第1章 緒論

1.1 概述

隨著科學技術的不斷發展，人們對客觀世界的認識無論是在深度和廣度都得到了加深和拓寬，而計算機在這個過程中起到了無可替代的重要作用，已經成為我們進行科學研究不可或缺的工具。國外學者曾經做過統計，人類認識外部世界的信息有70%以上是來自眼睛獲取的視覺信息，可視信息成為了人類認識世界的重要知識來源。因此，利用計算機處理可視信息、模擬客觀世界、并進一步研究它的規律，已經成為人們深入理解客觀世界的一個重要手段。

人類所感受的視覺信息的范圍是非常廣泛的，各類圖片（picture）、繪圖、繪畫、光學影像都是其中的一部分，同時，借助科學技術的新成就，人類的視覺還可以得到延伸，原本對人類不可見的許多信息都可以呈現在眼前。顯微鏡可以使人們進入微觀世界，天文望遠鏡可以讓人們到達宇宙深處，借助新的傳感器可以“看”到物體的紅外圖像，在計算機的輔助下可以觀察電磁場的分布、原子核的運動、風場的走向。面對紛繁復雜的客觀世界，如何利用計算機獲取、描述、處理各類信息，并最終以一種人眼可見的形式逼真地顯示給用戶，已經成為廣大科研工作者的一個重要研究課題，而這正是圖形圖像處理所要關注的領域。

圖形圖像處理融合了兩門重要學科的內容：計算機圖形學（computer graphics）和數字圖像處理（digital image processing），是一門重要的信號與信息處理學科，是一維信號與信息處理的延伸和擴展，主要在二維平面內分析可視信息的相關處理手段和算法。圖形圖像處理所依托的學科發展非常迅速，新技術、新方法層出不窮，并且不斷有其他學科的思想和理論滲透進來，是一門開放的學科。

本章主要介紹圖形圖像處理的基本概念以及學科的歷史、現狀與發展，闡述本學科的主要研究內容、相關學科及其相互關系，重點介紹計算機圖形系統和數字圖像處理系統的組成和主要的外部設備，并分析圖形圖像處理的典型應用領域。

1.2 圖形圖像處理的基本概念

顧名思義，圖形圖像處理的研究對象就是圖形和圖像，但是這兩類對象具有不同的性質，習慣上側重于研究圖形的學科稱為計算機圖形學，而側重于圖像的學科稱為數字圖像處理。圖形圖像處理實質上是兩者的有機融合，本書的內容也是按照這兩大學科來組織的。

1.2.1 圖形與圖像

在日常生活中，人們常常混淆圖形和圖像這兩個概念，有時甚至用其他詞匯，如“圖片”、“圖案”等來取而代之。從學術角度上看，“圖”是指物體反射和透射光的分布，“形”是指針對事物形狀、邊界、輪廓以及內部信息的描述，“像”是指人的視覺系統對圖的接收，在人腦中形成的印象認識。由此可見，“圖”實質上是一個物理的概念，“形”是對物理概念的模型化描述，“像”則是人腦對物理概念的認知。

在此基礎上，圖形就是客觀實體和抽象概念的形象化表示，計算機產生圖形的過程就是將表示對象的數據轉化為圖形的過程；而圖像是指能為人類視覺系統所感知的信息形式或人們心目中的有形想象，它是事物呈現在人們心目中的影像。

由此可以看出，圖形和圖像實際上是既有聯系又有區別的兩個概念。圖形和圖像都是對客觀世界的刻畫，圖形所描述的模型與圖像所表示的數據實質上都是反映同一個客觀世界，從數據源角度上看，圖形和圖像是一脈相承的。另外，圖形和圖像最終都要在計算機系統的輸出設備上展現，這種輸出設備尤其特指計算機顯示器，不管圖形和圖像的處理手段有多么不同，最終在顯示器屏幕上都是由單個像素構成的若干區域，從呈現方式上看，圖形和圖像是殊途同歸。

然而，在表現手段上，圖形和圖像又有著顯著的區別，并由此形成兩個不同方向的學科。從數據表現目的看，圖形所記錄的數據表現的是對客觀世界的描述，而圖像所記錄的數據則是真實世界的寫照，借用美術領域的術語做類比，圖像偏重于寫實，而圖形偏重于寫意。另外，從數據構成的角度看，構成圖形的基本數據是“圖元（primitive）”，構成圖像的基本數據是“像素（pixel）”。圖元是構成計算機圖形的基本元素，通常包括線段、矩形、多邊形、圓弧等，它不僅有尺度大小的區別，還有方向的不同，因此圖元是一個矢量（vec-tor）的概念。像素通常就是指組成圖像的單個像點，常常與計算機顯示器屏幕上的發光點對應，單個的像素只有位置和數值上的區別，但是許多像素組合起來并且將像素的數值轉換成為顏色值，這就形成了人眼敏感的圖像。圖像是由許多不同位置不同數值的像素按一定規律排列而成，它反映了一種位圖（bitmap）的思想。

1.2.2 計算機圖形學與數字圖像處理

了解了圖形和圖像的基本概念，就可以比較準確地理解計算機圖形學和數字圖像處理兩門學科的內涵和外延。

廣義的計算機圖形學所研究的問題包含兩個方面：其一，怎樣通過計算機產生圖形；其二，如何將圖形轉換為數據。第二個方面所研究的問題實際上涉及了圖像處理的領域，我們在習慣上還是把計算機圖形學和數字圖像處理看成兩門學科，盡管它們之間有著密切的聯系，但是各自都有著自己的研究重點。

