图像的数字化过程

图像的数字化过程学习任务分析本节课教学是多媒体技术应用中三种媒体数字化原理的第一个，在后续课堂教学中，“声音的数字化表示”、“视频的数字化表示”与图像的数字化表示有相通或类似的思想，本节课的教学的顺得完成，对后续的两节课堂教学有着重要奠定基础和方法迁移的作用。通过上节课的学习，学生已经知道图像是如何利用二进制进行表示，本节课主要学习如何将模拟图像转化为数字图像，并存储在信息技术设备中。学习者分析人的视觉特性是图像数字化原理的生理学基础，但学生对此没有相关的知识准备，因此，在本节课的开始，对相关知识的补充的十分必要的。学习目标分析知识与技能（1）了解图像图像数字化的原理与过程（2）掌握图形、图像文件压缩工具的用法；过程与方法（1）能主动利用数字化图像解决日常生活、学习中遇到的的问题（2）能主动利用数字化图像呈现信息、发表观点、交流思想、开展合作情感态度与价值观（1）感受人类在利用技术实现信息表达时体现的才智和不断探索的精神；（四）教学过程设计环节一:感性认识人眼的分辨力，理解图像数字化的生理学基础，引入课题（一）肖像的观察与分析首先，教师利用演示文稿向学生播放图像1，向学生提问：“现在同学们看到了什么？”学生看到这幅图像后，马上回答：“看到了一些0、1”，再继续观察发现是由0、1组成的肖像，部分同学联想到某某名星，很快有同学发现这是老师的肖像。然后，再播放第二幅图像。告诉学生这幅图像与上幅图像都是由0、1组成（提供教学支架）。然后，提出问题：“这两幅图像有什么区别呢？”学生通过比较得出：1．第二幅图像中0、1很小，以至于无法看清2．第二幅图像中0、1距离很近3．第二幅图像中0、1的个数多4．第二幅肖像更加逼真接着播放第三幅图像。告诉学生，这幅图像也是由0、1组成(支架)，且这幅图像0、1个数与第二幅图像的相同，并提出问题：“这幅图像与前两幅比较，又有什么不同？”学生很快回答出：1．第三幅图像中0、1更小2．第三幅图像中0、1距离更近4．第三幅肖像看起来像一幅连续的画面在此基础上，组织学生讨论：“通过刚才的观察、比较、分析，我们可以得出什么结论？”（二）颜色列表的观察与分析1．展示颜色列表，如下图，学生可以清晰看出相邻两种颜色的差别2．展示颜色列表如下图，告诉学生，这也是由黑到白的一些颜色组成的颜色列表。利用图像编辑软件，将其放大、缩小。观察相邻两种颜色的区别。3．展示颜色列表如下图，学生可以清晰看出相邻两种颜色的差别。4．展示颜色列表如下图，告诉学生，这也是由黑到白的一些颜色组成的颜色列表。利用图像编辑软件，将其放大、缩小。观察相邻两种颜色的区别。在此基础上，组织学生讨论：“通过刚才的观察、比较、分析，我们可以得出什么结论？”教师：“现在我们知道，人的视觉具有一定的局限性，人们正是利用这种局限性，才做到了将现实的模拟的连续的图像，转化为近似的、看起来是真实的数字化的图像。就像我们在上节课看到的那些数字化图像那样。”教师：“这节课我们以数码相机为例，探讨图像的数字化过程。”本环节安排的主要目的：活跃课堂气氛，激发学生的学习兴趣，使学生的注意力迅速集中到课堂学习中；启发学生理解图像数字化表示的生理学基础—人眼分辨力，为本课后面教学建立最近发展区，为学生理解采样过程中图像的分割过程奠定基础；引入本节课题。环节二：采样灰度图像的采样利用课件展示下图。感光器镜头感光器镜头提示：这是一幅灰度图像(模拟照片)它反射的光线通过镜头照射到感光器上，感光器负责将光信号转变为电信号；我们知道，数字化的图像是由像素组成的，将连续的图像分割为像素阵列，就是在这一过程中完成的；讨论：怎样才能实现这一过程呢？教师总结:1．在日常生活中，我们所使用的数码相机的感光器，一般是由M*N个光敏元件组成，这些光敏元件具有光电转换功能。其中每个光敏元件对应一个像素点，它采集的是一个像素点的信息，并将光信息号转变为电信号。2．展示模拟光电反应的教学课件，向学生进行简单介绍。当光信号的幅度连续变化时，通过光敏元件转换成的电信号也是连续的，它也是模拟的，并向学生展示光信号与电信号变化关系曲线。(如下图中A到B的过程)3．利用感光器中的光敏元件将光信号转变为电信号的过程被称为采样。（二）颜色图像的采样提示：感光器中光敏元件并不能分辨色彩，它仅仅是光电转换器。上节课我们已经知道，计算机中的彩色像素，是用表示R、G、B三种颜色的不同亮度二进制数字组合表示的。讨论：怎样才能实现彩色像素的采样呢？教师总结：实现彩色摄影的方法有多种，包括给感光器表面加以CFA（ColorFilterArray，彩色滤镜阵列），或者使用分光系统将光线分为红、绿、蓝三色，分别用3片CCD接收等。设计思路:1．本环节采用由浅入深、循序渐进的策略，先探索灰度图像的采样，在此基础上，探索彩色图像的采样，从而降低了学生学习的梯度。2．