第1章 緒論

1.1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)無(wú)論是在深度和廣度都得到了加深和拓寬，而計(jì)算機(jī)在這個(gè)過(guò)程中起到了無(wú)可替代的重要作用，已經(jīng)成為我們進(jìn)行科學(xué)研究不可或缺的工具。國(guó)外學(xué)者曾經(jīng)做過(guò)統(tǒng)計(jì)，人類認(rèn)識(shí)外部世界的信息有70%以上是來(lái)自眼睛獲取的視覺(jué)信息，可視信息成為了人類認(rèn)識(shí)世界的重要知識(shí)來(lái)源。因此，利用計(jì)算機(jī)處理可視信息、模擬客觀世界、并進(jìn)一步研究它的規(guī)律，已經(jīng)成為人們深入理解客觀世界的一個(gè)重要手段。

人類所感受的視覺(jué)信息的范圍是非常廣泛的，各類圖片（picture）、繪圖、繪畫、光學(xué)影像都是其中的一部分，同時(shí)，借助科學(xué)技術(shù)的新成就，人類的視覺(jué)還可以得到延伸，原本對(duì)人類不可見(jiàn)的許多信息都可以呈現(xiàn)在眼前。顯微鏡可以使人們進(jìn)入微觀世界，天文望遠(yuǎn)鏡可以讓人們到達(dá)宇宙深處，借助新的傳感器可以“看”到物體的紅外圖像，在計(jì)算機(jī)的輔助下可以觀察電磁場(chǎng)的分布、原子核的運(yùn)動(dòng)、風(fēng)場(chǎng)的走向。面對(duì)紛繁復(fù)雜的客觀世界，如何利用計(jì)算機(jī)獲取、描述、處理各類信息，并最終以一種人眼可見(jiàn)的形式逼真地顯示給用戶，已經(jīng)成為廣大科研工作者的一個(gè)重要研究課題，而這正是圖形圖像處理所要關(guān)注的領(lǐng)域。

圖形圖像處理融合了兩門重要學(xué)科的內(nèi)容：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（computer graphics）和數(shù)字圖像處理（digital image processing），是一門重要的信號(hào)與信息處理學(xué)科，是一維信號(hào)與信息處理的延伸和擴(kuò)展，主要在二維平面內(nèi)分析可視信息的相關(guān)處理手段和算法。圖形圖像處理所依托的學(xué)科發(fā)展非常迅速，新技術(shù)、新方法層出不窮，并且不斷有其他學(xué)科的思想和理論滲透進(jìn)來(lái)，是一門開放的學(xué)科。

本章主要介紹圖形圖像處理的基本概念以及學(xué)科的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展，闡述本學(xué)科的主要研究?jī)?nèi)容、相關(guān)學(xué)科及其相互關(guān)系，重點(diǎn)介紹計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成和主要的外部設(shè)備，并分析圖形圖像處理的典型應(yīng)用領(lǐng)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(duì)象就是圖形和圖像，但是這兩類對(duì)象具有不同的性質(zhì)，習(xí)慣上側(cè)重于研究圖形的學(xué)科稱為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，而側(cè)重于圖像的學(xué)科稱為數(shù)字圖像處理。圖形圖像處理實(shí)質(zhì)上是兩者的有機(jī)融合，本書的內(nèi)容也是按照這兩大學(xué)科來(lái)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(gè)概念，有時(shí)甚至用其他詞匯，如“圖片”、“圖案”等來(lái)取而代之。從學(xué)術(shù)角度上看，“圖”是指物體反射和透射光的分布，“形”是指針對(duì)事物形狀、邊界、輪廓以及內(nèi)部信息的描述，“像”是指人的視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)圖的接收，在人腦中形成的印象認(rèn)識(shí)。由此可見(jiàn)，“圖”實(shí)質(zhì)上是一個(gè)物理的概念，“形”是對(duì)物理概念的模型化描述，“像”則是人腦對(duì)物理概念的認(rèn)知。

在此基礎(chǔ)上，圖形就是客觀實(shí)體和抽象概念的形象化表示，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生圖形的過(guò)程就是將表示對(duì)象的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形的過(guò)程；而圖像是指能為人類視覺(jué)系統(tǒng)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(xiàn)在人們心目中的影像。

由此可以看出，圖形和圖像實(shí)際上是既有聯(lián)系又有區(qū)別的兩個(gè)概念。圖形和圖像都是對(duì)客觀世界的刻畫，圖形所描述的模型與圖像所表示的數(shù)據(jù)實(shí)質(zhì)上都是反映同一個(gè)客觀世界，從數(shù)據(jù)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸出設(shè)備上展現(xiàn)，這種輸出設(shè)備尤其特指計(jì)算機(jī)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(gè)像素構(gòu)成的若干區(qū)域，從呈現(xiàn)方式上看，圖形和圖像是殊途同歸。

然而，在表現(xiàn)手段上，圖形和圖像又有著顯著的區(qū)別，并由此形成兩個(gè)不同方向的學(xué)科。從數(shù)據(jù)表現(xiàn)目的看，圖形所記錄的數(shù)據(jù)表現(xiàn)的是對(duì)客觀世界的描述，而圖像所記錄的數(shù)據(jù)則是真實(shí)世界的寫照，借用美術(shù)領(lǐng)域的術(shù)語(yǔ)做類比，圖像偏重于寫實(shí)，而圖形偏重于寫意。另外，從數(shù)據(jù)構(gòu)成的角度看，構(gòu)成圖形的基本數(shù)據(jù)是“圖元（primitive）”，構(gòu)成圖像的基本數(shù)據(jù)是“像素（pixel）”。圖元是構(gòu)成計(jì)算機(jī)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(qū)別，還有方向的不同，因此圖元是一個(gè)矢量（vec-tor）的概念。像素通常就是指組成圖像的單個(gè)像點(diǎn)，常常與計(jì)算機(jī)顯示器屏幕上的發(fā)光點(diǎn)對(duì)應(yīng)，單個(gè)的像素只有位置和數(shù)值上的區(qū)別，但是許多像素組合起來(lái)并且將像素的數(shù)值轉(zhuǎn)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(shù)值的像素按一定規(guī)律排列而成，它反映了一種位圖（bitmap）的思想。

1.2.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與數(shù)字圖像處理

了解了圖形和圖像的基本概念，就可以比較準(zhǔn)確地理解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和數(shù)字圖像處理兩門學(xué)科的內(nèi)涵和外延。