美國James D.Foley教授給出了計算機圖形學的定義，“通過計算機產生、存儲及處理對象的模型以及它們的圖形的科學”。在這個定義中，處理可以理解為圖形的變換（平移、旋轉、縮放等）、修改、識別、圖形間的運算（組合、拼接、裁減）、真實感圖形的生成，等等，這些內容也是本書闡述的重點之一。國際標準化組織（ISO）給計算機圖形學做出了以下的定義：“計算機圖形學是研究通過計算機將數據轉換為圖形并在專用顯示設備上顯示的原理、方法和技術的學科。”

數字圖像處理就是按特定的目標，用一系列特定的操作來改造圖像，以滿足人的視覺和應用要求。我們之所以強調數字化的圖像處理，不僅指所處理的圖像是數字圖像，還包括所采用的處理手段也是數字化的手段以區別于傳統的光學模擬手段。數字圖像處理的研究源于兩種現實的需求：一是為了改善視覺效果便于人們分析；二是為了便于計算機進行自動識別和理解。

通常認為，圖像處理涉及的范疇分為低級、中級和高級三個層次。在低級層次，處理的輸入和輸出都是圖像，采用的是一些初級手段，如去除噪聲、增強對比度等，在這個層次上進行的研究工作常常被狹義地稱為“圖像處理”。在中級層次，其輸入為圖像而輸出為從圖像中提取的特征，主要的手段有圖像分割、圖像描述等，目的是為了適合計算機處理和實現對圖像的分類、識別，這些研究工作常稱為“圖像分析”。在高級層次，分析的對象是中級層次中提取出的特征和分割出的對象，往往綜合許多人工智能的手段，旨在用計算機來模擬人類視覺，分析圖像對象與周圍環境之間的聯系，從而感知外部的三維世界，這些研究工作就是“計算機視覺”，也有學者稱之為“圖像理解”。

計算機圖形學的基本含義是使用計算機通過算法和程序在顯示設備上構造出圖形來。也就是說，圖形是人們通過計算機設計和構造出來的，而不是通過攝像機或掃描儀等輸入的圖像。所設計和構造的圖形可以是現實世界中已經存在的物體的圖形，也可以是完全虛構的物體。因此，計算機圖形學是真實物體或虛構物體的圖形綜合技術。

與此相反，圖像處理是景物或圖像的分析技術，相對而言它所研究的是計算機圖形學的逆過程，即如何從已有的圖像數據中獲得新的二維或三維物體模型化信息，所用的手段包括圖像增強、模式識別、景物分析、計算機視覺等。

1.2.3 圖形圖像處理的歷史、現狀與發展

計算機圖形學的發展歷史可以追溯到20世紀50年代。1950年世界上生產出第一臺CRT（陰極射線管式）顯示器，這使得當時的計算機擺脫了純數字計算工具這種單一用途，使之同時還能顯示各種簡單圖形。到了50年代中期，美國開發的SAGE空中防御系統首次使用命令控制的CRT顯示控制臺，在其上操作員使用光筆識別目標。1963年，麻省理工學院林肯實驗室的Ivan E·Sutherland發表了“畫板（Sketchpad）：一個人機圖形通信系統”的博士論文，這是計算機圖形學發展過程中的一個里程碑，標志著計算機圖形學作為一個全新研究領域的起步。到了60年代中期，雷諾汽車公司、麻省理工學院、通用汽車公司、洛克希德飛機制造公司和貝爾實驗室等都大規模地開展了計算機圖形顯示的研究工作。與此同時，各種繪圖儀和圖形顯示器也相繼問世，這為計算機圖形學的發展提供了必要的硬件基礎。進入70年代以后，人們相繼提出了各種圖形標準（如GKS二維圖形標準與PHIGS、OpenGL三維圖形標準等），這使得各種圖形應用軟件的開發更加方便，同時使其應用軟件具備了良好的可移植性。應該說圖形顯示軟件的標準化是計算機圖形學發展趨于成熟的一個重要標志，是對計算機圖形學技術成果的總結與概括。

我國開展計算機圖形學的研究開始于20世紀60年代中后期。隨著我國社會經濟的高速發展，計算機圖形學無論在理論研究，還是在實際應用的深度和廣度方面，都取得了令人可喜的成果。在國家攻關項目、863高技術和國家自然科學基金項目中有不少關于計算機圖形軟件研究開發的課題，其中，二維交互繪圖系統已進入商品化階段，并可以與國內市場上和美國Autodesk公司的AutoCAD軟件相媲美。與計算機圖形學有關的學術活動在我國也很活躍。在計算機學會、工程圖學學會、自動化學會、電子學會等國家一級學會下面都設有與計算機圖形學有關的二級分會，并定期（一般是兩年一次）舉辦全國性的學術會議，其中，計算機學會和工程圖學學會每兩年分別舉辦一次與計算機圖形學有關的國際會議。在我國也有好幾種與計算機圖形學有關的學術刊物，如《計算機輔助設計與圖形學學報》、《工程圖學學報》和《計算機輔助工程》等。