在讲解灰度图像的采样时，首先通过课件的播放和两个提示对学生提供学习支架,在此基础上组织学生进行讨论，讨论过程可以仁者见仁、智者见智，不一定要与现实技术一致。在讨论的过程中,培养学生的想象力和创造力，然后，与教师介绍目前采用的技术相对比，对本环节的知识有了更深刻的理解。3．在学习彩色图像的采样时，以上节课学习内容和灰度图像的采样为基础，通过启发，推进邻近发展区。4．学生在高三才学习光电效应，本环节需要通过课件，向学生进行简单介绍。环节三：量化教师讲解：物体反射的光线（光信号，模拟信号），通过镜头照射到感光器上，感光器上光敏元件阵列将其分割为像素并转换为模拟的电信号（如下图A→B的过程），而在信息技术设备中存储的都是数字信号，所以我们还要将模拟的电信号转换为数字信号。这个过程叫做量化。依次提出问题，组织学生讨论：采样获得的电信号是连续的、模拟的，而数字信号是离散的、数字的，将连续的模拟信号转换为离散的数字信号的依据应该是什么？将模拟电信号变化范围进行分割（如8等分），那么，各等分点能不能用二进制表示呢？怎样表示？当各等分点用二进制数表示后，在任意时刻t，光信号转变成的电信号能否近似的用二进制数表示呢？如何表示？为什么？怎样做才能使数字化的图像与真实的物体颜色更加接近，看起来更加真实？教师边展示下图，边总结：将模拟电信号按照由弱到强划分为若干个区间，每个区间端点对应一个二进制数，然后将表示像素的电信号强度提升或下降到邻近的二进制数。（由图B到图D，模拟信号（P1的纵坐标）转换为数字信号（P2的纵坐标）设计思路：本环节中的问题1是在环节1基础上向前推进发展区，同时，问题1又题后续问题的基础；问题2、3的解答，使学生理解了量化的两个过程；上节课中二种灰度图像的分析和观察，使学生对本环节问题4有了感性的认识，本环节在此基础上向前推进最近发展区。同时，问题4的设计主要是为了加深学生对量化的理解。环节三：编码（压缩）图形、图像的压缩原理比较深奥，学生原有的认知结构中，相关内容很少。因此，应采取直接教学方式，给出相关的压缩技术方法，然后通过学生的活动加深对知识的理解。教师：在上节课的学习中，我们已经感受到图像数字化之后的数据量非常大。这样大的数据量，在因特网上传输时很费时间，存储介质中存储时很占“地盘”，因此就需要按照一定的编码规则对图像数据进行压缩，用比较少的数据量表达原始的图像，以满足存储容量和传输带宽的要求。图像数据压缩技术主要有两类方法。一类是通过改变图像的描述方式，减少数据量。而图像在压缩前后完全一样，这种压缩称为无损压缩；另一类是利用人眼的视觉特性，有针对地简化不重要的数据，以减小总的数据量。这种压缩方法生成的图像与压缩前有一定程度的不同，称为有损压缩。学生活动：（1）有一种无损压缩的方法是将颜色值相同的相邻像素点用一个计数值和该颜色值来代替。有一幅彩色图像如图：它可以记录为5432164请问这两种记录方式的数据长度与压缩比？（2）下图为一图像示意图（在表示每个像素点的单元格内标明了该像素的RGB值），分析压缩策略，以及压缩后的数据存储形式、压缩比。(246,40,6)(251,32,15)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(244,47,8)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(251,33,12)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(244,47,8)(248,27,4)(244,8,8)(248,27,4)(248,27,4)(0,128,0)(2,126,14)(0,128,0)(0,128,0)(44,124,4)(0,128,0)(242,27,10)(240,28,10)(252,24,0)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(248,27,4)(91,104,8)(91,104,8)(94,105,9)(91,104,8)(91,104,8)(91,104,8)(84,97,7)(87,106,8)(91,104,8)(91,104,8)(11,86,161)(10,90,166)(10,90,166)(10,90,166)(10,90,166)(8,82,164)(9,97,163)(10,90,166)(10,90,166)(10,90,166)(10,90,166)(11,82,163)(10,90,166)(10,90,166)(8,82,164)(10,90,166)环节四：图像的存储教师：上面我们分别介绍了两种图像压缩方法，实际的图像压缩是综合使用各种有损和无损压缩技术来实现的。由于图片的用途不同、生成的软件不同、压缩方式不同，产生了很多种图片的格式，比如：BMP格式是Windows采用的图像文件存储格式，在W