廣義的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)所研究的問(wèn)題包含兩個(gè)方面：其一，怎樣通過(guò)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生圖形；其二，如何將圖形轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)。第二個(gè)方面所研究的問(wèn)題實(shí)際上涉及了圖像處理的領(lǐng)域，我們?cè)诹?xí)慣上還是把計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和數(shù)字圖像處理看成兩門學(xué)科，盡管它們之間有著密切的聯(lián)系，但是各自都有著自己的研究重點(diǎn)。

美國(guó)James D.Foley教授給出了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的定義，“通過(guò)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生、存儲(chǔ)及處理對(duì)象的模型以及它們的圖形的科學(xué)”。在這個(gè)定義中，處理可以理解為圖形的變換（平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等）、修改、識(shí)別、圖形間的運(yùn)算（組合、拼接、裁減）、真實(shí)感圖形的生成，等等，這些內(nèi)容也是本書闡述的重點(diǎn)之一。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）給計(jì)算機(jī)圖形學(xué)做出了以下的定義：“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究通過(guò)計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形并在專用顯示設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的學(xué)科。”

數(shù)字圖像處理就是按特定的目標(biāo)，用一系列特定的操作來(lái)改造圖像，以滿足人的視覺(jué)和應(yīng)用要求。我們之所以強(qiáng)調(diào)數(shù)字化的圖像處理，不僅指所處理的圖像是數(shù)字圖像，還包括所采用的處理手段也是數(shù)字化的手段以區(qū)別于傳統(tǒng)的光學(xué)模擬手段。數(shù)字圖像處理的研究源于兩種現(xiàn)實(shí)的需求：一是為了改善視覺(jué)效果便于人們分析；二是為了便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和理解。

通常認(rèn)為，圖像處理涉及的范疇分為低級(jí)、中級(jí)和高級(jí)三個(gè)層次。在低級(jí)層次，處理的輸入和輸出都是圖像，采用的是一些初級(jí)手段，如去除噪聲、增強(qiáng)對(duì)比度等，在這個(gè)層次上進(jìn)行的研究工作常常被狹義地稱為“圖像處理”。在中級(jí)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(jì)算機(jī)處理和實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的分類、識(shí)別，這些研究工作常稱為“圖像分析”。在高級(jí)層次，分析的對(duì)象是中級(jí)層次中提取出的特征和分割出的對(duì)象，往往綜合許多人工智能的手段，旨在用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人類視覺(jué)，分析圖像對(duì)象與周圍環(huán)境之間的聯(lián)系，從而感知外部的三維世界，這些研究工作就是“計(jì)算機(jī)視覺(jué)”，也有學(xué)者稱之為“圖像理解”。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本含義是使用計(jì)算機(jī)通過(guò)算法和程序在顯示設(shè)備上構(gòu)造出圖形來(lái)。也就是說(shuō)，圖形是人們通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和構(gòu)造出來(lái)的，而不是通過(guò)攝像機(jī)或掃描儀等輸入的圖像。所設(shè)計(jì)和構(gòu)造的圖形可以是現(xiàn)實(shí)世界中已經(jīng)存在的物體的圖形，也可以是完全虛構(gòu)的物體。因此，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是真實(shí)物體或虛構(gòu)物體的圖形綜合技術(shù)。

與此相反，圖像處理是景物或圖像的分析技術(shù)，相對(duì)而言它所研究的是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的逆過(guò)程，即如何從已有的圖像數(shù)據(jù)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(qiáng)、模式識(shí)別、景物分析、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等。

1.2.3 圖形圖像處理的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史可以追溯到20世紀(jì)50年代。1950年世界上生產(chǎn)出第一臺(tái)CRT（陰極射線管式）顯示器，這使得當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)擺脫了純數(shù)字計(jì)算工具這種單一用途，使之同時(shí)還能顯示各種簡(jiǎn)單圖形。到了50年代中期，美國(guó)開發(fā)的SAGE空中防御系統(tǒng)首次使用命令控制的CRT顯示控制臺(tái)，在其上操作員使用光筆識(shí)別目標(biāo)。1963年，麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的Ivan E·Sutherland發(fā)表了“畫板（Sketchpad）：一個(gè)人機(jī)圖形通信系統(tǒng)”的博士論文，這是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)里程碑，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為一個(gè)全新研究領(lǐng)域的起步。到了60年代中期，雷諾汽車公司、麻省理工學(xué)院、通用汽車公司、洛克希德飛機(jī)制造公司和貝爾實(shí)驗(yàn)室等都大規(guī)模地開展了計(jì)算機(jī)圖形顯示的研究工作。與此同時(shí)，各種繪圖儀和圖形顯示器也相繼問(wèn)世，這為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展提供了必要的硬件基礎(chǔ)。進(jìn)入70年代以后，人們相繼提出了各種圖形標(biāo)準(zhǔn)（如GKS二維圖形標(biāo)準(zhǔn)與PHIGS、OpenGL三維圖形標(biāo)準(zhǔn)等），這使得各種圖形應(yīng)用軟件的開發(fā)更加方便，同時(shí)使其應(yīng)用軟件具備了良好的可移植性。應(yīng)該說(shuō)圖形顯示軟件的標(biāo)準(zhǔn)化是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展趨于成熟的一個(gè)重要標(biāo)志，是對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)成果的總結(jié)與概括。

我國(guó)開展計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究開始于20世紀(jì)60年代中后期。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)無(wú)論在理論研究，還是在實(shí)際應(yīng)用的深度和廣度方面，都取得了令人可喜的成果。在國(guó)家攻關(guān)項(xiàng)目、863高技術(shù)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目中有不少關(guān)于計(jì)算機(jī)圖形軟件研究開發(fā)的課題，其中，二維交互繪圖系統(tǒng)已進(jìn)入商品化階段，并可以與國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上和美國(guó)Autodesk公司的AutoCAD軟件相媲美。與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)有關(guān)的學(xué)術(shù)活動(dòng)在我國(guó)也很活躍。在計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)、工程圖學(xué)學(xué)會(huì)、自動(dòng)化學(xué)會(huì)、電子學(xué)會(huì)等國(guó)家一級(jí)學(xué)會(huì)下面都設(shè)有與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)有關(guān)的二級(jí)分會(huì)，并定期（一般是兩年一次）舉辦全國(guó)性的學(xué)術(shù)會(huì)議，其中，計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)和工程圖學(xué)學(xué)會(huì)每?jī)赡攴謩e舉辦一次與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)有關(guān)的國(guó)際會(huì)議。在我國(guó)也有好幾種與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)有關(guān)的學(xué)術(shù)刊物，如《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)》、《工程圖學(xué)學(xué)報(bào)》和《計(jì)算機(jī)輔助工程》等。

