数字图像处理和获得高质量视频素材的研究

刘艳梅

摘要:数字图像处理即是计算机图像处理,也就是说把图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。本文将重点介绍数字图像处理研究的主要内容和一些常见常用的计算机图形图像文件格式以及获得高质量视频素材的方法。

关键词:计算机图像;图像文件格式;视频素材;研究

数字图像处理(Digital Image Processing)是通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。开始的时候图像处理的目的是增加图像的清晰度,调整图像的亮度,剪裁图像的大小等质量问题。输入的是质量低的图像,输出的是改善后的令人满意的图像。近年来,随着计算机和其它各有关领域的迅速发展,例如在图像表现、科学计算可视化、多媒体计算技术等方面的发展,数字图像处理已从一个专门的研究领域变成了科学研究和人机界面中的一种普遍应用的工具。因此计算机图像处理是一个有待人们进一步探索的新领域。

当今随着INTERNET及多媒体技术的高速,Web上或多媒体光盘中存在的大量生动逼真的数字化图形图像,给电视节目制作人员带来了许多非常优美直观的信息源,也使利用他人的灵感、作品来丰富电视节目的制作,包装成为可能,因而倍受人们的喜爱。但多数电视制作人员对种类繁多的机图形图像文件知之甚少,本文将重点介绍数字图像处理研究的主要内容和一些常见常用的计算机图形图像文件格式以及获得高质量视频素材的方法。

1 数字图像处理研究的主要内容

图像获取和图像表现阶段主要是把模拟图像信号转化为计算机所能接受的数字形式,以及把数字图像用所需要的形式显示出来。

图像复原当造成图像退化的原因已知时,复原技术可用来进行图像的校正。复原技术是基于模型和数据的图像恢复,其目的是消除退化的影响,从而产生一个等价于理想成像系统所获得的图像。

图像增强当无法知道与图像退化有关的定量信息时,可以使用图像增强技术较为主观地改善图像的质量。

图像分析对图像中的不同对象进行分割、特征提取和表示,从而有利于计算机对图像进行分类、识别、理解或解释。

图像重建由图像的多个一维投影重建该图像,可看成是特殊的图像复原技术。

图像编码和压缩对图像进行编码的主要目的是为了压缩数据,便于存储和传输。

2 图形图像的存储格式

BMP文件:是Microsoft Windows所定义的图像文件格式,最早应用在Microsoft公司的Microsoft Windows窗口系统。众所周知,Microsoft Windows 现今已成为PC机环境下窗口系统的事实上的标准,因而BMP图像文件格式也越来越受到人们关注,在Windows环境中运行的图形图像软件都支持BMP图像格式。

GIF文件:GIF文件是“Graphics Interchange Format”(图形交换格式)的缩写,是由CompuServe公司为了方便和BBS使用者传送图像数据而制定的一种图像文件格式。,GIF图像文件已经成为网络和BBS上图像传输的通用格式,经常用于像动画、透明等特技制作。

TIF(TIFF)文件:TIFF文件是“Tag Image File Format”的缩写,是由Aldus公司与微软公司共同开发设计的图像文件格式。它的最大特点就是与计算机的结构、操作系统以及图形硬件系统无关,它可以处理黑白、灰度、彩色图像。在存储真彩色图像时和BMP格式一样,直接存储RGB三原色的浓度值而不使用彩色映像(调色板)。对于介质之间的交换,TIF可以称得上是位图格式的最佳选择之一。

PCX文件:PCX图像文件是由Zsoft公司在80年代初期设计的,专用于存储该公司开发的PC Paintbrush绘图软件所生成的图像画面数据。目前PCX文件已成为PC机上较为流行的图像文件。对存储绘图类型的图像(例如大面积非连续色调的图像)合理而有效,而对于扫描图像和视频图像,其压缩方式可能是低效率的。

