伍泰龍 蔣方劍 王磊

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，圖形圖像處理已成為計(jì)算機(jī)科學(xué)中的重要研究方向，并廣泛應(yīng)用于電影制作、游戲開發(fā)、虛擬現(xiàn)實(shí)、醫(yī)學(xué)影像處理等多個(gè)領(lǐng)域?；诖耍疚膶?duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)在圖形圖像處理中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究和分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；圖形圖像；應(yīng)用

DOI：10.12433/zgkjtz.20240136

自二十世紀(jì)五十年代以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了快速發(fā)展，與其他技術(shù)不同的是，計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用帶動(dòng)了其他技術(shù)的發(fā)展，例如物聯(lián)網(wǎng)、生物工程、人工智能以及圖形圖像處理技術(shù)等。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，圖形圖像處理技術(shù)被用于創(chuàng)建逼真的圖形，通過使用計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以模擬光線的傳播，實(shí)現(xiàn)真實(shí)的光照效果。當(dāng)前，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，例如，3D Studio Max已廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計(jì)以及工程可視化等領(lǐng)域。

一、計(jì)算機(jī)技術(shù)的圖形圖像處理技術(shù)

（一）計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)概述

計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行圖像和圖形的處理、生成和顯示，是計(jì)算機(jī)科學(xué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)交叉領(lǐng)域的重要研究方向，也是計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用的一部分。計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)的發(fā)展離不開硬件、算法以及軟件的支持。在硬件方面，圖形處理單元（GPU）的出現(xiàn)為圖形處理提供了強(qiáng)大的計(jì)算能力。在算法方面，提出了幾何變換、光照模型、紋理映射、渲染技術(shù)等圖形處理算法，用于實(shí)現(xiàn)圖形的增強(qiáng)、變形、渲染和顯示等。在軟件方面，計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)依靠各種圖形處理軟件和開發(fā)工具，例如，OpenGL、DirectX等，為開發(fā)人員提供了可對(duì)接接口。

計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)通過硬件、算法和軟件的支持實(shí)現(xiàn)了圖像和圖形的處理，在電影、游戲、設(shè)計(jì)、建筑、制造等眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛。

（二）計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)的特征

第一，圖像再現(xiàn)能力。能準(zhǔn)確地復(fù)制和存儲(chǔ)圖像，保持圖像的質(zhì)量和清晰度。相比傳統(tǒng)的圖形處理技術(shù)，在圖像再現(xiàn)方面更加出色。第二，高頻帶處理能力。圖形數(shù)據(jù)占用大量的頻帶，計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)具備處理復(fù)雜圖形數(shù)據(jù)的能力，需要計(jì)算機(jī)具備強(qiáng)大的處理能力和高效的算法。第三，應(yīng)用范圍廣泛。可應(yīng)用于計(jì)算機(jī)游戲、動(dòng)畫制作、虛擬現(xiàn)實(shí)、建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。第四，靈活性強(qiáng)。數(shù)字化的圖像具有很高的靈活性和可編程性，可以方便地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放、裁剪、色彩調(diào)整等操作，也能根據(jù)需求進(jìn)行各種特效處理。

（三）計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟與普及，圖形圖像處理技術(shù)也逐漸受到關(guān)注，未來的發(fā)展方向可以概括為以下幾點(diǎn)：

第一，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，圖形圖像處理技術(shù)將朝著全自動(dòng)化和高清化的方向發(fā)展。這意味著將更加智能化和精細(xì)化，能自動(dòng)分析和處理圖像數(shù)據(jù)，提供更高質(zhì)量的圖像顯示效果。

第二，未來的計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)是走向?qū)嵱没沟闷胀ㄓ脩艨梢愿虞p松地使用和應(yīng)用圖形處理技術(shù)。同時(shí)，技術(shù)的操作界面將變得更加人性化和便捷，促使處理任務(wù)更高效完成。

