計算機技術在圖形圖像處理中的應用研究

伍泰龍 蔣方劍 王磊

摘要：隨著計算機技術的不斷發展，圖形圖像處理已成為計算機科學中的重要研究方向，并廣泛應用于電影制作、游戲開發、虛擬現實、醫學影像處理等多個領域。基于此，本文將對計算機技術在圖形圖像處理中的應用進行深入研究和分析，以供參考。

關鍵詞：計算機；圖形圖像；應用

DOI：10.12433/zgkjtz.20240136

自二十世紀五十年代以來，計算機技術得到了快速發展，與其他技術不同的是，計算機技術的應用帶動了其他技術的發展，例如物聯網、生物工程、人工智能以及圖形圖像處理技術等。在計算機圖形學領域，圖形圖像處理技術被用于創建逼真的圖形，通過使用計算機技術，可以模擬光線的傳播，實現真實的光照效果。當前，其應用領域不斷擴大，例如，3D Studio Max已廣泛應用于廣告、影視、工業設計以及工程可視化等領域。

一、計算機技術的圖形圖像處理技術

（一）計算機圖形圖像處理技術概述

計算機圖形圖像處理技術是利用計算機技術進行圖像和圖形的處理、生成和顯示，是計算機科學和計算機圖形學交叉領域的重要研究方向，也是計算機技術廣泛應用的一部分。計算機圖形圖像處理技術的發展離不開硬件、算法以及軟件的支持。在硬件方面，圖形處理單元（GPU）的出現為圖形處理提供了強大的計算能力。在算法方面，提出了幾何變換、光照模型、紋理映射、渲染技術等圖形處理算法，用于實現圖形的增強、變形、渲染和顯示等。在軟件方面，計算機圖形圖像處理技術依靠各種圖形處理軟件和開發工具，例如，OpenGL、DirectX等，為開發人員提供了可對接接口。

計算機圖形圖像處理技術通過硬件、算法和軟件的支持實現了圖像和圖形的處理，在電影、游戲、設計、建筑、制造等眾多領域有著廣泛應用，隨著技術的不斷發展和創新，應用領域將更加廣泛。

（二）計算機圖形處理技術的特征

第一，圖像再現能力。能準確地復制和存儲圖像，保持圖像的質量和清晰度。相比傳統的圖形處理技術，在圖像再現方面更加出色。第二，高頻帶處理能力。圖形數據占用大量的頻帶，計算機圖形處理技術具備處理復雜圖形數據的能力，需要計算機具備強大的處理能力和高效的算法。第三，應用范圍廣泛。可應用于計算機游戲、動畫制作、虛擬現實、建筑設計等領域。第四，靈活性強。數字化的圖像具有很高的靈活性和可編程性，可以方便地進行旋轉、縮放、裁剪、色彩調整等操作，也能根據需求進行各種特效處理。

（三）計算機圖形圖像處理技術的發展趨勢

隨著計算機技術的成熟與普及，圖形圖像處理技術也逐漸受到關注，未來的發展方向可以概括為以下幾點：

第一，隨著計算機技術的不斷進步，圖形圖像處理技術將朝著全自動化和高清化的方向發展。這意味著將更加智能化和精細化，能自動分析和處理圖像數據，提供更高質量的圖像顯示效果。

第二，未來的計算機圖形處理技術是走向實用化，使得普通用戶可以更加輕松地使用和應用圖形處理技術。同時，技術的操作界面將變得更加人性化和便捷，促使處理任務更高效完成。

第三，隨著硬件和軟件的發展，未來的圖形圖像處理技術會朝著處理功能集中化的方向發展，意味著更多復雜的圖形處理任務將能在同一個平臺上完成，降低了用戶的使用成本和學習門檻。

