像。最近鄰插值最近鄰插值方法簡單快速，但可能會導(dǎo)致圖像出現(xiàn)鋸齒狀邊緣，尤其是在放大時。雙線性插值雙線性插值方法考慮了周圍像素的平均值，能生成更平滑的圖像，但計算量較大。圖像裁剪圖像裁剪可以去除圖像中的不需要的部分，通常用來移除圖像邊緣或調(diào)整圖像比例。3.3圖像的旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)1旋轉(zhuǎn)操作旋轉(zhuǎn)操作通過指定旋轉(zhuǎn)中心和角度，將圖像圍繞中心點進行旋轉(zhuǎn)。2翻轉(zhuǎn)操作翻轉(zhuǎn)操作將圖像沿水平或垂直方向翻轉(zhuǎn)，形成鏡像效果。3應(yīng)用場景調(diào)整圖像方向創(chuàng)建特殊視覺效果4.圖像處理技術(shù)圖像處理技術(shù)可以對圖像進行各種操作，以增強圖像質(zhì)量、提取有用信息或創(chuàng)建特殊效果。4.1直方圖均衡化圖像直方圖表示圖像中不同灰度值像素的數(shù)量分布。均衡化目的增強圖像對比度，提高圖像清晰度。均衡化原理將圖像灰度值的分布變得均勻。均衡化方法使用累積分布函數(shù)進行灰度映射。4.2濾波處理平滑濾波平滑濾波可以用來去除圖像中的噪聲。它通過計算像素周圍的平均值來實現(xiàn)平滑效果。銳化濾波銳化濾波可以用來增強圖像的細節(jié)。它通過突出圖像的邊緣和細節(jié)來實現(xiàn)銳化效果。4.3邊緣檢測邊緣檢測邊緣檢測用于識別圖像中的邊界或不連續(xù)性，例如物體的輪廓、物體之間的分離或紋理的變化。邊緣檢測方法常用的邊緣檢測方法包括梯度算子、拉普拉斯算子以及Canny算子。應(yīng)用邊緣檢測廣泛應(yīng)用于圖像分割、目標識別、圖像壓縮以及機器視覺等領(lǐng)域。5.圖形基礎(chǔ)知識圖形學(xué)是計算機科學(xué)的一個重要分支，它研究計算機圖形的生成、處理和顯示。圖形學(xué)在計算機動畫、游戲、虛擬現(xiàn)實、圖像處理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。5.1幾何圖元11.點點是最基本的幾何元素，它沒有長度、寬度和高度，只是一個位置。22.線線是具有長度，但沒有寬度和高度的幾何元素，由多個點組成，可以是直線或曲線。33.面面具有長度和寬度，但沒有高度，由多條線圍成，可以是平面或曲面。44.體體具有長度、寬度和高度，由多個面圍成，可以是立方體、球體等。5.2坐標系統(tǒng)二維坐標系統(tǒng)二維坐標系通常使用笛卡爾坐標系，也稱為直角坐標系。它由兩條相互垂直的數(shù)軸組成，分別稱為x軸和y軸，用以確定平面上的點的位置。三維坐標系統(tǒng)三維坐標系是二維坐標系的擴展，它添加了第三條垂直于x軸和y軸的z軸，用于確定空間中點的三維位置。5.3變換操作縮放變換改變物體大小，調(diào)整比例。旋轉(zhuǎn)變換圍繞一個點旋轉(zhuǎn)，改變物體方向。平移變換沿某個方向移動物體，改變物體位置。鏡像變換對稱翻轉(zhuǎn)物體，產(chǎn)生鏡像效果。二維圖形繪制二維圖形繪制是計算機圖形學(xué)中的基本操作，它通過對直線、曲線、多邊形等幾何圖元的繪制，創(chuàng)建出各種圖形和圖像。二維圖形繪制在游戲、動畫、圖形設(shè)計等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。6.1直線和圓的繪制1Bresenham算法用于繪制直線和圓2DDA算法用于繪制直線和圓3中點算法用于繪制直線和圓繪制直線和圓是二維圖形繪制中最基礎(chǔ)的操作，也是很多其他圖形繪制的基礎(chǔ)。直線和圓的繪制算法有很多，例如Bresenham算法、DDA算法和中點算法，每種算法都各有優(yōu)缺點。6.2多邊形繪制1掃描線算法按行遍歷多邊形，判斷每條掃描線與多邊形的交點，進行填充2多邊形填充確定多邊形內(nèi)部的像素，進行著色3多邊形邊界確定多邊形頂點和邊多邊形繪制是圖形學(xué)中重要的繪制技術(shù)之一，它涉及到多邊形邊界、多邊形填充和掃描線算法等多個步驟。通過這些步驟，我們可以將一個多邊形準確地繪制在屏幕上，呈現(xiàn)出各種各樣的形狀。6.3曲線繪制曲線繪制是計算機圖形學(xué)中的一個重要問題，它允許我們繪制各種形狀的曲線。1貝塞爾曲線使用控制點來定義曲線形狀2樣條曲線由一系列控制點和權(quán)重定義3B樣條曲線基于B樣條函數(shù)的曲線曲線繪制方法有很多，它們根據(jù)其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和應(yīng)用范圍進行分類。7.三維圖形繪制三維圖形繪制是計算機圖形學(xué)中的重要組成部分，它模擬現(xiàn)實世界中的物體，并在屏幕上呈現(xiàn)出逼真的圖像。三維圖形繪制涉及多個步驟，包括建模、渲染、動畫等。7.1三維坐標系空間位置描述三維坐標系用于描述空間中點的精確位置，幫助構(gòu)建和操作三維模型。坐標軸方向通常使用X、Y和Z軸來表示三維空間，并定義了方向，例如X軸表示水平方向，Y軸表示垂直方向，Z軸表示深度方向。單位選擇可以使用各種單位，例如米、厘米或英寸，來定義空間中的距離和尺寸。坐標系類型常用的三維坐標系包括笛卡爾坐標系和球坐標系，它們分別以不同的方式表示空間點的位置。7.2三維幾何體立方體立方體是由六個正方形面組成的三維幾何體，每個面都是正方形且彼此垂直。球體球體是由所有點到中心距離相等的點組成的三維幾何體，其表面是一個連續(xù)的曲面。圓錐圓錐是由一個圓形底面和一個頂點組成，所有頂點到圓周的線段構(gòu)成圓錐的側(cè)面。圓柱圓柱是由兩個平行的圓形底面和一個側(cè)面組成，所有側(cè)面都是平行于圓周的直線段。7.3三維圖形變換平移變換改變物體在三維空間中的位置。沿著x軸、y軸