第三，隨著硬件和軟件的發(fā)展，未來的圖形圖像處理技術(shù)會(huì)朝著處理功能集中化的方向發(fā)展，意味著更多復(fù)雜的圖形處理任務(wù)將能在同一個(gè)平臺(tái)上完成，降低了用戶的使用成本和學(xué)習(xí)門檻。

第四，隨著時(shí)代的不斷變遷，計(jì)算機(jī)技術(shù)需要持續(xù)創(chuàng)新才能適應(yīng)新的需求和挑戰(zhàn)。新的算法和理論將成為技術(shù)發(fā)展的指導(dǎo)方向，推動(dòng)圖形圖像處理技術(shù)向著更廣闊的方向發(fā)展。

二、計(jì)算機(jī)圖形圖像處理中的關(guān)鍵技術(shù)

（一）CAD 技術(shù)

CAD技術(shù)（Computer Aided Design）是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的圖形圖像應(yīng)用軟件，主要用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的各個(gè)環(huán)節(jié)。核心任務(wù)是利用輔助的方法進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工程制圖，通過一系列的工作流程，提高設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)結(jié)果的效率。主要特點(diǎn)是以圖形圖像和相關(guān)文字信息的形式進(jìn)行編輯、檢索和處理，根據(jù)用戶需求進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的選擇，并通過合理測(cè)算，設(shè)計(jì)最佳方案。主要作用是有效處理復(fù)雜的圖形圖像和相關(guān)的文字信息，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性。CAD技術(shù)下的圖形處理技術(shù)的具體工作流程如圖1所示，工作人員要通過圖形輸入設(shè)備、顯示器和數(shù)據(jù)庫(kù)等硬件進(jìn)行輸入，再利用設(shè)備中的交互、存儲(chǔ)、輸入、計(jì)算和輸出等功能實(shí)現(xiàn)圖形的輸出。

CAD技術(shù)應(yīng)用在建筑、機(jī)械制造、電子、航空航天等領(lǐng)域。在建筑領(lǐng)域，CAD技術(shù)可以用于建筑設(shè)計(jì)和施工圖的制作，根據(jù)建筑師的設(shè)計(jì)思路，繪制具體的平面圖、剖面圖和立面圖，幫助建筑師更好地了解和控制設(shè)計(jì)方案。在機(jī)械制造領(lǐng)域，用于機(jī)械產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)和制造，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的各種工藝和工作狀態(tài)進(jìn)行模擬和分析，幫助工程師確定最佳的制造工藝。在電子領(lǐng)域，用于電路設(shè)計(jì)和印制板制作，繪制電路圖和布局，更好地進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和調(diào)試；在航空航天領(lǐng)域，用于飛機(jī)和航天器的設(shè)計(jì)和制造，進(jìn)行飛機(jī)和航天器的外形設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析。

（二）數(shù)字化技術(shù)

數(shù)字化技術(shù)可以分為形態(tài)數(shù)學(xué)技術(shù)和立體數(shù)學(xué)技術(shù)兩個(gè)方面。第一，形態(tài)數(shù)學(xué)技術(shù)主要用于對(duì)二值圖像或灰度圖像進(jìn)行分析和處理，通過運(yùn)算改善圖像的質(zhì)量和特征，在圖像分割、邊緣檢測(cè)、形狀分析等方面發(fā)揮著重要作用。第二，立體數(shù)學(xué)技術(shù)主要用于對(duì)三維圖像和立體模型進(jìn)行處理和分析，結(jié)合幾何學(xué)、空間變換和圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維圖像的建模。

總之，通過數(shù)字化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的采樣、分割、量化和編碼壓縮等操作，從而提高圖像的存儲(chǔ)效率。數(shù)字化技術(shù)也是圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)的重要手段，通過數(shù)字化技術(shù)對(duì)圖像增強(qiáng)，提升視覺效果。常見的圖像增強(qiáng)方法包括對(duì)比度調(diào)整、亮度調(diào)整、顏色平衡、銳化等。

（三）人臉識(shí)別技術(shù)

圖形圖像處理中的人臉識(shí)別技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)視覺和模式識(shí)別的技術(shù)，用于自動(dòng)識(shí)別和驗(yàn)證人臉圖像的身份信息。人臉識(shí)別技術(shù)在安全監(jiān)控、人機(jī)交互、身份驗(yàn)證等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