數字圖像處理的最早應用是在報紙業，早在20世紀20年代，人們將圖片進行編碼，然后利用跨大西洋的海底電纜將數據從倫敦傳往紐約，在接收端利用特殊的打印機重現圖像。數字圖像處理的歷史和數字計算機的發展密切相關，在基于馮·諾依曼體系的計算機發展起來以后，數字圖像處理的系統研究也在20世紀50年代隨之起步。1964年美國噴氣推進實驗室（JPL）使用數字計算機對“旅行者7號”衛星傳送的月球照片進行處理，校正各種類型的圖像畸變，得到了清晰逼真的圖像，這是圖像處理發展的重要里程碑。此后，數字圖像處理技術在空間研究一直得到了廣泛的應用，除此以外，在醫學圖像、地球遙感監測、天文學等領域這門技術也得到了運用，并取得了顯著成果。到20世紀70年代初，由于大量的研究和應用，數字圖像處理雖然其本質是一種二維信號處理，但是它已經具有自己的技術特色并形成了較完善的學科體系，從而成為一門獨立的新學科。近20年來，數字圖像處理技術發展更為深入、廣泛和迅速，這主要是各個領域對圖像處理提出越來越高的要求以及相關學科的發展所致。圖像處理技術在深度和廣度兩個方面都不斷深化和拓展，許多新理論、新技術、新應用都不斷地加入到數字圖像處理的領域。現在，人們已經充分認識到數字圖像處理是認識世界、改造世界的重要手段。

1.3 圖形圖像處理的研究內容

1.3.1 圖形圖像處理的主要研究內容

圖形圖像處理的研究內容主要在于和人類視覺密切相關的各個方面，其理論與技術涉及眾多的學科，如數學、物理學、信號處理、控制論、模式識別、人工智能、生物學、神經心理學、計算機科學與技術等，它是一門兼具交叉性和開放性的學科。圖形圖像處理所涉及的知識門類多樣，具體的方法種類繁多，應用也極為廣泛，但從主要研究內容上可以分為以下幾個方面。

1. 圖形輸入技術

圖形輸入技術主要研究如何讓用戶自然流暢地將表示對象的圖形輸入到計算機中，實現用戶對物體及其圖像的內容、結構及其呈現形式的控制。這個技術的核心是人機接口（Human Computer Interface，HCI），尤其是圖形用戶界面（Graphic User Interface，GUI）技術，以WIMP（window、icon、menu和point）為特征及觸覺輸入（haptic input，如觸摸屏）式的圖形用戶界面是目前最普遍的用戶圖形輸入方式，手繪草圖/筆跡輸入（sketch-based/calligraphic interface）、多模式用戶界面（multimodal user interface）和基于圖像的繪制（image-based rendering）正成為圖形輸入的新方式。

2. 圖形建模技術

圖形建模技術主要研究在計算機內如何表示和存儲圖形，即對象建模技術。線架模型（wire frame modeling）、面片模型（surface modeling）、實體模型（solid modeling）和特征模型（feature modeling）等是目前計算機圖形系統中最常用的。但這些模型主要用于可用歐氏幾何方法來描述的形狀，對于諸如山、水、草、樹、云、煙、水等不規則對象，其造型需要非流形模型（non-manifold modeling）、分形模型（fractal modeling）、紋理映射（tex-ture mapping）、粒子系統和基于物理造型等技術。

3. 圖形處理和輸出技術

圖形處理和輸出技術主要研究在顯示設備上如何“逼真”地顯示圖形。這種技術一般包括生成處理（如圖元掃描和填充）、操作處理（如圖形變換、投影和裁剪）以及效果處理（如線面消隱、光照等，尤其是真實感圖形顯示技術）。同時，在圖形處理中也融入了一些圖像處理的技術，其目的就是為了改善圖形顯示質量，例如，反鋸齒（anti-aliasing）便是最典型的圖像處理技術。

4. 圖形應用技術

圖形應用技術的范圍十分廣泛，既包括計算機圖形軟件包的設計開發技術及圖形標準的建立等；還包括計算機動畫、計算機輔助設計與制造、計算機輔助工程、可視化和體視化技術、虛擬現實技術等大量在多個領域的應用技術。

5. 圖像數字化

圖像數字化是將模擬形式的圖像通過數字化設備變為數字計算機可用的離散的圖像數據。它主要包括取樣技術和量化技術。

6. 圖像變換

為了便于后續的工作，需要進行圖像變換以改變圖像的表示域和表示數據。它主要包括傅里葉變換、余弦變換、沃爾什-哈達瑪變換、奇異值分解、KL變換等。

7. 圖像增強

圖像增強是一種以改善人們的視覺效果，或便于人或計算機分析、理解圖像內容為主要目的的改善圖像質量的方法。它主要包括對比度增強、直方圖修正、平滑、銳化、同態濾波、幾何校正、偽彩色假彩色、圖像間的算術運算等。

8. 圖像恢復

圖像恢復是指對失真的圖像進行處理，使處理后的圖像盡量接近原始未失真的圖像。它主要包括對降質模型的分析、對降質系統參數的確定、頻域恢復方法、空域恢復方法、約束或無約束的最小二乘估計、線性或非線性的均方估計，最大熵恢復、代數方法恢復、運動模糊恢復、盲恢復等內容和手段。

9. 圖像分割

圖像分割是指根據選定的特征將圖像劃分成若干個有意義的部分，從而使原圖像在內容表達上更為簡單明了，為后續圖像分析和理解打下基礎。它主要包括基于區域的分割法、基于邊界的分割法、匹配檢測分割、基于模式識別的分割法、基于視覺特性檢測法等多種方法。