JPEG格式:JPEG格式一般用来显示照片和WWW以及在线服务的HTML(超文本标记语言)文件,它能保存RGB图象中的所有颜色信息。JPEG也是一种带压缩的文件格式,但在压缩时文件有信息损失。当需要在INTERNET上发布新闻图片时,一般以 .jpg格式的图片上载,不能太大,一般为180*160像素,以免文件过大。

TGA格式:是由Truevision公司为视频摄像机图像而设计,用于帧捕捉的最主要的24位图像格式,其典型的图象尺寸为400*512个像素,每像素16、24或32位彩色。目前各电视台节目制作时叠加的台标和栏目标花多是以.tga图片文件引入字幕机的。在电视台节目的制作中,制作人员有时也需要利用非线性编辑设备从录像带上抓取画面(抓帧),然后将所抓画面用于印刷或上网发布新闻图片。这时抓帧所得的图像就是TGA文件格式,可以利用PhotoShop进行格式转换。

3 ImageJ不同的运行版本

目前,关于图像处理和分析的软件或者函数库,很多采用的都是c和c语言,对很多常见的图像处理函数都有现成的代码和成熟的工具。然而,针对java这一面向对象程序设计语言,却没有能很好地利用起来,在这上面开展的工作也较少,相关的工具也很少。ImageJ的出现在一定程度上改变了这一局面。ImageJ是目前世界上最快的纯java图像处理程序。它能在0.1秒内对一张2048x2048的图片进行过滤。 ImageJ不同的版本可以在Windows,MacOS,MacOSX和Linux系统上运行。它能读入许多种图片格式,包括TIFF,GIF,JPEG,BMP,DICOM和FITS。它支持“栈”,也就是一系列的图片共用一个窗口。它还是多线程的,所以像在处理读入图片这种费时的操作时,还可以并行进行其他的操作。它提供一些标准的图像处理函数,比如锐化、平滑、边缘检测和中值滤波等,能对图片进行缩放、旋转和反转等。更重要的是,ImageJ采用了一种开放式的结构,通过加入java语言的插件来完成它的扩展。这样,使用ImageJ的内置编辑器和java编译器就能得到各种插件。这样的机制就使开发人员自己编写的插件能解决他所需要解决的任何图像处理和分析的问题。与之配合使用的macro语言,也为ImageJ带来了更多的方便。

4 获得高质量视频素材的几种方法

采用序列帧的方式:这是最传统、最有效也是使用最广泛的一种方法。具体作法是在一些CG素材创作软件系统中完成制作工作后,将CG素材输出成一系列大孝格式相同而以一组连续数字编号命名的图片,为了能很好地在其它剪辑或合成软件中使用该素材,一般采用支持Alpha通道的图片格式,如tga、tif等。现在几乎所有的后期剪辑软件、合成软件及专业视频板卡系统都具有将序列帧转换成单一素材的功能,由于输出时选用的一般是不压缩的图片格式,因此就实现了素材的无损传递,但其最大的缺陷是所得到的素材的数据量非常大。

采用带Alpha通道的AVI格式:普通的AVI格式的视频文件一般是不支持Alpha通道的,因此这种方法一般是在CG素材创作软件系统中完成素材的制作后,在视频硬件板卡的支持下将素材输出成压缩的、包含Alpha通道的AVI格式,例如在MatroxDigiSuiteLX板卡的支持下可以输出成MPEG-2IFrame格式。这种方式通常也能获得较好的视频质量,因为有硬件板卡支持所以输出速度很快,其数据量也不是很大。

采用无损压缩的方法:这种方法也能做到素材的无损传递,通常是采用无损编码器将CG素材输出成VideoforWindows格式或QuicktimeMovie格式。由于MOV格式可以很好的支持Alpha通道,而没有板卡支持的AVI格式中无法包含Alpha通道,板卡支持的AVI格式又都是有损压缩,因此这种方法中AVI格式应用不是太多,主要以输出成MOV格式为主。特别是随着最近新的、高水平的Quicktime无损编码器的出现,很好的解决了序列帧数据量大而AVI对Alpha通道支持不好的问题,成为一种在各软件系统之间无损传递素材的好方法。