第3章-視覺信息處理-多媒體-技術(shù)-課件

本章重點:顏色空間的表示與轉(zhuǎn)換數(shù)字圖像處理技術(shù)

視頻處理技術(shù)動畫技術(shù)圖象與視頻文件的讀取與顯示第3章視覺信息處理第3章視覺信息處理

3.1概述3.2圖形處理技術(shù)3.3圖像技術(shù)3.4視頻處理3.5計算機動畫技術(shù)3.6圖像與視頻文件解析3.7本章小結(jié)3.1概述

3.1.1顏色的基本概念3.1.2顏色空間表示與轉(zhuǎn)換3.1.1顏色的基本概念顏色是人的視覺系統(tǒng)對可見光的感知結(jié)果。物體由于構(gòu)成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，受光線照射后，一部分光線被吸收，其余的被反射或投射出來。由于物體的表面具有不同的吸收光線與反射光的能力，反射光不同，眼睛就會看到不同的顏色。顏色通常使用光的波長來定義，用波長定義的顏色叫做光譜色。3.1.1顏色的基本概念國際照明委員會(CIE)定義了顏色的特性：色調(diào)（hue）、飽和度（saturation）和明度（brightness）。色調(diào)用于區(qū)別顏色的種類。色調(diào)是視覺系統(tǒng)對一個區(qū)域所呈現(xiàn)顏色的感覺。如紅、橙、黃、綠、青、藍、靛、紫等。飽和度是顏色的純潔性，用來區(qū)別顏色的程度。當(dāng)一種顏色滲入其他光成分愈多時，顏色愈不飽和。明度是視覺系統(tǒng)對可見物體輻射或者發(fā)光多少的感知屬性。3.1.1顏色的基本概念亮度是用反映視覺特性的光譜敏感函數(shù)加權(quán)之后得到的輻射功率，用單位面積上反射或者發(fā)射的光的強度表示。由于明度很難度量，通?？梢杂昧炼葋矶攘?。3.1.2顏色空間表示與轉(zhuǎn)換

顏色常用顏色空間來表示。顏色空間是用一種數(shù)學(xué)方法形象化表示顏色，人們用它來指定和產(chǎn)生顏色。顏色空間中的顏色通常用代表3個參數(shù)的3維坐標(biāo)來描述，其顏色要取決于所使用的坐標(biāo)。在顯示技術(shù)和印刷技術(shù)中，顏色空間經(jīng)常被稱為顏色模型。顏色空間側(cè)重于顏色的表示，而顏色模型側(cè)重于顏色的生成。在一個典型的多媒體計算機系統(tǒng)中，常常涉及到用幾種不同的顏色空間表示圖形和圖像的顏色，以對應(yīng)于不同的場合和應(yīng)用，各種顏色空間可以方便地進行轉(zhuǎn)換。1．RGB顏色空間計算機顏色顯示器顯示顏色的原理與彩色電視機一樣，都是采用紅（R）、綠（G）、藍（B）相加混色的原理，通過發(fā)射出3種不同強度的電子束，使屏幕內(nèi)側(cè)覆蓋的紅、綠、藍熒光材料發(fā)光而產(chǎn)生顏色的。這種顏色的表示方法稱為RGB顏色空間表示。在RGB顏色空間，任意色光F都可以用R、G、B這3種顏色不同分量的相加混合而成，即

(3-1)即三基色原理。2．HSI顏色空間HSI（Hue，SaturationandIntensity）模型中，H表示色調(diào)，S表示飽和度，I表示亮度，它反映了人的視覺系統(tǒng)觀察顏色的方式。通常把色調(diào)和飽和度通稱為色度，用來表示顏色的類別與深淺程度。由于人的視覺對亮度的敏感程度遠強于對顏色濃淡的敏感程度，為了便于顏色處理和識別，人的視覺系統(tǒng)經(jīng)常采用HSI顏色空間，它比RGB顏色空間更符合人的視覺特性。2．HSI顏色空間在圖像處理和計算機視覺中大量算法都可在HSI顏色空間中方便地使用，它們可以分開處理而且是相互獨立的。在HSI顏色空間可以大大簡化圖像分析和處理的工作量。2．HSI顏色空間

(3-2)RGB顏色空間可與HSI空間相互轉(zhuǎn)換，HSI顏色空間與RGB顏色空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：3．YUV顏色空間YUV顏色空間也稱為電視信號彩色坐標(biāo)系統(tǒng)。在現(xiàn)代彩色電視系統(tǒng)中，通常把得到的彩色圖像信號,經(jīng)分色分別放大校正得到RGB，再經(jīng)過矩陣變換電路得到亮度信號Y和兩個色差信號R-Y、B-Y，最后發(fā)送端將亮度和色差3個信號分別進行編碼，用同一信道發(fā)送出去。這就是常用的YUV顏色空間。YUV彩色電視信號傳輸時，將R、G、B改組成亮度信號和色度信號。PAL制式將R、G、B3色信號改組成Y、U、V信號，其中Y信號表示亮度，U、V信號是色差信號。根據(jù)美國國家電視制式委員會NTSC制式的標(biāo)準，當(dāng)白光的亮度用Y來表示時，它和紅、綠、藍3色光的關(guān)系可用如下式的方程描述：