10. 圖像分析與描述

這一層次的工作是對已分割的或正在分割的圖像中各部分的屬性及各部分之間關系的表述。主要研究的技術包括圖像的統計特征描述、曲線描述、區域描述、紋理特征表示、圖像關系描述等。

11. 圖像數據壓縮

圖像數據壓縮主要是為了消除圖像在空間上、時間上或內容上的冗余性，以利于傳輸和存儲，其表現就是減少圖像數據量，將一個大的數據文件轉換成較小的同性質的文件。它的研究內容主要包括輪廓編碼壓縮、行程編碼壓縮、預測誤差編碼壓縮、正交變換編碼壓縮等相關技術。

12. 圖像重建

圖像重建是由一種由目標某一剖面的一維投影曲線重構該剖面二維圖像的技術，包括以下主要研究內容：離散圖像的傅氏變換重建法、卷積逆投影法、扇形投影的濾波逆投影法、代數重建法。

1.3.2 圖形圖像處理與相關學科的聯系與區別

圖形圖像處理實質上包含了計算機圖形學和數字圖像處理兩個學科的內容，從它們研究的對象上看，主要是關于圖像和數據模型這兩種不同的對象。而與圖像處理和計算機圖形學相關的一些其他學科，也同樣是研究這兩類對象，它們之間的聯系如圖1.1所示。計算機圖形學主要研究從模型中生成圖形圖像的技術，而數字圖像處理所討論的問題中輸入和輸出兩者均為圖像。

1. 圖形圖像處理與計算機視覺和模式識別

計算機視覺和模式識別討論對輸入圖像進行描述或者對圖像進行歸類的方法。它從圖像開始，分析和識別輸入圖像并從中提取二維或三維的數據模型或特征，再將其變換到抽象的描述：一組數、一串符號或一個圖（graph），這個描述通常比圖形學數學模型更抽象，更富語義。例如，手寫漢字的識別、機器人視覺系統、醫療自動診斷、遙感檢測與分析等（如中央電視臺天氣預報的云圖分析）。

計算機圖形學是從給定幾何基元如線、圓等的幾何描述來生成圖像；計算機視覺則是從圖像中估計幾何基元和其他特征。簡單看來，計算機圖形學與計算機視覺是互逆過程。這兩個領域早期發展沒有什么聯系，但近年來發展越來越相近：計算機圖形技術在視覺系統的人機交互和建模（曲線曲面表示）等過程中起很大的作用，某些圖形可認為是圖像分析結果的可視化；計算機真實感景物生成可看做是圖像分析的逆過程，需使用計算機視覺技術，以便在計算機中建立逼真的圖像模型。而基于圖像的測繪、可視化和虛擬現實將兩個領域緊密地結合在一起。

尤其需要注意的是，計算機視覺中存在許多不確定性，而圖形圖像處理面對的多是確定性問題，是通過數學途徑可解決的問題，許多情況下需要在速度和精度（實時性和逼真度）之間取得某種妥協。

2. 圖形圖像處理與計算幾何

計算幾何著重討論幾何形體在計算機內的表示、分析和綜合。它研究如何方便靈活地建立幾何形體的數學模型，如何更好地存儲和管理這些模型。它的主要研究內容包括：曲線曲面的表示、生成、拼接和造型，三維實體造型，散亂數據插值，計算復雜性研究等。因此，計算幾何是對計算機圖形學中的圖形表示和建模的專業化研究和處理，可以這么認為，計算幾何是計算機圖形學中許多技術和方法的理論基礎。

3. 圖形圖像處理與多媒體技術

多媒體技術也是信息技術領域的一個熱點，盡管目前對多媒體技術的定義十分模糊，但是有一點是公認的：多媒體技術是作為文本、圖形、圖像、音頻和視頻等多種媒體的綜合集成技術。顯然，多媒體技術依賴于其構成的各種單一媒體的處理技術，因此，圖形圖像處理至少是多媒體技術中視覺信息處理的基礎。實際上，從前面對研究內容的討論可以看出：圖形圖像處理中同樣包括對文本、視頻、音頻和圖像處理及集成的研究。例如，合成圖形（synthetic graphics）就可以將圖形模型與外部視頻及音頻結合而生成新的圖形，典型的應用是人臉動畫（facial animation）、聲音驅動的動畫（voice-driven animation）等，而基于圖像的繪制則是將圖形建模和圖像處理和識別緊密結合的最典型例子。隨著網絡技術的發展，大量信息的內容構成不可能缺少圖形圖像技術的支持，作為多媒體典型應用的基于內容的圖像與視頻檢索技術（Content-Based Image and Video Retrieval，CBIVR），其難點在于感覺鴻溝（sensory gap）和語義鴻溝（semantic gap）。感覺鴻溝是指現實世界中的真實場景與計算機中的場景描述模型之間的差異；語義鴻溝是指用戶對計算機描述的視覺模型的理解與用戶直接對視覺場景的理解存在不一致性。實際上，這也正是計算機圖形學和數字圖像處理要解決的對象建模和真實感圖形顯示的核心問題。同時，圖形信息與文本、圖像、音頻及視頻結合的多媒體集成和多模式交互（multimodal user interac-tion）正是圖形圖像處理發展的一個重要方向。