第四，隨著時代的不斷變遷，計算機技術需要持續創新才能適應新的需求和挑戰。新的算法和理論將成為技術發展的指導方向，推動圖形圖像處理技術向著更廣闊的方向發展。

二、計算機圖形圖像處理中的關鍵技術

（一）CAD 技術

CAD技術（Computer Aided Design）是一種基于計算機技術的圖形圖像應用軟件，主要用于產品設計和制造的各個環節。核心任務是利用輔助的方法進行產品設計和工程制圖，通過一系列的工作流程，提高設計流程和設計結果的效率。主要特點是以圖形圖像和相關文字信息的形式進行編輯、檢索和處理，根據用戶需求進行設計方案的選擇，并通過合理測算，設計最佳方案。主要作用是有效處理復雜的圖形圖像和相關的文字信息，實現產品設計的精準性。CAD技術下的圖形處理技術的具體工作流程如圖1所示，工作人員要通過圖形輸入設備、顯示器和數據庫等硬件進行輸入，再利用設備中的交互、存儲、輸入、計算和輸出等功能實現圖形的輸出。

CAD技術應用在建筑、機械制造、電子、航空航天等領域。在建筑領域，CAD技術可以用于建筑設計和施工圖的制作，根據建筑師的設計思路，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計方案。在機械制造領域，用于機械產品的三維設計和制造，對機械產品的各種工藝和工作狀態進行模擬和分析，幫助工程師確定最佳的制造工藝。在電子領域，用于電路設計和印制板制作，繪制電路圖和布局，更好地進行電路設計和調試；在航空航天領域，用于飛機和航天器的設計和制造，進行飛機和航天器的外形設計和結構分析。

（二）數字化技術

數字化技術可以分為形態數學技術和立體數學技術兩個方面。第一，形態數學技術主要用于對二值圖像或灰度圖像進行分析和處理，通過運算改善圖像的質量和特征，在圖像分割、邊緣檢測、形狀分析等方面發揮著重要作用。第二，立體數學技術主要用于對三維圖像和立體模型進行處理和分析，結合幾何學、空間變換和圖像處理技術，實現三維圖像的建模。

總之，通過數字化技術，可以實現對圖像的采樣、分割、量化和編碼壓縮等操作，從而提高圖像的存儲效率。數字化技術也是圖像增強、圖像恢復的重要手段，通過數字化技術對圖像增強，提升視覺效果。常見的圖像增強方法包括對比度調整、亮度調整、顏色平衡、銳化等。

（三）人臉識別技術

圖形圖像處理中的人臉識別技術是基于計算機視覺和模式識別的技術，用于自動識別和驗證人臉圖像的身份信息。人臉識別技術在安全監控、人機交互、身份驗證等領域具有廣泛的應用前景。

首先，人臉檢測是人臉識別的第一步，目的是從輸入的圖像中準確定位人臉的位置。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特征檢測人臉，然后使用分類器（如Adaboost或SVM）對特征進行分類。第二，基于模型的方法，使用統計模型或形狀模型描述人臉，再通過模型匹配進行人臉檢測。第三，基于深度學習的方法，使用深度卷積神經網絡（CNN）學習人臉特征，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。特征提取的目標是使得同一個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據庫中的特征進行比對和匹配，判斷是否為同一個人。常用的匹配算法包括歐氏距離、余弦相似度、支持向量機等。匹配的結果可以用于身份驗證、比對等。活體檢測是為了防止照片、面具等欺騙行為而引入的技術。通過檢測人臉圖像中的活體指標，如眨眼、張嘴、頭部運動等，確定是否為真實的人臉。常用的方法包括紅外照明、紋理分析、三維建模等。多角度和多尺度識別是為了應對不同角度和尺度下的人臉圖像而提出的技術。通過對人臉圖像進行旋轉、縮放等變換適應不同的情況。多尺度的方法可以應對圖像中人臉的大小變化，多角度的方法可以應對人臉的朝向變化。

三、計算機技術的圖形圖像處理技術的具體應用

（一）圖形圖像處理技術在設計行業的應用

計算機輔助設計利用軟件和硬件輔助設計各種任務，包括工程建筑、機械結構、零部件等領域的設計。計算機輔助設計中，圖形圖像處理技術被廣泛應用于設計的各個方面。設計師利用軟件創建和編輯設計圖形，通過圖形界面操作實現設計的審查和修改。軟件提供了豐富的繪圖、編輯和變換工具，使得設計師可以輕松地進行設計的細節調整和優化。例如，在航空制造業中，設計飛機的外形、內部結構等都需要將其落實圖紙上，輔助設計軟件可以通過三維建模、模擬和分析等功能優化飛機設計，減少設計錯誤和重復勞動，提高設計效率和質量。