首先，人臉檢測(cè)是人臉識(shí)別的第一步，目的是從輸入的圖像中準(zhǔn)確定位人臉的位置。常用的方法主要有：第一，基于特征的方法，通常使用Haar特征或HOG特征檢測(cè)人臉，然后使用分類器（如Adaboost或SVM）對(duì)特征進(jìn)行分類。第二，基于模型的方法，使用統(tǒng)計(jì)模型或形狀模型描述人臉，再通過模型匹配進(jìn)行人臉檢測(cè)。第三，基于深度學(xué)習(xí)的方法，使用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）學(xué)習(xí)人臉特征，并通過卷積和池化操作提取特征。

其次，人臉特征提取是通過算法從人臉圖像中提取出能代表人臉的特征向量。常用的特征提取方法包括主成分分析（PCA）、線性判別分析（LDA）、局部二值模式（LBP）等。特征提取的目標(biāo)是使得同一個(gè)人的特征向量之間的相似度較高，不同人之間的相似度較低。特征匹配和分類是將提取出的人臉特征與已有的人臉數(shù)據(jù)庫(kù)中的特征進(jìn)行比對(duì)和匹配，判斷是否為同一個(gè)人。常用的匹配算法包括歐氏距離、余弦相似度、支持向量機(jī)等。匹配的結(jié)果可以用于身份驗(yàn)證、比對(duì)等?；铙w檢測(cè)是為了防止照片、面具等欺騙行為而引入的技術(shù)。通過檢測(cè)人臉圖像中的活體指標(biāo)，如眨眼、張嘴、頭部運(yùn)動(dòng)等，確定是否為真實(shí)的人臉。常用的方法包括紅外照明、紋理分析、三維建模等。多角度和多尺度識(shí)別是為了應(yīng)對(duì)不同角度和尺度下的人臉圖像而提出的技術(shù)。通過對(duì)人臉圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放等變換適應(yīng)不同的情況。多尺度的方法可以應(yīng)對(duì)圖像中人臉的大小變化，多角度的方法可以應(yīng)對(duì)人臉的朝向變化。

三、計(jì)算機(jī)技術(shù)的圖形圖像處理技術(shù)的具體應(yīng)用

（一）圖形圖像處理技術(shù)在設(shè)計(jì)行業(yè)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)利用軟件和硬件輔助設(shè)計(jì)各種任務(wù)，包括工程建筑、機(jī)械結(jié)構(gòu)、零部件等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中，圖形圖像處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)的各個(gè)方面。設(shè)計(jì)師利用軟件創(chuàng)建和編輯設(shè)計(jì)圖形，通過圖形界面操作實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的審查和修改。軟件提供了豐富的繪圖、編輯和變換工具，使得設(shè)計(jì)師可以輕松地進(jìn)行設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)調(diào)整和優(yōu)化。例如，在航空制造業(yè)中，設(shè)計(jì)飛機(jī)的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等都需要將其落實(shí)圖紙上，輔助設(shè)計(jì)軟件可以通過三維建模、模擬和分析等功能優(yōu)化飛機(jī)設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和重復(fù)勞動(dòng)，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

（二）圖形圖像處理技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

教學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)輔助教學(xué)，不僅能使教學(xué)過程更形象、直觀和生動(dòng)，也能讓學(xué)生更加容易理解，為教師和學(xué)生提供更加豐富、靈活的學(xué)習(xí)方式和工具。教師們常使用PowerPoint等軟件制作多媒體課件，例如，插入圖片、調(diào)整圖片大小和角度、應(yīng)用特效等，把抽象的知識(shí)點(diǎn)以更生動(dòng)、形象的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，幫助學(xué)生更好的理解和記憶。此外，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)還可以結(jié)合其他教學(xué)方法，模擬現(xiàn)實(shí)世界中的場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)，并通過動(dòng)態(tài)的演示幫助學(xué)生更好的理解抽象的概念和原理。例如，在物理教學(xué)中，利用圖形處理技術(shù)展示拋物線的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過動(dòng)態(tài)的演示讓學(xué)生更深入理解拋物線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