數(shù)字圖像處理的最早應(yīng)用是在報(bào)紙業(yè)，早在20世紀(jì)20年代，人們將圖片進(jìn)行編碼，然后利用跨大西洋的海底電纜將數(shù)據(jù)從倫敦傳往紐約，在接收端利用特殊的打印機(jī)重現(xiàn)圖像。數(shù)字圖像處理的歷史和數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展密切相關(guān)，在基于馮·諾依曼體系的計(jì)算機(jī)發(fā)展起來(lái)以后，數(shù)字圖像處理的系統(tǒng)研究也在20世紀(jì)50年代隨之起步。1964年美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）使用數(shù)字計(jì)算機(jī)對(duì)“旅行者7號(hào)”衛(wèi)星傳送的月球照片進(jìn)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(fā)展的重要里程碑。此后，數(shù)字圖像處理技術(shù)在空間研究一直得到了廣泛的應(yīng)用，除此以外，在醫(yī)學(xué)圖像、地球遙感監(jiān)測(cè)、天文學(xué)等領(lǐng)域這門技術(shù)也得到了運(yùn)用，并取得了顯著成果。到20世紀(jì)70年代初，由于大量的研究和應(yīng)用，數(shù)字圖像處理雖然其本質(zhì)是一種二維信號(hào)處理，但是它已經(jīng)具有自己的技術(shù)特色并形成了較完善的學(xué)科體系，從而成為一門獨(dú)立的新學(xué)科。近20年來(lái)，數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展更為深入、廣泛和迅速，這主要是各個(gè)領(lǐng)域?qū)D像處理提出越來(lái)越高的要求以及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展所致。圖像處理技術(shù)在深度和廣度兩個(gè)方面都不斷深化和拓展，許多新理論、新技術(shù)、新應(yīng)用都不斷地加入到數(shù)字圖像處理的領(lǐng)域。現(xiàn)在，人們已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到數(shù)字圖像處理是認(rèn)識(shí)世界、改造世界的重要手段。

1.3 圖形圖像處理的研究?jī)?nèi)容

1.3.1 圖形圖像處理的主要研究?jī)?nèi)容

圖形圖像處理的研究?jī)?nèi)容主要在于和人類視覺(jué)密切相關(guān)的各個(gè)方面，其理論與技術(shù)涉及眾多的學(xué)科，如數(shù)學(xué)、物理學(xué)、信號(hào)處理、控制論、模式識(shí)別、人工智能、生物學(xué)、神經(jīng)心理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等，它是一門兼具交叉性和開放性的學(xué)科。圖形圖像處理所涉及的知識(shí)門類多樣，具體的方法種類繁多，應(yīng)用也極為廣泛，但從主要研究?jī)?nèi)容上可以分為以下幾個(gè)方面。

1. 圖形輸入技術(shù)

圖形輸入技術(shù)主要研究如何讓用戶自然流暢地將表示對(duì)象的圖形輸入到計(jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)物體及其圖像的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)及其呈現(xiàn)形式的控制。這個(gè)技術(shù)的核心是人機(jī)接口（Human Computer Interface，HCI），尤其是圖形用戶界面（Graphic User Interface，GUI）技術(shù)，以WIMP（window、icon、menu和point）為特征及觸覺(jué)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(shù)

圖形建模技術(shù)主要研究在計(jì)算機(jī)內(nèi)如何表示和存儲(chǔ)圖形，即對(duì)象建模技術(shù)。線架模型（wire frame modeling）、面片模型（surface modeling）、實(shí)體模型（solid modeling）和特征模型（feature modeling）等是目前計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)中最常用的。但這些模型主要用于可用歐氏幾何方法來(lái)描述的形狀，對(duì)于諸如山、水、草、樹、云、煙、水等不規(guī)則對(duì)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(tǒng)和基于物理造型等技術(shù)。

3. 圖形處理和輸出技術(shù)

圖形處理和輸出技術(shù)主要研究在顯示設(shè)備上如何“逼真”地顯示圖形。這種技術(shù)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(shí)感圖形顯示技術(shù)）。同時(shí)，在圖形處理中也融入了一些圖像處理的技術(shù)，其目的就是為了改善圖形顯示質(zhì)量，例如，反鋸齒（anti-aliasing）便是最典型的圖像處理技術(shù)。

4. 圖形應(yīng)用技術(shù)

圖形應(yīng)用技術(shù)的范圍十分廣泛，既包括計(jì)算機(jī)圖形軟件包的設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)及圖形標(biāo)準(zhǔn)的建立等；還包括計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、計(jì)算機(jī)輔助工程、可視化和體視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等大量在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)。

5. 圖像數(shù)字化

圖像數(shù)字化是將模擬形式的圖像通過(guò)數(shù)字化設(shè)備變?yōu)閿?shù)字計(jì)算機(jī)可用的離散的圖像數(shù)據(jù)。它主要包括取樣技術(shù)和量化技術(shù)。

6. 圖像變換

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

7. 圖像增強(qiáng)

圖像增強(qiáng)是一種以改善人們的視覺(jué)效果，或便于人或計(jì)算機(jī)分析、理解圖像內(nèi)容為主要目的的改善圖像質(zhì)量的方法。它主要包括對(duì)比度增強(qiáng)、直方圖修正、平滑、銳化、同態(tài)濾波、幾何校正、偽彩色假彩色、圖像間的算術(shù)運(yùn)算等。

8. 圖像恢復(fù)

圖像恢復(fù)是指對(duì)失真的圖像進(jìn)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(duì)降質(zhì)模型的分析、對(duì)降質(zhì)系統(tǒng)參數(shù)的確定、頻域恢復(fù)方法、空域恢復(fù)方法、約束或無(wú)約束的最小二乘估計(jì)、線性或非線性的均方估計(jì)，最大熵恢復(fù)、代數(shù)方法恢復(fù)、運(yùn)動(dòng)模糊恢復(fù)、盲恢復(fù)等內(nèi)容和手段。

9. 圖像分割

圖像分割是指根據(jù)選定的特征將圖像劃分成若干個(gè)有意義的部分，從而使原圖像在內(nèi)容表達(dá)上更為簡(jiǎn)單明了，為后續(xù)圖像分析和理解打下基礎(chǔ)。它主要包括基于區(qū)域的分割法、基于邊界的分割法、匹配檢測(cè)分割、基于模式識(shí)別的分割法、基于視覺(jué)特性檢測(cè)法等多種方法。

10. 圖像分析與描述

這一層次的工作是對(duì)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(guān)系的表述。主要研究的技術(shù)包括圖像的統(tǒng)計(jì)特征描述、曲線描述、區(qū)域描述、紋理特征表示、圖像關(guān)系描述等。

