《图形图像学基础》课件

图形图像学基础探索图形和图像在现代数字世界中的重要作用从基本的数学原理到高级的渲染技术全面了解图形图像学的核心概念和应用,图像学概述图像生成图像处理图像学研究如何生成和表示各种图像学探讨如何对数字图像进行类型的图像从相机拍摄到电子显各种变换和处理如增强、分割和,,示压缩图像分析图形学图像学研究如何从图像中提取有图像学涉及如何在计算机上生成用的信息如对象检测和模式识别和渲染和图形,2D3D图像基本定义数字化表示二维阵列图像属性图像通过一系列数字像素来数字化表数字图像可以看做是一个二维像素阵图像的主要属性包括宽度、高度、像示每个像素都有自己的颜色和亮度值列行代表图像的宽度列代表图像的高素深度和色彩模式等这些定义了图像,,,,度的基本特征像素和数字图像像素概念数字图像特点像素深度分辨率数字图像由一个个小方格像素数字图像可以存储在计算机中像素深度决定了每个像素可表数字图像的分辨率表示图像中组成,每个像素都有自己独特并进行编辑、处理和传输与示的颜色数量常见的像素深包含的像素数量,通常用像素的颜色值像素是图像的最小传统照片相比,数字图像具有度有8位、16位和24位,分别可宽度x像素高度来表示分辨单位,决定了图像的分辨率和更高的灵活性和便捷性以表示

256、65536和1677万率越高,图像越清晰细腻清晰度种颜色光栅图像和矢量图像光栅图像矢量图像两种格式的比较光栅图像由网格状的像素组成每个像素都矢量图像由几何形状、线条和曲线组成不光栅图像和矢量图像各有优缺点适用于不,,,有自己的颜色信息这种图像格式可以很好是由固定的像素网格构成这种格式体积较同的场景在设计中需要根据实际需求选择地表现图像的细节和色彩,但文件大小较大小,可以无限放大而不失真,但对于复杂图像合适的图像格式的表现力较弱图像格式位图格式矢量格式压缩格式透明格式像素点阵表示的图像格式，包以几何图形表示的图像格式，为减小文件大小而采用的压缩支持透明通道的图像格式，如括、、等常见文如、等可无限缩放而算法，如无损的和有损的，可用于背景透明的图像BMP JPEGPNG SVGEPS PNGPNG件类型清晰度高但文件较大不失真，但文件较小JPEG在清晰度和文件大小之设计间权衡颜色模型模型模型RGB CMYK颜色模型使用红、绿、蓝三模型使用青、品红、黄、RGB CMYK种基本色彩的组合来表示颜色黑四种颜料的组合来再现颜色广泛应用于电子设备显示更适合用于印刷模型HSV/HSL和模型使用色调、饱和度和亮度或明度来表示颜色更符合人类HSV HSL的颜色感知颜色编码色彩模型色彩模型色彩模型RGB CMYK HSV色彩模型是最常用的颜色表示方式它色彩模型是一种用于印刷的减法色彩色彩模型是一种直观的颜色表示方式RGB,CMYKHSV,通过三种基本色光红、绿、蓝的加法混合模型它通过四种基色青色、品红、黄色它使用色相、饱和度和明度三个参H SV来表示各种颜色这种模型能够表示大多数和黑色的组合来表示颜色这种模型更适数来描述颜色这种模型对颜色的调整和操人类可见的颜色合印刷行业作更加方便图像采样和量化采样1采样是将连续的模拟信号转换为离散的数字信号的过程采样率越高，信号的质量越好量化2量化是将采样后的数字信号转换为有限的离散值的过程量化级数越多，图像的色深越丰富图像分辨率3图像分辨率由图像的水平和垂直像素数决定分辨率越高图,像质量越好但文件大小也越大,图像变换坐标变换1调整图像的位置和方向几何变换2缩放、旋转、平移等改变图像形状色彩变换3调整图像的色彩、亮度和对比度图像变换是图像处理的基础通过不同的变换操作可以实现图像的位置调整、形状改变和色彩优化等功能为后续的图像分析和应用提供基础,,频域理论频域分析将图像数据转换到频域可以更好地观察和分析图像的频率特性频域滤波在频域上进行图像滤波可以实现更精细和高效的图像处理傅里叶变换傅里叶变换是频域理论的核心可以将图像数据由空间域转换到频域,傅里叶变换频域分析谐波分解12傅里叶变换将图像从空间域