(3-3)這就是常用的亮度公式。色差U、V是由B-Y、R-Y按不同比例壓縮而成的。YUV顏色空間與RGB顏色空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

(3-4)YIQ模型與YUV模型非常類似，是在彩色電視制式中使用的另一種重要的顏色模型，NTSC彩色電視制式中使用。這里的Y表示亮度，I、Q是兩個彩色分量。YIQ和RGB的對應(yīng)關(guān)系用下面的方程式表示：

(3-5)3．YIQ顏色空間用YUV和YIQ的好處：(1).亮度信號Y解決了彩色電視機與黑白電視的兼容問題。因為亮度信號Y和色度信號U、V是分離的。如果只有Y信號分量而沒有U、V分量，那么這樣表示的圖就是黑白灰度圖。(2).大量實驗表明，人眼對色差信號不敏感，而對亮度信號特別敏感。

(3).傳輸電視信號用亮度信號Y傳送細節(jié)，用色差信號進行大面積涂色。Y帶寬4.43MHz（PAL）（因為敏感）U、V帶寬1.3MHz(因為不敏感)

PAL制式使用YUV彩色空間

NTSC制式使用YIQ彩色空間PAL制25幀/秒NTSC制30幀/秒4．CMYK顏色空間計算機屏幕顯示通常用RGB顏色空間，它是通過相加來產(chǎn)生其他顏色，這種做法通常稱為加色合成法。彩色印刷或彩色打印的紙張不能發(fā)射光線，因而只能使用一些能夠吸收特定光波而反射其它光波的油墨或顏料。油墨或顏料的3基色是青（Cyan）、品紅（Magenta）和黃（Yellow），簡稱為CMY。理論上，任何一種由顏料表現(xiàn)的顏色都可以用這3種基色按不同的比例混合而成，這種顏色表示方法稱CMY顏色空間表示法。彩色打印機采用CMY顏色空間，而在印刷工業(yè)上則通常用CMYK表色系統(tǒng)，它通過顏色相減來產(chǎn)生其他顏色的，稱這種方式為減色合成法。

CMY空間正好與RGB空間互補，也即用白色減去RGB空間中的某一顏色值就等于同樣顏色在CMY空間中的值。根據(jù)這個原理，很容易把RGB空間轉(zhuǎn)換成CMY空間。由于彩色墨水和顏料的化學(xué)特性，用等量的CMY3基色得到的黑色不是真正的黑色，因此在印刷術(shù)中常加一種真正的黑色，所以CMY又寫成CMYK。實際應(yīng)用中，一幅圖像在計算機中用RGB空間顯示；用RGB或HSI空間編輯處理；打印輸出時要轉(zhuǎn)換成CMY空間；如果要印刷，則要轉(zhuǎn)換成CMYK四幅印刷分色圖，用于套印彩色印刷品。4．CMYK顏色空間3.2圖形處理技術(shù)

圖形通常由點、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術(shù)上來看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的，用于刻畫物體形狀的點、線、面、體等幾何要素，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等。另一類是反映物體表面屬性或材質(zhì)的灰度顏色等非幾何要素，它側(cè)重于根據(jù)給定的物體描述模型、光照及攝像機來生成真實感圖形。3.2圖形處理技術(shù)圖3.1線框圖圖3.2真實感圖形計算機圖形處理計算機圖形處理是指利用由概念或數(shù)學(xué)描述所表示物體的幾何數(shù)據(jù)或幾何模型，用計算機進行顯示、存儲、修改、完善以及有關(guān)操作的過程。計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容涉及用計算機對圖形數(shù)據(jù)進行處理的硬件和軟件兩個方面的技術(shù)，主要是圍繞著計算機圖形信息的輸入、表達、存儲、顯示、變換以及表示物體的圖形的準確性、真實性和實時性的基礎(chǔ)算法進行研究。3.2圖形處理技術(shù)圖形元素的幾何變換，即對圖形的平移、放大和縮小、旋轉(zhuǎn)、鏡像等操作。自由曲線和曲面的插值、擬合、拼接、分解、過渡、光順、整體和局部修改等。三維幾何造型技術(shù)，包括對基本體素的定義及輸入，規(guī)則曲面與自由曲面的造型技術(shù)，以及它們之間的布爾運算方法的研究。三維形體的實時顯示，包括投影變換、窗口裁剪等。3.2圖形處理技術(shù)真實感圖形生成技術(shù)，包括三維圖形的消隱算法，光照模型的建立，陰影層次及彩色濃淡圖的生成等。山、水、花、草、煙云等模糊景物的模擬生成和虛擬現(xiàn)實環(huán)境的生成及其控制算法等?？茖W(xué)計算可視化和三維或高維數(shù)據(jù)場的可視化，包括將科學(xué)計算中大量難以理解的數(shù)據(jù)通過計算機圖形顯示出來，從而使人們加深對其科學(xué)過程的理解。圖形處理技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域計算機輔助設(shè)計和制造計算機教育計算機藝術(shù)計算機模擬計算機可視化計算機動畫和虛擬現(xiàn)實3.3圖像技術(shù)