11. 圖像數(shù)據(jù)壓縮

圖像數(shù)據(jù)壓縮主要是為了消除圖像在空間上、時(shí)間上或內(nèi)容上的冗余性，以利于傳輸和存儲(chǔ)，其表現(xiàn)就是減少圖像數(shù)據(jù)量，將一個(gè)大的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成較小的同性質(zhì)的文件。它的研究?jī)?nèi)容主要包括輪廓編碼壓縮、行程編碼壓縮、預(yù)測(cè)誤差編碼壓縮、正交變換編碼壓縮等相關(guān)技術(shù)。

12. 圖像重建

圖像重建是由一種由目標(biāo)某一剖面的一維投影曲線重構(gòu)該剖面二維圖像的技術(shù)，包括以下主要研究?jī)?nèi)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(shù)重建法。

1.3.2 圖形圖像處理與相關(guān)學(xué)科的聯(lián)系與區(qū)別

圖形圖像處理實(shí)質(zhì)上包含了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和數(shù)字圖像處理兩個(gè)學(xué)科的內(nèi)容，從它們研究的對(duì)象上看，主要是關(guān)于圖像和數(shù)據(jù)模型這兩種不同的對(duì)象。而與圖像處理和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)的一些其他學(xué)科，也同樣是研究這兩類對(duì)象，它們之間的聯(lián)系如圖1.1所示。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要研究從模型中生成圖形圖像的技術(shù)，而數(shù)字圖像處理所討論的問(wèn)題中輸入和輸出兩者均為圖像。

1. 圖形圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺(jué)和模式識(shí)別

計(jì)算機(jī)視覺(jué)和模式識(shí)別討論對(duì)輸入圖像進(jìn)行描述或者對(duì)圖像進(jìn)行歸類的方法。它從圖像開始，分析和識(shí)別輸入圖像并從中提取二維或三維的數(shù)據(jù)模型或特征，再將其變換到抽象的描述：一組數(shù)、一串符號(hào)或一個(gè)圖（graph），這個(gè)描述通常比圖形學(xué)數(shù)學(xué)模型更抽象，更富語(yǔ)義。例如，手寫漢字的識(shí)別、機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)、醫(yī)療自動(dòng)診斷、遙感檢測(cè)與分析等（如中央電視臺(tái)天氣預(yù)報(bào)的云圖分析）。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是從給定幾何基元如線、圓等的幾何描述來(lái)生成圖像；計(jì)算機(jī)視覺(jué)則是從圖像中估計(jì)幾何基元和其他特征。簡(jiǎn)單看來(lái)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與計(jì)算機(jī)視覺(jué)是互逆過(guò)程。這兩個(gè)領(lǐng)域早期發(fā)展沒(méi)有什么聯(lián)系，但近年來(lái)發(fā)展越來(lái)越相近：計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)在視覺(jué)系統(tǒng)的人機(jī)交互和建模（曲線曲面表示）等過(guò)程中起很大的作用，某些圖形可認(rèn)為是圖像分析結(jié)果的可視化；計(jì)算機(jī)真實(shí)感景物生成可看做是圖像分析的逆過(guò)程，需使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，以便在計(jì)算機(jī)中建立逼真的圖像模型。而基于圖像的測(cè)繪、可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)將兩個(gè)領(lǐng)域緊密地結(jié)合在一起。

尤其需要注意的是，計(jì)算機(jī)視覺(jué)中存在許多不確定性，而圖形圖像處理面對(duì)的多是確定性問(wèn)題，是通過(guò)數(shù)學(xué)途徑可解決的問(wèn)題，許多情況下需要在速度和精度（實(shí)時(shí)性和逼真度）之間取得某種妥協(xié)。

2. 圖形圖像處理與計(jì)算幾何

計(jì)算幾何著重討論幾何形體在計(jì)算機(jī)內(nèi)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(shù)學(xué)模型，如何更好地存儲(chǔ)和管理這些模型。它的主要研究?jī)?nèi)容包括：曲線曲面的表示、生成、拼接和造型，三維實(shí)體造型，散亂數(shù)據(jù)插值，計(jì)算復(fù)雜性研究等。因此，計(jì)算幾何是對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的圖形表示和建模的專業(yè)化研究和處理，可以這么認(rèn)為，計(jì)算幾何是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中許多技術(shù)和方法的理論基礎(chǔ)。

3. 圖形圖像處理與多媒體技術(shù)

多媒體技術(shù)也是信息技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，盡管目前對(duì)多媒體技術(shù)的定義十分模糊，但是有一點(diǎn)是公認(rèn)的：多媒體技術(shù)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(shù)。顯然，多媒體技術(shù)依賴于其構(gòu)成的各種單一媒體的處理技術(shù)，因此，圖形圖像處理至少是多媒體技術(shù)中視覺(jué)信息處理的基礎(chǔ)。實(shí)際上，從前面對(duì)研究?jī)?nèi)容的討論可以看出：圖形圖像處理中同樣包括對(duì)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(jié)合而生成新的圖形，典型的應(yīng)用是人臉動(dòng)畫（facial animation）、聲音驅(qū)動(dòng)的動(dòng)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(shí)別緊密結(jié)合的最典型例子。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，大量信息的內(nèi)容構(gòu)成不可能缺少圖形圖像技術(shù)的支持，作為多媒體典型應(yīng)用的基于內(nèi)容的圖像與視頻檢索技術(shù)（Content-Based Image and Video Retrieval，CBIVR），其難點(diǎn)在于感覺(jué)鴻溝（sensory gap）和語(yǔ)義鴻溝（semantic gap）。感覺(jué)鴻溝是指現(xiàn)實(shí)世界中的真實(shí)場(chǎng)景與計(jì)算機(jī)中的場(chǎng)景描述模型之間的差異；語(yǔ)義鴻溝是指用戶對(duì)計(jì)算機(jī)描述的視覺(jué)模型的理解與用戶直接對(duì)視覺(jué)場(chǎng)景的理解存在不一致性。實(shí)際上，這也正是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和數(shù)字圖像處理要解決的對(duì)象建模和真實(shí)感圖形顯示的核心問(wèn)題。同時(shí)，圖形信息與文本、圖像、音頻及視頻結(jié)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(fā)展的一個(gè)重要方向。

總之，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的不斷深入，學(xué)科界限越來(lái)越模糊，各學(xué)科互相聯(lián)系，覆蓋面有所滲透和融合。例如，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)離不開曲線、曲面及實(shí)體造型技術(shù)；而幾何造型系統(tǒng)又必須用到圖形生成處理技術(shù)和圖像處理技術(shù)；計(jì)算機(jī)視覺(jué)中的許多概念和方法來(lái)自于圖像處理和圖形學(xué)。在許多場(chǎng)合下，它們?cè)诟拍钌匣驅(qū)嵱弥袥](méi)有截然的界限，它們只是專業(yè)和應(yīng)用背景不同的人使用不同的術(shù)語(yǔ)，各有側(cè)重，但常常是互為補(bǔ)充。