转任何复杂信号都可以分解为正换到频域使图像的频率成分得弦波的叠加这是傅里叶分析的,,以分析和处理基础滤波应用压缩编码34在频域进行滤波可以有效地去傅里叶变换为图像压缩提供了除噪声增强边缘和细节理论基础如标准,,JPEG图像增强目标应用场景主要方法未来发展图像增强是通过各种数学运算广泛应用于医疗诊断、天气预包括直方图均衡化、空间滤波随着人工智能技术的进步,图和滤波技术来改善图像的质量报、天文观测、工业检测等领、频域滤波等,可以增强边缘像增强也将结合深度学习等方,使其更加清晰、生动、突出域,提高图像分析和理解的准、减少噪声、提高对比度等法,提供更智能、更精准的增主体确性强效果图像平滑降噪边缘保护图像平滑通过使用滤波器来减少平滑算法要注重在保留图像边缘噪点,提高图像质量,去除一些不必信息的同时实现整体降噪的目标要的细节空间域平滑频域平滑利用邻域像素的平均值或加权平通过傅里叶变换将图像转换到频均值来替代当前像素从而实现平域然后使用低通滤波器去除高频,,滑化的效果噪声成分图像锐化检测边缘图像锐化可以强化图像中的边缘突出图像的细节提高整体清晰度,,增强对比度通过提高像素之间的亮度差异可以增强图像中的细节与轮廓凸显主要元素,,高通滤波高通滤波可以保留和放大图像中的高频信息突出细节和边缘,图像分割目的应用技术挑战图像分割是将数字图像划分为图像分割在医学成像、自动驾常用的分割技术包括阈值分割图像分割面临的主要挑战包括多个有意义的区域或对象的过驶、生物识别等领域有广泛应、边缘检测、区域生长、聚类复杂背景、遮挡物、噪声干扰程其目标是简化图像的表示用,可以帮助定位和分析感兴分析等,选择合适的方法取决等,需要结合先验知识和机器,使其更容易分析和理解趣的目标于具体应用场景学习方法来提高分割精度边缘检测识别物体边界常用算法12边缘检测是通过寻找图像中像常用的边缘检测算法包括Sobel素亮度或颜色发生急剧变化的算子、Prewitt算子、Canny算区域来识别物体边界的一种重子等，每种算法都有自己的特要技术点和适用场景图像分割应用场景34准确地检测出边缘对于后续的边缘检测广泛应用于图像处理图像分割、物体识别和场景理、计算机视觉、医学影像诊断解等任务至关重要等领域纹理分析纹理分析算法纹理特征提取多尺度纹理分析纹理分析算法通过检测图像中的重复模式和纹理特征提取技术可以从图像中捕获诸如粗多尺度纹理分析能够在不同的空间分辨率下结构特征来识别不同类型的表面材质这些糙度、光滑度、规则性等视觉特征,为后续捕捉纹理特征,为复杂图像的全面理解提供算法可用于各种应用,如图像分割、目标识的图像分析和理解提供依据支持这对于分析混合材质和层次结构的图别和表面检测像很有帮助彩色图像处理颜色模型图像通道颜色校正色彩搭配理解色彩的关键在于掌握不同彩色图像由三个通道组成,分别为了获得优质的彩色图像效果,掌握色彩搭配理论,可以设计出的颜色模型,如RGB、CMYK和是红、绿、蓝通道通过处理需要进行色彩校正,包括白平衡更加和谐、突出主题的彩色图HSV等,这些模型描述了颜色的这些通道,可以实现对图像的各调整、色彩增强和色彩分离等像,提升作品的视觉吸引力构成和特性种颜色调整和效果操作图像压缩无损压缩有损压缩压缩压缩JPEG GIF无损压缩技术能够缩小图像文有损压缩通过丢弃一些不重要JPEG是一种广泛应用的有损GIF是一种无损或有限色彩有件大小而不会损失任何图像质的图像数据来大幅减小文件大压缩算法,可以在保持图像质损压缩算法,适用于颜色较少量这种压缩方式适合于重要小这种方式适合于照片和网量的前提下大幅减小文件大小的图像,如图标、徽标和动画的图像数据,如医疗影像和法页图像,视觉质量仍保持较高,非常适合于数码照片律文件无损压缩保持原始质量有效减小文件大小12无损压缩算法能保留图像的原通过去除冗余数据,无损压缩可始细节和质量,不会导致任何损以大幅减小文件的存储空间和失或失真传输带宽广泛应用领域常见算法34无损压缩广泛应用于图像、音Huffman编码、算术