3.3.1圖像數(shù)字化3.3.2圖像變換3.3.3圖像增強3.3.4圖像壓縮編碼3.3.5圖像恢復(fù)與重建3.3.1圖像數(shù)字化

圖像的數(shù)字化是指將一幅圖像從模擬的形式轉(zhuǎn)化為數(shù)字的形式，包括對圖像進行采樣、量化以及編碼等過程。采樣（Sampling）是對圖像空間坐標(biāo)的離散化，它決定了圖像的空間分辨率。簡單地講，就是用一個網(wǎng)格把待處理的圖像覆蓋，然后把每一小格上模擬圖像的各個亮度取平均值，作為該小方格中點的值。這個網(wǎng)格稱為采樣網(wǎng)格。采樣后形成的圖像稱為數(shù)字圖像。

3.3.1圖像數(shù)字化像素采樣行采樣列采樣間隔圖3.3圖像的采樣3.3.1圖像數(shù)字化對一幅圖像采樣時，若每行（即橫向）像素為M個，每列（即縱向）像素為N個，則圖像大小為M×N個像素，從而f(x,y)構(gòu)成一個M×N實數(shù)矩陣,其中每個元素為圖像f(x,y)的離散采樣值，稱之為像元或像素。3.3.1圖像數(shù)字化把采樣后所得的各像素灰度值從模擬量到離散量的轉(zhuǎn)換稱為圖像灰度的量化。量化的方法包括：分層量化、均勻量化和非均勻量化。分層量化是把每一個離散樣本的連續(xù)灰度值只分成有限多的層次。均勻量化是把原圖像灰度層次從最暗至最亮均勻分為有限個層次，如果采用不均勻分層就稱為非均勻量化。3.3.1圖像數(shù)字化

(a)256級灰度圖象(b)子圖(c)子圖對應(yīng)的量化數(shù)據(jù)圖3.4圖像量化實例3.3.1圖像數(shù)字化2.圖像的基本屬性圖像質(zhì)量好壞可通過以下屬性度量：（1）分辨率分辨率包括顯示分辨率和圖像分辨率顯示分辨率是確定屏幕上顯示圖像的區(qū)域大小。顯示分辨率有最大顯示分辨率和當(dāng)前顯示分辨率之別。最大顯示分辨率是由物理參數(shù)，即顯示器和顯示卡（顯示緩存）決定的。當(dāng)前顯示分辨率是由當(dāng)前設(shè)置的參數(shù)決定的。3.3.1圖像數(shù)字化

(a)采樣點256×256(b)采樣點64×64(c)采樣點32×32(d)采樣點16×16

圖3.5采樣點數(shù)與圖像質(zhì)量之間的關(guān)系圖像分辨率是組成一幅圖像的像素數(shù)目。對同樣內(nèi)容的一幅原圖，如果數(shù)字化時圖像分辨率高，則組成該圖的像素點數(shù)目越多，看起來就越逼真。

3.3.1圖像數(shù)字化(2)圖像深度與顏色類型圖像深度是指位圖中記錄每個像素點所占的位數(shù)，它決定了彩色圖像中可出現(xiàn)的最多顏色數(shù)，或者灰度圖像中的最大灰度等級數(shù)。

(a)量化為2級的Lena圖像(b)量化為16級的Lena圖像(c)量化為256級的Lena圖像

圖3.6量化級數(shù)與圖像質(zhì)量之間的關(guān)系

3.3.1圖像數(shù)字化圖像的顏色需用三維空間來表示，如RGB顏色空間，而顏色的空間表示法又不是唯一的，所以每個像素點的圖像深度的分配還與圖像所用的顏色空間有關(guān)。真彩色是指圖像中的每個像素值都分成R、G、B3個基色分量，每個基色分量直接決定其基色的強度，這樣產(chǎn)生的顏色稱為真彩色。

3.3.1圖像數(shù)字化偽彩色圖像的每個像素值實際上是一個索引值或代碼，該代碼值作為顏色查找表（CLUT，ColorLook-UpTable）中某一項的入口地址，根據(jù)該地址可查找出包含實際R、G、B的強度值。這種用查找映射的方法產(chǎn)生的顏色稱為偽彩色。

3.3.1圖像數(shù)字化(3)顯示深度顯示深度表示顯示緩存中記錄屏幕上一個點的位數(shù)，也即顯示器可以顯示的顏色數(shù)。當(dāng)顯示深度大于圖像深度時，屏幕上的顏色能較真實地反映圖像文件的顏色效果.當(dāng)顯示深度等于圖像深度時，如果用真彩色顯示模式來顯示真彩色圖像，或者顯示調(diào)色板與圖像調(diào)色板一致時，屏幕上的顏色能較真實地反映圖像文件的顏色效果。當(dāng)顯示深度小于圖像深度時，此時顯示的顏色會出現(xiàn)失真。