尤其要注意的是，以圖形圖像信息的獲取、傳輸、存儲(chǔ)、變換、顯示、理解與綜合利用為核心的圖形圖像技術(shù)被認(rèn)為是對(duì)人類思維活動(dòng)最直接、最基本的模擬，圖形圖像技術(shù)的發(fā)展已從最初的純數(shù)學(xué)變換形式向人類視覺(jué)認(rèn)知規(guī)律的方向發(fā)展。實(shí)質(zhì)上，圖形圖像技術(shù)與形象思維是相輔相成的，圖形圖像的處理、真實(shí)感圖形顯示、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫生成、基于內(nèi)容的圖像和視頻檢索、圖像理解和計(jì)算機(jī)視覺(jué)、虛擬現(xiàn)實(shí)、基于圖像的繪制、三維模型重建等圖形圖像技術(shù)都包含著形象思維模擬的研究。圖形圖像技術(shù)在更高水平上的突破，尤其是與人工智能和視覺(jué)認(rèn)知處理等結(jié)合的新理論、新技術(shù)和新算法將為形象思維模擬的研究提供更堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。另外，形象思維研究的進(jìn)展將為圖形圖像技術(shù)的深入研究提供新的起點(diǎn)。

1.4 圖形圖像處理系統(tǒng)的組成及其應(yīng)用

1.4.1 圖形圖像處理系統(tǒng)的組成

圖形圖像處理系統(tǒng)是執(zhí)行處理、分析、理解圖形圖像信息任務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管圖形圖像信息處理技術(shù)應(yīng)用廣泛，處理系統(tǒng)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(shè)備、輸出設(shè)備、處理機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備、交互設(shè)備。一個(gè)完善的人機(jī)交互圖形圖像處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1.2所示。

與系統(tǒng)的5個(gè)部分相對(duì)應(yīng)，圖形圖像處理系統(tǒng)包括處理、存儲(chǔ)、交互、輸入和輸出5個(gè)基本功能。

（1）處理功能：用來(lái)實(shí)現(xiàn)基本的圖形圖像處理應(yīng)用，主要功能包括點(diǎn)、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(cè)、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、圖像分割等。

（2）存儲(chǔ)功能：對(duì)圖形圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，這些數(shù)據(jù)包括圖像的物理數(shù)據(jù)、圖形的幾何數(shù)據(jù)、拓?fù)潢P(guān)系及屬性信息，可以存放在內(nèi)存中，也可以存于外存中。

（3）交互功能：人機(jī)交互設(shè)備實(shí)質(zhì)上也是一種輸入設(shè)備，只是其輸入的是針對(duì)圖形圖像的控制信息，而非數(shù)據(jù)信息。用戶可以在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)人機(jī)交互操作圖形圖像（增加、刪除、修改、編輯等）以得到滿意的設(shè)計(jì)效果。

（4）輸入功能：在這里特指將圖形圖像的原始數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中，使得后續(xù)工作能夠進(jìn)行，這也是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取端，通常需要經(jīng)過(guò)由模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。

（5）輸出功能：將圖形圖像的設(shè)計(jì)結(jié)果或已經(jīng)處理完畢的圖形圖像在輸出設(shè)備上展示出來(lái)，供用戶審視或修改。根據(jù)應(yīng)用目的和輸出設(shè)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(yīng)用軟件

1. Illustrator

Adobe Illustrator是一個(gè)矢量圖形設(shè)計(jì)軟件，采用了基于Adobe公司專利的PostScript技術(shù)，主要用在專業(yè)的印刷出版領(lǐng)域。由于該產(chǎn)品與Adobe公司的其他產(chǎn)品如Photoshop、PageMaker、Acrobat等之間具有無(wú)可比擬的兼容性，所以成為創(chuàng)建矢量圖形的首選工具。它可以創(chuàng)建復(fù)雜的藝術(shù)作品、技術(shù)圖解、用于打印的圖形和頁(yè)面設(shè)計(jì)圖樣、多媒體以及網(wǎng)頁(yè)等。

專業(yè)印刷級(jí)的Illustrator有較強(qiáng)的抗鋸齒作用，任意縮放圖形圖像時(shí)也不會(huì)造成明顯的邊緣鋸齒。其突出的優(yōu)點(diǎn)還包括可以直接通過(guò)復(fù)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(dòng)矢量化。例如，Illustrator可以幫助設(shè)計(jì)師用符號(hào)和創(chuàng)新的切割選項(xiàng)制作精美的網(wǎng)頁(yè)圖形，還可以用即時(shí)變形工具探索獨(dú)特的創(chuàng)意，并能夠高效地在網(wǎng)上、印刷品或在任何地方發(fā)布藝術(shù)作品。可以這么說(shuō)，Illustrator規(guī)劃了矢量圖形的未來(lái)。

2. Freehand

Freehand是美國(guó)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(shù)作品和光滑的設(shè)計(jì)圖。它的原理是通過(guò)矢量所定義的直線和曲線來(lái)組成圖形，并根據(jù)圖形的幾何特性對(duì)其進(jìn)行描述。矢量圖形的基本組成元素是點(diǎn)和路徑。這樣的圖形，無(wú)論將其移動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)、鏡像，還是更改顏色，圖形的邊緣都是光滑的。Freehand除了能設(shè)計(jì)平面圖形外，還可以制作Flash動(dòng)畫。Freehand作為矢量繪圖工具，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)頁(yè)制作。

Freehand的突出優(yōu)勢(shì)是程序體積小，運(yùn)行速度快，并且隨著近年來(lái)Macromedia公司的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，PC版的Freehand與Flash、Dreamweaver、Fireworks等緊密協(xié)作，極大地?cái)U(kuò)展了Freehand的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，F(xiàn)reehand已經(jīng)成為Macromedia Studio MX的重要組成部分。

3. Flash

Flash是Macromedia公司發(fā)布的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)畫創(chuàng)作工具。用它可以將音樂(lè)、聲效、動(dòng)畫以及富有新意的界面融合在一起，以制作出高品質(zhì)的網(wǎng)頁(yè)動(dòng)態(tài)效果。Flash動(dòng)畫的制作以幀為基本單位，考慮到網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的問(wèn)題，該軟件平臺(tái)僅支持256色的圖形圖像顯示。另外，F(xiàn)lash也支持交互性操作和編程，并在打包后可脫離開發(fā)平臺(tái)運(yùn)行，因此可用來(lái)制作一般的電子出版物。