總之，隨著科學技術的發展和應用的不斷深入，學科界限越來越模糊，各學科互相聯系，覆蓋面有所滲透和融合。例如，計算機圖形學離不開曲線、曲面及實體造型技術；而幾何造型系統又必須用到圖形生成處理技術和圖像處理技術；計算機視覺中的許多概念和方法來自于圖像處理和圖形學。在許多場合下，它們在概念上或實用中沒有截然的界限，它們只是專業和應用背景不同的人使用不同的術語，各有側重，但常常是互為補充。

尤其要注意的是，以圖形圖像信息的獲取、傳輸、存儲、變換、顯示、理解與綜合利用為核心的圖形圖像技術被認為是對人類思維活動最直接、最基本的模擬，圖形圖像技術的發展已從最初的純數學變換形式向人類視覺認知規律的方向發展。實質上，圖形圖像技術與形象思維是相輔相成的，圖形圖像的處理、真實感圖形顯示、計算機動畫生成、基于內容的圖像和視頻檢索、圖像理解和計算機視覺、虛擬現實、基于圖像的繪制、三維模型重建等圖形圖像技術都包含著形象思維模擬的研究。圖形圖像技術在更高水平上的突破，尤其是與人工智能和視覺認知處理等結合的新理論、新技術和新算法將為形象思維模擬的研究提供更堅實的技術支撐。另外，形象思維研究的進展將為圖形圖像技術的深入研究提供新的起點。

1.4 圖形圖像處理系統的組成及其應用

1.4.1 圖形圖像處理系統的組成

圖形圖像處理系統是執行處理、分析、理解圖形圖像信息任務的計算機系統。盡管圖形圖像信息處理技術應用廣泛，處理系統種類繁多，但它們的基本組成是相近的，主要包括五大部分：輸入設備、輸出設備、處理機、存儲設備、交互設備。一個完善的人機交互圖形圖像處理系統的結構原理框圖如圖1.2所示。

與系統的5個部分相對應，圖形圖像處理系統包括處理、存儲、交互、輸入和輸出5個基本功能。

（1）處理功能：用來實現基本的圖形圖像處理應用，主要功能包括點、線（直線和曲線）、面（平面和曲面）的生成，圖形的求交、分類，基本幾何變換，光照模型、顏色模型的建立、干涉檢測、圖像變換、圖像增強、圖像恢復、圖像分割等。

（2）存儲功能：對圖形圖像數據進行存儲，這些數據包括圖像的物理數據、圖形的幾何數據、拓撲關系及屬性信息，可以存放在內存中，也可以存于外存中。

（3）交互功能：人機交互設備實質上也是一種輸入設備，只是其輸入的是針對圖形圖像的控制信息，而非數據信息。用戶可以在現場通過人機交互操作圖形圖像（增加、刪除、修改、編輯等）以得到滿意的設計效果。

（4）輸入功能：在這里特指將圖形圖像的原始數據輸入到計算機中，使得后續工作能夠進行，這也是整個系統的數據獲取端，通常需要經過由模擬到數字的轉換。

（5）輸出功能：將圖形圖像的設計結果或已經處理完畢的圖形圖像在輸出設備上展示出來，供用戶審視或修改。根據應用目的和輸出設備的不同，常常采取不同的輸出方式和輸出算法。

1.4.2 典型圖形圖像處理應用軟件

1. Illustrator

Adobe Illustrator是一個矢量圖形設計軟件，采用了基于Adobe公司專利的PostScript技術，主要用在專業的印刷出版領域。由于該產品與Adobe公司的其他產品如Photoshop、PageMaker、Acrobat等之間具有無可比擬的兼容性，所以成為創建矢量圖形的首選工具。它可以創建復雜的藝術作品、技術圖解、用于打印的圖形和頁面設計圖樣、多媒體以及網頁等。

專業印刷級的Illustrator有較強的抗鋸齒作用，任意縮放圖形圖像時也不會造成明顯的邊緣鋸齒。其突出的優點還包括可以直接通過復制—粘貼方式，獲得由文本編輯軟件如Word等制作的文字和圖形，并自動矢量化。例如，Illustrator可以幫助設計師用符號和創新的切割選項制作精美的網頁圖形，還可以用即時變形工具探索獨特的創意，并能夠高效地在網上、印刷品或在任何地方發布藝術作品。可以這么說，Illustrator規劃了矢量圖形的未來。

2. Freehand

Freehand是美國Macromedia公司推出的矢量繪圖軟件，利用它的繪圖工具，能夠畫出純線條的美術作品和光滑的設計圖。它的原理是通過矢量所定義的直線和曲線來組成圖形，并根據圖形的幾何特性對其進行描述。矢量圖形的基本組成元素是點和路徑。這樣的圖形，無論將其移動、縮放、旋轉、鏡像，還是更改顏色，圖形的邊緣都是光滑的。Freehand除了能設計平面圖形外，還可以制作Flash動畫。Freehand作為矢量繪圖工具，廣泛應用于網頁制作。

Freehand的突出優勢是程序體積小，運行速度快，并且隨著近年來Macromedia公司的戰略轉移，PC版的Freehand與Flash、Dreamweaver、Fireworks等緊密協作，極大地擴展了Freehand的應用領域。目前，Freehand已經成為Macromedia Studio MX的重要組成部分。

3. Flash

Flash是Macromedia公司發布的網絡動畫創作工具。用它可以將音樂、聲效、動畫以及富有新意的界面融合在一起，以制作出高品質的網頁動態效果。Flash動畫的制作以幀為基本單位，考慮到網絡傳輸速度的問題，該軟件平臺僅支持256色的圖形圖像顯示。另外，Flash也支持交互性操作和編程，并在打包后可脫離開發平臺運行，因此可用來制作一般的電子出版物。