3.3.1圖像數(shù)字化(4)圖像數(shù)據(jù)的容量在掃描生成一幅圖像時，實際上就是按一定的圖像分辨率和一定的圖像深度對模擬圖片或照片進行采樣，從而生成一幅數(shù)字化的圖像。按照像素點及其深度映射的圖像數(shù)據(jù)大小可用下面的公式來估算：圖像數(shù)據(jù)量＝圖像的總像素×圖像深度/8(Byte)3.3.2圖像變換

各種圖像變換方法，如傅立葉變換(FFT)、離散余弦變換(DCT)、離散小波變換(DWT)，將空間域的處理轉(zhuǎn)換為變換域的處理，不僅可以減少計算量，而且可獲得更有效的信息。圖像變換還包括傳統(tǒng)的幾何變換，例如圖像的縮放、旋轉(zhuǎn)、平移、投影轉(zhuǎn)換等。(a)lena原圖(b)經(jīng)過FFT變換后的頻譜圖像(c)經(jīng)IFFT后的圖像圖3.7原始圖像與FFT和IFFT變換后的圖像比較

3.3.3圖像增強

圖像增強處理是指根據(jù)一定的要求，突出圖像中感興趣的信息，而減弱或去除不需要的信息，從而使有用信息得到加強的信息處理方法。（a）原始圖像（b）增強后的圖像圖3.8原始圖像與增強后的圖像3.3.3圖像增強根據(jù)增強處理過程所在的空間不同，圖像增強技術(shù)可分為基于空間域的增強方法和基于頻率域的增強方法兩類。前者直接在圖像所在的二維空間進行處理，即直接對每一像元的灰度值進行處理；后者則是先將圖像從空間域按照某種變換模型(如傅里葉變換)變換到頻率域，然后在頻率域空間對圖像進行處理，再將其反變換到空間域。圖像增強主要方法有直方圖增強、空域濾波法、頻率域濾波法以及彩色增強法等3.3.4圖像壓縮編碼

數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量是非常大的，存貯時會占用大量空間，在數(shù)據(jù)傳輸時數(shù)碼傳輸率非常高，這對通信信道及網(wǎng)絡(luò)都造成很大壓力。因此，圖像處理的重要內(nèi)容之一就是圖像的壓縮編碼。圖像壓縮的主要參數(shù)之一是圖像壓縮比：

顯然，壓縮比越小，壓縮后的圖像文件數(shù)據(jù)量越小，圖像質(zhì)量有可能損失越多。當(dāng)然，壓縮的效果還與壓縮前的圖像效果及壓縮方法有關(guān)。3.3.5圖像恢復(fù)與重建

圖3.9圖像重建實例(a)退化圖像(b)正則化總體最小二乘法重建圖像(c)局部線化D.F.P方法重建圖像

(d)自適應(yīng)正則化總體最小二乘法重建圖像

3.3.5圖像恢復(fù)與重建

圖像進行數(shù)字化處理后，得到一個二維數(shù)組，這個過程是從圖像到數(shù)據(jù)，而這個數(shù)據(jù)描述了圖像。有了這個描述圖像的數(shù)據(jù)，就可以進行各種處理。圖像重建理解為上述過程的逆過程。圖像的重建是一個極其復(fù)雜的信號處理過程，是采用某種濾波方法，去除噪聲、干擾和模糊等，恢復(fù)或重建原來的圖像。由圖像的多個一維投影重建該圖像，可看成是特殊的圖像復(fù)原技術(shù)。常見的圖像重建方法有：投影重建方法、變換重建方法、級數(shù)展開重建方法和綜合重建、體素級重建方法和切片級重建方法等。3.4視頻處理

3.4.1視頻信號的獲取3.4.2視頻信號的編碼3.4.3視頻信號的傳輸3.4.4視頻信號的運動分析3.4.5三維視頻處理與顯示3.4.1視頻信號的獲取視頻可分為模擬視頻和數(shù)字視頻。1.模擬視頻普通的廣播電視信號是模擬視頻信號。電視攝像機通過電子掃描將時間、空間函數(shù)所描述的景物進行光電轉(zhuǎn)換后，得到單一的時間函數(shù)的電信號，其電平的高低對應(yīng)于景物亮度的大小，即用一個電信號來表征景物。這種電視信號稱為模擬電視信號，其特點是信號在時間和幅度上都是連續(xù)變化的。對模擬電視信號進行處理的視頻技術(shù)（如校正、調(diào)制、濾波、錄制、編輯、合成等）稱為模擬視頻技術(shù)。