（二）圖形圖像處理技術在教學領域的應用

教學領域中應用計算機圖形處理技術輔助教學，不僅能使教學過程更形象、直觀和生動，也能讓學生更加容易理解，為教師和學生提供更加豐富、靈活的學習方式和工具。教師們常使用PowerPoint等軟件制作多媒體課件，例如，插入圖片、調整圖片大小和角度、應用特效等，把抽象的知識點以更生動、形象的方式呈現給學生，幫助學生更好的理解和記憶。此外，計算機輔助教學還可以結合其他教學方法，模擬現實世界中的場景和實驗，并通過動態的演示幫助學生更好的理解抽象的概念和原理。例如，在物理教學中，利用圖形處理技術展示拋物線的運動軌跡，通過動態的演示讓學生更深入理解拋物線的運動規律。

（三）圖形圖像處理技術在勘測業的應用

圖形圖像處理技術在勘測業的應用可以幫助勘測人員更好的了解地理信息，提高勘測的效率，為資源調查、環境保護和城市規劃等領域提供重要的數據支撐。具體如下：

1.地震數據的獲取和處理

地震勘探需要先獲取數據，通常使用地震儀器在地面上放置一定數量的震源和接收器，并通過震源產生的人工震動獲得地下的反射波。接收器接收到的反射波信號將被記錄下來，并被轉化為數字信號以供處理。在數據處理方面，圖形圖像處理技術為地震數據處理提供了有力幫助，方便進行數字化圖像處理，幫助勘探人員更快速、準確地解釋地震數據。例如，利用圖像處理技術提取地震數據的反射波強度、反射時間等信息。

2.地理信息系統（GIS）

GIS是一種利用圖形圖像處理技術對地球表面進行描述、分析和表達的系統。勘測人員利用GIS對地形、地貌、土地利用、建筑物分布等地理信息進行收集、存儲、管理和可視化。通過GIS，勘測人員可以進行土地規劃、資源管理、環境監測等應用。

3.下管線探測

地下管線探測是一種利用圖形圖像處理技術對地下管線進行定位、測量和繪制管線圖的技術。在城市規劃和建設中，地下管線探測對于保障城市安全和可持續發展具有重要意義。通過圖形圖像處理技術，勘測人員快速準確地獲取地下管線的位置和特征信息，為城市規劃和建設提供重要的決策依據。

使用計算機圖形處理技術繪制勘測圖可以減少人為錯誤的產生，提高勘測圖的準確性。同時，利用圖形處理技術對勘測數據進行分析和處理，使數據處理更加便捷。

（四）圖形圖像處理技術在電視廣告、影視動畫設計中的應用

現階段，計算機圖形圖像處理技術在電視廣告、影視動畫設計中得到了廣泛應用，經過特殊處理工具，可以提取影視畫面中的獨立景物，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，圖形圖像處理技術可以用來創建吸引人的視覺效果。例如，使用圖像處理軟件，廣告創作者對圖像進行修整、調整顏色、添加濾鏡等操作，以突出產品的優勢。同時，通過將不同的圖像和視頻素材進行融合，創作令人驚嘆的視覺效果，吸引觀眾的注意力。

四、結語

綜上所述，計算機圖形圖像處理技術在各個領域中具有廣泛應用，對提高設計效果和降低成本具有重要作用。為了應用和發展這一技術，需要深入了解專業知識并熟練掌握，以此在生產和設計過程中充分利用這一技術確保設計產品的效果更加出色。

參考文獻：

[1]閻巍.計算機數字處理技術在圖像處理中的應用[J].數字技術與應用，2022，40（09）：99-101.

[2]李雪嬌.計算機圖像處理技術在車牌識別中的應用[J].電子技術，2022，51（01）：24-25.

[3]薛艷林.計算機圖形圖像處理技術及應用[J].計算機與網絡，2021，47（24）：39.

[4]羅瀟軒.計算機圖像處理與識別技術在現代交通中的應用分析[J].網絡安全技術與應用，2021（04）：120-121.

作者簡介：伍泰龍（1997），男，山東省菏澤市人，大學本科，助理工程師，從事（高校現代教育技術部門）信息化教學、計算機技術、影視制作技術工作。