（三）圖形圖像處理技術(shù)在勘測(cè)業(yè)的應(yīng)用

圖形圖像處理技術(shù)在勘測(cè)業(yè)的應(yīng)用可以幫助勘測(cè)人員更好的了解地理信息，提高勘測(cè)的效率，為資源調(diào)查、環(huán)境保護(hù)和城市規(guī)劃等領(lǐng)域提供重要的數(shù)據(jù)支撐。具體如下：

1.地震數(shù)據(jù)的獲取和處理

地震勘探需要先獲取數(shù)據(jù)，通常使用地震儀器在地面上放置一定數(shù)量的震源和接收器，并通過震源產(chǎn)生的人工震動(dòng)獲得地下的反射波。接收器接收到的反射波信號(hào)將被記錄下來，并被轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)以供處理。在數(shù)據(jù)處理方面，圖形圖像處理技術(shù)為地震數(shù)據(jù)處理提供了有力幫助，方便進(jìn)行數(shù)字化圖像處理，幫助勘探人員更快速、準(zhǔn)確地解釋地震數(shù)據(jù)。例如，利用圖像處理技術(shù)提取地震數(shù)據(jù)的反射波強(qiáng)度、反射時(shí)間等信息。

2.地理信息系統(tǒng)（GIS）

GIS是一種利用圖形圖像處理技術(shù)對(duì)地球表面進(jìn)行描述、分析和表達(dá)的系統(tǒng)。勘測(cè)人員利用GIS對(duì)地形、地貌、土地利用、建筑物分布等地理信息進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、管理和可視化。通過GIS，勘測(cè)人員可以進(jìn)行土地規(guī)劃、資源管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用。

3.下管線探測(cè)

地下管線探測(cè)是一種利用圖形圖像處理技術(shù)對(duì)地下管線進(jìn)行定位、測(cè)量和繪制管線圖的技術(shù)。在城市規(guī)劃和建設(shè)中，地下管線探測(cè)對(duì)于保障城市安全和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。通過圖形圖像處理技術(shù)，勘測(cè)人員快速準(zhǔn)確地獲取地下管線的位置和特征信息，為城市規(guī)劃和建設(shè)提供重要的決策依據(jù)。

使用計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)繪制勘測(cè)圖可以減少人為錯(cuò)誤的產(chǎn)生，提高勘測(cè)圖的準(zhǔn)確性。同時(shí)，利用圖形處理技術(shù)對(duì)勘測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，使數(shù)據(jù)處理更加便捷。

（四）圖形圖像處理技術(shù)在電視廣告、影視動(dòng)畫設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)在電視廣告、影視動(dòng)畫設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，經(jīng)過特殊處理工具，可以提取影視畫面中的獨(dú)立景物，并通過剪輯人員的后期處理，使作品更具有魅力。在電視廣告中，圖形圖像處理技術(shù)可以用來創(chuàng)建吸引人的視覺效果。例如，使用圖像處理軟件，廣告創(chuàng)作者對(duì)圖像進(jìn)行修整、調(diào)整顏色、添加濾鏡等操作，以突出產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，通過將不同的圖像和視頻素材進(jìn)行融合，創(chuàng)作令人驚嘆的視覺效果，吸引觀眾的注意力。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用，對(duì)提高設(shè)計(jì)效果和降低成本具有重要作用。為了應(yīng)用和發(fā)展這一技術(shù)，需要深入了解專業(yè)知識(shí)并熟練掌握，以此在生產(chǎn)和設(shè)計(jì)過程中充分利用這一技術(shù)確保設(shè)計(jì)產(chǎn)品的效果更加出色。

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作者簡(jiǎn)介：伍泰龍（1997），男，山東省菏澤市人，大學(xué)本科，助理工程師，從事（高校現(xiàn)代教育技術(shù)部門）信息化教學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、影視制作技術(shù)工作。