Flash是交互式矢量圖和Web動(dòng)畫的標(biāo)準(zhǔn)，可以制作Web導(dǎo)航、互動(dòng)圖片，被眾多瀏覽器支持。網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)者使用Flash創(chuàng)作出既漂亮又可改變尺寸的導(dǎo)航界面以及其他奇特的效果。它不但易學(xué)、易用，并且聲色結(jié)合，是一種很有前途的網(wǎng)頁(yè)制作工具。與其他工具相比，F(xiàn)lash具有矢量繪圖、播放流暢、數(shù)據(jù)量小、色彩鮮明等特點(diǎn)，并可通過(guò)腳本交互，兼容性強(qiáng)、體積小、對(duì)系統(tǒng)要求也不高，所以一經(jīng)推出，就立刻在網(wǎng)上風(fēng)靡。在網(wǎng)上出版、多媒體制作和圖形處理等方面做出了卓越的貢獻(xiàn)。

Flash動(dòng)畫是當(dāng)今世界火熱的2D矢量動(dòng)畫工具，具有在現(xiàn)有Web頁(yè)面上整合多媒體元素的功能，而在新版本中，F(xiàn)lash的功能進(jìn)一步得到擴(kuò)展，可以用它創(chuàng)建完整的動(dòng)態(tài)站點(diǎn)，從內(nèi)容顯示到數(shù)據(jù)庫(kù)連接以及視頻調(diào)試，其整合多媒體編輯的能力，都滿足網(wǎng)站標(biāo)準(zhǔn)。

4. Photoshop

Photoshop是一種非常優(yōu)秀的彩色圖形圖像處理軟件，也是目前最流行的平面設(shè)計(jì)軟件之一。其軟件設(shè)計(jì)優(yōu)美、精煉，功能強(qiáng)大，廣泛應(yīng)用于印刷、廣告設(shè)計(jì)、封面制作、網(wǎng)頁(yè)圖像制作和照片編輯等領(lǐng)域。

Photoshop自問(wèn)世以來(lái)，在彩色出版領(lǐng)域引起了深刻的變革。運(yùn)用Photoshop處理圖像，靈活直觀，所見(jiàn)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(jì)算機(jī)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(chuàng)意設(shè)計(jì)和繪圖。例如在效果圖中，對(duì)渲染出的圖像進(jìn)行后期處理，即對(duì)色彩、尺寸等方面進(jìn)行調(diào)整或制作陰影、人物、配景等。其軟件的許多特點(diǎn)，如彼此獨(dú)立而又可以交互影響的層、顏色通道與Alpha通道的靈活運(yùn)用、豐富多彩的濾鏡，都是其他圖像處理軟件所無(wú)法比擬的。

5. CorelDRAW

加拿大Corel公司在平面設(shè)計(jì)領(lǐng)域的地位是有目共睹的，該公司的旗艦產(chǎn)品Core-l DRAW是一種廣泛應(yīng)用于微機(jī)領(lǐng)域的圖形設(shè)計(jì)軟件包，是平面圖形圖像專業(yè)設(shè)計(jì)人員的常用軟件。Corel公司的CorelDRAW與Illustrator和Freehand相比最大的優(yōu)勢(shì)在于CorelDRAW在同一個(gè)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(gè)主要的應(yīng)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(dòng)畫制作軟件CorelRAVE，因此組成了一個(gè)相當(dāng)完備的數(shù)字平面設(shè)計(jì)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(xué)易用的特點(diǎn)。

6. 3D Studio MAX

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

3D Studio MAX功能強(qiáng)大、開放性好，對(duì)硬件的要求也不高，集建模、變形、組合、材質(zhì)編輯、攝影燈光、場(chǎng)景設(shè)計(jì)、動(dòng)作設(shè)計(jì)、影片剪輯和組合對(duì)象等功能于一體。內(nèi)置工具豐富，而且修改方便，操作互動(dòng)性好，質(zhì)感與圖形工作站幾乎無(wú)異。它的捕捉功能使模型定位準(zhǔn)確無(wú)誤，強(qiáng)大的編輯修改功能使其能夠處理更加復(fù)雜的模型，改進(jìn)的燈光效果處理使輸出的圖像更加逼真。其動(dòng)畫文件的基本輸出格式為AVI，所以必要時(shí)生成的三維動(dòng)畫還可輸入到視頻編輯軟件中作進(jìn)一步的加工修飾。缺點(diǎn)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(huì)耗時(shí)較長(zhǎng)。

3D Studio MAX應(yīng)用范圍極為廣闊，是電子游戲開發(fā)商和影視動(dòng)畫制作商的必備軟件，還廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)、室內(nèi)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、服裝設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品展示、廣告宣傳、造型設(shè)計(jì)、軍事和醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域，是當(dāng)今微機(jī)三維動(dòng)畫的常用軟件。

3D Studio MAX支持多種平臺(tái)，具有多線程運(yùn)算能力，支持多處理器的并行運(yùn)算、建模和動(dòng)畫能力，提供了材質(zhì)編輯系統(tǒng)。

7. AutoCAD

AutoCAD是AutoDesk公司的著名產(chǎn)品，在工程領(lǐng)域應(yīng)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(fā)應(yīng)用軟件。Auto CAD主要的二次開發(fā)手段有AutoLISP、ADS及Object ARX。

AutoCAD類似于繪圖所使用的鉛筆、直尺、圓規(guī)、曲線板和橡皮擦，使人們能按自己的設(shè)想繪圖，只是這一切都是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的。完成之后，通過(guò)繪圖儀輸出到圖紙上或描圖紙上。一般來(lái)說(shuō)，用手工進(jìn)行的繪圖工作，均可用AutoCAD來(lái)進(jìn)行。在我國(guó)的建筑領(lǐng)域，使用AutoCAD最多，也最為成功，其次是機(jī)械、電子、航空、航天、船舶以及汽車和其他工程領(lǐng)域，如城市規(guī)劃設(shè)計(jì)等。

在建筑工程設(shè)計(jì)中，AutoCAD可以用來(lái)繪制各種專業(yè)工程圖，從簡(jiǎn)單的建筑表現(xiàn)圖到復(fù)雜的工程施工圖紙，從一般的二維圖形到表達(dá)空間關(guān)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(shè)計(jì)人員歡迎。在工程設(shè)計(jì)初期，在建筑方案構(gòu)思階段，為了形象展現(xiàn)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(xié)調(diào)關(guān)系，分析其對(duì)環(huán)境和景觀的影響等。在工程方案確定以后，這個(gè)階段的圖形文件還可以直接轉(zhuǎn)換為平面設(shè)計(jì)圖形，為后續(xù)各個(gè)階段設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)和提供條件。