3.4.1視頻信號的獲取在電視接收機中，通過顯示器進行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生為人眼所接受的模擬信號的光圖像。模擬電視系統(tǒng)通常用光柵掃描方式。光柵掃描是指在一定的時間間隔內(nèi)電子束以從左到右、從上到下的方式掃描感光表面。若時間間隔為一幀圖像的時間，則獲得的是一場圖像；在電視系統(tǒng)中，兩場圖像為一幀。掃描方式常有逐行掃描和隔行掃描。

2.數(shù)字視頻模擬視頻信號經(jīng)過數(shù)字化處理后，就變成了一幀幀由數(shù)字圖像組成的圖像序列，即數(shù)字視頻信號，它用二進制數(shù)字表示，是計算機能夠處理的數(shù)字信號。每幀圖像由N行、每行M個像素組成，即每幀圖像共有M×N個像素。

數(shù)字視頻的優(yōu)點：（1）適合于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，視頻信息可以很方便地實現(xiàn)資源的共享和可以長距離傳輸，而模擬信號在傳輸過程中會有信號損失。（2）再現(xiàn)性好數(shù)字視頻可以不失真地進行無限次拷貝，抗干擾能力強，模擬信號由于是連續(xù)變化的復(fù)制容易失真。（3）便于計算機編輯處理模擬信號只能簡單調(diào)整亮度、對比度和顫色，而數(shù)字視頻信號可以傳送到計算機內(nèi)進行存儲、處理，很容易進行創(chuàng)造性地編輯與合成，并進行動態(tài)交互。

數(shù)字視頻的缺陷：數(shù)字視頻的缺陷是處理速度慢，所需的數(shù)據(jù)存儲空間大，數(shù)字圖像的處理成本增高。通過對數(shù)字視頻的壓縮，這樣可以節(jié)省大量的存儲空間。光盤技術(shù)的應(yīng)用也使得大量視頻信息的存儲成為可能。3.4.2視頻信號的編碼數(shù)字視頻的數(shù)據(jù)量非常大。視頻壓縮編碼無論在通信還是存儲中都具有極其重要的意義。視頻編碼的目的就是在確保視頻質(zhì)量的前提下，盡可能地減少視頻序列的數(shù)據(jù)量，以便更經(jīng)濟地在給定的信道上傳輸實時視頻信息或者在給定的存儲容量中存放更多的視頻圖像。視頻編碼可分為第一代視頻編碼方法和第二代視頻編碼方法。3.4.3視頻信號的傳輸視頻信號的傳輸是多媒體信息傳輸?shù)暮诵?。視頻通信有兩種基本的傳輸模式：單點傳輸模式和多點傳輸方式。單點傳輸模式需要對等的通信方式，又稱為為一對一方式。一般將這種對等（peer-to-peer）通信稱為單播。多點傳送是一對多或一對全部的方式，也稱為廣播方式（broadcast）或組播。根據(jù)服務(wù)方式不同，視頻流業(yè)務(wù)可以分為直播和點播。3.4.3視頻信號的傳輸點播是將編碼后的視頻流存儲起來，編碼在離線的狀態(tài)下進行，而直播則需要編碼器實時地對視頻信息進行編碼。視頻傳輸通常要求實時，對時延十分敏感。此外，視頻傳輸涉及傳輸比特率、吞吐量、延遲等一些重要的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)。3.4.4視頻信號的運動分析*運動分析與估計是數(shù)字視頻處理的基本內(nèi)容，也是視頻處理研究的熱點與難點。研究內(nèi)容包括：運動目標(biāo)檢測與分割、二維三維運動參數(shù)估計、運動物體的三維結(jié)構(gòu)及空間關(guān)系的求解等。運動分析與估計應(yīng)用：計算機視覺、目標(biāo)跟蹤、工業(yè)監(jiān)視和視頻壓縮等場合。3.4.5三維視頻處理與顯示三維視頻處理是對三維視頻信號進行處理，即在普通二維視頻信息的基礎(chǔ)上增加深度信息，更逼真地描述現(xiàn)實世界。三維信息可以通過立體顯示器顯示。立體顯示器能完整地再現(xiàn)出三維場景的三維信息，顯示有縱深的圖像，使觀看者可以直接看出場景中物體的遠近，從而獲得更加全面和真實的信息。三維視頻已在許多場合有重要的應(yīng)用，例如，三維醫(yī)學(xué)圖像可以給醫(yī)生提供比二維圖像更加精確和有用的細節(jié)等。3.5計算機動畫技術(shù)

