《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(shí)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(diǎn)、分類和存儲(chǔ)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(cè)圖形基礎(chǔ)幾何圖元、坐標(biāo)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(biāo)系、幾何體、圖形變換總結(jié)和展望圖像基礎(chǔ)知識(shí)圖像基礎(chǔ)知識(shí)是理解和處理圖像的關(guān)鍵包括圖像的定義、特點(diǎn)、分類和存儲(chǔ)格式等1.1圖像的定義和特點(diǎn)視覺信息圖像是一種視覺信息載體，可以用來記錄、存儲(chǔ)和傳遞現(xiàn)實(shí)世界中的場(chǎng)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(gè)像素代表一個(gè)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(gè)像素存儲(chǔ)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(lán)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(chǔ)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(chǎng)景。GIF格式GIF是一種支持動(dòng)畫的圖像格式，常用于制作簡(jiǎn)單的動(dòng)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(chǔ)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(jì)算機(jī)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(gè)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(gè)像素代表圖像中的一個(gè)點(diǎn)。每個(gè)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(xì)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?cái)?shù)（PPI）表示。PPI越高，圖像的像素密度越高，圖像越精細(xì)。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(jī)。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(chǎng)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(hào)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(duì)圖像進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改和處理，為后續(xù)的更高級(jí)操作做準(zhǔn)備。3.1圖像的讀取和顯示圖像讀取圖像讀取是指將存儲(chǔ)在硬盤或其他存儲(chǔ)介質(zhì)上的圖像數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中，以便計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)屏幕或打印機(jī)，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(chǔ)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(jiǎn)單快速，但可能會(huì)導(dǎo)致圖像出現(xiàn)鋸齒狀邊緣，尤其是在放大時(shí)。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(jì)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(diǎn)進(jìn)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(chǎng)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(duì)圖像進(jìn)行各種操作，以增強(qiáng)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(qiáng)圖像對(duì)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(jìn)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(jì)算像素周圍的平均值來實(shí)現(xiàn)平滑效果。銳化濾波銳化濾波可以用來增強(qiáng)圖像的細(xì)節(jié)。它通過突出圖像的邊緣和細(xì)節(jié)來實(shí)現(xiàn)銳化效果。4.3邊緣檢測(cè)邊緣檢測(cè)邊緣檢測(cè)用于識(shí)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(cè)方法常用的邊緣檢測(cè)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(cè)廣泛應(yīng)用于圖像分割、目標(biāo)識(shí)別、圖像壓縮以及機(jī)器視覺等領(lǐng)域。5.圖形基礎(chǔ)知識(shí)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)重要分支，它研究計(jì)算機(jī)圖形的生成、處理和顯示。圖形學(xué)在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)、圖像處理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。5.1幾何圖元11.點(diǎn)點(diǎn)是最基本的幾何元素，它沒有長(zhǎng)度、寬度和高度，只是一個(gè)位置。22.線線是具有長(zhǎng)度，但沒有寬度和高度的幾何元素，由多個(gè)點(diǎn)組成，可以是直線或曲線。33.面面具有長(zhǎng)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(zhǎng)度、寬度和高度，由多個(gè)面圍成，可以是立方體、球體等。5.2坐標(biāo)系統(tǒng)二維坐標(biāo)系統(tǒng)二維坐標(biāo)系通常使用笛卡爾坐標(biāo)系，也稱為直角坐標(biāo)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(diǎn)的位置。三維坐標(biāo)系統(tǒng)三維坐標(biāo)系是二維坐標(biāo)系的擴(kuò)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(diǎn)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(gè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，改變物體方向。平移變換沿某個(gè)方向移動(dòng)物體，改變物體位置。鏡像變換對(duì)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的基本操作，它通過對(duì)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(dòng)畫、圖形設(shè)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)算法，每種算法都各有優(yōu)缺點(diǎn)。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(diǎn)，進(jìn)行填充2多邊形填充確定多邊形內(nèi)部的像素，進(jìn)行著色3多邊形邊界確定多邊形頂點(diǎn)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(gè)步驟。通過這些步驟，我們可以將一個(gè)多邊形準(zhǔn)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的一個(gè)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(diǎn)來定義曲線形狀2樣條曲線由一系列控制點(diǎn)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(jìn)行分類。7.三維圖形繪制三維圖形繪制是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的重要組成部分，它模擬現(xiàn)實(shí)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(gè)步驟，包括建模、渲染、動(dòng)畫等。7.1三維坐標(biāo)系空間位置描述三維坐標(biāo)系用于描述空間中點(diǎn)的精確位置，幫助構(gòu)建和操作三維模型。坐標(biāo)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(biāo)系類型常用的三維坐標(biāo)系包括笛卡爾坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系，它們分別以不同的方式表示空間點(diǎn)的位置。7.2三維幾何體立方體立方體是由六個(gè)正方形面組成的三維幾何體，每個(gè)面都是正方形且彼此垂直。球體球體是由所有點(diǎn)到中心距離相等的點(diǎn)組成的三維幾何體，其表面是一個(gè)連續(xù)的曲面。圓錐圓錐是由一個(gè)圓形底面和一個(gè)頂點(diǎn)組成，所有頂點(diǎn)到圓周的線段構(gòu)成圓錐的側(cè)面。圓柱圓柱是由兩個(gè)平行的圓形底面和一個(gè)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