编码、频、视频等数字媒体以及一般LZW等是常见的无损压缩算法数据文件的存储和传输有损压缩有损压缩原理压缩标准视频编码中的有损压缩JPEG有损压缩通过丢弃一些原始信息来减小数据JPEG是最常见的有损压缩格式,使用离散余在视频压缩中,有损压缩技术通过舍弃一些大小这种方法利用了人类视觉系统的特点弦变换和量化等技术来去除图像中不太重要时间和空间上的细节信息,来大幅减小视频,删除一些无关紧要的细节而不影响整体感的细节,从而大幅压缩文件体积文件的大小受压缩标准JPEG损失压缩质量控制是一种有损压缩标准通过去允许用户控制压缩质量可在JPEG,JPEG,除一些人类无法感知的细节来大文件大小和图像质量之间进行权幅降低图像的文件大小衡广泛应用标准被广泛应用于互联网、数码相机和手机等领域成为最常见的图像JPEG,格式之一图像渲染渲染管线实时渲染12图像渲染包括几何构建、光照实时渲染系统需要在有限时间计算、像素着色等多个步骤，内完成每一帧的高效处理，以通过渲染管线将这些过程有序达到流畅的显示效果地执行硬件加速着色模型34现代图形处理器GPU可以并不同的着色模型和技术可用于行执行渲染任务，大大提高了模拟光照效果,如漫反射、高光图像渲染的性能等,以实现逼真的渲染效果图形基础2D图形绘制图形算法图形变换2D2D2D图形的绘制通常利用点、线、面等基本描述图形的常见算法包括直线绘制算法图形可以进行平移、缩放、旋转等变换2D2D2D元素通过坐标系统进行定位和描述这种、多边形填充算法、曲线绘制算法等这些操作这些变换在界面设计、游戏开发中扮,,,方式具有简单直观的优点,适用于平面布局算法在图形学中广泛应用演重要角色,能够实现图形的动态展示、设计等领域UI图形基础3D三维坐标系几何建模图形使用三维坐标系来描述物模型通过各种几何体和网格来3D3D体的位置和方向、和轴定义创建复杂的三维物体并可以进行,x yz,了三维空间变换和编辑渲染技术动画制作光照、着色、材质和纹理等渲染关键帧、骨骼动画、物理模拟等技术可以赋予模型真实感和视技术可以为模型添加生动的动3D3D觉美感画效果光照模型光源光照模型需要描述不同类型光源的属性如色温、强度和方向,材质特性不同材质表面的反射、吸收和散射特性将影响最终渲染效果照明算法光照模型需要定义光线交互的物理规律如朗伯定律和菲涅耳方程,几何建模实体建模曲面建模参数化建模特性建模实体建模是通过定义几何形状曲面建模通过定义精细的网格参数化建模使用可控制的参数特性建模通过链接和编辑特定和属性来创建3D物体的过程或NURBS曲面来描述光滑的来定义几何形状这提供了更的几何特征来创建复杂的3D这包括建立基本形状并应用三维形状这适用于建模复杂大的灵活性和创造力,能快速模型这种方法提高了建模效特征操作如挤压、切割和旋转的有机形状和物体表面生成各种变体率和灵活性等视图变换世界坐标系1定义对象在空间中的位置观察坐标系2定义观察者的位置和视线屏幕坐标系3将场景投影到屏幕上3D2D视图变换是将物体从世界坐标系转换到观察坐标系的过程观察坐标系定义了观察者的位置和视线方向接下来进行投影变换将场3D,3D景投影到屏幕坐标系上这一系列变换确保物体在最终的显示上位置正确2D2D透视投影定义透视投影是一种将三维空间中的物体映射到二维平面上的几何技术它模拟了人眼观察物体时的视觉效果基本原理透视投影利用视线构建一个金字塔形的投影空间顶点为观察者,的位置底面为投影平面物体在此空间中的位置决定了其在投,影平面上的大小和位置应用场景透视投影广泛应用于计算机图形、建筑设计、机械制图等领3D域可以准确地表达物体在空间中的位置关系和尺寸大小,总结与展望图形图像学的关键概念前沿技术发展趋势12总结探讨了深度学习、虚拟现实等从基础定义到高级处理技术,全新兴领域对图形图像学的影响面回顾了课程涉及的主要知识点实际应用的广泛前景持续学习的重要性34图形图像学技术在图像处理、科技日新月异,保持持续学习和游戏开发、医疗诊断等领域都探索的态度很关键有丰富应用。