3.5.1動畫類型3.5.2動畫的生成方法3.5.3動畫制作軟件3.5.1動畫類型計算機動畫的原理與傳統(tǒng)動畫基本相同，只是在傳統(tǒng)動畫的基礎(chǔ)上把計算機技術(shù)用于動畫的處理和應(yīng)用。計算機動畫是指采用圖形與圖像的數(shù)字處理技術(shù)，借助于編程或動畫制作軟件生成一系列的景物畫面。其中，當(dāng)前幀畫面是對前一幀的部分修改。3.5.1動畫類型計算機動畫的種類有很多，可以從不同的角度對其分類。按實現(xiàn)的方式可分為：幀動畫和造型動畫。按空間視覺效果可分為：二維動畫和三維動畫。按播放方式可分為：順序動畫和交互動畫。1、幀動畫與造型動畫幀動畫由圖形或圖像序列組成，序列中的每幅靜態(tài)圖像稱為一幀。幀動畫可以分為逐幀動畫和補間動畫。逐幀動畫，每一幀上都有可編輯的對象角色，設(shè)計者可以分別進行修改。補間動畫，設(shè)計者只需要在一個表演時間的兩端分別給出兩個關(guān)鍵幀，表示運動物體的初始和終結(jié)狀態(tài)，動畫制作軟件就可以通過一定的算法計算生成自然、平滑的中間幀，從而產(chǎn)生細膩的動畫效果。造型動畫也稱為對象動畫，就是利用三維軟件創(chuàng)造三維形體。

3.5.1動畫類型三種三維形體的造型技術(shù)：組合技術(shù)、拓展技術(shù)、放樣技術(shù)。組合技術(shù)：先繪出基本的幾何形體，再將它們變成需要的形狀，然后通過不同的方法將它們組合在一起。拓展技術(shù)：先創(chuàng)建二維輪廓，再將其拓展到三維空間。放樣技術(shù)：先創(chuàng)建一系列二維輪廓，用來定義形體的骨架，再將幾何表面附于其上，從而建立立體圖形。2.二維動畫與三維動畫二維動畫的圖像設(shè)計只限于平面，缺乏立體感，對光、影、景深、景淺等要求不高，制作也比較簡單。三維動畫的圖像設(shè)計強調(diào)空間概念，配上真實色彩和三維虛擬環(huán)境，動畫效果會顯得相當(dāng)逼真。實質(zhì)上，三維動畫是在一個三維虛擬空間創(chuàng)建物體的模型，把模型放在虛擬的三維空間中，配上燈光效果，然后給對象賦予動態(tài)效果和各種質(zhì)感。1.關(guān)鍵幀動畫出現(xiàn)在動畫片中的一段連續(xù)畫面實際上是由一系列靜止的畫面來表現(xiàn)的。關(guān)鍵幀是指被選出來的畫面一般出現(xiàn)在動作變化的轉(zhuǎn)折點處，對這段連續(xù)動作起著關(guān)鍵的控制作用。所有影響畫面圖像的參數(shù)都可成為關(guān)鍵幀的參數(shù)，如位置、旋轉(zhuǎn)角、紋理的參數(shù)等。1.關(guān)鍵幀動畫圖3.12第1幀和第8幀是關(guān)鍵幀，其余各幀(2-7幀)可由插值算法生成2.調(diào)色板動畫調(diào)色板動畫涉及畫出物體和處理調(diào)色板的顏色，或者只是處理調(diào)色板的顏色而不重畫物體。讓一個圓形從屏幕的左邊運動到屏幕的右邊，有規(guī)則地用不同的調(diào)色板項重新繪制它，這樣在每次重畫時它的顏色就會改變。某些情況下，物體并不運動，只有它的顏色改變。3.變形動畫變形技術(shù)是計算機動畫中的一種重要的運動控制方式，變形可以是二維或三維的。常見的有基于特征的圖像變形，二維形狀混合，軸變形方法、三維自由形體變形等?；趫D像的變形是一種常用的二維動畫技術(shù)。包含圖像之間的插值變形和圖像本身的變形。三維插值變形是指任意兩個三維物體之間插值的轉(zhuǎn)換漸變，處理對象可以是三維幾何體，也可以附加物體的物理幾何特征。3.5.2動畫的生成方法圖3.13基于特征的圖像變形圖3.14三維自由形體變形4.基于物理模型的動畫

基于物理模型的計算機動畫是一種嶄新的生成方法，運用彈性力學(xué)和流體力學(xué)的方程進行計算，力求使動畫過程體現(xiàn)出最適合真實世界的運動規(guī)律。圖3.15人體骨架模型圖3.16虛擬人體的分層表示模型其他動畫生成方法