Flash是交互式矢量圖和Web動畫的標準，可以制作Web導航、互動圖片，被眾多瀏覽器支持。網頁設計者使用Flash創作出既漂亮又可改變尺寸的導航界面以及其他奇特的效果。它不但易學、易用，并且聲色結合，是一種很有前途的網頁制作工具。與其他工具相比，Flash具有矢量繪圖、播放流暢、數據量小、色彩鮮明等特點，并可通過腳本交互，兼容性強、體積小、對系統要求也不高，所以一經推出，就立刻在網上風靡。在網上出版、多媒體制作和圖形處理等方面做出了卓越的貢獻。

Flash動畫是當今世界火熱的2D矢量動畫工具，具有在現有Web頁面上整合多媒體元素的功能，而在新版本中，Flash的功能進一步得到擴展，可以用它創建完整的動態站點，從內容顯示到數據庫連接以及視頻調試，其整合多媒體編輯的能力，都滿足網站標準。

4. Photoshop

Photoshop是一種非常優秀的彩色圖形圖像處理軟件，也是目前最流行的平面設計軟件之一。其軟件設計優美、精煉，功能強大，廣泛應用于印刷、廣告設計、封面制作、網頁圖像制作和照片編輯等領域。

Photoshop自問世以來，在彩色出版領域引起了深刻的變革。運用Photoshop處理圖像，靈活直觀，所見即所得。由于在原稿編輯、修飾方面的重要作用更是使其成為計算機美工的必備工具。利用Photoshop大致可以完成三大類工作：圖像編輯、創意設計和繪圖。例如在效果圖中，對渲染出的圖像進行后期處理，即對色彩、尺寸等方面進行調整或制作陰影、人物、配景等。其軟件的許多特點，如彼此獨立而又可以交互影響的層、顏色通道與Alpha通道的靈活運用、豐富多彩的濾鏡，都是其他圖像處理軟件所無法比擬的。

5. CorelDRAW

加拿大Corel公司在平面設計領域的地位是有目共睹的，該公司的旗艦產品Core-l DRAW是一種廣泛應用于微機領域的圖形設計軟件包，是平面圖形圖像專業設計人員的常用軟件。Corel公司的CorelDRAW與Illustrator和Freehand相比最大的優勢在于CorelDRAW在同一個軟件包中提供了全面的圖形圖像解決方案。在CorelDRAW的圖形軟件套裝中，包含了三個主要的應用程序，分別是矢量繪圖軟件CorelDRAW、足以抗衡Photoshop的圖像處理軟件CorelPHOTOPAINT以及類似Flash的矢量動畫制作軟件CorelRAVE，因此組成了一個相當完備的數字平面設計工作室。不僅如此，Corel-DRAW還擁有非常人性化的用戶界面，并具有良好的可操作性和易學易用的特點。

6. 3D Studio MAX

3D Studio MAX（3DS MAX）是美國AutoDesk公司著名的三維動畫制作軟件，具有先進的建模手段、完善的材質編輯模塊、豐富的動畫制作控制參數以及流行的光線跟蹤算法渲染器。

3D Studio MAX功能強大、開放性好，對硬件的要求也不高，集建模、變形、組合、材質編輯、攝影燈光、場景設計、動作設計、影片剪輯和組合對象等功能于一體。內置工具豐富，而且修改方便，操作互動性好，質感與圖形工作站幾乎無異。它的捕捉功能使模型定位準確無誤，強大的編輯修改功能使其能夠處理更加復雜的模型，改進的燈光效果處理使輸出的圖像更加逼真。其動畫文件的基本輸出格式為AVI，所以必要時生成的三維動畫還可輸入到視頻編輯軟件中作進一步的加工修飾。缺點是技巧性要求高，有些功能如燈光效果不容易控制，想得到理想的效果會耗時較長。

3D Studio MAX應用范圍極為廣闊，是電子游戲開發商和影視動畫制作商的必備軟件，還廣泛應用于城市規劃、建筑設計、室內設計、機械設計、服裝設計、工業設計、產品展示、廣告宣傳、造型設計、軍事和醫學等眾多領域，是當今微機三維動畫的常用軟件。

3D Studio MAX支持多種平臺，具有多線程運算能力，支持多處理器的并行運算、建模和動畫能力，提供了材質編輯系統。

7. AutoCAD

AutoCAD是AutoDesk公司的著名產品，在工程領域應用廣泛，主要用于二維平面制圖，除了二維繪圖，AutoCAD也可用于三維建模。作為通用圖形軟件，它可以直接用于繪圖；作為支撐軟件，可以在其上開發應用軟件。Auto CAD主要的二次開發手段有AutoLISP、ADS及Object ARX。

AutoCAD類似于繪圖所使用的鉛筆、直尺、圓規、曲線板和橡皮擦，使人們能按自己的設想繪圖，只是這一切都是在計算機上進行的。完成之后，通過繪圖儀輸出到圖紙上或描圖紙上。一般來說，用手工進行的繪圖工作，均可用AutoCAD來進行。在我國的建筑領域，使用AutoCAD最多，也最為成功，其次是機械、電子、航空、航天、船舶以及汽車和其他工程領域，如城市規劃設計等。