AutoCAD建模的優(yōu)點(diǎn)在于尺寸具有極高的精確度，但過(guò)程比較復(fù)雜，修改起來(lái)也不如3D Studio MAX方便。所以進(jìn)行實(shí)際效果圖建模時(shí)，常采用在AutoCAD中建立二維平面圖形，然后導(dǎo)入3D Studio MAX進(jìn)行修改生成三維模型。這個(gè)軟件具有簡(jiǎn)單易用、繪圖精確等優(yōu)點(diǎn)。新的版本中，繪圖功能變得更加強(qiáng)大，操作更加靈活，共同作業(yè)功能也變得越來(lái)越方便；而且還提供了更多的行業(yè)模板，增強(qiáng)了在三維繪圖方面的功能。

1.4.3 學(xué)科應(yīng)用領(lǐng)域及其發(fā)展動(dòng)向

圖形圖像處理作為一個(gè)新發(fā)展起來(lái)的學(xué)科，已經(jīng)在科學(xué)計(jì)算和工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。特別是近十年間，隨著硬件技術(shù)的飛速發(fā)展和軟件技術(shù)的巨大進(jìn)步，圖形圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域得以大范圍拓寬，它的應(yīng)用已經(jīng)發(fā)展到整個(gè)社會(huì)的每一個(gè)領(lǐng)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(dá)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域，綜合起來(lái)看，圖形圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括以下各個(gè)方面。

1. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）是以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為主要技術(shù)基礎(chǔ)的支持設(shè)計(jì)應(yīng)用的技術(shù)。CAD方法已經(jīng)普遍地應(yīng)用在建筑物、汽車、飛機(jī)、船舶與海洋工程、航天器、計(jì)算機(jī)、紡織品和服裝等許多產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，如圖1.3所示。

CAD系統(tǒng)包括其硬件支撐環(huán)境和軟件系統(tǒng)。其中，它的應(yīng)用軟件包可以支持不同的應(yīng)用對(duì)象，CAD的應(yīng)用不僅使得工程技術(shù)人員免去了終日伏在圖板上畫圖的辛苦，使得設(shè)計(jì)工作變得輕松，而且圖紙的生成質(zhì)量和速度也有了很大的提高，底圖保存在計(jì)算機(jī)中或刻錄在光盤上，再也不必設(shè)立一個(gè)龐大的倉(cāng)庫(kù)來(lái)保存圖紙了。

CAD的應(yīng)用中還經(jīng)常使用動(dòng)畫技術(shù)。在顯示屏幕上出現(xiàn)的設(shè)計(jì)對(duì)象的動(dòng)畫，不但直觀、形象，還可以讓觀察者能看清楚產(chǎn)品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件間的相對(duì)位置關(guān)系、甚至運(yùn)動(dòng)時(shí)的內(nèi)部構(gòu)件行為，可以有效地預(yù)測(cè)和解決空間干涉等設(shè)計(jì)過(guò)程中的棘手問(wèn)題。在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中使用動(dòng)畫技術(shù)就“再現(xiàn)”了所設(shè)計(jì)對(duì)象的“真面目”，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的仿真。所有這些技術(shù)的采用不僅使設(shè)計(jì)人員在制造出該產(chǎn)品的實(shí)物之前就已經(jīng)看到了它，而且還能夠?yàn)楫a(chǎn)品生產(chǎn)自動(dòng)化提供支持。例如，產(chǎn)品的外形信息可為機(jī)床加工制造時(shí)規(guī)劃加工路徑使用，使設(shè)計(jì)過(guò)程與工藝規(guī)劃過(guò)程連通，實(shí)現(xiàn)了CAD與CAM的信息集成。

CAD應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)，除了完成它的二維工程圖之外，它具有真實(shí)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(gè)逼真的模擬效果圖。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，還可讓人們一個(gè)房間接一個(gè)房間地參觀，以考察其設(shè)計(jì)的效果，甚至可以模擬三維的室內(nèi)布局、裝潢和照明效果等。

在輕紡工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)紡織品的織紋設(shè)計(jì)、織物的圖案設(shè)計(jì)、地毯圖案設(shè)計(jì)和服裝設(shè)計(jì)等也都開始采用CAD技術(shù)。CAD技術(shù)的采用減輕了設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，加快了設(shè)計(jì)速度，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間，從而提高了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

2. 圖示圖形學(xué)

圖示圖形學(xué)（presentation graphics）是圖形圖像處理的另一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域，它主要是用來(lái)生成報(bào)告的插圖或透明膠片和幻燈片，使各類報(bào)告、公告等的各種歸納、總結(jié)、統(tǒng)計(jì)和分析信息實(shí)現(xiàn)圖示化。例如，將統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果用條形圖、餅圖或折線圖等形式表示出來(lái)，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(dòng)，而且還可以表示更復(fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)系。

3. 計(jì)算機(jī)藝術(shù)

圖形圖像處理在計(jì)算機(jī)藝術(shù)（computer art）中也開始發(fā)揮作用，它主要應(yīng)用于美術(shù)創(chuàng)作和實(shí)用藝術(shù)之中。美術(shù)工作者利用計(jì)算機(jī)提供的功能在屏幕上創(chuàng)作他們的美術(shù)作品，已經(jīng)有美術(shù)字生成軟件、中國(guó)畫繪制工具軟件及西洋畫繪制工具等許多美術(shù)創(chuàng)作軟件問(wèn)世。美術(shù)工作者利用這些軟件，特別是結(jié)合一些數(shù)學(xué)函數(shù)軟件包、三維建模軟件包和分形幾何軟件包的應(yīng)用，可以創(chuàng)造出許多人們意想不到的美術(shù)作品，產(chǎn)生出人意料的效果，如圖1.5所示。

商用美術(shù)采用動(dòng)畫、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)來(lái)制作產(chǎn)品的模擬照片，繪制產(chǎn)品的圖片，制作商標(biāo)和廣告等，不僅對(duì)產(chǎn)品的描繪栩栩如生，而且能產(chǎn)生如同電影一樣的三維動(dòng)畫效果，在計(jì)算機(jī)上拍動(dòng)畫廣告要比在實(shí)景現(xiàn)場(chǎng)拍廣告便捷得多，況且有些廣告中的場(chǎng)景是現(xiàn)實(shí)中并不存在的“虛幻世界”，只有計(jì)算機(jī)才能夠“制作”出來(lái)。

4. 娛樂(lè)