5.過程動畫過程動畫是指動畫中物體的運動或變形用一個過程來描述。在過程動畫中，物體的變形是基于一定的數(shù)學(xué)模型或物理規(guī)律。6.運動捕捉運動捕捉技術(shù)是一種新的動畫制作方法，通過分析人體運動序列圖像來提取關(guān)節(jié)點的三維坐標(biāo)，從而得到人體的運動參數(shù)，進而獲得完全真實的人體動畫。7.三維掃描三維掃描技術(shù)又稱為三維數(shù)字化技術(shù)，它能對立體的實物進行三維掃描，迅速獲得物體表面各采樣點的三維空間坐標(biāo)和色彩信息，從而得到物體的三維彩色數(shù)字模型。3.5.3動畫制作軟件計算機動畫的關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在計算機動畫制作軟件及硬件上。動畫制作軟件是由計算機專業(yè)人員開發(fā)的制作動畫的工具，使用這一工具不需要用戶編程，通過簡單的交互式操作就能實現(xiàn)計算機的各種動畫功能。不同的動畫效果，取決于計算機動畫軟、硬件的不同功能。雖然制作的復(fù)雜程度不同，但動畫的基本原理是一致的。目前，比較流行的動畫制作軟件有Flash、Director、AnimatorStudio、3DStudioMax、MAYA等。3.6圖像與視頻文件解析3.6.1數(shù)字圖像的基本文件格式3.6.2BMP圖像文件解析3.6.3視頻文件YUV格式的顯示和存儲3.6.1數(shù)字圖像的基本文件格式數(shù)字圖像有多種存儲格式，每一種圖像文件均有一個文件頭，在文件頭之后才是圖像數(shù)據(jù)。文件頭的內(nèi)容一般包括文件類型、文件制作者、制作時間、版本號、文件大小等內(nèi)容。各種圖像文件的制作還涉及到圖像文件的壓縮方式和存儲效率等。常用的圖像文件存儲格式主要有BMP圖像文件、JPG圖像文件、PCX圖像文件、TIFF圖像文件以及GIF圖像文件等。（1）BMP圖像文件格式第一部分為位圖文件頭BITMAPFILEHEADER，它是一個結(jié)構(gòu)體，其定義如下：

3.6.1數(shù)字圖像的基本文件格式

typedef

struct

tagBITMAPFILEHEADER{WORD bfType;DWORD bfSize;WORD bfReserved1;WORD bfReserved2;DWORD bfOffBits;}BITMAPFILEHEADER;

這個結(jié)構(gòu)的長度是固定的，為14個字節(jié)（WORD為無符號16位二進制整數(shù)，DWORD為無符號32位二進制整數(shù)）。其中，BfType表示文件類型，必須是0x424D，即字符串“BM”；bfSize指定文件大小，bfReserved1和bfReserved2為保留字，使用中不用考慮；bfOffBits指明了從文件頭到實際位圖數(shù)據(jù)的偏移字節(jié)數(shù)。3.6.1數(shù)字圖像的基本文件格式第二部分為位圖信息頭BITMAPINFOHEADER，也是一個結(jié)構(gòu)，其定義如下：

typedef

struct

tagBITMAPINFOHEADER{

DWORDbiSize；

LONG biWidth；

LONG biHeight；

WORD biPlanes；

WORD biBitCount；

DWORD biCompression；

DWORD biSizeImage；

LONG biXPelsPerMeter；

LONG biYPelsPerMeter；

DWORD biClrUsed；

DWORD biClrImportant；

}BITMAPINFOHEADER；3.6.1數(shù)字圖像的基本文件格式這個結(jié)構(gòu)的長度是固定的，為40個字節(jié)（LONG為32位二進制整數(shù)）。其中，biCompression的有效值為BI_RGB、BI_RLE8、BI_RLE4、BI_BITFIELDS，這都是一些Windows定義好的常量。由于RLE4和RLE8的壓縮格式用的不多，今后僅討論biCompression的有效值為BI_RGB，即不壓縮的情況。bfSize指明該結(jié)構(gòu)的長度，其值固定為40；biWidth和biHeight分別是圖像的寬度和高度，單位是像素；biplanes是圖像的位平面數(shù)，必須是1；biBitCount指定顏色位數(shù)，1為二色，4為16色，8為256色，16、24、32為真彩色；biCompression

指定是否壓縮，有效值為BI_RGB、BI_RLE8、BI_RLE4、BI_BITFIELDS；biSizeImage是實際的位圖數(shù)據(jù)占用的字節(jié)數(shù)；3.6.1數(shù)字圖像的基本文件格式biXPelsPerMeter和biYPelsPerMeter是目標(biāo)設(shè)備水平分辨率和垂直分辨率，單位是每米的像素數(shù)；biClrUsed是實際使用的顏色數(shù)，若該值為0，則使用顏色數(shù)為2的biBitCount次方種；biClrImprotant是圖像中重要的顏色數(shù)，若該值為0，則所有的顏色都是重要的。第三部分為調(diào)色板(Palette)，當(dāng)然，這里是對那些需要調(diào)色板的位圖文件而言的。真彩色圖像是不需要調(diào)色板的，BITMAPINFOHEADER后直接是位圖數(shù)據(jù)。調(diào)色板實際上是一個數(shù)組，共有biClrUsed個元素（如果該值為零，則有2的biBitCount次方個元素）。數(shù)組中每個元素的類型是一個RGBQUAD結(jié)構(gòu)，占4個字節(jié)，其定義如下：

3.6.1數(shù)字圖像的基本文件格式typedef

struct

tagRGBQUAD{BYTErgbBlue; //該顏色的藍色分量

BYTErgbGreen; //該顏色的綠色分量

BYTErgbRed;