在建筑工程設計中，AutoCAD可以用來繪制各種專業工程圖，從簡單的建筑表現圖到復雜的工程施工圖紙，從一般的二維圖形到表達空間關系的三維圖形。AutoCAD具有完善的繪圖功能、良好的操作特性、可定制的工作界面及菜單，深受廣大設計人員歡迎。在工程設計初期，在建筑方案構思階段，為了形象展現建筑全貌，可用AutoCAD繪制單體及群體建筑的三維圖形，以便從不同方向、不同角度觀看建筑，研究各部位之間的相互協調關系，分析其對環境和景觀的影響等。在工程方案確定以后，這個階段的圖形文件還可以直接轉換為平面設計圖形，為后續各個階段設計工作奠定基礎和提供條件。

AutoCAD建模的優點在于尺寸具有極高的精確度，但過程比較復雜，修改起來也不如3D Studio MAX方便。所以進行實際效果圖建模時，常采用在AutoCAD中建立二維平面圖形，然后導入3D Studio MAX進行修改生成三維模型。這個軟件具有簡單易用、繪圖精確等優點。新的版本中，繪圖功能變得更加強大，操作更加靈活，共同作業功能也變得越來越方便；而且還提供了更多的行業模板，增強了在三維繪圖方面的功能。

1.4.3 學科應用領域及其發展動向

圖形圖像處理作為一個新發展起來的學科，已經在科學計算和工程等領域得到了廣泛的應用。特別是近十年間，隨著硬件技術的飛速發展和軟件技術的巨大進步，圖形圖像處理的應用領域得以大范圍拓寬，它的應用已經發展到整個社會的每一個領域，直至家庭生活中。圖形圖像處理以它的形象逼真和直觀具體且易為人們理解和接受，成為表達信息的最有效的手段之一。

Donald Hearn在其著作《Computer Graphics with OpenGL》中歸納了計算機圖形學的應用領域，綜合起來看，圖形圖像處理的應用領域主要包括以下各個方面。

1. 計算機輔助設計

計算機輔助設計（CAD）是以計算機圖形學作為主要技術基礎的支持設計應用的技術。CAD方法已經普遍地應用在建筑物、汽車、飛機、船舶與海洋工程、航天器、計算機、紡織品和服裝等許多產品的設計過程中，如圖1.3所示。

CAD系統包括其硬件支撐環境和軟件系統。其中，它的應用軟件包可以支持不同的應用對象，CAD的應用不僅使得工程技術人員免去了終日伏在圖板上畫圖的辛苦，使得設計工作變得輕松，而且圖紙的生成質量和速度也有了很大的提高，底圖保存在計算機中或刻錄在光盤上，再也不必設立一個龐大的倉庫來保存圖紙了。

CAD的應用中還經常使用動畫技術。在顯示屏幕上出現的設計對象的動畫，不但直觀、形象，還可以讓觀察者能看清楚產品內部的結構、構件間的相對位置關系、甚至運動時的內部構件行為，可以有效地預測和解決空間干涉等設計過程中的棘手問題。在虛擬現實的環境中使用動畫技術就“再現”了所設計對象的“真面目”，實現了產品設計過程中的仿真。所有這些技術的采用不僅使設計人員在制造出該產品的實物之前就已經看到了它，而且還能夠為產品生產自動化提供支持。例如，產品的外形信息可為機床加工制造時規劃加工路徑使用，使設計過程與工藝規劃過程連通，實現了CAD與CAM的信息集成。

CAD應用于建筑設計，除了完成它的二維工程圖之外，它具有真實感的顯示可使建筑師和用戶直接看到該建筑物的外貌，一個逼真的模擬效果圖。采用虛擬現實技術，還可讓人們一個房間接一個房間地參觀，以考察其設計的效果，甚至可以模擬三維的室內布局、裝潢和照明效果等。

在輕紡工業領域，對紡織品的織紋設計、織物的圖案設計、地毯圖案設計和服裝設計等也都開始采用CAD技術。CAD技術的采用減輕了設計人員的勞動強度，加快了設計速度，提高了設計質量，縮短了產品上市時間，從而提高了產品競爭力。

2. 圖示圖形學

圖示圖形學（presentation graphics）是圖形圖像處理的另一個主要應用領域，它主要是用來生成報告的插圖或透明膠片和幻燈片，使各類報告、公告等的各種歸納、總結、統計和分析信息實現圖示化。例如，將統計分析結果用條形圖、餅圖或折線圖等形式表示出來，如圖1.4所示。特別是三維顯示圖形的采用，不僅使圖示效果更加形象生動，而且還可以表示更復雜的數據關系。

3. 計算機藝術

圖形圖像處理在計算機藝術（computer art）中也開始發揮作用，它主要應用于美術創作和實用藝術之中。美術工作者利用計算機提供的功能在屏幕上創作他們的美術作品，已經有美術字生成軟件、中國畫繪制工具軟件及西洋畫繪制工具等許多美術創作軟件問世。美術工作者利用這些軟件，特別是結合一些數學函數軟件包、三維建模軟件包和分形幾何軟件包的應用，可以創造出許多人們意想不到的美術作品，產生出人意料的效果，如圖1.5所示。

商用美術采用動畫、虛擬現實等技術來制作產品的模擬照片，繪制產品的圖片，制作商標和廣告等，不僅對產品的描繪栩栩如生，而且能產生如同電影一樣的三維動畫效果，在計算機上拍動畫廣告要比在實景現場拍廣告便捷得多，況且有些廣告中的場景是現實中并不存在的“虛幻世界”，只有計算機才能夠“制作”出來。