圖形圖像處理技術(shù)也越來(lái)越多地走進(jìn)娛樂(lè)圈，常用于制作動(dòng)畫片、電視片、音樂(lè)錄像片，甚至故事片、電影等。

利用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)生產(chǎn)電影，使角色造型、色彩搭配和角色運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)變得更容易。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)還運(yùn)用于故事片的制作過(guò)程，將圖形場(chǎng)景與演員及實(shí)際場(chǎng)景混合顯示，制造出“半真半假”的場(chǎng)面來(lái)，特別是對(duì)電影特技的處理，更有其優(yōu)勢(shì)，如圖1.6所示，圖形圖像處理技術(shù)為電影制作開辟了一條新路。

音樂(lè)錄像片的制作以各種不同的方式使用圖形圖像技術(shù)。圖形對(duì)象可以與圖像實(shí)景混合，產(chǎn)生一種特殊的效果，圖形對(duì)象也可以與演員同臺(tái)合唱，還可采用圖像處理的方法來(lái)產(chǎn)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(shù)，在這里都可應(yīng)用。

另外，電子游戲機(jī)之所以對(duì)人們有如此大的吸引力，利用圖形技術(shù)所產(chǎn)生的生動(dòng)畫面是功不可沒(méi)的。

5. 教育與培訓(xùn)

利用圖形圖像處理技術(shù)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(xué)上得到了廣泛的應(yīng)用。采用該項(xiàng)技術(shù)做成教學(xué)輔助工具使學(xué)生理解和掌握相關(guān)技術(shù)變得比較容易。教師們可以利用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫來(lái)說(shuō)明諸如計(jì)算機(jī)內(nèi)的控制流和數(shù)據(jù)流的流動(dòng)情況、分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、機(jī)械傳動(dòng)裝置的工作原理、外科手術(shù)過(guò)程和天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律等。

訓(xùn)練模擬器是為專業(yè)訓(xùn)練而專門設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)圖形圖像系統(tǒng)，如訓(xùn)練飛行員的飛行訓(xùn)練模擬器，如圖1.7所示，訓(xùn)練船員的艦船訓(xùn)練模擬器，訓(xùn)練汽車駕駛員的汽車訓(xùn)練模擬器，訓(xùn)練核電站操作人員的核裝置訓(xùn)練模擬器等，都是這樣的一些專用系統(tǒng)。利用飛行訓(xùn)練模擬器可以使受訓(xùn)人員坐在模擬訓(xùn)練艙內(nèi)，面對(duì)顯示屏幕上的視景來(lái)演練控制飛機(jī)起飛和降落的過(guò)程。經(jīng)過(guò)數(shù)十小時(shí)的模擬訓(xùn)練，飛行學(xué)員試飛的成功率將會(huì)大幅度提高，而且還節(jié)省了燃油，又不需占用飛機(jī)、機(jī)場(chǎng)等昂貴資源。這些技術(shù)對(duì)于宇航員的航天訓(xùn)練更顯現(xiàn)出其優(yōu)越性。

廣泛采用汽車訓(xùn)練模擬器，可大大縮短汽車駕駛員的訓(xùn)練周期，又可用來(lái)考察緊急情況下駕駛員的行為特點(diǎn)，根據(jù)駕駛員的反應(yīng)規(guī)律來(lái)優(yōu)化汽車設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提高汽車的安全性。

6. 可視化

科研、工程、商業(yè)及社會(huì)的各行各業(yè)都在產(chǎn)生著大量的數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理，從而獲得有價(jià)值的信息，是一項(xiàng)繁雜的工作，如果能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可視形式，那么這些數(shù)據(jù)間的關(guān)系、變化趨勢(shì)和模式就顯得清晰、直觀了。數(shù)據(jù)的可視化（visualization）給人們分析數(shù)據(jù)和理解數(shù)據(jù)提供了方便。為科學(xué)計(jì)算、工程和化學(xué)分析等的數(shù)據(jù)集或過(guò)程而生成的圖形表示通常稱為科學(xué)計(jì)算可視化（scientific visualization）；為工業(yè)、商業(yè)、金融和其他非科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域的數(shù)據(jù)可視化通常稱作商用可視化（business visualization）。

可視化技術(shù)有著廣泛的用途，它可以用彩色的圖像來(lái)表示飛行器表面的氣流形態(tài)（如圖1.8所示）、航海器產(chǎn)生的湍流等。三維實(shí)體圖形還可以表示高分子結(jié)構(gòu)模型、空氣污染模型和金屬斷裂模型等。在統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程中，更是常用直方圖、曲線圖和餅圖等圖式來(lái)表示其結(jié)果。

7. 醫(yī)學(xué)

大家所熟知的CT（computer tomography）即計(jì)算機(jī)X射線斷層造影就是圖形學(xué)和圖像處理相結(jié)合的產(chǎn)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(shù)對(duì)器官的改變區(qū)域進(jìn)行邊界跟蹤，再采用圖形學(xué)算法進(jìn)行三維恢復(fù)，以確定病變部位的三維形態(tài)。醫(yī)學(xué)影像學(xué)中還采用超聲波和核磁醫(yī)學(xué)掃描儀等設(shè)備來(lái)獲取數(shù)據(jù)，后續(xù)的數(shù)據(jù)處理也都采用了圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)。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(yī)學(xué)上還使用這些技術(shù)來(lái)建模和研究物理功能，以設(shè)計(jì)人工肢體，制訂手術(shù)方案和開展手術(shù)模擬訓(xùn)練等，這種計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)（computer aided surgery）系統(tǒng)將會(huì)在臨床與研究上得到廣泛的應(yīng)用。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的人體解剖模型可供醫(yī)學(xué)院校的學(xué)生學(xué)習(xí)人體解剖學(xué)，學(xué)習(xí)外科的手術(shù)過(guò)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(shè)計(jì)中得到了普遍應(yīng)用。圖形用戶接口的主體部分是一個(gè)允許用戶顯示多個(gè)窗口區(qū)域（視區(qū)）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(duì)于人機(jī)交互過(guò)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(jī)界面，縮短了計(jì)算機(jī)與用戶的距離。

習(xí)題一

1.解釋下列概念：

（1）圖形；（2）圖像；（3）計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；（4）數(shù)字圖像處理。

2.分析圖形和圖像這兩個(gè)概念的聯(lián)系與區(qū)別。

3.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容是什么？

4.數(shù)字圖像處理的主要研究?jī)?nèi)容是什么？

5.圖形圖像處理與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系如何？

6.簡(jiǎn)述圖形圖像處理的發(fā)展方向和熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。

7.結(jié)合Windows的使用，談?wù)勀銓?duì)圖形用戶接口的體會(huì)。

8.列舉日常生活中圖形圖像處理應(yīng)用的實(shí)例。