//該顏色的紅色分量

BYTErgbReserved; //保留值}RGBQUAD;第四部分就是實際的圖像數(shù)據(jù)。像素按行優(yōu)先順序排列，每一行的字節(jié)數(shù)必須是4的整倍數(shù)。對于用到調(diào)色板的位圖，圖像數(shù)據(jù)就是該像素顏色在調(diào)色板中的索引值，對于真彩色圖像，圖像數(shù)據(jù)就是實際的R、G、B值。

3.6.1數(shù)字圖像的基本文件格式進行圖像文件分析時，有兩點需要注意：（1）每一行的字節(jié)數(shù)必須是4的整數(shù)倍，如果不是，則需要補齊。（2）BMP文件的數(shù)據(jù)存放是從下到上，從左到右的。3.6.1數(shù)字圖像的基本文件格式3.6.1數(shù)字圖像的基本文件格式其他一些存儲格式大同小異，只是在文件組織形式、數(shù)據(jù)壓縮方式等方面有所不同。標(biāo)記圖像文件格式TIF(TagImageFileFormat)，它是現(xiàn)存圖像文件格式中最復(fù)雜的一種，它提供存儲各種信息的完備的手段，可以存儲專門的信息而不違反格式宗旨，是目前流行的圖像文件交換標(biāo)準之一。TIF格式文件的設(shè)計考慮了擴展性、方便性和可修改性,因此非常復(fù)雜，要求用更多的代碼來控制它，結(jié)果導(dǎo)致3.6.1數(shù)字圖像的基本文件格式文件讀寫速度慢，TIF代碼也很長。TIF文件由文件頭、參數(shù)指針表與參數(shù)域、參數(shù)數(shù)據(jù)表和圖像數(shù)據(jù)4部分組成。

GIF（GraphicsInterchangeFormat）文件的全稱是圖形交換文件格式。該形式存儲的文件主要是為不同的系統(tǒng)平臺上交流和傳輸圖像提供方便。它是在Web及其他聯(lián)機服務(wù)上常用的一種文件格式，用于超文本標(biāo)記語言(HTML)文檔中的索引顏色圖像，但圖像最大不能超過64M，顏色最多為256色。GIF圖像文件采取LZW壓縮算法，存儲效率高，支持多幅圖像定序或覆蓋，交錯多屏幕繪圖以及文本覆蓋。GIF主要是為數(shù)據(jù)流而設(shè)計的一種傳輸格式，而不是作為文件的存儲格式。換句話說，它具有順序的組織形式。GIF有五個主要部分以固定順序出現(xiàn)，所有部分均由一個或多個塊組成。每個塊第一個字節(jié)中存放標(biāo)識碼或特征碼3.6.1數(shù)字圖像的基本文件格式標(biāo)識。這些部分的順序為：文件標(biāo)志塊、邏輯屏幕描述塊、可選的“全局”色彩表塊(調(diào)色板)、各圖像數(shù)據(jù)塊（或?qū)Ｓ玫膲K）以及尾塊（結(jié)束碼）。PCX文件格式由ZSoft公司設(shè)計,是最早使用的圖像文件格式之一，由各種掃描儀掃描得到的圖像幾乎都能保存成PCX格式。PCX支持256種顏色，不如TIF等格式功能強，但結(jié)構(gòu)較簡單，存取速度快，壓縮比適中，適合于一般軟件的使用。PCX格式支持RGB、索引顏色、灰度和位圖顏色模式，支持RLE壓縮方法，圖像顏色的位數(shù)可以是1、4、8或24。PCX圖像文件由三個部分組成：文件頭、圖像數(shù)據(jù)和256色調(diào)色板。PCX的文件頭有128個字節(jié)，它包括版本號，被打印或掃描的圖像的分辨率(dpi)及大小(單位為像素)，每掃描行3.6.1數(shù)字圖像的基本文件格式的字節(jié)數(shù)，每個像素包含的數(shù)據(jù)位數(shù)和彩色平面數(shù)。位圖數(shù)據(jù)用行程長度壓縮算法記錄數(shù)據(jù)。JPEG(JointPhotographer’sExpertsGroup)即聯(lián)合圖像專家組,是由ISO和CCITT為靜態(tài)圖像所建立的第一個國際數(shù)字圖像壓縮標(biāo)準，主要是為了解決專業(yè)攝影師所遇到的圖像信息過于龐大的問題。由于JPEG的高壓縮比和良好的圖像質(zhì)量，使得它廣泛應(yīng)用于多媒體和網(wǎng)絡(luò)程序中。JPEG格式支持24位顏色，并保留照片和其他連續(xù)色調(diào)圖像中存在的亮度和色相的顯著和細微的變化。3.6.2BMP圖像文件解析

在VC++6.0中編程實現(xiàn)BMP圖像的顯示。步驟一，打開VC++6.0，選擇File|New進入界面，在Projects中選擇MFCAppWinzard(exe)，并在右側(cè)的Projectname中輸入項目名稱，例如ReadBMP，在Location中輸入項目要保存的文件夾。點擊“