4. 娛樂

圖形圖像處理技術也越來越多地走進娛樂圈，常用于制作動畫片、電視片、音樂錄像片，甚至故事片、電影等。

利用計算機動畫技術生產電影，使角色造型、色彩搭配和角色運動路徑規劃等環節的設計變得更容易。計算機動畫技術還運用于故事片的制作過程，將圖形場景與演員及實際場景混合顯示，制造出“半真半假”的場面來，特別是對電影特技的處理，更有其優勢，如圖1.6所示，圖形圖像處理技術為電影制作開辟了一條新路。

音樂錄像片的制作以各種不同的方式使用圖形圖像技術。圖形對象可以與圖像實景混合，產生一種特殊的效果，圖形對象也可以與演員同臺合唱，還可采用圖像處理的方法來產生所需的特技效果等。電視片、電影片制作中所采用的圖形技術，在這里都可應用。

另外，電子游戲機之所以對人們有如此大的吸引力，利用圖形技術所產生的生動畫面是功不可沒的。

5. 教育與培訓

利用圖形圖像處理技術可以將許多抽象的事物以圖的形式展示給人們，從而在教學上得到了廣泛的應用。采用該項技術做成教學輔助工具使學生理解和掌握相關技術變得比較容易。教師們可以利用計算機動畫來說明諸如計算機內的控制流和數據流的流動情況、分子的內部結構、機械傳動裝置的工作原理、外科手術過程和天體運動規律等。

訓練模擬器是為專業訓練而專門設計的計算機圖形圖像系統，如訓練飛行員的飛行訓練模擬器，如圖1.7所示，訓練船員的艦船訓練模擬器，訓練汽車駕駛員的汽車訓練模擬器，訓練核電站操作人員的核裝置訓練模擬器等，都是這樣的一些專用系統。利用飛行訓練模擬器可以使受訓人員坐在模擬訓練艙內，面對顯示屏幕上的視景來演練控制飛機起飛和降落的過程。經過數十小時的模擬訓練，飛行學員試飛的成功率將會大幅度提高，而且還節省了燃油，又不需占用飛機、機場等昂貴資源。這些技術對于宇航員的航天訓練更顯現出其優越性。

廣泛采用汽車訓練模擬器，可大大縮短汽車駕駛員的訓練周期，又可用來考察緊急情況下駕駛員的行為特點，根據駕駛員的反應規律來優化汽車設計，以進一步提高汽車的安全性。

6. 可視化

科研、工程、商業及社會的各行各業都在產生著大量的數據，對這些數據進行收集和處理，從而獲得有價值的信息，是一項繁雜的工作，如果能夠將這些數據轉換成可視形式，那么這些數據間的關系、變化趨勢和模式就顯得清晰、直觀了。數據的可視化（visualization）給人們分析數據和理解數據提供了方便。為科學計算、工程和化學分析等的數據集或過程而生成的圖形表示通常稱為科學計算可視化（scientific visualization）；為工業、商業、金融和其他非科學計算領域的數據可視化通常稱作商用可視化（business visualization）。

可視化技術有著廣泛的用途，它可以用彩色的圖像來表示飛行器表面的氣流形態（如圖1.8所示）、航海器產生的湍流等。三維實體圖形還可以表示高分子結構模型、空氣污染模型和金屬斷裂模型等。在統計分析過程中，更是常用直方圖、曲線圖和餅圖等圖式來表示其結果。

7. 醫學

大家所熟知的CT（computer tomography）即計算機X射線斷層造影就是圖形學和圖像處理相結合的產物。首先采用X射線獲取人體器官的各斷層影像，采用圖像處理技術對器官的改變區域進行邊界跟蹤，再采用圖形學算法進行三維恢復，以確定病變部位的三維形態。醫學影像學中還采用超聲波和核磁醫學掃描儀等設備來獲取數據，后續的數據處理也都采用了圖形學和圖像處理技術。如圖1.9所示，這是一張X光圖片，從中可以清晰地看出固定脛骨的鋼板和鋼釘。在醫學上還使用這些技術來建模和研究物理功能，以設計人工肢體，制訂手術方案和開展手術模擬訓練等，這種計算機輔助手術（computer aided surgery）系統將會在臨床與研究上得到廣泛的應用。利用虛擬現實技術生成的人體解剖模型可供醫學院校的學生學習人體解剖學，學習外科的手術過程及開展科研工作。

8. 圖形用戶接口

圖形用戶接口（graphical user interfaces）在軟件設計中得到了普遍應用。圖形用戶接口的主體部分是一個允許用戶顯示多個窗口區域（視區）的窗口管理程序。各窗口可以獲得圖形的或非圖形的顯示。這種窗口功能對于人機交互過程是不可缺少的，特別是圖形用戶接口，為用戶提供了直觀和易于理解與接受的人機界面，縮短了計算機與用戶的距離。

習題一

1.解釋下列概念：

（1）圖形；（2）圖像；（3）計算機圖形學；（4）數字圖像處理。

2.分析圖形和圖像這兩個概念的聯系與區別。

3.計算機圖形學的主要研究內容是什么？

4.數字圖像處理的主要研究內容是什么？

5.圖形圖像處理與相關學科的關系如何？

6.簡述圖形圖像處理的發展方向和熱點研究領域。

7.結合Windows的使用，談談你對圖形用戶接口的體會。

8.列舉日常生活中圖形圖像處理應用的實例。